申官正，王 龍，余 航，魏 瓊

(云南農(nóng)業(yè)大學水利學院，昆明 650201)

0 引 言

近百年來，伴隨人類社會的發(fā)展進步，全球自然氣候也隨之劇變[1]。據(jù)IPCC第5次評估報告所述，1880-2012年全球增溫0.85 ℃[2]，近30年而言，全球氣溫處于近1 400 年來的最高值。全球升溫趨勢儼然成為全球氣候變化的重要誘因[3]。隨著溫度的升高，水資源的變化必然首當其沖，水資源的變化將會作用于各個國家的農(nóng)業(yè)、林業(yè)及社會等方方面面[4]。因此，對氣候變化的研究勢在必行[5]。

蒸發(fā)為地球水循環(huán)中不可或缺的一環(huán)，其重要性不言而喻。但是，由于實際蒸散量觀測值等氣象資料的缺失[6]，人們通常通過使用潛在蒸散量代替實際蒸散量進行研究，也稱參考作物蒸散量。參考作物蒸散量不僅是氣候變化、水資源利用、計算作物生產(chǎn)潛力等的指標。而且對農(nóng)業(yè)水資源利用、能源供應及生態(tài)環(huán)境意義非凡[7-11]。

橫斷山區(qū)位于我國地形第一階梯與第二階梯交界處，即地處青藏高原向云貴高原和四川盆地的過渡地帶[12]。近年來，隨著對青藏高原氣候變化的深入研究，青藏高原被認為世界氣候的“第三極”，其對于世界范圍內(nèi)氣候變化意義得以驗證。但對橫斷山區(qū)的研究相去甚遠，因此，深入系統(tǒng)的研究橫斷山區(qū)潛在蒸散量時空變化及其成因，對橫斷山區(qū)水資源合理配置、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及區(qū)域社會穩(wěn)定等意義重大[13-17]。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

橫斷山區(qū)幅員遼闊，其范圍包括青藏高原東南緣，川滇藏境內(nèi)山川東西并列，南北縱橫的廣大地區(qū)。位于我國第二地形階梯，因其為云貴高原及四川盆地的過渡區(qū)，故而地形以高原與盆地為主，是我國最典型的南北向山系。研究區(qū)內(nèi)季節(jié)干濕分明，大氣環(huán)流在本研究區(qū)作用明顯。研究區(qū)內(nèi)地勢險峻，地表結構對研究區(qū)的差異性自然分區(qū)起不可或缺的作用。研究區(qū)內(nèi)降水分布極不均勻，西南部的高黎貢山西部年降水達到1 300 mm以上，但是在巴塘得榮一線降水僅為300 mm左右。在考慮地形地勢因素及氣象站氣象資料基礎上，本文暫定研究區(qū)范圍為：北線為昌都-甘孜-若爾蓋一線，西線為昌都-察隅-騰沖-思茅一線，南線為思茅-江城一線，東線為元江-鹽源-若爾蓋一線，研究區(qū)界定如圖1所示[12]。

圖1 研究區(qū)范圍及站點分布Fig.1 Study area and site distribution

1.2 ET0的計算

利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的彭曼公式如下所示[18]：

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d);Δ為飽和水汽壓曲線在氣溫為T時的斜率，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa；U2為距地面2 m處的風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；es為實際水汽壓，kPa。

1.3 ET0的分析方法

本文采用MATLAB編程計算出了1960-2013年橫斷山區(qū)逐月參考作物蒸散量，通過SPSS軟件分析橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間與時間尺度下的相關性及顯著性，通過MORLET小波分析、EOF分析及MANN-KENDELL突變性分析等方法揭示了橫斷山區(qū)參考作物蒸散量時空分布規(guī)律及成因[19-23]。

