王 杰, 吳 灝, 黃 英, 王樹(shù)鵬

(云南省水利水電科學(xué)研究院, 昆明 650228)

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滇中地區(qū)參考作物蒸散量時(shí)空變化特征

王 杰, 吳 灝, 黃 英, 王樹(shù)鵬

(云南省水利水電科學(xué)研究院, 昆明 650228)

參考作物蒸散量是灌溉設(shè)計(jì)、灌溉計(jì)劃等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用滇中地區(qū)19個(gè)氣象臺(tái)站的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了滇中地區(qū)的參考作物蒸散量(ET0)，分析了ET0時(shí)間和空間的變化特征及氣象要素對(duì)其的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)的ET0于1982年發(fā)生突變，1960—1982年變化趨勢(shì)不明顯，1982—2002年呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，2003—2012年ET0呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，多年平均ET0約為1 223.7 mm。ET0的空間特征表現(xiàn)為中部高，東西低，春季最大，夏季高于秋季，冬季最小，高值區(qū)出現(xiàn)在元謀地區(qū)。ET0與風(fēng)速、氣溫和日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。偏相關(guān)分析和逐步回歸分析顯示在年尺度上，風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)的組合可以預(yù)測(cè)ET0的年際變化。

參考作物蒸散量; 滇中地區(qū); Penman-Monteith公式

在全球的降水量中，約有60%通過(guò)陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散返回到大氣中，被認(rèn)為是水循環(huán)過(guò)程中最難的一個(gè)環(huán)節(jié)之一[1]，控制著陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的物質(zhì)和能量交換，成為水資源研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。在蒸散量估算中，參考作物蒸散量是基礎(chǔ)參數(shù)，表征大氣蒸發(fā)能力的一個(gè)量度[2]，同時(shí)也是制定作物灌溉制度、灌區(qū)灌溉需水量的基礎(chǔ)，影響到區(qū)域水資源的優(yōu)化配置[3]。對(duì)于農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)系統(tǒng)模型和徑流估算等具有重要的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)于參考作物蒸散量進(jìn)行計(jì)算的方法很多，其中彭曼—蒙特斯公式被認(rèn)為是目前最好的方法，具有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，所需數(shù)據(jù)能夠很容易得到，并得到廣泛的應(yīng)用。

在氣候變暖大背景下，世界上大多數(shù)地區(qū)ET0呈下降趨勢(shì)[4]。在中國(guó)不同區(qū)域ET0空間差異十分明顯，總體呈下降趨勢(shì)[5-6]。云南水資源總量豐富，但時(shí)空分布不均，與人口、土地和生產(chǎn)力布局等不匹配。近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量受到擠占，2009—2012年發(fā)生4 a連續(xù)干旱，使得農(nóng)業(yè)缺水愈發(fā)嚴(yán)重。為此，本文利用滇中地區(qū)氣象臺(tái)站的日觀(guān)測(cè)資料，計(jì)算滇中地區(qū)的ET0，在此基礎(chǔ)上分析滇中地區(qū)ET0的時(shí)空分布規(guī)律及氣象要素對(duì)其的影響，以期為當(dāng)?shù)毓喔仍O(shè)計(jì)、灌溉計(jì)劃和水資源管理等提供理論依據(jù)當(dāng)?shù)睾蛯?shí)踐指導(dǎo)。

1　研究區(qū)概況

滇中地區(qū)位于東經(jīng)99°33′—103°40′，北緯24°23′—27°05′，包括昆明、玉溪、紅河、大理、曲靖、楚雄和麗江等，國(guó)土面積約為1.5×105km2。研究區(qū)屬于亞熱帶氣候，日照充足，四季如春，氣候宜人，干濕季分明，最熱月平均溫度約為19～22℃，最冷月平均溫度約為6～8℃。年降水量約為955.0 mm，其中85%以上的降雨量集中在5—10月，11月至次年4月的降水量?jī)H占全年的15%左右。土壤類(lèi)型以山原紅壤、棕壤和水稻土等為主。地形以山地和山間盆地為主，地勢(shì)起伏緩和。植被類(lèi)型多樣，多為次生植被和人工植被。

2　數(shù)據(jù)及方法

2.1數(shù)據(jù)

本文采用滇中地區(qū)及臨近地區(qū)的19個(gè)氣象臺(tái)站，時(shí)間序列為1960—2012年，主要包括逐日最低氣溫和最高氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)，各站點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔等數(shù)據(jù)。

