遼寧省潛在蒸散時空變化特征與成因

曹永強, 李維佳

遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,大連 116029

氣候變化已導(dǎo)致全球的氣溫、降水和蒸散量發(fā)生顯著變化[1]。百年來,我國均溫約升高0.5—0.8℃。由于氣溫的不穩(wěn)定上升,地區(qū)間降水的波動性較大[2],潛在蒸散量(potential evapotranspiration,ET0)也隨之發(fā)生變化,潛在蒸散量是指在水分充分供給的條件下,區(qū)域下墊面的最大蒸散量,并且作為地表水循環(huán)和全球能量平衡中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),其時空演變特征是表征水文資源和生態(tài)環(huán)境對全球變化響應(yīng)的重要指標(biāo)[3]。另外,潛在蒸散量也是擬定農(nóng)作物灌溉制度的基本依據(jù),對于預(yù)測分析氣候演變對農(nóng)作物的影響、作物對水分的需求量以及農(nóng)業(yè)干濕狀況的分布情況具有十分重要意義[4]。

近年來,國內(nèi)外專家學(xué)者在潛在蒸散量演變因子與驅(qū)動機制等方面有了不少研究,其中美國[5]、泰國[6]和印度[7]等國家的研究表明,由于日照時數(shù)和風(fēng)速的減少,ET0整體上表現(xiàn)為遞減趨勢；Mcvicar等[8]認(rèn)為在分析ET0的變化趨勢時,應(yīng)考慮溫度、日照時數(shù)、大氣濕度和風(fēng)速等氣象因子；Chattopadhyay[9]和Peterson等[10]認(rèn)為美前蘇聯(lián)、美國和印度等地區(qū)ET0降低主要是因為日照時數(shù)的減少與北半球空氣濕度的增加；而Roderick[11]等人認(rèn)為新西蘭和澳大利亞ET0的減少是因為南半球氣溶膠濃度與云量的增加。我國許多專家學(xué)者在對區(qū)域間ET0變化成因與特征的分析上做了大量工作。相關(guān)研究表明,中國ET0的空間區(qū)域分布特征差異顯著：陳莉等[12]認(rèn)為東北地區(qū)ET0的特點為東南較多西北較少,且隨著緯度的增加ET0遞減特征顯著；劉憲鋒等[2]研究發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)全年及各季影響ET0變化的主導(dǎo)因素為風(fēng)速,但風(fēng)速在不同季節(jié)、不同區(qū)域的影響范圍有所差異；王瓊等[13]通過對南方長江流域ET0評估發(fā)現(xiàn),在季節(jié)上除秋季增加趨勢比較明顯外,其他各季均表現(xiàn)為不同程度的減小趨勢；謝平等[14]認(rèn)為西南地區(qū)ET0對氣候影響因素的敏感程度從大到小分別為：溫度、相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速,相對濕度為高敏感因子,但對ET0的影響低于太陽輻射量和溫度。

遼寧省東西和南北的寬度基本一致,總面積為14.8萬km2,位于亞歐大陸東岸,是我國重要的經(jīng)濟強省。遼寧省的農(nóng)業(yè)發(fā)展程度趨于領(lǐng)先地位,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)也逐漸成為了發(fā)展規(guī)劃的重中之重,但同時也是受農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害與洪澇災(zāi)害影響最嚴(yán)重、災(zāi)害發(fā)生最頻繁的地區(qū)之一[15],潛在蒸散量異常變化會影響一個地區(qū)的水熱平衡和氣候的干濕狀況,導(dǎo)致水資源短缺、水庫和灌溉缺水變化,從而誘發(fā)洪澇或干旱等氣象災(zāi)害,嚴(yán)重威脅著作物生長。另外,從氣候方面來說,遼寧省因常年受副熱帶高氣壓帶的影響,形成了典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候,蒸散量作為氣候響應(yīng)及水分循環(huán)中不可或缺的部分顯得尤為重要。鑒于以往研究均局限于氣溫與降水的變化趨勢及特征分析,鮮有對遼寧省蒸散發(fā)時空變化特征與成因及時空特征背景下的驅(qū)動機制分析的深入探討。故此,在已有研究成果的基礎(chǔ)上,本文分析遼寧省潛在蒸散時空變化特征及變化成因,以期為水資源管理部門提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

