張春玲， 張 勃， 周 丹， 張調(diào)風(fēng)， 安美玲

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏稍嶺以西，祁連山北麓，東南與甘肅省白銀、蘭州兩市相連，西北與甘肅省張掖市毗鄰，西南緊靠青海省，東北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤(36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E)。

石羊河流域總面積4.16×104km2，年徑流量在河西3大內(nèi)陸河中最小,而人口密度卻最大,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過聯(lián)合國規(guī)定的關(guān)于干旱區(qū)合理承載量的人口標(biāo)準(zhǔn)。近2 000 a來，尤其是近50 a，在氣候變化和人類活動雙重干擾下，石羊河流域環(huán)境逐漸惡化，引發(fā)了水資源短缺、水土流失、冰川萎縮、河川斷流等一系列環(huán)境問題,使流域內(nèi)原有的水熱(能)平衡被打破,造成地表能量和水分的收支嚴(yán)重失衡,使干旱和土地沙漠化更加嚴(yán)重[1-3]。流域極度惡化的生態(tài)環(huán)境問題引起了國家和社會的高度重視及廣泛關(guān)注。參考蒸散量是重要的水文參量之一，它直接關(guān)系到地表的能量和水量平衡[4]，在計算作物實際需水量、優(yōu)化協(xié)調(diào)區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及制定合理的灌溉計劃等方面發(fā)揮著重要作用。盡管國內(nèi)關(guān)于參考蒸散量的敏感性研究較多，但多在東北、華北和長江流域[5-8]。本文對石羊河流域進(jìn)行分析和評價，為深入理解該地區(qū)氣候變化對參考蒸散量的影響，指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境的綜合治理，促進(jìn)該流域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心。選取石羊河流域具有代表性的4個國家氣象站，包括上游祁連山區(qū)烏鞘嶺氣象站，中游武威、永昌氣象站，以及下游民勤氣象站，逐日的平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均相對濕度、日照時數(shù)和平均風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的利用率，對參與計算ET0的逐日氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)和相對濕度等資料的缺測值進(jìn)行線性插補,建立了1959—2011年長時間序列的氣象因子。

1.2 研究方法

1.2.1 參考蒸散量的計算方法 采用FAO 推薦的Penman—Monteith公式[9]，它以水分?jǐn)U散理論和能量平衡為基礎(chǔ)，考慮植被生理特征的同時，綜合了空氣動力學(xué)和輻射項，具有較好的理論依據(jù)，其優(yōu)勢得到普遍認(rèn)可，被國內(nèi)外眾多學(xué)者應(yīng)用。表達(dá)式如下:

(1)

式中：ET0——參考作物蒸散量(mm/d)；Δ——溫度隨飽和水汽壓變化的斜率(kPa/℃)；G——土壤熱通量密度〔MJ/(m2·d)〕，可利用相近2個月的平均氣溫推算[11]，相對于Rn取值很小，當(dāng)植被覆蓋、計算步長等于或接近于1 d時，忽略為0；γ——干濕表常數(shù)(kPa/℃)；T——日平均氣溫(℃)；U2——2 m高處風(fēng)速(m/s)；Es,Ea——飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)；Rn——凈輻射〔MJ/(m2·d)〕 ，可以結(jié)合地表反射率和其他氣象條件，利用地面吸收的太陽短波輻射Rns〔MJ/(m2·d)〕減去發(fā)射的長波輻射Rnl〔MJ/(m2·d)〕[9]計算得出：

Rn=Rns-Rnl

(2)

Yin等[10]建立了適用于中國凈短波輻射的經(jīng)驗公式，并指出利用Penman修正式[11]計算中國凈長波輻射更為準(zhǔn)確，即:

Rns=(1-α)〔0.2+0.79(n/N)〕Ra

(3)

(4)

式中:α——地表反照率(%)；n——日照時數(shù)(h/d)；N——可照時數(shù)(h/d)；Ra——大氣頂層的太陽輻射〔MJ/(m2·d)〕；σ——波爾茲曼常數(shù)〔4.903×10-9MJ/(K4·m2·d)〕；Tmax，k和Tmin，k——最高絕對氣溫和最低絕對氣溫(℃)。

