中国西北地区【中国西北地区ET0多尺度分析】
时间：2020-03-10 07:17:26 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：基于西北地区１９７８～２００８年３０个典型气象站逐日观测资料，应用ＦＡＯ－５６分册推荐的Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ公式，计算得出各站历年逐日参考作物蒸发蒸腾量ＥＴ０。应用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验法和小波变换方法分别分析西北地区ＥＴ０序列的变化趋势以及周期特性和突变特性。结果表明，西北地区该时期ＥＴ０序列主要存在尺度为２７年、９年和４年的周期变化，其变化趋势达到显著水平，１９７８～１９８８年下降趋势明显，１９９８～２００８年上升趋势明显。
关键词：参考作物蒸发蒸腾量；Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验法；小波变换；中国西北地区
中图分类号：Ｓ１６１．４＋２ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０11）24－5086-04
Ｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅ Ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ＥＴ０ ｉｎ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ
ＦＡＮ Ｌｉｎ-ｌｉｎa，SUN Qing-yub，ＬＩＵ Ｘｉａｏa
（a.Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； b. Center for Agricultural Water Research in China，
Ｃｈｉｎａ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，China）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｏｆ ３０ ｓｔａｔｉｏｎｓ ａｌｌ ｏｖｅｒ ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ， ｄａｉｌｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｖａｐｏｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ（ＥＴ０） ｗａｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＦＡＯ Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ ｅｑｕａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ were ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ， ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｍｕｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＥＴ０ ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ． Ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｅｒｉｏｄｓ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｖａｐｏｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ were ａｒｏｕｎｄ ２７ ｙｅａｒｓ， ９ ｙｅａｒｓ ａｎｄ ４ ｙｅａｒｓ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＥＴ０ ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ weｒｅ ａｔ ９５％． Ｔｈｅｒｅ weｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄｒｏｐ ｔｒｅｎｄｓ ｆｒｏｍ １９７８ ｔｏ １９８８ ａｎｄ ｕｐ ｔｒｅｎｄｓ ｆｒｏｍ １９９８ ｔｏ ２００８．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｒｏｐｓ ｅｖａｐｏｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ； Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ ｍｅｔｈｏｄ； ｍｏｒｌｅｔ ｗａｖｅｌｅｔ； ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ
