气候与下垫面变化对黄土高原蒸散发变化的影响评估

为了揭示近20年黄土高原蒸散发(evapotranspiration,ET)时空变化规律,明晰气候和下垫面变化对蒸散发的影响作用。基于黄土高原295个气象站数据、PML_V2 ET产品及MOD13A1 EVI产品,采用趋势分析和多元回归分析等统计方法,分析了2000—2018年黄土高原蒸散发时空变化特征,并评估了降雨、温度、日照时间、饱和水汽压差、植被和非植被下垫面等影响要素的相对贡献率。结果表明:(1)2000—2018年黄土高原蒸散发年际变化率为4.47 mm/a,62.8%的区域蒸散发呈显著增加趋势,主要分布在山西、青海、陕西省北部地区;不同土地覆盖ET为森林＞农田＞草地＞灌木。(2)植被显著增加是黄土高原ET变化的主导因子,其相对贡献率最大(32.1%);不同气象要素对黄土高原ET相对贡献率大小为降雨(14.6%)＞饱和水汽压差(13.2%)＞温度(12.4%)＞日照时数(10.0%);非植被下垫面变化(水土保持工程措施等)对ET变化的影响作用不容忽视。(3)气象要素和增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)对林草覆被ET影响作用＞农田覆被ET,而非植被下垫面要素对农田覆被ET的影响作用较大。研究结果为黄土高原生态建设、水资源消耗恢复和水资源可持续性评价提供科学支撑。     

基于蒸渗仪实测的参考作物蒸散发模型北京地区适用性评价

参考作物蒸散发(ET0,reference evapotranspiration)是计算植被耗水量、分析区域水分平衡、管理水资源的基本参数。由于区域间气象条件的差异,ET0模型在不同地区表现出不同的适用性。蒸渗仪实测是欧美地区评价参考作物蒸散发模型的经典方法,而中国尚少研究,华北地区未见报道。2012年生长季(4-10月),应用自动称重式蒸渗仪实测高羊茅草坪蒸散评价了Penman-Monteith(FAO-56)、Hargreaves-Samani、Priestley-Taylor、Penman-van Bavel模型在北京地区的适用性。在2个蒸渗仪中建植冷季型高羊茅草坪,以获得ET0标准数据。试验地安装Dynamet气象站,自动测量并记录气象数据:空气温度、空气相对湿度、太阳总辐射和高度2m的风速,用于模型计算参考作物蒸散发。应用线性回归与均方根误差(RMSE)、一致性指数(d)2个指标评价模型的预测准确性。研究结果表明,太阳总辐射与月蒸散之间呈现较强的线性关系(R2=0.95,p=2.72×10-7),说明太阳辐射能量是驱动SPAC(soil-plant-atmosphere continuum)系统中水分从植被向大气运动的主要动力。随着时间尺度减小,模型的估算准确度降低。由于模型的输入参数不同,在ET0计算中出现了不同方向的偏差。月尺度上,Priestley-Taylor模型低估,而Penman-Monteith、Hargreaves-Samani和Penman-van Bavel模型高估了蒸散。日尺度上,Hargreaves-Samani模型和Penman-van Bavel模型略微高估了日蒸散,比率分别为1.0167和1.0526;Penman-Monteith模型和Priestly-Taylor模型低估了日蒸散,比率分别为0.8204和0.7593。时尺度上,除了Priestly-Taylor模型全部得出最低的数值,其余模型在不同天气类型下得出不同的计算结果。综合月、日、时3个时间尺度的评价结果,Penman-van Bavel是最准确的ET0计算公式,RMSE分别为0.63 mm/d(月)、1.43 mm/d(日)、0.087mm/h(时),d值分别为0.96(月)、0.89(日)、0.87(时)。Penman-Monteith模型的计算准确性比Penman-van Bavel模型略低,d值为0.73~0.93。     

