中国西北地区参考作物蒸散量的估算与变化特征

汪　彪，曾新民，刘正奇，周霄林，所靖东

(1.中国人民解放军海军南海舰队海洋水文气象中心，广东　湛江　524001；2.中国人民解放军理工大学气象海洋学院，江苏　南京　211101；3.教育部中尺度灾害性天气重点试验室，南京大学，江苏　南京　210093；4.中国人民解放军61741部队气象中心，北京　100081；5.中国人民解放军92872部队，辽宁　绥中　125200)



中国西北地区参考作物蒸散量的估算与变化特征

汪彪1,2,3，曾新民2,3，刘正奇1，周霄林4，所靖东5

(1.中国人民解放军海军南海舰队海洋水文气象中心，广东湛江524001；2.中国人民解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101；3.教育部中尺度灾害性天气重点试验室，南京大学，江苏南京210093；4.中国人民解放军61741部队气象中心，北京100081；5.中国人民解放军92872部队，辽宁绥中125200)

摘要：基于中国西北地区42个气象站1956～2011年逐日气象观测资料，采用Penman-Monteith公式，估算该地区的参考作物蒸散量(ET0)，分析西北地区ET0的时空变化特征，并利用Mann-Kendall检验、小波分析和多元线性回归分析等方法分别对ET0进行突变检验、周期变化和主要影响因子分析研究。结果表明：(1)西北地区ET0存在明显的月和季节变化，ET0自夏季、春季、秋季和冬季依次减少；(2)近56 a来，西北地区年均ET0呈明显减少趋势，且存在一定的季节性差异，春、夏、秋季ET0均呈显著减小趋势，且夏季减少率最大，而冬季则呈平缓的增加趋势；(3)ET0减小幅度最大的地区位于哈密—和田的东北—西南向一带；(4)1956～2011年，春、夏、秋、冬季及全年平均ET0分别在1984、1986、1981、1995与1980年前后发生了一次减小的突变，且年均ET0存在2～3 a显著震荡周期和准6 a的震荡周期；(5)ET0与2 m风速、日照时数呈显著正相关，而与相对湿度和平均气温呈负相关，其中与平均气温的相关性较弱，可见平均气温、相对湿度的升高与日照时数、2 m风速的下降导致西北地区ET0的减小，同时考虑日照时数、平均气温、风速和相对湿度4个气象因子的多元线性回归方程的均方根误差最小，表明西北地区ET0的变化是上述多种气象因子综合作用的结果。

关键词：气候变化；Penman-Monteith公式；参考作物蒸散量；西北地区

引言

近年来，由于自然和人类活动的干扰，大气污染物和温室气体浓度的扩散加快了气候变化的速度。蒸散发作为生态系统水分循环与水量平衡的重要组成部分，直接影响着地表能量平衡和水量平衡[1]。气候变化对水循环的各个环节都有影响，除通过降水和气温的变化影响流域径流的时空变化外，还通过不同方式对蒸散发能力产生影响[2]。开展蒸散发的时空变化及其影响因子研究，不仅对深入了解气候变化规律和探讨气候变化成因有重要意义，也对区域社会人与自然和谐发展具有重要作用。

潜在蒸发是表征大气蒸发能力的一个量度，反映大气控制充分湿润下垫面蒸发过程的能力，是评价气候干湿程度、水库设计、作物耗水和作物生产潜力的重要指标，通常基于气象要素计算获得[3]。联合国粮农组织(FAO：Food and Agriculture Organization of the United Nations)在1990年代将Penman-Monteith(P-M)公式确定为计算参考作物蒸散量(ET0：Reference Crop Evapotranspiration)的标准方法[4]。国内外许多学者从不同区域、不同对象、不同角度开展了ET0气候变化及其成因等方面的研究[5-19]，得到许多有意义的结论。