遼寧省位于我國東北南部,瀕臨黃海、渤海,與山東半島隔渤海海峽,38°43′—43°26′N、118°53′—125°46′E之間。全省有14個地級市,其中沈陽市為省會, 遼寧省同時也是國家區(qū)域中心城市,地級市下屬的市轄區(qū)為57個。遼寧省夏季溫和多雨、冬季寒冷而少雨,且日照時數(shù)長。研究區(qū)內(nèi)近50年(1966—2015年)平均氣溫2—10℃,年均降水量500—1000 mm,且降雨年際間與年內(nèi)差異性顯著,致使遼寧省地區(qū)旱澇災(zāi)害頻發(fā),不僅如此,由于省內(nèi)的工業(yè)化城市較多,工業(yè)生產(chǎn)需水量巨大,這樣就導(dǎo)致地表供水量增加,遼寧省缺水現(xiàn)象持續(xù)惡化。

本文所用的氣象數(shù)據(jù)來源于遼寧省23個氣象站點的氣象資料。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象數(shù)據(jù)平臺[16](http://data.cma.cn/)提供的逐日氣象數(shù)據(jù)集,包括降雨、平均風(fēng)速、平均氣溫、平均相對濕度、日照時數(shù)、最高氣溫、最低氣溫、平均氣壓、平均水氣壓。經(jīng)過數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與質(zhì)量篩查后,選出數(shù)據(jù)較完整的23個氣象站點(圖1),對于其中不完整的數(shù)據(jù)采用該日前后兩天的平均值代替。

圖1 氣象站點分布圖Fig.1 Weather station distribution map

1.2 研究方法

1.2.1 潛在蒸散

采用FAO推薦的Penman-Monteith方法計算ET0,該方法兼顧了作物生理特征及空氣動力學(xué)參數(shù)變化適用于不同地區(qū)估算蒸散量,且精度較高且計算誤差小,是目前廣泛認(rèn)可并應(yīng)用的公式之一。但此方法不足之處在于其形式復(fù)雜,參數(shù)較多,我國目前能提供如此詳細(xì)數(shù)據(jù)的氣象站點相對較少且時間序列參差不齊,研究區(qū)域可選取的氣象站點具有一定局限性。

(1)

(2)

式中,ET0為逐日作物蒸散量(mm),采用Penman-Monteith公式計算；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率值(kpa/℃)；Rn為作物表面的凈輻射量(MJ/m2)；其中,Rso為晴天輻射(MJ m-2d-1)；n為實際日照時數(shù)(h),N為最大日照時數(shù)(h)；Tmax、Tmin分別為絕對溫標(biāo)的最高和最低氣溫(K)；γ是濕度計常數(shù)(kPa/℃)；T為日平均氣溫(K)；u2為2m高處風(fēng)速(m/s)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1),日土壤熱通量非常小,往往可以忽略,計算中按0處理；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kpa/℃)。

1.2.2 偏相關(guān)檢驗

偏相關(guān)系數(shù)(Partial correlation coefficient)是多元回歸分析中,在消除其他因素影響的條件下,計算的某兩個變量之間的相關(guān)系數(shù)。本文采用SPSS軟件遼寧省近50年的23個氣象監(jiān)測站點的潛在蒸散和氣象因子年平均值進行偏相關(guān)檢驗。

1.2.3 變化趨勢分析

利用最小二乘法建立年平均ET0與時間的一元線性方程,用于分析遼寧省近50年(1966—2015年)ET0線性變化特征。方程的線性擬合斜率k表示年平均ET0的變化趨勢,即正值表示年平均潛在蒸散呈逐次遞增,負(fù)值則代表逐次降低。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與圖像分析方法

