佟長(zhǎng)福，李和平，張 娜(.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 0000；.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 0008)

參考作物騰發(fā)量包括作物蒸騰量和土壤棵間蒸發(fā)量,在研究作物需水量的估算與預(yù)測(cè)、植被耗水量、評(píng)價(jià)氣候干旱程度、水資源供需平衡、農(nóng)田水分管理和灌溉制度的制定等生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)對(duì)參考作物騰發(fā)量進(jìn)行了定義，即假設(shè)作物的高度為0.12 m，固定的葉面阻力為γs=70 s/m，反射率α=0.23，相當(dāng)于表面開(kāi)闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛，完全遮蓋地面而不缺水的綠草地的騰發(fā)量[2]，它不受作物類(lèi)型、作物生長(zhǎng)狀況和土壤水分狀況的限制，主要受氣象因子影響。近年來(lái)作物騰發(fā)量在水文氣象、水資源、農(nóng)業(yè)水土，自然資源等科學(xué)領(lǐng)域中研究非常活躍。新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新疆)是我國(guó)氣候敏感區(qū)之一，位于我國(guó)西北內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋、盆地沙漠戈壁廣布，加之降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、導(dǎo)致氣候干旱和生態(tài)環(huán)境脆弱。田敏[3]等(2016年)從經(jīng)度、緯度和海拔分析新疆參考作物騰發(fā)量空間變化規(guī)律，其他方面未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文從氣候分區(qū)的角度研究新疆地區(qū)的參考作物騰發(fā)量的時(shí)空變異性，對(duì)新疆未來(lái)水資源的規(guī)劃與管理，提高水資源在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中的利用效率，以及緩解旱澇災(zāi)害現(xiàn)狀等都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究概況

新疆地理位置東經(jīng)73°40′～96°23′，北緯34°25′～49°10′，深居歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，位于中國(guó)西北邊陲，首府烏魯木齊，是中國(guó)五個(gè)少數(shù)民族自治區(qū)之一，也是中國(guó)陸地面積最大的省級(jí)行政區(qū)，面積166萬(wàn)km2，占中國(guó)國(guó)土總面積1/6。山脈與盆地相間排列盆地與高山環(huán)抱、喻稱(chēng)“三山夾二盆”。北部阿爾泰山，南部為昆侖山系；天山橫亙于新疆中部，把新疆分為南北兩半，南部是塔里木盆地，北部是準(zhǔn)噶爾盆地。新疆三大山脈的積雪、冰川孕育匯集為500多條河流，分布于天山南北的盆地，其中較大的有塔里木河(中國(guó)最大的內(nèi)陸河)、伊犁河、額爾齊斯河(流入北冰洋)、瑪納斯河等20多條。屬明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫溫差較大，年日照時(shí)間達(dá)2 500～3 500 h，降水量少，氣候干燥。年平均降水量為150 mm左右，各地降水量相差很大。最冷月(1月)，平均氣溫在準(zhǔn)噶爾盆地為零下20 ℃以下，該盆地北緣的富蘊(yùn)縣絕對(duì)最低氣溫曾達(dá)到-50.2 ℃，是全國(guó)最冷的地區(qū)之一。最熱月(7月)，吐魯番平均氣溫為33 ℃以上，絕對(duì)最高氣溫曾達(dá)至49.6 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的新疆各地氣象站點(diǎn)觀測(cè)資料來(lái)自中國(guó)國(guó)家氣象資料服務(wù)網(wǎng)。選用1951-2013年較完整的68個(gè)站點(diǎn)，每年1-12月份的降水量(mm)、平均氣溫(℃)、風(fēng)速(m/s)、日照時(shí)數(shù)(h)和相對(duì)濕度(%)等。氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 新疆各氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 The weather station distribution in Xinjiang

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算新疆各個(gè)氣象站點(diǎn)參考作物騰發(fā)量，考慮了植被生理特征，以能量平衡和水氣擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，是經(jīng)試驗(yàn)證明的所得結(jié)果與實(shí)測(cè)值最為接近的蒸散模型，可以用于不同環(huán)境與氣候背景下估算潛在蒸散量，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[4]，公式不詳細(xì)給出。

