吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量時空變化特征及其成因定量化分析

岳 元, 劉海峰, 秦孟晟, 顏雅瓊, 陳長勝, 王 琪

(1.吉林省氣象臺, 長春 130062; 2.揚(yáng)州市氣象臺, 江蘇 揚(yáng)州 225009;3.宿遷市氣象局, 江蘇 宿遷 223800; 4.吉林省氣象科學(xué)研究所, 長春 130062)

蒸發(fā)作為地—氣系統(tǒng)間水分循環(huán)中關(guān)鍵一環(huán)，是表征大氣水分循環(huán)過程的重要參量。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量作為我國氣象部門的重要觀測項目，其數(shù)值的大小可以有效表征大氣的干濕程度。根據(jù)IPCC第5次報告[1]指出1983—2012年全球氣溫已經(jīng)上升0.85℃，至21世紀(jì)末全球地表平均溫度將在1986—2005年的基礎(chǔ)上再升高0.3～4.8℃。氣溫升高本應(yīng)加快地—氣系統(tǒng)之間水分循環(huán)，但相關(guān)觀測結(jié)果表明蒸發(fā)皿蒸發(fā)量并沒有隨溫度升高而增加，反而出現(xiàn)不同程度的下降[2-4]。Michael等[5]將這種蒸發(fā)量隨溫度升高出現(xiàn)下降的現(xiàn)象定義為“蒸發(fā)悖論”(evaporation paradox)。這種與常識相悖的現(xiàn)象使得人們開始關(guān)注蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢，并嘗試分析影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的原因[6-11]。研究顯示造成“蒸發(fā)悖論”的原因主要有以下4點：(1) 大氣中云量增加，太陽輻射量下降，進(jìn)而陸地水分蒸發(fā)量下降[12-15]；(2) 氣溶膠等大氣污染物的濃度逐年增加，導(dǎo)致太陽輻射量下降[16-17]；(3) 空氣濕度增加，水汽壓差減小[18]；(4) 夏季季風(fēng)減弱，地面風(fēng)速下降[19-20]。

針對于蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化國內(nèi)的相關(guān)研究更多集中與一些河流地區(qū)，如黃河流域[21]、黃淮海流域[22]、黑河流域[23]、海河流域[24]、長江流域[25]。針對吉林省的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢以及造成趨勢變化的定量化成因分析的研究則相對較少。吉林省地處我國東北地區(qū)中部，屬于典型的溫帶季風(fēng)性氣候[26]，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。作為我國的糧食主產(chǎn)區(qū)和重要的商品糧生產(chǎn)基地，作物生長季內(nèi)雨熱同季，蒸發(fā)和氣溫的變化對于區(qū)內(nèi)相關(guān)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響。因此有必要對吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量時空分布特征及引起吉林蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主要原因進(jìn)行分析。這將有助于了解氣候變化背景下吉林省地區(qū)水分循環(huán)的情況，并為科學(xué)評價影響吉林省干濕變化提供依據(jù)。

本文利用1970—2014年吉林省資料完整的45個氣象站的20 cm口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及相應(yīng)氣象要素的實測資料，分析吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢，同時依據(jù)偏微分法采用蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化成因定量化估算模型定量化的描述蒸發(fā)量變化過程中，各氣象因子的貢獻(xiàn)量以及其時空分布特征，并分析引起吉林省蒸發(fā)量變化的主要原因。

1 研究區(qū)概況

本文采用吉林省(東經(jīng)121°38′—131°19′，北緯40°50′—46°19′)1970—2014年資料系列完整的45個氣象站作為研究對象(圖1)，同時對所選取站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測，對其中明顯錯誤和不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，對于缺測漏測的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。研究主要選取的逐日觀測數(shù)據(jù)包括：蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(mm)、平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)，10 m高的風(fēng)速(m/s)、日照時數(shù)(h)、水氣壓(hPa)。針對大型蒸發(fā)皿，本研究按照換算系數(shù)[27]統(tǒng)一折算成20 cm口徑的蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量之后再使用。

圖1 吉林省站點分布

2 研究方法

2.1 氣候傾向率

將氣象要素隨時間的變化用一次線性方程擬合，即:

(1)

2.2 氣候趨勢系數(shù)

為定性分析在氣候變化背景下氣象要素的升降程度，以方便直接地觀察某一氣象要素的升降程度。本文引入氣候趨勢系數(shù)rxt，氣候趨勢系數(shù)定義為n個時刻(年)的氣象要素序列與其年份數(shù)列1，2，3，…，n的相關(guān)系數(shù)。

(2)

2.3 非參數(shù)Z統(tǒng)計量檢驗法

對于某一氣象要素序列，在i時刻有：

(3)

由公式(3)可見，ri是i時刻以后xj大于該時刻xi的樣本個數(shù)。

計算統(tǒng)計量：

(4)

其中Z值在-1～1變化，若Z值>0表示序列遞增，Z值<0表示序列遞減。若|Z|>|Z0.05|，則認(rèn)為變化趨勢在0.05顯著性水平下是顯著地。本文中的Z0.05=0.20。

2.4 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化成因定量化估算模型

某一地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量大小變化是不同氣候因子共同作用的結(jié)果。這些氣候因子大體上可以分為3類，分別是熱力因子、動力因子和濕度因子。其中熱力因子包括日平均氣溫(TA)和日照時數(shù)(SD)，動力因子為風(fēng)速(WD)，濕度因子則為水汽壓差(VPD)。借鑒Penman-Monteith公式，將蒸發(fā)皿蒸發(fā)量大小的變化定義為上述4個氣象因子的函數(shù)，即Epan=f(TA，WD，VPD，SD)。因此采用偏微分法，將蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(Epan)隨時間的變化進(jìn)一步分解為：

(5)

公式(5)表明蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的大小主要受到上述4個氣象因子共同制約，公式右側(cè)4項分別代表氣溫、風(fēng)速、水汽壓差以及日照時數(shù)對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)，其中導(dǎo)致Epan量上升的為正貢獻(xiàn)，導(dǎo)致Epan量下降的為負(fù)貢獻(xiàn)。通過比較各個氣象因子之間貢獻(xiàn)的絕對值的大小，分析影響吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 吉林省地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的時空特征

3.1.1 吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的多年變化趨勢 近45 a來吉林省地區(qū)蒸發(fā)皿的平均年蒸發(fā)量呈現(xiàn)出隨時間下降的變化趨勢，其傾向率為22.49 mm/10 a，ZE=-0.24|ZE|>Z0.05=0.2，這種下降趨勢滿足非參數(shù)Z統(tǒng)計量檢驗法α=0.05檢驗(圖2A)。圖2分別為吉林省蒸發(fā)皿年總蒸發(fā)量的時間擬合趨勢線和累積距平的變化。從中發(fā)現(xiàn)，吉林省蒸發(fā)皿年總蒸發(fā)量呈明顯下降趨勢，平均每10 a減少22.49 mm。尤其是1984—1994年蒸發(fā)量的下降最為明顯，之后蒸發(fā)量下降趨勢有所減緩，但整體上仍呈現(xiàn)下降趨勢。分析發(fā)現(xiàn)1970—1984年吉林省的年總蒸發(fā)量基本高于45 a的平均值，1984年之后則基本呈現(xiàn)出小于45 a平均值的變化趨勢，雖然2000年之后蒸發(fā)量出現(xiàn)小幅的上升，但上升幅度不大，整體上仍小于45 a的平均值。

圖2 1970-2014年吉林省年總蒸發(fā)量時間擬合趨勢及其累積距平的變化

雖然近45 a中吉林省年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化形式呈下降趨勢，但在四季中影響蒸發(fā)量變化的氣溫、風(fēng)速、水汽壓差等氣象因素存在一定的差異，這就使得不同季節(jié)之中蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢存在差異。表1中給出不同季節(jié)中吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢。從中發(fā)現(xiàn)吉林省春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降最快，平均每10 a下降29.02 mm，且下降趨勢通過α=0.01顯著性檢驗。而其他3個季節(jié)中吉林省的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量則呈微弱變化，但并未通過顯著性檢驗，即夏、秋、冬3個季節(jié)中蒸發(fā)量雖呈上升趨勢，但趨勢并不明顯。

