松花江流域潛在蒸散發(fā)演變規(guī)律及影響因素研究

邸愛民

(遼寧省鞍山水文局六間房水文站，遼寧 鞍山 114100)

蒸散發(fā)是自然條件下的水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)以及植物散發(fā)的總稱。國內(nèi)外研究工作者對蒸散發(fā)(ET0)進(jìn)行了很多研究：趙玲玲，夏軍等[1]基于北京站1951—2009年的氣象資料，采用Penman-Monteith公式估算潛在蒸散發(fā)，并對其年際年內(nèi)的變化特征進(jìn)行辨析。結(jié)果表明：北京1951—2009年年均潛在蒸散發(fā)量呈顯著上升趨勢；氣象要素的敏感性從強(qiáng)到弱依次為空氣相對濕度、溫度、太陽輻射和風(fēng)速。溫姍姍，姜彤等[2]采用松花江流域60個(gè)氣象站逐日資料，基干平流千旱模型計(jì)算并分析了流域?qū)嶋H蒸散發(fā)為總體呈現(xiàn)增加趨勢，時(shí)空分布上有一定的特征。采用相關(guān)分析方法研究流域年均實(shí)際蒸散發(fā)的時(shí)空變化是各氣象要素共同影響的結(jié)果，而且各氣象要素在不同時(shí)期對實(shí)際蒸散發(fā)的影響是有差異的。楊劍、孫小舟等[3]以湖北漢江流域13個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象資料為基礎(chǔ)，采用FAO推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算潛在蒸散量，用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對其進(jìn)行趨勢分析和突變檢驗(yàn)，并在ArcGIS環(huán)境下利用克里金插值分析潛在蒸散量的空間變化特征。表明潛在蒸散量整體呈波動下降趨勢?？臻g分布特征表現(xiàn)為自東南向西北遞減。韋小麗、管麗麗[4]根據(jù)氣象水文資料，采用線性趨勢分析、Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)和Pearson相關(guān)系數(shù)方法研究了第二松花江流域潛在蒸散發(fā)以及20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及影響的主要?dú)庀笠蜃印１砻鳚撛谡舭l(fā)下降趨勢不明顯，潛在蒸發(fā)的下降主要受日照時(shí)數(shù)、降水和低云量的影響。卓嘎、尼瑪央珍等[5]利用彭曼公式進(jìn)行藏西北地區(qū)潛在蒸散的計(jì)算，采用偏相關(guān)分析方法，分析得潛在蒸散呈現(xiàn)從西北向東南減少的分布特征，影響潛在蒸散的氣象要素為相對濕度、平均氣溫和日照時(shí)數(shù)，風(fēng)速對冬季潛在蒸散的影響最為顯著。熱孜宛古麗等[6]使用艾比湖流域6個(gè)氣象站點(diǎn)資料，通過Penman-Monteith方程，利用線性傾向估計(jì)、累積距平法和Mann-Kendall法分析計(jì)算艾比湖流域年潛在蒸散量逐年下降、年氣溫增加及年降水量增多。國內(nèi)對松花江流域的潛在蒸散發(fā)演變規(guī)律及影響因素并未做研究，故本文的研究很有意義。

本文以1961—2013年氣象月數(shù)據(jù)為依據(jù)，運(yùn)用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的PM公式，計(jì)算ET0，運(yùn)用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析ET0(年值、逐月)的趨勢變化，分析潛在蒸散發(fā)的時(shí)空變化特征以及平均氣溫、相對濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等氣象要素的變化趨勢，揭示潛在蒸散發(fā)的變化規(guī)律，以及影響蒸散發(fā)的氣象要素的變化規(guī)律。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

本文使用的是松花江流域及其周邊共68個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2013年的月氣象數(shù)據(jù)，主要包括月最高氣溫、月最低氣溫、月平均氣溫、相對濕度、日照時(shí)數(shù)、10m高度風(fēng)速等數(shù)據(jù)，所使用的所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和篩選。