2.2方法

2.2.1ET0計(jì)算ET0的計(jì)算采用FAO Penman-Monteith公式[7]。通過(guò)matlab軟件編程，讀入計(jì)算所需要的日最低氣溫和最高氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、經(jīng)緯度和海拔等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)日尺度上ET0的計(jì)算；通過(guò)使用ArcGIS 9.3軟件，利用kriging空間插值方法實(shí)現(xiàn)ET0的空間插值，生成年尺度和季節(jié)尺度上ET0的空間分布圖。

2.2.2Mann-Kendall突變檢驗(yàn)本文采用Mann-Kendal檢驗(yàn)對(duì)ET0的序列進(jìn)行趨勢(shì)分析和突變分析。Mann-kendall檢驗(yàn)不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[8]，適用于分析實(shí)際中的非正態(tài)分布，在進(jìn)行突變分析時(shí)還可以明確突變開(kāi)始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域[9]。

3　結(jié)果與分析

3.1ET0時(shí)間變化特征

由各氣象站1960—2012年ET0年均值，求平均值得到研究區(qū)近53 a來(lái)ET0的年均值。研究區(qū)多年平均ET0約為1 238.0 mm，最大值約為1 348.4 mm，出現(xiàn)在2012年；最小值約為1 115.9 mm，出現(xiàn)在1990年(圖1)。通過(guò)M-K檢驗(yàn)得到統(tǒng)計(jì)量U的順序、逆序變化曲線(xiàn)UBk和UFk(圖2)，可知：取顯著水平0.05得到兩條臨界線(xiàn)y=±1.96，在臨界值之間UB和UF曲線(xiàn)有一個(gè)明顯的交點(diǎn)，位于1982年左右，即研究區(qū)平均ET0突變時(shí)間約為1982年，從1982年以后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，從1990年以后出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)(圖2)。

從時(shí)間序列上可以看出1960—1982年ET0變化趨勢(shì)不明顯，MK檢驗(yàn)同樣顯示不顯著的變化趨勢(shì)；1982—2002年ET0表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，MK檢驗(yàn)顯示1982—2002年表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；2003—2012年ET0表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，MK檢驗(yàn)顯示相對(duì)于整個(gè)時(shí)間序列而言，其顯著性呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)(圖1,2)。

圖1滇中地區(qū)參考蒸散量年際變化

圖2研究區(qū)平均ET0的Mann-Kendall檢驗(yàn)

3.2ET0空間變化特征

利用Kriging空間插值方法將ET0空間柵格化，得到ET0在空間上的連續(xù)分布。滇中地區(qū)ET0在空間上表現(xiàn)出明顯的空間差異。多年平均ET0空間分布特征總體上表現(xiàn)為：中部高，東西低，大多數(shù)等值線(xiàn)呈現(xiàn)南北走向的半環(huán)分布，研究區(qū)多年平均ET0均超過(guò)了1 000 mm(圖3)。高值區(qū)出現(xiàn)在元謀地區(qū)，范圍為1 310.1～1 863.7 mm，這是由于元謀地區(qū)位于干熱河谷，相對(duì)于研究區(qū)的其他地區(qū)，氣溫高、日照時(shí)間長(zhǎng)，接受的太陽(yáng)輻射能多，加之降水稀少導(dǎo)致相對(duì)濕度較低，因而ET0較大。

春、夏、秋和冬的ET0空間分布與年的ET0比較，變化特征基本一致，在空間上同樣表現(xiàn)出明顯的空間差異，分布特征為中間高，東西低，高值區(qū)同樣出現(xiàn)在元謀地區(qū)。春季(3—5月)變化范圍334.6～474.3 mm，約占全年的34.0%；夏季(6—8月)變化范圍306.6～354.2 mm，約占全年的27.7%；秋季(9—11月)變化范圍225.9～263.5 mm，約占全年的20.3%；冬季(12月—次年2月)變化范圍180.7～245.5 mm，約占全年的18.0%；總體上表現(xiàn)為春季最大，夏季高于秋季，冬季最小(圖4)。

圖3滇中地區(qū)年ET0空間分布

圖4滇中地區(qū)ET0季節(jié)空間分布

3.3氣象要素對(duì)ET0的影響

ET0受當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響，反映作物在水肥條件充足的條件的蒸散潛力，本文討論風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)在年尺度上對(duì)ET0的影響。對(duì)研究區(qū)而言，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)與ET0呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系決定系數(shù)分別為0.43，0.58，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)；氣溫與ET0呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)均為0.20，通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；而相對(duì)濕度與ET0呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)均為0.58，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)(圖5)。通過(guò)ET0與氣象要素偏相關(guān)分析可知，與相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)最大，其次為風(fēng)速，最小為氣溫(表1)。通過(guò)逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，在年尺度上風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)的組合可以預(yù)測(cè)ET0的年際變化(表2)。

