内蒙古兴安盟参考作物蒸散量时空变化及敏感性分析

高红霞，唐红艳，李 敏（.内蒙古兴安盟气象局，内蒙古乌兰浩特 37400；2.内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古呼和浩特 0005）

农田土壤蒸发和植物蒸腾的总耗水量称为蒸散量，是农田水分平衡的重要组成部分，但实际蒸散资料的获取较为困难，常需要借助参考作物蒸散量（ET0）确定。ET0是平坦地面被矮杆绿色作物全部遮蔽、土壤充分湿润情况下的蒸散量，是实际蒸散量的理论上限，它仅受气象要素影响，反映了不同地区、不同时期大气的蒸散能力，与作物种类、土壤类型等无关［1］。ET0是作物需水量预测的关键参数，可根据作物蒸散量的变化情况开展节水灌溉，提高农业水资源的利用率［2-3］。

近年来，国内外学者对ET0的变化及影响因素进行了大量研究。王鹏涛等［4］研究表明，华北平原ET0的主导因子为日照时数，平均风速次之；GOY⁃AL［5］分析全球变暖形势下印度Rajasthan干旱区的ET0对平均气温、太阳辐射、风速、水汽压的敏感性，发现其对气温最为敏感；李思思等［6］对北疆地区生长季ET0的研究指出，对ET0变化贡献率最大的因子是平均风速；曾丽红等［7］对东北地区ET0的敏感性分析表明，气温变化对ET0的影响最为明显，其次是平均相对湿度；刘小莽等［8］对海河流域的研究表明，ET0对水汽压的变化最为敏感；梁丽乔等［9］在松嫩平原的研究表明，该地区ET0对相对湿度响应最为敏感；李鹏飞等［10］对京津冀地区近50 a潜在蒸散量的变化分析表明，整个地区潜在蒸散量都在减少，东南部减少得更快；GONG等［11］研究表明长江流域ET0对相对湿度的变化最为敏感；赵福年等［12］认为1960—2009年石羊河流域ET0变化的主要决定因素是空气饱和差；环海军等［13］研究表明，鲁中地区ET0蒸散量呈减少趋势，3—6月、9—10月ET0的最敏感气象要素为相对湿度，1—2月、11—12月为风速，7—8月为日照率。以上研究表明，不同区域气象要素对ET0的影响存在较大差异。目前关于内蒙古地区ET0变化特征及成因的研究较少。笔者探讨了气候变暖背景下，内蒙古兴安盟生长季参考作物蒸散量的时空变化及其对主要气象要素的敏感性，以期为深刻认识气候暖干化对当地农业生产的不利影响、合理利用水资源以及农业产业结构调整提供科学依据。

1 区域概况与研究方法

1.1 区域概况

兴安盟位于内蒙古自治区东北部（44°14′～47°39′N，119°28′～123°38′E），属中温带大陆性季风气候区。选取兴安盟8个国家气象站1973—2017年逐日气象观测数据（图1），包括平均气温、最高与最低气温、日照时数、降水量、风速和水汽压等要素，计算各站点逐日参考蒸散量。以4—9月作为作物生长季，研究该时段兴安盟ET0的时空变化特征及其对主要气象要素的敏感性。

图1 兴安盟气象观测站点分布Fig.1 Distribution map of meteorological observation stations in Xing′an League

1.2 研究方法

1.2.1 参考作物蒸散量计算公式

1998年修订的Penman⁃Monteith公式对干旱和湿润区的ET0估算值都较为接近实测作物需水量［4］，得到了广泛应用，其计算公式为

式（1）中，ET0为参考作物蒸散量，mm·d-1；Rn为地表净辐射，MJ·m-2·d-1；Gi为土壤热通量，MJ·m-2·d-1；γ为干湿表常数，kPa·℃-1；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa·℃-1；T为平均气温，℃；U2为2 m高度处的平均风速，m·s-1；Es为饱和水汽压，kPa；Ea为实际水汽压，kPa。

利用上述公式计算兴安盟8个站点的逐日参考蒸散量，再计算历年生长季各站点的ET0日平均值，得出全盟历年生长季日ET0。

1.2.2 基于偏导数的气象要素敏感性分析

敏感性分析法是目前常用的一种数据分析方法，可定量描述模型输入变量对输出变量的重要性程度［14］。由于Penman⁃Monteith公式是多参数模型，每个参数的量纲和取值范围不同，该研究采用ET0对各气候因子的偏导数，将气象因子对ET0的影响程度进行无量纲化处理［15-16］。具体计算方法为

