陳建杰

(1.中國(guó)氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003； 2.駐馬店市氣象局，河南 駐馬店 463000)

0 引言

【研究意義】參考作物蒸散量(ET0)是估算作物需水量計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其在表征大氣蒸散能力、評(píng)價(jià)氣候干旱程度、植被耗水量、生產(chǎn)潛力以及水資源供需平衡中有不可或缺的作用[1-5]。ET0空間分布既受氣候影響，又受地理環(huán)境的影響，區(qū)域差異性明顯。在全球變暖背景下，氣溫、風(fēng)速、太陽輻射等氣象要素的變化，必然導(dǎo)致ET0在時(shí)空上的變化。在全球氣候變化背景下，闡明河南省季節(jié)ET0的年際變化，分析其主要?dú)庀笥绊懸蛩?，可為該區(qū)域的水資源合理規(guī)劃和農(nóng)業(yè)水資源利用效率的提高等方面提供依據(jù)，對(duì)于積極應(yīng)對(duì)氣候變化、調(diào)整作物種植區(qū)劃等具有重要意義[6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來越來越多的學(xué)者對(duì)ET0的變化特征開展了大量的研究工作[7-9]。研究表明，中國(guó)大部分地區(qū)ET0呈不同程度的下降趨勢(shì)[9]，其中華北平原[10]大部分氣象站呈顯著下降趨勢(shì)。影響ET0的主導(dǎo)氣象因素空間差異明顯，這主要因?yàn)镋T0與溫度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和相對(duì)濕度等氣象因素間關(guān)系復(fù)雜、并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[11]。李迎等[12]研究表明，ET0與溫度、風(fēng)速和日照時(shí)間呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。胡琦等[13]指出，風(fēng)速的負(fù)貢獻(xiàn)是導(dǎo)致ET0降低的主導(dǎo)因子。華北平原ET0受日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、日較差和風(fēng)速的綜合影響[9]。姬興杰等[14]研究顯示，年ET0均表現(xiàn)出與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)系數(shù)最大，風(fēng)速減小是導(dǎo)致河南省年ET0呈顯著減小的主要原因。可見區(qū)域不同、氣候特點(diǎn)不同，ET0的變化特征及影響因素也有所差異。【研究切入點(diǎn)】河南省地勢(shì)西高東低，北、西、南三面由太行山、伏牛山、桐柏山、大別山沿省界呈半環(huán)形分布；中、東部為黃淮海沖積平原；西南部為南陽盆地。平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%。河南省大部分地處暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候，同時(shí)還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征，具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣和氣象災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。農(nóng)作物種植制度以冬小麥和夏玉米輪作一年兩熟為主，水資源短缺是制約該省農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[9,15]。【擬解決的關(guān)鍵問題】綜合分析各氣候要素對(duì)河南省各區(qū)域ET0的作用和影響，準(zhǔn)確估算和科學(xué)分析作物需水量，研究其時(shí)空變化特征，以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物需水量及指導(dǎo)農(nóng)田合理灌溉。

1 材料與方法

1.1 材料

按照地理和氣候條件將河南省分為6個(gè)區(qū)域(圖1)，分別為豫北(安陽、鶴壁、濮陽、濟(jì)源、焦作、新鄉(xiāng))、豫西(三門峽、洛陽)、豫中(鄭州、平頂山、許昌、漯河)、豫東(開封、商丘、周口)、豫西南(南陽)和豫南(駐馬店信陽)。1965-2018年河南省時(shí)間序列完整的99個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速及各站點(diǎn)的經(jīng)、緯度和海拔高度等數(shù)據(jù)均來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

圖1 研究區(qū)域與氣象站點(diǎn)分布Fig.1 The study area and distribution of meteorological stations

1.2 方法

運(yùn)用FAO1998年推薦的Penman-Monteith公式[16]計(jì)算各區(qū)域逐日參考作物蒸散量的季節(jié)平均值[17]，利用Microsoft Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，結(jié)合ArcGIS10，采用氣候線性傾向率法[18]、Pearson相關(guān)分析及偏相關(guān)分析等方法進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，分析季參考作物蒸散量的時(shí)空變化特征及其氣候影響因素。

