李 迎1，吕谋超1，张海文2，邓 忠1，刘春成1，姜明梁1
（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002；2.北京农业职业学院，北京102442）
摘 要：为了研究参考作物蒸散量（ET0）对气象要素的敏感性，利用新乡地区1951―2003年逐日气象资料，由Penman-Manteith公式计算参考作物蒸散量，采用敏感曲线和敏感系数方法分析了参考作物蒸散量对气象要素的敏感性。结果表明，温度、风速和日照时间3种气象要素与ET0正相关，相对湿度与ET0负相关。1―12月，相对湿度和风速的敏感系数表现为“先减小后增大”趋势，而日照时间和温度敏感系数表现为“先增大后减小”趋势。在全年中，ET0对气象要素的敏感程度表现为相对湿度＞风速＞日照时间＞温度；第一、四季度各气象要素在季尺度中的敏感性均为相对湿度＞风速＞日照时间＞温度，第二季度表现为相对湿度＞日照时间＞风速＞温度，第三季度表现为相对湿度＞日照时间＞温度＞风速；冬小麦生育期典型时段内各气象要素敏感性在1、3、10月份均表现为相对湿度＞风速＞日照时间＞温度，5月则表现为相对湿度＞日照时间＞风速＞温度。
关 键 词：参考作物蒸散量；气象要素；敏感性；敏感曲线；敏感系数
参考作物蒸散量（ET0）对于作物蒸散量估算、灌溉制度制定等具有重要意义[1]，也一直是国内外研究的热点问题。全球正在经历以温度升高为主要趋势的气候变化，湿度、辐射、风速等气象条件也发生了改变[2-4]，势必引起ET0的时空分布随之发生变化。
近年来，国内外学者运用不同方法研究了ET0对气象因素的敏感性，研究结果表明，不同地区ET0受气象要素影响的敏感性存在显著差异。如青海地区ET0对日照时间最为敏感，其次是气温、相对湿度和风速[5]；黄河上游地区ET0对日照时间的敏感性最大，其次是相对湿度，气温和风速的敏感性最低，且气温的敏感系数在年内变化较大[6]；东江流域内日照时间对ET0影响最大，温度、相对湿度次之，风速影响最小，且不同季节内气象因子的敏感性存在一定变化[7]；辽宁省气象要素对ET0的敏感性由大到小依次为相对湿度、太阳辐射、风速和温度[8]。
由于研究方法、研究区域和研究时段的不同，ET0对气象要素的敏感性存在差异，各个地区之间对ET0造成主要影响的气象因子不尽相同，且在年际及年内之间同一气象要素的敏感性存在一定的变化。基于新乡地区1951―2003年的逐日气象资料，利用Penman-Manteith公式（P-M公式）[9]计算ET0。采用敏感系数、敏感曲线法分析气象要素变化对ET0的影响，为该地区应对气候变化，保证农业生产提供基础支撑。
以河南新乡地区作为研究点，新乡市位于河南省北部（113°53′E，35°19′N，海拔 73.2 m）年均温度14.1℃，日照时间2 398.8 h，无霜期210 d，年均降水量588.8 mm。研究数据选用该地区1951―2003年逐日气象资料，包括相对湿度、日照时间、平均风速、平均气温等，气象数据来自中国气象科学数据共享网（http://cdc.nmic.cn/home.do）。
分别采用敏感系数法与敏感曲线法对ET0进行敏感性分析。敏感系数法由于计算模型复杂，其偏导数不易求得，利用因变量与自变量的比值代替偏导数进行分析[10-11]，为了消除数据单位不统一带来的误差，对计算结果进行无量纲化处理，敏感系数具体计算方法见式（1），敏感系数的正负表示ET0值随气象要素的增加而增大或减小，敏感系数的绝对值表示ET0对气象要素变化的敏感程度。
式中：SC为敏感系数；ET0为参考作物蒸散量原值；△ET0为参考作物蒸散量变化值；CV为气象要素原值；△CV为气象要素变化值。
敏感性分析的另一种方法是敏感曲线法，该方法将自变量和因变量的变化特征描绘在坐标系中，可以简单、精确地描述参数的敏感性，是对敏感系数的直观反应。具体方法为，在其他气象因子不变的情况下，改变某一个气象因子，将其变化范围定为-20%～20%，变化幅度为5%，计算ET0相对变化量△ET0/ET0。以CV变化幅度为X轴，△ET0/ET0为Y轴，得到气象因子的敏感曲线。
图1为多年日平均气象要素及参考作物蒸散量的变化趋势。由图1可以看出，气温随季节变化呈抛物线形状，1―7月呈上升趋势，8―12月呈下降趋势，其波动范围为-1.05～27.94℃；日照时间也是呈抛物线形状，1―6月呈上升趋势，7―12月呈下降趋势，最大值出现在6月，其波动范围为4.07～9.03 h；相对湿度在1―6月内略有波动，且其值较小，6月中旬开始快速升高，在8月达到最大值，之后开始迅速降低，相对湿度的最大值出现在8月，其波动范围为54.62%～82.2%；风速整体变化幅度较小，其波动范围为1.4～3.6 m/s，最大值出现在3月，最小值出现在10月；ET0呈抛物线形状，1―6月呈上升趋势，6―12月呈下降趋势，最大值出现在6月，其波动范围为0.85～5.38 mm。ET0变化形状与气温和日照时间基本一致，其变化趋势和日照时间变化趋势更加吻合，二者基本同时达到最大值。
图1 多年日平均气象要素及参考作物蒸散量的变化趋势
