RCP4.5 情景下貴州省潛在蒸散量及地表濕潤度變化預(yù)估

韓會慶， 張朝瓊， 白玉梅， 張新鼎， 周茜茜

（1.貴州理工學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，貴州 貴陽550003； 2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽550001）

潛在蒸散量是衡量大氣蒸發(fā)能力的重要指標(biāo)，其變化深刻影響著氣候干濕狀況，在全球氣候變化研究中日益受到關(guān)注［1］.研究潛在蒸散量及干濕狀況，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，提高適應(yīng)氣候變化的能力以及水資源利用具有重要的意義.

目前，全球［2］、國家［3］、區(qū)域［4］、流域［5］等多尺度的潛在蒸散量研究已廣泛開展.輻射法、氣溫法、水量平衡法、綜合法、質(zhì)量守恒法等是當(dāng)前潛在蒸散量估算的主要方法［6］.然而多數(shù)方法需要大量數(shù)據(jù)支持，比如Penman - Monteith（PM）公式是潛在蒸散量估算精度最高的方法［7］，但是該方法需要?dú)鉁?、風(fēng)速、氣壓、太陽輻射、濕度等數(shù)據(jù)，這在氣象資料缺乏地區(qū)難以進(jìn)行.Thornthwaite（Th）法是氣溫法的一種，它以月平均氣溫為基礎(chǔ)，計算需求數(shù)據(jù)少，在修正的基礎(chǔ)上可以滿足估算精度要求［8］.此外，潛在蒸散量作為影響地表干濕狀況的重要因素，成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn).如胡琦等［9］利用降水量和潛在蒸散量計算了濕潤指數(shù)，并分析了1961—2014 年我國干濕氣候時空變化特征.然而，當(dāng)前研究較多關(guān)注過去時點(diǎn)的潛在蒸散量及地表濕潤度［10-11］，對未來時點(diǎn)的研究較少，且鮮有關(guān)注貴州地區(qū).因此，本文以貴州省為例，利用修正的Th 法，分析RCP4.5 情景下2016—2100 年貴州省潛在蒸散量變化趨勢基礎(chǔ)上，研究未來地表濕潤度變化趨勢，以期為水資源開發(fā)與利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源1961—2015 年氣候數(shù)據(jù)來自國家氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的19 個氣象站點(diǎn)逐日和逐月觀測數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日最高溫、日最低溫、日照時數(shù)、日平均風(fēng)速、日平均相對濕度，月平均氣溫等.2016—2100 年氣候預(yù)估數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心提供的中國地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集（Version 3.0），該數(shù)據(jù)集是基于21 個CMIP5 全球氣候模式預(yù)估的RCP4.5 排放情景下逐月氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)（分辨率0.5° ×0.5°），該數(shù)據(jù)已經(jīng)過驗證，可靠性強(qiáng)，可以滿足本研究需要［12］.RCP4.5 情景屬于中間穩(wěn)定路徑，要求至2100 年輻射強(qiáng)度穩(wěn)定在4.5 W/m2，大氣溫室氣體濃度穩(wěn)定在650 ×10-6CO2當(dāng)量，平均氣溫升高2.4 ～5.5 ℃.該情景認(rèn)為可以通過一系列政策和措施控制溫室氣體排放，至2040年達(dá)到設(shè)定目標(biāo)水平，2070 年后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).該情景下的溫室氣體變化與中國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢較為一致，符合當(dāng)前我國應(yīng)對氣候變化的政策措施實施特點(diǎn)和未來發(fā)展愿景［13］.由于RCP2.6 情景屬于低端路徑，輻射強(qiáng)度、大氣溫室氣體濃度、平均氣溫設(shè)定的目標(biāo)水平較低，RCP6.0、RCP8.5 情景屬于中高端路徑，輻射強(qiáng)度、大氣溫室氣體濃度、平均氣溫設(shè)定的目標(biāo)水平較高.這3 個情景與實際情況偏差較大，因此，本研究選取RCP4.5 情景分析未來潛在蒸散量和地表濕潤度變化趨勢.此外，采用雙線性插值法將氣溫和降水預(yù)估數(shù)據(jù)插值至貴州省19 個站點(diǎn).季節(jié)劃分：3—5 月為春季、6—8 月為夏季、9—11 月為秋季、12 月—次年2 月為冬季.

1.2 研究方法

1.2.1 潛在蒸散量計算方法 Th法是以月平均氣溫為基礎(chǔ)，并考慮緯度因子（日照長度），計算式為：

其中，PE為潛在蒸散量，Ti為月平均氣溫，H 為年熱量指數(shù)，A為常數(shù).