式中，ET0為參考作物蒸散量(mm/d2)，Rn為凈輻射[MJ/(m2· d2)]，G為土壤熱通量[MJ/(m2·d2)]，T為日平均氣溫(℃)，u2為2 m高處風(fēng)速(m/s)，es為飽和水汽壓(Kpa)，ea為實(shí)際水汽壓(Kpa)，△為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(Kpa/℃)，γ為干濕表常數(shù)(Kpa/℃)。

2 結(jié)果與分析

2.1 參考作物蒸散量的季節(jié)和區(qū)域變化特征

2.1.1 季節(jié)變化 從圖2看出，1965-2018年，河南省春、夏、秋、冬季參考作物蒸散量均呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-2.5 mm/10a、-14.2 mm/10a、-5.4 mm/10a、-3.6 mm/10a，其中夏、秋、冬季通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，春季減少趨勢(shì)不明顯。春、夏、秋、冬季參考作物蒸散量變異系數(shù)分別為7.5%、8.8%、8.5%、16.3%，即冬季參考作物蒸散量年際波動(dòng)最明顯，其次是夏季和秋季。

注：**表示通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。Note: **represents passing the significance test of 0.01 level.圖2 研究區(qū)域1965-2018年不同季節(jié)的參考作物蒸散量Fig.2 Reference crop evapotranspiration in the study area in four seasons during 1965-2018

2.1.2 區(qū)域變化 從表1看出，各區(qū)域1965-2018年參考作物蒸散量氣候傾向率四季變化豫西、豫西南和豫南的春季為正值，即呈上升趨勢(shì)，但變化不明顯；其余區(qū)域各季節(jié)的均為負(fù)值，呈下降趨勢(shì)。各區(qū)域夏季參考作物蒸散量氣候傾向率絕對(duì)值均大于10 mm/10a，且均通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明夏季參考作物蒸散量下降趨勢(shì)最顯著；秋、冬兩季為下降趨勢(shì)，春季豫西、豫西南和豫南為上升趨勢(shì)，其余各區(qū)也為微降趨勢(shì)，且秋季變化趨勢(shì)較顯著、冬季變化趨勢(shì)不顯著。整體上，各季節(jié)參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對(duì)值依次為夏季>秋季>冬季>春季。

表1 各區(qū)域1965-2018年參考作物蒸散量的季節(jié)平均值及氣候傾向率Table 1 Seasonal average values and climate tendency rates of reference crop evapotranspiration in each region during 1965—2018

2.2 參考作物蒸散量的四季空間變化特征

從圖3看出，1965-2018年河南省春季參考作物蒸散量空間變化特征較明顯，為北高南低緯向型分布，全省變化范圍在255～320 mm，從北部的最高值320 mm逐漸過渡到南部的270 mm，西南部大部分和豫南部局最低不足270 mm。夏、秋兩季參考作物蒸散量空間變化大致為東高西低經(jīng)向型分布；豫西和豫西南為低值區(qū)，夏季變化范圍在350～390 mm，秋季在150～185 mm；東部的高值區(qū)夏、秋兩季有所不同，夏季高值區(qū)內(nèi)為北高南低，秋季高值區(qū)內(nèi)為北低南高。冬季參考作物蒸散量空間變化為中部高、周邊低；豫北、豫西和豫中局部為高值區(qū)，豫北北部、豫東東部和河南西部為中值區(qū)，豫西西部和豫北東北部為低值區(qū)；參考作物蒸散量大部分區(qū)域變化范圍在85～105 mm，高值區(qū)變化范圍在105～115 mm。

圖3 各區(qū)域不同季節(jié)參考作物蒸散量的空間分布Fig.3 The spatial distribution of reference crop evapotranspiration in the study area in four seasons

2.3 不同季節(jié)參考作物蒸散量與氣象要素的相關(guān)性

從表2看出，不同季節(jié)參考作物蒸散量與降水、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和風(fēng)速間的相關(guān)性有一定的差異。