圖5　參考作物蒸散量與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

注：*通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，下同。

表2　ET0與氣象要素的逐步回歸模型

4　結(jié)論

(1) 研究區(qū)ET0平均值約為1 223.7 mm，通過(guò)M-K檢驗(yàn)得知研究區(qū)平均ET0突變時(shí)間約為1982年，從1982年以后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，從1990年以后出現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。

(2) 滇中地區(qū)ET0在空間上分布特征總體上表現(xiàn)為：中部高，東西低，高值區(qū)出現(xiàn)在元謀地區(qū)。在季節(jié)上，春季最大，夏季高于秋季，冬季最小。

(3) ET0與風(fēng)速、氣溫和日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在年尺度上風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)的組合可以預(yù)測(cè)ET0的年際變化。

[1]Xu C Y, Singh V P. Evaluation of three complementary relationship evapotranspiration models by water balance approach to estimate actual regional evapotranspiration in different climatic regions[J]. Journal of Hydrology, 2005,308:105-121.

[2]卓瑪蘭草,劉普幸,張亞寧,等.甘肅黃土高原區(qū)潛在蒸散量時(shí)空變化與成因研究[J].水土保持研究,2012,19(1):70-75.

[3]張麗,吳金亮,楊國(guó)范.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的東港灌區(qū)作物需水量預(yù)測(cè)研究[J].水土保持研究,2012,19(6):207-210.

[4]Brutsaert W, Parlange M B. Hydrologic cycle explains the evaporation paradox[J]. Nature, 1998,396(6706):30-30.

[5]高歌,陳德亮,任國(guó)玉,等.1956—2000年中國(guó)潛在蒸散量變化趨勢(shì)[J].地理研究,2006,25(3):378-387.

[6]Thomas A. Spatial and temporal characteristics of potential evapotranspiration trends over China[J]. International Journal of Climatology, 2000,20(4):381-396.

[7]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration Guidelines for Computing Crop Water Requirements [M]. FAO Irrigation and Drainage，1998.

[8]汪言在,茍?jiān)娹?張述林.三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)降雨侵蝕力變化趨勢(shì)及突變分析[J].水土保持研究,2012,19(3):1-6.

[9]于東平,張?chǎng)?何毅,等.青海東部高原農(nóng)業(yè)參考作物蒸散量的時(shí)空變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2012,28(2):66-71.

Spatiotemporal Variations of Reference Crop Evapotranspiration in Central Yunnan

WANG Jie, WU Hao, HUANG Ying, WANG Shupeng

(Yunnan Hydraulic Research Institute, Kunming 650228, China)

The ET0is the basis of irrigation and irrigation scheme. This paper, based on the meteorological measurement of meteorological stations in central Yunnan, the yearly reference evapotranspiration (ET0) was estimated. The spatiotemporal characteristics and the influence of meteorological elements were also analyzed. The results showed that the abrupt change of ET0happened in 1982 approximately, the downward trend happened from 1982 to 2002, the increased trend happened from 2003 to 2012, the regional average ET0was 1 223.7 mm. the main space characteristics of ET0is high in central and low in east and west, the maximum value appeared in Yuanmou area in the seasons, the maximum value of ET0occurred in spring, and the value of ET0in summer was higher than that in autumn, the minimum value of ET0occurred in spring. The ET0increased with wind velocity, temperature and sunshine duration significantly and decreased with the relative humidity significantly. Partial correlative analysis and multiple regression analysis indicated that wind velocity, relative humidity and sunshine duration were the most significant predictors of the annual ET0.

reference crop evapotranspiration; central Yunnan; Penman-Monteith equation

2014-08-06

2014-10-15

云南省社會(huì)發(fā)展科技計(jì)劃項(xiàng)目(社會(huì)事業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng))(2012CA021);云南省水利廳水資源費(fèi)項(xiàng)目(201203)

王杰(1979—),男,甘肅靜寧人,高工,博士,主要從事水文水資源研究。E-amil:wangjie@lzb.ac.cn

S161.4

A

1005-3409(2015)04-0041-04