廣東蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的季節(jié)變化特征及其影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

范伶俐,郭品文,張福穎,周立群,王鳳華

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044;2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院,廣東湛江 524008;3.肇慶市氣象局,廣東肇慶 526040;4.揭陽市氣象局,廣東揭陽 522031)

廣東蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的季節(jié)變化特征及其影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

范伶俐1,2,郭品文1,張福穎1,周立群3,王鳳華4

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044;2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院,廣東湛江 524008;3.肇慶市氣象局,廣東肇慶 526040;4.揭陽市氣象局,廣東揭陽 522031)

為了研究廣東省的氣候變化規(guī)律及其成因,利用1961—2003年廣東省86個(gè)氣象站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù),采用Mann-Kendal非參數(shù)檢驗(yàn)方法、EOF經(jīng)驗(yàn)正交分解方法和灰色關(guān)聯(lián)分析方法,對廣東省近43 a來蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及其主要影響因子(日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、降水量、飽和差、氣溫日較差、氣溫等)進(jìn)行了相關(guān)性及趨勢性分析。結(jié)果表明:43 a來廣東省的季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降主要表現(xiàn)在春季、前汛期和后汛期,其減少趨勢通過或接近通過99%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),而秋季的變化不明顯;四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降主要表現(xiàn)在粵東沿海、珠三角和粵西南等沿海地區(qū),不同季節(jié)氣候變異中心的位置不同;日照時(shí)數(shù)下降以及風(fēng)速、氣溫日較差的減小可能是近年來廣東四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的主要原因。

廣東省;蒸發(fā)皿蒸發(fā)量;季節(jié)變化;空間分布;灰色關(guān)聯(lián)分析

0 引言

20世紀(jì)全球氣候增暖幅度最為顯著,政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(IPCC)的第三次評估報(bào)告指出:21世紀(jì)全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖[1]。氣溫的升高導(dǎo)致水循環(huán)加快,作為能量平衡和水分平衡主要組成部分的降水、蒸發(fā)量必將發(fā)生變化,最終將改變?nèi)蛩Y源的時(shí)空分布[2-5]。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)之間相關(guān)性較好,一直是水資源評價(jià)、水利工程設(shè)計(jì)和氣候區(qū)劃的重要參考指標(biāo)。

當(dāng)全球平均氣溫升高時(shí),通常猜測陸面水體蒸發(fā)量也會(huì)增加。但學(xué)者們對近四五十年來不同地區(qū)或流域的蒸發(fā)量變化特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),全球特別是北半球的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量存在顯著的下降趨勢[6-8],在中國大部分地區(qū),蒸發(fā)皿蒸發(fā)量也都表現(xiàn)出明顯的下降趨勢,可能是云量和氣溶膠的增加、太陽輻射量、空氣動(dòng)力項(xiàng)、相對濕度、氣溫日較差的減小造成的[9-14]。盡管國內(nèi)外許多學(xué)者對蒸發(fā)量的變化特征做了大量的研究,但具體對廣東省蒸發(fā)量的研究還不多見。

廣東省雖然降雨充沛,但在年內(nèi)各季節(jié)分配不均勻,是我國旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁的地區(qū)之一[15-18]。地氣間水分交換的多寡對陸地上水資源的多寡、地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重要的影響。本文以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了廣東四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的時(shí)空變化特征及其受其他氣象因子變化的影響程度。這對廣東省水資源分配、旱澇災(zāi)害的預(yù)測預(yù)防等都具有十分重要的意義。

1 資料與方法

所用資料為廣東省86個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)的日照時(shí)間、平均氣溫、風(fēng)速、20 cm口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量等要素的逐月觀測資料。由于有些氣象站點(diǎn)在20世紀(jì)60年代才開始有資料記錄,故本文所選數(shù)據(jù)時(shí)段為1961—2003年。對每個(gè)臺站的資料進(jìn)行整理和質(zhì)量檢測,獲取其季節(jié)特征序列。季節(jié)劃分是:雨季前的1—3月為春季;雨季后的10—12月為秋季;雨季4—9月為夏季,其中4—6月為前汛期,7—9月為后汛期[19]。所用的統(tǒng)計(jì)方法有氣候傾向率、非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)、EOF分析和灰色關(guān)聯(lián)分析[20-22]。

