胡曉萌，張 鑫，雒舒琪，張曉鵬，閆 彩，孫 媛

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.河北天和咨詢有限公司，石家莊 050000）

1 研究背景

地表蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）是指植物蒸騰和土壤蒸發(fā)的總和[1,2]，作為生態(tài)環(huán)境和水資源評估的重要環(huán)節(jié)，蒸散發(fā)是用來評估區(qū)域氣候變化、地表能量和水分平衡的主要指標(biāo)。由于地表水向大氣層的輸送有近乎3/4 的降水將以蒸散發(fā)形式進(jìn)行[3]，而且通過對地表水的蒸發(fā)降低了當(dāng)?shù)貧鉁?，所以蒸散發(fā)在全球水文循環(huán)的過程中發(fā)揮著連接水熱循環(huán)的巨大作用[4,5]。國內(nèi)外針對潛在蒸散發(fā)研究在蒸散發(fā)模型估算、蒸散發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用、時空特征與影響因子方面，段浩[6]等探討了冠層截留對PML 蒸散發(fā)模型的影響，提高了模型對潛在蒸散發(fā)的模擬精度；黃瑾[7]等利用衛(wèi)星觀測的逐月蒸散發(fā)數(shù)據(jù)探討了云貴地區(qū)的蒸散發(fā)時空變化規(guī)律。通過現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，對地區(qū)蒸散發(fā)進(jìn)行準(zhǔn)確的時空特征分析及其影響因子分析，有助于對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)水源保護(hù)和水資源的優(yōu)化利用及其合理配置提供理論指導(dǎo)[8,9]。

甘肅省位處全國生態(tài)脆弱和氣候敏感的多復(fù)雜地形區(qū)域[10,11]，跨越多個不同氣候帶，目前對甘肅省潛在蒸散發(fā)的研究還僅僅是在一些有典型特點的氣候區(qū)及氣候站點[12,13]，無法概括整個甘肅省不同氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)特征的整體情況。故本研究通過將甘肅省進(jìn)行氣候區(qū)的劃分（8 個氣候區(qū)：A：河西西部暖溫帶干旱區(qū)；B：河西冷溫帶干旱區(qū)；C：祁連山高寒半干旱區(qū)；D：隴中北部冷溫帶半干旱區(qū)；E：隴中南部溫帶半濕潤區(qū)；F：甘南高寒濕潤區(qū)；G：隴南北部暖溫帶濕潤區(qū)；H：隴南南部河谷亞熱帶濕潤區(qū)），通過劃分區(qū)域，對每個氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)時空特征分析和影響因子的研究，以期得到各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)特點及甘肅省全省的蒸散發(fā)特征，為甘肅省的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)環(huán)境涵養(yǎng)、區(qū)域水資源與社會經(jīng)濟(jì)的匹配發(fā)展等提供合理科學(xué)依據(jù)[14,15]。

2 數(shù)據(jù)資料及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

選取甘肅省內(nèi)24 個、省外7 個氣象站點(見圖1)的1961-2020年逐日氣象數(shù)據(jù)（相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等），本研究氣象站數(shù)據(jù)從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/）處下載，將逐日數(shù)據(jù)匯成月尺度、季尺度和年尺度數(shù)據(jù)，季節(jié)劃分為：冬季（上年12-2月）、春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月），以此數(shù)據(jù)處理完成后進(jìn)行潛在蒸散發(fā)的時空特征和影響因子相關(guān)分析。

圖1 甘肅省區(qū)域不同氣候分區(qū)概況及氣象站點分布圖Fig.1 Regional overview and distribution map of meteorological stations in Gansu Province

2.2 研究方法

2.2.1 潛在蒸散發(fā)計算公式

本研究通過使用潛在蒸散發(fā)Penman-Monteith[16]計算公式來對甘肅省的8個不同氣候區(qū)進(jìn)行潛在蒸散法的估算：

式中：△為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/oC；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為地表熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均溫度，oC；γ為干濕計常數(shù)，kPa/oC；u2為2 m 處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓/kPa；ea為實際水汽壓，kPa。

