焦有權(quán)，王 茜，江 芳，趙禮曦

(1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院水利與建筑工程系，北京 102442；2.北京市郊區(qū)水務(wù)事務(wù)中心，北京 100073；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)

在全球氣候變暖的背景條件下，風(fēng)速、氣溫、太陽(yáng)輻射、降水等氣象要素都有不同程度地變化[1]，而這些要素的變化均與作物需水密切相關(guān)，評(píng)價(jià)作物需水狀況最重要的指標(biāo)是作物需水量，作物需水量與參考作物騰發(fā)量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“ET0”)相關(guān)，F(xiàn)AO-56將ET0定義為“假設(shè)作物高度為0.12 m，冠層阻力和反照率分別為70 s/m和0.23參考冠層的蒸散，相當(dāng)于生長(zhǎng)旺盛、長(zhǎng)勢(shì)一致、完全覆蓋地面且水分供應(yīng)充足的開(kāi)闊綠色草地的蒸散”，并且推薦了基于氣象要素的Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算。ET0代表了標(biāo)準(zhǔn)植被表面的騰發(fā)速率，表征了大氣蒸發(fā)能力的氣象參數(shù)。ET0現(xiàn)已是全球范圍內(nèi)普遍認(rèn)可的計(jì)算作物田間耗水量及評(píng)價(jià)區(qū)域資源用水效率的基礎(chǔ)參數(shù)[2,3]，同時(shí)也是制定水法、國(guó)際河流水資源分配、生態(tài)用水及水環(huán)境評(píng)估的依據(jù)[4]。ET0的研究歷來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度重視[5]，如何精準(zhǔn)地計(jì)算ET0已成為研究作物需水規(guī)律的熱點(diǎn)[6]。研究表明[7]：作物生產(chǎn)中氣象因子的限制作用由大到小依次為降水、光照和溫度?？梢?jiàn)，除ET0計(jì)算公式中主要?dú)庀笠蜃油?，太?yáng)輻射、降雨量也是評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)狀況及其需水的重要指標(biāo)。為此，以全國(guó)典型站點(diǎn)的ET0、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射、降雨量等要素為研究對(duì)象，基于GIS的普通克立格插值法，分別對(duì)各站ET0及其計(jì)算公式主要影響因子進(jìn)行氣候傾向率及其趨勢(shì)顯著性分析，對(duì)ET0、太陽(yáng)輻射、降雨量等要素，采用分形、重標(biāo)極差分析法、線(xiàn)性回歸法進(jìn)行計(jì)算，旨在研究其演變趨勢(shì)，以期能夠?qū)ξ覈?guó)農(nóng)田灌溉用水管理及灌溉制度的制定提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

以中國(guó)疆域?yàn)閷?duì)象，覆蓋大陸(包括海南省、臺(tái)灣省)，經(jīng)度75°～135°，經(jīng)差60°，緯度20°～55°，緯差35°，北起黑龍江省漠河航道中心(53°33′N(xiāo))，南至南沙群島的曾母暗沙(3°52′N(xiāo))，西臨新疆帕米爾高原烏茲別里山口——中國(guó)、吉爾吉斯坦、塔吉克斯坦3國(guó)交界處(73°40′E)，東靠黑龍江省烏蘇里江黑瞎子島(13°52′E)。研究區(qū)域大格網(wǎng)示意見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域大格網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of large grid in study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算基礎(chǔ)

(1)數(shù)據(jù)來(lái)源及處理。源于國(guó)家氣象信息中心699個(gè)基準(zhǔn)、基本和一般地面氣象觀(guān)測(cè)站，獲取氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)量、日照、地溫、太陽(yáng)輻射、降雨等氣象及其經(jīng)緯度、海拔高程等資料，剔除各站壞數(shù)據(jù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)系列，最終確定全國(guó)631個(gè)基準(zhǔn)、基本和一般地面氣象觀(guān)測(cè)站1963-2010年共37 a，月值數(shù)據(jù)，由此獲得年值。