圖1 廣東省86個(gè)氣象站的分布Fig.1 The 86 weather stations used in Guangdong

2 四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢分析

2.1 四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢

由表1和表2可看出,廣東省春季、前汛期和后汛期平均蒸發(fā)量變化趨勢相近,從20世紀(jì)60年代到90年代逐步下降,90年代與60年代相比分別減少了19.6%、10.6%、9.4%,2000年后略有回升;秋季則不同,其平均蒸發(fā)量在20世紀(jì)60年代至90年代變化很小,2000—2003年突然出現(xiàn)近-7.9%的變化。從廣東省蒸發(fā)皿四季蒸發(fā)量的逐年變化、逐年累積距平變化、Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線(圖2～4)可以看出,春季蒸發(fā)量下降最顯著(通過了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)),每10 a下降16.71 mm,β值為-1.6,下降轉(zhuǎn)折從1977年開始,1961—1976年春季蒸發(fā)量基本高于43a平均值,其后基本低于43a平均水平;其次為前汛期,每10a下降15.86mm(通過了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)),β值為-1.0,下降轉(zhuǎn)折從1977年開始;再次是后汛期,每10a下降13.79mm(通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)),β值為-1.1,下降轉(zhuǎn)折從1992年開始;秋季蒸發(fā)量趨勢擬合未通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn),β值為-0.4,即秋季蒸發(fā)量無顯著變化。進(jìn)一步分析月蒸發(fā)量變化趨勢(圖5)可知,春季蒸發(fā)量的顯著減少是因?yàn)?、2、3月蒸發(fā)量減少趨勢的M-K統(tǒng)計(jì)值均超過2.5,都通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn);前汛期以4、5月、后汛期以7月的貢獻(xiàn)率最大,4、5、7月蒸發(fā)量減少趨勢的M-K統(tǒng)計(jì)值分別為-3.09、-3.19和-2.57,都通過了0.01信度的顯著性檢驗(yàn);秋季3個(gè)月蒸發(fā)量減少趨勢的M-K統(tǒng)計(jì)值均未通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。

表1 廣東省不同年代蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table1 Statistics of pan evaporation in different decades in Guangdongmm

表2 廣東省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的特征值Table2 The eigenvalues of pan evaporation in Guangdong

圖2 1961—2003年廣東省四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年際變化曲線 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.2 Interannual variations of seasonal pan evaporation in Guangdong from1961to2003 a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

圖3 1961—2003年廣東省四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的累積距平變化曲線 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.3 Accumulated anomaly changes of seasonal pan evaporation in Guangdong from1961to2003 a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

圖4 1961—2003年廣東省四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的M ann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.4 Characteristic values of M ann-Kendall testing of seasonal pan evaporation in Guangdong from1961to2003a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

2.2 四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢的空間分布

雖然廣東省整體平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢,但局部區(qū)域與全省整體形式并不完全同步。分季節(jié)對廣東省的86個(gè)臺站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量作EO F分析可以看出:

1)春季,前5個(gè)模態(tài)分別占總方差的43.0%、20.4%、6.4%、5.2%和5.0%。第1模態(tài)體現(xiàn)了廣東春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量空間分布的主要特征。第1模態(tài)特征向量場(圖6)的正中心區(qū)主要位于粵東沿海、珠三角等地,除粵東和雷州半島外廣東絕大部分地區(qū)為一致的正值區(qū),說明該模態(tài)是廣東春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量非常重要的一種異常型。對應(yīng)第1模態(tài)的時(shí)間系數(shù)以年代際尺度變化為主,年際變化特征較弱(圖7)。根據(jù)圖7中年代際尺度曲線的趨勢變化并結(jié)合特征向量場和時(shí)間系數(shù)的符號可知,廣東春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在1976年之前偏多,1977—2000年則明顯偏少,呈下降趨勢,2000年后又有所回升。

圖5 廣東省月蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的M-K統(tǒng)計(jì)量Fig.5 Characteristic values of Mann-Kendall testing of monthly pan evaporation in Guangdong

圖6 廣東省四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量EOF分析的第1特征向量 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.6 The first EO F eigenvectors of seasonal pan evaporation in Guangdong a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

圖7 廣東省四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量EO F分析的第1模態(tài)的時(shí)間系數(shù)(虛線為9點(diǎn)滑動(dòng)平均曲線) a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.7 The time coefficients of first EO F m odes of seasonal pan evaporation in Guangdong(Dash line is the9point moving average curve) a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

2)前汛期前5個(gè)模態(tài)分別占總方差的38.7%、10.6%、9.4%、8.5%和6.6%。第1模態(tài)特征向量場正中心區(qū)主要位于粵東沿海、珠三角等地區(qū),除雷州半島個(gè)別站點(diǎn)外廣東絕大部分地區(qū)為一致的正值區(qū)(圖6)。第1模態(tài)的時(shí)間系數(shù)以年代際尺度變化為主(圖7),前汛期蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在1976年之前偏多,之后則明顯偏少,呈明顯下降趨勢。