2.2.2 克里金空間插值法

克里金空間插值法是利用已知的空間樣本信息的基本原理，用已知點擬合出一合適函數(shù)式推求未知點的數(shù)值，通過此函數(shù)式，構(gòu)建空間泰森多邊形以實現(xiàn)空間相關(guān)關(guān)系的建立，就實現(xiàn)了離散站點數(shù)據(jù)向整個研究區(qū)面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，這種插值方法在各領(lǐng)域多有應(yīng)用[17]，計算公式為：

2.2.3 趨勢分析法

通過基于像元的一元線性回歸方法[18]，得到1961-2020年時間段的像元數(shù)據(jù)的潛在蒸散發(fā)變化趨勢，以此來反映變化整體的變化特征，計算公式：

式中：a為線性傾向率；n為研究時間段（n=60）；ETi為各像元在第i年的潛在散發(fā)，mm。a＞0 說明該區(qū)潛在蒸散發(fā)呈正向增長趨勢；a=0 說明蒸散發(fā)趨勢為0，蒸散發(fā)無年際變化；a＜0 說明該區(qū)潛在蒸散發(fā)呈負(fù)向減少趨勢，其值大小則表征趨勢的強(qiáng)弱程度。

2.2.4 偏相關(guān)分析

通過利用Spss 軟件進(jìn)行潛在蒸散發(fā)與各氣象因子的偏相關(guān)分析。該方法的原理是控制其他氣象因子不變，求潛在蒸散發(fā)與某一氣象因子的相關(guān)關(guān)系，計算公式為：

式中：x為潛在蒸散量；y、z為氣象因子；Rxy,z為控制其他氣象因子的情況下，潛在蒸散發(fā)與該氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)，偏相關(guān)系數(shù)的值介于-1～1 之間，當(dāng)Rxy,z≥0 時，說明該氣象因子與潛在蒸散發(fā)呈正相關(guān)關(guān)系，反之則為負(fù)相關(guān)關(guān)系，Rxy,z絕對值的大小表征相關(guān)程度的大小，當(dāng)P＜0.05 時，則認(rèn)為潛在蒸散發(fā)與該氣象因子相關(guān)關(guān)系顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 甘肅省不同氣候類型區(qū)氣象因素變化

選取對甘肅省不同氣候類型區(qū)1961-2020年潛在蒸散發(fā)可能具有較大影響的7種氣候因素（相對濕度、平均風(fēng)速、日照時長、降雨量、平均溫度、最高溫度、最低溫度）進(jìn)行一元線性回歸分析，分別得出不同氣候區(qū)的氣象因子變化趨勢圖（見圖2）。

圖2 甘肅省各氣候區(qū)氣象因子60 a年際變化Fig.2 Interannual variation of meteorological factors in different climate regions of Gansu Province in 60 Years

通過一元系數(shù)來表征氣象因子變化速率（見表1）。1961-2020年各氣候區(qū)平均溫度、最高溫度、最低溫度均極顯著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a之間）；相對濕度除C 區(qū)為顯著上升外（P＜0.05），其他類型區(qū)均有不同程度顯著下降；相對風(fēng)速除G區(qū)為極顯著上升外（P＜0.05），其他氣候區(qū)無明顯變化；日照總時數(shù)趨勢穩(wěn)定，各氣候區(qū)均無明顯變化；B、C氣候區(qū)年降水量均顯著增加（P＜0.05）。

表1 甘肅省各氣候區(qū)氣象因子60 a年際變化一元系數(shù)及顯著性Tab.1 The univariate coefficient and significance of the 60-year interannual variation of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province

