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); 霍英东基金(141016); 中央高校基本科研业务费(2014YQ003)资助
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 / stxb201306101623
赵姹,李志 ,刘文兆,王小静.泾河流域潜在蒸散量的时空变异.生态学报,2014,34(19):5600鄄5608.
Zhao C, Li Z, Liu W Z, Wang X J.Spatiotemporal characteristics of potential evapotranspiration during current and future period in the Jinghe watershed .
Acta Ecologica Sinica,2014,34(19):5600鄄5608.
泾河流域潜在蒸散量的时空变异
赵摇 姹1,李摇 志1,* ,刘文兆2,王小静1
(1. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌摇 712100;
2. 西北农林科技大学水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌摇 712100)
摘要:潜在蒸散量是水文循环中的重要变量,分析其当前特征并预测未来变化,对于区域干旱和水文特征分析具有重要的参考
意义。 基于 15个气象站点的日数据、NCEP 再分析数据以及 HadCM3的预测数据,在分析当前潜在蒸散量的基础上,应用统计
降尺度方法对泾河流域 21世纪的潜在蒸散量进行了预测。 结果表明,1961—2005年泾河流域潜在蒸散量年均值为 934郾 6 mm,
且存在空间差异,整体由东向西南方向递减;时间变化上呈不显著的上升趋势。 21 世纪泾河流域潜在蒸散量呈显著的上升趋
势,但存在季节差异,夏季增幅较大而冬季增幅较小;空间分布基本保持现有模式,但区域差异增大。 潜在蒸散量增加可能加剧
泾河流域的干旱状况,需提前采取一定的应对措施。
关键词:泾河流域;潜在蒸散量;统计降尺度;情景分析
Spatiotemporal characteristics of potential evapotranspiration during current and
future period in the Jinghe watershed
ZHAO Cha1, LI Zhi1,*, LIU Wenzhao2, WANG Xiaojing1
1 College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming of Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest Agriculture and Forestry
University, Yangling 712100, China
Abstract: Potential evapotranspiration (ET0 ) is a key variable of hydrological cycle and has important applications to
hydrological modeling and crop irrigation scheduling. Under the background of global warming, analyzing the spatiotemporal
characteristics of the present and future ET0 can provide important information for regional water resource management and
sustainable agricultural development. To study the impacts of ecological construction and climate change in the past 50 years
on the hydrology in the Jinghe watershed, some researches have assessed the changes of ET0 for the present period;
however, almost no study has focused on the potential changes of ET0 . The objective of this study is to project the change of
ET0 during 21
st century on the basis of the current ET0 analysis and further discuss its impacts on climate in the Jinghe
watershed. The data used in this study included daily weather data from 15 meteorological stations, NCEP reanalysis data
which reflects the quasi鄄observed climate condition and GCM grid outputs from HadCM3 under A2 and B2 scenarios.
Penman鄄Monteith (PM) method and statistical downscaling model ( SDSM) were used to calculate ET0 for the present
period of 1961—2005 and project ET0 for the future period of 2011—2099, respectively. The determination coefficient and
Nash– Sutcliffe model efficiency coefficient were used to assess the performance of SDSM. The inverse distance weighted
interpolation and nonparametric Mann鄄Kendall test was used to analyze the spatial distribution and temporal change of ET0,
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respectively. Results showed that ET0 calculated by PM formula correlated to the pan evaporation well, which means that the
estimated ET0 is reliable. With annual average of 934.6 mm for the present period, ET0 had a spatial difference decreasing
from the east to the southwestern part of the Jinghe watershed. An insignificant upward trend of annual ET0 was detected for
the present period and an abrupt change occurred in 1977. The monthly ET0 distributed as a single peak curve with the
greatest and smallest value in June and December, respectively. During 21st century, ET0 would greatly increase by 1.9 mm /
a and 0.9 mm / a under A2 and B2 emission scenarios, respectively. ET0 appeared to increase dramatically since 2049 and
have an upward abrupt change in 2061. Future ET0 also varied among seasons with the greatest increase in summer and the
least in winter. The spatial distribution of future ET0 was similar to the current period,but the regional difference would
increase over time. The aridity index calculated by the ratio of ET0 to precipitation revealed that the Jinghe watershed would
be threatened by more severe drought during 21st century, and most regions would have semiarid climate at the end of 21st
century though now it is a transition region with semiarid and subhumid climate. The uncertainties in this study are mainly
from GCM and downscaling method; however, as the GCM from HadCM3 used in this study has the best performances in
simulating Chinese climate and SDSM has good performances in downscaling the present ET0, the results should be reliable
and will be further validated with more GCM data and downscaling methods. The continuous increase in ET0 and drought
would aggravate the water shortage and further influence the ecological construction and regional development in the Jinghe
watershed; therefore, some countermeasures should be adapted in advance to minimize the adverse impacts.
