全 文 ：河西内陆河流域参考作物蒸散量的时空特征*
吕晓东1,2 摇 王鹤龄3 摇 马忠明2,4**
( 1 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所, 兰州 730070; 2 农业部张掖绿洲灌区农业生态环境重点野外科学观测站,
甘肃张掖 734000; 3 中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室, 兰州 730020; 4 甘肃省农业科
学院, 兰州 730070)
摘摇 要摇 基于河西内陆河流域 17个气象站 1961—2008 年逐日气象数据,采用 Penman鄄Monteith
公式计算了逐日参考作物蒸散量(ET0),利用 GIS空间分析功能,采用反距离空间插值方法研究
了年和季节 ET0 的时空特征.结果表明:1961—2008 年,河西内陆河流域年均 ET0(700 ~ 1330
mm)由东南向西北逐渐增加;黑河流域和疏勒河流域年均 ET0 高值区呈显著下降趋势(P<
0郾 05),其气候倾向率在-53 ~ -10 mm·(10 a) -1,石羊河流域年均 ET0 低值区呈微弱增加趋势;
研究区各流域 ET0 年际波动较大,并以临泽为较大的波动中心,分别向西北和东南两个方向降
低.春季和夏季是河西内陆河流域 ET0 的集中季节,且疏勒河流域一直是四季 ET0 值最高的
地区.研究区 ET0 气候倾向率依次为夏季>春季>秋季>冬季. 影响河西内陆河流域 ET0 变化
的主要气候因子是风速和最高温度,其中风速是引起疏勒河和黑河流域 ET0 呈现减少趋势的
主导因子,最高温度和日照时数是引起石羊河流域 ET0 呈现增加趋势的主导因子.
关键词摇 参考作物蒸散量 时空变化 Penman鄄Monteith公式 河西内陆河流域
*农业部“948冶项目(2006鄄G52A鄄Q02)和国家科技部公益(气象)行业专项(GY鄄HY200806021)资助.
**通讯作者. E鄄mail:mazhming@ 163. com
2010鄄03鄄29 收稿,2010鄄09鄄25 接受.
文章编号摇 1001-9332(2010)12-3161-07摇 中图分类号摇 P426郾 2;S161郾 4摇 文献标识码摇 A
Spatiotemporal characteristics of reference crop evapotranspiration in inland river basins of
Hexi region. L譈 Xiao鄄dong1,2, WANG He鄄ling3, MA Zhong鄄ming2,4 ( 1 Institute of Soil, Fertilizer
and Water鄄Saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China;
2Zhangye Key Ecological and Environmental Observation Station of Oasis Irrigated Agriculture, Min鄄
istry of Agriculture, Zhangye 734000, Gansu, China; 3Gansu Province Key Laboratory of Arid Cli鄄
mate Change and Reducing Disaster, Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administra鄄
tion, Lanzhou 730020, China; 4Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(12): 3161-3167.
Abstract: Based on the 1961-2008 daily observation data from 17 meteorological stations in the in鄄
land river basins in Hexi region, the daily reference crop evapotranspiration (ET0) in the basins
was computed by Penman鄄Monteith equation, and the spatiotemporal characteristics of seasonal and
annual ET0 were studied by GIS and IDW inverse鄄distance spatial interpolation. In 1961-2008, the
mean annual ET0(700-1330 mm) increased gradually from southeast to northwest across the ba鄄
sins. The high value of mean annual ET0 in Shule River basin and Heihe River basin declined sig鄄
nificantly (P<0郾 05), with the climatic trend rate ranged from -53 to -10 mm·(10 a) -1, while
the low value of mean annual ET0 in Shiyang River basin ascended slightly. The ET0 in the basins
had a significant annual fluctuation, which centralized in Linze and decreased toward northwest and
southeast. The ET0 in summer and autumn contributed most of a year, and the highest value of ET0
all the year round always appeared in Shule River basin. The climatic trend rate was in the order of
summer > spring > autumn > winter. Wind speed and maximum temperature were the primary fac鄄
tors affecting the ET0 in the basins. Furthermore, wind speed was the predominant factor of down鄄
ward trend of ET0 in Shule and Heihe basins, while maximum temperature and sunshine hours
played an important role in the upward trend of ET0 in Shiyang basin.