我国西北地区气候较为干旱，大部分地区降水稀少，且沙尘暴频发[20-21]，ET0对该地区气候变化具有重要影响。ET0通过控制区域能量和水分平衡，直接影响气候中最为关注的降水和气温变化，进而对气候变化产生重要影响。因此，有必要对西北地区ET0的变化特征及其影响因子做进一步研究分析。本文利用P-M公式开展西北地区ET0的估算和变化研究，探索该地区蒸发能力及其时空变化规律，以及ET0的突变、周期变化特征，进一步探讨影响西北地区ET0的主要气象因子，对估算地表风蚀作用、预测沙尘频次具有重要意义，同时也有助于水资源的科学合理利用。

1资料和方法

1.1资料

选取中国西北地区42个气象站1956～2011年逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、平均相对湿度、平均风速等资料，并对资料进行质量控制，剔除个别异常数据，站点分布见图1。该气象资料来自中国国家气象中心逐日观测数据集。季节划分：春季为3～5月，夏季为6～8月，秋季为9～11月，冬季为12月至翌年2月。

图1　中国西北地区气象站点空间分布

1.2研究方法

采用Penman-Monteith(P-M)公式、Mann-Kendall(M-K)检验、小波分析[22-25]和多元线性回归分析[26]等方法对中国西北地区1956～2011年参考作物蒸散量进行研究。下面重点介绍P-M公式计算方法。

P-M公式是FAO唯一推荐的ET0计算公式，具有较高的精度和较好的通用性，被世界各地广泛使用，FAO于1998年修正了P-M模型[4]，其计算公式如下：

(1)

式中：ET0为P-M公式估算的参考作物蒸散量(mm·d-1)；Rn为参考作物表面冠层接受到的净辐射(MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)；Ta为平均气温(℃)；U2为2 m高度处风速(m/s)；γ为干湿常数(kPa/℃)；△为饱和水汽压—温度曲线的斜率(kPa/℃)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)。P-M公式由2项组成：一是由辐射平衡引起的蒸发，称为辐射项；二是由空气温度、风速和水汽压差引起的蒸发，称为动力项。

2结果与分析

2.1西北地区ET0时间变化特征

2.1.1月和季节变化

图2是中国西北地区平均ET0的月变化。可以看出，西北地区平均ET0的月变化呈现明显的单峰型，1月开始ET0持续增大，至7月达到最大值，为163.8 mm，而后逐渐减小，12月最小，为19.0 mm。经统计，ET0自夏季(475.8 mm)、春季(331.2 mm)、秋季(198.8 mm)和冬季(72.3 mm)依次降低。

图2　1956～2011年中国西北地区逐月平均ET0变化

2.1.2年变化

图3为1956～2011年西北地区四季和全年平均ET0的年变化及趋势(除冬季外，其它变化趋势都通过α=0.05的显著性检验)。从春季ET0的年变化来看(图3a)，ET0最大值出现在1974年(350.1 mm)，最小值出现在1996年(309.7 mm)，变化幅度为40.4 mm，平均值为331.2 mm，标准差为10.8 mm；1956～2011年间春季ET0变化大致经历3个阶段，1980年代以前ET0波动变化，而后快速减少，至1990年代初降为最低，随后开始波动增加，但整体呈显著减少趋势，减少趋势为-2.6 mm/10 a。夏季ET0的年变化特征与春季类似，表现出“先波动、快速减少、后缓慢增加”的特征，只是1990年代以后ET0的增加幅度较春季小，但总体呈显著减少趋势，气候倾向率为-7.2 mm/10 a(图3b)。秋季ET0的年变化特征与春、夏季略有不同，差异主要表现在1960年代以前呈显著减少趋势，但整体仍呈显著减少趋势，气候倾向率为-3.1 mm/10 a，介于春季和夏季之间(图3c)。其中，最大值出现在1956年(223.5 mm)，最小值出现在1992年(182.0 mm)，变化幅度为41.5 mm，平均值为198.8 mm，标准差为7.9 mm。冬季ET0的年变化特征与其他季节不同(图3d)，1990年代以前波动变化，之后出现短暂的减少，至1990年代中期开始逐渐增加，近56 a整体呈微弱增加趋势，增加速率为0.2 mm/10 a，最大值出现在2010年，为82.5 mm，最小值出现在1964年，为63.9 mm，平均值为72.3 mm，标准差为4.3 mm，冬季ET0变化幅度最小。从全年ET0变化趋势来看(图3e)，近56 a整体呈显著减少趋势，阶段性变化特征与春、夏季较相似。其中，年平均ET0最大值出现在1956年(1 146.1 mm)，最小值出现在1992年(1 005.5 mm)，变化幅度达89.6 mm，平均值为1 069 mm，标准差为32.4 mm。