松嫩平原西部生长季参考作物蒸散发的敏感性分析

为了预测气候变量扰动引起的区域参考作物蒸散发的变化,该文以松嫩平原西部为研究区,运用FAO Penman-Montieh方程计算了34个站点1951～2001年的生长季参考作物蒸散发,并计算其对气温、风速、日照时数和相对湿度的敏感系数,最后分析了敏感系数的时空变化特征。结果表明：参考作物蒸散发对相对湿度最为敏感,其次是气温,最后是风速和日照时数;5～9月,气温和日照时数的敏感系数呈单峰型分布,在7月份达到最高值,风速敏感系数呈单谷型分布,在7月份达到最低值,相对湿度敏感系数的绝对值表现为持续上升趋势;生长季气候变量敏感系数的空间差异性较大。日照时数、气温、风速等3个气候变量的敏感系数都在研究区西南部形成高值区,而相对湿度则在研究区西南部形成低值区,在研究区东北部形成高值区。     

洮河流域潜在蒸散发的气候敏感性分析

潜在蒸散发(ET0)的气候敏感性分析是变化环境下陆表能-水通量过程研究的重要内容,对气候变化背景下区域水文循环和农业水资源有效利用具有重要的理论和实践指导意义。为探讨气候变化对区域潜在蒸散发的可能影响,以洮河流域为研究区,采用Penman-Monteith模式和Beven敏感性公式计算该区ET0及其对关键气候要素的敏感系数,按Sen斜率和Mann-Kendall方法对敏感系数的变幅和显著性进行检验,基于此,对洮河流域ET0的气候敏感性进行了综合分析,并探讨了1981-2010年间该区ET0发生变化的气候原因。结果表明:洮河流域ET0对关键气候因素的敏感性排序为:净辐射相对湿度最高气温最低气温风速,其中,净辐射、最高气温和风速的敏感系数与ET0的相关性较强,特别是前2个要素在敏感性和相关性方面均具有较高系数;1981-2010年间,洮河流域ET0敏感性以净辐射的降低和最高气温的增强为主,净辐射和气温共同造就了洮河流域ET0的增加,且气温占主导。     

基于S-W模型的韩江流域潜在蒸散发的气候和植被敏感性

基于AVHRRNDVI、IGBP土地覆盖分类和气象站观测数据,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型估算韩江流域2000-2006年的潜在蒸散发(PET),结果显示PET不仅受气候条件影响,而且随植被类型及其生长过程而变化。分析PET对气候和植被的敏感性,结果表明:1)PET对植被的类型很敏感,相同气候条件下,不同植被的PET计算结果相差很大,常绿针叶林、农作物和多树草地的多年平均PET分别为1136.6,965.1,563.2mm/a,最大值和最小值相差1倍。2)不同植被覆盖的PET对气候的敏感性不同。常绿针叶林的PET对水汽压最为敏感,明显高于气温和太阳辐射的敏感性,而风速的敏感性可以忽略;农作物的PET除对风速的敏感性较低外,气温、太阳辐射和水汽压的敏感性都较高,最为敏感的是气温;多树草地的PET同样对气温最为敏感,水汽压、风速和太阳辐射的敏感性也都比较高,而且很接近。3)各种植被覆盖的PET对叶面积指数(LAI)都有一定的敏感性,但都小于气象因子(风速除外)的敏感性;不同植被覆盖的PET对LAI的敏感性也不同,多树草地的PET对LAI最敏感,其次是常绿针叶林,再次是农作物。     

渭河流域潜在蒸散发时空演变与驱动力量化分析

潜在蒸散发（ET0）是水文循环和能量循环的重要组成部分,揭示ET0的时空演变特征及其对气候变化的响应,有助于进一步了解变化环境下水循环演变机理。该研究利用渭河流域16个气象站1960－2019年的逐日气象资料,基于FAO-56 Penman-Monteith（FAO-56 PM）公式计算ET0,采用线性倾向估计、趋势检验和插值方法对其时空变化特征进行分析,并基于敏感性分析和贡献率定量识别影响ET0变化的主导因子。结果表明：1）年尺度上,渭河流域气压（0.04 kPa/10a）和平均气温（0.30 ℃/10a）呈显著上升趋势,风速（?0.05 m/（s·10a））和日照时数（?18.79 h/10a）呈显著下降趋势,相对湿度（?0.32%/10a）呈不显著下降趋势;2）年ET0以2.51 mm/10a的速率呈不显著上升趋势,除夏季外,其余季节ET0呈上升趋势,其中春季ET0呈显著上升趋势;空间上,年ET0自东北向西南递减,变化范围为763.49～954.32 mm;3）年ET0变化的主导因子为相对湿度与风速,贡献率分别为2.36和?2.32;季尺度上,春、秋季ET0变化的主导因子为相对湿度,夏季为日照时数,而冬季为风速。研究结果可为区域制定合理的作物需水灌溉政策及实现水资源高效利用提供依据。     

