鲁西平原参考作物蒸散量变化及气候影响分析

鲁西平原参考作物蒸散量变化及气候影响分析
李楠;邱新法;纪凡华;王春;张寅;李雪源
【摘要】基于聊城市7个国家一般站和1个国家基准站的1970-2012年的气候要素资料,利用FAO Penman-Monteith模型分析了鲁西平原43年潜在的参考蒸散量(ET0)时空分布特征,并采用偏相关分析法探讨了气候对于蒸散量的主导因素.结果表明,鲁西平原日最大蒸散量为11 mm,最小为0.3 mm,年均蒸散量为1 095 mm,春、夏、秋、冬蒸散量分别为324、428、237和100 mm;年平均蒸散量和各季节蒸散量均呈逐年减小的趋势.鲁西地区蒸散量自南向北呈现增大的趋势,其中最大值为1 337 mm,最小值为854mm.偏相关分析表明,气温、风速和日照时数对于蒸散量的贡献为正相关,相对湿度为负相关.不同站点气象要素对ET0影响有所差异.其中风速、日照时数是引起蒸散量变化的主导因素.Penman-Monteith模型能较好地模拟鲁西平原日、季与年的参考蒸散量,为鲁西平原合理用水和科学灌溉提供科学依据.
【期刊名称】《湖北农业科学》
【年(卷),期】2015(000)008
【总页数】5页(P1852-1856)
【关键词】参考蒸散量;Penman-Monteith模型]时空变化特征;鲁西平原
【作者】李楠;邱新法;纪凡华;王春;张寅;李雪源
【作者单位】南京信息工程大学应用气象学院,南京210044;聊城市气象局,山东聊城252000;南京信息工程大学应用气象学院,南京210044;聊城市气象局,山东聊城
252000;聊城市气象局,山东聊城252000;聊城市气象局,山东聊城252000;东阿县气象局,山东东阿252200
【正文语种】中文
【中图分类】S161.4
蒸散作为自然界水分循环的过程，在气候与环境变化中起着非常重要的作用［1，2］。

蒸散量的增加可以提高空气相对湿度。

通过对最高或最低气温的调节间接对气候产生反馈。

蒸散量不仅直接影响水资源状况和水分利用效率，而且还会对农作物和生态植被的生长产生重要作用［3］。

其中基于能量平衡和微气候学方法的Penman－Monteith模型具有较充分的理论依据［4］，所计算的ET0仅受限于当地的气候条件，与作物种类、土壤类型等无关，被认为是估算ET0 最可靠的模型之一［5］。

而 Cohen 等［6］发现以色列1964－1998年的实际蒸散量是增加的，而且出现在干燥的季节，但参考作物蒸散量无明显变化，其原因是影响蒸发的动力因素的变化，即水汽压差和风速的增加。

Hulme等［7］认为全球气温升高将导致潜在蒸发（ET0）增加，但多数研究结果与其相反，即全球大部分地区潜在蒸发和蒸发皿观测的蒸发量均呈减少趋势［8］，而引起减少的原因则各不相同。

高歌等［9］研究全国绝大多数流域全年和各季的潜在蒸散量均呈现减少的趋势，分析还表明全国及大多数流域的全年和各季潜在蒸散量与日照时数、风速、相对湿度等要素关系密切，但近45年日照时数及风速的明显减少可能是导致大多数地区潜在蒸散量减少的主要原因。

马宁等［10］利用黑河流域及周边地区14个气象站的1960－2009年逐日气象资料分析了黑河流域近50年来潜在年、季参考蒸散量的时空分布特征，同时利用敏感分析计算了流域内不同区域典型气象站蒸散量对各气候要素的敏感系数，并结合各气候要素的多年相对变化定量探讨了导致蒸散量变
化的主导因素。

段春锋等［11］研究了西北地区126个站点1961－2009年的生长季参考作物蒸散量及其辐射项、动力项的时空变化特征，并对影响参考作物蒸散量变化的主要因素进行了分析，通过比较参考作物蒸散量与各气象要素的偏相关系数绝对值的大小，发现风速作为辐射项和动力项的首要影响因子成为西北地区参考作物蒸散量变化的主导因子，太阳辐射和气温次之。

聊城市位于鲁西平原地区，地形单一，以平原为主，地势平坦，北纬35°40′－37°03′，东经115°16′－116°30′，总面积约 8 590 km2，自西南向东北倾斜，平均坡降约 1／7 500，海拔高度 27.5～49.0 m。