图3　1956～2011年西北地区四季(a、b、c、d)和年(e)平均ET0的年变化

综上所述，近56 a来西北地区ET0呈明显减少趋势，但存在一定的季节性差异，其中春、夏、秋季ET0呈显著减少趋势，这与刘健[27]、朱国峰[28]和张瑞钢[29]等研究得出ET0在近几十年来逐年减小的结论一致。但冬季ET0则呈微弱的增加趋势。

2.1.3年代际变化

表1给出1956～2009年西北地区四季和年平均ET0的年代际变化。可知，春、夏、秋季ET0的年代际变化趋势与全年较为一致，1990年代以前呈下降趋势，1990年代以后呈明显上升趋势；而冬季ET0年代际变化与其他季节明显不同，尽管1990年代前呈小幅度下降趋势，多数年际变化为负距平，但之后上升较为明显。总的来说，近56 a西北地区ET0的年代际变化呈先减后增的特征，年代际转换时间在1990年代。

表1　1956～2009年西北地区各季和年平均ET0的年代际变化 (单位：mm)

2.2西北地区ET0的空间分布

我国西北地区幅员辽阔，地形地貌差异较大，ET0的空间分布存在明显的区域性特征。由图4西北地区42个气象站四季、年平均ET0的空间分布看出，春季ET0高值区集中在新疆中部地区，最大值为474.1 mm，低值区集中在青海南部地区，最小值为168.5 mm；除青海南部外，其余地区夏季ET0均较高，多数在350.0 mm以上，最大值为700.0 mm；秋季ET0普遍较小，多数站点在200.0 mm以下，其分布呈现中部高、四周低的特征(最大值为277. 3 mm，最小值为143.5 mm)；冬季ET0值为四季最低，其分布与春季、夏季和秋季略有不同，呈现南高北低的特征，南部最高值为114.8 mm，北部最低值为15.5 mm。年平均ET0的空间分布呈现中部高、南北低的特征，ET0的高值主要分布在哈密—和田的东北—西南向一带，主要是由于该地带属温带大陆性干旱气候，春季多风，夏季酷热，秋季晴朗，晴天多，年蒸发量较大。综上所述，春、夏、秋季同全年ET0的分布形态较相似，ET0均在西北地区中部最高，且高值区基本呈东北—西南向分布。