(2)計(jì)算基礎(chǔ)。在原始資料獲取和處理的基礎(chǔ)上，用柵格尺度，由GIS操作界面選擇了常用的空間插值方法：普通克里格法(OK)、反距離權(quán)重法(IDW)及樣條插值法(Spline)。通過(guò)移去一個(gè)已知樣本點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，用其他站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)生成該點(diǎn)，以此檢驗(yàn)結(jié)果選擇計(jì)算方法。檢驗(yàn)結(jié)果顯示：普通克里格法(OK)的均方根誤差最小，標(biāo)準(zhǔn)平均值接近0，其次是反距離權(quán)重法(IDW)、樣條插值法(Spline)，精度排序?yàn)椋浩胀死锔穹?OK)>反距離權(quán)重法(IDW)>樣條插值法(Spline)。最終選取GIS地統(tǒng)模塊下的普通克里格法(OK)，對(duì)各站長(zhǎng)系列氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、ET0、太陽(yáng)輻射、降雨量進(jìn)行計(jì)算。

1.3 計(jì)算公式及分析方法

(1)ET0計(jì)算公式。采用FAO-56推薦的Penman-Monteith計(jì)算公式，計(jì)算時(shí)間尺度為月公式：

(1)

式中：ET0為參考作物騰發(fā)量，mm/d；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；u2為2 m高處平均風(fēng)速，m/s；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(xiàn)的斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T為溫度，℃。

(2)分析方法。以全國(guó)631個(gè)氣象臺(tái)站(1963-2010年)ET0、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射、降水量等基本數(shù)據(jù)，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的普通克立格插值法，對(duì)各站ET0及其計(jì)算公式主要影響因子進(jìn)行氣候傾向率及其對(duì)應(yīng)要素F檢驗(yàn)；對(duì)各站ET0、太陽(yáng)輻射、降雨量等要素，分別采用分形、重標(biāo)極差分析法及線(xiàn)性回歸法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 ET0及其計(jì)算公式中主要影響因子年際變化規(guī)律分析

(1)ET0計(jì)算公式中主要影響因子年際變化規(guī)律分析。氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射均為ET0計(jì)算公式中的主要影響因子，分別對(duì)平均氣溫、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射的氣候傾向率及其對(duì)應(yīng)要素進(jìn)行F檢驗(yàn)計(jì)算(趨勢(shì)顯著性水平)(見(jiàn)圖2)。

圖2 ET0計(jì)算公式中主要影響因子氣候傾向率及其趨勢(shì)顯著性分布Fig.2 Climatic tendency rate and its significance distribution in the main influence factors in the ET0 calculation formula

除安徽西南部、廣西西北部外，平均氣溫均有升高趨勢(shì)，且絕大部分地區(qū)都通過(guò)顯著性水平(α=0.01)的檢驗(yàn)，呈特顯著升高。東北黑龍江、吉林、內(nèi)蒙，華北的河北、山西，西北的甘肅、青海、新疆以及西藏的西南等地區(qū)的氣溫以0.34～0.66 ℃/(10 a)上升，可以看出北方升溫較快，南方升溫較慢。

除云南、貴州、湖北、四川、甘肅等部分地區(qū)外，平均風(fēng)速在全國(guó)范圍內(nèi)均呈下降趨勢(shì)，且下降的絕大部分地區(qū)都通過(guò)了顯著性水平(α=0.01)的檢驗(yàn)，呈特顯著升高。

相對(duì)濕度變化區(qū)域差異性比較大，增加的地區(qū)主要位于西部，只是范圍略小一些，且新疆小部分地區(qū)通過(guò)顯著性水平(α=0.01)的檢驗(yàn)，呈特顯著升高。

除內(nèi)蒙西部、甘肅西部、新疆北部以及新疆與西藏西部等地區(qū)，太陽(yáng)輻射有升高外，其余廣大地區(qū)呈下降趨勢(shì)，華北、長(zhǎng)江中下游地區(qū)降幅最大，下降速率為167.65～93.56 MJ/(m2·10 a)，且絕大部分地區(qū)都通過(guò)顯著性水平(α=0.01)的檢驗(yàn)，呈特顯著升高。

(2)ET0年際變化規(guī)律分析。對(duì)ET0氣候傾向率及其對(duì)應(yīng)要素變化F檢驗(yàn)顯著性分布趨勢(shì)(趨勢(shì)顯著性水平)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3)。