西北地区最主要的自然特征是干旱，这就造成了水资源供需矛盾。水资源短缺和不合理的用水方式导致了生态环境恶化，灌溉面积的扩大与流域生产力水平提高对流域生态环境产生了一定的负面效应。参考作物蒸发蒸腾量（ＥＴ０）表征了大气蒸发率及实际蒸散率的上边界大小［１］，作为区域能量平衡和水分平衡的重要组成部分，在农业水资源利用、生态系统建模及评价区域干湿状况等方面是一个关键的计算因子。倪广恒等［２］利用ＧＩＳ的空间分析功能，分析了ＥＴ０的空间变化规律；杨永红等［３］利用Ｋｉｒｇｉｎｇ插值及Ｓｕｒｆｅｒ ８．０的空间分析功能，得到西藏高原区年ＥＴ０均值的等值线图；董满宇等［４］等运用ＭＨＦ小波分析、非参数统计检验Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ法及Ｙａｍａｍｏｔｏ法对东北地区９１个气象站近５０年的气候资料进行了温度变化的时空特征分析。选取中国西北地区３０个气象站为代表，应用ＦＡＯ－56 Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ公式，计算得出各站历年逐日参考作物蒸发蒸腾量。利用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验法和小波变换方法分别分析了西北地区ＥＴ０序列的变化趋势以及周期特性和突变特性。探寻西北地区ＥＴ０的时空变异规律，旨在为其农牧业产业结构调整、灌溉农业发展模式、农作制度制定、生态环境建设的有效模式等科学和生产实际问题提供参考，更好地为西北干旱地区经济建设服务。
１ 研究方法
１．１ 数据来源及处理
选用西北地区（包括甘肃、宁夏、陕西、新疆及青海）３０个气象站１９７８～２００８年的气象观测数据（包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均气压、日平均湿度、日照时数以及日平均风速），各气象站基本情况见表１。利用ＦＡＯ-56 Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ公式计算ＥＴ０日值，再逐日叠加得到气象站年ＥＴ０值。对个别缺测数据通过与临近点的线性回归分析进行插补，以确保ＥＴ０序列的完整性与连续性。
１．２ ＥＴ０的计算方法
目前计算参考作物蒸发蒸腾量ＥＴ０应用最多的是Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ方法，它以能量平衡和水汽扩散理论为基础，考虑了空气动力学和辐射项的作用，又涉及了作物的生理特征，而且公式还引入了表面阻力参数来表征作物生理过程中叶面气孔及表层土壤对水汽传输的阻力作用。联合国粮农组织推荐将其作为计算参考作物蒸发蒸腾量的一种标准方法［5］。公式如下：
ＥＴ０＝■ （１）
式中，ＥＴ０为参考作物蒸发蒸腾量（ｍｍ／ｄ），ｅｓ和ｅａ分别为饱和水汽压和实际水汽压（ｋＰａ），Δ为饱和水汽压－温度曲线的斜率（ｋＰａ／℃），γ为干湿计常数（ｋＰａ／℃），ｕ２为２ ｍ处风速（ｍ／ｓ），Ｒｎ为净辐射［ＭＪ／（ｍ２・ｄ）］，Ｔ为平均气温（℃），Ｇ为土壤热通量［ＭＪ／（ｍ２・ｄ）］。
１．３ Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ趋势检验方法
趋势分析一般用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ法［6］，在水文、气象等方面得到广泛应用。它是由世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，由Ｍａｎｎ和Ｋｅｎｄａｌｌ最早提出，它能很好地揭示时间序列的趋势变化。Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。
Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验的原理是原假设Ｈ０为时间序列数据（ｘ１，…，ｘｎ），是ｎ个独立的、随机变量同分布的样本，备择假设Ｈ１是双边检验，对于所有的ｋ，ｊ≤ｎ，且ｋ≠ｊ，ｘｋ和ｘｊ的分布是不相同的，检验的统计变量Ｓ计算公式如下［8］：
S＝■■Ｓｇｎ（ｘｊ－ｘｋ） （２）
Ｓｇｎ（ｘｊ－ｘｋ）＝+1 （xj-xk）＞00 （xj-xk）=0-1 （xj-xk）＜0 （３）
Ｓ为正态分布，其均值为０，方差Ｖａｒ（Ｓ）＝ｎ（ｎ－１）（２ｎ＋５）／１８。当ｎ＞１０时，标准的正态统计变量通过下式计算［７］：
Ｚ＝■ S＞0 0 S=0■ S＜0 （４）
这样，在双边的趋势检验中，在给定的α显著水平上，如果｜Ｚ｜≤Ｚ１－α／２，则接受原假设，否则，拒绝原假设，即在α显著水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。对于统计变量Ｚ，大于０时，是上升趋势；小于０时，则是下降趋势。