3.1.2 吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布 吉林省年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布形式基本上呈現(xiàn)出自西向東階梯式逐步遞減的分布形式。高值區(qū)集中出現(xiàn)的吉林西部地區(qū)，在1 700 mm以上。而蒸發(fā)低值區(qū)出現(xiàn)在吉林東部通化、白山和延吉地區(qū)，均在1 300 mm以下。中部地區(qū)的年蒸發(fā)量則是在1 700～1 300 mm變化(圖3)。某一地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的大小是受氣溫、風(fēng)速、輻射、相對濕度等氣候因子的共同影響的，因此蒸發(fā)量的空間分布形式也會因這些因素分布的不均勻而產(chǎn)生差異。此外地形差異導(dǎo)致氣象要素分布差異進(jìn)而造成蒸發(fā)量自西向東遞減的分布形式。吉林省地形上呈東高西低的形式。西部平原是半干旱區(qū)，西部地區(qū)年降水的分布并不均勻、空氣干燥且大風(fēng)日數(shù)多，日照充足，利于蒸發(fā)。而吉林省中部丘陵和東部山區(qū)則分別地處半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)，區(qū)內(nèi)氣候相對濕潤，蒸發(fā)相較西部地區(qū)有所減少。

表1 吉林省不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化

圖3 吉林省地區(qū)年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布

吉林省地區(qū)不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的分布形式與年蒸發(fā)量的空間分布一致，也自西向東呈階梯式遞減的分布形式(表2)。分析發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)不同地區(qū)之間的蒸發(fā)量統(tǒng)計量差距存在差異，其中春、夏、秋3個季節(jié)中西部地區(qū)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量要明顯多于中部和東部地區(qū)，而冬季全省不同地區(qū)之間蒸發(fā)量差距不大，全省不同地區(qū)之間蒸發(fā)量趨于相同。春、夏、秋3個季節(jié)中全省影響蒸發(fā)變化的氣象要素自西向東存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)量分布存在西多東少的分布形式。而吉林省冬季寒冷漫長，全省范圍內(nèi)各氣象要素分布相似，差距不大，所以冬季全省范圍內(nèi)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相近。

表2 吉林省不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量統(tǒng)計 mm

3.1.3 吉林省蒸發(fā)驅(qū)動因子的演變趨勢 分析過去45 a中驅(qū)動吉林省蒸發(fā)量變化的主要驅(qū)動因子的變化趨勢發(fā)現(xiàn)(表3)，年和四季中不同驅(qū)動因子的變化趨勢存在差異。不同驅(qū)動因子中，年和四季中氣溫呈不同程度增加趨勢，且均通過α=0.05顯著性檢驗。年、季中風(fēng)速雖均呈顯著下降的趨勢，但強(qiáng)度有所不同。其中夏季風(fēng)速的下降趨勢通過α=0.05顯著性檢驗，其他時間中風(fēng)速是在α=0.01水平上顯著下降。吉林省45 a中年、季平均日照時數(shù)呈下降的趨勢，其中冬季的日照時數(shù)雖有下降但并不顯著，其他時間中的下降趨勢的顯著水平在95%以上。年、季中水汽壓則出現(xiàn)不同程度增加，其中春、冬兩季中增加的趨勢并不明顯。

表3 吉林省蒸發(fā)驅(qū)動因子每10 a年、季變化趨勢

3.2 氣象因子對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化貢獻(xiàn)的時空分布特征

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化是氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)以及水汽壓差變化共同影響的結(jié)果。各氣象因子的變化導(dǎo)致近45 a吉林省年、季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量出現(xiàn)不同的變化趨勢。因此本文選擇1970—2014年吉林省的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量以及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，以1970年為基準(zhǔn)年分析過去45 a蒸發(fā)變化過程中各氣象因子的貢獻(xiàn)，以便厘清各氣象因子在影響吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量演變過程中所起的作用。

