第48卷第3期
2021年5月
Vol. 48 No. 3May, 2021
水文地质工程地质
HYDROGEOLOGY & ENGINEERING GEOLOGY DOI ： 10.16030/jki.issn.l000-3665.202012012
阴晓伟1，吴一平1，赵文智2，赵富波1，孙彭成1，宋燕妮1，邱临静1
(1.西安交通大学人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 710049;2.中国科学院西北
生态环境资源研究院/临泽内陆河流域研究站，甘肃 兰州 730000 )
摘要：潜在蒸散量(PET)是干旱监测评价的重要指标，分析影响潜在蒸散发的气候敏感因子对揭示气候变化的水文响应机 理尤为重要。常采用的局部敏感性方法不适用于非线性模型且难以评估各气象因子间的相互作用。对此，基于1964—滑轮及其应用
2018年西北旱区内163个气象站的监测数据，通过Penman-Monteith 公式，采用Sobol 全局敏感性方法分析了西北旱区潜在
蒸散发的气候敏感因子，计算得到了自校准帕默尔干旱指数(scPDSl)，进而分析了区域干旱的时空演变特征。结果表明：
1964-2018年西北旱区年均潜在蒸散量为1 157.8 mm，高值出现在新疆东部与内蒙古西部地区，低值出现在青海南部地
区。1993年为转折点，西北旱区潜在蒸散发受气温、日照时数、风速、相对湿度等多种因素综合影响由显著下降的趋势转 变为显著上升，且在夏季最为明显。在1964-1993年，净辐射、风速与相对湿度的变化对潜在蒸散发的影响较大；在1994-2018
年，风速与相对湿度的变化对潜在蒸散发的影响较大。scPDSI 的时空分布表明新疆北部、青海中部以及甘肃境内的干旱有 缓解的趋势；而黄河流域西南部干旱呈现加重趋势，将加剧区域水资源紧张，威胁生态安全。
关键词：西北旱区；潜在蒸散发；干旱;Penman-Monteith; scPDSI; Sobol 全局敏感性分析中图分类号：
P641.131
文献标志码：A 文章编号：1000-3665(2021)03-0020-11
Drought characteristics and sensitivity of potential evapotranspiration to climatic factors in the arid and
semi-arid areas of northwest China
YIN Xiaowei 1, WU Yiping 1, ZHAO Wenzhi 2, ZHAO Fubo 1,
SUN Pengcheng 1, SONG Yanni 1, QIU Liiijing 1
(1. School of H uman Settlements and Civil Engineerings Xi 'an Jiaotong University, Xi 'em, Shaanxi 710049,
China ； 2. Linze Inland River Basin Research Station/Northwest Institute of E co-Environment and Resources,
Chinese Academy of S ciences, Lanzhou, Gansu 730000, China)
Abstract ： Potential evapotranspiration (PET) is an important part of drought monitoring and evaluation. It is very important to analyze the climatic sensitive factors of PET to reveal the mechanism of hydrological responses to
climate change. However, the local sensitivity method commonly used in previous studies is not suitable for
nonlinear models and it is difficult to evaluate the interaction among meteorological factors. In this study, based on the monitoring data of 163 meteorological stations in the arid and semi-arid areas of northwest China from 1964 to
2018, we use the Penman-Monteith equation and Sobol global sensitivity to analyze the climatic sensitive factors
of PET in the study area and discuss the climatic causes of the PET change. We also calculate the scPDSI and
收稿日期：2020-12-05；修订日期：2021-01-17
基金项目：国家重点研发计划项目(2019YFC0507403)；中科院战略先导专项B 项目(XDB40020205)
第一作者：阴晓伟(1997-)，男，硕士研究生，主要从事生态水文方向的研究。E-mail ： ****************.edu
通讯作者：吴一平(1979-)，男，博士，教授，主要从事环境变化与生态水文方向的研究。E-mail ： *****************
2021年阴晓伟，等：西北旱区潜在蒸散发的气候敏感性及其干旱特征研究-21-168dy
analyze the evolution characteristics of drought in northwest China.The results show that the annual average PET of the study area is1157.8mm with substantial spatial variations.The high-value areas are located in the eastern part of Xinjiang and the western part of Inner Mongolia,and the low-value areas are located in the southern part of Qinghai Province.The year1993was identified as a turning point,and the PET changed from a significant downward trend to a significant upward trend,which was more apparent in the summer in that year.From1964to 1993,the net radiation,wind speed,and relative humidity had a relatively greater impact on PET,while in the period1994-2018,wind speed and relative humidity had a relatively greater impact on PET.The spatio-temporal distribution of scPDSI show that the drought in northern Xinjiang,central Qinghai and Gansu is becoming less severe,while the drought severity in the southwest part of the Yellow River Basin is becoming more severe, exacerbating regional water resources shortage and threatening ecological security.