基于遥感蒸散发的区域作物估产方法

灌区作物产量估算对农业用水效率评价和灌区水分管理具有重要意义。该研究以干旱区代表性灌区-内蒙古河套灌区主要农作区为研究对象,基于遥感蒸散发模型HTEM和遥感作物识别结果获取河套灌区玉米生育期日蒸散发量。选取Jensen模型、Blank模型和Stewart模型3种常用水分生产函数模型,建立河套灌区玉米估产模型,并分析各估产模型的适用性及其参数。结果表明,研究区玉米生育期多年平均蒸散发量约为526 mm。3个模型均有较高的估产精度,其中Stewart模型的产量模拟精度最高,相对误差为4.30%,相关系数为0.75。因此,Stewart模型在河套灌区具有更好的适用性,基于遥感蒸散发模型、遥感作物识别模型和作物水分生产函数模型建立灌区作物估产模型可以取得良好的模拟效果。     

黄土高原沟壑区典型造林树种蒸散发对气候变化的响应

为研究黄土沟壑区典型造林树种蒸散发对气候变化的响应,基于黄土沟壑区小流域刺槐、侧柏、油松样地实测蒸散发数据,借助Hydrus-1D软件构建了黄土沟壑区刺槐、侧柏及油松植被蒸腾与土壤蒸发的模拟模型,使用修正Morris法对模型参数敏感性进行分析,结果表明：>40～100 cm土壤孔径分布参数（n2）,>40～100 cm土壤饱和体积含水率（θs2）,0 cm土壤田间持水率（θf）,根系吸水最适水势上阈值（h1）,根系吸水最适土壤水势下阈值（h2）,植物出现永久凋萎时的土壤水势（h3）,消光系数（μ）,截留模型经验参数（a）等参数对植被蒸腾影响较大,植被生理特征相关参数h1,h2,h3,μ,a的不同是造成树种间蒸腾量出现差异性的重要原因。选取2015年试验观测数据对模型进行率定,2016年试验观测数据对模型进行验证,土壤含水率及土壤蒸发的Nash-suttcliffe模拟效率系数（Ens）均在0.700以上。采用率定后的模型对预设情景下的蒸散发量进行模拟,结果表明：未来及不同水文年气候特征对刺槐蒸腾的影响程度大于蒸发,对侧柏和油松而言,则正好相反。所有气候情景下,刺槐、侧柏、油松的蒸腾量分布在128.8～282.6、99.3～200.3和140.5～220.5 mm,蒸发量分布在94.6～135.4、116.5～187.3和123.8～212.5 mm,蒸腾量与蒸发量均表现为丰水年＞平水年＞枯水年。3个树种蒸腾量对未来及不同水文年气候特征的响应程度表现为：刺槐＞侧柏＞油松,并且,同一时期内,在丰水年及平水年,刺槐蒸腾量最大,在枯水年,油松蒸腾量最大。3树种蒸发量对未来及不同水文年气候特征的响应程度表现为：油松＞侧柏＞刺槐。生长季降雨量对于同期蒸腾量与蒸发量的影响明显强于温度的影响,其与蒸腾量、蒸发量之间均呈极显著（P<0.01）线性关系。     