分析成因定量化估算模型(公式5)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均氣溫對吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年變化的平均貢獻(xiàn)為0.84 mm/a。在氣候變暖的背景下，平均氣溫在全省82%的站點中表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)(圖4)，即平均氣溫的增加導(dǎo)致蒸發(fā)量增加。不同地區(qū)之間，氣溫正貢獻(xiàn)高值區(qū)集中出現(xiàn)在吉林西部地區(qū)，其正貢獻(xiàn)值超過3 mm/a。氣溫正貢獻(xiàn)在1.5～3.0 mm/a和0～1.5 mm/a的站點數(shù)分別有12，21個，在全省范圍內(nèi)自西向東均有分布。氣溫貢獻(xiàn)為負(fù)值的站點僅有8個，出現(xiàn)在吉林中部和南部地區(qū)。不同季節(jié)中氣溫對吉林省蒸發(fā)量變化的平均貢獻(xiàn)分別為0.47，0.78，0.37，0.21 mm/a(表4)。四季氣溫貢獻(xiàn)的空間分布形式與全年的分布形式相近，只是不同季節(jié)中氣溫對蒸發(fā)量貢獻(xiàn)絕對值的大小有所下降。

風(fēng)速對吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年變化平均貢獻(xiàn)為-1.77 mm/a，表明風(fēng)速下降導(dǎo)致吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降?？臻g上，全省45個氣象站中，共有33個氣象站的風(fēng)速貢獻(xiàn)值為負(fù)，占總數(shù)的73%。負(fù)貢獻(xiàn)的站點在全省范圍內(nèi)均有分布，但絕對值大小有所不同。其中負(fù)貢獻(xiàn)高值區(qū)出現(xiàn)在西部的白城地區(qū)，超過-8 mm/a；負(fù)貢獻(xiàn)的次高值區(qū)出現(xiàn)在吉林的中部地區(qū)，負(fù)貢獻(xiàn)為-8.0～-4.0 mm/a；東南部地區(qū)的風(fēng)速負(fù)貢獻(xiàn)較低，為-4.0～0 mm/a。風(fēng)速正貢獻(xiàn)的站點有12個，分布并沒有明確的區(qū)域特征，且貢獻(xiàn)值均小于4.0 mm/a。不同季節(jié)中，風(fēng)速對Epan變化的負(fù)貢獻(xiàn)的大小存在差異(表4)。其中春季風(fēng)速的負(fù)貢獻(xiàn)最大，其他夏、秋、冬3個季節(jié)中風(fēng)速負(fù)貢獻(xiàn)依次次之。

圖4 吉林省地區(qū)不同氣象因子對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年變化貢獻(xiàn)的空間分布

表4 氣象因子對年、季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的平均貢獻(xiàn) mm/a

水汽壓差的大小直接反映了大氣的干燥程度。分析發(fā)現(xiàn)，水汽壓差對蒸發(fā)量年變化的平均貢獻(xiàn)為1.64 mm/a。其中正貢獻(xiàn)的站點有41個，占總數(shù)的91%。其中負(fù)貢獻(xiàn)站點數(shù)量僅有4個，分別出現(xiàn)在洮南、前郭、輝南和琿春，且均不超過-1.50 mm/a。水汽壓差對蒸發(fā)量變化的正貢獻(xiàn)變化范圍為0～5.52 mm/a。其中正貢獻(xiàn)高值區(qū)出現(xiàn)在吉林省的西部和中部，且貢獻(xiàn)值大于4 mm/a；正貢獻(xiàn)值為2.0～4.0 mm/a的站點，在全省范圍內(nèi)均有分布；正貢獻(xiàn)為0～2.0 mm/a的站點數(shù)最多，共有18個，主要在吉林省的中部和東南部。不同季節(jié)中水汽壓差對Epan變化的貢獻(xiàn)也多呈正貢獻(xiàn)(表4)。但不同季節(jié)中，正、負(fù)貢獻(xiàn)的空間分布存在一定差異。春季水汽壓差對吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的平均貢獻(xiàn)為0.51 mm/a。與全年相比，春季負(fù)貢獻(xiàn)站點數(shù)略有增加，但貢獻(xiàn)值較小，均小于-1 mm/a。貢獻(xiàn)負(fù)值區(qū)主要出現(xiàn)在中部的遼源和南部的通化地區(qū)，西部地區(qū)在春季并不存在負(fù)貢獻(xiàn)的站點。這可能與吉林西部春季干燥，易出現(xiàn)春旱，空氣濕度低水汽壓差大有關(guān)。夏季水汽壓差的平均貢獻(xiàn)為1.32 mm/a，正貢獻(xiàn)的站點有44個，僅長嶺站表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)，為-0.29 mm/a。秋季水汽壓差對全省蒸發(fā)的平均貢獻(xiàn)為0.75 mm/a，45個站點均為正貢獻(xiàn)。冬季全省有兩個站點為負(fù)貢獻(xiàn)，分別是前郭和琿春，但負(fù)貢獻(xiàn)值均不超過-0.05 mm/a，水汽壓差的平均貢獻(xiàn)為0.25 mm/a。分析結(jié)果顯示水汽壓差對年、季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化多為正貢獻(xiàn)，即水汽壓差增加導(dǎo)致大氣干燥，進(jìn)而促進(jìn)了蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的增加。

