金 冶

(遼寧省東港市水利勘測設(shè)計(jì)院， 遼寧 東港 118300)

基于敏感系數(shù)的貢獻(xiàn)值法對(duì)參考作物騰發(fā)量變化的成因分析

金 冶

(遼寧省東港市水利勘測設(shè)計(jì)院， 遼寧 東港 118300)

本文采用FAO Penman-Monteith公式對(duì)大連地區(qū)1970—2006年間的參考作物騰發(fā)量進(jìn)行計(jì)算，分析了該地區(qū)近37年來ET0的變化成因及各氣象要素對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)值。結(jié)果表明：37年來，大連地區(qū)生長季ET0逐漸減少，年際ET0呈不明顯增加趨勢，從生長季來看，ET0對(duì)相對(duì)濕度的變化最敏感，太陽輻射是對(duì)ET0變化貢獻(xiàn)最大的因素，也是引起ET0變化的主要因素；而從年際來看，ET0對(duì)相對(duì)濕度的變化最敏感，盡管太陽輻射對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)值最大，但對(duì)ET0變化成因起主導(dǎo)作用的卻是相對(duì)濕度和平均溫度。

作物；騰發(fā)量；Penman-Monteith公式；貢獻(xiàn)值

在全球氣候變化的研究中，對(duì)于作為作物需水量關(guān)鍵因子的參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)研究的重要性日益增加[1]。探討ET0的變化規(guī)律及影響機(jī)制，對(duì)估測區(qū)域作物需水量、了解區(qū)域能量與水量平衡具有重要作用，同時(shí)也對(duì)灌區(qū)水資源的優(yōu)化管理、農(nóng)田科學(xué)灌溉、農(nóng)業(yè)旱情預(yù)警意義重大[2]。國際糧農(nóng)組織(FAO)對(duì)ET0定義為：高度為0.12m，冠層阻力為70s/m，反射率為0.23的參考作物冠層的蒸散量，即參考作物生長旺盛，長勢一致，完全覆蓋地面且水分供應(yīng)充足的開闊綠色草地的蒸散量，并且推薦Penman-Monteith公式作為計(jì)算ET0的標(biāo)準(zhǔn)公式[3]。

在全球氣候變化背景下，對(duì)ET0新變化趨勢及新成因變化的研究越來越受到廣大研究學(xué)者的注意。Peterson[4]和Chattopadhyay[5]等認(rèn)為美國和印度等地區(qū)ET0下降的主要原因是北半球相對(duì)濕度的增加和輻射的減少。尹云鶴[6]等對(duì)我國ET0的研究表明：太陽輻射和風(fēng)速減少時(shí)導(dǎo)致了ET0下降。曾麗紅等[7]發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)ET0受氣溫變化影響最大。以上研究為解釋ET0的變化成因奠定了理論基礎(chǔ)，由于影響因素較多，單一因素或者不同因素耦合情況對(duì)ET0的影響也不盡相同，而且當(dāng)今變化的氣候、不同的區(qū)域位置也影響了對(duì)ET0成因的研究，因此，就年際和空間而言，對(duì)ET0變化成因進(jìn)行分析仍是亟待研究的問題。本文基于大連地區(qū)7個(gè)氣象站1970—2006年逐日氣象觀測資料，分析了該地區(qū)ET0的變化成因及各氣象要素對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)值，以期為ET0變化成因的探討提供新的思路。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大連市位于中國遼寧省的最南端，瀕臨渤海和黃海，介于東經(jīng)120°58′～123°31′、北緯38°43′～40°10′之間，全市面積達(dá)12574km2。大連市位于北半球的暖溫帶地區(qū)，具有海洋性特點(diǎn)的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是東北最溫暖的地區(qū)，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季分明。年平均氣溫10.5℃，極端氣溫最高37.8℃，最低-19.13℃。 年降水量550～950mm，60%～70%的降水集中于夏季，多暴雨，且夜雨多于日雨。研究區(qū)氣象站基本情況見表1。