反距離權(quán)重法(IDW)是基于GIS平臺的一種運用最普遍的插值方法,該方法假定氣象站點的氣象因子數(shù)值不存在潛在的全局趨勢,只用局部因子就能夠很好的預(yù)估未知值,相對于傳統(tǒng)插值方法精度較高[17- 18]。本文利用反距離權(quán)重插值法來實現(xiàn)遼寧省潛在蒸散量的空間變化趨勢。

曼-肯德爾法(Mann-Kenddall)是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。該方法借助Matlab軟件的程序編寫對序列數(shù)據(jù)進行計算,得到UF與UB兩條曲線,并用于檢驗序列的變化趨勢。若UF或UB的值大于0,則表示序列呈上升趨勢,小于0則表示序列呈下降趨勢。當(dāng)UF與UB兩條曲線出現(xiàn)交點時,且交點在臨界值之間則表示該時刻為突變開始時刻[19]。本文運用曼-肯德爾法對遼寧省潛在蒸散量時間變化趨勢進行分析,得到潛在蒸散在研究時段內(nèi)的突變點時刻。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均潛在蒸散空間分布

圖2 遼寧省潛在蒸散空間分布Fig.2 The spatial distribution of ET0 in Liaoning

根據(jù)公式(1)計算得出遼寧省地區(qū)近50年各站點平均潛在蒸散量為453—1043 mm,如圖2所示,從大的范圍來看,總體上表現(xiàn)為由東向西逐漸增大的趨勢,且中部地區(qū)平均潛在蒸散量在東西方向上的變化較大,東部和西部地區(qū)在東西方向上的變化較小。從局部范圍上來看,潛在蒸散量高值區(qū)主要分布在遼寧省西北部,大致為927—1043 mm,其中高值區(qū)朝陽、彰武的潛在蒸散量最大,分別為1043.58 mm和975.08 mm,這主要是由于彰武和朝陽臨近內(nèi)蒙古科爾沁草原的沙緣地帶,屬季風(fēng)邊緣帶,風(fēng)沙大、日照強烈且雨水稀少,因此潛在蒸散量大。潛在蒸散量低值區(qū)主要分布在遼寧省東部,年平均潛在蒸散量大致為453—526 mm,其中低值區(qū)寬甸和清原地區(qū)潛在蒸散量最小,分別為453.10 mm和497.52 mm,這可能是因為寬甸和清原地區(qū)瀕臨黃、渤二海,空氣相對濕度大,降水偏多,因此潛在蒸散量較少。

圖2將潛在蒸散量與地形條件相結(jié)合可知,由于丘陵山地地區(qū)海拔較高,大氣透明度較大,使該地區(qū)光照充足、空氣稀薄、輻射強烈,東北部低山區(qū)和西部山地丘陵區(qū)地勢較高的地方氣候條件與中部遼河平原區(qū)有很大不同,因此會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)水分盈虧量隨海拔發(fā)生變化,潛在蒸散量也隨之變少。在遼寧省的丘陵和山地地區(qū)隨著海拔高度的變化,日照時數(shù)和太陽輻射在區(qū)域分布上的影響顯著超過了地理緯度因子的影響。而中部為遼河平原區(qū),除上述的影響因子之外,該區(qū)同時也是玉米集中的種植區(qū)域,是遼寧省主要產(chǎn)糧基地,在農(nóng)作物的生長期時,由于充分的日照以及降水和此時的作物系數(shù)都達到最大,導(dǎo)致遼寧中部地區(qū)年平均潛在蒸散量值較大。

2.2 四季平均潛在蒸散空間分布

全省范圍內(nèi),夏季各氣象監(jiān)測站點的潛在蒸散量平均值最高,為244 mm,其次是春季232 mm和秋季163 mm,冬季最低為77 mm,分別占全年的34%、32%、23%和11%(圖3)。夏季的潛在蒸散量最高值出現(xiàn)在朝陽,為397 mm；冬季的潛在蒸散量最低值出現(xiàn)在清原,為47 mm。