3)后汛期前5個(gè)模態(tài)分別占總方差的33.8%、16.0%、9.3%、7.3%和6.6%。第1模態(tài)特征向量場(圖6)負(fù)中心區(qū)主要位于粵西的陽江和粵東的河源地區(qū),除珠三角的南海等個(gè)別站點(diǎn)外廣東絕大部分地區(qū)為一致的負(fù)值區(qū)。第1模態(tài)的時(shí)間系數(shù)以年代際尺度變化為主(圖7)。結(jié)合特征向量場和時(shí)間系數(shù)的符號可知,廣東后汛期蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在1985年之前偏多,之后則明顯偏少,呈明顯下降趨勢。

4)秋季前5個(gè)模態(tài)分別占總方差的38.2%、12.7%、7.8%、7.2%和6.7%。第1模態(tài)特征向量場(圖6)負(fù)中心區(qū)主要位于粵西的陽江和粵東的河源地區(qū),除珠三角和雷州半島部分站點(diǎn)外廣東絕大部分地區(qū)為一致的負(fù)值區(qū)。第1模態(tài)的時(shí)間系數(shù)以年際尺度變化為主(圖7)。結(jié)合特征向量場和時(shí)間系數(shù)的符號可知,廣東秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量主要表現(xiàn)出年際變化特征。

春季第2模態(tài)特征向量(圖略),除粵東部分地區(qū)出現(xiàn)負(fù)值外,正值幾乎覆蓋全廣東省,其極值中心位于粵東和雷州半島。結(jié)合特征向量場符號和時(shí)間系數(shù)符號(圖略)可知,第2模態(tài)反映的也是廣東春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年代際下降特征。前汛期第2模態(tài)特征向量(圖略),除粵東、珠三角和雷州半島部分地區(qū)出現(xiàn)負(fù)值外,正值幾乎覆蓋全廣東省。結(jié)合特征向量場符號和時(shí)間系數(shù)符號(圖略)可知,第2模態(tài)反映的是廣東前汛期蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年際變化特征。后汛期第2模態(tài)特征向量(圖略),除粵東、珠三角部分地區(qū)出現(xiàn)負(fù)值外,正值幾乎覆蓋全廣東省。結(jié)合特征向量場符號和時(shí)間系數(shù)符號(圖略)可知,第2模態(tài)反映的是廣東后汛期蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年際變化特征。秋季第2模態(tài)特征向量(圖略),粵東沿海為負(fù)值區(qū),其極值中心位于粵東沿海。結(jié)合特征向量場符號和時(shí)間系數(shù)符號(圖略)可知,第2模態(tài)反映的是粵東沿海秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年代際變化特征,在1981年之前偏少,其后偏多,具有上升趨勢;其余地區(qū)的秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年代際變化位相與粵東沿海相反。

綜上所述,廣東省春季、前汛期和后汛期蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢相近,下降主要表現(xiàn)在粵東沿海、珠三角和粵西南等沿海地區(qū),但不同季節(jié)氣候變異中心位置不同;秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量第1、2個(gè)模態(tài)分別占總方差的38.2%、12.7%,故其主要表現(xiàn)為第1模態(tài)反映的年際變化特征。

3 影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)要素的變化特征

3.1 影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣象因子

研究表明,蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化與日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、飽和差、氣溫、日較差、降水量等氣象因子有關(guān)[9-14]。為了進(jìn)一步分析廣東蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化原因,對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣候因子進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析(表3),取分辨系數(shù)為0.5。由表3可見,春季降水量、氣溫、日照時(shí)數(shù)是影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主要因素,風(fēng)速、氣溫日較差和飽和差對其影響較小。前汛期風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、氣溫是影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主要因素,氣溫日較差、降水量和飽和差對其影響較小。后汛期氣溫、降水量、氣溫日較差是影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主要因素,風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和飽和差對其影響較小。秋季風(fēng)速、降水量、氣溫日較差是影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主要因素,日照時(shí)數(shù)、氣溫和飽和差對其影響較小。

3.2 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化原因

根據(jù)前文分析可知,影響廣東省蒸發(fā)量的主要因子為日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、飽和差、降水量、氣溫日較差、氣溫6種氣象因子,下面重點(diǎn)分析它們的趨勢變化。表4表明,廣東省日照時(shí)數(shù)后汛期減少最明顯,減少速率為-24.5h/(10a),減少趨勢通過99%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),前汛期減少趨勢通過95%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),其余兩個(gè)季節(jié)減少不明顯。表5表明,近43a廣東省四個(gè)季節(jié)平均風(fēng)速下降趨勢均通過99%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。廣東省平均飽和差,除春季上升不明顯,其余季節(jié)上升趨勢均通過95%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(表略)。廣東四個(gè)季節(jié)降水量變化趨勢均不明顯(表略)。春季日較差下降趨勢,通過95%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),其他季節(jié)日較差下降趨勢不明顯(表略)。全省平均氣溫,除后汛期上升不明顯,其余季節(jié)上升趨勢均通過95%置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(表略)。綜上可見,受20世紀(jì)80年代以來全球變暖的影響,廣東省日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和氣溫日較差總體上的下降,可能補(bǔ)償了氣溫、飽和差升高所引起的蒸發(fā)量增量,從而導(dǎo)致最終蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的減少,而降水量無明顯變化趨勢,對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量減少影響不顯著

