周舒佳　徐昝敏　刘玲

摘要 揭示参考作物蒸发（ET0）变化及其相关机理，可以为建立科学的水资源管理制度提供重要科学依据。详细分析了海南岛1961—2020年间年和季节ET0的时空变化特征，并基于多控制因子联立求解法进行了归因分析。结果显示：（1）海南岛多年平均ET0总体表现为沿海（除南部）高、岛内低的空间分布特征;但各季节的空间分布特征存在差异。（2）区域平均的年、春和夏季ET0增加，而秋、冬季下降。除春季，55%以上区域显示年和其他季节的ET0下降。（3）区域平均的年和春季、夏季、秋冬季ET0变化的主控因子分别为净辐射、相对湿度、净辐射。55%以上的地区显示年、夏、秋、冬季ET0的变化可归因于净辐射，而春季42%（45%）地区的主控因子为净辐射（温度和相对湿度）。

关键词 参考作物蒸散发;线性趋势;Penman–Monteith公式;归因分析;海南岛

中图分类号：TV11 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）04–0098–05

参考作物蒸散发（ET0）已被广泛用于作物需水量的估算、农业水分资源的评价、灌溉制度的合理制定[1]。随着全球气候变化的不断加剧，近年来的ET0已在全球范围内发生了变化，且表现出明显的区域性特征。为此，国内外众多学者针对不同区域ET0变化特征及其可能原因，开展了大量研究[2-6]。例如，敏感系数法和偏微分方法的提出，为定量化地理解ET0变化提供了必要的方法，且已经在不同地区得到了应用。尤其要注意的是，此类方法依然存在一定的问题，如没有充分考虑气候因子间的相互作用，可能导致估算的不同气候要素对ET0变化的贡献与真实值之间存在偏差，进而造成归因结果的不确定性。为减小或克服因子间相互作用带来的不确定性，Sun等[7]提出了一种基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法，可以更有效、准确地剥离气候因子对ET0变化的影响，已被成功应用于归因中国西南地区ET0变化，为量化理解ET0变化的潜在机理提供了较为可靠的新方法。

海南岛为中国第二大岛屿，位于南海北部，属热带季风海洋性气候，光、热、水资源丰富。据报道，农业用水占海南岛用水总量的80%，但水田灌溉用水利用率远小于发达国家，为40% ～50%[8]。因此，如何合理配置和利用海南岛水资源，对维持海南岛社会经济和生态系统的可持续性发展至关重要，尤其是对水资源严重依赖的农业。全球气候变化背景下，海南岛气候已经发生了不同程度的变化，这势必会对海南岛的水资源产生影响[9-11]。考虑ET0是计算作物需水量、制定作物灌溉制度和区域水资源供需计划的基本依据，因此充分认识ET0变化特征及其潜在机理是合理配置和利用海南岛水资源的基础[12]。

综上，拟基于海南岛15个气象站1961—2020年逐日气象数据，详细分析气候和ET0的变化特征，并采用FAO56 Penman-Monteith公式结合多控制因子联立求解方法，定量化估算海南岛气候变化对ET0的影响，并以此探讨相关机理，为维持社会经济和生态系统的健康发展提供重要的科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源及处理

本研究所使用的气象资料来自国家气候中心，包括海南島16个县（市）气象站1961—2000年的逐日最高、最低和平均温度、日照时数、10 m风速、相对湿度。季节的划分采用气象学标准，即春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12—翌年2月。

1.2 ET0的估算

本研究采用世界粮农组织推荐的FAO56 Penman-Monteith公式估算ET0，该公式具有明确的物理含义，已在全球范围内得到广泛使用;公式主要输入的气候变量有净辐射、2 m风速、相对湿度、温度，其中净辐射采用日照时数和Allen等[1]推荐的公式估算可得，而2 m风速可利用10 m风速和风速—高度转换公式计算获得，具体计算公式和细节可参考Allen等[1]的研究。

1.3 归因方法

为减少气象要素之间相互作用可能给归因结果带来的不确定性，本研究拟采用Sun等[7]提出的多控制因子联立求解方法设计试验，开展ET0变化的归因分析（表1）。由于影响ET0的气象因子有温度、净辐射、相对湿度、风速，共需设计4组敏感性试验（记为EXP_non-Y，Y为影响因子）。以温度试验（EXP_non-Tave）为例，平均温度设置为1961年水平，净辐射、相对湿度、风速维持采用1961—2020年逐日时间序列，采用FAO56 Penman-Monteith公式计算ET0，然后联立方程，获得各气象因素对ET0变化的贡献。以EXP_non-Y为例，其对应的ET0变化趋势可认为是除Y以外的其余因子变化共同引起的，则，

其中，表示除Y外的其他因子对ET0变化的总贡献;是EXP_non-Y试验的ET0变化趋势;N为敏感性试验个数（N=4）。联立解方程，可得k因子（温度、净辐射、相对湿度、风速）对ET0变化趋势的贡献，公式如下：

