全 文 ：第 34 卷第 19 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.19
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目 (41101022, 51179161);国家“十二五冶科技支撑计划项目(No. 2011BAD29B09)
收稿日期:2013鄄06鄄10; 摇 摇 修订日期:2014鄄07鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lizhibox@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201306101619
王小静,李志,赵姹,张志强.西北旱区 1961—2011年参考作物蒸散量的时空分异.生态学报,2014,34(19):5609鄄5616.
Wang Xiao J,Li Z,Zhao C,Zhang Z Q.Spatiotemporal variations of the reference crop evapotranspiration in the arid region of northwest China during 1961—
2011.Acta Ecologica Sinica,2014,34(19):5609鄄5616.
西北旱区 1961—2011年参考作物蒸散量的时空分异
王小静,李摇 志*,赵摇 姹,张志强
(西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌摇 712100)
摘要:全球变化背景下分析参考作物蒸散量的变化特征,对于农业生产和水资源管理等有重要指导意义。 根据西北旱区 152个
气象站点 1961—2011年气象资料计算参考作物蒸散量(ET0),分析了其空间分布及时间变化趋势,并探讨了其变化原因。
1961—2011年西北旱区年均 ET0为 1100.4 mm / a,但存在空间变异,低值出现在黄土高原南部区域,高值出现在西北部沿东南鄄
西北方向的条带上。 ET0整体呈不显著的上升趋势,但 64和 36个站点分别呈显著的上升和下降趋势;西北旱区 ET0发生突变
的年份东部较西部晚。 ET0的时空变异是气象因子时空变化的组合效应,ET0对相对湿度和最高温度的变化最敏感,但过去 50a
ET0变化中风速和最高温度的贡献率最大。 西北旱区 ET0的变化发生了重要改变,由 2000 年以前的下降趋势转变为目前的上
升趋势,可能加剧该区的水资源短缺状况,需引起足够的重视。
关键词:西北旱区;参考作物蒸散量;时空变异;归因分析
Spatiotemporal variations of the reference crop evapotranspiration in the arid
region of northwest China during 1961—2011
WANG Xiaojing,LI Zhi*,ZHAO Cha,ZHANG Zhiqiang
College of Resources and Environment,Northwest A&F University,Yangling 712100,China
Abstract: Reference crop evapotranspiration(ET0)is wide lyconsidered to be one of the best means to evaluate agriculture
water use,which is of great importance for crop production. The agriculture in the arid region of northwest China has suffered
from severe water shortage and imbalance between water quantity and land area. Under the background of global warming, it
is necessary to evaluate the spatiotemporal characteristics of ET0 as it is sensitive to climate change. Observed daily data
during 1961—2011 from 152 meteorological stations, including temperature, relative humidity, wind speed and sunshine
hours,are used to calculate the ET0 based on Penman鄄Monteith equation. Mann鄄Kendall, Pettitt and Inverse Distance
Weighted Interpolation are used to analyze the spatiotemporal characteristics of ET0 .Results show that the annual mean ET0
is1100.4 mm / a with obvious spatial variations. Values in the south region of the Loess Plateau are the smallest, while those
in a southeast鄄northwest strip beside the Loess Plateau are the greatest. ET0 shows a insignificant upward trend during
1961—2011 for the whole region,and the annual increase is 0.45 mm / a; however, significant upward and downward trends
are detected for 64 and 36stations, respectively.ET0has occurred abrupt changes from 1970s to 1990s;however, the years
occurring abrupt changes in the eastern part are later than those in the western part. Sensitive coefficients and contribution
rates are calculated to analyze the reasons of the spatiotemporal pattern for ET0 . Results show that the spatiotemporal
characteristics of ET0are from the combined effects of climatic factors. Relative humidity and maximum temperature is the
most sensitive factors for ET0; however, wind speed and maximum temperature have the greatest contribution rates for the
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changes of ET0 during the past 50 years.The changes of ET0 in the arid region of northwest China have transformed from
downward trend to upward trend since 2000s, which will exacerbate the water shortage of this region. Therefore, more
attentions should be paid to it and some countermeasures should be planned.
