(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

參考作物騰發(fā)量(ET0)是評(píng)價(jià)氣候干濕程度、植物耗水量、生產(chǎn)潛力以及水資源供需平衡的重要指標(biāo)之一[1]。近年來(lái)，隨著全球氣溫的升高，氣象參數(shù)降雨、云量和蒸發(fā)量也具有很強(qiáng)的全球性和區(qū)域性的變化趨勢(shì)[2]。在氣候變暖背景下，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、水資源短缺、農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害都呈加劇趨勢(shì)，造成糧食生產(chǎn)能力降低、減產(chǎn)幅度增加[3]。同時(shí)，氣候變化增加了土壤水分、有機(jī)質(zhì)和氮的流失，加速了土壤退化、侵蝕，削弱了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)抵御自然災(zāi)害的能力[4]。準(zhǔn)確地估算ET0，不僅是制定區(qū)域植被生態(tài)需水定額和水資源優(yōu)化配置決策的重要依據(jù)，也是監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)旱情、提高區(qū)域水資源利用效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái)，ET0長(zhǎng)期變化趨勢(shì)研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，研究表明，過(guò)去數(shù)十年中國(guó)的參考作物騰發(fā)量總體呈下降趨勢(shì)，但各地的變化及其成因具有區(qū)域性差異，如甘肅石羊河流域[5]、寧夏引黃灌區(qū)[6]及北京地區(qū)[7]的ET0呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而長(zhǎng)江流域呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)[8]。干旱地區(qū)、半干旱地區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)的ET0呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，濕潤(rùn)地區(qū)則相對(duì)穩(wěn)定[1]。臨汾是山西省主要的糧食產(chǎn)區(qū)，也是全國(guó)最嚴(yán)重的缺水區(qū)之一，其氣候四季分明，雨熱同期，災(zāi)害性天氣頻繁，災(zāi)種多且分布廣，成災(zāi)比率高，是氣象災(zāi)害頻發(fā)區(qū)之一，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了較大的影響。因此，研究臨汾地區(qū)基于長(zhǎng)序列氣象資料的ET0變化趨勢(shì)及其影響因素，對(duì)于克服氣候變化帶來(lái)的負(fù)面影響，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、確保糧食安全具有重要意義，同時(shí)可為評(píng)價(jià)該地區(qū)氣候干濕狀況及農(nóng)業(yè)旱情提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究資料與方法

臨汾市位于山西南部，該地所屬氣候?yàn)闇貛Т箨懶园敫珊禋夂蝾愋?，多年平均氣?2.81℃，降雨量486.7mm，蒸發(fā)量1568mm。本文采用Penman-Monteith模型計(jì)算了臨汾站1955—2014年共60年的逐日ET0值，利用Mann-Kendall法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)及突變檢驗(yàn)，采用相關(guān)系數(shù)、多元線性回歸和偏相關(guān)分析方法確定影響參考作物騰發(fā)量的氣候因素，對(duì)臨汾參考作物騰發(fā)量的年內(nèi)分配、年際變化特征、變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了評(píng)判。臨汾氣象站的基本情況見(jiàn)表1。

表1 臨汾氣象站基本情況

2 結(jié)果分析

2.1 參考作物騰發(fā)量變化規(guī)律

臨汾地區(qū)1955—2014年多年平均ET0為865.7 mm/a，最大值為1033.0mm/a(1957年)，最小值為746.1mm/a(1996年)。ET0年際變化在波峰—波谷起伏狀態(tài)中逐漸下降，見(jiàn)圖1，平均每10年減少23.24mm，經(jīng)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，臨汾站ET0值呈顯著減少趨勢(shì)，通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。通過(guò)分析不同年代的ET0變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，臨汾站20世紀(jì)50年代ET0呈上升趨勢(shì)，為91.8mm/10a，但從60年代開(kāi)始呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，其中80年代下降最明顯，為-59.0mm/10a，但未達(dá)到顯著水平，進(jìn)入21世紀(jì)后ET0值雖有所減小，但減少趨勢(shì)已趨于平緩。

圖1 參考作物騰發(fā)量變化趨勢(shì)

研究區(qū)四季分明，ET0月際變化比較大，最大值一般發(fā)生在6月，最低值出現(xiàn)在12月和1月，春季ET0上升速度較快，到秋季ET0迅速衰減，見(jiàn)圖2。連續(xù)最大4個(gè)月ET0值出現(xiàn)在5—8月，約占全年比例的55.77%。通過(guò)分析歷年ET0四季變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)四季均呈減少趨勢(shì)，其中夏季減少比例小，為-10.9mm/10a，秋季減少最為顯著，為-50.4mm/10a，除春季下降趨勢(shì)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)外，其他季節(jié)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，減少非常顯著，見(jiàn)表2。