１．４ 小波变换方法
小波函数［9］是指具有振荡性、能够迅速衰减到零的一类函数Ψ（ｔ），即满足■ψ（ｔ）=0。
对于给定的小波函数■ψ（ｔ）=0，水文时间序列ｆ（ｔ）∈Ｌ２（Ｒ）的连续小波变换为［１０］：
Ｗｆ（ａ，ｂ）＝｜ａ｜１／２■f（t）ψ（■）dt （５）
式中，ａ为尺寸因子，反应小波的周期长度；ｂ为时间因子，反应时间上的平移；Ｗｆ（ａ，ｂ）为小波变化系数。在该文的实际应用中，ＥＴ０序列是离散的，需要对其尺度进行离散化处理，如ｆ（ｋ△ｔ），其中ｋ＝１，２，３，…，n，△ｔ为取样的时间间隔，则式（５）的离散小波变换为［10］：
Ｗｆ（ａ，ｂ）＝｜ａ｜１／２△ｔ∑■■ ｆ（ｋ△ｔ）ψ（■）（６）
Ｗｆ（ａ，ｂ）随尺寸因子ａ和时间因子ｂ变化，以ｂ为横坐标、ａ为纵坐标的关于Ｗｆ（ａ，ｂ）的二维等值线图称为小波变换系数时频图［１1］，通过对此图的分析可以得出ＥＴ０序列的变化特征。
将时间域上的关于ａ的所有小波变换系数的平方进行积分，即为小波方差［１2］：
Ｖａｒ（ａ）＝■ Wf（a，b）■db （７）
尺度ａ下，Ｖａｒ（ａ）表示ＥＴ０序列中该尺度周期波动的强弱。小波方差随尺度ａ的变化过程称为小波方差图［１3］，它反映了ＥＴ０序列中所包含的各种尺度（即周期）的波动以及其能量随尺度变化的分布特性。
２ 结果与分析
２．１ Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ趋势分析
运用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ法对西北地区1978~2008年年均ＥＴ０序列变化趋势进行检验，结果如图１所示。从趋势线可以看出，ＥＴ０序列的变化在１９７８～１９８８年经历了３次一定幅度的升降波动，但总体趋势为下降，且在１９８５~１９８７年超过了９５％置信度线，说明下降趋势非常明显。在１９８８～１９９８年经历了两次不同幅度的升降波动，在１９９９年附近趋势线穿过０刻度线，ＥＴ０序列变化趋于平缓。１９９８～２００８年ＥＴ０在波动中逐步上升，２００６、２００８年超过了９５％置信度线，ＥＴ０上升趋势显著，这１０年是ＥＴ０数值达到最大的１０年。
２．２ 小波变换周期性分析
选用Ｍｏｒｌｅｔ复小波进行小波分析。将ＥＴ０年值进行距平处理后，代入小波变换系数公式以及小波方差计算公式，得到小波变换系数以及小波方差，将小波系数实部与小波系数模平方投影到ｂ－ａ平面上，得到小波系数实部时频图与小波系数模平方时频图如图２、图３所示。
从图２可以看出ＥＴ０序列小波变换系数实部随ｂ、ａ的变化特性，其中以尺度为２７年、９年和４年的波动较为明显。图３反映了小波系数模平方在ｂ－ａ平面上变化的强弱情况。从图３可以看出，小波变化域中能量变化中心主要有三部分。第一部分是尺度为２７年的区域，能量集聚中心点为（１５，２７）。在此处，ＥＴ０序列在小波变化域中的波动能量强度较大，且贯穿了整个时域，其中强集中影响时间为１９８２～２００４年，振荡中心在１９９４年，波动能量影响的尺度为１５～３１年。第二部分是尺度为９年的区域，在此区域下有两个能量集中点，分别为（１３，９）和（２２，９）。由于在此区域下有两个能量集中点，且这两点的能量相差不大，导致尺度为９年的ＥＴ０序列受到两个能量集中点的影响，使其波动幅度不同。强集中影响时间为１９８８～１９９２年和１９９６～２００１年，波动能量影响的尺度为７～１０年。为进一步说明ＥＴ０序列在时域中的波动变化和突变情况，绘制以时间因子ｂ为横坐标，固定尺度因子ａ（取ａ＝２７，ａ＝９，ａ＝４）下的小波系数Ｗｆ（ａ，ｂ）实部为纵坐标的实部变化过程线如图４所示。
从图４可以看出，在尺度为２７年下小波系数实部随时间位移ｂ的变化过程以２７年为周期在均值上下振荡，在整个时域上大约经历了1.5个周期的变化，且波动幅度相差很小。在尺度为９年下小波系数实部随时间位移ｂ的变化过程以９年为周期在均值上下振荡，在整个时域上大约经历了３个周期的变化，且波动幅度基本一致（２００４～２００８年幅度稍小）。在尺度为４年下小波系数实部随时间位移ｂ的变化过程以４年为周期在均值上下振荡，在整个时域上大约经历了７个周期的变化，其中１９９７～２００８年波动幅度较小。
将计算出的小波系数代入小波方差公式得到小波方差图如图５所示。从图５可以看出，小波方差在尺度为４年、９年及２７年的极值表现最为显著，表明西北地区ＥＴ０序列存在２７年、９年及４年的主要变化周期。
３ 结论
１）近３０年来西北地区ＥＴ０序列的变化趋势达到了显著水平，１９７８～１９８８年下降趋势明显，１９９８～２００８年上升趋势明显。
２）西北地区１９７８～２００８年ＥＴ０序列呈现多时间尺度规律，且大时间尺度包含小时间尺度，主要存在尺度为２７年、９年和４年的周期变化，这些尺度主导了ＥＴ０序列变化的特性。
３）通过ＥＴ０序列３个主要周期变化特性分析可知，该地区ＥＴ０序列从低于平均水平逐渐增大，并会持续若干月。
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