新疆维吾尔自治区参考作物腾发量时空变异性研究

佟长福，李和平，张 娜(.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 0000；.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 0008)

参考作物腾发量包括作物蒸腾量和土壤棵间蒸发量,在研究作物需水量的估算与预测、植被耗水量、评价气候干旱程度、水资源供需平衡、农田水分管理和灌溉制度的制定等生产实践中发挥着关键作用[1]。联合国粮农组织(FAO)对参考作物腾发量进行了定义，即假设作物的高度为0.12 m，固定的叶面阻力为γs=70 s/m，反射率α=0.23，相当于表面开阔、高度一致、生长旺盛，完全遮盖地面而不缺水的绿草地的腾发量[2]，它不受作物类型、作物生长状况和土壤水分状况的限制，主要受气象因子影响。近年来作物腾发量在水文气象、水资源、农业水土，自然资源等科学领域中研究非常活跃。新疆维吾尔自治区(以下简称新疆)是我国气候敏感区之一，位于我国西北内陆，远离海洋、盆地沙漠戈壁广布，加之降水稀少、蒸发强烈、导致气候干旱和生态环境脆弱。田敏[3]等(2016年)从经度、纬度和海拔分析新疆参考作物腾发量空间变化规律，其他方面未见报道。因此，本文从气候分区的角度研究新疆地区的参考作物腾发量的时空变异性，对新疆未来水资源的规划与管理，提高水资源在农牧业生产中的利用效率，以及缓解旱涝灾害现状等都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究概况

新疆地理位置东经73°40′～96°23′，北纬34°25′～49°10′，深居欧亚大陆腹地，远离海洋，位于中国西北边陲，首府乌鲁木齐，是中国五个少数民族自治区之一，也是中国陆地面积最大的省级行政区，面积166万km2，占中国国土总面积1/6。山脉与盆地相间排列盆地与高山环抱、喻称“三山夹二盆”。北部阿尔泰山，南部为昆仑山系；天山横亘于新疆中部，把新疆分为南北两半，南部是塔里木盆地，北部是准噶尔盆地。新疆三大山脉的积雪、冰川孕育汇集为500多条河流，分布于天山南北的盆地，其中较大的有塔里木河(中国最大的内陆河)、伊犁河、额尔齐斯河(流入北冰洋)、玛纳斯河等20多条。属明显的温带大陆性气候。气温温差较大，年日照时间达2 500～3 500 h，降水量少，气候干燥。年平均降水量为150 mm左右，各地降水量相差很大。最冷月(1月)，平均气温在准噶尔盆地为零下20 ℃以下，该盆地北缘的富蕴县绝对最低气温曾达到-50.2 ℃，是全国最冷的地区之一。最热月(7月)，吐鲁番平均气温为33 ℃以上，绝对最高气温曾达至49.6 ℃。

1.2 数据来源

本研究使用的新疆各地气象站点观测资料来自中国国家气象资料服务网。选用1951-2013年较完整的68个站点，每年1-12月份的降水量(mm)、平均气温(℃)、风速(m/s)、日照时数(h)和相对湿度(%)等。气象站点分布见图1。

图1 新疆各气象站点分布图Fig.1 The weather station distribution in Xinjiang

1.3 数据处理方法

采用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式计算新疆各个气象站点参考作物腾发量，考虑了植被生理特征，以能量平衡和水气扩散理论为基础，是经试验证明的所得结果与实测值最为接近的蒸散模型，可以用于不同环境与气候背景下估算潜在蒸散量，在国内外得到广泛应用[4]，公式不详细给出。

采用ArcGIS空间插值技术，绘制了新疆ET0等值线图。

1.4 气候分区

采用联合国防治荒漠化公约提出的全球干旱指数(UNEP)对新疆进行气候分区[5]，根据气候分区标准，分为特干旱、干旱、半干旱及干旱半湿润气候区。新疆气候区主要为特干旱气候区和干旱气候区，其中南部基本为特干旱气候区，北部主要为干旱气候区；半干旱气候区主要在新疆北部有较少的分布；干旱半湿润气候区仅在北部零星分布。气候分区见图2。

图2 新疆气候分区Fig.2 The climate partition in Xinjiang

2 结果与分析

2.1 年均ET0的变化趋势

图3为1951-2013年68个站点年均ET0变化趋势。从图3中可知：年均ET0主要在1 008～1 142 mm之间变化，63年平均ET0为1 086 mm；年均ET0均在1 086 mm上下波动，1951-1979年年均ET0变化较小；1980-2007年年均ET0变化较大，其中1979-1992年基本为逐年减少的规律，而1992年到2007年为逐年增加的趋势，此后呈现减少的趋势。

图3 新疆1951-2013年年均ET0变化趋势Fig.3 The annual average ET0 variability trends during the period 1951-2013 in Xinjiang

(1)特干旱气候区。图4为特干旱气候区63年平均ET0、年平均ET0和8年滑动平均及线性拟合。8年滑动平均曲线可以减弱异常年份ET0误差给多年平均ET0变化趋势带来的负面影响。63年平均ET0值为1 227 mm，各年ET0在63年平均ET0上下波动变化，总体表现为减小趋势，其最大值出现在1956年，为1 285 mm，最小值出现在1989年，为1 135 mm。从8年滑动平均来看，在63年期间内，年均ET0在1961-1989年一直处于减小的阶段，但1989年后又继续升高，到2005年达到1 246 mm。

图4 特干旱气候区年均ET0变化趋势Fig.4 The annual average ET0 variability trends in special arid climate zone