春季,遼寧省潛在蒸散量總體上表現(xiàn)為由東向西呈逐漸增加的趨勢,一般變化范圍為134—375 mm,其中,西北部潛在蒸散量較高,一般為322—375 mm,最高值出現(xiàn)在朝陽375 mm,由于朝陽市獨特的地理位置和氣候條件,使其光熱資源十分充足,而降水量稀少,尤其是在春季,日均溫增減幅度較大,春旱時段干旱顯著,且該時段內(nèi)溫度偏高,導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)量嚴(yán)重,大部分地區(qū)出現(xiàn)輕度至中度干旱[20],因此在農(nóng)業(yè)上要做好春旱的防御工作；東部地區(qū)潛在蒸散量較低,一般為134—172 mm,最低值出現(xiàn)在寬甸,為134 mm,東部地區(qū)總體潛在蒸散量變化范圍較小。

夏季,各個站點總體潛在蒸散量比春季略高,總體表現(xiàn)為由東南向西北逐漸增加的趨勢,并且東部地區(qū)在東西方向上的變化較小,而西北部地區(qū)變化較大。其中,東部潛在蒸散量較低,變化范圍一般為155—175 mm,最低值出現(xiàn)在寬甸,為155 mm；西部潛在蒸散量的變化范圍一般為231—388 mm,最高值出現(xiàn)在朝陽,其次是彰武,分別為397 mm和388 mm。在夏季,遼寧西部和北部地區(qū)季氣候特點為氣溫偏高,日照偏少,大部分地區(qū)降水偏少,降水時空分布極其不均勻,部分地區(qū)伏旱較重,因此潛在蒸散量較大,該氣象條件對作物生長有利有弊,應(yīng)改變農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),合理利用水資源[21]。

圖3 季節(jié)平均潛在蒸散空間分布Fig.3 The spatial distribution of seasonal ET0

秋季,潛在蒸散量總體呈現(xiàn)由中部地區(qū)向四周逐漸遞減趨勢,并且北部有向彰武地區(qū)延伸的趨勢,最高值出現(xiàn)在沈陽,為372 mm,最低值出現(xiàn)在朝陽,為90 mm。由于遼寧省中部地區(qū)在秋冬季節(jié)城市熱島效應(yīng)顯著[22],特別是沈陽、鞍山和本溪等中部地區(qū)的城市群是我國傳統(tǒng)的重工業(yè)基地,使得遼寧省中部地區(qū)比四周氣溫高,因此潛在蒸散量大。

冬季,各個站點整體和其他季節(jié)相比其潛在蒸散量最小,總體表現(xiàn)為由東北向西南逐漸增加的趨勢,并且整個遼寧省的在東西方向上的變化范圍較小,變化范圍一般為47—113 mm,其中,最低值出現(xiàn)在清原,為47 mm,最高值出現(xiàn)在大連,為113 mm。冬季遼寧省平均氣溫具有南高北低、從沿海向內(nèi)陸逐漸降低的趨勢,因此處于南部地區(qū)的大連市相比遼寧其他地區(qū)冬季溫度偏高,且受到海洋氣候影響相對濕潤,因此潛在蒸散量較大[23]。

2.3 年際平均潛在蒸散空間分布

1966—2015年遼寧省潛在蒸散量的空間分布如圖4,總體來看,遼寧省潛在蒸散量存在明顯的地區(qū)之間的差別,空間分布整體呈現(xiàn)自東向西逐漸遞增的規(guī)律；從年際變化來看,西北部地區(qū)潛在蒸散量大致呈逐年減少趨勢變化,東部地區(qū)各年代際的變化不大。

20世紀(jì)60—70年代潛在蒸散量的平均值在近50年中最大,其變化范圍一般為471—1117 mm,年平均為730 mm,潛在蒸散量高于1000 mm的范圍較大,隨后縮小,直到20世紀(jì)70—80年代高值范圍又略有擴大,其變化范圍為445—1067 mm,年平均為714 mm,但潛在蒸散量仍小于20世紀(jì)60—70年代,與其相比減少了3.8%；遼寧省西北部地區(qū)20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初的變化范圍為442—1031 mm,年平均715 mm,在2005年之后高于1000 mm的范圍又開始縮小,21世紀(jì)初潛在蒸散量年平均值與其他各年代際相比最低。潛在蒸散量與所在緯度地區(qū)的降水量、溫度、日照和風(fēng)速等因素有直接關(guān)系,遼寧省地處中高緯,從潛在蒸散量逐漸減少的趨勢可以很好的反映氣候變化這一現(xiàn)象,但是由于不同地區(qū)對氣候變化的響應(yīng)存在差異,因此,潛在蒸散量的變化程度也各不相同,這與吳霞等[4]的研究結(jié)果較為一致。