2 结果与分析

2.1 海南岛ET0时空变化特征

2.1.1 ET0气候态特征 由图1a1可知，1961—2020年间海南岛的多年平均ET0基本在1 220～1 360 mm之间，区域平均为1 306.860 mm;空间分布特征总体表现为：沿海（除南部）地区高，而岛内较低，但在五指山附近有一弱的高值中心。春季（图1a2）和冬季（图1a5），海南岛大部分地区的多年平均ET0分别介于340～440 mm和140～260 mm之间;尽管量级上存在差异，但二者的空间分布基本一致，即北部表现为由沿海向岛内递减，而南部表现为由沿海向岛内递增。夏季（图1a3），海南岛ET0基本在400～460 mm之间，总体呈由沿海向岛内递减的空间分布特征。秋季（图1a4），多年平均ET0基本在260～360 mm之间，空间分布特征基本表现为由沿海向岛内递减。

2.1.2 ET0时空变化特征 从表2来看，过去60年间海南岛区域平均的年、春季和夏季ET0均呈上升趋势，而秋季和冬季均递减，但都不显著。如图1 b1-b5所示，不同区域的年和季节ET0在1961—2020年间均发生了变化。就年ET0来看，59%的地区呈下降趋势，其中有22%的地区下降显著，主要集中在儋州附近和海南岛南部;41%的地区显示年ET0增加，且有12%的地区增加显著，主要集中在北部定安、临安和中部琼中一带（图1b1）。春季，44%地区的ET0下降，且在儋州附近下降显著;其余56%的地区均显示年ET0增加，其中有6%的地区显著，同样分布在北部定安、临安和中部琼中一带（图1b2）。夏季和秋季，ET0变化的空间分布特征基本与其年变化一致，下降趋势主要发生在西部（除西北部沿海）及东部沿海，其中儋州附近和海南最南部地区下降显著（图1b3-b4）;冬季，除北部定安、临安和中部琼中附近的ET0增加外，其他77%的地区均下降，以儋州—乐东—海南岛最南部一带下降最明显且显著（图1b5）。

2.2 海南岛ET0时空变化的成因分析

2.2.1 主要气候要素的时空变化特征

由图2b和图3a可知，海南岛区域年和各季节平均温度均显著上升且以东北部和中东部最明显，从季节来看尤以秋、冬季增温最明显。由图2c，海南岛区域年和季节平均净辐射均显著下降，其中年下降速率为2.23 MJ/（m2 ·a）。就空间分布而言，年与各季节净辐射变化的空间分布基本一致，除定安和琼中附近上升，其余78%以上的地区均下降，且显著区域主要发生在南部、东部沿海、儋州及定安附近（图3b）。由图2d可知，海南岛区域年和季节平均相对湿度均显著下降;由图3c可知，年、夏季和秋季的全区相对湿度均下降，且沿海地区下降较大，而岛内相对较小，其中以东北部沿海和西南部沿海最明显;除极少数区域略有增加，春季和冬季相对湿度均不同程度下降，其中下降较大（< -0.040%/a）的区域主要出现在东北部沿海和西南部沿海。图2e显示区域年和季节平均风速均显著下降;在年和季节尺度上（图3d），绝大部分（≥ 97%）区域风速均下降，年、春季和夏季风速下降最为明显[（< -0.016 m/（s·a）]的区域主要在西南部，而秋、冬季主要出现在澄迈—儋州—昌江—乐东一带。

2.2.2 ET0變化归因分析 图2b～e分别给出了年和季节温度、净辐射、相对湿度、风速对区域平均ET0变化趋势的贡献，对比年尺度上各贡献值，可知就区域平均而言，年ET0变化趋势的主控因子为净辐射;对比各季节不同气候因子的贡献，春季和夏季区域平均ET0变化的主控因子分别为温度和相对湿度，而秋季和冬季的主控因子均为净辐射。

图4为各气候要素对ET0变化贡献的空间分布，总体而言，绝大部分地区均符合温度升高ET0增加、净辐射下降ET0下降、相对湿度下降ET0增加和风速下降ET0减小的物理规则，反之亦然;需要指出的是极小部分地区并不符合这种规则，可能与归因方法的误差有关。年尺度上，全区温度对ET0变化的贡献均为正值，几乎都在0.4～0.8 mm/a之间（图4a1）;除定安和琼中附近的净辐射为正贡献，其余地区均显示由于净辐射的下降，年ET0均下降，以儋州附近、东部沿海及南部地区的贡献较大（图4b1）;除五指山附近小部分地区为负贡献，绝大部分地区的相对湿度对年ET0变化的贡献均为正，且沿海地区贡献较大（图4 c1）;风速对全区年ET0变化的贡献均为负（图4 d1）。年ET0变化的主控因子有56%的地区为净辐射，主要位于南部、东部沿海以及定安—昌江一带，澄迈—保亭一带有19%的地区显示主控因子为温度，西北部沿海及东北部有18%的地区显示主控因子是相对湿度，另外，乐东和昌江—琼中之间7%的地区相似主控因子为风速（表3和图5a）。

