变化环境下横断山区参考作物蒸散量时空分布及成因分析

申官正，王 龙，余 航，魏 琼

(云南农业大学水利学院，昆明 650201)

0 引 言

近百年来，伴随人类社会的发展进步，全球自然气候也随之剧变[1]。据IPCC第5次评估报告所述，1880-2012年全球增温0.85 ℃[2]，近30年而言，全球气温处于近1 400 年来的最高值。全球升温趋势俨然成为全球气候变化的重要诱因[3]。随着温度的升高，水资源的变化必然首当其冲，水资源的变化将会作用于各个国家的农业、林业及社会等方方面面[4]。因此，对气候变化的研究势在必行[5]。

蒸发为地球水循环中不可或缺的一环，其重要性不言而喻。但是，由于实际蒸散量观测值等气象资料的缺失[6]，人们通常通过使用潜在蒸散量代替实际蒸散量进行研究，也称参考作物蒸散量。参考作物蒸散量不仅是气候变化、水资源利用、计算作物生产潜力等的指标。而且对农业水资源利用、能源供应及生态环境意义非凡[7-11]。

横断山区位于我国地形第一阶梯与第二阶梯交界处，即地处青藏高原向云贵高原和四川盆地的过渡地带[12]。近年来，随着对青藏高原气候变化的深入研究，青藏高原被认为世界气候的“第三极”，其对于世界范围内气候变化意义得以验证。但对横断山区的研究相去甚远，因此，深入系统的研究横断山区潜在蒸散量时空变化及其成因，对横断山区水资源合理配置、区域经济发展及区域社会稳定等意义重大[13-17]。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

横断山区幅员辽阔，其范围包括青藏高原东南缘，川滇藏境内山川东西并列，南北纵横的广大地区。位于我国第二地形阶梯，因其为云贵高原及四川盆地的过渡区，故而地形以高原与盆地为主，是我国最典型的南北向山系。研究区内季节干湿分明，大气环流在本研究区作用明显。研究区内地势险峻，地表结构对研究区的差异性自然分区起不可或缺的作用。研究区内降水分布极不均匀，西南部的高黎贡山西部年降水达到1 300 mm以上，但是在巴塘得荣一线降水仅为300 mm左右。在考虑地形地势因素及气象站气象资料基础上，本文暂定研究区范围为：北线为昌都-甘孜-若尔盖一线，西线为昌都-察隅-腾冲-思茅一线，南线为思茅-江城一线，东线为元江-盐源-若尔盖一线，研究区界定如图1所示[12]。

图1 研究区范围及站点分布Fig.1 Study area and site distribution

1.2 ET0的计算

利用联合国粮农组织推荐的彭曼公式如下所示[18]：

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rn为冠层表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d);Δ为饱和水汽压曲线在气温为T时的斜率，kPa/℃；T为日平均气温，℃；γ为干湿表常数，kPa；U2为距地面2 m处的风速，m/s；ea为饱和水汽压，kPa；es为实际水汽压，kPa。

1.3 ET0的分析方法

本文采用MATLAB编程计算出了1960-2013年横断山区逐月参考作物蒸散量，通过SPSS软件分析横断山区参考作物蒸散量空间与时间尺度下的相关性及显著性，通过MORLET小波分析、EOF分析及MANN-KENDELL突变性分析等方法揭示了横断山区参考作物蒸散量时空分布规律及成因[19-23]。