1.1 FAO潛在蒸散發(fā)的計(jì)算方法及其參數(shù)優(yōu)化

本文FAO推薦的經(jīng)優(yōu)化的Penman-Monteith公式計(jì)算月ET0和年ET0值。其中參考下墊面植被是假設(shè)表面開闊、具有充足水分、生長茂盛同時(shí)高度為0.12m的草地，具有固定的表面阻抗70s/m，反照率為0.23，表達(dá)式為：

(1)

式中，ET0—潛在蒸散發(fā)，mm；Rn—作物表層凈輻射，MJ/(m2·d)；G—土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T—日平均氣溫，℃；U2—2m高度處風(fēng)速,m/s；es—飽和水汽壓，kPa；ea—實(shí)際水汽壓，kPa；Δ—飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ—干濕表常數(shù)，kPa/℃。

1.2 MK統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)趨勢分析原理

MK統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)因其簡單又可處理丟失數(shù)據(jù)而被廣泛應(yīng)用。在本研究中，通過對ET0，Epan和kp年時(shí)間序列、月時(shí)間序列進(jìn)行MK檢驗(yàn)，分析了ET0、月平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對濕度等數(shù)據(jù)的趨勢變化。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S按如下公式計(jì)算：

(2)

式中，x—第i或j年的數(shù)值；n—數(shù)據(jù)組的長度。

(3)

根據(jù)零假設(shè)，xi是獨(dú)立且隨機(jī)排列的。當(dāng)n≥8時(shí)，S近似正態(tài)分布，零均值和方差以及標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z的計(jì)算公式如下

(4)

(5)

統(tǒng)計(jì)量Z遵循零均值和序列無趨勢的零假設(shè)方差情況下的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。在顯著性水平α下，如果|Z|≥Z1-α/2，則零假設(shè)不成立，其中Z1-α/2是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布中的(1-α/2)分位數(shù)。如果Z>0，說明該時(shí)間序列呈上升趨勢，否則，呈下降趨勢。在顯著性水平α=0.05時(shí)，如果|Z|>1.96，則該序列的趨勢顯著。

2 松花江流域潛在蒸散發(fā)

為了對松花江流域氣候變化有個(gè)空間分布上的具體了解，本文選用了流域上、中、下共6個(gè)站點(diǎn)(圖里河、富裕、富錦、哈爾濱、樺甸、索倫)，如圖1所示，并作出了這6個(gè)站點(diǎn)各氣象要素年均值以及ET0年值的變化趨勢，如圖2所示，為變化趨勢分析提供一定的依據(jù)。

圖1 6個(gè)氣象站點(diǎn)分布圖

圖2 松花江流域年ET0變化趨勢

2.1 潛在蒸散發(fā)年際變化趨勢

由圖2可以看出，流域北部圖里河站年蒸散量較其他地區(qū)明顯小，1990年以前，年蒸散發(fā)的峰值均出現(xiàn)在流域中部的哈爾濱站，而1990年之后，年蒸散發(fā)的峰值均出現(xiàn)在流域西部的索倫站，1970—1985年全流域蒸散發(fā)大部分呈現(xiàn)年值上升現(xiàn)象，流域中部漲幅最大。

根據(jù)PM公式計(jì)算，最終得到松花江流域的年潛在蒸散發(fā)值。共有10個(gè)站點(diǎn)的年蒸散發(fā)值呈顯著上升趨勢，主要集中在松花江流域西部及北部；14個(gè)站點(diǎn)的年蒸散發(fā)值呈顯著下降趨勢，主要集中在松花江流域南部。流域內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢的站點(diǎn)共34個(gè)，其中有24個(gè)為不顯著上升，主要集中在流域中部偏東的位置。流域內(nèi)年蒸散發(fā)呈現(xiàn)下降趨勢的也是34個(gè)站點(diǎn)，其中為不顯著下降的站點(diǎn)為20個(gè)，集中在流域西南部，呈條帶狀分布，位于流域邊緣。