圖3 ET0氣候傾向率及其趨勢(shì)顯著水平空間分布Fig.3 Spatial distribution of ET0 climate trend rate and its significant trend level

全國(guó)大范圍內(nèi)，ET0呈普遍下降趨勢(shì)，但大部分地區(qū)都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。ET0變化趨勢(shì)增加的地區(qū)主要集中在西藏東部，四川、青海以及甘肅交界處，寧夏、陜西、山西、東北等地區(qū)以0.01～28.61 mm/(10 a)速率升高，增加趨勢(shì)不顯著。

2.2 ET0與其主要影響要素的分形特征分析

(1)ET0與其主要影響要素的分形特征。分形維數(shù)可以表征氣象等要素在不同時(shí)間尺度上的變化情況。分形維數(shù)越大，研究要素變化趨勢(shì)越不顯著，反之亦然。對(duì)于同一要素，不同的分形維數(shù)表明在不同的時(shí)間尺度上分形特征與復(fù)雜性，分形維數(shù)越大，要素在該尺度上越復(fù)雜。研究應(yīng)用普通克立格插值法，對(duì)全國(guó)631個(gè)氣象臺(tái)站(1963-2010年)ET0、太陽(yáng)輻射、降水分形維數(shù)的空間分布進(jìn)行繪制(見(jiàn)圖4)。

圖4 全國(guó)ET0、太陽(yáng)輻射、降水量分形維數(shù)分布Fig.4 Fractal dimension distribution of ET0, solar radiation and precipitation in China

可見(jiàn)，全國(guó)區(qū)域內(nèi)ET0的分形維數(shù)為1.07～1.32，分形維數(shù)高值區(qū)域分布在新疆東北地區(qū)、內(nèi)蒙古東部地區(qū)、河南中部、云南與四川相鄰等區(qū)域，分形維數(shù)均高于1.20；分形維數(shù)值較低的區(qū)域主要分部在青藏高原、東北地區(qū)及江蘇省，為1.07～1.13。

太陽(yáng)輻射的分形維數(shù)為1.19～1.50，新疆中部、廣西中西部、安徽西南部、江蘇與浙江的交匯處、內(nèi)蒙古的東部部分地區(qū)分形維數(shù)偏高；青海、西藏的中部和東部、新疆與甘肅交匯處、內(nèi)蒙古西部河套平原、黑龍江西部、吉林中部等地區(qū)分形維數(shù)偏低。

降雨量的分形維數(shù)為1.08～1.62，總體將全國(guó)分為2個(gè)區(qū)域，西南、西北部地區(qū)分形維數(shù)偏低，主要集中在新疆的中部與北部、甘肅省、青海省等地區(qū)；我國(guó)東部地區(qū)、中部地區(qū)及東南部地區(qū)的分形維數(shù)相對(duì)偏高，主要集中在貴州省、浙江省西部、山西省東部、內(nèi)蒙古中(東)部及黑龍江省中西部等地區(qū)。

(2)ET0與其主要影響要素的持續(xù)性。重標(biāo)極差分析法(R/S)的Hurst指數(shù)為[0,1]，可通過(guò)H值的大小判斷時(shí)間序列變化趨勢(shì)為持續(xù)性(persistence)，還是反持續(xù)性(anti-persistence)。H值的不同，其含意也不同：當(dāng)0

由圖5可知，全國(guó)范圍內(nèi)ET0的Hurst指數(shù)為0.68～0.93，均大于0.5，小于1.0。Hurst現(xiàn)象明顯，逐年變化存在著持續(xù)性，意味著在未來(lái)時(shí)間內(nèi)仍保持與過(guò)去相一致的變化趨勢(shì)。西北青藏高原、黑龍江及吉林與遼寧的東部、內(nèi)蒙古東部、貴州東北部、湖南西南部、江蘇省等區(qū)域Hurst指數(shù)偏高，在0.86以上，ET0的持續(xù)性最強(qiáng)。

圖5 全國(guó)ET0、太陽(yáng)輻射、降水量Hurst指數(shù)分布圖Fig.5 National ET0, solar radiation, rainfall of Hurst index distribution