Keywords：arid and semi-arid areas of northwest China；potential evapotranspiration；drought；Penman-Monteith;scPDSI;Sobol global sensitivity analysis
潜在蒸散量(Potential evapotranspiration,PET)能够反映供水充分条件下的蒸发能力。由于难以观测实际蒸散量，通常用潜在蒸散量反映缺水情况，因此潜在蒸散量是干旱监测评价的关键因素气候变化背景下，由于潜在蒸散量与气候因子呈非线性关系，致使其变化复杂且不确定性较大何。相关研究发现过去几十年潜在蒸散量在某些区域呈下降趋势PT，这一现象被称作“蒸发悖论”并引发广泛关注；但也有研究指出近年来潜在蒸散量出现上升趋势冈。因此，解析潜在蒸散发的气候驱动因子，对揭示气候变化的水文响应机理尤为重要。国内外学者对此做了大量的研究，刘昌明等间对影响中国地表潜在蒸散发的气象因子进行了敏感性分析，其敏感程度由高到低排序为：水汽压〉最高气温〉太阳辐射〉风速〉最低气温;GoyaP 认为印度干旱区潜在蒸散发对温度和净辐射极为敏感;Dinpashoh等同发现伊朗北部的潜在蒸散发主要受到风速和相对湿度的影响；杨林山等闵认为沈河流域潜在蒸散发对净辐射敏感性最高，气温和净辐射的变化是该流域潜在蒸散量增加的主要原因。上述研究大都采用了局部敏感性方法，相比之下，全局敏感性方法可以支持分析潜在蒸散发与各气象因子间的非线性关系以及不同因子之间的相关性凹，因此近年来得到了广泛重视。Guo等叩采用全局敏感性方法评估了影响澳大利亚潜在蒸散发的气候敏感因子，发现在干旱区域温度和风速敏感性较高，在湿润区域温度和相对湿度敏感性较高;Xu等凹采用相同的方法分析了影响浙江省未来潜在蒸散发的气候敏感因子，认为2011-2040年该区域潜在蒸散量的变化主要由太阳辐射、相对湿度和日最低气温引起。
在气候变化以及人类活动影响逐渐加剧的背景下，极端气候频发，水文循环更加剧烈，因而区域性干旱越来越受到关注。干旱指数能够量化干旱程度，在干旱实时监测方面扮演着重要的角问。Palmer1141提出了以水量平衡原理为基础的帕默尔干旱指数(Palmer drought severity index,PDSI)o为了使PDSI在空间上更具可比性，Wells等问建立了自校准帕默尔干旱指数(Self-calibrating PDSI,scPDSI)，该指数用动态计算值代替了PDSI计算公式中的经验常数(持续时间因子、气候特征系数和其他环境常数等)。已有相关研究表明㈣,scPDSI能够更合理地监测极端干旱事件。
中国西北旱区位于欧亚大陆的腹地，生态系统极其脆弱，是世界上最干旱的地区之一，对气候变化的响应也极为敏感呵。干旱缺水是困扰西北旱区发展的主要障碍之一，也是专家学者一宜关注的热点问题。鉴于此，本研究利用西北旱区163个气象站点的数据，采用Penman-Monteith公式、scPDSI干旱指数、Sobol全局敏感性方法以及非参数Mann-Kendall趋势检验，分析了西北旱区潜在蒸散发以及干旱的时空分布特征，并根据各气候要素的敏感系数对潜在蒸散量的变化趋势进行了归因分析。
1研究区概况
西北旱区包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西以及内蒙古等地。该地区远离海洋，属干旱半干旱气候，年降水量仅约400mm。地貌格局以山地和荒漠戈壁为主，绿洲面积较少(图1)，水资源的急剧紧张及其时空分布的高度异质性导致该区域生态系统极为脆弱旳，对气候变化的响应非常敏感。
•22-水文地质工程地质第3期
图1研究区概况
Fig.1General situation of the study area
2研究方法与数据
2.1研究方法
(1)潜在蒸散发计算公式
本研究采用Penman-Monteith公式闻对西北旱区的潜在蒸散量(PET)进行估算：
0.408A(2?n-G)+———(e s-e a)
PET=----------------------1+21i--------------(1)
A+y(l+0.34i<2)
式中:A—饱和水汽压一温度曲线斜率/(kPa・pT)；
