参考作物蒸散量(ET₀)是非常重要的农业气象变量，是制定作物灌溉制度、统筹农业需水量的主要参考^[1]。ET₀是各气象因子综合作用的结果，而全球气候变化背景下温度、湿度、日照时数等气象变量发生了显著的变化^{[2, 3, 4, 5, 6]}，因此，ET₀可能受到的影响及发生的变化需进行评估，从而为农业生产提供参考。

我国西北旱区包括陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆及内蒙古等地区，土地面积约占全国总面积的42%，但由于水资源数量有限，加之干旱蒸发强烈，导致水土资源不平衡，特别是水资源过度开发产生了严重的生态环境问题，并影响农业生产^{[7, 8, 9, 10]}。为此，探讨合理的水土资源配置模式非常重要。ET₀作为水资源管理和农业生产中的重要变量，是统筹农业用水、规划灌溉用水、提高用水效率的重要依据^{[11, 12, 13, 14, 15]}。结合温度、风速、日照时数等气象资料分析ET₀的变化，可为该区的水土资源优化配置提供重要的基础信息。

不少研究对我国及西北地区的ET₀变化进行了分析。多数研究结果表明我国年平均ET₀整体呈下降趋势，但存在区域差异^{[10, 16, 17, 18]}。对西北地区ET₀而言，目前的研究结果存在一定差异。如普宗朝等发现乌鲁木齐河流域1978—2002年ET₀下降趋势明显^[19]，这与王幼奇等对黄土高原1954—2000年及倪广恒等对1976—2000年干旱半干旱地区的分析结果一致^{[20, 21]}；而孙小舟发现西辽河流域1952—2007年ET₀呈上升趋势^[22]，这与李志对黄土高原地区1961—2009年ET₀变化趋势的研究结论相似^[23]。可见，这些研究结果的差异可能主要是由于研究时段和区域差异造成的。同时，近年来全球气候变化更加显著^[24]，黄土高原出现了由暖干向暖湿变化的新趋势^[25]，1993年以后旱区ET₀可能由之前的下降趋势转变为上升趋势^{[26, 27]}。因此，针对整个西北旱区、基于长序列的最新气象资料来探究旱区ET₀可能发生的新趋势，显得尤为重要。

为了明确西北旱区ET₀在全球气候变暖背景下的趋势变化，本研究基于广泛分布在西北旱区的152个气象站点数据分析了旱区1961—2011年ET₀的空间分布和时间变化特征，并定性和定量探讨了引起ET₀变化的原因，以期为旱区农业生产和水分利用提供参考依据。

基于广泛分布在西北旱区的152个气象站点1961—2011年日气象资料计算ET₀。152个站点分布在新疆、青海、内蒙、陕西、甘肃等省份(图 1)。气象变量包括最高温度(℃)、最低温度(℃)、日照时数(h)、相对湿度(%)、风速(m/s)等。少数缺失数据使用相邻站点的数据插补。

图 1 西北旱区气象站点分布 Fig. 1 Location of the meteorological stations in the arid region of northwest China

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采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith计算ET₀：

净辐射R_n的精确性取决于经验系数，而经验系数有地区局限性，针对特定地区其值不同，本文采用尹云鹤在对我国1971—2008年潜在蒸散时空分布研究中采用的方法^[28]，其经过校正的辐射值R_n：

数据处理严格按照FAO的规程进行操作，ET₀的月值和年值由逐日ET₀值加和获得。

对ET₀进行了空间分布、单调变化趋势和突变年份等方面的分析。其中，空间分析使用反距离权重法对气象因素进行空间插值，该方法假设样点间存在局部影响且随距离越远其影响越小，站点间气候因子间的影响符合此规律；单调变化趋势使用Mann-Kendall检验，显著性水平为95%；突变年份使用Pettitt分析。

从定性和定量两种方法分别探讨ET₀时空变异与气象因子(温度、湿度、风速和日照时数)的关系。定性方法主要分析4种气象因子的空间分布特征和时间变化趋势，进而探讨其与ET₀时空变异的关系。

定量方法通过敏感分析进行，用以确定对ET₀影响最大的因子和对ET₀变化贡献率最高的因子。首先需要计算相对敏感系数，主要根据Taylor 级数展开的有限差分近似求解：

相对敏感系数代表气象因子变化导致的ET₀变化幅度，但相对敏感系数大的气象因子是否对ET₀变化的贡献大，需要引入气象因子的多年相对变化量：

1961—2011年，西北旱区ET₀的年均值为1100.4mm/a，介于720.6 mm/a(新疆七角井)—1930.6 mm/a(新疆巴音布鲁克)。ET₀存在一定的空间差异，变异系数为0.18，属中等变异。但整体而言大部分地区的ET₀介于950—1200mm/a；黄土高原南部靠近秦岭的区域是ET₀的低值中心，年均ET₀低于900mm/a；ET₀较高的区域出现在西北部沿东南-西北方向的条带上，包括新疆东南部、甘肃西北部和内蒙中部，年均值大于1350mm/a。

图 2 1961—2011年西北旱区ET0空间分布 Fig. 2 The spatial distribution of annual average ET0in the northwest arid region during 1961—2011

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1961—2011年西北旱区ET₀整体呈不显著的上升趋势(图 3)。但其单调变化趋势呈混合模式，96和56个站点分别呈上升和下降趋势，通过95%显著性检验的站点分别为64和36个。单调变化趋势存在一定的空间差异(图 3)，可以看出，黄土高原以西地区ET₀基本呈下降趋势；黄土高原及其以东地区主要呈上升趋势。