由于Th法與估算精度最高的P -M 公式存在偏差，因此，需進(jìn)行Th法修訂.修訂步驟為：首先，基于貴州省1961—2015 年逐日觀測數(shù)據(jù)，利用P -M公式估算1961—2015 年逐日潛在蒸散量，進(jìn)而得到逐月潛在蒸散量；同時，基于貴州省1961—2015年逐月觀測數(shù)據(jù)，利用Th法估算1961—2015年逐月潛在蒸散量；然后，以Th 法求得的逐月潛在蒸散量為自變量，P-M公式估算的逐月潛在蒸散量為因變量，建立兩者的線性回歸方程，找到逐月修正系數(shù)；最后，利用逐月修正系數(shù)對Th 法進(jìn)行修正.在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行2016—2100年貴州省潛在蒸散量估算.

1.2.2 地表濕潤度變化

式中，K為地表濕潤度指數(shù)，P為降水量，PE為潛在蒸散量.K越大，表示趨于濕潤；反之，趨于干旱.

1.2.3 分析方法 利用氣候變化傾向率、小波分析、Kring插值法［14］分別研究潛在蒸散量和地表濕潤度指數(shù)的變化趨勢、周期性和空間格局.

2 結(jié)果與分析

圖1 RCP4.5 情景下2016—2100 年潛在蒸散量變化趨勢Fig.1 Change trend of potential evapotranspiration from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario

2.1 潛在蒸散量變化從潛在蒸散量變化整體趨勢（圖1）可知，RCP4.5 情景下2016—2100 年貴州省全年及四季的潛在蒸散量均呈增加趨勢，全年的潛在蒸散量增長幅度高于四季.四季中，夏季的增長幅度較大，春季和秋季居中，冬季的增長幅度較小.從不同時期潛在蒸散量變化結(jié)果（表1）看，8 個時間階段內(nèi)，全年和夏季的潛在蒸散量一直呈增加趨勢；春季潛在蒸散量呈現(xiàn)先增加后降低，再增加的特點(diǎn)，其中2066—2075 年是低谷期；秋季和冬季的潛在蒸散量則呈現(xiàn)先增加，后降低特點(diǎn)，其中2076—2085 年達(dá)到峰值.

表1 RCP4.5 情景下2016—2100 年不同時期潛在蒸散量變化Tab.1 Change of potential evapotranspiration in different periods from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario mm

從全年和四季的潛在蒸散量變化趨勢空間格局（圖2）可以看出，RCP4.5 情景下貴州省全部地區(qū)的全年潛在蒸散量均呈增加趨勢，增加趨勢整體由東部向西部逐漸降低，其中東南部的增加幅度較高，東北部、北部和中部居中，西部和西南部的增加幅度較小.從不同季節(jié)看，貴州省全部地區(qū)的四季潛在蒸散量均呈增加趨勢，不同季節(jié)之間潛在蒸散量增加幅度空間異質(zhì)性突出，其中春季南部地區(qū)的增加幅度較高、北部較低，夏季東部的增加幅度較高、西部較低，秋季東南部的增加幅度較高、西部較低，冬季西北部的增加幅度較高、南部較低.

圖2 RCP4.5 情景下全年和四季的潛在蒸散量變化趨勢空間格局Fig.2 Spatial pattern of change trend of potential evapotranspiration in annual and seasons under RCP4.5 scenario

2.2 地表濕潤度變化從地表濕潤指數(shù)變化整體趨勢（圖3）可知，2016—2100 年RCP4.5 情景下貴州省全年、夏季、秋季和冬季的地表濕潤指數(shù)均呈下降趨勢，其中冬季的下降幅度高于全年、夏季和秋季，僅有春季的地表濕潤指數(shù)呈增加趨勢.從不同時期地表濕潤指數(shù)變化結(jié)果（表2）看，地表濕潤指數(shù)均呈現(xiàn)：冬季＞春季＞全年＞夏季＞秋季.8 個時間階段內(nèi)，全年、春季、秋季、冬季的地表濕潤指數(shù)變化呈現(xiàn)：“增加-下降”的反復(fù)更迭特征；夏季呈現(xiàn)下降-增加-下降的特點(diǎn).

圖3 RCP4.5 情景下2016—2100 年地表濕潤指數(shù)變化趨勢Fig.3 Change trend of surface moisture index from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario

表2 RCP4.5 情景下2016—2100 年不同時期地表濕潤指數(shù)變化Tab.2 Change of surface moisture index in different periods from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario

從全年和四季的地表濕潤指數(shù)變化趨勢空間格局（圖4）可知，貴州省全部地區(qū)的全年地表濕潤指數(shù)均呈下降趨勢，下降幅度整體呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn)，其中東南部的下降幅度較大，東北部、中部居中，西部的下降幅度較小.從四季看，貴州省中部、西部、東部和北部的春季地表濕潤指數(shù)均呈增加趨勢，僅有南部呈下降趨勢；貴州省全部地區(qū)夏季、秋季和冬季的地表濕潤指數(shù)呈下降趨勢，其中夏季的地表濕潤指數(shù)下降高值區(qū)位于東南地區(qū)，低值區(qū)位于東北部和西部地區(qū)；秋季的地表濕潤指數(shù)下降高值區(qū)位于東北地區(qū)，低值區(qū)位于南部地區(qū)；冬季的地表濕潤指數(shù)下降高值區(qū)位于北部地區(qū)，低值區(qū)位于南部地區(qū).

