趙　崢, 潘競(jìng)虎,王迎晨

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅蘭州　730030;2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州　730070)

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近30年石羊河流域潛在蒸散量變化特征及時(shí)空格局變化研究

趙崢1, 潘競(jìng)虎2,王迎晨1

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅蘭州730030;2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州730070)

根據(jù)石羊河流域10個(gè)氣象站點(diǎn)1980—2010年近30年的逐日氣象資料，應(yīng)用彭曼-孟蒂斯公式計(jì)算潛在蒸散量，并在此基礎(chǔ)上使用ArcGIS 克里格插值分析生成石羊河流域潛在蒸散量的空間分布圖.結(jié)果表明，石羊河流域近30年平均潛在蒸散量空間分布格局受氣候、地形等各種因素的影響，自西南至東北方向逐漸遞增，具有明顯的差異.從時(shí)序變化上來看，1980—2010年，石羊河流域潛在蒸散量總體上趨勢(shì)較為平穩(wěn),四季變化為夏季>春季>秋季>冬季.

石羊河流域；潛在蒸散量；彭曼-孟蒂斯公式；克里格；時(shí)空格局

潛在蒸散量，又可稱作參考作物蒸散量，是實(shí)際蒸散量理論值的上限，也是計(jì)算實(shí)際蒸散量的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于水資源利用、評(píng)價(jià)，農(nóng)業(yè)作物需水量研究以及生產(chǎn)管理中.潛在蒸散量的計(jì)算方法主要為推薦的彭曼-孟蒂斯公式(Penman-Monteith equation)[1].該公式擁有比較完整充分的理論依據(jù)，是目前計(jì)算潛在蒸散量(E0)較為可靠的方法之一[2].石羊河流域水資源利用問題是目前西北地區(qū)水資源利用研究的熱點(diǎn)[3-7]，文中以石羊河流域?yàn)榫唧w研究對(duì)象，利用彭曼-孟蒂斯公式計(jì)算潛在蒸散量，生成近似均勻區(qū)域的E0分布圖.并在此基礎(chǔ)上，分析E0的時(shí)空分布規(guī)律，旨在探討在各種相關(guān)因子變化的背景下石羊河流域潛在蒸散量時(shí)間、空間的變化特征，為石羊河流域水資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù).

1　研究區(qū)概況

石羊河流域位于東經(jīng)101°40′～104°20′、北緯36°30′～39°30′，地處祁連山北麓，甘肅省河西走廊東部，東側(cè)緊鄰黃土高原，西側(cè)為烏稍嶺，總面積約4.16萬km2，西南高東北低，是河西走廊地區(qū)三大內(nèi)陸河之一(圖1).石羊河流域大致劃分為3個(gè)氣候區(qū)：① 南部祁連山高寒半干旱半濕潤(rùn)區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔在2 000～5 000 m之間，年降水量約300～600 mm，年蒸發(fā)量700～1 200 mm，區(qū)域干旱指數(shù)為1～4；② 中部走廊平原溫涼干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔在1 500～2 000 m，年降水量150～300 mm，年蒸發(fā)量1 300～2 000 mm，區(qū)域干旱指數(shù)4～15；③ 北部溫暖干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔在1 300～1 500 m之間，年降水量<150 mm，部分地區(qū)降水量<50 mm，蒸發(fā)量較大，2 000～2 600 mm，干旱指數(shù)15～25.

圖1　石羊河流域地理位置

2　研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1研究方法

2.1.1潛在蒸散量(E0)的計(jì)算潛在蒸散量是指某種特定矮桿綠色作物(高約0.12 m，地面反射率為0.23)將假設(shè)平坦的地面全部遮蔽，同時(shí)保持土壤的充分濕潤(rùn)下的蒸散量，也可稱為可能蒸散量或參考蒸散量.國(guó)際上潛在蒸散量(E0)的計(jì)算方法有多種，我國(guó)常用的潛在蒸散量的計(jì)算方法為彭曼(Penman)模型和謝良尼諾夫(Selianinov)模型.文中應(yīng)用彭曼模型來計(jì)算石羊河流域E0.彭曼模型所運(yùn)用的方法是以水汽擴(kuò)散論以及能量平衡作為基礎(chǔ)，在計(jì)算中考慮作物生理特征的同時(shí)，又兼顧空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，具有較為完整及充分的理論依據(jù)，同時(shí)具有較高的計(jì)算精度[8].