Key words: reference crop evapotranspiration; spatiotemporal variation; Penman鄄Monteith equa鄄
tion; inland river basins in Hexi region.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12): 3161-3167
摇 摇 参考作物蒸散量(ET0)表征大气蒸发率及实际
蒸散率的上边界大小[1] .作为区域能量平衡和水分
平衡的重要组成部分[2], ET0 在农业水资源利
用[3-4]、生态系统过程建模[5]和评价区域干湿状
况[6]等方面是一个关键的计算因子,一直受到国内
外研究者的广泛关注. Xu 等[7]分析了 1961—2000
年长江流域 ET0 和蒸发皿蒸发量的时间变化,采用 t
检验和非参数检验 Mann鄄Kendall 法的趋势分析结
果表明,ET0 和蒸发皿蒸发量均呈显著下降趋势. Mo
等[8]模拟 1984—1997 年洛河卢氏流域季节和年际
蒸散,发现 7—8 月是全年蒸散最高的月份. Tong
等[9]采用基于数字高程模型的方法评价了 1950—
2001 年石羊河流域春小麦蒸散的空间分布规律,结
果表明,石羊河流域上游地区春小麦蒸散逐渐增加,
中游地区春小麦蒸散呈显著降低趋势.李禄等[10]研
究表明,太子河流域 1960—2005 年 ET0 值呈缓慢下
降趋势.孙小舟等[11]研究发现,西辽河流域 1952—
2007 年 ET0 值整体呈增加趋势,但增加不显著. 由
于不同区域气候因子、地形要素的复杂性,不同区域
ET0 的变化趋势并不一致,导致 ET0 增加或降低趋
势的主导因子也不相同[12] .
河西走廊属干旱气候区,疏勒河、黑河和石羊河
是构成其水文循环系统的三大内陆河流域. 水资源
短缺一直是制约该区生态环境恢复重建以及绿洲
工、农业发展的重要因素[13] . 20 世纪 50 年代以来,
河西走廊年均气温以 0郾 018 ~ 0郾 036 益·a-1的速率
上升,增温率总体低于或接近全国平均水平(0郾 04
益·a-1) [14] . 在全球气候变暖的背景下,研究河西
内陆河流域 ET0 的时空变化特征对理解内陆河流域
水文循环过程、衡量区域作物需水量以及进行合理
水资源配置具有重要意义.为此,本文采用联合国粮
农组织(FAO)推荐的 Penman鄄Monteith公式,基于河
西内陆河流域绿洲 17 个站点 1961—2008 年逐日气
象资料计算 ET0,采用线性倾向估计法和 ArcGIS 的
空间分析反距离插值功能,分析了河西内陆河流域
年和季节平均 ET0 的时空变化,并探讨影响 ET0 变
化的主要气候因素,旨在了解该地区气候的干湿变
化趋势和水资源供需平衡,为制定合理的农田灌溉
决策和流域水资源优化配置提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 资料来源
本文选择河西内陆河流域中、下游平原 17 个气
象站为研究对象(图1) .研究区中三大流域范围及
图 1摇 河西地区气象站和内陆河流域的分布
Fig. 1 摇 Distribution of meteorological stations and island river
basin in Hexi region.
气象站点分别如下:1)以白杨河为界向西为疏勒河
流域,气象站点包括敦煌、安西、玉门和肃北;2)白
杨河与西大河之间为黑河流域,气象站点包括酒泉、
金塔、高台、临泽、张掖、肃南、山丹和民乐;3)以西
大河为界向东为石羊河流域,气象站点包括永昌、民
勤、武威、古浪和天祝.
17 个气象站点的经、纬度、海拔以及 1961—
2008 年的日序列平均温度、最高气温、最低气温、相
对湿度、日照时数和风速数据源于国家气象局气象
资料中心和甘肃省气象局.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 参考作物蒸散量 摇 FAO 将参考作物蒸散量
(ET0)定义为一假想的参照作物冠层的蒸散速率,
即假设作物高度为 0郾 12 m、叶片阻力为 70 s·m-1、
反射率为 0郾 23 时,表面开阔、高度一致、生长旺盛、
完全覆盖地面、水分供应充分的绿色草地的蒸散
量[1],其公式如下:
ET0 = [0郾 408驻(Rn - G) + 酌
900
T + 273u2(es -
ea)] / [驻 + 酌(1 + 0郾 34u2)]
式中:ET0 为参考作物蒸散量(mm·d-1);Rn 为作物
表面净辐射量(MJ·m-2 ·d-1 );G 为土壤热通量
(MJ·m-2·d-1);酌 为湿度计常数( kPa·益 -1 );驻
为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa·益 -1);
T为空气平均温度(益);u2 为地面以上 2 m 高处的
风速(m·s-1);es 为空气饱和水汽压(kPa);ea 为空
气实际水汽压(kPa).