近57年中国北方气候干湿变化及与太平洋年代际振荡的关系

利用中国北方424个气象站点1960—2016年逐日地面观测资料,应用联合国粮农组织(FAO)Penman-Monteith模型计算潜在蒸散(ET0),基于降水量和潜在蒸散计算的湿润指数研究了1960—2016年中国北方干湿气候时空变化特征,分析了太平洋年代际振荡(PDO)对气候干湿变化的影响。结果表明:北方总体干湿变化不显著,空间上表现为西北、青藏高原、内蒙古湿润化而华北干旱化的特征。极端干旱区面积显著缩小,干旱区、半干旱区则明显扩张,表明气候敏感区域在扩张。极端干旱区和干旱区显著变湿润,半干旱区有变湿润的趋势。1960—1990年至1991—2016年,北方经历了变湿润的过程。西北西部、青藏高原湿润化趋势明显,极端干旱—干旱区的界线呈西界东移、南北界线收缩的变化。干旱化趋势主要发生在华北和东北部分地区,华北黄河沿线一带半干旱—半湿润区界线向东南方向扩张。东北中部和西北西部由于降水增加而ET0减少,气候变湿润。华北中西部、内蒙古东部和东北部分地区降水减少、ET0增加,气候变干旱。在PDO暖位相,西北、东北北部及内蒙古东部地区地表气候偏湿润;在PDO冷位相,地表气候偏干旱。而华北则相反。     

近20年内蒙古干旱时空动态及其对气候、蒸散发变化的响应

为实现对内蒙古旱情的动态连续监测,基于温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI),采用趋势分析、R/S分析方法,探究了内蒙古2001—2020年TVDI时空变化特征及降水、气温、蒸散发对TVDI的影响。结果表明:(1)20 a间内蒙古TVDI以每年0.000 9速率减小,且在2007年、2010年和2013年大范围出现重旱。春、夏、秋、冬季TVDI分别以每年0.000 5,0.001 8,0.001 3,0.000 07速率减小。(2)春、夏、冬季未来一段时间大部分区域TVDI将呈增加趋势,秋季大部分区域将呈减小趋势。(3)春、夏、秋季TVDI与降水和气温均以负相关为主; 冬季TVDI与气温、降水均以正相关为主。春、冬季ET与TVDI为正相关性; 夏季TVDI与ET从西南向东北相关性从正逐渐过渡为负; 秋季TVDI与ET以负相关为主。研究表明近20 a内蒙古干旱程度有所缓解,但未来干旱程度减缓趋势变小或增加。因此,后期研究应进一步分析月尺度干旱、蒸散发的时空动态,对进一步测量和预测季节性蒸散发和干旱如何联合影响内蒙古生态环境和经济发展具有重要意义。     

石羊河流域气候变化对参考作物蒸发蒸腾量的影响

根据甘肃省气象局石羊河流域的6个气象站近50年的观测资料，应用1998年FAO最新推荐的Penman-Monteith公式计算了50年各月参考作物蒸发蒸腾量ET₀，分析了ET₀的月际变化和年际变化特征，除武威与肃南站ET₀呈逐年显著减少趋势外，其他各站的ET₀值均表现为逐年增加趋势，各个站ET₀ 20世纪90年代较80年代均有明显增加，说明气候变化对ET₀的影响较大；并分析了平均气温、平均最高气温、年日照时数、平均风速、平均相对湿度、年降水量、年蒸发量、海拔高度与ET₀的相关性，各站ET₀与平均相对湿度相关性最好；石羊河流域ET₀空间变化也较大，从山区到绿洲平原ET₀多年平均值呈递增趋势。     

1961-2013年新疆潜在蒸散量变化特征及趋势

准确地评估潜在蒸散量的时空变化趋势对新疆水资源合理利用及气候变化下水文变化研究具有重要意义。该文采用Penman-Monteith公式以及55个气象站的气象资料计算了新疆1961-2013年潜在蒸散量,运用年代距平、M-K检验、Cramer’s突变检验,相关分析及贡献率分析方法,分析了新疆潜在蒸散量的时间、空间变化特征及变化原因。结果表明:1995年为ET0突变点。年ET0在1961-1994年处于明显减少趋势,平均递减率为-3.21 mm/a;在1995-2013年转为明显上升趋势,平均递增率为3.51 mm/a。空间上,75%以上的气象站在1961-1994年处于降低趋势,在1995-2013年转为增加趋势。在全区范围及天山北坡、天山南坡、昆仑山北麓3个分区,风速具有最大的相对贡献率。阿尔泰区则是相对湿度具有最大的相对贡献率。天山山区在两个时段分别是日照时数、温度具有最大贡献率。     