Key Words: Jinghe watershed; potential evapotranspiration; statistical downscaling; scenario analysis
摇 摇 潜在蒸散量(ET0)是实际蒸散量的理论上限,也
是计算实际蒸散量的基础[1],在气候干湿状况分析、
水资源合理利用评价、农业作物需水与生产管理、生
态环境变化等研究中得到广泛应用[2鄄3]。 分析 ET0
的时空变异对研究气候变化的水文效应、植被耗水
长期演变等具有重要意义。 全球气候变化背景下,
处于半湿润向半干旱气候过渡地带的泾河流域过去
几十年暖干化趋势显著[4],降水减少、温度升高及极
端降水事件增多[5鄄7],年径流量减少,枯水出现年份
周期缩短[8鄄9],这都与蒸散的变化密切相关。 泾河流
域作为生态环境脆弱区及气候变化敏感区之一,ET0
的变化直接关系着流域的干湿状况、水资源演变和
植物需水。
部分研究通过计算或蒸发皿数据对泾河流域蒸
散量进行了分析。 杨小利等利用泾河流域上游 4 个
站点 1965—2010年的气象数据,发现 ET0在 1 个站
点显著增加,而其他站点变化不显著[10];王佩等通
过泾河流域 14 个气象站点 1957—2002 年器皿蒸发
数据,发现蒸发量降低[11];张淑兰等利用水文模型
SWIM对 1997—2003年泾河上游流域的实际蒸散量
及其各组分进行了估算[12],并进行了气候变化敏感
性分析,发现降水变化将导致蒸散具有相同的变化
方向[13]。 可见,由于站点和时段选择等原因,目前
针对泾河流域蒸散的研究尚不充分,特别是针对未
来气候变化下的 ET0分析薄弱。 全球气候变化背景
下,黄土高原进入 21世纪以后,降水增加,气候由暖
干趋向暖湿[14],与政府间气候变化专门委员会
(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)
第四次评估报告中对 21 世纪末关于降水减少的预
测有所不同。 因此,在分析泾河流域 ET0当前特征的
基础上预测其未来变化显得尤为重要。
未来气候变化预测多基于大气环流模式(GCM,
General Circulation Model)进行,但由于 GCM 分辨率
较低,输出的数据基于网格尺度(HadCM3(Hadley
Centre Coupled Model, version 3)的网格,经度伊纬度
= 2.5毅伊3.75毅),不能考虑小尺度的区域差异,在模拟
分析区域尺度的气候变化方面尚不理想[15]。 因此,
非常有必要对 GCM 数据进行降尺度以获得更加准
确的气候变化信息[16鄄17]。 降尺度有动力学和统计学
降尺度两种方法[18],其中,统计方法通过建立 GCM
与实测数据之间的统计关系预测未来气候变化,由
于容易实现并可按照当地条件进行校准而被广泛应
用。 但降尺度预测目前多应用于温度及降水的预
测[17],蒸散预测的应用相对较少。
本研究以泾河流域为研究区,在计算和分析当
前时期 ET0变化的基础上,对 HadCM3 输出的 A2 和
1065摇 19期 摇 摇 摇 赵姹摇 等:泾河流域潜在蒸散量的时空变异 摇
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B2情景数据进行降尺度预测 ET0,建立 21 世纪 20
年代,50年代和 80年代未来 3 个时期的 ET0变化情
景,分析该区 21世纪 ET0变化趋势,旨在为合理利用
水资源,应对气候变化提供科学决策依据。
1摇 数据与方法
1.1摇 研究区域与数据来源
泾河流域地处黄土高原中部(图 1),流经陕甘
宁 3省(区)31个县(市),流域面积 45421 km2,水土
流失面积 41375 km2。 流域处于半湿润鄄半干旱过渡
地带,为典型的温带大陆性气候。 气温和雨量由东
南向西北逐渐递减,年均气温 8—13 益,年均降水量
390—560 mm。 冬春干旱少雨,夏季多暴雨,旱灾较
频繁。 泾河流域地形复杂多样,是世界上水土流失
最严重的地区之一,80%以上的土地面临着水土
流失。
图 1摇 泾河流域位置及气象站点分布图
Fig. 1 摇 The location of the Jinghe watershed and the
meterological stations
研究使用的数据包括 3 部分:实测数据、NCEP
(National Centers for Environmental Prediction)再分
析数据和 GCM 预测数据。 实测数据来源于泾河流
域内部 15 个气象站点(图 1)1961—2005 年日序列
数据,包括降水、温度、相对湿度、风速和日照时数
等,用于计算当前时段的 ET0。 研究中需要借助反映
实际气候状况的再分析资料,由美国环境预报中心
(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR, the National