日照時數(shù)對吉林省蒸發(fā)量年變化的平均貢獻(xiàn)為-0.93 mm/a，日照時數(shù)下降是指證吉林省Epan減小的另一個指標(biāo)。從空間分布上來看，日照時數(shù)負(fù)貢獻(xiàn)的站點有35個，占總數(shù)的77%。負(fù)貢獻(xiàn)值高值區(qū)集中在吉林中部地區(qū)，其值在-5.0～-2.5 mm/a，共有4個站點。其余站點負(fù)貢獻(xiàn)值為-2.5～0 mm/a。貢獻(xiàn)為正的站點數(shù)量有10個，且正貢獻(xiàn)值均小于0.5 mm/a。在全省范圍內(nèi)自西向東零星分布，并無明顯的分布特點。四季中，日照時數(shù)平均貢獻(xiàn)呈由負(fù)轉(zhuǎn)正的變化趨勢(表4)。其中春季日照時數(shù)下降明顯，其負(fù)貢獻(xiàn)強(qiáng)，為-0.95 mm/a。且影響范圍較全年略有增加，負(fù)貢獻(xiàn)的站點數(shù)有44個，僅伊通站為正貢獻(xiàn)。而夏、秋兩季中日照時數(shù)貢獻(xiàn)的空間分布形式同年變化情況基本一致，只是負(fù)貢獻(xiàn)絕對值大小有所下降，分別為-0.57，-0.20 mm/a。冬季則恰好相反，日照時數(shù)正貢獻(xiàn)影響的站點數(shù)和作用強(qiáng)度均有所加強(qiáng)，正貢獻(xiàn)的站點數(shù)增加到28個，同時冬季吉林省日照時數(shù)對Epan變化的平均貢獻(xiàn)由負(fù)轉(zhuǎn)正，平均貢獻(xiàn)為0.03 mm/a。

綜上分析發(fā)現(xiàn)，由于吉林省不同地區(qū)之間影響蒸發(fā)變化的氣象因子的空間分布不均勻。進(jìn)而使得同一氣象要素對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化貢獻(xiàn)的大小在不同的時間和空間上的分布都存在一定差異。

通過通徑分析發(fā)現(xiàn)(表5)，直接通徑系數(shù)顯示風(fēng)速對年蒸發(fā)的直接作用最大，為0.79，其后依次為水汽壓差、日照時數(shù)、氣溫，這與之前依據(jù)定量化估算模型分解的結(jié)果一致。間接通徑系數(shù)顯示，年平均氣溫主要通過水汽壓差和風(fēng)速對年蒸發(fā)產(chǎn)生間接作用；風(fēng)速則通過水汽壓差對年蒸發(fā)變化的負(fù)間接作用最大；日照時數(shù)和水汽壓差則主要是通過風(fēng)速對年蒸發(fā)產(chǎn)生影響。四季中，直接通徑系數(shù)結(jié)果與之前的貢獻(xiàn)分析結(jié)果基本吻合。分析間接通徑系數(shù)顯示，春季中氣溫主要水汽壓差對蒸發(fā)產(chǎn)生影響，其他要素的間接通徑系數(shù)則較小，對春季蒸發(fā)變化的影響不大。夏季中，氣溫和日照時數(shù)通過水汽壓差對夏季蒸發(fā)產(chǎn)生影響，其他要素的間接影響并不明顯。秋季中，氣溫和風(fēng)速通過水汽壓差間接影響秋季蒸發(fā)變化，其他要素對蒸發(fā)則沒有明顯的間接影響。冬季中除了氣溫通過水汽壓差對蒸發(fā)產(chǎn)生較大的間接影響以外，其他要素的間接影響并不明顯。