采用ArcGIS空間插值技術(shù)，繪制了新疆ET0等值線圖。

1.4 氣候分區(qū)

采用聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約提出的全球干旱指數(shù)(UNEP)對(duì)新疆進(jìn)行氣候分區(qū)[5]，根據(jù)氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，分為特干旱、干旱、半干旱及干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)。新疆氣候區(qū)主要為特干旱氣候區(qū)和干旱氣候區(qū)，其中南部基本為特干旱氣候區(qū)，北部主要為干旱氣候區(qū)；半干旱氣候區(qū)主要在新疆北部有較少的分布；干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)僅在北部零星分布。氣候分區(qū)見(jiàn)圖2。

圖2 新疆氣候分區(qū)Fig.2 The climate partition in Xinjiang

2 結(jié)果與分析

2.1 年均ET0的變化趨勢(shì)

圖3為1951-2013年68個(gè)站點(diǎn)年均ET0變化趨勢(shì)。從圖3中可知：年均ET0主要在1 008～1 142 mm之間變化，63年平均ET0為1 086 mm；年均ET0均在1 086 mm上下波動(dòng)，1951-1979年年均ET0變化較??；1980-2007年年均ET0變化較大，其中1979-1992年基本為逐年減少的規(guī)律，而1992年到2007年為逐年增加的趨勢(shì)，此后呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

圖3 新疆1951-2013年年均ET0變化趨勢(shì)Fig.3 The annual average ET0 variability trends during the period 1951-2013 in Xinjiang

(1)特干旱氣候區(qū)。圖4為特干旱氣候區(qū)63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動(dòng)平均及線性擬合。8年滑動(dòng)平均曲線可以減弱異常年份ET0誤差給多年平均ET0變化趨勢(shì)帶來(lái)的負(fù)面影響。63年平均ET0值為1 227 mm，各年ET0在63年平均ET0上下波動(dòng)變化，總體表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，其最大值出現(xiàn)在1956年，為1 285 mm，最小值出現(xiàn)在1989年，為1 135 mm。從8年滑動(dòng)平均來(lái)看，在63年期間內(nèi)，年均ET0在1961-1989年一直處于減小的階段，但1989年后又繼續(xù)升高，到2005年達(dá)到1 246 mm。

圖4 特干旱氣候區(qū)年均ET0變化趨勢(shì)Fig.4 The annual average ET0 variability trends in special arid climate zone

(2)干旱氣候區(qū)。圖5為干旱氣候區(qū)63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動(dòng)平均及線性擬合。63年平均ET0值為1 040 mm，較特干旱氣候區(qū)減少187 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波動(dòng)變化，總體表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，其最大值出現(xiàn)在1974年，為1 134 mm，最小值出現(xiàn)在1993年，為944 mm。就8年滑動(dòng)平均而言，基本呈現(xiàn)出增大-減小-增大的變化過(guò)程。

圖5 干旱氣候區(qū)年均ET0變化趨勢(shì)Fig.5 The annual average ET0 variability trends in arid climate zone

(3)半干旱氣候區(qū)。圖6為半干旱氣候區(qū)63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動(dòng)平均及線性擬合。63年平均ET0值為918 mm，較干旱氣候區(qū)減小了122 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波動(dòng)變化，總體表現(xiàn)為增大趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在1962年，為981 mm，最小值出現(xiàn)在1960年，為856 mm，最大最小值相差125 mm。8年滑動(dòng)平均值變化曲線顯示，該氣候區(qū)ET0在63年平均ET0上下波動(dòng)變化。

圖6 半干旱氣候區(qū)年均ET0變化趨勢(shì)Fig.6 The annual average ET0 variability trends in semi-arid climate zone