太陽(yáng)輻射Hurst指數(shù)為0.54～0.81，大于0.5。全國(guó)范圍內(nèi)年太陽(yáng)輻射的變化存在著持續(xù)性，未來(lái)的變化趨勢(shì)與過(guò)去保持一致。青海省、西藏中部、甘肅省中部與西部、內(nèi)蒙古的河套平原與東部、新疆的東部和中部、黑龍江西南部及寧夏、陜西、山西、河北、吉林、遼寧等局部地區(qū)的Hurst指數(shù)偏高，均在0.74以上，太陽(yáng)輻射值持續(xù)性高于其他區(qū)域。

降水量的Hurst指數(shù)為0.38～0.92。黑龍江西部、內(nèi)蒙古中部在0.5以下，降水逐年變化存在著反持續(xù)性，在未來(lái)的時(shí)間內(nèi)變化趨勢(shì)與過(guò)去相反。西北的新疆東、甘肅西北、青海Hurst指數(shù)在0.79以上，持續(xù)性最強(qiáng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)東北黑龍江、吉林、內(nèi)蒙，華北的河北、山西，西北的甘肅、青海、新疆以及西藏西南等地區(qū)的氣溫以0.34～0.66 ℃/(10 a)上升，北方氣溫升高較快于南方；除內(nèi)蒙西部、甘肅西部、新疆北部以及新疆與西藏西部等地區(qū)太陽(yáng)輻射有升高外，其余廣大地區(qū)呈下降趨勢(shì)，華北、長(zhǎng)江中下游地區(qū)降幅最大，下降速率為167.65 ～93.56 MJ/(m2·10 a)。

(2)ET0呈普遍下降趨勢(shì)，寧夏、陜西、山西、內(nèi)蒙古東部、黑龍江、吉林西部、遼寧中部等地區(qū)以0.01～28.61 mm/(10 a)速率升高，但增加趨勢(shì)不顯著。

(3)ET0、太陽(yáng)輻射、降雨量的分形維數(shù)分別為1.07～1.32、1.19～1.50、1.08～1.62，全國(guó)范圍來(lái)看：ET0的變化復(fù)雜性最小。我國(guó)西部，太陽(yáng)輻射分形維數(shù)大于降水量，太陽(yáng)輻射的變化復(fù)雜性大于降水量；我國(guó)東部，太陽(yáng)輻射分形維數(shù)小于降水量，太陽(yáng)輻射的變化復(fù)雜性小于降水量。

(4)ET0與太陽(yáng)輻射相比：ET0與太陽(yáng)輻射的Hurst指數(shù)均大于0.5，小于1.0，逐年持續(xù)性變化趨勢(shì)一致，在未來(lái)時(shí)間內(nèi)均保持與過(guò)去相一致的變化趨勢(shì)；ET0的Hurst指數(shù)總體高于太陽(yáng)輻射，ET0持續(xù)性強(qiáng)于太陽(yáng)輻射；ET0與太陽(yáng)輻射的Hurst指數(shù)空間趨勢(shì)比較接近，高值區(qū)主要集中分布在青藏高原延伸至西藏中部、青海及東北地區(qū)。

(5)ET0與年降雨量相比差異明顯，降雨量的Hurst指數(shù)總體較小于ET0；ET0的Hurst指數(shù)最小為0.68，均大于0.5，ET0持續(xù)性最強(qiáng)，黑龍江西部、內(nèi)蒙古中部降雨量的Hurst指數(shù)均在0.5以下，降水量在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)變化趨勢(shì)與過(guò)去相反；我國(guó)西部地區(qū)、東北地區(qū)及東南沿海各省份ET0與降雨量2者反差非常明顯。

(6)分形維數(shù)的確定，可以反映氣象要素及ET0在不同時(shí)間尺度上的復(fù)雜性，在全國(guó)范圍內(nèi)，ET0的變化復(fù)雜性最小；我國(guó)西部，太陽(yáng)輻射分形維數(shù)大于降水，年尺度變化復(fù)雜性大于降水；對(duì)于中國(guó)東部，太陽(yáng)輻射分形維數(shù)小于降水，年尺度變化復(fù)雜性小于降水。