表5 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與各氣象因子的通徑系數(shù)

3.3 影響吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化主導(dǎo)因子的變化趨勢

通過以上分析發(fā)現(xiàn)各氣象因子對不同地區(qū)之間蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)不同，進(jìn)一步對比各氣象要素對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量貢獻(xiàn)絕對值的大小，從中判斷影響蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子。影響吉林省Epan年變化的氣象因子主要有：氣溫、風(fēng)速、水汽壓差和日照時數(shù)，各因子的年平均貢獻(xiàn)分別為：0.84，-1.77，1.64，-0.93 mm/a。風(fēng)速和日照時數(shù)的貢獻(xiàn)多為負(fù)貢獻(xiàn)，而且研究發(fā)現(xiàn)過去45 a中年平均風(fēng)速和年總?cè)照諘r數(shù)呈顯著下降的趨勢，即上述兩個氣候因子的減小引起吉林省蒸發(fā)量下降。分析氣溫和水汽壓差在過去45 a中呈顯著增加的趨勢，且兩者的貢獻(xiàn)則多為正貢獻(xiàn)，即上述兩個因子的增加引起蒸發(fā)量上升。4個氣象因子的貢獻(xiàn)中，風(fēng)速貢獻(xiàn)的絕對值最大，因此判斷風(fēng)速是影響蒸發(fā)量下降的主導(dǎo)因素。由于風(fēng)速、日照時數(shù)總的負(fù)貢獻(xiàn)大于氣溫、水汽壓差總的正貢獻(xiàn)，雖有部分負(fù)貢獻(xiàn)被抵消，但是總貢獻(xiàn)值仍為-0.22 mm/a。各氣象要素的總貢獻(xiàn)為負(fù)，這與吉林省地區(qū)蒸發(fā)量下降的年變化趨勢相一致。過去45 a中，四季的風(fēng)速、日照時數(shù)呈不同程度的下降，而氣溫和水汽壓差則呈增加趨勢。春季Epan的變化形式與年變化形式相似，主導(dǎo)春季蒸發(fā)變化的因素為風(fēng)速的負(fù)貢獻(xiàn)，及春季風(fēng)速下降是影響蒸發(fā)變化的主要因子，而且各要素的總貢獻(xiàn)也為負(fù)。在夏、秋、冬三季中全省的Epan出現(xiàn)不同程度的增加，但其趨勢并不顯著。分析3個季節(jié)中影響蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子分布發(fā)現(xiàn)，3個季節(jié)中蒸發(fā)量的變化主要是受到水汽壓差和氣溫正貢獻(xiàn)影響。雖然3個季節(jié)中風(fēng)速、日照時數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)和水汽壓差、氣溫的正貢獻(xiàn)均出現(xiàn)下降。但正貢獻(xiàn)下降幅度要小于負(fù)貢獻(xiàn)，且冬季的日照時數(shù)也由負(fù)轉(zhuǎn)為弱的正貢獻(xiàn)，3個季節(jié)蒸發(fā)量總體上受正貢獻(xiàn)影響。不過由于大部分正貢獻(xiàn)被負(fù)貢獻(xiàn)抵消，使得總的貢獻(xiàn)值雖然為正，但絕對值不大。受此影響3個季節(jié)中Epan雖有增加但趨勢并不顯著。

