于永波 王云鵬

摘要 基于Penman-Moenteith模型、作物系數(shù)法及大型蒸滲儀資料（2012—2013年）計(jì)算1973—2013年青藏高原東北緣8個(gè)氣象站逐日、逐月、多年年平均潛在蒸散量及實(shí)際蒸散量，利用時(shí)間趨勢(shì)法、Mann-Kendall法、小波分析等方法對(duì)源區(qū)高原實(shí)際蒸散量時(shí)間變化特征進(jìn)行分析，利用surfer制圖軟件、Kriging插值對(duì)源區(qū)實(shí)際蒸散量空間變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，8站在全球逐漸變暖背景下總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，波動(dòng)范圍為9.94～21.93 mm/10年;逐月實(shí)際蒸散量具有明顯的時(shí)間變化特征，近似正弦函數(shù)圖像，其峰值出現(xiàn)在4—5月，低谷出現(xiàn)在10月，總體呈下降趨勢(shì);實(shí)際蒸散量具有明顯的周期和突變變化特征;多年實(shí)際蒸散量空間分布呈現(xiàn)東南部相對(duì)高，西北地區(qū)較低，并且由前者到后者依次減少的趨勢(shì)分布特征。

關(guān)鍵詞 蒸散量;彭曼公式;作物系數(shù);青藏高原東北緣;時(shí)空分析

中圖分類號(hào)：P426.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2019）05-062-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.05.025

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Evapotranspiration in the Northeastern Margin of the Qinghai-Tibet Plateau

YU Yong-bo???et al（Jiuquan Meteorological Bureau， Jiuquan， Gansu 735000）

Abstract Based on Penman-Moenteith model， crop coefficient method and large-scale transpirator data （2012-2013）， the daily， monthly and multi-year average potential evapotranspiration and actual evapotranspiration of eight meteorological stations in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau from 1973 to 2013 were calculated. The temporal variation characteristics of actual evapotranspiration in the source plateau was analyzed by time-trend method， Mann-Kendall method and wavelet analysis. The spatial variation characteristics of actual evapotranspiration in the source area was analyzed by using surfer mapping software and Kriging interpolation. The results showed that the actual evapotranspiration of eight meteorological stations showed an upward trend under the background of gradual global warming， and the range of fluctuation was 9.94-21.93 mm per 10 years. The monthly actual evapotranspiration had obvious time-varying characteristics. It was similar to the sinusoidal function image. Its peak value appeared in April-May， and its trough appeared in October. The overall trend was downward. The actual evapotranspiration had obvious periodic and catastrophic characteristics. The spatial distribution of actual evapotranspiration over the years was relatively high in the southeast and low in the northwest， and it decreased in turn from the southeast to the northwest.

Key words???Evapotranspiration;Penman formula;Crop coefficient;Northeast margin of Qinghai-Tibet Plateau;Spatio-temporal analysis

地處于青藏高原東北邊緣的甘南高原，因?yàn)榈乩砦恢锰厥馐屈S河徑流的主要匯集區(qū)和黃河上游至源頭的重要水源涵養(yǎng)和補(bǔ)給區(qū)。黃河在甘南高原由南、東、北環(huán)繞而過(guò)，形成了“U”字形的第一彎，全境流程433 km，補(bǔ)給水量達(dá)黃河上游總水量的45%，是黃河的天然蓄水池，在維護(hù)黃河流域水資源和生態(tài)安全方面具有不可替代的作用。

近年來(lái)，由于自然和人為因素影響，青藏高原東北緣地區(qū)很多濕地和湖泊干涸，草原的生產(chǎn)性能和生態(tài)功能大幅下降，草地退化、沙漠化發(fā)展速度明顯加快，蒸散發(fā)作為水循環(huán)與能量平衡間的橋梁，研究其時(shí)空變化特征將進(jìn)一步揭示氣候變化與生態(tài)環(huán)境變化間的內(nèi)在關(guān)系[1]。

目前，很多氣候?qū)W者在開(kāi)展農(nóng)田蒸散的相關(guān)研究[2]，張強(qiáng)等運(yùn)用Penman Monteith模型研究黃土高原地區(qū)作物參考蒸散的時(shí)空變異特征，輔助使用蒸滲儀以及渦度相關(guān)系統(tǒng)[3]等。從這些研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用Penman Mon-teith模型與作物系數(shù)（Kc）能夠更為準(zhǔn)確地獲得農(nóng)田蒸散的相關(guān)情況。筆者對(duì)青藏高原東北緣地區(qū)近40年的實(shí)際蒸散量時(shí)間及空間變化特征進(jìn)行分析，以期為青藏高原東北緣地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的研究提供參考依據(jù)，更好地保護(hù)黃河水源區(qū)生態(tài)，優(yōu)化當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)格局。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