表1为不同月份各气象要素的敏感系数值。从表1可以看出，相对湿度的月敏感系数在全年均为负值，说明ET0和相对湿度为负相关关系，当相对湿度增大时，ET0减小；日照时间和风速的月敏感系数均为正值，温度的月敏感系数基本均为正值（其中：1月为-0.001 5，2月为0.000 91，12月为-0.01），说明日照时间、风速、温度与ET0成正相关关系，即ET0值随该气象因子值增大而增加。相对湿度的敏感系数（绝对值）由11月到翌年6月逐渐减小，由6月到11月逐渐增大，最大值出现在11月，为1.22，最小值在6月，为0.57；风速的敏感系数由1月到8月逐渐减小（6月略大于5月），8月到12月逐渐增大，最大值出现在12月，为0.40，最小值为0.08，出现在8月；日照时间的敏感系数由1月到8月逐渐增大，由8月到12月逐渐减小，最大值为0.33，出现在8月，最小值出现在12月，为0.01；温度的敏感系数由1月份到8月逐渐增大（6月敏感系数小于4、5月），由8月到12月逐渐减小，最大值出现在8月，为0.23，绝对值最小值为0，分别出现在1、2月。分析各气象因子不同月份的敏感系数变化趋势可以看出，相对湿度和风速的敏感系数具有相似的变化趋势，其敏感系数绝对值表现为冬季较大而夏季较小；日照时间和温度敏感系数变化趋势较为一致，表现为冬季小、夏季大，与相对湿度和风速的敏感系数变化规律相反。相对湿度的敏感系数绝对值在全年均大于其余气象因子，说明ET0对相对湿度变化最为敏感。
表1 不同月份气象要素敏感系数
表2列出了各气象要素季度和年敏感系数。由表2可以看出，从年平均系数来看，ET0对气象要素的敏感程度由大到小依次为相对湿度＞风速＞日照时间＞温度；在季尺度上，相对湿度在全年各个季度均为最敏感因子，其余气象要素的敏感系数随时间产生变化，在气温较低的第一季度和第四季度中，气象要素的敏感程度变化趋势较为一致，由大到小顺序依次为相对湿度＞风速＞日照时数＞温度；在日照时间较长的第二季度和第三季度中，日照时间的敏感系数值均大于风速和温度，在风速较大的第二季度中，敏感系数风速＞温度，在温度较高的第三季度中，敏感系数温度＞风速。
表2 各气象要素的季度和年敏感系数
选取新乡地区冬小麦生长季内的典型时期（分别为10月、1月、3月和5月），描绘各气象要素的敏感曲线，分析其对ET0的敏感性，敏感曲线见图2。由图2可以看出，除相对湿度与ET0负相关外，其余气象因子与ET0之间均为正相关关系（其中温度在1月中与ET0负相关，但敏感性几乎为0）。其中，温度、日照时间变化对ET0的敏感程度较为相似，其敏感性变化规律为5月＞10月＞3月＞1月，即随着温度升高、日照时间变长，其对ET0的影响程度越来越大；相对湿度对ET0的敏感性变化规律为10月＞1月＞3月＞5月，其中10月和1月的敏感性相差不大；风速对ET0的敏感性变化规律为1月＞3月＞10月＞5月，3月和10月其对ET0的影响程度几乎一样。
图2气象要素变化在不同月份中对ET0变化的影响
图3 是同一月份中ET0对气象要素的敏感性。由图3可以看出，在各个月份中，相对湿度变化与ET0呈负相关关系，其对于ET0变化敏感程度要远远大于其他气象因子；而在与ET0呈正相关关系的各气象因子中（1月中温度与ET0呈负相关关系，但其敏感性几乎为0），对ET0变化敏感性规律为，1、3、10月中：风速＞日照时间＞温度，5月中：日照时间＞风速＞温度。其中，在1月，日照时间与温度对ET0的影响差别不大。
图3 同一月份中不同气象要素变化对ET0变化的影响
表3 敏感曲线的斜率
表3为敏感曲线的斜率及相关系数。由表3可以看出，气象要素对ET0的影响是随时间变化的，在典型时段内，相对湿度敏感曲线斜率的绝对值要大于其余3个气象要素，表明相对湿度对ET0的影响最大，其在3、5月的敏感曲线斜率的绝对值小于1、10月；平均温度的敏感曲线斜率在典型时段中，要小于其余3个气象因子，说明温度变化对ET0的影响最小，且在温度较低的1、3月，其敏感曲线斜率要小于温度较高的5、10月，说明温度对ET0的影响程度随着温度的升高而增大；在日照时间较长的5月中，日照时间对于ET0的敏感性要大于风速，在日照时间较短的1、3、10月中，日照时间对于ET0的敏感性小于风速，且随着日照时间的增加，日照时间对于ET0的敏感性有所增加。
各气象要素变化对ET0具有不同程度的影响。其中，温度、风速和日照时间与ET0正相关，即随这些气象因子值的增大，ET0值增大；相对湿度与ET0负相关，即ET0值随着相对湿度的增大而减小。气象因子对ET0的影响程度随季节内气候环境发生变化，在全年中，ET0对气象要素的敏感程度为相对湿度＞风速＞日照时间＞温度；相对湿度和风速的敏感系数表现为冬季较大而夏季较小，日照时间和温度敏感系数表现为冬季小、夏季大；在气温较低的第一季度和第四季度中，由大到小顺序依次为相对湿度＞风速＞日照时间＞温度；在日照时间较长、温度较高的第二季度和第三季度中，日照时间的敏感系数值均大于风速和温度；在风速较大的第二季度中风速＞温度，在温度较高的第三季度中温度＞风速。
在冬小麦生育期典型时段内，ET0对各气象因子的敏感性，1、3、10月中：相对湿度＞风速＞日照时间＞温度，5月中：相对湿度＞日照时间＞风速＞温度。温度、日照时间对ET0的敏感性变化规律为5月＞10月＞3月＞1月，即随着日照时间变长、温度升高，其对ET0的影响程度越来越大；风速对ET0的敏感性变化规律为1月＞3月＞10月＞5月，即随着温度升高、相对湿度减小，其对ET0的影响程度减小；相对湿度对ET0的敏感性变化规律为10月＞1月＞3月＞5月，其变化规律较为复杂，1、3、5月，随着温度、日照时间、相对湿度的增加而减小，10月又随着温度、日照时间的减小而增加。