彭曼-孟蒂斯公式為[2]37

(1)

(2)

其中，E0為潛在蒸散量(mm·d-1)；Rn為參考作物的表面凈輻射(MJ·m-2·d-1);G為土壤熱通量密度(MJ·m-2·d-1);Ti+1,Ti-1為(i+1),(i-1)月的氣溫(℃);U2為2 m高處的風(fēng)速(m·s-1);es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa·℃-1);γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1).

輻射平衡計(jì)算中太陽(yáng)總輻射Rs的計(jì)算為[2]67

(3)

其中，Ra為天文輻射；n/N為日照百分率；as,bs為線性參數(shù)，文中未采用FAO推薦的as=0.25,bs=0.5，根據(jù)祝昌漢等的研究[9]，對(duì)西北干旱區(qū)as=0.23，bs=0.53，該取值更加符合研究區(qū)域的實(shí)際情況.

2.1.2空間分析插值方法克里格(Kriging)插值的基礎(chǔ)為結(jié)構(gòu)分析和變異函數(shù)理論，是指在某一特定區(qū)域內(nèi)，對(duì)變量進(jìn)行的一種無偏最優(yōu)的估計(jì)方法，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究中的主要內(nèi)容.它是根據(jù)測(cè)試樣點(diǎn)在有限鄰域內(nèi)的已測(cè)定的其他樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，并加以考慮各個(gè)樣點(diǎn)的大小以及空間位置關(guān)系，以及變異函數(shù)所提供的結(jié)構(gòu)信息之后，對(duì)該測(cè)試樣點(diǎn)進(jìn)行線性的無偏最優(yōu)的估計(jì)[10].克里格方法對(duì)于待測(cè)試樣點(diǎn)的估值較其他方法相比，是較為優(yōu)越的，由于其估值精度較高，避免了系統(tǒng)誤差的出現(xiàn).通過運(yùn)用該方法的制圖，成為從圖像上對(duì)區(qū)域內(nèi)描述土地物理性質(zhì)及氣象要素等空間分布特征的一個(gè)有效工具被廣泛使用[11-12].其計(jì)算公式為[12]65

(4)

其中，Z為待測(cè)試樣點(diǎn)的值；Zi為待測(cè)試樣點(diǎn)周圍的已知樣點(diǎn)的值；N為已知的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；wi為第i個(gè)樣點(diǎn)權(quán)重值,通過半方差圖分析來確定，根據(jù)無偏和最優(yōu)要求，利用拉格朗日極小化原理，推導(dǎo)權(quán)重值和半方差之間的公式.

2.2資料來源與處理

文中利用資料序列較長(zhǎng)的1980—2010年石羊河流域10個(gè)氣象站點(diǎn)(表1)的經(jīng)緯度及各類氣象要素，如氣溫、2m高處風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等.在數(shù)據(jù)的處理上，首先按照各氣象站點(diǎn)對(duì)逐日數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各月、各季節(jié)和各年份的數(shù)據(jù)，其中季節(jié)的劃分為：春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11、冬季12月至翌年2月.然后對(duì)上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)作處理，分別得到逐月、各季節(jié)和各年份的平均值，并進(jìn)行進(jìn)一步的分析.文中采用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本處理工作，運(yùn)用SPSS18.0軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并采用ArcGis9.3軟件進(jìn)行空間插值分析.

表1　石羊河流域氣象臺(tái)站方位

3　結(jié)果與討論

3.1石羊河流域蒸散量的空間變化格局

石羊河流域北部區(qū)域?yàn)楦珊禋夂?，中部區(qū)域?qū)侔敫珊禋夂颍喜繀^(qū)域?qū)侔霛駶?rùn)半干旱氣候.石羊河流域多年平均潛在蒸散量為1 085.29 mm.整個(gè)區(qū)域內(nèi)潛在蒸散量的分布受氣候、地形等地理環(huán)境的影響，存在較為明顯的地區(qū)性差異.從空間格局上看，區(qū)域內(nèi)海拔高度越高，潛在蒸散量越低(圖2).潛在蒸散量空間分布的總趨勢(shì)是北部高南部低，東部高西部低，自東北側(cè)向西南側(cè)逐級(jí)遞減.全流域多年平均潛在蒸散量在759～1 351 mm.流域南部地區(qū)小于1 000 mm，尤其在肅南裕固族自治縣北部北灘、東灘等地及天祝藏族自治縣北部毛藏、哈溪、安遠(yuǎn)鎮(zhèn)，古浪縣西南部黃羊川、十八里鋪等局部地區(qū)在900 mm以下；潛在蒸散量較高的地區(qū)大部分集中于民勤縣境內(nèi)，一般在1 200 mm以上，其中民勤縣北部的花兒園等地部分地區(qū)最高潛在蒸散量達(dá)到1 350 mm以上.潛在蒸散量分布不均，最高與最低之比大于1.778，空間分布如圖3所示.

