1959—2018年内蒙古参考作物腾发量时空变化特征分析

王 斌,乔帅帅,刘继发

(1.广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东 肇庆 526040;2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古 呼和浩特 010018;3.托克托县新营子镇综合保障和技术推广中心,内蒙古 呼和浩特 010200)

参考作物腾发量(ET0)是水文系统中的重要参数,在作物需水量估算、水文模拟、灌排设计、干旱风险和评价以及气候变化等方面发挥着重要作用[1-3]。联合国粮农组织将其定义为:“假设作物高度为0.12 m,反照率为0.23,冠层阻力70 s/m,相当于生长旺盛,冠层可以完全覆盖地面,而且有充足的水分供应的开阔绿叶草地蒸散”[4]。ET0主要特点为只受气象条件影响,不受作物品种、地表状况和土壤水分状况的影响[5],是一种假想状态下的作物冠层蒸散。其次,受地域限制和气象条件不同的影响,不同地方ET0的时空表现特征及气象要素贡献程度均不一致。

目前,关于计算参考作物腾发量的计算公式很多,如Thornthwaite、Hargreaves、McCloud和Penman-Monteith公式,其中Penman-Monteith的计算对气象条件要求较高,包含了日平均气温,日最高气温、日最低气温、风速等较为全面的气象要素。因此,使用Penman-Monteith计算参考作物腾发量,能够得到较为精确的计算结果,且无论是在干旱还是湿润的气候环境中,此方法都较为适用[6]。在气候变化背景下,近些年来对于参考作物腾发量和以此为基础的作物需水和气象干旱指标,相关学者进行了大量的研究。如佟长福等[7]利用1981—2012年逐月气象数据计算了内蒙古不同气候区的参考作物腾发量。汤英等[8]计算了1951—2009年宁夏自治区参考作物腾发量,多年平均值为982 mm,呈增加趋势。温日红等[9]基于Penman-Monteith公式评估了1961—2015年辽宁省的全年和四季的参考作物腾发量,结果发现均呈减少的变化趋势。聂堂哲等[10-11]通过计算以参考作物腾发量为基础的作物需水量,分析了黑龙江省春玉米和水稻不同生育阶段的有效降雨、作物需水和灌溉需水规律。张玉静等[12]选取标准化降水蒸散指数SPEI分析了近50年来华北地区的干旱变化趋势,结果发现随着气温升高,华北平原暖干旱将进一步加剧。秦鹏程等[13]发现东北地区的干旱风险突出,地区差异性显著。这些结果丰富了参考作物腾发量在生态环境等各方面的应用。

内蒙古地区东西跨度长,横跨东北、华北、西北三大地理区域,植被主要以草原为主,是中国重要的畜牧业生产基地。内蒙古农业主要以旱作农业为主,随着气候变化的影响,内蒙古地区成为受气候变化影响敏感的地区之一[14],而参考作物作物腾发量是研究气候变化众多指标的基础。本文利用内蒙古50个气象站点计算了内蒙古参考作物腾发量,分析了内蒙古全区及年内四季参考作物腾发量时空分布特征;在对内蒙古气候分区的基础上,探讨了不同气候区的参考作物腾发量年代际变化;最后分析了年际参考作物腾发量周期性变化。此研究可为内蒙古地区水资源分配及干旱风险评估提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古地带狭长,位于中国北部边疆,自东北向西南分布,介于北纬37°30′～53°20′,东经97°10′～126°29′[14](图1)。东西长达2 400 km,南北宽约1 700 km,平均海拔为1 000 m左右。地区面积可达118.3万km2。该地区地貌复杂,平原、山地和高原镶嵌分布,主要以高原为主,特殊的地形地貌影响着水热资源的分布。内蒙古属于温带大陆性气候,四季分明,春季升温快,多风;夏季气温高,且短促;秋季降温快,霜冻影响显著;冬季寒冷且漫长,多寒潮天气。

图1 内蒙古地区站点分布

1.2 气象数据

研究所需气象数据均来自于中国气象数据服务网(http://data.cma.cn),主要包括1959—2018年50个站点的日平均温度(℃)、日最高温度(℃)、日最低温度(℃)、高程(m)、经纬度、日照时数(h)、风速(m/s)、降雨量(mm)和相对湿度(%)。其中,对缺测数据进行插补,若缺测数据小于等于5日,采用线性插值替代,若缺测数据大于5日,缺测数据采用近几年数据的平均值代替。