(2)干旱气候区。图5为干旱气候区63年平均ET0、年平均ET0和8年滑动平均及线性拟合。63年平均ET0值为1 040 mm，较特干旱气候区减少187 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波动变化，总体表现为减小趋势，其最大值出现在1974年，为1 134 mm，最小值出现在1993年，为944 mm。就8年滑动平均而言，基本呈现出增大-减小-增大的变化过程。

图5 干旱气候区年均ET0变化趋势Fig.5 The annual average ET0 variability trends in arid climate zone

(3)半干旱气候区。图6为半干旱气候区63年平均ET0、年平均ET0和8年滑动平均及线性拟合。63年平均ET0值为918 mm，较干旱气候区减小了122 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波动变化，总体表现为增大趋势,最大值出现在1962年，为981 mm，最小值出现在1960年，为856 mm，最大最小值相差125 mm。8年滑动平均值变化曲线显示，该气候区ET0在63年平均ET0上下波动变化。

图6 半干旱气候区年均ET0变化趋势Fig.6 The annual average ET0 variability trends in semi-arid climate zone

(4)干旱半湿润气候区。图7为干旱半湿润气候区63年平均ET0、年平均ET0和8年滑动平均及线性拟合。63年平均ET0值为806 mm，较之前的半干旱气候区减少了112 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波动变化，最大值出现在2012年，为844 mm。最小值出现在1955年，其值为776 mm。其中最大最小值相差68 mm。年际ET0总体趋势比较平缓。从8年滑动平均可知，该气候区ET0基本呈现出增大-减小-增大的变化过程。

图7 干旱半湿润气候区年均ET0变化趋势Fig.7 The annual average ET0 variability trends in arid and humid climate zone

2.2 ET0的季节变化趋势

月均ET0分布如图8。从图8中可以看出：月均ET0变化呈单峰曲线形状，最大值出现在7月，达到了178 mm/month，最小值在12月，为12 mm/month，可见各月份的ET0差异显著，最大最小月份相差166 mm，致使季节性ET0的分布很不均匀。一年中ET0主要集中在4-9月份，占全年ET0总量的81.7%,即作物的整个生长发育期。

图8 新疆月均ET0分布Fig.8 The average monthly ET0 distribution in Xinjiang

2.3 ET0的空间变化特征

在各气象站点ET0多年平均值计算的基础上，采用ArcGIS空间插值技术，绘制了新疆ET0等值线如图9。通过对1951-2013年新疆68个气象站年均ET0的计算可知，全疆年均ET0为1 086 mm。但因地域、气候等自然条件的差异，各站点变化在660～1 800 mm，其空间分布总体表现为南疆大于北疆、东部大于西部、盆地大于山区的分布格局。新疆东部的吐鲁番、哈密盆地，南疆的塔里木盆地中、东部以及北疆的准噶尔盆地西南部等地为ET0的高值区，大多为1 400～1 800 mm，其中东疆“百里风区”等风口、风线和荒漠戈壁地带高达1 800 mm，是新疆ET0最大的区域；天山、阿尔泰山和昆仑山为低值区，一般为800～1 000 mm，高海拔地带甚至不足800 mm，是新疆ET0最小的区域；全疆其余大部分地区ET0为南疆800～1 200 mm，北疆800～1 000 mm。对比年平均气温、日照时数、平均风速和空气相对湿度的空间分布可知，新疆年ET0的空间分布与其具有非常好的对应关系，总体来说，气温高、日照时间长、风速大和空气湿度小的区域，ET0较大，反之较小。

图9 新疆年际ET0的空间分布特征Fig.9 Spatial distribution characteristics of interannual ET0 in Xinjiang

3 结 语

(1)采用全球干旱指数(UNEP)法对新疆进行气候分区，根据气候分区标准，将新疆分为特干旱、干旱、半干旱及干旱半湿润4个气候区。

(2)采用1951-2013年气象资料对新疆4个气候区的63年平均ET0、年平均ET0和8年滑动平均及线性拟合进行了综合分析得出：63年平均ET0由特干旱气候区的1 227 mm降低到干旱半湿润气候区806 mm；各年ET0在63年平均ET0上下波动变化；8年滑动平均值特干旱气候区呈现“V”变化，其余4个气候区ET0值在63年平均ET0上下波动变化。

(3)全年ET0变化趋势呈单峰曲线形状，最大值出现在7月，达到了178 mm/month，最小值在12月，为12 mm/month，一年中ET0主要集中在4-9月份，占全年ET0总量的81.7%。

(4)通过对1951-2013年新疆68个气象站年均ET0的分析，各站点ET0变化在660～1 800 mm，其空间分布总体表现为南疆大于北疆、东部大于西部、盆地大于山区的分布格局。

[1] 段春锋，缪启龙，曹 雯.西北地区参考作物蒸散变化特征及其主要影响因素[J].农 业 工 程 学 报，2011，27(8)：77-83.

[2] 佟长福，史海滨，霍再林，等.参考作物腾发蒸腾量等值线图的绘制[J].沈阳农业大学学报,2004-10,35 (5～6):492-494.

[3] 田 敏，王 健，朱 鹏，等.新疆参考作物蒸散量空间变化规律研究[J].浙江农业科学，2016，57(4): 563-568.

[4] 贾秋洪，景元书，景梽淏. 典型小流域气候变化及其对潜在蒸散量的影响[J].中国农村水利水电，2016,(1)：1-7.

[5] 袁 云，李栋梁，安 迪. 基于标准化降水指数的中国冬季干旱分区及气候特征[J].中国农村水利水电，2010,30(4)：917-925.