图 3 1961—2011西北旱区ET0时间变化趋势 Fig. 3 The temporal trend of ET0 in the northwest arid region during 1961—2011

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为进一步分析ET₀的时间变化趋势，进行了突变年份检验。可以看出，ET₀突变年份主要发生在20世纪70、80、90年代，而60年代和21世纪很少(图 4)。同时，ET₀的突变年份存在空间差异。黄土高原以西的区域，ET₀突变主要发生在70和80年代；而黄土高原及其以东地区，突变年份主要在80和90年代，甚至进入21世纪也有发生突变的站点。可见，西北旱区东部ET₀突变发生的年份较黄土高原以西的区域晚。

图 4 1961—2011年西北旱区ET0的突变年份 Fig. 4 The distribution of abrupt year of ET0 during 1961—2011

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ET₀的空间变异是温度(最低与最高温度空间分布图一致故略)、相对湿度、日照时数及风速等气象因子空间分布综合作用的结果(图 5)。一般来说，高温、长日照、低湿度会导致高蒸散^[20]。可以看出，长日照时数、低相对湿度和高风速导致西北部沿东南-西北方向条带上ET₀值较高，而低温高湿则是黄土高原南部靠近秦岭地区ET₀最低的原因。ET₀与相对湿度和风速基本具有相似的空间分布模式。为进一步量化ET₀与气象因子的相关性，求取了ET₀与各因子的相关系数，发现ET₀与相对湿度的相关性最高(0.37)，其次为风速(0.36)、最高温度(0.30)、日照时数(0.21)和最低温度(0.19)。可见，西北旱区ET₀对相对湿度最敏感，这与相关研究在石羊河流域、黄土高原、黄河流域和全国的结论一致^{[23, 28, 29, 30, 31]}。

图 5 1961—2011年西北旱区影响ET0相关气象要素的空间分布 Fig. 5 The spatial distribution of meteorological factors affecting ET0on the northwest arid region during 1961—2011

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为分析各种气象因子变化对ET₀的影响，表 1给出了其单调变化趋势(表 1)。西北旱区存在温度上升，而相对湿度、日照日数和风速降低的变化趋势。一般而言，温度变化对ET₀具有支配性地位，但尽管最高与最低温度都呈上升趋势，特别是在基本所有站点的最低温度都通过了95%置信区间检验呈显著上升趋势的增温背景下，仍有1/3的站点ET₀呈下降趋势，表明西北旱区ET₀变化受气象因子的综合作用。

对气象因子进行突变分析发现(图 6)，与ET₀相似，气象因子的突变也都发生在70—90年代，而60年代和2000—2010年各因子发生突变的站点都较少。70—90年代ET₀的突变站点数相似，但气象因子的突变站点数差异较大，70年代相对湿度和日照时数发生突变较多，80年代各因子都有较多站点发生突变，90年代各气象因子的突变站点数很相似。这说明ET₀的突变是受各因子的突变影响，但可能在不同年代主要的影响因子不同。

图 6 1961—2011年西北旱区气象变量突变年份 Fig. 6 The abrupt year of meteorological factors in the northwest arid region during1961—2011

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西北旱区ET₀对相对湿度的敏感性为负值，表明如果其他气候因子不变，相对湿度增加则导致ET₀减少；ET₀对最高与最低温度、日照时数和风速的敏感性为正值。ET₀对相对湿度(-0.45)和最高温度(0.45)敏感性最高，即若其它气候因子不变，相对湿度增加10%会导致ET₀减少4.5%，而最高温度升高10%则导致ET₀增加4.5%；ET₀对其他因子的敏感性依次为风速(0.31)、日照时数(0.23)和最低温度(0.01)。这很好地解释了ET₀与相对湿度的相关性，与曹雯对西北旱区ET₀的研究结论一致^{[26, 32]}。

基于ET₀对气象因子的敏感性系数进而计算其贡献率，发现风速对ET₀的贡献率最大(-9.50%)，其次为最高温度(4.88%)、相对湿度(1.01%)、日照时数(-0.76%)和最低温度(0.17%)。可见，风速和最高温度是1961—2011年西北旱区ET₀变化的主要因子；ET₀对相对湿度的敏感性高，但由于其相对变化小导致其贡献率不大，这与曹雯和尹云鹤等等的结论一致^{[28, 33]}。同时，需要注意的是，导致变化的主导因子存在区域差异，风速作为最主要的主导因子，其分布遍布整个区域；但温度作为主导因子的站点主要在西北旱区东部(图 7)。

图 7 1961—2011年ET0变化的主导因子 Fig. 7 The dominant meteorological factors of ET0 in the northwest arid region during 1961—2011

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虽然风速、日照时数等下降会引起ET₀的下降趋势，但本文的研究表明ET₀呈不显著上升，这说明对ET₀敏感性较高的相对湿度及温度引起的ET₀上升略高于由风速等因子引起的ET₀下降，1961—2011年ET₀不显著上升趋势很有可能是温度及相对湿度等上升导致，因此，ET₀整体呈现不显著上升趋势。

基于我国西北旱区152个气象站1961—2011年温度、相对湿度、日照时数、风速等气象因子计算ET₀并分析其时空分异规律。1961—2011年西北旱区ET₀年均值为1100.4 mm，黄土高原南部靠近秦岭的区域是低值中心，西北部沿东南-西北方向的条带为高值中心。 ET₀整体呈不显著上升趋势，但64和36个站点分别呈显著的上升和下降趋势；西北旱区ET₀发生突变的年份东部较西部晚。ET₀的时空变异是气象因子时空变化的组合效应，ET₀对相对湿度和最高温度的变化最敏感，但过去50年ET₀变化风速的贡献率最大。