2 横断山区参考作物蒸散量空间分布

2.1 横断山区参考作物蒸散量空间分布特征

横断山区1960-2013年平均参考作物蒸散量为945.20 mm，年平均参考作物蒸散量值相较全国同期均值偏高。研究区内年平均参考作物蒸散量空间分布极不均匀，年平均参考作物蒸散量在720.0～1 403.8 mm间浮动，其空间分布格局表现为图2所示，研究区北部低于南部，西部低于东部，差异显著。研究区东北部毗邻四川盆地，若尔盖-都江堰一线为研究区年平均参考作物蒸散量低值区，最低值为727.0 mm(若尔盖)，高值区为小金一带；研究区西北部地接青藏高原，昌都-甘孜-稻城一线年平均参考作物蒸散量多分布于800～1 100 mm之间，区域差异性不明显，高值出现在巴塘一带，表明巴塘一带蒸散发强烈；研究区中南部地处云贵高原，香格里拉-元江一线为研究区年平均参考作物蒸散量高值区，蒸散发现象强烈，最高值为1 403.8 mm(元江)，低值为江城一带。

图2 横断山区年平均参考作物蒸散量分布Fig.2 Average annual reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

2.2 横断山区参考作物蒸散量空间分布成因分析

对研究区31个气象站点1960-2013年平均参考作物蒸散量与各气象站点的经纬度及海拔进行相关性分析，分析研究区年平均蒸散量变化与经纬度及海拔的关系，如表1所示。

表1 横断山区年平均参考作物蒸散量与海拔及经纬度相关性分析Tab.1 Correlation analysis of annual average referenceevapotranspiration and altitude and latitude andlongitude in Hengduan Mountains

研究区31个气象站点海拔分布差异性明显，海拔与横断山区年平均参考作物蒸散量相关性明显，通过a=0.05的显著性检验，呈负相关，相关系数为-0.514 4，表明海拔越高，平均参考作物蒸散量越低，表现为高海拔地区年平均参考作物蒸散量低于低海拔地区，山区低于盆谷地；研究区31个气象站点位于北纬22°～34°之间，横跨12°。纬度与横断山区年平均参考作物蒸散量相关性最高，通过a=0.05的显著性检验，呈负相关，相关系数为-0.624，表明纬度越高，年平均参考作物蒸散量越低，表现为研究区北部年平均蒸散量低于南部，高值区多集中于北纬22°～28°之间；研究区31个气象站点位于东经95°～105°之间。经度与年平均参考作物蒸散量相关性不显著，相关系数仅为-0.087 9。

利用多元逐步回归法对横断山区年平均参考作物蒸散量和海拔、经纬度等地理要素进行回归分析，得到回归方程式：

ET0=1 802.12-0.023 1h-23.06N-1.56E

(R2=0.398 8)

(1)

式中：ET0为年平均参考作物蒸散量，mm；h为海拔高度，m；N为纬度，(°)；E为经度，(°)。

式(1)将年平均参考作物蒸散量与海拔、经纬度的关系定量化。该式表明，研究区内，海拔每升高100 m年平均参考作物蒸散量减少2.3 mm，纬度向北偏移1°年平均参考作物蒸散量减少23.06 mm，经度向东偏移1°年平均参考作物蒸散量减少1.56 mm。

横断山区年平均参考作物蒸散量空间分布差异性明显，为深入分析导致差异性频现的内在原因，现对横断山区31个站点1960-2013年平均参考作物蒸散量与年平均温度、年平均相对湿度、年平均风速、年平均日照时数、年平均最低温度、年平均最高温度和年平均降雨等气象资料进行相关性及贡献率分析，结果如表2所示。

表2 横断山区年平均参考作物蒸散量与气象要素相关性分析Tab.2 Correlation analysis of annual average referenceevapotranspiration and meteorological factors in Hengduan Mountains

横断山区年平均参考作物蒸散量与年平均相对湿度及年平均降水呈显著负相关，并通过了a=0.05的显著性检验，年平均相对湿度对横断山区年平均参考作物蒸散量变化贡献值最高，达17.95%。横断山区年平均参考作物蒸散量与年平均温度、年平均最低温度、年平均最高温度及年平均日照时数呈显著正相关，并通过了a=0.05的显著性检验，其中年平均最高温度对横断山区年平均参考作物蒸散量变化贡献值最高，达16.87%。横断山区年平均参考作物蒸散量与年平均风速及年平均最低温度相关性不显著，但二者作用仍不可忽视。