圖4 遼寧省不同年代際平均潛在蒸散空間分布Fig.4 The spatial distribution of ET0 in different decades in Liaoning

2.4 遼寧省潛在蒸散量時間演變趨勢

1966—2015年,整體上遼寧省年均潛在蒸散量以1.43 mm/a的速率減少,50年共減少71.5 mm,相對變化量為25.0%(圖5),減少趨勢分別通過了0.01和0.05的信度檢驗。王瓊、吳霞、尹云鶴等[4,13]的研究結(jié)果也得出近50年的潛在蒸散量呈下降趨勢。

整體看來,近50年遼寧省潛在蒸散量的變化趨勢基本呈現(xiàn)增減交替變化,變化率為1.43 mm/a,總體呈現(xiàn)顯著性下降趨勢變化,變化幅度在589—759 mm之間,其中最小值為589 mm,出現(xiàn)在2015年,最大值出現(xiàn)為759 mm,出現(xiàn)在1982年,該年9月份曾出現(xiàn)雨量多、強度大的連續(xù)陰雨天氣過程,因此該年潛在蒸散量相對較大。此后,潛在蒸散量雖呈現(xiàn)增減交替變化,但整體呈下降趨勢,潛在蒸散量的時間變化主要反映了氣象因素對其的影響,其變化趨勢完全是氣候自然波動影響的結(jié)果。結(jié)合圖6,利用Mann-Kendall方法對遼寧省近50年平均潛在蒸散量進行分析,由UF曲線可見,1966—2015年遼寧省潛在蒸散量呈明顯的下降趨勢,并且1993—1999年和2007年以后這種趨勢大大超過0.05臨界線(-1.96),表明遼寧省潛在蒸散量的下降趨勢是十分顯著的,也有文獻表明,中國年平均潛在蒸散量的變化在90年代初期也發(fā)生了明顯的趨勢轉(zhuǎn)折[24],與本文所得結(jié)論相一致；根據(jù)UF和UB曲線交點的位置,確定遼寧省蒸散量在2003年存在下降趨勢突然增大的現(xiàn)象。然而,對1986—1995年內(nèi)潛在蒸散量增大的趨勢,M-K檢驗并未檢測到突變點。

圖5 遼寧省年平均潛在蒸散時間變化趨勢Fig.5 The temporal change trend of ET0 in Liaoning

圖6 1966—2015年年平均潛在蒸檢驗結(jié)果 Fig.6 The statistical results of ET0 in Mann-Kendall test from 1966 to 2015圖中UF、UB為自定義變量其中UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0

對近幾個年代的潛在蒸散量分別做線性回歸(表1),發(fā)現(xiàn)遼寧省范圍內(nèi)除20世紀(jì)80—90年代潛在蒸散量呈上升趨勢外,其余各年代均呈下降趨勢。通過氣象因子排序及偏相關(guān)系數(shù)檢驗得到,該下降與上升趨勢主要受最高氣溫、最低氣溫和風(fēng)速影響較大,與引言中各位專家研究結(jié)果相一致。

表1 各年代平均蒸散量變化趨勢與偏相關(guān)系數(shù)較高的前三個氣象因子

2.5 各站點平均蒸散量時間變化趨勢

對遼寧省23個氣象站點1966—2015年平均潛在蒸散量進行線性變化趨勢分析,利用方程的斜率k表示年平均潛在蒸散量的演變趨勢,其空間分布特征如圖7所示。在遼寧省23個氣象站點中,有21個站點潛在蒸散量呈減少趨勢(k≤0),占研究站點總數(shù)的91.3%,并且k值在-1.84— -0.88之間的站點分布范圍最為廣泛；其中,k值在-0.88—0.09之間的站點較為廣泛,并且分布特征比較分散；在0.09—1.05范圍內(nèi)的站點數(shù)最少,占研究站點總數(shù)的8.7%。