(4)干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)。圖7為干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動(dòng)平均及線性擬合。63年平均ET0值為806 mm，較之前的半干旱氣候區(qū)減少了112 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波動(dòng)變化，最大值出現(xiàn)在2012年，為844 mm。最小值出現(xiàn)在1955年，其值為776 mm。其中最大最小值相差68 mm。年際ET0總體趨勢(shì)比較平緩。從8年滑動(dòng)平均可知，該氣候區(qū)ET0基本呈現(xiàn)出增大-減小-增大的變化過(guò)程。

圖7 干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)年均ET0變化趨勢(shì)Fig.7 The annual average ET0 variability trends in arid and humid climate zone

2.2 ET0的季節(jié)變化趨勢(shì)

月均ET0分布如圖8。從圖8中可以看出：月均ET0變化呈單峰曲線形狀，最大值出現(xiàn)在7月，達(dá)到了178 mm/month，最小值在12月，為12 mm/month，可見(jiàn)各月份的ET0差異顯著，最大最小月份相差166 mm，致使季節(jié)性ET0的分布很不均勻。一年中ET0主要集中在4-9月份，占全年ET0總量的81.7%,即作物的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期。

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

2.3 ET0的空間變化特征

在各氣象站點(diǎn)ET0多年平均值計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用ArcGIS空間插值技術(shù)，繪制了新疆ET0等值線如圖9。通過(guò)對(duì)1951-2013年新疆68個(gè)氣象站年均ET0的計(jì)算可知，全疆年均ET0為1 086 mm。但因地域、氣候等自然條件的差異，各站點(diǎn)變化在660～1 800 mm，其空間分布總體表現(xiàn)為南疆大于北疆、東部大于西部、盆地大于山區(qū)的分布格局。新疆東部的吐魯番、哈密盆地，南疆的塔里木盆地中、東部以及北疆的準(zhǔn)噶爾盆地西南部等地為ET0的高值區(qū)，大多為1 400～1 800 mm，其中東疆“百里風(fēng)區(qū)”等風(fēng)口、風(fēng)線和荒漠戈壁地帶高達(dá)1 800 mm，是新疆ET0最大的區(qū)域；天山、阿爾泰山和昆侖山為低值區(qū)，一般為800～1 000 mm，高海拔地帶甚至不足800 mm，是新疆ET0最小的區(qū)域；全疆其余大部分地區(qū)ET0為南疆800～1 200 mm，北疆800～1 000 mm。對(duì)比年平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和空氣相對(duì)濕度的空間分布可知，新疆年ET0的空間分布與其具有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，總體來(lái)說(shuō)，氣溫高、日照時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)速大和空氣濕度小的區(qū)域，ET0較大，反之較小。

圖9 新疆年際ET0的空間分布特征Fig.9 Spatial distribution characteristics of interannual ET0 in Xinjiang

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用全球干旱指數(shù)(UNEP)法對(duì)新疆進(jìn)行氣候分區(qū)，根據(jù)氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，將新疆分為特干旱、干旱、半干旱及干旱半濕潤(rùn)4個(gè)氣候區(qū)。

(2)采用1951-2013年氣象資料對(duì)新疆4個(gè)氣候區(qū)的63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動(dòng)平均及線性擬合進(jìn)行了綜合分析得出：63年平均ET0由特干旱氣候區(qū)的1 227 mm降低到干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)806 mm；各年ET0在63年平均ET0上下波動(dòng)變化；8年滑動(dòng)平均值特干旱氣候區(qū)呈現(xiàn)“V”變化，其余4個(gè)氣候區(qū)ET0值在63年平均ET0上下波動(dòng)變化。

(3)全年ET0變化趨勢(shì)呈單峰曲線形狀，最大值出現(xiàn)在7月，達(dá)到了178 mm/month，最小值在12月，為12 mm/month，一年中ET0主要集中在4-9月份，占全年ET0總量的81.7%。

(4)通過(guò)對(duì)1951-2013年新疆68個(gè)氣象站年均ET0的分析，各站點(diǎn)ET0變化在660～1 800 mm，其空間分布總體表現(xiàn)為南疆大于北疆、東部大于西部、盆地大于山區(qū)的分布格局。

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