Center for Atmospheric Research)联合提供,时段为
1961—2000年,包括平均海平面气压、地表平均气
温、比湿、相对湿度等。 有研究表明,英国 Hadley 中
心的海气耦合模式(HadCM3)对东亚地区模拟效果
较好[19],因此本研究在 GCM 模式上选择 HadCM3,
同时基于泾河流域快速发展的趋势,选择 IPCC 在
2000年温室气体排放情景(SRES) [18]中提出的 A2
(高温室气体排放情景)和 B2(低温室气体排放情
景)两种情景。 HadCM3 在 A2 和 B2 排放情景下的
数据,包括两个时段:1961—2000 年和 2011—2099
年,其中 1961—2000年的 ET0、NCEP 数据用于当前
时段统计关系的建立,而 2011—2099 年的 HadCM3
数据用来基于建立的统计关系预测 21 世纪的 ET0
变化。
1.2摇 ET0计算与预测
采用联合国粮农组织(FAO, Food and Agriculture
Organization)推荐的 Penman鄄Monteith 公式[20]计算
ET0。 基于 15个气象站点的日数据计算日序列 ET0,
然后合并计算得到月值和年值。 将计算所得的泾河
流域 1961—2005年 ET0数据与实测蒸发皿数据进行
对比(图 2),可以看出利用 P鄄M 公式计算出的 ET0
与蒸发皿数据吻合程度较好。
图 2摇 1961—2005年泾河流域蒸发皿蒸发量同 ET0的比较
Fig.2 摇 Comparison of annual pan evaporation and ET0 from
1961 to 2005
基 于 SDSM ( Statistical Downscaling Model,
version 4.2)预测未来 ET0。 具体操作主要包括 3 个
步骤:
(1)预报因子选择摇 选择 ET0作为预报量,从 26
个大气环流变量中选择预报因子,通过偏相关系数、
校准和验证效果等选择最佳预报因子组合。
(2)模型率定与验证摇 将 1961—2000 年的 3 类
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数据分成 1961—1980年和 1981—2000年 2个时段,
分别用于模型的率定与验证。 使用 1961—1980 年
数据,基于选定的预报因子与预报变量,建立实测数
据与 NCEP 再分析数据的统计关系,完成模型校准。
将建立的统计关系,应用于 1981—2000 年的 NCEP
再分析数据,生成预报量在该时段的日序列,对比分
析模拟序列与实测序列间的吻合程度。
(3)预测未来 ET0 摇 针对未来 3个时段(21世纪
20年代,50 年代,80 年代),将 HadCM3 输出的大气
环流因子输入 SDSM 建立的统计模型中,生成各个
站点的未来日序列数据,分析未来 ET0变化趋势。
按上述步骤对每个站点进行重复操作,即可得
到全流域的 ET0变化趋势预测结果。
运用决定系数 D[20] 和模型效率系数 E[21] 对
SDSM降尺度效果进行评估,其中:
D =
移 qc - q( )c 2 - 移 qc - q( )est 2
移 qc - q( )c 2
E = 1 -
移 qc - q( )e 2
移 qc - q( )c 2
式中, qc为实测值, qc为实测值的平均值, qest为线性
回归模型拟合值, qe 为模拟值。 D 和 E 取值范围为
0—1,越接近 1,表示模拟精度越高。
1.3摇 ET0时空分析
运用反距离权重插值法分析当前和未来 ET0的
空间分布。 运用 Mann鄄Kendall 方法对 ET0年际变化
进行单调趋势和突变分析。 使用 t 检验分析未来
ET0变化的显著性,比较其与基准期 ET0差异的显著
程度,使用 0.05的显著性水平。 上述操作,均使用各
站点数据进行。
2摇 结果与分析
2.1摇 1961—2005年 ET0空间分布与时间变化
1961—2005年泾河流域 ET0年均值为 934. 6
mm。 由 1961—2005年 ET0的空间分布(图 3)可以
看出,流域大部分地区的年均 ET0> 910 mm / a,低值
出现在流域西南部(< 870 mm / a),高值则出现在东
南及北部少部分地区(> 970 mm / a)。
泾河流域 ET0在 1961—2005 年间不断波动,最
小值和最大值分别出现在 1964 年和 1995 年,总体
上仅具有一个不显著的上升趋势 (图 4)。 利用
图 3摇 1961—2005年泾河流域 ET0的空间分布
Fig.3 摇 The spatial distribution of annual average ET0 in the
Jinghe watershed during 1961—2005
Mann鄄Kendall法对流域 15个站点的年 ET0进行趋势
检验,得出 15 个气象站点中 5 个站点具有上升趋