Key Words: aridregion of northwest China; reference crop evapotranspiration; spatiotemporal variation; attribution analysis
摇 摇 参考作物蒸散量(ET0)是非常重要的农业气象
变量,是制定作物灌溉制度、统筹农业需水量的主要
参考[1]。 ET0是各气象因子综合作用的结果,而全球
气候变化背景下温度、湿度、日照时数等气象变量发
生了显著的变化[2鄄6],因此,ET0可能受到的影响及发
生的变化需进行评估,从而为农业生产提供参考。
我国西北旱区包括陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆
及内蒙古等地区,土地面积约占全国总面积的 42%,
但由于水资源数量有限,加之干旱蒸发强烈,导致水
土资源不平衡,特别是水资源过度开发产生了严重
的生态环境问题,并影响农业生产[7鄄10]。 为此,探讨
合理的水土资源配置模式非常重要。 ET0作为水资
源管理和农业生产中的重要变量,是统筹农业用水、
规划灌溉用水、提高用水效率的重要依据[11鄄15]。 结
合温度、风速、日照时数等气象资料分析 ET0的变化,
可为该区的水土资源优化配置提供重要的基础
信息。
不少研究对我国及西北地区的 ET0变化进行了
分析。 多数研究结果表明我国年平均 ET0整体呈下
降趋势,但存在区域差异[10, 16鄄18]。 对西北地区 ET0
而言,目前的研究结果存在一定差异。 如普宗朝等
发现乌鲁木齐河流域 1978—2002年 ET0下降趋势明
显[19],这与王幼奇等对黄土高原 1954—2000年及倪
广恒等对 1976—2000 年干旱半干旱地区的分析结
果一致[20鄄21];而孙小舟发现西辽河流域 1952—2007
年 ET0呈上升趋势[22],这与李志对黄土高原地区
1961—2009年 ET0变化趋势的研究结论相似[23]。 可
见,这些研究结果的差异可能主要是由于研究时段
和区域差异造成的。 同时,近年来全球气候变化更
加显著[24],黄土高原出现了由暖干向暖湿变化的新
趋势[25],1993年以后旱区 ET0可能由之前的下降趋
势转变为上升趋势[26鄄27]。 因此,针对整个西北旱区、
基于长序列的最新气象资料来探究旱区 ET0可能发
生的新趋势,显得尤为重要。
为了明确西北旱区 ET0在全球气候变暖背景下
的趋势变化,本研究基于广泛分布在西北旱区的 152
个气象站点数据分析了旱区 1961—2011年 ET0的空
间分布和时间变化特征,并定性和定量探讨了引起
ET0变化的原因,以期为旱区农业生产和水分利用提
供参考依据。
1摇 数据与方法
1.1摇 数据来源与处理
基于广泛分布在西北旱区的 152 个气象站点
1961—2011年日气象资料计算 ET0。 152 个站点分
布在新疆、青海、内蒙、陕西、甘肃等省份(图 1)。 气
象变量包括最高温度(益)、最低温度(益)、日照时
数(h)、相对湿度(%)、风速(m / s)等。 少数缺失数
据使用相邻站点的数据插补。
图 1摇 西北旱区气象站点分布
Fig.1摇 Location of the meteorological stations in the arid region
of northwest China
1.2摇 ET0计算
采用联合国粮农组织 ( FAO)推荐的 Penman鄄
Monteith计算 ET0:
ET0 =
0.408驻 Rn -( )G + 酌
900
T + 273
u2(es - ea)
驻 + 酌·(1 + 0.34 u2)
式中,ET0参考作物蒸散量(mm / d);Rn冠层表面净辐
射(MJ m-2d-1);G 土壤热通量(MJ m-2d-1);T 日平
均气温(益);u2风速(m / s);es饱和水汽压(kPa);ea
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实际水汽压(kPa);es -ea饱和水汽压差(kPa);驻 水
汽压曲线斜率(kPa / 益);酌湿度计常数(kPa / 益)。
净辐射 Rn的精确性取决于经验系数,而经验系
数有地区局限性,针对特定地区其值不同,本文采用
尹云鹤在对我国 1971—2008 年潜在蒸散时空分布