1.2.2 敏感性分析及敏感系數(shù) 敏感性分析法是定量描述模型參數(shù)對輸出結(jié)果重要程度的方法[12]，主要包括敏感曲線法和敏感系數(shù)法。其中敏感系數(shù)法是由McCuen等[13-14]1974年提出的一種用數(shù)學(xué)定義的敏感性分析方法。利用參考作物蒸散量與單個氣象因子的相對變化量之比計算[14]，其意義與數(shù)學(xué)中的偏導(dǎo)數(shù)類似，結(jié)果直觀、意義明確，在研究中得到廣泛應(yīng)用[5-7,15]?？紤]到Penman—Monteith 模型中各氣象因子的相對大小及單位有差異，這里采用無量綱化的相對敏感系數(shù)[13,16]。

(5)

式中：Xi——氣象要素(i取1～5，分別代表平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)、平均最高氣溫和平均最低氣溫)；SXi——ET0對各氣象要素的敏感系數(shù)，由于該相對敏感系數(shù)無量綱，故可直接用于比較各氣象要素對ET0的影響。敏感系數(shù)的正/負(fù)，反應(yīng)ET0變化與氣象要素的變化一致/相反，其絕對值越大意味著該氣象要素對ET0的影響越大，反之亦是。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要氣象要素與ET0的季節(jié)平均值

石羊河流域多年平均最高溫和最低溫的季節(jié)差異性最大，其次為ET0。以研究區(qū)的多年季節(jié)平均為參照值，風(fēng)速呈單谷型變化，氣溫和相對濕度呈單峰型變化，日照時數(shù)變化不大。區(qū)域ET0在夏季最高達(dá)到4.20 mm，冬季降至最低僅為1.02 mm(表1)。

表1 研究區(qū)1959-2011年氣象要素在各季節(jié)的日平均值

2.2 ET0與各氣象要素敏感系數(shù)的時空分布特征

2.2.1 ET0的時空分布特征 由于石羊河流域中下游屬于典型的大陸性干旱氣候，上游屬于山地氣候，受流域內(nèi)氣候和地形等因素影響，石羊河流域的年平均ET0區(qū)域差異明顯，從上游至下游逐漸增大(圖1)。上游的祁連山區(qū)海拔較高，年ET0約為686～843 mm，中游的武威盆地和永昌盆地分別在845～1 070和910～1 087 mm，下游民勤盆地約為1 030～1 213 mm。除冬季外，各季節(jié)ET0整體均呈南少北多的特征，春季上游多年均值約為220 mm，中游約300 mm，下游約350 mm;夏季上游約288 mm，中游約386 mm，下游約470 mm;秋季上游約151 mm，中游約183 mm，下游約209 mm;冬季上游約95 mm，中游約90 mm，下游約94 mm。在同一區(qū)域，季節(jié)ET0表現(xiàn)為秋冬最少，夏季最多，春季次之，這與劉明春[17]研究的參考蒸散量分布特征較為一致。

圖1 石羊河流域1959-2011年平均參考蒸散量的空間分布特征

2.2.2 敏感系數(shù)的空間分布特征 由表2可以看出，石羊河流域ET0對風(fēng)速、日照時數(shù)、最低氣溫和最高氣溫的變化呈正敏感，對相對濕度的變化呈負(fù)敏感。其中，相對濕度敏感系數(shù)的絕對值最大，表明ET0對相對濕度的變化最敏感；其次是最高氣溫和風(fēng)速，日照時數(shù)與最低氣溫敏感系數(shù)的絕對值最小。這與梁麗喬等[6]和Gong等[5]對松嫩平原西部和長江流域所得研究結(jié)果一致，而與劉小莽等[8]和曾麗紅等[7]對海河流域和東北地區(qū)所得研究結(jié)果不同，說明各區(qū)域間不同氣候特點導(dǎo)致的ET0變化對同一氣象要素變化的敏感性存在差異。由于區(qū)域內(nèi)具有不同的地形特點和氣候特征，ET0對各氣象因子的敏感性大小在4個站點間也略有差別。武威縣、民勤縣相對濕度的絕對值與最高氣溫相近，表明在這兩個地區(qū)ET0對最高氣溫的敏感性與相對濕度無顯著差異，烏鞘嶺和永昌相對濕度的絕對值遠(yuǎn)大于最高氣溫的絕對值，說明這兩個區(qū)ET0對相對濕度的敏感性超過了最高氣溫。