圖2　石羊河流域潛在蒸散量與海拔關(guān)系

圖3　石羊河流域各站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量

3.2石羊河流域潛在蒸散量的時(shí)序變化

3.2.1年際變化石羊河流域潛在蒸散量的年際變化基本處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)(圖4).1980—1990年前后各站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量在915.9～1 092.2 mm，平均為1 025.9 mm； 1991—2000年各站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量在897.3～994.9 mm，平均為950.3 mm；2000—2010年各氣象站點(diǎn)平均潛在蒸散量在937.1～1 018.2 mm，平均為979.5 mm.

圖4　石羊河流域潛在蒸散量年際變化

從石羊河流域各氣象站點(diǎn)1980—2010年多年平均潛在蒸散量的變化情況來看，不同區(qū)域之間也存在著差異.石羊河流域各氣象站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量的變化也較為懸殊(圖5)，年潛在蒸散量的變異系數(shù)為3.86%～7.09%.

圖5　石羊河流域各站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量及變異系數(shù)

3.2.2季節(jié)變化石羊河流域從1—12月各月的潛在蒸散量基本呈正態(tài)分布趨勢(shì)，按季節(jié)劃分，為夏季>春季>秋季>冬季.由于石羊河流域的潛在蒸散量主要受氣象、地形等因素造成蒸散量的不均勻分布，表現(xiàn)出夏季蒸散量較高，冬季蒸散量相對(duì)較小的特征.在一年之中，石羊河流域潛在蒸散量高度集中在 3—9月，即春夏季， 10月至翌年2月的秋冬季潛在蒸散量較低.潛在蒸散量逐月及按季節(jié)分布情況(圖6).

圖6　石羊河流域多年平均潛在蒸散量逐月變化分布

春季(3—5月)石羊河流域內(nèi)風(fēng)大、升溫快，隨著氣溫的回升，氣候干燥，潛在蒸散大，變化范圍在248～399 mm.從多年平均來看，春季潛在蒸散量約占全年的22.86%～36.77%.石羊河流域遠(yuǎn)離海洋，位于中國(guó)西部地區(qū)，夏季(6—8月)較為炎熱，潛在蒸散量隨著氣溫的逐漸升高而增大，總體趨勢(shì)為北部區(qū)域高于南部區(qū)域.多年平均潛在蒸散量為303.9～589.9 mm，約占全年潛在蒸散量的28.0%～54.4%.秋季(9—11月)由于氣溫下降，日照時(shí)間逐漸減少，潛在蒸散量的趨勢(shì)為東北部區(qū)域高于西南部區(qū)域，多年平均潛在蒸散量在142.8～251.8 mm，約占全年潛在蒸散量的13.2%～23.2%.冬季(12月至翌年2月)晴冷少雪，因此降水量較少[13]，而且該地區(qū)氣候較為干燥，相對(duì)濕度較低，從而導(dǎo)致潛在蒸散低下，多年平均潛在蒸散量為73.2～102.7 mm，冬季潛在蒸散量約占全年潛在蒸散量的6.7%～9.5%.

石羊河流域氣候干旱指數(shù)較高，流域處于干旱程度較重狀態(tài).流域內(nèi)潛在蒸散量的變化及未來趨勢(shì)存在這一定的復(fù)雜性，不同天氣影響或局部地理差異等均會(huì)造成潛在蒸散量的不同，此外，土地利用條件的改變也會(huì)通過影響大氣溫度、濕度、城市熱島環(huán)流效應(yīng)等因素導(dǎo)致潛在蒸散量發(fā)生變化.

4　結(jié)論

1)石羊河流域多年平均潛在蒸散量在759～1 351 mm之間.年潛在蒸散量空間分布的總趨勢(shì)是：東部、北部高，西部、南部低，潛在蒸散量由西南向東北部逐級(jí)遞增，具有明顯的地域差異.

2)流域南部地區(qū)小于1 000 mm；潛在蒸散量較高的地區(qū)大部分集中于民勤縣境內(nèi)，一般在1 200 mm以上，部分地區(qū)潛在蒸散量最高可達(dá)到1 350 mm以上.潛在蒸散量分布不均，最高最低比大于1.778.