研究中采用的方法[28],其经过校正的辐射值 Rn:
Rn = 0.77 伊 0.20 + 0.79
næ
è
ç
ö
ø
÷
N
Rso - 滓
T4x,k + T4n,ké
ë
êê
ù
û
úú2
伊
0.56 - 0.( )25 0.1 + 0.9 næ
è
ç
ö
ø
÷
N
式中,滓 为 Stefan鄄Boltzmann 常数(4.903伊10-9MJ·
K-4·m-2·d-1),Tx,k和 Tn,k分别为绝对温标的最高、
最低温度(K),n为实际日照时数(h),N为可照时数
(h),Rso为晴天辐射(MJ / m2)。
数据处理严格按照 FAO 的规程进行操作,ET0
的月值和年值由逐日 ET0值加和获得。
1.3摇 ET0的时空分布
对 ET0进行了空间分布、单调变化趋势和突变年
份等方面的分析。 其中,空间分析使用反距离权重
法对气象因素进行空间插值,该方法假设样点间存
在局部影响且随距离越远其影响越小,站点间气候
因子间的影响符合此规律;单调变化趋势使用 Mann鄄
Kendall 检验,显著性水平为 95%;突变年份使用
Pettitt分析。
1.4摇 ET0时空变异原因分析
从定性和定量两种方法分别探讨 ET0时空变异
与气象因子(温度、湿度、风速和日照时数)的关系。
定性方法主要分析 4种气象因子的空间分布特征和
时间变化趋势,进而探讨其与 ET0时空变异的关系。
定量方法通过敏感分析进行,用以确定对 ET0影
响最大的因子和对 ET0变化贡献率最高的因子。 首
先需要计算相对敏感系数,主要根据 Taylor 级数展
开的有限差分近似求解:
S =
驻ET0
驻X
X
ET0
式中,S为相对敏感系数,代表气象因子的变化引起
ET0的变化,无量纲。 驻X为气候要素 X 的变化,X 取
绝对值,驻ET0为 驻X引起的 ET0变化。
相对敏感系数代表气象因子变化导致的 ET0变
化幅度,但相对敏感系数大的气象因子是否对 ET0变
化的贡献大,需要引入气象因子的多年相对变化量:
Convi = Svi·RCvi
RCvi =
49·Trend
av
伊 100%
式中,ConVi为气象因子 Vi对 ET0变化的贡献,SVi为 Vi
的敏感系数,RCVi是 Vi的多年相对变化,av 为 51a 的
平均值,逐年变化率 Trend 由趋势分析法计算得到。
由于 SVi是无量纲的,RCVi以百分比为单位,因此计算
出的贡献 ConVi的单位也是百分比。
2摇 ET0时空变异
2.1摇 ET0空间分布
1961—2011 年, 西北旱区 ET0 的年均值为
1100郾 4mm / a,介于 720. 6 mm / a (新疆七角井)—
1930.6 mm / a(新疆巴音布鲁克)。 ET0存在一定的空
间差异,变异系数为 0.18,属中等变异。 但整体而言
大部分地区的 ET0介于 950—1200mm / a;黄土高原
南部靠近秦岭的区域是 ET0的低值中心,年均 ET0低
于 900mm / a;ET0较高的区域出现在西北部沿东南-
西北方向的条带上,包括新疆东南部、甘肃西北部和
内蒙中部,年均值大于 1350mm / a。
图 2摇 1961—2011年西北旱区 ET0空间分布
Fig. 2 摇 The spatial distribution of annual average ET0 in the
northwest arid region during 1961—2011
2.2摇 ET0时间变化趋势
1961—2011年西北旱区 ET0整体呈不显著的上
升趋势(图 3)。 但其单调变化趋势呈混合模式,96
和 56个站点分别呈上升和下降趋势,通过 95%显著
性检验的站点分别为 64 和 36 个。 单调变化趋势存
在一定的空间差异(图 3),可以看出,黄土高原以西
地区 ET0基本呈下降趋势;黄土高原及其以东地区主
要呈上升趋势。
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图 3摇 1961—2011西北旱区 ET0时间变化趋势
Fig.3摇 The temporal trend of ET0 in the northwest arid region during 1961—2011
摇 摇 为进一步分析 ET0的时间变化趋势,进行了突变