選用青藏高原東北緣8個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)1973—2013年的逐日、逐月實(shí)時(shí)氣象相關(guān)數(shù)據(jù)。一年劃分出4個(gè)季度，3—5月為春季，依次類推，每3個(gè)月為1個(gè)季度。實(shí)際蒸散量數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所建立的瑪曲實(shí)驗(yàn)基地，采用LG-1大型稱重式蒸滲計(jì)測(cè)定所得，其盛土容器的尺寸為2 m×2 m×2.3 m，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)機(jī)，對(duì)其資料進(jìn)行整理與計(jì)算。

1.2 研究方法

采用彭曼公式，同時(shí)也是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO推薦的參考作物潛在蒸散量的計(jì)算方法，計(jì)算潛在蒸散量。

式中，ET0為參考作物潛在蒸散量（mm）;Rn為凈輻射（MJ/m2）;G為土壤熱通量（MJ/m2）;λ為干濕表常數(shù)（kPa/K）;T為空氣溫度（℃）;u2為風(fēng)速（m/s）;es為飽和水汽壓（kPa）;ea為實(shí)際水汽壓（kPa）;es-ea為飽和水汽壓差（kPa）;Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）。

利用時(shí)間趨勢(shì)法、Mann-Kendall法、小波分析等方法對(duì)源區(qū)實(shí)際蒸散量時(shí)間變化特征進(jìn)行分析，利用surfer制圖軟件、Kriging插值對(duì)源區(qū)高原實(shí)際蒸散量空間變化特征進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)際蒸散量的周期性特征

Morlat小波系數(shù)實(shí)部等值線圖中，可以表示出青藏高原東北緣地區(qū)蒸散量在不同時(shí)間尺度下的周期性變化及其在時(shí)間域中的分布（圖1），振蕩周期表示了年實(shí)際蒸散量的時(shí)間尺度特征，源區(qū)41年實(shí)際蒸散量在不同時(shí)間的周期振蕩以及突變特征的信息。信號(hào)振蕩的程度由等值線的顏色指示，顏色接近藍(lán)色時(shí)，表明該年蒸散量較常年少，顏色接近紅色時(shí)，表明該年蒸散量較常年較多，接近程度與變化程度表現(xiàn)正相關(guān)性。另外，從圖1還可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際蒸發(fā)量序列在時(shí)間尺度上有著嵌套結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的存在，即較小的尺度存在于較大尺度之中。其中，能量密度以模值指代，每個(gè)時(shí)間尺度的周期性變化趨勢(shì)都可以在模值圖中進(jìn)行表示，當(dāng)模值增大時(shí)，相對(duì)應(yīng)的周期性就變得明顯。

青藏高原東北緣地區(qū)年實(shí)際蒸散量的振蕩周期大致有2個(gè)：5年和10年。其中，5年尺度的振蕩周期為20世紀(jì)70年代初期至80年代初期，20世紀(jì)80年代中期至90年代中期，21世紀(jì)00年代初期至00年代中期，另外2002—2008年表現(xiàn)的較為明顯;10年尺度的振蕩周期為20世紀(jì)70年代初期至70年代末期，20世紀(jì)80年代中期至90年代中期，21世紀(jì)00年代初期至00年代中期，1970—1981年表現(xiàn)的比較明顯。從源區(qū)年實(shí)際蒸散量最近幾年的演變可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)幾年的年實(shí)際蒸散量可能維持在偏多的時(shí)段。

2.2 實(shí)際蒸散量的突變特征

對(duì)青藏高原東北緣地區(qū)年實(shí)際蒸散量分別利用M-K突變分析進(jìn)行處理，假定顯著水平α為0.05，得到年平均實(shí)際蒸散量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線。

由圖2中源區(qū)年實(shí)際蒸散量UF曲線可見(jiàn)，自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，年實(shí)際蒸散量有上升趨勢(shì)。由于UF曲線整體在置信區(qū)間內(nèi)，所以這41年來(lái)源區(qū)年實(shí)際蒸散量明顯增加。由該地年實(shí)際蒸散量UF和UB曲線交叉的地方，可以推斷出源區(qū)實(shí)際蒸散量增加現(xiàn)象屬于突變現(xiàn)象，這一突變應(yīng)該是20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。

