韓煥豪，崔遠(yuǎn)來(lái)，王樹鵬，黃 英，王 杰，張 雷(.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 43007；. 云南省水利水電科學(xué)研究院，昆明 6508)

0 引 言

參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)對(duì)于作物蒸發(fā)蒸騰的計(jì)算、灌區(qū)灌溉規(guī)劃管理、水循環(huán)規(guī)律研究等方面具有重要的意義。目前計(jì)算ET0的方法很多，其中以能量平衡法應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)能量平衡法研究得到的ET0公式有多種，被運(yùn)用最多的是Penman-Monteith公式。

由于全球氣候變暖，大部分地區(qū)ET0呈下降趨勢(shì)[1]。在中國(guó)，受多種因素影響，ET0時(shí)空差異明顯，總體呈下降趨勢(shì)[2]。倪廣恒等[3]用GIS反距離空間插值法分析了中國(guó)200多個(gè)氣象站25 a的逐日ET0時(shí)空變化特性，表明干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)ET0呈減少趨勢(shì)，濕潤(rùn)地區(qū)則相對(duì)穩(wěn)定。李祿[4]等運(yùn)用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法分析了太子河流域ET0的演變特征，認(rèn)為太子河流域ET0呈緩慢下降趨勢(shì)。馬顯瑩[5]等采用Mann-Kendall方法對(duì)云南省4個(gè)氣象站的ET0進(jìn)行年內(nèi)年際變化特征分析，表明ET0隨海拔的增加而降低，隨緯度的增加而增加。張劉東[6]等分析昆明市近60 aET0與降水情況后得出，受氣候因素影響，自2009年以來(lái)昆明地區(qū)干旱特征顯著。

云南省地處我國(guó)西南邊陲，山多地少，立體氣候突出，區(qū)域差異較大，ET0的時(shí)空變化特征比較復(fù)雜，分析ET0的時(shí)空變化特征，有助于了解云南需水的分布與演變規(guī)律。本文利用云南省25個(gè)氣象臺(tái)站1960-2012年逐日氣象資料計(jì)算ET0，并在此基礎(chǔ)上用Mann-Kendall檢驗(yàn)法(以下簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn))分析了其時(shí)空變化特性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于云南省25個(gè)氣象站，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、降水量、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)，此外有各站點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔數(shù)據(jù)。

1.2 方 法

1.2.1ET0計(jì)算

采用FAO Penman-Monteith[7]公式計(jì)算ET0。

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；Rn為作物冠層表面的凈輻射，MJ/(m2·d) ；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，在逐日估算時(shí)取G=0；T為日平均氣溫，℃，按最高氣溫(Tmax)和最低氣溫(Tmin)的算術(shù)平均值計(jì)算；u2為2 m高度處的風(fēng)速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實(shí)際水汽壓，kPa；γ為干濕表常數(shù)，kPa /℃。

1.2.2Mann-Kendall檢驗(yàn)法

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)法是時(shí)間趨勢(shì)序列分析中被世界氣象組織推薦且已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于分析降水、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。M-K檢驗(yàn)法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)分布問(wèn)題。在進(jìn)行突變分析時(shí)還可以明確突變開始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域[9]。

Mann-Kendal檢驗(yàn)法原理如下[10]：

(1)非參數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)。

首先定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S：

(2)

式中：sign()為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)小于、等于或是大于0時(shí)，sign(Xi-Xj)的值分別為-1、0和1；S為正態(tài)分布，均值為0。

M-K統(tǒng)計(jì)量S大于、等于或小于0時(shí)分別為：

(3)

其中，Z為正值表示增加趨勢(shì)，為負(fù)值時(shí)表示減少趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值在大于等于1.28、1.64和2.32時(shí)表示分別通過(guò)了置信度90%、95%和99%顯著性檢驗(yàn)。

(2)非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。

構(gòu)造序列Sk：

(4)

其中，αij=1,Xi>Xj

0,Xi≤Xj，1≤j≤i。

定義統(tǒng)計(jì)變量：

(5)