年份检验。 可以看出,ET0突变年份主要发生在 20
世纪 70、80、90 年代,而 60 年代和 21 世纪很少(图
4)。 同时,ET0的突变年份存在空间差异。 黄土高原
以西的区域,ET0突变主要发生在 70 和 80 年代;而
黄土高原及其以东地区,突变年份主要在 80 和 90
年代,甚至进入 21 世纪也有发生突变的站点。 可
见,西北旱区东部 ET0突变发生的年份较黄土高原以
西的区域晚。
图 4摇 1961—2011年西北旱区 ET0的突变年份
Fig.4摇 The distribution of abrupt year of ET0 during
1961—2011
3摇 ET0时空变异原因分析
3.1摇 定性分析
ET0的空间变异是温度(最低与最高温度空间分
布图一致故略)、相对湿度、日照时数及风速等气象
因子空间分布综合作用的结果(图 5)。 一般来说,
高温、长日照、低湿度会导致高蒸散[20]。 可以看出,
长日照时数、低相对湿度和高风速导致西北部沿东
南鄄西北方向条带上 ET0值较高,而低温高湿则是黄
土高原南部靠近秦岭地区 ET0最低的原因。 ET0与
相对湿度和风速基本具有相似的空间分布模式。 为
进一步量化 ET0与气象因子的相关性,求取了 ET0与
各因子的相关系数,发现 ET0与相对湿度的相关性最
高(0.37),其次为风速(0.36)、最高温度(0.30)、日
照时数(0.21)和最低温度(0.19)。 可见,西北旱区
ET0对相对湿度最敏感,这与相关研究在石羊河流
域、黄土高原、黄河流域和全国的结论一致[23, 28鄄31]。
为分析各种气象因子变化对 ET0的影响,表 1给
出了其单调变化趋势(表 1)。 西北旱区存在温度上
升,而相对湿度、日照日数和风速降低的变化趋势。
一般而言,温度变化对 ET0具有支配性地位,但尽管
最高与最低温度都呈上升趋势,特别是在基本所有
站点的最低温度都通过了 95%置信区间检验呈显著
上升趋势的增温背景下,仍有 1 / 3的站点 ET0呈下降
趋势,表明西北旱区 ET0变化受气象因子的综合
作用。
对气象因子进行突变分析发现(图 6),与 ET0相
似,气象因子的突变也都发生在 70—90 年代,而 60
年代和 2000—2010 年各因子发生突变的站点都较
少。 70—90 年代 ET0的突变站点数相似,但气象因
子的突变站点数差异较大,70 年代相对湿度和日照
时数发生突变较多,80 年代各因子都有较多站点发
生突变,90 年代各气象因子的突变站点数很相似。
这说明 ET0的突变是受各因子的突变影响,但可能在
不同年代主要的影响因子不同。
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图 5摇 1961—2011年西北旱区影响 ET0相关气象要素的空间分布
Fig.5摇 The spatial distribution of meteorological factors affecting ET0on the northwest arid region during 1961—2011
表 1摇 1961—2011年西北旱区气象因子空间变化显著趋势
Table 1摇 The monotonic trends of meteorological factors in the northwest arid region during 1961—2011
气象要素
Meteorological factors
上升趋势 Upward
站点数
n
显著站数
n鄄sig
下降趋势 Downward
站点数
n
显著站数
n鄄sig
增幅 茁
/ 10a-1
无趋势
No trend
参考作物蒸散量
Reference crop evapotranspiration 96 64 56 36 4.46 0
最高温度 Maximum temperature 146 140 3 0 0.27 3
最低温度 Minimum temperature 147 144 2 2 0.46 3
相对湿度 Relative humidity 52 20 96 50 -0.25 4
日照时数 Sunhrs 41 19 107 67 -0.05 4
平均风速 Wind speed 19 9 130 105 -0.15 3