空間上來看，吉林地區(qū)地形和氣候的多樣性使得影響年、季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子在空間上存在明顯的差異(圖5)。吉林省東高西低，自西向東可分為平原—丘陵—山地三大地貌，西部地區(qū)臨近科爾沁沙地，為半干旱區(qū)。同時西部地區(qū)為農(nóng)牧交錯帶，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱同時對于外界的變化十分敏感。西部地區(qū)降水少，大風(fēng)日數(shù)多，大風(fēng)的變化是影響蒸發(fā)變化的主要因子。西部地區(qū)中的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量多為下降的變化趨勢，其中多數(shù)站點中風(fēng)速負(fù)貢獻(xiàn)是影響西部地區(qū)蒸發(fā)變化的主導(dǎo)因子。而東部山區(qū)地處濕潤區(qū)，氣候多受長白山脈影響。20世紀(jì)80年代以后，全球變暖氣溫上升導(dǎo)致氣候暖干化，東部地區(qū)空氣中的水汽含量減少，水汽壓差增大促進(jìn)蒸發(fā)的變化，進(jìn)而使其正貢獻(xiàn)值超過其他氣象因子成為影響吉林東部地區(qū)Epan年變化的主導(dǎo)因子，所以南部部分站點的Epan呈微弱增加的趨勢。與年變化相似，春季的Epan也呈下降趨勢。風(fēng)速和日照時數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)是影響蒸發(fā)變化的主導(dǎo)因子，僅在西部地區(qū)的個別站點主導(dǎo)因子為氣溫和水汽壓差的正貢獻(xiàn)。夏、秋、冬3個季節(jié)中影響Epan變化的主導(dǎo)因子為水汽壓差的正貢獻(xiàn)，且3個季節(jié)中主導(dǎo)因子空間分布特征相似，只是正貢獻(xiàn)強(qiáng)度和站點數(shù)量上存在不同。其中夏季水汽壓差的正貢獻(xiàn)影響的區(qū)域由春季的東部山區(qū)向西擴(kuò)大到了中部地區(qū)，而在秋季水汽壓差的正貢獻(xiàn)影響的面積則進(jìn)一步向西部地區(qū)擴(kuò)大。冬季影響全省Epan變化的主導(dǎo)因子仍是水汽壓差的正貢獻(xiàn)，只是受影響站點的數(shù)量相較秋季略有下降。

4 討 論

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量是表征大氣干濕程度和大氣蒸發(fā)潛力的重要指標(biāo)，本研究通過研究吉林省地區(qū)過去45 a的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降的變化趨勢。太陽輻射和風(fēng)速的減小導(dǎo)致蒸發(fā)量下降，水汽壓差的增大和氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大。所以需要進(jìn)一步分析氣象因子的變化對吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的影響。

本研究使用日照時數(shù)作為表征太陽輻射大小的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)日照時數(shù)隨著時間呈下降的趨勢且對蒸發(fā)皿蒸發(fā)的變化呈負(fù)貢獻(xiàn)。相關(guān)研究也指出，本地區(qū)日照時數(shù)顯著減少，平均每10 a減少53.9 h[28]。究其原因低云量增加是導(dǎo)致吉林省地區(qū)日照時數(shù)減少的主要氣象因素。另外吉林省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程導(dǎo)致大氣污染物排放量增加，大氣中污染物不斷累積，氣溶膠光學(xué)厚度不斷增加，使得霧霾天氣日數(shù)增加。低云量和大氣中污染物的增加不但會減少晝間地面接收到的太陽輻射能，還會進(jìn)一步導(dǎo)致日照時數(shù)的減少。而且此外，除了低云量和大氣污染物濃度直接導(dǎo)致日照時數(shù)減少外。云和大氣污染物之間還存在相互作用，如云量與氣溶膠粒子濃度變化有關(guān)[29]，氣溶膠不但會促使云量增多，云滴濃度增大，還會增加云對太陽輻射的反照率。

風(fēng)速對吉林省地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化是負(fù)貢獻(xiàn)，且其負(fù)貢獻(xiàn)的絕對值最大，即風(fēng)速下降是引起蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的主要原因，尤其是在吉林省的西部和中部地區(qū)。風(fēng)速作為蒸發(fā)擴(kuò)散過程中的動力因子，風(fēng)速大小決定了蒸發(fā)過程中水汽向外的擴(kuò)散能力的大小。相關(guān)研究表明過去50 a中緯度大部分地區(qū)的近地面風(fēng)速呈下降的趨勢，吉林省1975—2012年風(fēng)速下降了0.21 ms/10 a，高于全國平均值[30]。風(fēng)速下降主要受環(huán)流形式和下墊面性質(zhì)改變影響。極地冷空氣的范圍和勢力趨于減弱，副熱帶系統(tǒng)影響范圍偏北，中緯度西風(fēng)帶環(huán)流經(jīng)向度減弱，這些環(huán)流因子的變化都會導(dǎo)致本地區(qū)風(fēng)速的下降。此外，城市化的發(fā)展導(dǎo)致下墊面性質(zhì)改變，阻力增大，也是近地層風(fēng)速減小的主要原因之一。