新疆参考作物蒸散量时空变化分析

参考作物蒸散量是表征大气蒸散能力,评价气候干旱程度、植被耗水量的重要指标。利用新疆101个气象站1961－2008年的逐月气候资料,采用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式计算出各站逐月参考作物蒸散量,使用气候倾向率、Mann-Kendall检测以及基于GIS的宏观地理因子三维二次趋势面模拟与反距离加权残差订正相结合的空间插值技术,对新疆近48 a参考作物蒸散量时空变化特征进行了分析。新疆参考作物蒸散量的空间分布总体为南疆大于北疆、东部大于西部、盆（谷）地大于山区。受气温上升、日照时数减少、风速减小、相对湿度增大的影响,近48 a新疆参考作物蒸散量呈显著减小趋势,并于1981年发生了突变性减小,但各地具有明显的区域性差异, 参考作物蒸散越强烈的区域,其递减倾向率和减小幅度也越大。参考作物蒸散量减小对降低作物需水量和农田灌溉量、减小地表干燥度、改善新疆脆弱的生态环境具有重要意义。     

新疆地区参考作物腾发量的灰色模型预测

该文依据新疆地区6个站的长序列逐日气象观测资料,基于Penman-Monteith公式计算了逐日参考作物腾发量（ET0）,并应用重标极差法对ET0未来变化趋势进行了分析。运用灰色关联理论计算了各站各气象因子与年ET0间的灰色关联度和关联序。在此基础上,运用灰色系统理论建立灰色不等维递补GM（1,h）模型对6个站的年ET0进行了模拟预测,并与灰色GM（1,1）模型进行了比较。结果表明：各站ET0年内变化均呈抛物线型,4－9月ET0依各站顺序为：若羌＞吐鲁番＞哈密＞喀什＞和田＞伊宁;6站年ET0赫斯特指数均大于0.5,各站未来的趋势与历史呈正相关,依然是波动递减;总体上,平均温度、日照时数、饱和气压差对各站年ET0的影响比较大;灰色不等维递补GM（1,h）模型预测相对误差限为0～7.31%,预测精度明显高于GM（1,1）模型。该研究表明采用灰色模型预测新疆地区参考作物腾发量精度较好。     

参考作物蒸发蒸腾量计算方法在海河流域的适用性

参考作物蒸发蒸腾量（ET0）的计算公式很多,各公式所需参数各异,为寻找一种所需资料少而又精度较高的替代方法,选用1998年FAO-56分册推荐的Penman－Monteith（PM）、Hargreaves、Irmark-Allen等6种方法分别计算海河流域10个典型气象站30 a的参考作物蒸发蒸腾量,并以PM公式为标准,对其他方法进行评价。结果表明,10个站点中除了五台山地区,Hargreaves与FAO-24 Radiation 这2种方法更接近于PM方法的计算结果,其误差较小,在海河流域缺少辐射和风速     

西北地区小型蒸发皿资料估算参考作物蒸散

参考作物蒸散是水文循环的重要参量,它的准确估算对于农业水资源的合理规划和利用尤为关键。本文利用西北干旱半干旱地区123个气象台站1971-2000年的逐日气象观测资料,以FAO推荐的Penman-Monteith公式确定的参考作物蒸散为标准,建立了基于相对湿度与10m高度处风速的由20cm小型蒸发皿换算参考作物蒸散的Kp模型。结果表明:西北地区参考作物蒸散ETref与蒸发皿蒸发Epan的相关系数达到0.967,两者之间存在明显的线性相关关系。与单站模型和全区模型相比,分区域Kp模型的精度介于两者之间,同时具有一定的推广价值,建议使用。     