1.3 参考作物腾发量(ET0)计算

对于内蒙古每个气象站点的参考作物腾发量(Reference Crop Evapotranspiration,ET0),本文采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith方法进行计算[4],见式(1):

(1)

式中 ET0——参照作物需水量,mm;T——计算时段内的平均气温,℃;Δ——饱和水汽压-温度曲线上的斜率,kPa/℃;Rn——太阳净辐射,MJ/m2/d;G——土壤热通量,MJ/m2/d;γ——温度计常数,kPa/℃;es——饱和水汽压,kPa;ed——实际水汽压,kPa;U2——离地面2 m高处的平均风速,m/s。

利用ArcGIS10.2中自带的空间分析工具对参考作物腾发量及其气象倾斜率的空间分布进行绘制。

1.4 气候倾斜率、变异系数和突变检验

本文采用一次线性方程描述ET0的时间变化趋势[10],见式(2):

y=at+b

(2)

式中y——气象要素的时间序列值;t——y相对应的年份;a、b——回归系数。

以10 a表示气象要素每10 a的变化速率,其正值表示该气象要素呈增加趋势,负值则表示该气象要素呈减少趋势。

参考作物腾发量的时间变异性采用变异系数(Cv)来表示[15]。其区间Cv≤0.1、0.1

Mann-Kendal检验法能很好地反映某一事物在时间尺度上的变化趋势及突变检验,目前已广泛在水文、降雨和气温等领域得到应用[16-18]。Mann-Kendall检验是一种非参数检验,其统计变量Z值分别大于等于1.64、2.32、2.56时,表示该要素趋势变化通过了95.0%、99.0%和99.9%的显著性检验。对于时间序列的参考作物腾发量,通过分别绘制UF、UB两个统计量的曲线图,其交点对应的年份则为参考作物腾发量的突变年份。

1.5 小波分析

小波分析通过对某一信号或者函数进行小波函数逼近,将时间序列分解成时域和频域,可以用来分析气候变化的内在结构和不同时间尺度上的周期性变化[19]。小波函数的选择至关重要,本文采用Morlet小波函数分析内蒙古地区参考作物腾发量的周期变化,其表达式为:

φ(t)=eict·e-t2/2

(3)

式中t——复数;c——常数。

对于离散型时间序列进行Morlet小波变化,见式(4):

(4)

式中a、b——小波的周期长度和时间平移;Wf(a,b)——小波变化系数。

同时计算小波方差,确定参考作物腾发量变化的主周期,见式(5):

(5)

1.6 气候区划分

干燥度指数能够综合反映干湿气候实际状况。联合国环境规划署(UNEP)将干燥度指数指数定义为年平均降雨量与年平均潜在腾发量的比值。利用干燥度指数对内蒙古50个气象站点进行气候区划分,将内蒙古大致分为特干旱气候区(UNEP≤0.08),干旱气候区(0.08