2 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間分布

2.1 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間分布特征

橫斷山區(qū)1960-2013年平均參考作物蒸散量為945.20 mm，年平均參考作物蒸散量值相較全國同期均值偏高。研究區(qū)內(nèi)年平均參考作物蒸散量空間分布極不均勻，年平均參考作物蒸散量在720.0～1 403.8 mm間浮動，其空間分布格局表現(xiàn)為圖2所示，研究區(qū)北部低于南部，西部低于東部，差異顯著。研究區(qū)東北部毗鄰四川盆地，若爾蓋-都江堰一線為研究區(qū)年平均參考作物蒸散量低值區(qū)，最低值為727.0 mm(若爾蓋)，高值區(qū)為小金一帶；研究區(qū)西北部地接青藏高原，昌都-甘孜-稻城一線年平均參考作物蒸散量多分布于800～1 100 mm之間，區(qū)域差異性不明顯，高值出現(xiàn)在巴塘一帶，表明巴塘一帶蒸散發(fā)強烈；研究區(qū)中南部地處云貴高原，香格里拉-元江一線為研究區(qū)年平均參考作物蒸散量高值區(qū)，蒸散發(fā)現(xiàn)象強烈，最高值為1 403.8 mm(元江)，低值為江城一帶。

圖2 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量分布Fig.2 Average annual reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

2.2 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間分布成因分析

對研究區(qū)31個氣象站點1960-2013年平均參考作物蒸散量與各氣象站點的經(jīng)緯度及海拔進行相關性分析，分析研究區(qū)年平均蒸散量變化與經(jīng)緯度及海拔的關系，如表1所示。

表1 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與海拔及經(jīng)緯度相關性分析Tab.1 Correlation analysis of annual average referenceevapotranspiration and altitude and latitude andlongitude in Hengduan Mountains

研究區(qū)31個氣象站點海拔分布差異性明顯，海拔與橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量相關性明顯，通過a=0.05的顯著性檢驗，呈負相關，相關系數(shù)為-0.514 4，表明海拔越高，平均參考作物蒸散量越低，表現(xiàn)為高海拔地區(qū)年平均參考作物蒸散量低于低海拔地區(qū)，山區(qū)低于盆谷地；研究區(qū)31個氣象站點位于北緯22°～34°之間，橫跨12°。緯度與橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量相關性最高，通過a=0.05的顯著性檢驗，呈負相關，相關系數(shù)為-0.624，表明緯度越高，年平均參考作物蒸散量越低，表現(xiàn)為研究區(qū)北部年平均蒸散量低于南部，高值區(qū)多集中于北緯22°～28°之間；研究區(qū)31個氣象站點位于東經(jīng)95°～105°之間。經(jīng)度與年平均參考作物蒸散量相關性不顯著，相關系數(shù)僅為-0.087 9。

利用多元逐步回歸法對橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量和海拔、經(jīng)緯度等地理要素進行回歸分析，得到回歸方程式：

ET0=1 802.12-0.023 1h-23.06N-1.56E

(R2=0.398 8)

(1)

式中：ET0為年平均參考作物蒸散量，mm；h為海拔高度，m；N為緯度，(°)；E為經(jīng)度，(°)。

式(1)將年平均參考作物蒸散量與海拔、經(jīng)緯度的關系定量化。該式表明，研究區(qū)內(nèi)，海拔每升高100 m年平均參考作物蒸散量減少2.3 mm，緯度向北偏移1°年平均參考作物蒸散量減少23.06 mm，經(jīng)度向東偏移1°年平均參考作物蒸散量減少1.56 mm。

橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量空間分布差異性明顯，為深入分析導致差異性頻現(xiàn)的內(nèi)在原因，現(xiàn)對橫斷山區(qū)31個站點1960-2013年平均參考作物蒸散量與年平均溫度、年平均相對濕度、年平均風速、年平均日照時數(shù)、年平均最低溫度、年平均最高溫度和年平均降雨等氣象資料進行相關性及貢獻率分析，結果如表2所示。

表2 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與氣象要素相關性分析Tab.2 Correlation analysis of annual average referenceevapotranspiration and meteorological factors in Hengduan Mountains

橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與年平均相對濕度及年平均降水呈顯著負相關，并通過了a=0.05的顯著性檢驗，年平均相對濕度對橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量變化貢獻值最高，達17.95%。橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與年平均溫度、年平均最低溫度、年平均最高溫度及年平均日照時數(shù)呈顯著正相關，并通過了a=0.05的顯著性檢驗，其中年平均最高溫度對橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量變化貢獻值最高，達16.87%。橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與年平均風速及年平均最低溫度相關性不顯著，但二者作用仍不可忽視。