幸福的n种感觉7?…—净辐射/(MJ・m?dT)；
G---地表热通量/(MJ・m2-d');
T—平均温度/T;
y—干湿计常数/(kPa代旳；
“2-------2m处风速/(m・s1);
e s---饱和水汽压/kPa；
e a-----实际水汽压/kPa。
(2)scPDSI干旱指数
PDSI通常表示某一地区在一段时间内实际供水持续低于正常水平的干旱的严重程度，是水分亏缺量与持续时间的函数：
X,=qZ t+pXi=y+0.897X(2)式中：X：、Xi—第Z月与第I月的PDSI指数；
Z,—第i月的水分异常指数；awc
q、p---持续因子。
R而+2.8)VD+0.5⑶
式中:K—气候特征系数近似值;
K*—气候特征系数；
PE—平均潜在蒸散量；
R—平均实际补水量；
RO—平均实际径流量；
P—平均实际降水量；
L—平均实际土壤水分损失量；
万一平均水分偏离量。
式(2)中自变量的系数(弘p)固定，称之为持续因子，分别是1/3和0.897，能够反映PDSI受地表前期干湿状况影响的程度，以及对当月水分异常指数Z；的敏感性。
尽管PDSI的提出是基于水分平衡方程原理且其具有明确的物理意义，但其计算公式中包含了一些经验参数，这些经验参数是基于美国半干旱区的气象观测数据得到，致使PDSI在美国半干旱区以外的气候区的适用性有待验证。Wells等问提出了scPDSI干旱指数，该指数能够基于每一个台站的历史观测资料，对式(2)中的持续因子g、p以及式(4)中的气候特征系数K*逐一修正，使其符合当地的气候条件，从而具有较好的空间可比性。其具体改进方法见文献［15］。
scPDSI干旱等级分级见表1o
表1scPDSI干旱等级
Table1Classification of scPDSI
干旱等级scPDSI
无旱-0.99~0.99
轻旱-1.99--1.00
中旱-2.99〜-2.00
重旱-3.99--3.00
特旱W-4.00
(3)Sobol全局敏感性分析
Sobol法是一种基于方差分配的全局敏感性分析方法凹，该方法可以考虑到Penman-Monteith公式中各因子之间的非线性关系，能够分析潜在蒸散发对气象因子的独立敏感性与总敏感性，优于传统的局部敏感性分析方法。其原理如下：
X=+ (5)
式中：X—模型总方差；
X：—变量i贡献的方差；
X*—变量i与丿相互作用贡献的方差。
上述方差均由蒙特卡罗数值积分⑷近似得到，此外，根据Sobol法的定义，一阶与全阶敏感系数分别表示为：
s i=x i/x
(6)
2021年阴晓伟，等：西北旱区潜在蒸散发的气候敏感性及其干旱特征研究•23•
STi=Si+S*j-----S i,jz(7)式中:S,—变量i的一阶敏感系数；
S*—变量Z•的二阶敏感系数；
ST t—变量Z的总阶敏感系数。
(4)非参数Mann-Kendall趋势检验
非参数Mann-Kendall检验法是经过世界气象组织(WMO)推荐并被广泛应用的趋势检验方法，用于辨别某一自然过程处于自然波动状态还是具有一定的变化趋势。该方法无需假定样本的统计分布，可自动排除少量异常值干扰，适用于顺序变量和类型变量。其检验统计量S及检验值Z计算公式如下：
S=2LUsgn(Xj-&)(8)
+1if(Xj-X；)>0
常乐康sgn(Xj-XJ=-0if(Xj-XJ=0(9)
l-l if(Xj-X；)<0
刀述仁
'(S-1)/Vvar(S)辻(Xj-Xj>0
Z=O辻(X j-XJ=0(10)、(S+1)/Vvar(S)辻(Xj-X)<0
式中：n---时间序列的长度；
Xj、X：—第j年和第Z年待检验样本的数值。
若|Z|mz(一化)时，则表明原无趋势的假设被否定，在置信水平。下，时间序列数据存在趋势,Z大于0代表时间序列为增加趋势，小于0则代表为减少趋势。Z的绝对值大于等于1.28,1.64,2.32时，表明显著性检验中置信度分别超过了90%、95%、99%。
2.2数据来源
本文的气象数据来自中国地面气候资料日值数据集(a)，包括西北旱区内163个气象站，见图lo主要气候变量为1964—2018年间的逐日降水、相对湿度、风速、日照时数、最高气温和最低气温o此外,scPDSI厳输入的土襲戢跆水量(AvailableWater Capacity,AWC)数据由Dai等㈤制作的中国土壤水文数据集中的田间持水量和凋萎系数计算而来。