圖7 各氣象站點平均潛在蒸散線性變化空間分布Fig.7 The meteorological stations ET0 linear change of spatial distribution

當(dāng)k值大于0時,遼寧省潛在蒸散量在時間變化趨勢上的呈遞增趨勢,小于0時,呈遞減趨勢變化,并且|k|越大,遞增(或遞減)率越高。從整體上看(圖7),除阜新和岫巖外,整個遼寧省地區(qū)k值基本都為負(fù)值,說明遼寧省大部分區(qū)域的潛在蒸散量呈減少趨勢,并且k值范圍在-3.77—-2.81之間的站點主要分布于遼寧西北地區(qū),潛在蒸散量呈減少趨勢,其遞減率最大,表明遼西北地區(qū)潛在蒸散量下降趨勢最為明顯；k值在-2.81—-1.84之間的站點比較分散,主要分布于北部、中部和南部；k值在-1.84—0.88之間的站點相對較集中,主要分布在北部與東部地區(qū),此范圍內(nèi)的地區(qū)中章黨k值為-1.48,下降趨勢在此范圍內(nèi)最為明顯,k值最小出現(xiàn)在寬甸,為-0.927,遞減率最?。贿|寧省南部和北部部分地區(qū)的k值在-0.88—0.09范圍內(nèi)；在0.09—1.05區(qū)間內(nèi)的研究站點僅為2個,分別是阜新和岫巖,潛在蒸散量呈遞增趨勢變化。同時,對各站點潛在蒸散量的線性變化趨勢進行顯著性檢驗,空間分布如圖7所示。通過0.1顯著性檢驗的站點共15個,占研究站點總數(shù)的65.2%；并且,這15站點全部通過了0.05顯著性檢驗；其次,通過0.01顯著性檢驗的站點有13個,占研究站點總數(shù)的56.5%；未通過檢驗的站點有8個,占研究站點總數(shù)的34.8%?？偟脕碚f,遼寧省年平均潛在蒸散量大體呈遞減趨勢變化,且遞減趨勢顯著。

2.6 潛在蒸散量變化原因分析

對遼寧省1966—2015年各氣象站點潛在蒸散量和氣象因子年平均值進行偏相關(guān)檢驗分析,各氣象因子的偏相關(guān)性系數(shù)分布有明顯的地區(qū)差異,潛在蒸散量與各氣象因子偏相關(guān)系數(shù)絕對值大小依次為日最高氣溫(PTmax)、日最低氣溫(PTmin)、日照時數(shù)(Pn)、平均風(fēng)速(Pv)和相對濕度(PRH),其偏相關(guān)系數(shù)的遼寧省平均值分別為0.698、0.627、0.473、0.358和-0.246,這說明遼寧省潛在蒸散量與日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數(shù)、平均風(fēng)速呈正相關(guān),與相對濕度呈負(fù)相關(guān),這與韋振鋒[25]研究陜西省潛在蒸散量的研究結(jié)果相一致,潛在蒸散量與前5個因子(日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數(shù)、平均風(fēng)速和相對濕度)的偏相關(guān)系數(shù)空間分布見圖8。

圖8 氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.8 Spatial distribution of partial correlation coefficient of meteorological factors

在全省范圍內(nèi),PTmax主要由南向北逐漸遞增的趨勢分布,除北部零星地區(qū)PTmax較高外,其余地區(qū)一般低于0.8；其中,遼南沿海地區(qū)PTmax較低,變化幅度在0.54—0.59之間,說明遼寧沿海地區(qū)的潛在蒸散量受日最高氣溫的變化與內(nèi)陸地區(qū)相比影響較小,并且最高氣溫對潛在蒸散量的影響在不同站點差異是較大的。