对以上7种气象要素与年参考作物蒸散量进行多元逐步回归分析，将7种气象要素与年平均参考作物蒸散量之间关系定量化，得到下列公式：

ET0=469.38+22.86T1-3.70e+43.42U+46.36S+

3.93T2+8.83T3-0.04RR2=0.947 6

(2)

式中：ET0为年参考作物蒸散量，mm；T1为年平均温度；e为年平均相对湿度；U为年平均风速；S为年平均日照时数；T2为年平均最低温度；T3为年平均最高温度；R为年平均降水。

式(2)可推广运用于横断山区参考作物蒸散量的计算，其代表的含义为，横断山区内，年平均气温每上升1°，年平均参考作物蒸散量增加22.86 mm；年平均相对湿度每上升1%，年平均

参考作物蒸散量减少3.70 mm；年平均风速每增加1 m/s，年参考作物蒸散量增加43.42 mm；年平均日照时数每增加1 h，年平均参考作物蒸散量上升46.36 mm；年平均最低气温每上升1°，年平均参考作物蒸散量增加3.93 mm；年平均最高气温每上升1°，年平均参考作物蒸散量增加8.83 mm；年平均降雨量每增加100 mm，年平均参考作物蒸散量降低4 mm。

2.3 横断山区年平均参考作物蒸散量EOF分析

通过对横断山区1960-2013年31个气象站点逐年平均参考作物蒸散量矢量及平滑处理，对处理结果进行EOF分解，得到各载荷向量，表3给出前4个载荷向量的解释方差、方差贡献率及方差累积贡献率。由表中结论可知，横断山区年均参考作物蒸散量EOF分解收敛性显著，前四载荷向量累积贡献率为84.13%，其中第一载荷向量最大，方差贡献率达42.30%。因第五荷载向量方差贡献率小于3%，故认定前四方差贡献为主成分。对各站点进行EOF分解，其前四载荷向量空间分布如图3所示。

表3 前四载荷向量方差分析Tab.3 Load vector variance analysis

横断山区年均参考作物蒸散量EOF分解第一主成分方差贡献率为42.30%，解释方差达49.458。如图3(a)所示：全区时间系数第一模态空间场分布均大于0，表明横断山区参考作物蒸散量变化保持高度区域一致性，尽管研究区幅员辽阔，海拔高低不同，气候变化万千，但全区参考作物蒸散量分布保持较高的一致性。高值区多分布于研究区东北部若尔盖-松潘一线及新龙-小金一线、研究区中部维西-盐源一线及研究区南部元江一带。表明上述区域为年平均参考作物蒸散量浮动变化强烈区域，低值区多分布于研究区西北部昌都-巴塘一线及研究区中南部大理-保山一线，全区分布呈间断状分布；横断山区年均参考作物蒸散量EOF分解第二主成分方差贡献率为24.049%，解释方差达28.118 8。如图3(b)所示：全区时间系数第二模态空间分布均小于0，时间系数高值区多分布于第一模态恰好相反，更能说明空间断状分布特征显著；横断山区年均参考作物蒸散量EOF分解第三与第四主成分方差贡献率分别为12.259 1%与5.522 2%。如图3(c)及图3(d)所示：其空间分布极为相似。其空间分布均存在两条“零线”，一为甘孜-九龙-贡山一线，该线将研究区北部分为西北部及东北部差异性显著的两个区域，即西北部干旱少雨而东北部相对较为湿润；二为保山-大理-景东一线，该线恰将研究区中部与南部隔断，局部变异性明显。

图3 横断山区年平均参考作物蒸散量前四载荷向量空间分布Fig.3 Spatial distribution of the first four years of the reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