表1 氣象站基本情況

1.2 Penman-Monteith公式

大連地區(qū)有7個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站，本文借助這些氣象站近37年(1970—2006年)的實(shí)測氣象資料，選用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算逐日ET0，表達(dá)式如下[8]：

(1)

式中ET0——參考作物騰發(fā)量，mm/d；Δ——溫度隨飽和水汽壓變化的斜率，kPa/℃；Rn——凈輻射，MJ/(m2·d)；G——土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)，相對(duì)于Rn取值很小，尤其是在植被覆蓋、計(jì)算步長等于或接近于1天的情況下，取值忽略為0；

γ——干濕表常數(shù)；

T——日平均氣溫，℃；

U2——2m高處風(fēng)速，m/s，可由10m高處風(fēng)速換算得到[9-10]；

es——飽和水汽壓，kPa；

ea——是實(shí)際水汽壓，kPa。

1.3 敏感性分析和貢獻(xiàn)值

敏感性分析是定量描述多變化因素對(duì)另一個(gè)因素變量影響程度的分析方法。本文基于偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算大連地區(qū)ET0對(duì)各氣象要素的敏感性系數(shù)，其有關(guān)偏導(dǎo)數(shù)敏感性分析法的理論參見文獻(xiàn)[11]。

敏感系數(shù)的大小可以表明氣象要素的改變引起ET0變化的程度，而基于敏感系數(shù)的貢獻(xiàn)值可以表示不同時(shí)間尺度下該要素的變化對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)水平[12]。計(jì)算公式如下：

Convi=Svi·RCvi

(2)

(3)

式中 Convi——?dú)庀笠蜃觱i對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)；S——ET0對(duì)vi的敏感系數(shù); RC——vi的多年相對(duì)變化量，可由式(3)計(jì)算得到；

Trend，av——研究時(shí)段內(nèi)(本文是37年)vi的變化率和平均值，變化率Trend用趨勢分析法[13]計(jì)算得到。

將各氣象要素的貢獻(xiàn)值累加后就得到對(duì)ET0變化的總貢獻(xiàn)，公式為

ConET0=ConT+ConRh+ConUZ+ConRS

(4)

式(4)表示4個(gè)氣象因子共同作用引起的ET0變化，也稱為ET0的估計(jì)變化。分別代表溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽輻射對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 ET0生長季(5—9月)變化特征及成因分析

下圖是不同氣象因子與ET0的逐年變化情況。從中不難發(fā)現(xiàn)，多因素耦合結(jié)果導(dǎo)致了大連地區(qū)ET0略微下降的趨勢。具體影響因子的變化情況為：大連地區(qū)近些年作物生長期內(nèi)平均溫度具有上升趨勢，但是其他三個(gè)影響因子的平均值均出現(xiàn)了不同程度的下降。全球氣候變化條件下，雖然大連地區(qū)在作物生長季內(nèi)出現(xiàn)了變暖的趨勢，但是綜合濕度、風(fēng)速及太陽輻射下降的情況，ET0并未出現(xiàn)明顯的變化。

大連地區(qū)生長季各氣象要素及ET0的變化特征圖

表2 大連地區(qū)生長季各氣象要素的敏感系數(shù)、多年相對(duì)變化量及對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)

多位學(xué)者認(rèn)為在不同地區(qū)及不同氣候背景條件下，各氣象影響因子對(duì)ET0的敏感性是不同的[10,11,14]。由表2可知，在大連地區(qū)，對(duì)ET0呈現(xiàn)正敏感性的變化因子為平均溫度、風(fēng)速及太陽輻射。而對(duì)ET0呈現(xiàn)負(fù)敏感性的變化因子為相對(duì)濕度。以敏感系數(shù)的絕對(duì)值作為變化敏感性的大小依據(jù)可得，對(duì)ET0敏感性最強(qiáng)的變化因子為相對(duì)濕度，敏感性最弱的變化因子為風(fēng)速。