2.2 潛在蒸散發(fā)年內(nèi)變化趨勢

松花江流域月ET0變化趨勢如圖3所示。

圖3 松花江流域月ET0變化趨勢

從圖3中可以看出，流域北部蒸散發(fā)月值最小，流域中部各月蒸散發(fā)值變幅最大，而南部最為平緩，月ET0峰值一般均出現(xiàn)在6—7月，但流域南部ET0峰值出現(xiàn)在9月，流域南部月蒸散值為單峰型變化，流域內(nèi)其他區(qū)域均為雙峰型，9月為另一個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間。流域內(nèi)62個(gè)站點(diǎn)均有變化趨勢顯著的時(shí)間段，其中2月呈現(xiàn)顯著上升趨勢的站點(diǎn)最多，共有56個(gè)站，另外的12個(gè)站中，只有滿洲里站為不顯著下降，其余11個(gè)站點(diǎn)蒸散發(fā)值也都出現(xiàn)上升趨勢(不顯著)。5月份有15個(gè)站點(diǎn)的蒸散發(fā)值為顯著下降趨勢，其他站點(diǎn)也以呈下降趨勢居多(不顯著)。

3 松花江流域氣候變化趨勢

3.1 松花江流域相對濕度變化趨勢

采用月平均相對濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)PM公式，得出濕度變化與蒸散發(fā)變化的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 松花江流域相對濕度變化

由圖4可知，松花江流域相對濕度總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中流域西部及南部有顯著下降趨勢，主要集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)。而地處流域中部的克山站僅有9月份呈現(xiàn)下降趨勢，且為不顯著下降。位于流域最東邊的富錦站相對濕度也幾乎都呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是4月份呈顯著上升趨勢。位于流域中西部的泰來站一年中有10個(gè)月均呈現(xiàn)下降趨勢。章黨站位于流域最南邊，其月平均相對濕度均呈現(xiàn)上升趨勢，其中8—10月有顯著上升趨勢，其余9個(gè)月均為不顯著上升趨勢。清原站位于章黨站東北部，兩站距離很近，但是相對濕度變化趨勢卻不盡相同，清原站各月均無顯著變化趨勢，且有8個(gè)月呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，其余4個(gè)月均為不顯著上升趨勢?？偠灾?，流域內(nèi)西部及南部相對濕度下降趨勢顯著，其他站也以下降為主，但不顯著下降為多。

3.2 松花江流域氣溫變化趨勢

本文采用松花江流域及其周邊共68個(gè)站點(diǎn)53年的月平均氣溫資料，使用MK統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行了變化趨勢分析，從中選取6個(gè)站的資料作出了變化趨勢圖，如圖5所示。

圖5 松花江流域年平均氣溫變化

由圖5可知，松花江流域平均氣溫上升趨勢十分顯著。全流域68個(gè)站均出現(xiàn)了平均氣溫顯著上升，第二、三季度呈現(xiàn)顯著上升趨勢尤其集中。1月、11月、12月不顯著上升居多，僅12月，只有呼瑪站和孫吳站呈現(xiàn)顯著上升趨勢，其他均為不顯著上升或不顯著下降，這其中不顯著上升居多。除此之外，也有其他一些平均氣溫上升不顯著的月份，如3月，該月全流域只有12個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁卦?月也顯著上升了，甚至，富錦站在3月的平均氣溫呈現(xiàn)了下降趨勢(不顯著下降)。當(dāng)然各站點(diǎn)變化趨勢也不大相同，盡管總體上都呈現(xiàn)顯著上升趨勢，但是也有一些站，如漠河站、章黨站、集安站、長白站、臨江站、通化站、蛟河站等流域南部的站點(diǎn)，平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢的時(shí)間段不足6月，一般顯著上升的月份都出現(xiàn)在2月、9月及鄰近的月份。