表3 廣東省四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與各氣象要素的關(guān)聯(lián)度及排序Table3 Correlation degree between pan evaporation and meteorological elements in Guangdong and sorting

表4 廣東省日照時(shí)數(shù)的特征值Table4 The eigenvalues of duration of sunshine in Guangdong

表5 廣東省風(fēng)速的特征值Table5 The eigenvalues of wind speed in Guangdong

4 結(jié)論

使用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法、EO F和灰色關(guān)聯(lián)分析法,對廣東省近43a來各季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及其影響因子的氣候變化趨勢進(jìn)行分析,結(jié)論如下:

1)就季節(jié)差異而言,廣東省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降趨勢主要表現(xiàn)在春季、前汛期和后汛期,秋季變化不明顯。

2)就空間差異而言,粵東沿海、珠三角和粵西南等沿海地區(qū)是廣東蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主要?dú)夂蜃儺愔行?表現(xiàn)出顯著的減少趨勢;不同季節(jié)的主要?dú)夂蜃儺愔行奈恢脮?huì)發(fā)生變化;其他地區(qū)整體表現(xiàn)為減少趨勢,但減少趨勢變化復(fù)雜。

3)不同季節(jié),各氣象因子對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的影響程度不同?？傮w來看,廣東蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化與該地區(qū)的日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、氣溫的變化關(guān)系密切。

4)對1961—2003年間廣東省日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、降水量、飽和差、氣溫日較差、氣溫的變化趨勢分析表明,廣東省日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和氣溫日較差總體上的下降,可能補(bǔ)償了氣溫、飽和差升高所引起的蒸發(fā)量增量,從而導(dǎo)致最終蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的減少,而降水量無明顯變化趨勢,對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量減少影響不顯著。

蒸發(fā)是地氣水分交換的一個(gè)分支,也是研究區(qū)域水資源變化和旱澇氣候?yàn)?zāi)害問題中必須考慮的內(nèi)容之一。上述揭示的廣東蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的時(shí)空變化結(jié)果可為今后探討廣東水資源異常和旱澇氣候?yàn)?zāi)害的成因提供一些依據(jù)。

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Variations of Seasonal Pan Evaporation and Gray Relation Analysis on Its Influencing Factors in Guangdong

FAN Ling-li1,2,GUO Pin-wen1,ZHANG Fu-ying1,ZHOU Li-qun3,WANG Feng-hua4

(1.School of Atmospheric Sciences,NU IST,Nanjing 210044,China;2.College ofOceanography and Meteorology,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China;3.Zhaoqing Meteorological Bureau,Zhaoqing 526040,China;4.Jieyang Meteorological Bureau,Jieyang 522031,China)

In order to explore the law of climate change and its causes in Guangdong Province,based on the observations at 86 stations of Guangdong from 1961 to 2003,Mann-Kendall trend test,EOF analysis and Gray relation analysis were applied to determine the trend of seasonalpan evaporation and its correlations with the meteorological influencing factors(e.g.sunshine duration,wind speed,precipitation,saturation deficit,daily range of temperature,air temperature,etc.).Results show that the seasonalpan evaporation had significant decreasing trends in spring,the first rain season and the latter rain season in the last 43 years,with statistical significance passing the 99%confidence level,but the trend was not significant in autumn.Spatially,the anomalous centers of seasonal pan evaporation were mainly located in the Pearl River Delta,the south-west of Guangdong and the eastern coastal region of Guangdong,and the anomalous centers were different in different seasons.The decrease of seasonal pan evaporation was mostly resulted from reduction of sunshine duration,wind speed and daily range of temperature in Guangdong.

Guangdong Province;pan evaporation;seasonal variation;spatial distribution;gray relation analysis

P412.13

A

1674-7097(2010)06-0703-08

2010-04-08;改回日期:2010-06-27

廣東海洋大學(xué)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(0812070)

范伶俐(1971—),女,江西瑞昌人,副教授,研究方向?yàn)闅夂蜃兓?fanlingli@126.com.

范伶俐,郭品文,張福穎,等.廣東蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的季節(jié)變化特征及其影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(6):703-710.Fan Ling-li,Guo Pin-wen,Zhang Fu-ying,et al.Variations of seasonal pan evaporation and gray relation analysis on its influencing factors in Guangdong[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):703-710.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)