摇 摇 n:站点数 Number of stations;n鄄sig:各趋势的显著站数 Number of stations with significant trend;茁:气象变量变幅 Mean change magnitude of
meteorological factors
3.2摇 定量分析
西北旱区 ET0对相对湿度的敏感性为负值,表明
如果其他气候因子不变,相对湿度增加则导致 ET0减
少;ET0对最高与最低温度、日照时数和风速的敏感
性为正值。 ET0对相对湿度 ( - 0郾 45)和最高温度
(0郾 45)敏感性最高,即若其它气候因子不变,相对湿
度增加 10%会导致 ET0减少 4.5%,而最高温度升高
10%则导致 ET0增加 4.5%;ET0对其他因子的敏感性
依次为风速(0. 31)、日照时数 (0. 23)和最低温度
(0郾 01)。 这很好地解释了 ET0与相对湿度的相关
性,与曹雯对西北旱区 ET0的研究结论一致[26, 32]。
基于 ET0对气象因子的敏感性系数进而计算其
贡献率,发现风速对 ET0的贡献率最大(-9.50%),其
次为最高温度(4.88%)、相对湿度(1.01%)、日照时
数(-0.76%)和最低温度(0.17%)。 可见,风速和最
高温度是 1961—2011年西北旱区 ET0变化的主要因
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图 6摇 1961—2011年西北旱区气象变量突变年份
Fig. 6 摇 The abrupt year of meteorological factors in the
northwest arid region during1961—2011
子;ET0对相对湿度的敏感性高,但由于其相对变化
小导致其贡献率不大,这与曹雯和尹云鹤等等的结
论一致[28, 33]。 同时,需要注意的是,导致变化的主
导因子存在区域差异,风速作为最主要的主导因子,
其分布遍布整个区域;但温度作为主导因子的站点
主要在西北旱区东部(图 7)。
图 7摇 1961—2011年 ET0 变化的主导因子
Fig.7摇 The dominant meteorological factors of ET0 in the
northwest arid region during 1961—2011
虽然风速、日照时数等下降会引起 ET0的下降趋
势,但本文的研究表明 ET0呈不显著上升,这说明对
ET0敏感性较高的相对湿度及温度引起的 ET0上升
略高于由风速等因子引起的 ET0下降,1961—2011
年 ET0不显著上升趋势很有可能是温度及相对湿度
等上升导致,因此,ET0整体呈现不显著上升趋势。
4摇 结论
基于我国西北旱区 152 个气象站 1961—2011
年温度、相对湿度、日照时数、风速等气象因子计算
ET0并分析其时空分异规律。 1961—2011 年西北旱
区 ET0年均值为 1100.4 mm,黄土高原南部靠近秦岭
的区域是低值中心,西北部沿东南-西北方向的条带
为高值中心。 ET0整体呈不显著上升趋势,但 64 和
36个站点分别呈显著的上升和下降趋势;西北旱区
ET0发生突变的年份东部较西部晚。 ET0的时空变异
是气象因子时空变化的组合效应,ET0对相对湿度和
最高温度的变化最敏感,但过去 50 年 ET0变化风速
的贡献率最大。
需要注意的是,以黄土高原西界为界线,ET0的
空间分布、时间变化、以及主导因子都存在明显的空
间变异,如界线以东地区 ET0主要呈上升趋势,发生
突变年份较界线以西滞后,温度作为主动因子主要
分布在界线以东。 除了气象因子导致了这些显著差
异,还有一个深层次原因,就是大气环流因子。 黄土
高原西界与季风和非季风界线非常接近,而我国夏
季风和冬季风系统分别从 70 年代中后期和 80 年代
中后期发生了明显变弱的年代际变化[34]。 从引言
部分可以发现,基于 2000年之前的数据分析时,ET0
多呈下降趋势[26鄄27],但基于最新数据的研究都表明
该区 ET0已呈上升趋势。 这表明西北旱区的 ET0变
化趋势发生了重要的改变,而这种上升趋势可能加
剧该区的水资源短缺等状况,进而影响该区的农业
生产和可持续发展,需要引起足够的重视。
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