3.3 松花江流域風(fēng)速變化趨勢

對松花江流域53年月平均風(fēng)速進(jìn)行MK檢驗(yàn)分析，如圖6所示(本文中風(fēng)速均已轉(zhuǎn)換為2m處風(fēng)速，本章中研究的是2m處風(fēng)速的變化趨勢)。

圖6 松花江流域風(fēng)速變化趨勢

圖6分析可知，松花江流域在過去50多年中，月平均風(fēng)速大部分呈現(xiàn)下降趨勢，且顯著性下降為多。流域上、中部下降趨勢顯著，全流域共計(jì)33個(gè)站在一年12個(gè)月內(nèi)均呈顯著下降趨勢，其中黑龍江省最多，共18個(gè)站，超過一半的站均在黑龍江省。全流域內(nèi)共41個(gè)站一年超過10個(gè)月平均風(fēng)速均呈現(xiàn)顯著下降趨勢。但是，雞西站6、7、8月均呈現(xiàn)顯著上升趨勢，其它9個(gè)月也呈現(xiàn)上升趨勢，盡管是不顯著上升趨勢。在流域南部及流域西北部，平均風(fēng)速的變化比較分散，也不如其他地區(qū)趨勢顯著，大多數(shù)站點(diǎn)風(fēng)速呈下降趨勢的月份不到6個(gè)月，有一些站點(diǎn)風(fēng)速還呈現(xiàn)上升趨勢。因此，松花江流域南部及西北部應(yīng)劃入風(fēng)速變化不顯著區(qū)。

3.4 松花江流域日照時(shí)數(shù)變化趨勢

松花江流域多年平均月日照時(shí)數(shù)如圖7所示。

圖7 松花江流域多年月平均日照時(shí)數(shù)變化趨勢

松花江流域中部及南部日照時(shí)數(shù)多呈現(xiàn)顯著下降趨勢，在流域的中部及南部共有11個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示，一年12個(gè)月中，當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)數(shù)有8個(gè)月以上均呈現(xiàn)遞減趨勢，這當(dāng)中未呈現(xiàn)顯著下降趨勢的月份都集中在8—10月這3個(gè)月份，大部分站點(diǎn)在這3個(gè)月內(nèi)日照時(shí)數(shù)變化趨勢都為不顯著下降。全流域只有大興安嶺站在一年12個(gè)月內(nèi)均有顯著變化趨勢，其中11個(gè)月為顯著下降趨勢，只有2月份呈現(xiàn)顯著上升趨勢。流域上、中部各站點(diǎn)變化趨勢比較散亂，各站變化趨勢顯著時(shí)段長度一般不超過6個(gè)月。在松花江流域西部，也有少數(shù)站點(diǎn)出現(xiàn)了日照時(shí)數(shù)顯著上升的趨勢，但僅僅出現(xiàn)在第一季度，8、9兩個(gè)月份也有幾個(gè)站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著上升趨勢。

4 結(jié)論

松花江流域蒸散發(fā)近50年來發(fā)生了很大的變化：流域西部及北部的年蒸散發(fā)年際變化主要為顯著上升趨勢，而南部主要呈現(xiàn)顯著下降趨勢；流域北部蒸散發(fā)月值最小，流域中部各月蒸散發(fā)值變幅最大，而南部最為平緩；松花江流域的氣溫呈顯著上升趨勢，平均相對濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速均呈下降趨勢。

存在的不足：本文僅對平均氣溫、平均相對濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)進(jìn)行了研究和分析，而沒有涉及到更具體的最高氣溫、最低氣溫等的研究；PM公式是根據(jù)日數(shù)據(jù)求算日ET0值，而本文研究數(shù)據(jù)為月數(shù)據(jù)，根據(jù)近似算法得到的月ET0值，有一定的偏差；沒有將氣象因素對蒸散發(fā)的具體影響程度計(jì)算，從而未能得出松花江流域各氣象要素對潛在蒸散發(fā)的影響能力。