式（2）中，vi为气象因子；Svi为相应气象因子的敏感系数，正值表示随着vi的增加，ET0也增加，反之亦然。Svi绝对值越大，表明vi对ET0的影响程度越大，ET0对该参数的变化越敏感。考虑到平均气温、最高气温和最低气温之间的关系，采用3者敏感系数的平均值表征ET0对气温的敏感性。下文中STE、SWI、SSH、SWP分别表示气温、平均风速、日照时数和平均水汽压的敏感系数。

1.2.3 数据分析方法

气候要素的趋势系数变化常采用一次线性方程表示，其斜率的10倍表示气候要素的变化倾向率［17］，气候变化倾向率为正值表示要素序列为上升趋势，负值表示下降趋势。笔者采用该方法对生长季主要气象要素和参考作物蒸散量的时间变化特征进行分析。采用反距离加权（inverse distance weighted，IDW）插值法对各站点主要气象要素的敏感系数进行空间插值，画图工具为ArcGIS 10.2软件。

2 结果与分析

2.1 生长季主要气象因子变化

对全盟8个国家站点1973—2017年生长季内主要气象要素取平均值，绘制气候变化倾向率曲线（图2）。

图2 1973—2017年兴安盟生长季主要气象要素平均值年际变化Fig.2 Interannual change of main meteorological elements average in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

通过图2可知，全盟生长季平均气温、最高气温、最低气温呈明显上升趋势，上升速率分别为0.42、0.35和0.54 ℃·（10 a）-1，变化趋势均通过α=0.01的显著性水平检验，表明在全球气候变化的影响下兴安盟存在显著变暖趋势。平均风速呈下降趋势，下降速率为0.06 m·s-1·（10 a）-1，日照时数和平均水汽压呈上升趋势，上升速率分别为0.03 h·（10 a）-1和0.04 Pa·（10 a）-1，后3者变化趋势均未通过显著性检验。

2.2 生长季参考作物蒸散量时空分布特征

近45 a来兴安盟生长季ET0平均值为765.9 mm。阿尔山、索伦、胡尔勒、音德尔、乌兰浩特、突泉、巴彦呼舒和高力板生长季多年ET0平均值为600.9、729.0、743.2、795.1、786.9、863.3、871.8和737.0 mm。ET0大于800 mm的区域主要分布在突泉县大部以及科右中旗中部，小于650 mm的区域主要分布在阿尔山市西北部，其余地区ET0均在700～800 mm之间。

兴安盟生长季平均日ET0呈上升趋势（图3），上升速率为0.07 mm·（10 a）-1，上升趋势不显著，生长季日平均ET0最小值出现在1983年，为3.64 mm·d-1；最大值出现在2001年，为4.86 mm·d-1；均值为

图3 兴安盟生长季日平均ET0年际变化Fig.3 Interannual variation of average daily ET0growing season of Xing′an League

2.3 兴安盟主要站点生长季参考作物蒸散量变化特征

从兴安盟8个国家站点中选出分布于不同旗县的6个站点作为主要站点，其生长季内主要气象要素及日ET0历年平均值见表1。由表1可知，历年生长季日平均ET0值由西北向东南逐渐增加，最小值4.19 mm·d-1。

由生长季平均日ET0累积距平曲线（图4）可以看出，兴安盟1973—2017年生长季日平均ET0大致可划分为5个特征明显的阶段：1973—1978年累积距平变化较小，说明这个时期生长季日平均ET0较为稳定；1978—1998年累积距平处于急剧下降阶段，说明该阶段生长季日平均ET0低于历年平均值，为低蒸散时期；1998—2011年累积距平处于急剧上升阶段，说明该阶段生长季日平均ET0高于历年平均值，为高蒸散时期；2011—2015年累积距平有所下降，表明该阶段生长季日平均ET0较前一阶段略有减小，且低于历年平均值；2015—2017年累积距平再次上升，表明近2 a生长季日平均ET0开始增加，其趋势与生长季日平均ET0年际变化趋势基本一致。出现在阿尔山，为3.3 mm·d-1，最大值出现在巴彦呼舒，为4.8 mm·d-1。