分析表2可知，相對(duì)濕度是大連地區(qū)對(duì)ET0變化最敏感的要素，但是對(duì)ET0影響貢獻(xiàn)值是最低的，這是由于37年來該要素自身變化趨勢其實(shí)并不明顯，表現(xiàn)為相對(duì)濕度最低的-0.039%的多年相對(duì)變化量僅產(chǎn)生了ET0- 0.046%的變化；而風(fēng)速是研究區(qū)對(duì)ET0變化最不敏感的要素，但它高達(dá)-14.071%的多年相對(duì)變化幅度引起了ET0-1.018%的變化，使其對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)僅次于太陽輻射。平均溫度以0.306℃/10年的速率顯著上升，多年相對(duì)變化量為5.508%，因此對(duì)ET0變化敏感性及對(duì)貢獻(xiàn)也較小。太陽輻射自身變化趨勢明顯，敏感系數(shù)較高，因而它對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)最高。

2.2 ET0年際變化特征及成因分析

表3是大連地區(qū)ET0年際變化特征。可以發(fā)現(xiàn)，大連地區(qū)ET0對(duì)各氣象要素變化的敏感性由大到小依次為相對(duì)濕度、太陽輻射、風(fēng)速、平均溫度。各氣象要素對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)由大到小依次為太陽輻射、風(fēng)速、相對(duì)濕度、平均溫度。該地區(qū)ET0呈上升趨勢，此時(shí)平均溫度和相對(duì)濕度可能對(duì)ET0的變化影響最大。盡管平均溫度敏感系數(shù)不高，但其變化趨勢顯著，而相對(duì)濕度變化趨勢雖不明顯，但敏感系數(shù)較高，由此得出，敏感性分析法在判斷ET0變化的主導(dǎo)因素時(shí)存在局限性，應(yīng)綜合因素敏感性與變化趨勢來分析。

表3 大連地區(qū)年際各氣象要素的敏感系數(shù)、多年相對(duì)變化量及對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)

4 結(jié) 論

本文根據(jù)7個(gè)氣象站的氣象資料分析了大連地區(qū)ET0的變化成因及貢獻(xiàn)值，結(jié)果表明：?生長季大連地區(qū)ET0逐漸減少，太陽輻射的變化是引起ET0變化的主要?dú)庀笠蛩?，其?duì)ET0變化的貢獻(xiàn)值高達(dá)-4.020%；?從年際變化趨勢看，大連地區(qū)ET0有不明顯增加趨勢，盡管太陽輻射對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)值最高，但ET0的這種變化主要受相對(duì)濕度和平均溫度的影響。單獨(dú)的敏感性分析或貢獻(xiàn)值分析在判斷ET0變化的主導(dǎo)因素時(shí)存在一定的局限性，結(jié)合分析方法與因素變化趨勢才能更合理地解釋ET0變化趨勢的成因。

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Analysis on evapotranspiration change causes of reference crops based on contribution value method of sensitive coefficient

JIN Ye

(Liaoning Donggang Water Conservancy Survey and Design Institute, Donggang 118300, China)

FAO Penman-Monteith formula is applied to calculate evapotranspiration of reference crops in Dalian from 1970 to 2006 in the paper. ET0change causes and the contribution values of all meteorological elements on ET0changes in the region within recent 37 years are analyzed. The results showed that: growing season ET0is reduced gradually in Dalian, and interannual ET0shows insignificant increase trend within recent 37 years. ET0is most sensitive to the change of relative humidity, solar radiation is a factor with the highest contribution to ET0change, and it is also a main factor to cause ET0change from the perspective of growing season. However, ET0is most sensitive to the change of relative humidity from the interannual perspective. Relative humidity and average temperature play leading role to the cause of ET0changes through solar radiation has the highest contribution value to ET0change.

crops; evapotranspiration; Penman Monteith formula; contribution value

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.06.011

TV213.9

A

2096- 0131(2016)06- 0033- 04