內蒙古興安盟參考作物蒸散量時空變化及敏感性分析

高紅霞，唐紅艷，李 敏（.內蒙古興安盟氣象局，內蒙古烏蘭浩特 37400；2.內蒙古生態與農業氣象中心，內蒙古呼和浩特 0005）

農田土壤蒸發和植物蒸騰的總耗水量稱為蒸散量，是農田水分平衡的重要組成部分，但實際蒸散資料的獲取較為困難，常需要借助參考作物蒸散量（ET0）確定。ET0是平坦地面被矮桿綠色作物全部遮蔽、土壤充分濕潤情況下的蒸散量，是實際蒸散量的理論上限，它僅受氣象要素影響，反映了不同地區、不同時期大氣的蒸散能力，與作物種類、土壤類型等無關［1］。ET0是作物需水量預測的關鍵參數，可根據作物蒸散量的變化情況開展節水灌溉，提高農業水資源的利用率［2-3］。

近年來，國內外學者對ET0的變化及影響因素進行了大量研究。王鵬濤等［4］研究表明，華北平原ET0的主導因子為日照時數，平均風速次之；GOY?AL［5］分析全球變暖形勢下印度Rajasthan干旱區的ET0對平均氣溫、太陽輻射、風速、水汽壓的敏感性，發現其對氣溫最為敏感；李思思等［6］對北疆地區生長季ET0的研究指出，對ET0變化貢獻率最大的因子是平均風速；曾麗紅等［7］對東北地區ET0的敏感性分析表明，氣溫變化對ET0的影響最為明顯，其次是平均相對濕度；劉小莽等［8］對海河流域的研究表明，ET0對水汽壓的變化最為敏感；梁麗喬等［9］在松嫩平原的研究表明，該地區ET0對相對濕度響應最為敏感；李鵬飛等［10］對京津冀地區近50 a潛在蒸散量的變化分析表明，整個地區潛在蒸散量都在減少，東南部減少得更快；GONG等［11］研究表明長江流域ET0對相對濕度的變化最為敏感；趙福年等［12］認為1960—2009年石羊河流域ET0變化的主要決定因素是空氣飽和差；環海軍等［13］研究表明，魯中地區ET0蒸散量呈減少趨勢，3—6月、9—10月ET0的最敏感氣象要素為相對濕度，1—2月、11—12月為風速，7—8月為日照率。以上研究表明，不同區域氣象要素對ET0的影響存在較大差異。目前關于內蒙古地區ET0變化特征及成因的研究較少。筆者探討了氣候變暖背景下，內蒙古興安盟生長季參考作物蒸散量的時空變化及其對主要氣象要素的敏感性，以期為深刻認識氣候暖干化對當地農業生產的不利影響、合理利用水資源以及農業產業結構調整提供科學依據。

1 區域概況與研究方法

1.1 區域概況

興安盟位于內蒙古自治區東北部（44°14′～47°39′N，119°28′～123°38′E），屬中溫帶大陸性季風氣候區。選取興安盟8個國家氣象站1973—2017年逐日氣象觀測數據（圖1），包括平均氣溫、最高與最低氣溫、日照時數、降水量、風速和水汽壓等要素，計算各站點逐日參考蒸散量。以4—9月作為作物生長季，研究該時段興安盟ET0的時空變化特征及其對主要氣象要素的敏感性。

圖1 興安盟氣象觀測站點分布Fig.1 Distribution map of meteorological observation stations in Xing′an League

1.2 研究方法

1.2.1 參考作物蒸散量計算公式

1998年修訂的Penman?Monteith公式對干旱和濕潤區的ET0估算值都較為接近實測作物需水量［4］，得到了廣泛應用，其計算公式為

式（1）中，ET0為參考作物蒸散量，mm·d-1；Rn為地表凈輻射，MJ·m-2·d-1；Gi為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；γ為干濕表常數，kPa·℃-1；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa·℃-1；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高度處的平均風速，m·s-1；Es為飽和水汽壓，kPa；Ea為實際水汽壓，kPa。

利用上述公式計算興安盟8個站點的逐日參考蒸散量，再計算歷年生長季各站點的ET0日平均值，得出全盟歷年生長季日ET0。

1.2.2 基于偏導數的氣象要素敏感性分析

敏感性分析法是目前常用的一種數據分析方法，可定量描述模型輸入變量對輸出變量的重要性程度［14］。由于Penman?Monteith公式是多參數模型，每個參數的量綱和取值范圍不同，該研究采用ET0對各氣候因子的偏導數，將氣象因子對ET0的影響程度進行無量綱化處理［15-16］。具體計算方法為