1郾 2郾 2 气候倾向率摇 气候倾向率表示变量在计算时
段内线性增加(减弱)的变化趋势,计算方法见文献
[15].
2613 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
1郾 3摇 数据处理
采用 Matlab 编程,计算逐日 ET0,并统计得到
春、夏、秋、冬季和年 ET0 值. 采用 SPSS 进行逐步多
元线性回归,以确定影响 ET0 的主导气象因子,对偏
回归系数进行显著性检验,以 t 检验统计量判断各
气象要素对 ET0 的影响程度.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 河西内陆河流域年均参考作物蒸散量的空间
分布
由图 2 可以看出,1961—2008 年,河西内陆河
流域年均 ET0(1000 ~ 1330 mm)由东南向西北逐渐
增加,但地区间差异较大,年均 ET0 最大的区域主要
分布在疏勒河流域.以古浪为界,向西北逐渐增高形
成 ET0 高值区,年均 ET0 >1000 mm;向东南逐渐降
低形成 ET0 低值区,年均 ET0 在 700 ~ 800 mm.
2郾 2摇 河西内陆河流域参考作物蒸散量的年际变化
研究期间,河西内陆河流域 ET0 总体呈下降趋
势,ET0 高值区气候倾向率下降趋势明显,ET0 低值
区气候倾向率有微弱增加趋势,其气候倾向率主要
在-53 ~ 0 mm·(10 a) -1(图 3a).其中,ET0 极显著
降低区(P<0郾 01)主要分布在张掖以西,其气候倾向
率值在-53 ~ -16 mm·(10 a) -1;ET0 显著降低区
(P<0郾 05)主要分布在山丹和民乐西北部,其气候倾
向率值在-16 ~ -10 mm·(10 a) -1;古浪的 ET0 呈
增加趋势.研究区 ET0 的年际波动较大,且各地区的
变化趋势不一致(图 3b):以临泽为波动中心(变异
系数 CV>8),分别向西北和东南两个方向递减,安
西以西和武威地区大部分为 ET0 年际波动最小区
(CV<5).
图 2摇 研究区年均 ET0 的空间分布
Fig. 2 摇 Spatial distribution of mean annual ET0 (mm) in the
study area from 1961 to 2008.
图 3摇 研究区 ET0 气候变化率[mm·(10 a) -1, a]及变异系
数(b)的空间分布
Fig. 3摇 Spatial distribution of climatic trend rate [mm·(10 a)-1,
a] and coefficient of variation (b) of ET0 in the study area.
2郾 3摇 河西内陆河流域参考作物蒸散量的季节变化
从图 4 可以看出,研究区冬季(12 月至翌年 2
月)是全年中 ET0(<150 mm)最小的季节;大部分地
区春季(3—5 月)和夏季(6—8 月)ET0 >300 mm,且
其空间分布相似,因而决定了全年 ET0 的空间分布
特点.冬季 ET0 表现为疏勒河流域和石羊河流域大
于黑河流域;春、夏、秋(9—11 月)季 ET0 由东南向
西北逐渐增加,疏勒河流域最高,黑河流域次之,石
羊河流域最小.
摇 摇 1961—2008 年间,石羊河流域永昌、民勤、武威
和古浪的春季 ET0 呈微弱增加趋势;黑河流域和疏
勒河流域各地区均呈减少趋势,以玉门和临泽为中
心分别向四周呈极显著(P<0郾 01)和显著(P<0郾 05)
扩散,其 ET0 平均变化率分别为-11 和-8 mm·(10
a) -1 .