势,10个站点具有下降趋势,但具有显著上升和显著
下降趋势的站点均只有 1 个。 从突变检验的结果
(图 4)来看,ET0在 1978 年发生减少的突变,而进入
20世纪 90年代以后又呈不断增加的趋势。
泾河流域 1961—2005年 ET0的年内分布随月份
变化呈单峰曲线变化。 ET0自 1月开始快速上升在 6
月达到最大,之后逐渐减小,12 月出现最小值。 ET0
的季节分布为夏季>春季>秋季>冬季。 春夏秋冬
ET0分别占多年平均 ET0的 30.7%、41.8%、17.5%和
9.8%。 高温低湿,强辐射,长日照,与夏季 ET0高值
的形成密切相关。
2.2摇 2011—2099年的 ET0趋势预测
2.2.1摇 SDSM降尺度效果评估
由于降尺度的各环节中存在一些不确定性,故
非常必要对统计降尺度模型的效果进行评估,从而
为未来 ET0预测的可靠性提供参考。 由泾河流域
ET0计算值与模拟值的日序列散点图(图 5),可以看
出,线性回归的斜率和决定系数均接近 1;率定期和
验证期的模型效率系数分别为 0.76 和 0.82。 因此,
根据决定系数和模型效率系数对模拟精度的评定标
准,认为 SDSM对流域 ET0的降尺度效果较好,且在
泾河流域具有较好的适用性,可用于该流域未来 ET0
的降尺度预测,预测结果具有一定的可靠性。
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图 4摇 1961—2005年泾河流域年 ET0的变化趋势及突变情况
Fig.4摇 The temporal trend and abrupt change of Annual ET0
in the Jinghe watershed during 1961—2005
2.2.2摇 21世纪 ET0的空间分布
未来 3个时期泾河流域 ET0的空间分布在 A2
和 B2情景下基本相似,故仅给出 ET0在 21 世纪 80
年代时期 B2情景下变化的空间分布(图 6)。 可以
看出,未来流域内 ET0将普遍增大,但增幅存在空间
变异;东部区域增幅最大,到 21 世纪 80 年代 ET0将
普遍增加 12%以上;西部 ET0增幅相对较小,特别是
西南部地区增幅最小( <3%)。 1961—2005 年流域
北部属于 ET0高值区,而此区未来 ET0增幅较小,将
导致高值区逐渐集中到流域的东南部。 因此,泾河
流域 21世纪 ET0的空间分布将基本保持现有模式,
但区域差异将随时间的推移不断增大。
2.2.3摇 21世纪 ET0的时间变化
21世纪泾河流域 ET0总体上在两种排放情景下
均显著上升,2049 年开始呈现显著上升趋势,2061
年发生突变(图 7),但 A2 情景下 ET0的变化速度较
B2情景大,分别为 1.9 mm / a 和 0.9 mm / a。 同时趋
势检验结果表明,13 个站点(总数 15 个)的 ET0在
图 5摇 泾河流域率定期及验证期日 ET0计算与模拟值比较
Fig. 5 摇 Comparison of daily ET0 between calculated and
downscaled series of Jinghe watershed during calibration and
validation period
图 6摇 B2情景下 21世纪 80年代泾河流域 ET0变化的空间分布
Fig.6 摇 The spatial distribution of potential evapotranspiration
change of Jinghe watershed in 2080s under the B2 scenario
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A2和 B2情景下未来 3个时期均显著增加,1个站点
(甘肃平凉)不显著,1个站点(甘肃环县)A2 情景下
变化显著而 B2 情景下不显著。 可见,泾河流域 21
世纪 ET0的上升趋势具有普遍性。
从泾河流域未来 3个时期(21世纪 20,50,80年
代)各月 ET0较基准期的变化(图 8),可以看出,不论
是 A2还是 B2 情景下,增幅最高的月份均为 8 月。
而对于增幅最低月份,A2情景下为 12月,B2情景下
则为 2月。 除 A2情景下的 21世纪 20年代和 B2 情
景下的 21 世纪 20 年代,80 年代增幅最大的季节为
春季外,B2情景下 21 世纪 50 年代及 A2 情景下的
21世纪 50年代和 21世纪 80年代为夏季增幅最大,
也就是说,泾河流域 21 世纪的 ET0增加与夏季 ET0
的贡献密切相关。
图 7摇 泾河流域 2011—2099年 A2、B2情景下的年 ET0变化及 B2情景下未来 ET0的突变情况
Fig.7摇 Temporal change of annual ET0 under the two emission scenarios A2 and B2 from 2011 to 2099 and the abrupt of future ET0 under