表2 1959-2011年石羊河流域ET0對各氣象因子敏感系數(shù)的日平均值

ET0與風(fēng)速、日照時數(shù)、最高氣溫和最低氣溫的變化方向一致，隨風(fēng)速、日照時數(shù)、最高氣溫和最低氣溫的增加而增加；ET0與相對濕度的變化相反，隨相對濕度的增加而減小。敏感系數(shù)絕對值的大小表明，ET0對相對濕度的變化最為敏感，其次是最高氣溫和風(fēng)速，對日照時數(shù)和最低氣溫變化的敏感性最低。即，在石羊河流域相對濕度是ET0的主要控制因子，相對濕度發(fā)生10%的變化可能引起ET0發(fā)生高達(dá)5%的變化。總的來講，最高氣溫和風(fēng)速的敏感系數(shù)都在流域下游的民勤盆地形成高值區(qū)，相對濕度(絕對值)和最低氣溫的敏感系數(shù)則在流域上游祁連山區(qū)形成高值區(qū)，相對濕度(絕對值)敏感系數(shù)在流域中游形成低值區(qū)，而最低氣溫敏感系數(shù)在中下游無明顯差異，說明在流域內(nèi)蒸散發(fā)對各氣象要素變化的敏感性存在區(qū)域差異。

2.2.3 敏感系數(shù)的季節(jié)分布特征 區(qū)域多年的風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)、最低氣溫和最高氣溫的敏感系數(shù)在春季、夏季、秋季、冬季的平均值見表3。

表3 1959—2011年石羊河流域的各氣象因子敏感系數(shù)在各季節(jié)的日平均值

從圖2可以看出，各氣象變量的敏感系數(shù)在季節(jié)間均存在一定程度的波動，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[5,18]。日照時數(shù)敏感系數(shù)的變化波動最大，其次是最高氣溫、相對濕度和風(fēng)速的敏感系數(shù)，最低氣溫敏感系數(shù)的變化波動最為平緩。最高氣溫和日照時數(shù)的敏感系數(shù)呈單峰型分布，在夏季達(dá)到最高值，表明ET0對最高氣溫和日照時數(shù)變化的敏感性在夏季最高；風(fēng)速的敏感系數(shù)呈單谷型分布，在夏季達(dá)到最低值，表明ET0對風(fēng)速變化的敏感性在夏季最低；相對濕度敏感系數(shù)的絕對值從春季至秋季(平均值)表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢，冬季有所下降，但仍高于夏季，表明ET0對相對濕度的變化在秋季最為敏感，在春季敏感性最低；最低氣溫敏感系數(shù)波動平緩，在冬季達(dá)到最大值，表明ET0對最低氣溫變化的敏感性在冬季最高。

圖2 石羊河流域平均季節(jié)敏感系數(shù)的變化趨勢

3 結(jié) 論

本文基于FAO推薦的Penman—Monteith 模型，結(jié)合ArcGIS 反距離權(quán)重插值方法，分析了近53 a來石羊河流域參考作物蒸散量的時空變化特征，同時根據(jù)敏感性分析，揭示了參考蒸散量對各氣象要素變化的敏感性。

(1)石羊河流域年ET0南北差異明顯，從南至北呈增大趨勢。上游的祁連山區(qū)海拔較高，年ET0約在 686～843 mm，中游的武威和永昌分別在845～1 070和910～1 087 mm，下游民勤地區(qū)的年ET0約在1 030～1 213 mm。各季節(jié)ET0亦呈南少北多的特征，同一區(qū)域，參考蒸散量在夏季最大，春季次之，秋冬最少。參考蒸散量的變化在空間均表現(xiàn)為波動中略有增加。

(2)流域內(nèi)ET0對相對濕度的變化最為敏感。即，相對濕度是控制ET0變化的主要因子。近53 a區(qū)域平均的相對濕度敏感系數(shù)為-0.50，即當(dāng)相對濕度增加(降低)10%時，參考蒸散量降低(增加)5%；其次是最高氣溫和風(fēng)速，敏感系數(shù)分別約為0.27,0.24；ET0對日照時數(shù)和最低氣溫的敏感性最低，敏感系數(shù)分別為0.10和0.08。