第二因素為日最低氣溫的偏相關(guān)性系數(shù)大致呈現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減的態(tài)勢分布,變化幅度一般為0.45—0.76,其中北部與西北部地區(qū)PTmin值相對較高,一般大于0.74；遼東南地區(qū)的丹東、莊河和大連PTmin相對較低,PTmin分別為0.45、0.46和0.47。

全省范圍內(nèi),Pn的空間分布特征與PTmax和PTmin相反,主要呈現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減的態(tài)勢分布,并且各站點之間Pn值總體差距不大,除遼南有零星地區(qū)Pn較高以外,其余地區(qū)Pn的變化幅度范圍在0.37—0.47,其中大連地區(qū)最高,為058,桓仁最小,為0.37；遼南地區(qū)的潛在蒸散量受日照時數(shù)影響大,不僅因為與其他地區(qū)相比緯度較低,當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、溫度和氣溶膠濃度也會間接改變?nèi)照諘r數(shù)的增減來影響潛在蒸散量[26]。

Pv的空間分布規(guī)律與前三個因子有所區(qū)別,除遼西北和遼東南零星地區(qū)的Pv低于0.3以外,其余地區(qū)變化范圍基本在0.31—0.48之間,大連最低,為0.21,最高的是桓仁,為0.48。

PRH的空間分布規(guī)律與PRH相似,不同的是PRH在遼寧北部地區(qū)向中部延伸出一片狹長的低值區(qū),PRH整體為負(fù)值,說明與潛在蒸散量呈負(fù)相關(guān),其中最大值出現(xiàn)在阜新,為-0.03,最小值出現(xiàn)在大連,為0.42。

綜上分析來看,潛在蒸散量的變化雖然與日最高、最低氣溫相關(guān)性最大,但是不能視為蒸發(fā)量是單純隨著溫度升降來變化的,而是由多個氣象因子綜合作用的結(jié)果。其中,風(fēng)速作為動力因子,其值的大小是蒸發(fā)過程中水汽輸送的主要條件。近30年來年東北三省年平均地面風(fēng)速呈逐漸遞減,平均每10年減小0.23 m/s[27]。遼寧省的地面風(fēng)速下降導(dǎo)致氣流交換速度變慢,蒸發(fā)面的水汽不易被帶到大氣中,最終導(dǎo)致潛在蒸散量減小,也是“蒸發(fā)悖論”的主要原因。太陽輻射作為熱力因子是潛在蒸散量的能量來源,本文選擇日照時數(shù)作為輻射的代表量,遼寧省日照時數(shù)的減少,導(dǎo)致潛在蒸散量下降,這是由于日照時數(shù)減小使得蒸發(fā)面接受的輻射能量減少,水分子動能減弱,水汽的擴散能力也就相應(yīng)減弱,蒸發(fā)量下降,從而出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象,這與Michael等[28]的研究結(jié)果相近。相對濕度是指某一地區(qū)的濕潤或干燥程度,在氣候變暖背景下,隨著降水減少和氣溫升高,中國東北地區(qū)呈現(xiàn)暖干化趨勢[29],從本文的研究成果來看,相對濕度與潛在蒸散量呈負(fù)相關(guān),說明遼寧省暖旱化趨勢使得大氣變干,促進潛在蒸散量的增大,但是由于前四個主要因子與潛在蒸散量呈正相關(guān),因此抵消了相對濕度對潛在蒸散量負(fù)面影響,使其總體呈顯著性下降趨勢變化。

該研究結(jié)果與第一節(jié)中謝平等[14]的結(jié)果大體趨于一致,并且與Thomas[30]的研究結(jié)果相符,他認(rèn)為中國東北地區(qū)潛在蒸散量變化的主導(dǎo)因子為最高溫度,而本文研究認(rèn)為導(dǎo)致遼寧省潛在蒸散量變化的主要氣象因子為日最高氣溫。

圖9 遼寧省日最高氣溫、日最低氣溫和日照時數(shù)變化趨勢Fig.9 The relative change trend of daily maximum temperature,daily minimum temperature and sunshine hour in Liaoning