2 结果

2.1 参考作物腾发量时空变化

内蒙古ET0及其气候倾斜率时空变化见图2。由图2a可知,在空间分布上,内蒙古全区ET0为566～1 682 mm,ET0自西向东总体表现为减少的趋势。其中,ET0高值区主要分布在巴彦淖尔盟的海力素、阿拉善盟的阿拉善右旗、额济纳旗、吉柯德和拐子胡附近,其平均ET0在1 402 mm以上,拐子胡的ET0值最大。低值区主要分布在呼伦贝尔地区的博客图、额尔古纳、小二沟,图里河和兴安盟的阿尔山附近,其平均ET0均小于678 mm,图里河的平均ET0最小。内蒙古ET0气候倾向率空间分布由图2b可知,ET0气候倾斜率在-30～47 mm/10a。其中,包头、集宁、达茂旗和宝国吐下降趋势较大,其值在12 mm/10以上。上升趋势较大的地区主要分布在锡林浩特、满洲里、呼和浩特、海力素、拐子胡和吉柯德等地区,其值在20 mm/10a以上。空间分布上整体表现为中西部地区和东南部地区呈下降趋势,其余地区呈上升趋势。内蒙古ET0时间变化趋势见图2c,1959—2018年ET0平均值为1 018 mm,最大值为1 102 mm,出现年份为2017年。最小值为921 mm,出现年份为1959年。通过5 a滑动平均ET0可知,ET0在1959—1981年一直处于缓慢上升趋势,ET0由921 mm上升为1 014 mm,上升幅度为10%。1981—2001年,ET0先表现为下降趋势后表现为上升趋势,ET0值由1 014 mm下降为958 mm之后再次上升为1 060 mm,2001年之后变化较小。1959—2018年ET0气候倾斜率平均值为4.2 mm/10a,整体表现为上升趋势,且趋势显著(p<0.01)。由变异性分析可知,ET0在时间序列上表现为弱变异性,利用Mann-Kendall对ET0进行突变检验,由图2d可知,1959—1990年,UF曲线大于0,表明该时期ET0呈增加趋势,1991—2006年UF曲线小于0,ET0呈减少趋势,2006年之后呈增加趋势。虽然UF曲线和UB曲线存在多个交点,但是UF曲线的上升和下降趋势并未超过显著水平的临界值,因此ET0不存在突变点。

2.2 内蒙古ET0季节空间变化

内蒙古不同季节ET0空间变化见图3。其中春季ET0空间分布见图3a,其值范围为185～511 mm,平均值为332 mm,低值区分布在额尔古纳、阿尔山和图里河附近,高值区主要分布在吉柯德和拐子胡附近,春季ET0约占全年ET0的33%。夏季ET0空间范围值为285 ～750 mm,平均值为457 mm,低值区主要分布在博客图、图里河和阿尔山附近,高值区分布与春季相似,夏季ET0约占全年ET0的45%(图2b)。秋季ET0空间范围值在82～348 mm,平均ET0为189 mm,低值区主要分布在呼伦贝尔的阿尔山、小二沟、额尔古纳和图里河附近,高值区分布与春季相似,秋季ET0约占全年ET0的18%(图2c)。冬季ET0空间分布最大值为99 mm,最小值为7 mm,平均ET0为40 mm,低值区分布在海拉尔、图里河、小二沟和额尔古纳附近,高值区主要分布在阿拉善的阿拉善左旗、吉兰太、拐子胡和阿拉善右旗,约占全年ET0的4%。在空间分布上,除冬季外,春、夏、秋季空间分布与年值分布相似,自西向东呈减少的趋势。其次,春、夏、秋季为作物生长主要生育期,ET0所占比例较大,约占总ET0的96%。

a)春季

2.3 不同气候区ET0变化

内蒙古全区及不同气候区的统计参数见表1,特干旱气候区ET0平均值最大(1 458 mm),湿润半湿润气候区ET0平均值最小(636 mm)。随着气候区由特干旱气候区到湿润半湿润气候区转变,ET0呈逐渐减少的变化趋势。不同气候区ET0变异系数均小于0.1,变异系数较小,呈弱变异性,极差均小于0.05,年际变化不强烈。1959—2018年内蒙古不同气候区年均ET0时间变化见图4,特干旱气候区ET0最大值出现在1987年,为1 562 mm,最小值出现在1996年,为1 332 mm。干旱气候区ET0最大值为1 318 mm,出现年份为1972年,最小值为1 105 mm,出现年份为1964年。半干旱区最大值为1 074 mm,出现日期为2017年,最小值为906 mm,出现日期为1992年。干旱半湿润气候区ET0最大值为857 mm,出现年份为2017年,最小值为691 mm,出现年份为1960年。湿润半湿润气候区ET0最大值和最小值分别为734、564 mm,出现年份分别为2007、1984年。在时间尺度上,各气候区有较为相似的变化趋势。