另外，从ET0的变化趋势来看，西北地区各站点不同季节的变化率差异较大。就春季而言，甘肃中部以西、青海中部以北大部地区ET0呈减小趋势，最大变率为-23.9 mm/10 a，其他区域呈现增大趋势，最大变率为7.0 mm/10 a，其中减少的站点远多于增大的站点，且95%的站点通过α=0.05的显著性检验，未通过显著性检验的站点主要分布在西北地区南部。夏季，除青海南部、甘肃南部、宁夏和陕西北部ET0呈现增加趋势外(最大变率为5.3 mm/10 a)，其余大部分站点的变化率都为负值，最大变率为-34.9 mm/10 a，其中未通过显著性检验的站点主要集中在西北地区东南部。秋季ET0变化率的分布形式类似夏季，90%的站点通过α=0.05的显著性检验，未通过显著性检验的站点也主要分布在南部地区。冬季ET0减少的站点主要分布在新疆中部和西北部以及甘肃西部，而大多站点呈现增加趋势(最大正变率为4.1 mm/10 a，最大负变率为-4.1 mm/10 a)，其中42个站点中93%的站点通过α=0.05的显著性检验，未通过显著性检验的站点主要分布在西部地区。就全年而言，甘肃中部以西和青海南部以北以及新疆大多站点呈现减小趋势(最大变率为-76 mm/10 a)，甘肃中部以东和青海南部呈现增加趋势(最大变率为16.9 mm/10 a)。总体来看，西北地区ET0除冬季略有增加外，春、夏、秋季和全年的ET0都呈现减少趋势。研究表明[30]，在区域变暖的大背景下，由于绿洲的“冷岛效应”，夏季气温呈现下降趋势，相对湿度明显上升，从而造成绿洲站点夏季ET0快速减少。

2.3M-K检验

图5是1956～2011年西北地区ET0标准化处理后的季、年平均M-K突变检验。其中，UF为ET0的正序列曲线，UB为逆序列曲线，并给定显著性水平α=0.05的临界线u0.05=±1.96。就全年而言，曲线UF和UB在1980年左右相交于2条临界曲线之间，随后UF曲线超出临界线，表明西北地区年均ET0自1980年代开始减少，至1980年代中期以后呈显著减少趋势，在1980年左右发生一次显著减少突变。春、秋季ET0的M-K检验特征与全年的相似，UF和UB曲线分别在1984年、1981年左右相交于2条临界线之间，随后UF曲线均超出临界线，表明春、秋季ET0自1980年代以后显著减少，突变时间分别为1984年和1981年。夏季ET0的M-K检验与春、秋季略有不同，夏季ET0在1970年代后期持续减少，至1980年代中期以后呈显著减少趋势，但UF和UB曲线在u0.01=±2.56 2条临界线内有交点，说明夏季ET0在1986年发生减少突变。冬季，UF和UB曲线在1990年代中期以后在2条临界线内存在多个交点，但UF曲线未超出临界线，表明冬季ET0在1990年代中期发生减少的突变，并在2000年代以后表现为略微增加趋势，其中突变点在1995年。

图4　1956～2011年西北地区ET0的空间分布(左，单位:mm)及变化率(右，单位:mm/10 a)

图5　1956～2011年西北地区四季和年平均ET0的M-K突变检验

2.4小波分析

对西北地区1956～2011年年均ET0时间序列进行Morlet小波分析，以考察不同时间尺度的周期变化特征。图6是西北地区1956～2011年ET0年均值序列的Morlet小波功率谱，其中，黑色粗实线所围部分为置信度95%的红噪声检验，虚线为影响锥(COI: Cone of Influence)，COI以下区域表示受边际效应影响功率谱减小；蓝色等值线为负值，表示要素值偏低；绿至红色等值线为正值，表示要素值偏高；等值线中心对应突变点。

由图6可知，西北地区年均ET0存在多重时间周期尺度的嵌套复杂结构。年均ET0存在2～3 a的显著性震荡周期和6 a的准周期震荡，其中2～3 a的显著周期震荡分别在1960年代和1980～2000年代初期较显著；6 a的准周期震荡分别出现在1960年代后期到1970年代前期、1970年代后期到1980年代初期和1980年代中期到2000年代初期。值得注意的是，超过28 a的分析中，等值线几乎全为红色，且没有闭合中心，这主要由于ET0的时间序列仅有56 a，超过28 a的周期无法明显地表示出来。