3 横断山区参考作物蒸散量时间分布

3.1 横断山区参考作物蒸散量时间分布

横断山区1960-2013年平均参考作物蒸散量递增趋势明显，如图4(a)倾向率为4.5 mm/10 a。为分析54年间参考作物蒸散量阶段性变化特征，引入累积距平这一个概念，横断山区参考作物蒸散量累积距平是1960-2013年逐年参考作物蒸散量与均值偏差的累积值。从累积距平曲线图4(b)可得，1969、1984及2004年为参考作物蒸散量的转折点。1960-1969年是参考作物蒸散量偏少的阶段，以负距平为主，呈现较小的减少趋势，其倾向率为-1.74 mm/10 a;1970-1984年是参考作物蒸散量偏多的阶段，以正距平为主，呈现微弱的增长趋势，其倾向率为0.28 mm/10 a;1985-2004年为参考作物蒸散量偏少的阶段，以负距平为主，呈现微弱的增长趋势，其倾向率为0.41 mm/10 a;2005-2013年为参考作物蒸散量偏多的阶段，以正距平为主，呈现较大的增长趋势，其倾向率为35 mm/10 a。近54年来，最小距平值(-43.88 mm)出现在2000年，最大距平值(52.27 mm)出现在2013年。

图4 横断山区年平均参考作物蒸散量及距平曲线Fig.4 Mean annual reference crop evapotranspiration and its anomaly curve in Hengduan Mountains

3.2 横断山区参考作物蒸散量周期性分析

3.2.1 横断山区年平均参考作物蒸散量周期性分析

基于横断山区31个气象站点1960-2013年平均参考作物蒸散量时间序列的距平基础上，并对序列距平结果进行连续Morlet小波变换，求得年平均参考作物蒸散量多时间尺度周期变化规律。如图5所示：小波系数实部反映出时间尺度信号在不同尺度下位相及强烈程度两方面的信息，正位相代表年平均参考作物蒸散量偏多的时期，负位相代表年平均参考作物蒸散量偏少的时期。

横断山区年平均参考作物蒸散量小波分析图存在25～30 a左右的强周期位相变化，表明横断山区年平均参考作物蒸散量主周期为27 a。在横断山区年平均参考作物蒸散量主周期内，1970-1983年及1994-2002年两时段为正位相，表明上述两时段内横断山区年平均参考作物蒸散量较大；而1960-1969年、1984-1993年及2003-2009年内呈现负相位，表明上述三时段内横断山区年平均参考作物蒸散量较小。与上文结论相符。

图5 横断山区年平均参考作物蒸散量小波分析Fig.5 Wavelet analysis of annual average reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

3.2.2 横断山区四季平均参考作物蒸散量周期性分析

横断山区四季平均参考作物蒸散量除冬季出现21 a的次周期外，其余均保持与横断山区年参考作物蒸散量主周期一致，如图6所示。表明横断山区冬季平均参考作物蒸散量变化剧烈，需更多重视冬季农业用水，防止干旱的发生。

图6 横断山区四季平均参考作物蒸散量小波分析Fig.6 Wavelet analysis of average reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

4 结 论

4.1 空间特征

横断山区1960-2013年年平均参考作物蒸散量为945.20 mm，高于全国同期参考作物蒸散量均值；其空间分布呈现“南部高于北部，东部高于西部，盆谷地高于山地”，造成上述特征的内因为海拔、经纬度及各气象要素的共同作用，换言之，即：海拔低、纬度低、平均温度高、日照相对充足、风速大、相对湿度小及降水少的区域，参考作物蒸散量相应较大，反之较小；通过对横断山区年平均参考作物蒸散量进行EOF分析表明，横断山区西北部与东北部反向变化趋势明显，保山-大理一线与南部及中部空间变异性显著。

4.2 时间特征

横断山区1960-2013年平均参考作物蒸散量递增趋势明显，倾向率为4.5 mm/10 a；1969、1984及2004年为横断山区年平均参考作物蒸散量的转折点；横断山区年平 均参考作物蒸散量主周期为27a，横断山区四季平均参考作物蒸散量除冬季外均保持与横断山区年平均参考作物蒸散量周期一致性。

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