式中：E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著水平α，查正態(tài)分布表得到臨界值Uα，當(dāng)|UFk|>Uα?xí)r，表明序列存在一個(gè)明顯的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)，所有UFk將組成一條曲線l1，通過(guò)信度檢驗(yàn)可知其是否具有趨勢(shì)。把此方法引用到逆序列中重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，使計(jì)算值乘以-1，得到UBk，UBk即為另一條曲線l2。分析繪出UFk和UBk曲線圖，若UFk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過(guò)信度線時(shí)，即表示存在明顯的上升或下降趨勢(shì)；若UFk和UBk的交點(diǎn)位于信度線之間，則此點(diǎn)就是突變開始的時(shí)刻。

2 結(jié)果及分析

2.1 ET0時(shí)間變化特征

根據(jù)氣候、地理及種植分區(qū)等因素將云南省分為滇中、滇東北、滇東南、滇西南及滇西北5個(gè)分區(qū)。由每個(gè)分區(qū)中各氣象站1960-2012年ET0年值，求平均值得到各分區(qū)近53 a來(lái)ET0的年均值(見圖1)?？芍鞣謪^(qū)多年平均ET0為872.5～1 240.0 mm，最大值為943.0～1 343.3 mm，最小值為817.7～1 114.5 mm。除極個(gè)別年份，5個(gè)區(qū)的年均ET0按從大到小排列的順序是滇中>滇西南>滇東北>滇東南>滇西北。其中滇中、滇西南地區(qū)年均ET0呈先減小后增加趨勢(shì)，滇東北和滇西北地區(qū)年均ET0變化較小，滇東南地區(qū)年均ET0呈不斷減小趨勢(shì)。

圖1 不同地區(qū)ET0年際變化

通過(guò)M-K突變檢驗(yàn)得到統(tǒng)計(jì)量U的順序、逆序變化曲線UF和UB，取顯著水平0.05得到兩條臨界線y=±1.96，在臨界值之間UB和UF曲線的交點(diǎn)即為突變點(diǎn)。UF>0，表示序列呈上升趨勢(shì)；UF<0表明呈下降趨勢(shì)，UF>1.96或UF<-1.96，表示上升或下降趨勢(shì)明顯。

如圖2(a)所示為滇中地區(qū)ET0長(zhǎng)系列年M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果，可知滇中地區(qū)年均ET0于1982年發(fā)生突變。1960-1982年UF值為0.50，1960-1990年UF值為-1.58，1960-2002年UF值為-4.43，1960-2012年UF值為-2.31，即M-K突變檢驗(yàn)分別呈不顯著增加趨勢(shì)、不顯著減小趨勢(shì)、顯著減小趨勢(shì)和顯著減小趨勢(shì)，亦即ET0在時(shí)間序列上分別呈不顯著增加趨勢(shì)、不顯著減小趨勢(shì)、顯著減小趨勢(shì)和顯著減小的趨勢(shì)。2003-2012年UF值隨時(shí)間的增加呈增加的趨勢(shì)，顯著性隨時(shí)間的增加而減小。

圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)和圖2(e)分別為滇東北、滇東南、滇西南和滇西北ET0長(zhǎng)系列的M-K檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其按照滇中地區(qū)分析方法進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表2為在年尺度上和季節(jié)尺度上平均ET0的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示在年尺度上40%的站點(diǎn)沒有顯著性變化，36%的站點(diǎn)顯著增加，24%的站點(diǎn)顯著減小。

圖2 不同地區(qū)平均ET0的Mann-Kendall檢驗(yàn)

表1 不同地區(qū)平均ET0的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果

表2 季節(jié)和年均ET0 Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)

注：*表示通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。

在季節(jié)尺度上，春季76%的站點(diǎn)沒有顯著性變化，24%的站點(diǎn)顯著減??；夏季64%的站點(diǎn)沒有顯著性變化，24%的站點(diǎn)顯著增加，12%的站點(diǎn)顯著減?。磺锛?6%的站點(diǎn)沒有顯著性變化，20%的站點(diǎn)顯著增加，4%的站點(diǎn)顯著減?。欢?4%的站點(diǎn)沒有顯著性變化，24%的站點(diǎn)顯著增加，12%的站點(diǎn)顯著減小。總體表現(xiàn)為以沒有顯著變化為主，顯著增大的站點(diǎn)的數(shù)量要大于顯著減小的站點(diǎn)的數(shù)量。