從全年和四季的地表濕潤度變化小波分析圖（圖5、圖6）可知，貴州省全年地表濕潤度變化主要存在51 ～56 a的1 個時間尺度周期振蕩，地表濕潤度變化經(jīng)歷了5 次“干-濕”的循環(huán)，55 a是地表濕潤度變化的主周期.

圖4 RCP4.5 情景下全年和四季的地表濕潤指數(shù)變化趨勢空間格局Fig.4 Spatial pattern of change trend of surface moisture index in annual and seasons under RCP4.5 scenario

圖5 RCP4.5 情景下全年和春季的地表濕潤度變化小波分析Fig.5 Wavelet analysis of surface moisture index change in annual and Spring under RCP4.5 scenario

春季地表濕潤度變化主要存在53 ～57 a、40 ～44 a的2 個時間尺度周期振蕩，53 ～57 a時間尺度中，地表濕潤度變化經(jīng)歷了5 次“干-濕”的循環(huán).40 ～44 a時間尺度中，經(jīng)歷了7 次“干-濕”的循環(huán)，56 a是地表濕潤度變化的第1 主周期，43 a 為第2 主周期.

夏季地表濕潤度變化主要存在51 ～56 a、33 ～38 a的2 個時間尺度周期振蕩，51 ～56 a時間尺度中，地表濕潤度變化經(jīng)歷了5 次“干-濕”的循環(huán)，33 ～38 a時間尺度中，經(jīng)歷了7 次“干-濕”的循環(huán)，55 a是地表濕潤度變化的第1 主周期，37 a 為第2 主周期.

秋季地表濕潤度變化主要存在52 ～56 a、26 ～31 a的2 個時間尺度周期振蕩，52 ～56 a時間尺度中，地表濕潤度變化經(jīng)歷了5 次“干-濕”的循環(huán)，26 ～31 a時間尺度中，經(jīng)歷了9 次“干-濕”的循環(huán)，55 a是地表濕潤度變化的第1 主周期，30 a 為第2 主周期.

冬季地表濕潤度變化主要存在52 ～56 a、4 ～7 a的2 個時間尺度周期振蕩，52 ～56 a 時間尺度中，地表濕潤度變化經(jīng)歷了5 次“干-濕”的循環(huán)，4 ～7 a時間尺度中，經(jīng)歷了30 余次“干-濕”的循環(huán)，55 a是地表濕潤度變化的第1 主周期，6 a為第2 主周期.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論本研究發(fā)現(xiàn)RCP4.5 情景下2016—2100 年貴州省潛在蒸散量呈增加趨勢，與文獻(xiàn)［15 -16］對未來潛在蒸散量變化研究結(jié)果基本一致，這主要與研究區(qū)氣溫升高密切相關(guān).然而，本研究結(jié)果卻與董煜等［17］對新疆的研究結(jié)果相反，這說明未來潛在蒸散量變化存在明顯的區(qū)域差異.本研究發(fā)現(xiàn)RCP4.5 情景下2016—2100 年貴州省地表濕潤指數(shù)呈下降趨勢，氣候趨于干旱化，這與姜江等［18］研究結(jié)果相似.盡管未來貴州省降水量呈小幅增加趨勢［12］，但潛在蒸散量的大幅增加導(dǎo)致研究區(qū)氣候趨于干旱.值得注意的是，研究區(qū)未來春季地表濕潤指數(shù)的增加，一定程度上緩解了春旱的負(fù)面影響，有利于春播.然而，夏季、秋季和冬季地表濕潤指數(shù)的下降（尤其是夏季）可能加劇干旱的嚴(yán)重程度，這將不利于農(nóng)作物生長.此外，與以前的SA90、IS92、SRES等情景相比，IPCC最近提出的RCP情景屬于包涵更完備強(qiáng)迫的新氣候情景，該情景全面考慮了人口增長、技術(shù)改變、環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策等因素［19］，為未來氣候變化研究提供了可靠的預(yù)估結(jié)果.

3.2 結(jié)論85 a間，RCP4.5 情景下貴州省全年及四季的潛在蒸散量均呈增加趨勢，夏季潛在蒸散量的增長幅度高于春季、秋季、冬季.貴州省全部地區(qū)的全年和四季潛在蒸散量均呈增加趨勢.全年和四季的潛在蒸散量變化空間差異突出.貴州省全年、夏季、秋季和冬季的地表濕潤指數(shù)均呈下降趨勢，僅有春季的地表濕潤指數(shù)呈增加趨勢.貴州省全部地區(qū)的全年、夏季、秋季和冬季地表濕潤指數(shù)呈下降趨勢，而全省大部分地區(qū)春季的地表濕潤指數(shù)呈增加趨勢.全年的地表濕潤度變化存在1 個時間尺度周期振蕩，四季均存在2 個時間尺度周期振蕩，55 a 是全年、夏季、秋季和冬季地表濕潤度變化的第1 主周期，56 a是春季地表濕潤度變化的第1 主周期.