式（2）中，vi為氣象因子；Svi為相應氣象因子的敏感系數，正值表示隨著vi的增加，ET0也增加，反之亦然。Svi絕對值越大，表明vi對ET0的影響程度越大，ET0對該參數的變化越敏感?？紤]到平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫之間的關系，采用3者敏感系數的平均值表征ET0對氣溫的敏感性。下文中STE、SWI、SSH、SWP分別表示氣溫、平均風速、日照時數和平均水汽壓的敏感系數。

1.2.3 數據分析方法

氣候要素的趨勢系數變化常采用一次線性方程表示，其斜率的10倍表示氣候要素的變化傾向率［17］，氣候變化傾向率為正值表示要素序列為上升趨勢，負值表示下降趨勢。筆者采用該方法對生長季主要氣象要素和參考作物蒸散量的時間變化特征進行分析。采用反距離加權（inverse distance weighted，IDW）插值法對各站點主要氣象要素的敏感系數進行空間插值，畫圖工具為ArcGIS 10.2軟件。

2 結果與分析

2.1 生長季主要氣象因子變化

對全盟8個國家站點1973—2017年生長季內主要氣象要素取平均值，繪制氣候變化傾向率曲線（圖2）。

圖2 1973—2017年興安盟生長季主要氣象要素平均值年際變化Fig.2 Interannual change of main meteorological elements average in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

通過圖2可知，全盟生長季平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫呈明顯上升趨勢，上升速率分別為0.42、0.35和0.54 ℃·（10 a）-1，變化趨勢均通過α=0.01的顯著性水平檢驗，表明在全球氣候變化的影響下興安盟存在顯著變暖趨勢。平均風速呈下降趨勢，下降速率為0.06 m·s-1·（10 a）-1，日照時數和平均水汽壓呈上升趨勢，上升速率分別為0.03 h·（10 a）-1和0.04 Pa·（10 a）-1，后3者變化趨勢均未通過顯著性檢驗。

2.2 生長季參考作物蒸散量時空分布特征

近45 a來興安盟生長季ET0平均值為765.9 mm。阿爾山、索倫、胡爾勒、音德爾、烏蘭浩特、突泉、巴彥呼舒和高力板生長季多年ET0平均值為600.9、729.0、743.2、795.1、786.9、863.3、871.8和737.0 mm。ET0大于800 mm的區域主要分布在突泉縣大部以及科右中旗中部，小于650 mm的區域主要分布在阿爾山市西北部，其余地區ET0均在700～800 mm之間。

興安盟生長季平均日ET0呈上升趨勢（圖3），上升速率為0.07 mm·（10 a）-1，上升趨勢不顯著，生長季日平均ET0最小值出現在1983年，為3.64 mm·d-1；最大值出現在2001年，為4.86 mm·d-1；均值為

圖3 興安盟生長季日平均ET0年際變化Fig.3 Interannual variation of average daily ET0growing season of Xing′an League

2.3 興安盟主要站點生長季參考作物蒸散量變化特征

從興安盟8個國家站點中選出分布于不同旗縣的6個站點作為主要站點，其生長季內主要氣象要素及日ET0歷年平均值見表1。由表1可知，歷年生長季日平均ET0值由西北向東南逐漸增加，最小值4.19 mm·d-1。

由生長季平均日ET0累積距平曲線（圖4）可以看出，興安盟1973—2017年生長季日平均ET0大致可劃分為5個特征明顯的階段：1973—1978年累積距平變化較小，說明這個時期生長季日平均ET0較為穩定；1978—1998年累積距平處于急劇下降階段，說明該階段生長季日平均ET0低于歷年平均值，為低蒸散時期；1998—2011年累積距平處于急劇上升階段，說明該階段生長季日平均ET0高于歷年平均值，為高蒸散時期；2011—2015年累積距平有所下降，表明該階段生長季日平均ET0較前一階段略有減小，且低于歷年平均值；2015—2017年累積距平再次上升，表明近2 a生長季日平均ET0開始增加，其趨勢與生長季日平均ET0年際變化趨勢基本一致。出現在阿爾山，為3.3 mm·d-1，最大值出現在巴彥呼舒，為4.8 mm·d-1。