把各站點(diǎn)4個(gè)季節(jié)ET0M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果分別和全年的進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，春季各站點(diǎn)的ET0變化趨勢(shì)和全年的相關(guān)性最高，全省25個(gè)站點(diǎn)中有22個(gè)站點(diǎn)的春季ET0變化趨勢(shì)和全年的是一致的，表明云南省春季蒸發(fā)蒸騰量較大，決定了全年蒸發(fā)蒸騰量的分布變化特征。

2.2 ET0空間變化特征

不同時(shí)間尺度Z值空間分布如圖3、圖4所示。

圖3 年尺度ET0變化

圖4 不同季節(jié)ET0空間變化

在年尺度上，ET0顯著增加趨勢(shì)的站點(diǎn)主要位于滇西南和滇西北地區(qū)，少部分位于滇中地區(qū)的東部和滇東北地區(qū)的西南部；ET0顯著減小趨勢(shì)的站點(diǎn)主要位于滇中地區(qū)，少部分位于滇東北和滇西南地區(qū)；滇東南地區(qū)、滇中地區(qū)和滇西南交接地區(qū)以及位于橫斷山脈的貢山?jīng)]有顯著變化的趨勢(shì)。

在季節(jié)尺度上，春季ET0無(wú)顯著增加站點(diǎn)，不顯著增加的站點(diǎn)主要位于滇西南和滇西北地區(qū)，部分位于滇中和滇東北地區(qū)；不顯著減小的站點(diǎn)主要位于滇中地區(qū)及滇西南和滇東南地區(qū)靠近滇中的區(qū)域；顯著減小的站點(diǎn)多靠近干熱河谷地帶，滇東北和滇東南部分站點(diǎn)也表現(xiàn)為顯著減小的趨勢(shì)。

夏季ET0顯著增加的站點(diǎn)主要位于滇西南和滇西北地區(qū)，部分站點(diǎn)位于滇東北地區(qū)；不顯著增加的站點(diǎn)分布于滇西南地區(qū)；不顯著減小的站點(diǎn)多分布于滇中地區(qū)以及滇西南和滇東南靠近滇中的區(qū)域；顯著減少的站點(diǎn)位于滇中的干熱河谷及滇東北和滇東南地區(qū)。

秋季ET0顯著增加的站點(diǎn)位于滇西南和滇東北；不顯著增加的站點(diǎn)分布于滇西南的東北部、滇西北、滇東北及滇西南地區(qū)；不顯著減小的站點(diǎn)位于滇中地區(qū)，滇西南、滇西北和滇東南零星分布；顯著減小的站點(diǎn)位于滇中地區(qū)。

冬季ET0顯著增加的站點(diǎn)位于滇西南、滇西北和滇中地區(qū)；不顯著增加的站點(diǎn)位于滇西北西北部、滇西南北部、滇東北西南部、滇東南西南部及滇中大部分地區(qū)；不顯著減小的站點(diǎn)位于滇中的西北部、滇東北及滇西南東部地區(qū)；顯著減小得站點(diǎn)位于滇中和滇西南靠近干熱河谷地區(qū)。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用云南省25個(gè)氣象站1960-2012年的逐日氣象資料計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，分析云南省參考作物蒸發(fā)蒸騰量時(shí)空分布規(guī)律得，到得到以下結(jié)論。

(1)滇中、滇東北、滇東南、滇西南及滇西北5個(gè)分區(qū)多年平均ET0為872.5～1 240.0 mm，最大值為943.0～1 343.3 mm，最小值為817.7～1 114.5 mm。

(2)M-K突變分析顯示滇中平均ET0于1982年發(fā)生突變，滇東北于1968年和2008年的發(fā)生突變，滇東南于1971年發(fā)生突變，滇西南于2005年發(fā)生突變，滇西北于1965年和2001年發(fā)生突變；M-K趨勢(shì)分析顯示在年尺度上以沒有顯著變化為主，顯著增大的站點(diǎn)的數(shù)量要大于顯著減小的站點(diǎn)的數(shù)量。在季節(jié)尺度上，春季蒸發(fā)蒸騰量較大，決定了全年蒸發(fā)蒸騰量的分布變化特征。

(3)ET0呈增加趨勢(shì)的站點(diǎn)主要位于滇西南和滇西北地區(qū)，少部分位于滇中地區(qū)的東部和滇東北地區(qū)的西南部；呈減小趨勢(shì)的站點(diǎn)主要位于滇中地區(qū)，少部分位于滇東北和滇西南地區(qū)。

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