分析遼寧省1966—2015年前三個主要氣象因子(日最高氣溫、日最低氣溫和日照時數(shù))的時間變化趨勢(圖9),可知3個主要因子在近50年呈增減交替變化,日最高氣溫、日最低氣溫和日照時數(shù)距平百分率年平均值分別為0.15%、2.10%和0.12%,說明近50年日最低氣溫與同期平均狀態(tài)的偏離程度較大。日最低氣溫在20世紀(jì)60年代末到80世紀(jì)變化幅度大且變化相對頻繁,20世紀(jì)90年代以后變化基本穩(wěn)定,而日最高氣溫和日照時數(shù)的變化幅度基本相似,3個因子整體看來在近50年是呈減少趨勢變化。前面分析可知,日最高氣溫、日最低氣溫和日照時數(shù)與潛在蒸散量呈正相關(guān)關(guān)系,因此日最高氣溫、日最低氣溫和日照時數(shù)的減少趨勢共同導(dǎo)致過去50年遼寧省潛在蒸散量整體上表現(xiàn)出減少的趨勢；而日最高氣溫與日最低氣溫在20世紀(jì)80年代中的明顯減小趨勢可能是引起遼寧省年平均潛在蒸散量在80年代存在下降速率突然增大現(xiàn)象的主要原因。

3 結(jié)論

(1)1966—2015年,遼寧省23個站點潛在蒸散量的平均值在453—1043 mm之間,表現(xiàn)出由東向西逐漸增大的趨勢,且中部地區(qū)平均潛在蒸散量在東西方向上的變化較大,東部和西部地區(qū)在東西方向上的變化較小,不同地區(qū)的潛在蒸散量有所差異。

(2)全省范圍內(nèi)夏季潛在蒸散量最高、春季和秋季次之、冬季最低；各季節(jié)潛在蒸散量在空間分布上有所差異,春季和夏季在空間呈現(xiàn)東向西呈逐漸增加的趨勢,秋季則表現(xiàn)為由中部地區(qū)向四周逐漸遞減,冬季表現(xiàn)為由東北向西南逐漸增加的趨勢。近幾個年代際,平均潛在蒸散量西北部地區(qū)潛在蒸散量大致呈逐年減少趨勢變化,東部地區(qū)各年代際的變化不大,空間分布整體呈現(xiàn)自東向西逐漸遞增的規(guī)律。

(3)從時間上來看,1966—2015年,遼寧省潛在蒸散量變化趨勢基本呈現(xiàn)增減交替變化,總體呈現(xiàn)顯著性下降趨勢,Mann-Kendall方法的檢驗結(jié)果顯示中國年平均ET0的下降趨勢在1993—1999年和2007年以后存在下降速率突然增大的現(xiàn)象。然而,對1986—1995年內(nèi)潛在蒸散量增大的趨勢,M-K檢驗并未檢測到突變點。

(4)遼寧省潛在蒸散量的變化主要與日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數(shù)和平均風(fēng)速呈正相關(guān),和相對濕度呈負(fù)相關(guān)；并且,日最高氣溫、日最低氣溫和日照時數(shù)的減少趨勢共同導(dǎo)致過去50年遼寧省潛在蒸散量整體上表現(xiàn)出減少的趨勢。

基于氣象數(shù)據(jù)和Penman-Monteith(P-M)方法探究了遼寧省潛在蒸散量時空演變與成因分析,結(jié)果表明,遼寧省存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象,隨著進一步分析其“悖論”原因及規(guī)律,有助于揭示本地區(qū)潛在蒸散量的變化趨勢,從而對本地區(qū)地氣系統(tǒng)之間水分循環(huán)的變化產(chǎn)生更加深刻的理解,為氣候變化下本地區(qū)水資源規(guī)劃和管理提供科學(xué)依據(jù)。但是,本研究僅僅探究了潛在蒸散量的時空演變,氣候變化下的潛在蒸散量不僅僅體現(xiàn)在水資源的變化,更需要明細(xì)遼寧省水熱演變的機理與各影響要素的脅迫機制。在潛在蒸散量成因分析上,今后應(yīng)結(jié)合下墊面要素等開展?jié)撛谡羯⒘康臋C理研究。