研究区夏季 ET0 呈增加趋势的地区明显减少,
各流域大部分地区呈减少趋势.研究期间,黑河流域
西北部和疏勒河流域东部夏季 ET0 分别为极显著和
显著减少区,其 ET0 平均变化率分别为-14 和-7
mm·(10 a) -1 .
361312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕晓东等: 河西内陆河流域参考作物蒸散量的时空特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 研究区各季节 ET0(mm, A)和气候倾向率[mm·(10 a) -1,B]的空间分布
Fig. 4摇 Spatial distribution of seasonal ET0(mm, A) and climatic trend rate [mm· (10 a) -1, B] in the study area from 1961 to
2008(mm).
a)春季 Spring; b)夏季 Summer; c)秋季 Autumn; d)冬季 Winter.
摇 摇 1961—2008 年间,研究区秋季 ET0 极显著和显
著减少地区的界限明显,且极显著地区较春季和夏
季呈明显扩大趋势.以张掖为界向西北,河西内陆河
流域大部分地区秋季 ET0 极显著较少,其平均变化
率为-10 mm·(10 a) -1;武威、古浪和天祝的秋季
ET0 呈增加趋势.
研究期间,各流域冬季 ET0 减少趋势较春、夏、
秋季明显降低,其极显著和显著地区的平均变化率
分别为-6 和-3 mm·(10 a) -1,冬季 ET0 极显著和
显著减少地区仅包括黑河流域的金塔、高台和临泽
4613 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 1摇 研究区气象要素的气候倾向率
Tab. 1摇 Climatic trend rate of weather factors in the study area
流域
Basin
平均温度軈T
[益·(10 a) -1]
最高温度 Tmax
[益·(10 a) -1]
最低温度 Tmin
[益·(10 a) -1]
日照时数 H
[h·d-1·
(10 a) -1]
相对湿度 RH
[%·(10 a) -1]
风速 U
[m·s-1·
(10 a) -1]
疏勒河 Shulehe 0郾 25** 0郾 17* 0郾 40* -0郾 01 -0郾 15 -0郾 24**
黑河 Hehei 0郾 39** 0郾 31** 0郾 48** 0郾 04 -0郾 16 -0郾 21**
石羊河 Shiyanghe 0郾 35** 0郾 25** 0郾 42** 0郾 07* -0郾 27 -0郾 04
*P<0郾 05;** P<0郾 01.
表 2摇 研究区 ET0 多元偏回归系数的 t检验
Tab. 2摇 t test of multivariate regression coefficient for ET0 in the study area
流域 Basin 平均温度軈T 最高温度 Tmax 最低温度 Tmax 日照时数 H 相对湿度 RH 风速 U
疏勒河 Shulehe - 7郾 512 - 4郾 437 -4郾 675 27郾 573
黑河 Hehei - 6郾 769 - 4郾 390 -4郾 129 20郾 727
石羊河 Shiyanghe - 7郾 167 - 3郾 004 -5郾 755 8郾 573
表中数值大于 2郾 682(P<0郾 01,n=48)的项表示方差贡献显著 There were significant variance contribution rate when the value was more than 2郾 682
(P<0郾 01,n=48); - 多元线性回归剔除变量 Multiple linear regression eliminated variables.
以及疏勒河流域的肃北小部分. 与春、秋季相似,武
威、古浪和天祝冬季 ET0 呈增加趋势.
摇 摇 研究区春、夏、秋、冬季与年际 ET0 表现为基本
一致的空间分布特征.此外,夏季各地区 ET0 变化的
差异显著,秋季和冬季的差异较小.各季 ET0 气候倾
向率依次为夏季>春季>秋季>冬季.
2郾 4摇 河西内陆河流域参考作物蒸散的影响因素
研究期间,河西内陆河流域平均温度(軈T)、最高
温度(Tmax)、最低温度(Tmin)均呈显著增加趋势(表
1),且 Tmax与 ET0 具有极显著正相关关系(表 2),说
明 Tmax对研究区 ET0 的增加有一定影响. 疏勒河流
域和黑河流域的风速(U)呈明显的下降趋势,并与
ET0 具有极显著的负相关关系,表明 U 可能是造成
研究区 ET0 呈减少趋势的主要因素. 尽管日照时数
(H)与 ET0 具有极显著的正相关关系,相对湿度
(RH)与 ET0 具有极显著的负相关关系,但除石羊河
流域日照时数的年变化呈显著增加趋势外,这两个
因素在研究区其他流域都呈现出微弱的增加或下降
趋势,表明日照时数对石羊河流域 ET0 的增加有一
定影响,而对疏勒河流域和黑河流域 ET0 变化的影
响不大,相对湿度对各流域 ET0 变化的影响均不大.