研究结果中各气象要素与ET0表现出的正负相关关系与大多数研究结果[5,7,12-13]相一致，而在年、季、月时间尺度上，相对湿度均为最敏感气象要素，与文献[14-18]研究结果一致。而更多的研究成果则表明，不同地区之间，气象要素的敏感性不尽相同，且随年内不同季节气候环境变化而变化，在气象资料缺失的情况下，要根据不同区域特点选择合适的替代方法估算ET0。而ET0的计算需要多项气象要素，且气象要素之间存在一定的联系，本文仅是在改变某一气象要素，其余要素不变的情况下，研究了ET0的敏感性，下一步应在多要素变化，或考虑各气象要素间联系的情况下，开展相关研究。
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SensitivityAnalysis of the Reference Crop Evapotranspiration to Meteorological Factors
LI Ying1,LYU Mouchao1,ZHANG Haiwen2,DENG Zhong1,LIU Chuncheng1,JIANG Mingliang1
(1.Farmland Irrigation Research Institute,ChineseAcademy ofAgricultural Sciences,Xinxiang 453002,China;2.Beijing Vocational College ofAgriculture,Beijing 102442,China)
Abstract：Calculating the reference crop evapotranspiration(ET0)from the Penman-Monteith formula needs a number of meteorological data and we analyzed the sensitivity of the ET0to different meteorological factors using weather data measured daily in Xinxiang from 1951 to 2003.We firstly calculated the ET0using these measured data and the Penman-Monteith formula,and then analyzed its sensitivities to different meteorological factors based on the sensitivity curves and sensitivity coefficients.The results showed that the ET0was correlated positively with temperature(T),wind speed(U2)and sunshine hours(n),and negatively with the relative humidity(RH).From January to December,the sensitive coefficients of ET0to RH and WS decreased first and then increased,but its sensitive coefficients to SH and T increased first and then decreased.The sensitivity of annual ET0to meteorological factors was in the order of RH＞U2＞n＞T.Seasonally,the sensitivity of ET0to meteorological factors was in the order of RH＞U2＞n＞T in the first and fourth quarters,RH＞n＞U2＞T in the second quarter,and RH＞n＞T＞U2in the third quarter.In critical growing season,the sensitivity of ET0to meteorological factors was in RH＞U2＞n＞T in January,March and October,and RH＞n＞U2＞T in May.
Key words：reference crop evapotranspiration;meteorological factors;sensitivity;sensitivity curve;sensitive coefficient
中图分类号：S161.4
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.07.017
文章编号：1672–3317（2017）07-0094-06
责任编辑：陆红飞
李迎，吕谋超，张海文，等.参考作物蒸散量对气象要素的敏感性分析[J].灌溉排水学报，2017，36（7）：94-99.
收稿日期：2016-12-23
基金项目：中央级科研院所基本科研业务费专项（中国农业科学院农田灌溉研究所）资助项目（1610262016021）；北京市教委科技一般项目（KM201612448006）
作者简介：李迎（1985-），男，河南开封人。助理研究员，主要从事精细地面灌溉技术研究及节水灌溉设备研发。E-mail:syau09054017@126.com