2.3 實(shí)際蒸散量空間變化特征

總的來(lái)看，在過(guò)去的41年間，該地區(qū)實(shí)際蒸散量年平均值為790.68～981.53 mm。由于該地區(qū)土地面積較大，地形種類較多，各地區(qū)間空間差別較大，從全局來(lái)看東南部相對(duì)更高，西北地區(qū)較低，并且由前者到后者呈依次減少的趨勢(shì)。其中，由于高寒濕潤(rùn)區(qū)地理位置相對(duì)較高，植被覆蓋率更大，降水較多，抑制了蒸發(fā)的進(jìn)行，其值較小;而北亞熱帶半干燥區(qū)海拔在源區(qū)屬于最低，年平均氣溫為13℃，氣溫低峰值出現(xiàn)在1月，平均氣溫1.5℃，高峰值出現(xiàn)在7月，平均溫度23℃，氣候較為干燥，日照時(shí)間長(zhǎng)，促進(jìn)了蒸散過(guò)程的進(jìn)行，從而值最大。其中在青藏高原東北邊緣區(qū)占地不到10%的寒溫濕潤(rùn)區(qū)出現(xiàn)一個(gè)低值中心，該地區(qū)海拔較低、河谷地形較多，平均氣溫僅為2.0～4.2℃，且降水量較多，風(fēng)速較小。該地區(qū)的氣候與地形條件，非常不利于蒸散的進(jìn)行。

3 小結(jié)

在全球變暖的背景下，通過(guò)對(duì)青藏高原東北緣地區(qū)實(shí)際蒸散量進(jìn)行觀測(cè)并計(jì)算，分析了源區(qū)實(shí)際蒸散量的逐日、逐月、逐年、年代際變化以及空間變化特征，得出如下結(jié)果。

（1）8站在全球逐漸變暖背景下實(shí)際蒸散量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，波動(dòng)范圍為9.94～21.93 mm/10年;逐月實(shí)際蒸散量具有明顯的時(shí)間變化特征，近似正弦函數(shù)圖像，其峰值出現(xiàn)在4—5月，低谷出現(xiàn)在10月，總體呈下降趨勢(shì)。

（2）實(shí)際蒸散量具有明顯的周期與突變變化特征，振蕩周期一個(gè)是5年，另一個(gè)周期是10年。其中，未來(lái)幾年的年實(shí)際蒸散量可能維持在偏多的時(shí)段。由該地年實(shí)際蒸散量UF和UB曲線交叉的地方，可以推斷出源區(qū)突變應(yīng)該是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。

（3）從空間來(lái)看實(shí)際蒸散量東南部相對(duì)更高，西北地區(qū)較低，并且由前者到后者呈依次減少的趨勢(shì)。其中，由于高寒濕潤(rùn)區(qū)地理位置相對(duì)較高，植被的覆蓋率更大，降水較多，抑制了蒸發(fā)的進(jìn)行，其值較小;而北亞熱帶半干燥區(qū)海拔在源區(qū)屬于最低，氣候較為干燥，日照時(shí)間長(zhǎng)，促進(jìn)了蒸散過(guò)程的進(jìn)行，從而值最大。其中在寒溫濕潤(rùn)區(qū)出現(xiàn)一個(gè)低值中心，分析其原因是因?yàn)樵摰貐^(qū)海拔較低、河谷地形較多，平均氣溫低，且降水量較多，風(fēng)速較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 張強(qiáng)，王文玉，陽(yáng)伏林.典型半干旱區(qū)干旱脅迫作用對(duì)春小麥蒸散及其作物系數(shù)的影響特征[J].科學(xué)通報(bào)，2015，60（15）：1384-1394，1.

[2] 陽(yáng)伏林，張強(qiáng)，王潤(rùn)元.黃土高原半干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散與作物系數(shù)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，24（5）：1209-1214.

[3] 張強(qiáng)，王勝，曾劍.論干旱區(qū)非降水性陸面液態(tài)水分分量及其與土壤水分關(guān)系[J].干旱區(qū)研究，2010， 27（3）：392-400.

責(zé)任編輯：鄭丹丹

基金項(xiàng)目 酒泉市戈壁農(nóng)業(yè)主要?dú)庀鬄?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)研究資助。

作者簡(jiǎn)介 于永波（1987-），男，甘肅酒泉人，助理工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的成因及評(píng)估研究。

收稿日期 2019-07-19