表2 參考作物騰發(fā)量氣候傾向率

注*、**分別表示通過(guò)了0.05和0.01的顯著性檢驗(yàn)(下表同)。

圖2 研究區(qū)多年平均ET0年內(nèi)分布

圖3 臨汾參考作物騰發(fā)量突變檢驗(yàn)曲線圖

從圖3的年參考作物騰發(fā)量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)可以看出，年騰發(fā)量在1957—1964年為增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，之后趨勢(shì)開(kāi)始逆轉(zhuǎn)，從1965年開(kāi)始到21世紀(jì)初參考作物騰發(fā)量均表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，在1974年通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn)(U0.01=2.58)，表明臨汾市參考作物騰發(fā)量下降趨勢(shì)十分顯著。圖3中UF(k)和UB(k)曲線1971年在臨界線之間有一個(gè)交點(diǎn)，并且在1974年后超出了臨界線，因此臨汾地區(qū)參考作物騰發(fā)量在1974年后顯著下降，在1971年發(fā)生了突變。

2.2 氣象要素變化趨勢(shì)

通過(guò)Mann-Kendall法趨勢(shì)檢驗(yàn)，臨汾站1956—2014年間，ET0、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)均呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)表3，平均每10年分別減少23.24mm、0.13m/s、0.61%和106.41h(見(jiàn)表4)，均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)非常顯著；平均氣溫和平均水汽壓呈上升趨勢(shì)，其中平均氣溫上升趨勢(shì)達(dá)到了顯著水平，而平均水汽壓上升水平未達(dá)到顯著水平。臨汾站年平均氣溫12.81℃，自1955年以來(lái)，臨汾氣溫總體呈上升趨勢(shì)，通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其增加速率為0.37℃/10a，略高于全省增溫速率0.35℃/10a[9]，進(jìn)入90年代中期以來(lái)，氣溫迅速上升，尤其是1996年以后持續(xù)升高，且氣溫變幅增大，2013年年平均氣溫14.63℃，達(dá)到有數(shù)據(jù)記錄以來(lái)的歷史最高值。

表3 氣候因素趨勢(shì)檢驗(yàn)

注↗表示上升， ↘表示下降。

表4 氣候傾向率

2.3 參考作物騰發(fā)量影響因子分析

通過(guò)相關(guān)分析，參考作物騰發(fā)量與平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)，與平均氣溫、平均水汽壓和平均相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān),見(jiàn)表5。然而，由于影響參考作物騰發(fā)量的因子很多，各因子之間相互影響、關(guān)系復(fù)雜，單純用相關(guān)系數(shù)并不能真實(shí)地反映這些氣象要素與參考作物騰發(fā)量之間的實(shí)際情況，例如：溫度和日照、水汽壓和相對(duì)濕度之間可能存在共線性的問(wèn)題，這時(shí)相關(guān)系數(shù)的好壞并不能表示實(shí)際情況[10]。為解決共線性問(wèn)題，本文采用多元線性回歸分析和偏相關(guān)分析，在剔除其他相關(guān)因素影響的條件下計(jì)算ET0與某一個(gè)影響因素間的相關(guān)性，見(jiàn)表6。計(jì)算結(jié)果表明：參考作物騰發(fā)量與平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫和平均相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與平均水汽壓呈負(fù)相關(guān)，且上述兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果具有很好的一致性。因此，影響參考作物騰發(fā)量的氣象要素從強(qiáng)到弱的排列順序?yàn)椋浩骄L(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均水汽壓、平均氣溫和平均相對(duì)濕度，其中ET0與風(fēng)速、日照、溫度呈顯著正相關(guān)，與水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平。

臨汾站1964年、1983年、1984年、1996年和2003年ET0顯著減小，且各年ET0減少的成因基本相同，即年平均風(fēng)速均較低、日照時(shí)數(shù)少、降水量大、平均濕度高，在多重因素影響下最終導(dǎo)致了ET0的顯著下降。

表5 ET0與各因素的相關(guān)系數(shù)

表6 偏回歸分析與偏相關(guān)分析結(jié)果

3 結(jié) 論

參考作物騰發(fā)量與氣象要素、自然地理因素有密切聯(lián)系，其機(jī)理十分復(fù)雜。本文以臨汾為研究區(qū)域，采用1955—2014年氣象觀測(cè)資料，利用多種方法對(duì)參考作物騰發(fā)量及其影響因素進(jìn)行了研究，并得出如下結(jié)論：臨汾地區(qū)1955—2014年多年平均ET0總體呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，年ET0在1957—1964年為明顯上升趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，在1965—2014年轉(zhuǎn)為明顯的下降趨勢(shì)，并在1971年左右發(fā)生突變。在年代際時(shí)間尺度上，臨汾地區(qū)全年ET0在80年代是減少最明顯的階段，秋季的ET0降低對(duì)區(qū)域ET0的下降起到了較大的貢獻(xiàn)。區(qū)域風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)與ET0具有較高的完全相關(guān)系數(shù)，風(fēng)速的降低和日照時(shí)數(shù)的減少是全區(qū)范圍ET0減少的主要原因。