该区处于暖温带季风气候区，属
半干旱大陆性气候，光热资源充足，但降水缺乏，且时空分布不均。

根据近50年的统计资料，得出年平均气温为13.4℃，年平均降水量为 583.3 mm，年降水量
最多为 985.8 mm，最少为309.0 mm。

聊城是以种植业为主的农业区，综合分
析各气候要素对鲁西平原ET0的作用和影响，是估算和科学分析作物需水量的关
键所在，可为合理用水和科学灌溉提供依据，对于积极应对气候变化，调整种植区划和农业生产布局具有重要意义［12］。

1 材料与方法
1.1 基础数据
选取聊城市东阿、茌平、阳谷、冠县、高唐、临清、聊城市凤凰园7个国家一般
站及莘县1个国家基准站共8个站点，1970年至2012年逐日平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、平均相对湿度及日照时数等资料。

1.2 研究方法
利用1998年修订的Penman－Monteith模型为基础的参考作物蒸散量计算方法［13］。

在Matlab环境下编程计算出43年来各站点的逐日参考作物潜在蒸散量，进而获得各站点逐日、逐季（季节划分以3-5月为春季，6-8月为夏季、9-11月
为秋季，12月至次年2月为冬季）和逐年的ET0。

式 1 中，ET0为参考作物蒸散量（mm／d）；Δ为饱和水汽压—温度曲线斜率；Rn为冠层表面净辐射；G为土壤热通量；γ为干温球常数；T为日平均气温；U2
为2 m高处的风速；es为实际水汽压；ea为饱和水汽压。

式（3）中，Ti、Ti－1分别为第 i，i－1 日的气温。

式（4）中，Rs为净短波辐射；α为地表反射率，其值为0.23；Rl为净长波辐射。

式（5）中，e0取近似值 0.611；Tdew为平均露点温度。

式（7）中Uz为任意高度Z处日平均风速。

经过式（7）的运算，将Z米处的风
速换算成10 m处的风速（常规地面气象观测站的风场观测高度为10 m）。

将43年来的每日气象要素在上述公式中代入，计算出每日的参考蒸散量及月、季、年的参考蒸散量。

1.3 统计方法
利用Excel和SPSS统计软件，采用相关分析、偏相关分析法对气候要素与ET0进行数理统计分析，并进行显著性检验［14］。

气候要素与年ET0的趋势变化采用
气候倾向率表示［15］。

选用1970－2012年间具有完整时间序列的各站点的气
候要素资料趋势变化对ET0进行分析。

2 结果与分析
2.1 日蒸散量变化
鲁西平原1970－2012年每日蒸散量值每年变化趋势基本一致，参考作物蒸散量
每年呈现单峰型周期性变化，一年间先逐渐增大后逐渐减少（图1）。

日最大蒸散
量43年中有所下降，最低值呈现上升趋势。

日蒸散量最低值在1 mm以下，出现于2001年，最高值接近12 mm，出现于1978年。

图1 蒸散日序变化
2.2 年蒸散量变化
由43年来鲁西平原年平均最大蒸散量分布图（图2）可知，鲁西平原地区年均蒸散量为854～1 337 mm，不同地区间存在差异。

聊城年均蒸散量为929～1 281 mm；莘县为 959～1 241 mm；临清为 1 011～1 248 mm；高唐为 960～1 337 mm；冠县为 902～1 261 mm；东阿为 949～1 238 mm；阳谷为 954～1 245 mm；茌平为854～1 418 mm。

年最大蒸散量从西南到东北呈逐渐增大的趋势。

年最小蒸散量分布特征（图3）与年最大蒸散量空间分布有所不同，中部地区年最小蒸散量最小，北部地区最低值高于南部地区。

由图4可知，鲁西平原中聊城年平均蒸散量呈下降趋势，孙青然等［16］研究结果表明，聊城蒸发皿蒸发量同样表现为下降趋势。

聊城年平均蒸散量为1 064 mm，最大值为1 281 mm，出现在1978年，最小值为929 mm，出现在2003年。

下降速率为6.1 mm／10 年，R2=0.706 4，接近 1，说明可靠性比较高。

莘县年平均蒸散量为1 078 mm，下降速率为3.5 mm／10年；临清年平均蒸散量为 1 107 mm，下降速率为1.8 mm／10年；高唐年平均蒸散量为1 109 mm，下降速率为 5.5 mm／10年；冠县年平均蒸散量为 1 085 mm，下降速率为 3.8 mm／10 年；东阿年平均蒸散量为1 101 mm，下降速率为3.2 mm／10年；阳谷年平均蒸散量为1 108 mm，下降速率为5.6 mm／10年；茌平年平均蒸散量为1 110 mm，下降速率为 4.6 mm／10 年。