對以上7種氣象要素與年參考作物蒸散量進行多元逐步回歸分析，將7種氣象要素與年平均參考作物蒸散量之間關系定量化，得到下列公式：

ET0=469.38+22.86T1-3.70e+43.42U+46.36S+

3.93T2+8.83T3-0.04RR2=0.947 6

(2)

式中：ET0為年參考作物蒸散量，mm；T1為年平均溫度；e為年平均相對濕度；U為年平均風速；S為年平均日照時數(shù)；T2為年平均最低溫度；T3為年平均最高溫度；R為年平均降水。

式(2)可推廣運用于橫斷山區(qū)參考作物蒸散量的計算，其代表的含義為，橫斷山區(qū)內(nèi)，年平均氣溫每上升1°，年平均參考作物蒸散量增加22.86 mm；年平均相對濕度每上升1%，年平均

參考作物蒸散量減少3.70 mm；年平均風速每增加1 m/s，年參考作物蒸散量增加43.42 mm；年平均日照時數(shù)每增加1 h，年平均參考作物蒸散量上升46.36 mm；年平均最低氣溫每上升1°，年平均參考作物蒸散量增加3.93 mm；年平均最高氣溫每上升1°，年平均參考作物蒸散量增加8.83 mm；年平均降雨量每增加100 mm，年平均參考作物蒸散量降低4 mm。

2.3 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量EOF分析

通過對橫斷山區(qū)1960-2013年31個氣象站點逐年平均參考作物蒸散量矢量及平滑處理，對處理結果進行EOF分解，得到各載荷向量，表3給出前4個載荷向量的解釋方差、方差貢獻率及方差累積貢獻率。由表中結論可知，橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解收斂性顯著，前四載荷向量累積貢獻率為84.13%，其中第一載荷向量最大，方差貢獻率達42.30%。因第五荷載向量方差貢獻率小于3%，故認定前四方差貢獻為主成分。對各站點進行EOF分解，其前四載荷向量空間分布如圖3所示。

表3 前四載荷向量方差分析Tab.3 Load vector variance analysis

橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解第一主成分方差貢獻率為42.30%，解釋方差達49.458。如圖3(a)所示：全區(qū)時間系數(shù)第一模態(tài)空間場分布均大于0，表明橫斷山區(qū)參考作物蒸散量變化保持高度區(qū)域一致性，盡管研究區(qū)幅員遼闊，海拔高低不同，氣候變化萬千，但全區(qū)參考作物蒸散量分布保持較高的一致性。高值區(qū)多分布于研究區(qū)東北部若爾蓋-松潘一線及新龍-小金一線、研究區(qū)中部維西-鹽源一線及研究區(qū)南部元江一帶。表明上述區(qū)域為年平均參考作物蒸散量浮動變化強烈區(qū)域，低值區(qū)多分布于研究區(qū)西北部昌都-巴塘一線及研究區(qū)中南部大理-保山一線，全區(qū)分布呈間斷狀分布；橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解第二主成分方差貢獻率為24.049%，解釋方差達28.118 8。如圖3(b)所示：全區(qū)時間系數(shù)第二模態(tài)空間分布均小于0，時間系數(shù)高值區(qū)多分布于第一模態(tài)恰好相反，更能說明空間斷狀分布特征顯著；橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解第三與第四主成分方差貢獻率分別為12.259 1%與5.522 2%。如圖3(c)及圖3(d)所示：其空間分布極為相似。其空間分布均存在兩條“零線”，一為甘孜-九龍-貢山一線，該線將研究區(qū)北部分為西北部及東北部差異性顯著的兩個區(qū)域，即西北部干旱少雨而東北部相對較為濕潤；二為保山-大理-景東一線，該線恰將研究區(qū)中部與南部隔斷，局部變異性明顯。

圖3 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量前四載荷向量空間分布Fig.3 Spatial distribution of the first four years of the reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