图6　1956～2011年西北地区年均

2.5ET0的影响因子分析

2.5.1相关性分析

由P-M公式可知，与ET0相关的气象要素有平均气温T、日照时数SD、相对湿度RH、2 m风速U2等。为进一步探讨各气象因子与ET0的关系，对西北地区1956～2011年年均ET0与各气象因子做相关性分析(表2)。发现，平均气温与ET0有微弱的负相关关系，表明年均ET0的减少与平均气温的升高无显著相关关系，这与谢贤群等[12]关于中国北方近50 a年均ET0与平均气温的相关性检验结论一致；2 m风速与ET0之间呈显著正相关(通过α=0.05的显著性检验)，相关系数为0.81，表明风速减小将引起ET0显著减小；日照时数对ET0的影响是通过影响太阳辐射进而间接地影响蒸散发过程的能量供给条件，最终对ET0产生影响。一般来说，日照时数越长，太阳净辐射量越大，蒸散过程的能量供给越充分，ET0也随之加大，反之，日照时数越短，太阳净辐射量越小，蒸散过程的能量供给越缺乏，ET0也随之减小[31]。ET0与日照时数之间呈显著正相关，二者的相关系数为0.66。相对湿度是影响蒸散发过程中水汽转移条件的主要因子，相对湿度和水汽压的上升，使得空气饱和度增加，蒸散量相应的减少。这进一步说明相对湿度作为水汽因子之一，对ET0的影响也十分重要。

另外，对1956～2011年间西北地区平均气温、日照时数、相对湿度、2 m风速进行趋势分析发现，近56 a来西北地区平均气温呈显著升高趋势，而日照时数、2 m风速、相对湿度整体呈下降趋势，其中相对湿度下降趋势不显著(图略)。可见，近56 a日照时数的缩短、2 m风速的减小是引起该地区ET0减少的主要原因。

表2　西北地区1956～2011年年均

注：*表示通过α=0.05显著性检验

2.5.2多元回归分析

为进一步分析和探讨各气象因子对ET0的影响程度，针对各气象因子和ET0进行多元回归分析，表3给出各气象因子组合与ET0之间多元线性回归方程的均方根误差(RMSE)。其中各因子组合为A(T，SD)，B(SD，U2)，C(SD，RH)，D(T，U2)，E(T，RH)，F(U2，RH)，G(SD，T，U2)，H(SD，T，RH)，I(SD，U2，RH)，J(T，U2，RH)，K(T，U2，SD，RH)。

从表3可以看出，同时考虑SD、T、U2和RH4个因子的多元回归方程的均方根误差(RMSE)最小(14.3 mm)，从而得到西北地区ET0的多元线性回归方程为：

ET0=1 016.8+8.6 SD+7.9 T

(2)

综合来看，1956～2011年西北地区ET0的变化是多种气象因子综合作用的结果。

表3　各气象因子组合与ET0的多元回归分析的均方根误差(单位：mm)

3结论

(1)1956～2011年西北地区ET0的年均值在1 005.5～1 146.1 mm之间，存在明显的月和季节变化，7月最大，12月最小，夏季最大，冬季最小。

(2)近56 a来，西北地区年均ET0呈现明显减少趋势，变化率为-12.8 mm/10 a，且存在一定的季节性差异，春、夏、秋季ET0均呈显著减少趋势，冬季ET0则呈微弱的增加趋势，其中夏季减少幅度最大。

(3)近56 a来，西北地区年和四季平均ET0变化趋势的空间分布不尽一致，42个站点各季节的变化趋势都有增有减，其中春、夏、秋季及全年减少趋势的站点多于增加趋势的站点，且减少幅度最大的地区均分布在哈密—和田东北—西南向一带，而冬季则相反，增加的站点多于减少的站点。

(4)M-K突变检验发现，1956～2011年西北地区春、夏、秋季和全年平均ET0均在1980年代中期发生了一次显著减少的突变，突变时间分别为1984年、1986年、1981年和1980年，而冬季ET0在1990年代初期发生了一次减少突变，并在2000年代以后表现为微弱增加趋势，突变时间为1995年。