表1 内蒙古不同气候区参考腾发量基本统计参数

图4 内蒙古不同气候区ET0时间变化特征

通过计算内蒙古不同气候区1959—2018年6个年代际的累计正负距平值及年数,结果见表2,不同气候区均在20世纪90年代末发生突变,1989—1998年累计距平值均为负值,负距平值年数为6～10 a。1999年以后至今各气候区累计负距平再次转为正距平值,正距平年数出现回升,为5～10 a。特干旱气候区在1959—1969年为累计负距平,之后在1969—1988年转为累计正距平值,在1989—1998年转为负距平,正距平年数出现回落,之后再次转为负距平。干旱气候区、干旱半湿润气候区和湿润半湿润气候区年代际变化表现较为相似,1999年之前,除干旱区外负距平累计值(64～368 mm)均大于正距平累计值,负距平出现年数为5～10 a,在此之后转为累计正距平值。在1979年之前,半干旱气候区累计距平均表现为正值(157～180 mm),正距平年数为5～7 a,在1979—1998年累计距平由正值转为负值,之后再次转为正值,正距平年数为6～7 a。

表2 内蒙古不同气候区ET0年代际变化特征

2.4 年际ET0周期性变化

趋势分析和突变检验在时间尺度上很难看出ET0周期性变化,因此对ET0进行小波分析变化见图5,该图清楚地表达了内蒙古近60 a ET0在时间尺度上的周期变化趋势特点。由图可知,ET0周期性检验结果明显存在以59、24、14、7、4 a时间尺度的周期规律。其中在59 a时间尺度上少-多循环交替变化出现在1959—2018年;中心时间尺度为24 a的3次交替变化主要出现在1970—2018年;中心时间尺度为14 a的7次循环交替变化出现在1959—2018年;中心时间尺度为7、4 a时间尺度的循环交替较多,主要出现在1959—2018年。ET0小波方差图表明在59、14、24 a周期峰值比较明显,在7、4 a周期峰值较弱,其中在59 a处峰值最大,周期震荡最强为第一主周期,14 a处为第二主周期,24 a处为第三主周期。这3个主周期控制着内蒙古地区ET0近60 a的变化规律。

3 结论与讨论

郑磊等[21]和佟长福等[7]分别统计了内蒙古不同时期气象站点和不同气候分区下的ET0,本文在此基础上基于1959—2018年近60 a气象资料分析了内蒙古区域ET0年和季尺度时空变化特征;分析了不同气候区的年代际变化规律;最后分析了ET0周期性变化。与现有研究相比,增加了ET0空间趋势变化和周期变化,同时利用统计方法分析了不同气候区ET0的年代际变化,对ET0趋势变化描述更为准确。通过与郑磊等[21]相关研究进行比较,ET0最大值和最小值极差为0.01～0.05,相差较小。由于统计时段不同,不同气候区的ET0差值为-31～18 mm,保证了该研究计算结果的正确性。主要结论如下。

a)内蒙古地区近60 a来ET0年平均值为1 018 mm,其范围为566～1 682 mm,空间分布上自西向东表现为减少的分布趋势,气候倾斜率为4.22 mm/10a,整体呈显著上升趋势。

b)内蒙古不同季节ET0从大到小依次为:夏、春、秋、冬季。春、夏、冬季等作物生长季的总ET0约占全年总值的95%,空间分布与年值相似。

c)随着气候区由特干旱气候区向湿润半湿润气候区移动,ET0呈现逐渐减少的趋势,各气候区的变异系数较小(0.044～0.072),极值比小于0.30。特干旱气候区年代际变化表现为累计距平值由正值转为负值再次正值,而干旱气候区、干旱半湿润气候区和湿润半湿润气候区时间变化相似,表现为负值到正值再到负值的变化,半干旱气候区则表现为由正值到负值的变化趋势。

d)小波分析法表明在内蒙古ET0在实间尺度上存在多个周期性变化,其中,在59、14、24 a左右时间尺度上周期性最强,在7、4 a时间尺度上周期性较弱。

在气候变化背景下,内蒙古增温速率为0.38℃/10a,明显高于全球变化趋势[22-23],内蒙古湿润气候区范围较小,干旱区范围较大,气温升高带来的干旱风险将进一步增大。由于空间降雨不均,导致ET0与干旱发生频率不协调,内蒙古东部地区ET0少,干旱发生频率高,西部地区ET0大,干旱频率低,西部地区干旱整体呈减轻趋势,东部地区干旱有加剧趋势[24-25]。因此,在应对气候变化带来的影响时,应当注意内蒙古地区间的差异,保证自然资源的合理利用。