表2 季節(jié)參考作物蒸散量與氣象要素相關(guān)系數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)Table 2 Partial correlation coefficient and correlation coefficient between seasonal reference crop evapotranspiration and meteorological elements

2.3.1 春季 參考作物蒸散量與降水、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值排序?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)>相對(duì)濕度>降水>風(fēng)速。偏相關(guān)性分析顯示，春季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫和風(fēng)速極顯著相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為風(fēng)速>日照時(shí)數(shù)>相對(duì)濕度>平均氣溫。表明風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的減少是造成春季參考作物蒸散量減少的首要原因。

2.3.2 夏季 參考作物蒸散量與日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、最高氣溫和風(fēng)速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為日照時(shí)數(shù)>風(fēng)速>最高氣溫>平均氣溫。偏相關(guān)分析顯示，夏季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速極顯著相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為日照時(shí)數(shù)>風(fēng)速>相對(duì)濕度。表明，日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的減少是造成夏季參考作物蒸散量減少的首要原因。

2.3.3 秋季 參考作物蒸散量與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和風(fēng)速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為風(fēng)速>平均氣溫>最低氣溫>最高氣溫。偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，秋季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫和風(fēng)速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為風(fēng)速>日照時(shí)數(shù)>相對(duì)濕度>最高氣溫。表明，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的減少是造成秋季參考作物蒸散量減少的首要原因。

2.3.4 冬季 參考作物只與平均氣溫、最低氣溫和風(fēng)速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為風(fēng)速>平均氣溫>最低氣溫。偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，冬季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度和風(fēng)速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值排序?yàn)轱L(fēng)速>相對(duì)濕度。表明，風(fēng)速和相對(duì)濕度的減少是造成冬季參考作物蒸散量減少的首要原因。

綜上，風(fēng)速的減小、日照時(shí)數(shù)的縮短和相對(duì)濕度的減少是造成河南省參考作物蒸散量減小的主要原因。

3 討論

地理?xiàng)l件及氣候條件不同，參考作物蒸散量的變化規(guī)律和影響因素也有所差異。楊永剛等[2]研究表明，我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)中，華北平原及遼寧省參考作物蒸散量的下降趨勢(shì)極為顯著，其他區(qū)域下降趨勢(shì)不明顯，部分地區(qū)以增大為主。影響參考作物蒸散量變化的主要?dú)庀笠赜袣鉁?、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速等，區(qū)域不同主導(dǎo)因子也有所差異[8,13,19-22]。引起參考作物蒸散量變化的原因多樣化、復(fù)雜化，除受文中所列主要?dú)庀笠蜃佑绊懲?，還受其他氣象因子影響，并與人類活動(dòng)、下墊面變化等有關(guān)。參考作物蒸散量的估算是確定作物需水量的基礎(chǔ)，作物需水量是提高農(nóng)田水分利用效率及制定農(nóng)田灌溉制度必不可少的關(guān)鍵參數(shù)，而作物生長(zhǎng)具有一定的季節(jié)性，因此，還需要對(duì)作物生長(zhǎng)季內(nèi)的參考作物蒸散量變化及成因作進(jìn)一步的分析研究。

4 結(jié)論

河南省1965-2018年春季參考作物蒸散量呈減少趨勢(shì)，夏季下降趨勢(shì)最顯著，秋季變化趨勢(shì)較顯著，冬、春季變化趨勢(shì)不顯著。各季節(jié)參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對(duì)值依次為夏季>秋季>冬季>春季。春季參考作物蒸散量為北高南低緯向型分布；夏、秋兩季均為東高西低經(jīng)向型分布；冬季變化呈中部高、周邊低的帶狀分布特點(diǎn)。風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)是影響春、夏、秋季參考作物蒸散量的主要?dú)庀笠蜃?，風(fēng)速和相對(duì)濕度是影響冬季參考作物蒸散量的主要?dú)庀笠蜃?；風(fēng)速的減小、日照時(shí)數(shù)的縮短和相對(duì)濕度的減少是河南省參考作物蒸散量減小的主要原因。