圖4 興安盟生長季日平均ET0累積距平曲線Fig.4 Average daily ET0cumulative anomaly curve of Xing′an League during growing season

由圖5可知，近45 a來阿爾山、索倫、巴彥呼舒生長季日平均ET0呈顯著增加趨勢，均通過α=0.05水平的顯著性檢驗，突泉歷年日平均ET0變化趨勢不明顯，音德爾和烏蘭浩特呈弱下降趨勢。

表1 興安盟主要站點生長季內主要氣象要素與日ET0的平均值Table 1 Main meteorological elements and daily ET0of main stations in Xing′an League during growing season

2.4 生長季參考作物蒸散量對氣候因子的敏感性分析

2.4.1 敏感系數的時間變化特征

由圖6可知，歷年各氣候因子的敏感系數均呈一定幅度波動，其中氣溫、平均風速和日照時數敏感系數為正值，表明ET0隨著這3者的增加而增加，ET0僅對平均水汽壓表現為負敏感。對其敏感系數絕對值進行比較，|STE|＞ |SWP|＞ |SSH|＞ |SWI|，表明ET0對氣溫最敏感，對平均風速的敏感性較低。從年際變化上看，各要素敏感系數線性變化趨勢系數均接近于0，表明各要素敏感系數年際變化不大。

圖5 1973—2017年興安盟主要站點生長季日平均ET0變化Fig.5 Average daily ET0change curve of main stations in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

圖6 1973—2017年興安盟生長季ET0對主要氣象要素的敏感系數變化Fig.6 The sensitivity curve of ET0to major meteorological factors in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

2.4.2 敏感系數的空間分布特征

從ET0對各氣象要素敏感系數的空間分布（圖7）看，STE、SSH和SWP的高值區基本一致，主要分布在興安盟東部和南部地區，表明上述地區是ET0對氣溫、日照時數和水汽壓的敏感區。其中STE最高值出現在突泉，為2.69，最低值出現在阿爾山，為1.44；SSH最高值出現在高力板，為0.23，最低值出現在阿爾山，為0.18；SWP高值區出現在巴彥呼舒和高力板，絕對值均為0.37，最低值出現在阿爾山，絕對值為0.28。SWI高值區主要分布在興安盟北部大部以及東南角，上述地區為ET0對風速敏感區，SWI最高值出現在高力板，為0.17，最低值出現在突泉，為0.05。

圖7 興安盟生長季主要氣象要素敏感系數的空間分布Fig.7 Spatial distribution of sensitive coefficients of main meteorological elements in Xing′an League during growing season

3 結論

利用內蒙古興安盟1973—2017年逐日地面氣象觀測數據，分析了興安盟地區近45 a生長季ET0的時空變化特征，并采用基于偏導數的敏感性分析法初步探討了其對主要氣象要素的敏感性。結果表明：

（1）研究時段內氣溫、日照時數、水汽壓及ET0均呈上升趨勢，其中氣溫上升趨勢最為顯著，說明區域內ET0受氣溫升高影響，也呈現出增加趨勢，但由于受水汽壓上升產生的負影響，區域內ET0增加趨勢并不顯著。

（2）近45 a來興安盟生長季ET0平均值為765.9 mm，高值區主要分布在突泉縣大部以及科右中旗中部，低值區主要分布在阿爾山市西北部。其中1973—1978年為ET0穩定期，1978—1998年為低蒸散時期，1998—2011年為高蒸散時期，2011—2015年ET0較前一階段減小，且低于歷年平均值，2015—2017年ET0開始增加。阿爾山、索倫和巴彥呼舒生長季平均日ET0呈顯著增加趨勢，突泉變化趨勢不明顯，音德爾和烏蘭浩特呈弱的下降趨勢。

（3）興安盟生長季ET0對各氣候因子的敏感系數均呈一定幅度波動。其中氣溫、風速和日照時數敏感系數為正值，表明ET0隨著這3者的增加而增加，ET0僅對水汽壓負敏感，且對氣溫最敏感，其次是平均水汽壓，對風速敏感性較低。各要素敏感系數年際變化不大。

（4）STE、SSH和SWP的高值區基本一致，主要分布在興安盟東部和南部地區；SWI高值區主要分布在興安盟北部大部以及東南角。

筆者從局部探討了ET0對單一氣象要素的敏感性，但其變化受多種氣象要素共同影響，因此未來需進一步研究各要素交互作用對ET0的影響。