(5)通过小波分析发现，1956～2011年西北地区年均ET0存在2～3 a显著震荡周期和准6 a的震荡周期。

(6)相关性分析显示，ET0与2 m风速、日照时数均呈显著正相关，与相对湿度呈显著负相关，而与平均气温相关性不明显。同时考虑T、U2、SD和RH4个因子的多元线性回归方程均方根误差最小，说明ET0的变化是多种气象因子综合作用的结果。

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Estimation and Variation Characteristics of the Reference Crop Evapotranspiration in Northwest China During 1956-2011

WANG Biao1,2,3, ZENG Xinmin2,3, LIU Zhengqi1,ZHOU Xiaolin4, SUO Jingdong5

(1.MarineHydrologicalandMeteorologicalCenter,ChinaPeople’sLiberationArmyNavySouthSeaFleet,Zhanjiang524001,China；2.CollegeofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101,China；3.KeyLaboratoryforMesoscaleSevereWeatherofMinistryofEducation,NanjingUniversity,Nanjing210093,China；4.MeteorologicalCenterof61741ArmyofPLA,Beijing100081,China；5.The92872ArmyofPLA,Suizhong125200,China)

Abstract:Based on the daily meteorological data at 42 weather stations in Northwest China from 1956 to 2011, the reference crop evapotranspiration (ET0) was estimated by using Penman-Monteith (P-M) equation, and the temporal and spatial distributions of ET0 in Northwest China were analyzed. The mutation and period of ET0 during 1956-2011 were studied by using Mann-Kendall (M-K) test and Morlet wavelet analysis methods, and the correlation between ET0 and main meteorological factors was done by using the multivariable linear regression method. The results are as follows: (1) The monthly and seasonal changes of ET0 in Northwest China were obvious, the value of ET0 in July was the maximum, while that in December was the minimum, and that in summer, spring, autumn and winter decreased in turn. (2) In the past 56 years, the annual average ET0 in Northwest China reduced significantly, and the seasonal difference was significant, the trends of average ET0 in spring, summer and autumn decreased, and the decreasing rate in summer was the biggest, while the average ET0 in winter increased slowly. (3) The maximum ET0 was located in Kumul to Hotan area. (4) The decreasing mutation of ET0 in spring, summer, autumn and the whole year appeared in the early of the 1980s, and that occurred respectively in 1984, 1986, 1981, 1980, while that in winter mutated in 1995. The annual average ET0 in Northwest China during 1956-2011 had 2-3 years obvious periods and 6 years quasi-periods. (5) The ET0 were positive correlated with wind speed at 2 m and sunshine duration, while that was negative correlated with relative humidity and mean surface air temperature, and the correlation between the ET0 and air temperature was weak. Therefore, the rising of air temperature and relative humidity, and the decreasing of sunshine duration and wind speed caused the ET0 reducing in Northwest China during 1956-2011. The root mean square error considering the above four climatic factors was the minimum in all multitiple linear regression models. In general, the decreasing of ET0 was caused by the variation of four meteorological factors.

Key words:climate change; Penman-Monteith model; reference crop evapotranspiration; Northwest China

中图分类号：P426.2

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-02-0243-09

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0243

作者简介：汪彪(1988- )，男，四川遂宁人，助理工程师，主要从事军事气象学、边界层与陆面过程相关研究. E-mail: wangbiao-climate@foxmail.com

基金项目：国家自然科学基金项目(41275012)资助

收稿日期：2015-05-26；改回日期：2015-11-06

汪彪，曾新民，刘正奇，等.中国西北地区参考作物蒸散量的估算与变化特征[J].干旱气象，2016，34(2)：243-251, [WANG Biao, ZENG Xinmin, LIU Zhengqi, et al. Estimation and Variation Characteristics of the Reference Crop Evapotranspiration in Northwest China During 1956-2011[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):243-251], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0243