3.2 甘肅省潛在蒸散發(fā)空間分布格局

從1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)分布格局來看（見圖3），年均潛在蒸散發(fā)、春季潛在蒸散發(fā)、夏季潛在蒸散發(fā)、秋季潛在蒸散發(fā)在空間分布上均呈現(xiàn)出A、B、C 區(qū)西部高，其他區(qū)低的特點，高值區(qū)域日照時數(shù)的充足和高氣溫和風(fēng)速是造成潛在蒸散量偏高的主要原因，冬季年均潛在蒸散發(fā)空間分布則略有不同，冬季潛在蒸散發(fā)高值區(qū)在以武都站點為代表的H 區(qū)，由東南向西北遞減；由于甘肅省地理環(huán)境復(fù)雜，氣象因素差異較大，因此不同氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)差異較大，數(shù)值在710～1 363 mm 之間波動，其中各氣候區(qū)多年平均潛在蒸散發(fā)為：A 區(qū)（1 237 mm）、B 區(qū)（1 094 mm）、C 區(qū)（790 mm）、D 區(qū)（996 mm）、E 區(qū)（873 mm）、F 區(qū)（740 mm）、G 區(qū)（842 mm）、H 區(qū)（1 027 mm）；各氣候區(qū)的季節(jié)蒸散發(fā)貢獻(xiàn)度排名為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

圖3 1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)年均與各季節(jié)潛在蒸散發(fā)的空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of annual average and seasonal potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.3 甘肅省潛在蒸散發(fā)時間變化特征

1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)變化率為-2.57～3.31 mm/a，整體呈現(xiàn)出小幅上升的趨勢（見圖4），其中除A、D、F 氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)呈減少趨勢外，其他氣候區(qū)均呈現(xiàn)不同程度上升趨勢，82%的區(qū)域的潛在蒸散發(fā)表現(xiàn)為增加趨勢，其中增幅較大的區(qū)域主要分布在馬鬃山和酒泉站點附近，達(dá)到了3.31 mm/a，而呈下降趨勢的站點集中在以安西站為代表的河西地區(qū)和以皋蘭和景泰站點為代表的隴中干旱區(qū)。通過對變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗（見圖4），甘肅省有26.58%的區(qū)域的潛在蒸散發(fā)趨勢未通過顯著性檢驗（P＞0.05），該區(qū)域大部分分布在A 區(qū)、B 區(qū)中部、D 區(qū)、E 區(qū)及H 區(qū)；其中有13.4%區(qū)域潛在蒸散發(fā)趨勢通過了95%顯著性趨勢檢驗（P＜0.05），60%區(qū)域的潛在蒸散發(fā)趨勢通過99%顯著性趨勢檢驗（P＜0.01），甘肅省超過73.42%的區(qū)域潛在蒸散發(fā)呈現(xiàn)出顯著的變化趨勢，這與氣候變化和植被/覆被、土地利用方式改變等人類活動有密不可分的聯(lián)系。

圖4 1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)的變化趨勢及顯著性Fig.4 Variation trend and significance of potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.4 潛在蒸散量影響因子分析

影響潛在蒸散量的因素十分復(fù)雜，一般與氣象因素影響甚大。因此本文選取平均氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度、降水5 個氣象要素與甘肅省8 個氣候區(qū)年均蒸散量并取各氣候區(qū)的典型站點進(jìn)行偏相關(guān)和顯著性分析（見圖5和表2）。結(jié)果表明：近60 a來，甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)對5個氣象因子相關(guān)性的空間分布不一致。8個氣候區(qū)的潛在蒸散量對平均溫度的相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.89～0.94，其中A、B、C、D 區(qū)受平均溫度相關(guān)性更高；潛在蒸散發(fā)變化對風(fēng)速相關(guān)程度在空間上有較強(qiáng)的差異性，以敦煌站點為代表的A 區(qū)高值區(qū)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.72，和以華家?guī)X為代表的E區(qū)相關(guān)系數(shù)0.11的低值區(qū)域，其他區(qū)域?qū)︼L(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在0.5 范圍附近，差異不大；潛在蒸散發(fā)變化對日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)范圍為0.38～0.73，其中D、E、F、G、H 區(qū)對日照時數(shù)相關(guān)性高，而以敦煌、馬鬃山為代表站點的A、B 氣候區(qū)和祁連山高寒半干旱C氣候區(qū)對氣象因子日照時數(shù)的相關(guān)程度要略低；甘肅省所有氣候區(qū)均對相對濕度呈現(xiàn)出不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中除甘肅省東北各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)對相對濕度的相關(guān)系數(shù)較低以外，其他站點對相對濕度的相關(guān)系數(shù)在0.5 范圍左右；通過偏相關(guān)分析，氣象因子降雨對潛在蒸散發(fā)的變化未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖5 1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)對氣象因子偏相關(guān)分析圖Fig.5 Partial correlation analysis of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province from 1961 to 2020