纵向岭谷区参考作物腾发量变化的特点和趋势

以Penman Montieth方程分析了西南纵向岭谷区大理、元江、保山、昆明、景洪站46～48年的逐日ET₀及其余25个站1961～2000年逐月ET₀系列。研究结果表明：日最高温度是年内ET₀变化主导因素,年际变化主要受日照时数影响,个别站为最高气温或风速,短期ET₀变化与雾无直接关系。利用Mann-Kendall法对各站年际、年内分季节ET₀趋势检验,56.7%站点的年ET₀呈显著增加趋势,分布于澜沧江耿马-思茅-勐海一带以及横断山区维西、福贡等地。分季节逐日ET₀变化趋势为,昆明夏秋季显著下降,景洪冬春季显著增加,元江、保山、大理有增有减。降水量增加、气温升高,蒸发和日照时数减少,导致80%的站ET₀呈下降趋势,湿润指数普遍增加。     

西北地区参考作物蒸散变化特征及其主要影响因素

为了深入认识参考作物蒸散对气候变化的响应,该文基于FAO Penman-Monteith公式研究了西北地区126个站点1961-2009年的生长季参考作物蒸散及其辐射项、动力项的时空变化特征,并对影响参考作物蒸散变化的主要因素进行了分析.结果表明:49年来,西北地区生长季参考作物蒸散显著下降,其变化趋势通过了95％的显...     

青海省东部高原农业区参考作物蒸散量的时空变化

为了确定变化环境下青海省东部高原农业区合理的作物灌溉制度,对参考作物蒸散量进行了时空变化分析。采用Penman-Monteith公式以及12个气象站的气象资料计算了青海省东部农业区1960-2006年参考作物蒸散量,用Mann-Kendall检验、Morlet小波分析、以及GIS的空间分析功能,分析了参考作物蒸散量的时间、空间变化特征。结果表明:从时间尺度上看,研究区平均参考作物蒸散量随时间呈显著的下降趋势,突变的时间约为1974年,主周期为25a左右,在这个时间尺度上参考作物蒸散量表现为多→少→多3个循环交替的过程。从空间尺度上看,参考作物蒸散量南高北低,东高西低,在东南-西北方向上递减,具有明显的地区差异,夏季参考作物蒸散量分布在很大程度上影响了全年参考作物蒸散量的分布特征。影响参考作物蒸散量的主要气象因素为日照时数、风速。海拔高度与参考作物蒸散量呈显著的负相关关系,海拔高度是造成参考作物蒸散量地区差异的另一主要原因。     

气候变化对新疆红枣种植气候区划的影响

研究气候变化背景下新疆红枣气候区划的变化,对适应气候变化,充分合理地利用农业气候资源,科学制定新疆红枣种植和发展规划,促进新疆红枣产业的持续稳定发展具有重要意义。利用新疆101个气象站1961—2012年的历史气候资料,使用线性趋势分析、累积距平和t-检验以及基于ArcGIS的混合插值法,在对近52年新疆≥10℃积温、冬季极端最低气温和6—7月平均气温时空变化进行分析的基础上,结合红枣气候区划指标,对气候变化背景下新疆红枣种植气候区划的变化进行了分析。研究结果表明:1)新疆≥10℃积温、冬季极端最低气温和6—7月平均气温的空间分布总体呈现"南疆高、北疆低,平原和盆地高、山区低"的格局。2)近52年新疆≥10℃积温、冬季极端最低气温和6—7月平均气温分别以62.22℃·d·10a-1、0.551℃·10a-1和0.221℃·10a-1的倾向率呈显著上升趋势,并分别于1997年、1982年和1994年发生了突变。受其影响,1997年后新疆红枣适宜种植区面积增至5.05×105 km2,较之前增加1.20×105 km2,占新疆总面积比例增大7.3个百分点;而次适宜种植区面积缩小4.0×104 km2,占新疆总面积比例缩小2.4个百分点;不适宜种植区面积缩小8.01×104 km2,占新疆总面积比例缩小4.9个百分点。气候变化使新疆红枣适宜种植区面积明显扩大,次适宜和不适宜种植区面积有所减小,这种变化对促进新疆红枣产业的发展具有重要意义。