3 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量時間分布

3.1 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量時間分布

橫斷山區(qū)1960-2013年平均參考作物蒸散量遞增趨勢明顯，如圖4(a)傾向率為4.5 mm/10 a。為分析54年間參考作物蒸散量階段性變化特征，引入累積距平這一個概念，橫斷山區(qū)參考作物蒸散量累積距平是1960-2013年逐年參考作物蒸散量與均值偏差的累積值。從累積距平曲線圖4(b)可得，1969、1984及2004年為參考作物蒸散量的轉折點。1960-1969年是參考作物蒸散量偏少的階段，以負距平為主，呈現(xiàn)較小的減少趨勢，其傾向率為-1.74 mm/10 a;1970-1984年是參考作物蒸散量偏多的階段，以正距平為主，呈現(xiàn)微弱的增長趨勢，其傾向率為0.28 mm/10 a;1985-2004年為參考作物蒸散量偏少的階段，以負距平為主，呈現(xiàn)微弱的增長趨勢，其傾向率為0.41 mm/10 a;2005-2013年為參考作物蒸散量偏多的階段，以正距平為主，呈現(xiàn)較大的增長趨勢，其傾向率為35 mm/10 a。近54年來，最小距平值(-43.88 mm)出現(xiàn)在2000年，最大距平值(52.27 mm)出現(xiàn)在2013年。

圖4 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量及距平曲線Fig.4 Mean annual reference crop evapotranspiration and its anomaly curve in Hengduan Mountains

3.2 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量周期性分析

3.2.1 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量周期性分析

基于橫斷山區(qū)31個氣象站點1960-2013年平均參考作物蒸散量時間序列的距平基礎上，并對序列距平結果進行連續(xù)Morlet小波變換，求得年平均參考作物蒸散量多時間尺度周期變化規(guī)律。如圖5所示：小波系數(shù)實部反映出時間尺度信號在不同尺度下位相及強烈程度兩方面的信息，正位相代表年平均參考作物蒸散量偏多的時期，負位相代表年平均參考作物蒸散量偏少的時期。

橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量小波分析圖存在25～30 a左右的強周期位相變化，表明橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量主周期為27 a。在橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量主周期內(nèi)，1970-1983年及1994-2002年兩時段為正位相，表明上述兩時段內(nèi)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量較大；而1960-1969年、1984-1993年及2003-2009年內(nèi)呈現(xiàn)負相位，表明上述三時段內(nèi)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量較小。與上文結論相符。

圖5 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量小波分析Fig.5 Wavelet analysis of annual average reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

3.2.2 橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量周期性分析

橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量除冬季出現(xiàn)21 a的次周期外，其余均保持與橫斷山區(qū)年參考作物蒸散量主周期一致，如圖6所示。表明橫斷山區(qū)冬季平均參考作物蒸散量變化劇烈，需更多重視冬季農(nóng)業(yè)用水，防止干旱的發(fā)生。

圖6 橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量小波分析Fig.6 Wavelet analysis of average reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

4 結 論

4.1 空間特征

橫斷山區(qū)1960-2013年年平均參考作物蒸散量為945.20 mm，高于全國同期參考作物蒸散量均值；其空間分布呈現(xiàn)“南部高于北部，東部高于西部，盆谷地高于山地”，造成上述特征的內(nèi)因為海拔、經(jīng)緯度及各氣象要素的共同作用，換言之，即：海拔低、緯度低、平均溫度高、日照相對充足、風速大、相對濕度小及降水少的區(qū)域，參考作物蒸散量相應較大，反之較??；通過對橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量進行EOF分析表明，橫斷山區(qū)西北部與東北部反向變化趨勢明顯，保山-大理一線與南部及中部空間變異性顯著。

4.2 時間特征

橫斷山區(qū)1960-2013年平均參考作物蒸散量遞增趨勢明顯，傾向率為4.5 mm/10 a；1969、1984及2004年為橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量的轉折點；橫斷山區(qū)年平 均參考作物蒸散量主周期為27a，橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量除冬季外均保持與橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量周期一致性。

□

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