圖5 吉林省地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化主導(dǎo)因子的空間分布

吉林省地區(qū)氣溫在過去45 a中為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化提供正貢獻(xiàn)，即氣溫的增加促進(jìn)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化。但是氣溫僅是影響蒸發(fā)變化的一個因子，蒸發(fā)的變化是氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度多因素綜合作用的結(jié)果。結(jié)合本研究結(jié)果來看，吉林省風(fēng)速和日照時數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)超過了氣溫和水汽壓差的正貢獻(xiàn)，才導(dǎo)致氣候變暖背景下蒸發(fā)量卻呈現(xiàn)出下降的趨勢，出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，吉林省蒸發(fā)量下降是各氣象因子共同作用的結(jié)果，而“蒸發(fā)悖論”則是孤立地看待氣溫對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的正貢獻(xiàn)，忽略其他氣象因子變化對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)而得到的結(jié)果。

水汽壓差是指特定溫度下，飽和水汽壓與實際水汽壓的差值。其數(shù)值的大小表示的是實際空氣距離水汽飽和狀態(tài)的程度，綜合反映了氣溫和相對濕度對大氣干燥程度的影響。常用于表征某地區(qū)大氣的濕潤或干燥程度，可以反映出氣溫和相對濕度對蒸發(fā)的影響，其大小的變化與大氣干濕狀況的變化密切相關(guān)。氣候變暖背景下，由于受到降水減少和氣溫升高的影響，東北地區(qū)干旱化的趨勢正在加劇[31-33]。從本文的研究結(jié)果來看，水汽壓差對于吉林省地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化為正貢獻(xiàn)，這與東北地區(qū)氣候暖干化的變化趨勢一致[34]。說明由于吉林省地區(qū)干旱化趨勢使得空氣中的水分減少，大氣變得“更干”，加大了水汽壓差。作為反饋，水汽壓差的增大則進(jìn)一步促進(jìn)蒸發(fā)量的增加，尤其是在夏、秋、冬3個蒸發(fā)皿蒸發(fā)量微弱增加的季節(jié)中，水汽壓差的正貢獻(xiàn)是影響蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子。

5 結(jié) 論

(1) 45年來，吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年變化趨勢呈顯著下降，其速率為-22.49 mm/10 a。其中春季蒸發(fā)量下降速率最大，為-29.02 mm/10 a。而在夏季、秋季、冬季吉林省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量雖有小幅上升，但這種上升趨勢并不顯著。

(2) 全省平均狀態(tài)下，45 a中影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主要因子是風(fēng)速，水汽壓差次之，而氣溫和日照時數(shù)的作用小于前兩者。風(fēng)速和日照時數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)超過氣溫和水汽壓差的正貢獻(xiàn)，導(dǎo)致近45 a蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢。

(3) 四季中春季蒸發(fā)量出現(xiàn)下降，風(fēng)速是影響其變化的主要因素，水汽壓差次之。夏、秋、冬三季節(jié)中蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈弱增加趨勢，水汽壓差的正貢獻(xiàn)成為影響三季節(jié)中蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子。

(4) 空間上來看，影響吉林西部和中部地區(qū)的年蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子是風(fēng)速和日照時數(shù)，南部的主導(dǎo)因子是水汽壓差。四季中，春季風(fēng)速和日照時數(shù)成為影響多數(shù)氣象站蒸發(fā)變化的主導(dǎo)因子，僅在西部個別站點主導(dǎo)因子為氣溫和水汽壓差。其他季節(jié)中水汽壓差增加是影響多數(shù)氣象站蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子，且空間分布特征相似，只是在正貢獻(xiàn)的強(qiáng)度和站點數(shù)量上存在不同。