图2 43年来鲁西平原年平均最大蒸散量分布图
图3 43年来鲁西平原年平均最小蒸散量分布图
图4 1970－2010年年平均蒸散量
2.3 季节变化特征
鲁西平原蒸散量季节变化中均呈现不同程度的下降趋势，春季蒸散量平均值为
319 mm，夏季蒸散量平均值为417 mm，秋季蒸散量平均值为234 mm，冬季
蒸散量平均值为100 mm。

由聊城市蒸散量随季节变化趋势（图5）可知，春季
蒸散量平均值为317 mm，最大值为507 mm，出现在1978年，最小值为267 mm，出现在1991年。

夏季蒸散量平均值为411 mm，最大值为507 mm，出
现在1972年，最小值为347 mm，出现在2007年。

秋季蒸散量平均值为233 mm，最大值为267 mm，出现在1981年，最小值为181 mm，出现在2011年。

冬季蒸散量平均值为233 mm，最大值为126 mm，出现在1977年，最小值为
73 mm，出现在2001年。

春、夏、秋、冬参考蒸散量的变化速率有所不同，夏
季下降最快，平均下降速率为 2.58 mm／10年，春季平均下降速率为1.79 mm
／10 年，秋季平均下降速率为 1.28 mm／10 年，冬季最慢，平均下降速率为
0.38 mm／10年。

图5 1970－2010年四季平均蒸散量
3 参考作物蒸散量的气候影响
影响蒸散量的主要气候因子是平均气温、平均最高气温、平均最低气温，平均风速、相对湿度和日照时数。

本研究围绕聊城市43年来的气候因子对蒸散量进行分析［17－20］。

与 ET0 相对应的聊城、高唐、莘县、阳谷平均气温线性倾向率为0.1℃／10年（P＜0.05）。

茌平、东阿平均气温线性倾向率为0.2 ℃ ／10年；
临清、冠县平均气温线性倾向率为0.3℃／10年。

近50年各台站平均气温略微上升，最高气温变化趋势不明显，个别台站呈现下降趋势，最低气温呈现略微上升趋势［21］。

平均风速东阿、莘县、临清其线性倾向率为－0.3 m／（s·10 年），呈下降趋势；阳谷、聊城、高唐为－0.3 m ／（s·10 年）；冠县、茌平值为－0.5 m／（s·10
年），呈明显的下降趋势。

日照时数各县均呈现下降趋势，其中聊城线性倾向率为－132.2 h／10 年（P＜0.01），阳谷为－47.4 h／10 年，临清为－13.4 h／10年，高唐为－80.5 h／10 年，茌平为－134.7 h／10 年，东阿为－89.2 h／10 年，莘县为－33.0 h／10 年，冠县为－96.7 h／10年。

以上资料表明，日照时数和
平均风速与参考蒸散量正相关明显。

相对湿度变化趋势各站点均不明显。

通过SPSS软件对鲁西地区43年来日参考作物蒸散量与日平均气温、日最高气温、日最低气温、平均风速、相对湿度、和日照时数等气象要素做偏相关分析。

结果表明，平均气温的相关系数为0.808，最高气温的相关系数为 0.845，最低气温相关系数为 0.716，日照时数相关系数为 0.616，平均风速相关系数为0.736，相对湿度相关系数为－0.166；由此说明蒸散量与最高气温、最低气温、平均气温、日照时数和风速均呈正相关，与相对湿度呈负相关。

结果表明，最高气温对于鲁西地区影响最大。

43年来鲁西最高气温变化不明显，平均气温与最低气温略微上升。

鲁
西平原蒸散量呈下降趋势，温度变化不大，风速与日照时数明显下降，说明风速与日照时数是造成蒸散量变化的主要因素。

4 小结与讨论
Penman－Monteith模型较好地模拟了鲁西平原日、季与年的参考蒸散量。

近50年来，日最高蒸散量有所下降，最低值变化不明显。

季节变化中夏季蒸散量最大，其次为春季和秋季，冬季最小，下降速率为夏季＞春季＞秋季＞冬季。

年蒸散量呈下降趋势，平均值为1 064 mm，高于全国平均值941 mm。

参考作物蒸散量的气候影响中，平均气温和最低气温略微呈上升趋势，最高气温变化不大，平均风速和日照时数明显下降、相对湿度变化不明显。

偏相关分析表明，蒸散量与平均气温、最高气温、最低气温、平均风速和日照时数呈正相关，与相对湿度呈负相关。

最高气温对于蒸散量的影响最大，其次是平均气温、最低气温、平均风速和日照时数。

上述分析表明，蒸散量受各种气候因子综合作用的影响，气象
要素的变化与蒸散量的变化存在一定的关联，在鲁西平原蒸散量显示下降趋势中，温度变化不大的同时，风速与日照时数明显下降，说明风速与日照时数的减小是造成蒸散量变化的主要因素。

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