(3)季節(jié)上，敏感系數(shù)均存在一定程度的波動，日照時數(shù)敏感系數(shù)的變化波動最大，其次是最高氣溫、相對濕度和風(fēng)速的敏感系數(shù)，最低氣溫敏感系數(shù)的變化波動最為平緩。最高氣溫和日照時數(shù)的敏感系數(shù)呈單峰型分布，夏季達(dá)到最高值；風(fēng)速的敏感系數(shù)呈單谷型分布，在夏季達(dá)到最低值；最低氣溫敏感系數(shù)波動平緩，冬季達(dá)到最大值。

(4)空間上，流域內(nèi)受局部氣候和地形等因素的影響，各氣象變量敏感系數(shù)的空間差異性較大。最高氣溫和風(fēng)速的敏感系數(shù)都在流域下游的民勤盆地形成高值區(qū)，相對濕度(絕對值)和最低氣溫的敏感系數(shù)則在流域上游祁連山區(qū)形成高值區(qū)，相對濕度(絕對值)敏感系數(shù)在流域中游形成低值區(qū)，而最低氣溫敏感系數(shù)在中下游無明顯差異。

[參考文獻(xiàn)]

[1]秦大河.中國西部環(huán)境演變評估：綜合卷[M].北京：科學(xué)出版社,2002：73-78.

[2]Zhang Qiang, Song Lianchun, Huang Ronghui. The bulk transfer coefficients of the atmospheric momentum and sensible heat over desert and Gobi in arid climate region of Northwest China[J]. Sci. China:Series D, 2002,45(5):468-480.

[3]Zhang Qiang, Song Lianchun, Huang Ronghui.. Characteristics of hydrologic transfer between soil and atmosphere over Gobi near oasis at the end of summer[J]. Adv. Atmos. Sci., 2003,20(3):442-452.

[4]梁麗喬,閆敏華,鄧偉,等.松嫩平原西部參考作物蒸散量變化過程[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2006,25(3):22-31.

[5]Gong Lebing, Xu Chongyu, Chen Deliang. Sensitivity of the Penman—Monteith reference evapotranspiration to key climatic variables in the Changjiang basin[J]. Journal of Hydrology, 2006,329(3/4):620-629.

[6]梁麗喬,李麗娟,張麗,等.松嫩平原西部生長季參考作物蒸散發(fā)的敏感性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(5): 1-5.

[7]曾麗紅,宋開山,張柏,等.東北地區(qū)參考作物蒸散量對主要氣象要素的敏感性分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(1):11-18.

[8]劉小莽,鄭紅星,劉昌明,等.海河流域潛在蒸散發(fā)的氣候敏感性分析[J].資源科學(xué),2009,31(9):1470-1476．

[9]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration: Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M]. Rome: United Nations Food and Agriculture Organization, 1998．

[10]Yin Yunhe, Wu Shaohong, Zheng Du, et al. Radiation calibration of FAO 56 Penman—Monteith model to estimate reference crop evapotranspiration in China[J]. Agricultural Water Management, 2008,95(1):77-84.

[11]Penman H L. Natural evaporation from open water, bare soil and grass[J]. Proceedings of the Royal Society of London(Series A): Mathematical and Physical Sciences, 1948,193(1032):120-146．

[12]蔡毅,邢巖,胡丹.敏感性分析綜述[J].北京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2008,44(1):9-16.

[13]McCuen R H. A sensitivity and error analysis of procedures used for estimating evaporation. Water Resource Bulletin[J].1974,10(3):486-498．

[14]Beven K. A sensitivity analysis of the Penman—Monteith actual evapotranspiration estimates. Journal of Hydrology[J].1979,44(3/4):169-190．

[15]曹雯,申雙和,段春鋒.西北地區(qū)近49年生長季參考作物蒸散量的敏感性分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2011,32(3):375-381.

[16]Coleman G, DeCoursey D G. Sensitivity and model variance analysis applied to some evaporation and evapotranspiration models[J]. Water Resource Research, 1976,12(5):873-879.

[17]劉明春.石羊河流域氣候干濕狀況分析及評價[J].生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(8):880-884.

[18]Hupet F, Vanclooster M. Effect of the sampling frequency of meteorological variables on the estimation of the reference evapotranspiration [J]. Journal of Hydrology, 2001,24(3):192-204.