图4 兴安盟生长季日平均ET0累积距平曲线Fig.4 Average daily ET0cumulative anomaly curve of Xing′an League during growing season

由图5可知，近45 a来阿尔山、索伦、巴彦呼舒生长季日平均ET0呈显著增加趋势，均通过α=0.05水平的显著性检验，突泉历年日平均ET0变化趋势不明显，音德尔和乌兰浩特呈弱下降趋势。

表1 兴安盟主要站点生长季内主要气象要素与日ET0的平均值Table 1 Main meteorological elements and daily ET0of main stations in Xing′an League during growing season

2.4 生长季参考作物蒸散量对气候因子的敏感性分析

2.4.1 敏感系数的时间变化特征

由图6可知，历年各气候因子的敏感系数均呈一定幅度波动，其中气温、平均风速和日照时数敏感系数为正值，表明ET0随着这3者的增加而增加，ET0仅对平均水汽压表现为负敏感。对其敏感系数绝对值进行比较，|STE|＞ |SWP|＞ |SSH|＞ |SWI|，表明ET0对气温最敏感，对平均风速的敏感性较低。从年际变化上看，各要素敏感系数线性变化趋势系数均接近于0，表明各要素敏感系数年际变化不大。

图5 1973—2017年兴安盟主要站点生长季日平均ET0变化Fig.5 Average daily ET0change curve of main stations in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

图6 1973—2017年兴安盟生长季ET0对主要气象要素的敏感系数变化Fig.6 The sensitivity curve of ET0to major meteorological factors in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

2.4.2 敏感系数的空间分布特征

从ET0对各气象要素敏感系数的空间分布（图7）看，STE、SSH和SWP的高值区基本一致，主要分布在兴安盟东部和南部地区，表明上述地区是ET0对气温、日照时数和水汽压的敏感区。其中STE最高值出现在突泉，为2.69，最低值出现在阿尔山，为1.44；SSH最高值出现在高力板，为0.23，最低值出现在阿尔山，为0.18；SWP高值区出现在巴彦呼舒和高力板，绝对值均为0.37，最低值出现在阿尔山，绝对值为0.28。SWI高值区主要分布在兴安盟北部大部以及东南角，上述地区为ET0对风速敏感区，SWI最高值出现在高力板，为0.17，最低值出现在突泉，为0.05。

图7 兴安盟生长季主要气象要素敏感系数的空间分布Fig.7 Spatial distribution of sensitive coefficients of main meteorological elements in Xing′an League during growing season

3 结论

利用内蒙古兴安盟1973—2017年逐日地面气象观测数据，分析了兴安盟地区近45 a生长季ET0的时空变化特征，并采用基于偏导数的敏感性分析法初步探讨了其对主要气象要素的敏感性。结果表明：

（1）研究时段内气温、日照时数、水汽压及ET0均呈上升趋势，其中气温上升趋势最为显著，说明区域内ET0受气温升高影响，也呈现出增加趋势，但由于受水汽压上升产生的负影响，区域内ET0增加趋势并不显著。

（2）近45 a来兴安盟生长季ET0平均值为765.9 mm，高值区主要分布在突泉县大部以及科右中旗中部，低值区主要分布在阿尔山市西北部。其中1973—1978年为ET0稳定期，1978—1998年为低蒸散时期，1998—2011年为高蒸散时期，2011—2015年ET0较前一阶段减小，且低于历年平均值，2015—2017年ET0开始增加。阿尔山、索伦和巴彦呼舒生长季平均日ET0呈显著增加趋势，突泉变化趋势不明显，音德尔和乌兰浩特呈弱的下降趋势。

（3）兴安盟生长季ET0对各气候因子的敏感系数均呈一定幅度波动。其中气温、风速和日照时数敏感系数为正值，表明ET0随着这3者的增加而增加，ET0仅对水汽压负敏感，且对气温最敏感，其次是平均水汽压，对风速敏感性较低。各要素敏感系数年际变化不大。

（4）STE、SSH和SWP的高值区基本一致，主要分布在兴安盟东部和南部地区；SWI高值区主要分布在兴安盟北部大部以及东南角。

笔者从局部探讨了ET0对单一气象要素的敏感性，但其变化受多种气象要素共同影响，因此未来需进一步研究各要素交互作用对ET0的影响。