3结果与分析
3.1潜在蒸散发的时空变化特征
3.1.1潜在蒸散量空间分布
1964—2018年，西北旱区潜在蒸散量在660.8-2080.0mm/a之间，年均值约为1157.8mm/a。从空间看(图2)，西北旱区潜在蒸散量具有明显的空间分布差异，其高值区域位于新疆东部与内蒙古西部，年均潜在蒸散量大于1350.0mm/a，并呈现出由该区域向周边区域递减的趋势。风速是影响潜在蒸散发的重要因素，由于西风带气候区影响，该区潜在蒸散量明显较高。低值区域位于青海南部，年均潜在蒸散量小于900.0mm/a；整体而言，大部分区域的潜在蒸散量在900.0~1500.0mm/a之间。
750900105012001350150016501800
图21964—2018年西北旱区潜在蒸散量空间分布Fig.2Spatial distribution of PET in the arid and semi-arid areas of northwest China from1964to2018
3.1.2潜在蒸散量时间变化趋势
1964-2018年，西北旱区潜在蒸散量年际变化趋势呈现不显著(/M).7)的上升趋势，范围在1020~1160mm 之间(图3)o1993年为转折点，其潜在蒸散量在前后两个时间段分别呈现出显著(7^0.0017)的下降与显著(7M10058)的上升趋势，下降与上升的速率分别为-2.29,1.94mm/a。
图31964—2018年西北旱区潜在蒸散量变化趋势Fig.3The trend of PET in the arid and semi-arid areas of
northwest China from1964to2018
为了进一步分析潜在蒸散量时间变化趋势在空间上的分布状况，对1993年转折点前后两个时间段各
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水文地质工程地质
第3期
气象站点的年际潜在蒸散量进行了 Mann-Kendall 趋 势检验，计算每个站点的Z 值，并以a=0.05的置信水 平将其分为显著增加、显著减少、不显著增加和不显
著减少4类（图4）, 1964—1993年共计126个站点潜 在蒸散量呈现下降趋势，其中下降趋势显著的站点主
要分布在新疆、甘肃以及陕西等地；1994-2018年，共 计111个站点呈现上升趋势，其中上升趋势显著的站
点主要分布在新疆以及甘肃。前后两个时间段下降 与上升趋势均显著的站点共计35个，分布在新疆中
部以及甘肃西北部。
图4西北旱区气象站点潜在蒸散量的Mann-Kendall 趋势检验空间分布
Fig. 4 Spatial distributioii of PET in the arid and semi-arid areas of northwest China by the Mann-Kendall trend test
32潜在蒸散发的气候敏感性3.2.1敏感系数的空间分布
西北旱区潜在蒸散发对各气候因子敏感系数的
空间分布如图5所示。依据敏感性区间范围（表2）, 西北旱区全境潜在蒸散发对温差均不敏感。在空间 上，各气候因子的分布差异十分明显，其中，潜在蒸散
发对平均温度与净辐射的敏感性整体高出对风速与
相对湿度的敏感性一个量级。平均温度的敏感系数 波动范围为0-11-0.86，新疆北部、青海北部、甘肃西
北部以及内蒙古东北部的潜在蒸散发对其敏感性程
度较高，见图5（a ）o 净辐射的敏感系数波动范围为
0.09 - 0.64，敏感系数大致从西北向东南方向递增，青
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12
I I 研究区
图S 气候因子敏感系数空间分布
Fig* 5 Spatial distribution of sensitivity coefficients of climatic
factors
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