不同季节温度对ET0变化的贡献，全区均为正值（图4a2～a5）;定安、琼中一带净辐射的贡献为正，而其他地区均显示净辐射的变化使得各季节ET0下降，且以儋州附近、东部沿海及南部地区的贡献较大（图4b2～b5）;除岛内小部分地区外，相对湿度对各季节ET0变化趋势均显示为正值，且以沿海地区的贡献较大，（除冬季;图4c2～c5）;风速对各季节ET0变化趋势的贡献基本都为负值（除秋季和冬季东北部极小部分;图4d2～d5）。

由图5b～e和表3，可以发现：就春季主控因子，分别有22%、42%、23%和13%的区域为温度、净辐射、相对湿度和风速，空间分布与ET0年变化的主控因子相似。夏季时，90%以上的地区显示主控因子为净辐射和相对湿度，相对湿度主要出现在西部和北部沿海、东北大部，余下地区（除琼中、保亭附近为温度和风速）为净辐射。秋季时，除五指山附近的主控因子为风速外，95%地区的主控因子为温度、净辐射和相对湿度，其中相对湿度主要位于西北沿海及东北部分地区，东部17%的地区为温度，其余地区基本为净辐射。冬季主控因子温度、净辐射、风速对应的面积百分比分别为23%、60%和17%，温度主要位于北部沿海、定安和琼中附近地区，风速主要出现在昌江—保亭一带，其他地区基本为净辐射。

3 结论

（1）1961—2020年，海南岛多年平均ET0基本在1 220～1 360 mm之间，总体表现为沿海（除南部）高、岛内低的空间分布特征。各季节多年平均ET0的空间分布存在一定差异，春、冬季表现为北部由沿海向岛内递减，而南部由沿海向岛内递增;秋、冬季基本为岛内小而沿海大。

（2）就过去60年间海南岛年ET0变化趋势，区域平均为0.027 mm/a，但空间上存在明显差异，其中59%的地区下降，而41%的地区增加。总体而言，除春季有50%以上的区域显示ET0增加，其他季节均显示55%以上区域的ET0下降。

（3）就区域平均而言，年、春、夏、秋和冬季ET0变化的主控因子分别为净辐射、温度、相对湿度、净辐射、净辐射。就全区而言，56%地区的年ET0变化可以归因于净辐射变化;春季，42%地区显示ET0变化趋势的主控因子为净辐射，20%以上区域的主控因子为温度或相对湿度;夏、秋、冬季，约60%地区显示ET0变化的主控因子为净辐射，其次为温度或相对湿度。

本研究基于多控制因子联立求解法详细分析了海南岛1961—2020年间年和季节ET0的时空变化特征及原因，为建立科学的水资源管理制度提供了重要的科学依据，但仍然存在一些不确定因素。如FAO56 Penman-Monteith公式并未考虑CO2浓度升高对植被生理特征（如气孔导度和植被结构特征）的影响，资料处理中采用固定的地表反照率（设置为常数0.23）估算净辐射，这些都可能会造成ET0估算的偏差[13-14]。这一些问题将在未来的研究中进行改进，以达到更好的归因分析结果。

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责任编辑：黄艳飞

Changes and Causes of Evapotranspiration of Reference Crops in Hainan Island From 1961 to 2020

ZHOU Shujia et al（Meteorological Bureau of Jintan District， Changzhou， Jiangsu 213200）

Abstract Revealing the change of reference crop evaporation （ET0） and its related mechanism can provide an important scientific basis for establishing a scientific water resources management system. In this study， the temporal and spatial variation characteristics of annual and seasonal ET0 in Hainan Island from 1961 to 2020 were analyzed in detail， and the attribution analysis was carried out based on the simultaneous solution method of multiple control factors. The results showed that： （1） the multi-year average ET0 of Hainan Island was generally characterized by high coastal （except the South） and low Island spatial distribution; However， the spatial distribution characteristics of each season were different. （2） The regional average annual， spring and summer ET0 increased， but decreased in autumn and winter. In addition to spring， more than 55% of the regions showed a decline in ET0 in years and other seasons. （3） The main controlling factors of ET0 changes in annual average， spring， summer， autumn and winter were net radiation， relative humidity and net radiation respectively. More than 55% of the areas showed that the changes of ET0 in year， summer， autumn and winter could be attributed to net radiation， while the main controlling factors in 42% （45%） areas in spring were net radiation （temperature and relative humidity）.

Key words Reference crop evapotran-spiration; Linear trend; Penman-Monteith formula; Attribution analysis; Hainan Island