B2 scenario in the Jinghe watershed
图 8摇 泾河流域未来 3个时期的月 ET0相较于基准期的变化情景
Fig.8摇 Scenarios in the change of potential evapotranspiration in the Jinghe watershed in the 3 future periods compared with reference
period(percentage difference)
3摇 讨论
基于 2000 年以前数据的相关研究发现全国绝
大多数流域和西北地区的蒸发量均呈减少趋
势[1, 21鄄24],但 Liu 等基于 1961—2006 年和李志基于
1961—2009年的 ET0数据发现黄土高原多数站点的
ET0显著增大[25鄄26]。 此种差异可能主要由研究时段
的选择导致。 本研究 1961—2005年泾河流域 ET0的
变化趋势与基于最新数据进行分析的黄土高原的结
果[26]相似。 上述结果表明,尽管由于数据可得性,
本研究仅使用 1961—2005年的数据对当前时段 ET0
进行分析,但相关研究结果是可信的。 21 世纪泾河
流域 ET0的变化趋势与黄土高原[27]及渭河流域[28]
的相关研究结果一致。
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预测的 ET0具有广泛的用途,例如结合降水使用
干旱指数(Aridity index, AI = ET0 / P),可以评估区
域的干湿状况。 基于降尺度预测的 ET0和同时预测
的降水变化(结果未给出),发现泾河流域 21 世纪干
旱指数在 A2 和 B2 情景下都呈显著的增大趋势(图
9),表明泾河流域 21 世纪可能受干旱威胁更加严
重,且 21世纪后半叶干旱最为严重。 按照干旱指数
对干湿状态的界定(湿润:0.375臆AI<0.75;半湿润:
0.75臆AI<2;半干旱:2臆AI<5;干旱:5臆AI<12) [29],
1961—2005年泾河流域虽属于半湿润半干旱的过渡
区域,但大部区域是半湿润地区(图 10);然而即使
是估算比较保守的 B2 情景下,泾河流域 21 世纪 80
年代已经基本全部变为半干旱区。 可见,泾河流域
21世纪的干旱状况会随时间加剧,同时受影响区域
会不断扩展,这必然会影响该区的农业生产和生态
建设,需提前采取措施减缓这些不利影响。
图 9摇 SDSM降尺度预测下泾河流域 21世纪的干旱指数
Fig.9摇 The aridity index of 21st century in the Jinghe watershed using statistical downscaling projection
图 10摇 泾河流域 1961—2005年干旱指数及 B2情景下 21世纪 80年代干旱指数的空间分布
Fig.10摇 The distribution of aridity index in current period (1961—2005) and 2080s under B2 scenario in the Jinghe watershed
摇 摇 为降低气候预测的不确定性,通常使用多个
GCM在多种排放情景下的数据进行相关研究。 由
于数据可得性,本研究只采用了 HadCM3 这一模式,
但相关研究表明 HadCM3 在中国具有较好的适用
性[30鄄32],因此可在一定程度上降低 GCM带来的不确
定性。 降尺度方法也是不确定性的重要来源,特别
是使用 SDSM 进行降水预测时效果往往较差,但研
究表明 SDSM在温度和蒸散发等方面的降尺度效果
较好[27, 31],这从本研究中的降尺度效果评估也能反
映出来。 基于上述不确定性,需在其他 GCM 预报因
子能够获取时继续开展深入研究,对本研究结果进
行验证。
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4摇 结论
本研究在分析泾河流域 1961—2005年 ET0的时
空特征的基础上,应用 SDSM 统计降尺度模型基于
HadCM3在 A2、B2 情景下的数据对泾河流域 21 世
纪的 ET0进行了预测。 结果表明,1961—2005 年泾
河流域 ET0年均值为 934.6 mm;空间分布上,ET0自
东部向西南方向递减;时间变化上,呈不显著的上升
趋势。 21世纪泾河流域 ET0将普遍增长,空间分布
将基本保持现有模式,但区域差异将随时间推移不
断增大;ET0总体上处于显著上升趋势。 ET0的变化
将加剧泾河流域的干旱状况,导致水资源短缺,威胁
该区的农业生产和生态建设,因此,需提前采取应对
措施。
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