建立 ET0 与上述 6 个气候因子的多元线性回归
方程,并对偏回归系数进行 t 检验. 各气候因子对
ET0 变化的方差贡献大小表明,尽管最高温度对疏
勒河和黑河流域 ET0 的增加有一定贡献,但风速对
ET0 减少的贡献更显著. 石羊河流域最高温度和日
照时数对 ET0 增加的贡献大于风速对 ET0 减少的贡
献,导致 ET0 表现为整体增加的正效应. 总体而言,
风速和最高温度是影响研究区各流域 ET0 变化的主
导气候因子,其次为日照时数和相对湿度,平均温度
和最低温度不是影响 ET0 变化的主导气候因子.
3摇 讨摇 摇 论
世界气象组织规定,用连续 30 年资料计算出的
平均值可作为气候要素的代表值,即认为 30 年的气
候要素平均值是稳定或基本不变的[16] .本研究利用
基于气象数据的 Penman鄄Monteith 公式计算得到
1961—2008 年的逐日 ET0,其计算理论坚实,计算结
果在干旱区接近实测值.同时,利用 GIS空间技术将
具有时空特性的气候要素以地图形式表达出来,对
地理空间规律进行认识和分析,实现了真正地理意
义上的区域空间分析[17],其结论具有广泛的实用
意义.
河西内陆河流域年均 ET0(700 ~ 1330 mm)由东
南向西北逐渐增加,这与封志明等[18]研究结果一
致.研究期间,河西疏勒河和黑河流域 ET0 呈减少趋
势,这与全球气候变暖背景下 ET0 呈逐渐降低趋势
的研究结论一致[19-21] . 引起疏勒河和黑河流域 ET0
下降的主导因子是风速,而温度升高和日照时数降
低引起 ET0 增加的作用有限.虽然有研究认为,全球
气温升高将导致潜在蒸发的增加[22-23],但 Roderick
等[24]研究表明,风速减小对影响蒸发的空气动力学
分量更重要.因此,气温升高并不意味着 ET0 增加.
河西内陆河流域 ET0 变化与蒸发皿蒸发量变化
具有相同的下降趋势.王鹏祥等[25]研究了整个西北
地区 1960—2003 年水面蒸发量的变化,结果表明,
561312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕晓东等: 河西内陆河流域参考作物蒸散量的时空特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
除个别站点 ET0 表现为增加趋势外,绝大部分呈显
著减少趋势.与本研究基于 Penman鄄Monteith 公式计
算而得的 ET0 趋势基本一致.
有研究认为,夏季 ET0 的年际波动是全年 ET0
年际波动的主导因子[11] . 也有研究指出,春季 ET0
气候倾向率下降最快,夏季次之,秋季较慢,冬季最
慢[26] .本研究结果表明,河西内陆河流域春季和夏
季 ET0 决定了全年 ET0 的空间分布变化;ET0 气候
倾向率大小依次为夏季>春季>秋季>冬季.
ET0 主要由气温、湿度、风速和太阳辐射决
定[21],与作物种类、土壤类型等条件无关[1] .但由于
气象条件受地形的影响,ET0 估计值仍然存在一定
误差[27-28] . 山地鄄绿洲鄄荒漠是河西内陆河流域独特
的自然生态景观特征,其地貌类型多样、气候条件复
杂,导致该区 ET0 的空间差异较大[18] .
ET0 受气候因子影响较大,且各气候因子之间
相互影响,因此,对于影响不同流域地区季节 ET0 及
其空间分布的气候因素还有待于进一步研究.
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作者简介 摇 吕晓东,男,1979 年生,硕士研究生,助理研究
员.主要从事干旱区土壤及节水农业研究,发表论文 6 篇.
E鄄mail: dongxl1979@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
761312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕晓东等: 河西内陆河流域参考作物蒸散量的时空特征摇 摇 摇 摇 摇 摇