表2 甘肅省各氣候區(qū)典型氣象站點潛在蒸散發(fā)與各氣象因素的偏相關(guān)分析Teb.2 Partial correlation analysis of potential evapotranspiration and meteorological factors from typical meteorological stations in different climate regions of Gansu Province

4 結(jié) 論

（1）1961-2020年各氣候區(qū)平均溫度、最高溫度、最低溫度均極顯著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a 之間）；相對濕度除C 區(qū)為顯著上升外（P＜0.05），其他類型區(qū)均有不同程度顯著下降；相對風(fēng)速除G 區(qū)為極顯著上升外（P＜0.05），其他氣候區(qū)無明顯變化；日照總時數(shù)趨勢穩(wěn)定，各氣候區(qū)均無明顯變化；B、C 氣候區(qū)年降水量均顯著增加（P＜0.05）。隨著氣候變化和人類活動，近60 a 來甘肅省各氣候區(qū)氣溫都逐步上升，且除祁連山高寒氣候區(qū)外，其他氣候區(qū)濕度有變干的趨勢，未來甘肅省氣候正朝著熱、干趨勢發(fā)展。

（2）甘肅省年均、春季、夏季和秋季潛在蒸散發(fā)均呈現(xiàn)出A、B 區(qū)高、其他氣候區(qū)低的分布特征，冬季則表現(xiàn)為E、G、H 區(qū)高、其他氣候區(qū)低的特征，在空間潛在蒸散量的貢獻(xiàn)上來看，河西地區(qū)對潛在蒸散發(fā)做出較大貢獻(xiàn)，然而潛在蒸散發(fā)空間分布不均且差異較大，年均潛在蒸散發(fā)波動范圍在710～1 363 mm，在季節(jié)尺度上，各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)大小表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（3）1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)的趨勢變化率為-2.57～3.31 mm/a，超過73.42%的區(qū)域潛在蒸散發(fā)呈現(xiàn)出顯著的變化趨勢，A 區(qū)、D 區(qū)西部、E 區(qū)西部呈不顯著下降趨勢，其中除在A區(qū)、B區(qū)中部、C區(qū)中部及東部、D區(qū)東部、E區(qū)西部以及H 區(qū)無顯著趨勢（P＞0.05）外，其他區(qū)域部分均顯著上升或下降（P＜0.05），相對濕度的減少和溫度升高、風(fēng)速增大等綜合作用會持續(xù)促進(jìn)研究區(qū)潛在蒸散發(fā)的變化趨勢。

（4）通過對各氣候區(qū)的潛在蒸散發(fā)與氣象因子的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)各氣候區(qū)對氣象因子的響應(yīng)差距較大，集中體現(xiàn)在氣溫、風(fēng)速和日照時數(shù)上。潛在蒸散發(fā)對氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中甘肅省西北區(qū)域（A、B、C、D 區(qū)）對平均氣溫的相關(guān)系數(shù)明顯高于東南區(qū)域的（E、F、G、H 區(qū)）；A、B、C、D、G、H 區(qū)的潛在蒸散發(fā)受風(fēng)速影響的相關(guān)性大于E、F 區(qū)域；甘肅省所有氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)均對相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中除D、E、G 區(qū)東部潛在蒸散發(fā)對相對濕度的響應(yīng)不太明顯外，其他各區(qū)域潛在蒸散發(fā)對相對濕度的相關(guān)系數(shù)在-0.5 范圍左右；通過偏相關(guān)分析，氣象因子降雨對潛在蒸散發(fā)的變化未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。