3)石羊河流域潛在蒸散量的年際變化基本處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì).1980—1990年前后各站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量為1 025.9 mm；1991—2000年各站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量為950.3 mm；2000—2010年各氣象站點(diǎn)平均潛在蒸散量為979.5 mm.從石羊河流域主要?dú)庀笳军c(diǎn)各年代潛在蒸散量的時(shí)序變化情況來看，差異較大，年際變化的變異系數(shù)為3.86%～7.09%.

4)潛在蒸散量的月際變化為：以7月份最多，向兩側(cè)遞減，1月及12月最低.偏高主要是因?yàn)閷?duì)應(yīng)時(shí)段日照時(shí)間較長(zhǎng)、溫度較高，延長(zhǎng)了白天的蒸散時(shí)間并提高蒸散的效率，從而導(dǎo)致潛在蒸散量偏高.

5)潛在蒸散量的季節(jié)變化為春夏季(3—9月)比重大，秋冬季(10月—翌年2月)比重較小.

`[1]顧世祥,王士武,袁宏源.參考作物騰發(fā)量預(yù)測(cè)的徑向基函數(shù)法[J].水科學(xué)進(jìn)展,1999,10(2):123.

[2]ALLEN R G,PEREIRAL L S,RAES D,et al.Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements[C]//FAOIrrigationandDrainagePaper56,Rome:FAO,1998,11.

[3]孫佳.47年來石羊河流域氣候變化趨勢(shì)及突變分析[D].蘭州大學(xué),2008.

[4]佟玲.西北干旱內(nèi)陸區(qū)石羊河流域農(nóng)業(yè)耗水對(duì)變化環(huán)境響應(yīng)的研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2007.

[5]何生湖.石羊河流域水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技,2009(5):11.

[6]凡秋霞.石羊河流域水資源保護(hù)的制度經(jīng)驗(yàn)及其局限[D].蘭州：西北師范大學(xué),2011.

[7]吳文婕.石羊河流域綠洲水土資源利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[D].蘭州：西北師范大學(xué),2012.

[8]史建國(guó),嚴(yán)昌榮,何文清.黃河流域潛在蒸散量時(shí)空格局變化分析[J].干旱區(qū)研究,2007,11(6):773.

[9]祝昌漢.再論總輻射的氣候?qū)W計(jì)算方法(二)[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),1982(2):196.

[10]王政權(quán).地統(tǒng)計(jì)學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，1999.

[11]李海濱,林忠輝,劉蘇峽.Kriging方法在區(qū)域土壤水分估值中的應(yīng)用[J].地理研究,2001,20(4):446.

[12]邵曉梅,嚴(yán)昌榮,魏紅兵.基于Kriging插值的黃河流域降水時(shí)空分布格局[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2006,27(2):65.

[13]劉春明.石羊河流域氣候干濕狀況分析及評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(8):880.

(責(zé)任編輯惠松騏)

Study on spatiotemporal change of potential evapotranspiratio in Shiyang River Basin for 30 years

ZHAO Zheng1，PAN Jing-hu2，WANG Ying-chen1

(1.Northwest Research Institute Limited Company of CREC,Lanzhou 730000,Gansu,China; 2.College of Geography and Environmental Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China)

Based on the meteorological data from 10 meteorological stations in Shiyang River Basin 1980—2010,using Penman-Monteith equation to calculate potential evapotranspiration,Shiyang River potential evapotranspiration distribution map is given by using Kriging spatial interpolation method in ArcGIS.The results show that the average spatial distribution pattern of potential evapotranspiration are influenced by climate,topography and other factors in Shiyang River Basin in recent 30 years,potential evapotranspiration are gradually increasing from the southwest to the northeast,it has obvious difference.On timing variation of annual potential evapotranspiration in Shiyang River Basin from 1980—2010,the overall trend is relatively stable,the seasonal changes are spring >summer>autumn>winter.

Shiyang River Basin;potential evapotranspiration;Penman-Monteith equation;Kriging;spatial-temporal pattern

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.05.026

2015-06-25;修改稿收到日期:2016-02-04

甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1208RJZA159)

趙崢(1985—)，男，甘肅蘭州人，工程師，碩士.主要研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià).

E-mail:andriy2003@126.com

P 332.2

A

1001-988Ⅹ(2016)05-0125-05