黑龍江潛在蒸散發(fā)時(shí)空變化特征及影響因素

蘇建偉，張曉龍，沈 冰

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊 050022；3.西安理工大學(xué)，省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048)

1 研究背景

蒸發(fā)是水文循環(huán)過程中的重要的環(huán)節(jié)，是水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程，該過程是水量與能量平衡的重要研究?jī)?nèi)容[1]。潛在蒸散發(fā)(ET0)是指充分供水條件下蒸散發(fā)的能力，是實(shí)際蒸散發(fā)量的計(jì)算基礎(chǔ)和理論上限，被廣泛應(yīng)用于水資源分析、作物需水、生態(tài)環(huán)境變化、區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)估算研究[2]。ET0的估算方法有很多，按照機(jī)理主要分為氣候?qū)W方法、微氣象學(xué)方法和蒸發(fā)皿方法[3]。氣象學(xué)方法可以大體分為三類，分別是基于氣溫的方法、基于太陽輻射的方法、Penman方法；微氣象學(xué)方法可以分為基于質(zhì)量守恒定律的方法和空氣動(dòng)力學(xué)方法；蒸發(fā)皿方法是將特定蒸發(fā)皿型號(hào)在特定環(huán)境時(shí)通過轉(zhuǎn)換系數(shù)將蒸發(fā)皿蒸發(fā)和潛在蒸發(fā)聯(lián)系起來[3]。其中，Penman公式將能量平衡法和空氣動(dòng)力學(xué)法結(jié)合起來，具有較強(qiáng)的理論支撐，僅需常規(guī)氣象觀測(cè)資料可計(jì)算潛在蒸散值。Monteith[4]將水汽傳輸?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)阻抗和地標(biāo)(冠層)阻抗引入Penman公式，得到了Penman-Monteith方法，F(xiàn)AO將Penman-Monteith方法定為計(jì)算作物潛在蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法。但是由于空氣動(dòng)力學(xué)阻抗和地表(冠層)阻抗不易獲得，F(xiàn)AO推薦了替代方程FAO Penman-Monteith方法[5]，該方法廣泛用于作物需水量分析研究中。

在全球氣溫升高的背景下，研究發(fā)現(xiàn)過去半個(gè)世紀(jì)來蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，由此“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象被提出[6]，并受到廣泛關(guān)注[7]。部分學(xué)者利用常規(guī)氣象資料估算的ET0進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果顯示估算的ET0在過去幾十年中大體也存在下降趨勢(shì)[8-12]。另外有研究發(fā)現(xiàn)，在某些時(shí)段某些地區(qū)并不存在“蒸發(fā)悖論”的情況，特別是80年代中期以后，全國范圍蒸發(fā)皿蒸發(fā)量轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)[11-12]?！吨袊鴼夂蜃兓{(lán)皮書(2019)》指出，全球變暖趨勢(shì)依然在持續(xù)，中國是全球氣候變化的敏感區(qū)。1951-2018年，中國年平均氣溫上升速率高于同期全球水平，為0.24℃/10a。1961-2018年，中國北方地區(qū)增溫速率明顯大于南方[13]。近期不少學(xué)者對(duì)于北方各地區(qū)ET0時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，如海河流域[9-10]、黑河流域[14]、甘肅省[15]、新疆地區(qū)[8，16]、遼西地區(qū)[17]，但是對(duì)于黑龍江省ET0長時(shí)間序列時(shí)空變化研究相對(duì)較少[18]。黑龍江省作為中國緯度最高的省份，也是中國最大的糧食生產(chǎn)基地。該地區(qū)氣溫變化率為0.35℃/10a，是中國氣候變化的敏感區(qū)。探討黑龍江省ET0長時(shí)間序列時(shí)空變化特征及定量分析氣象因子對(duì)ET0變化貢獻(xiàn)率，進(jìn)而分析和討論黑龍江省“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的表現(xiàn)，不僅對(duì)加深區(qū)域氣候變化特征和蒸散發(fā)理論認(rèn)識(shí)具有重要作用，而且可為農(nóng)業(yè)水資源高效利用研究提供科學(xué)參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國最東、最北部，地處E43°25′-53°33′，N121°11′-135°05′之間，東部和北部與俄羅斯相鄰，西部和南部分別于內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省相鄰，氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。全省年平均氣溫為2.1℃，全年有5個(gè)月平均氣溫<0℃，全省年降水量在380-650mm，東部較大，西部較少，大部分降雨發(fā)生于夏季[18]。黑龍江省地勢(shì)為西北部和東南部高，東北部和西南部低，主要有山地、臺(tái)地、平原和水域構(gòu)成，其中山地面積占全省面積的24.7%，丘陵地帶占全省的35.8%，平原占全省的37.0%。黑龍江省區(qū)位及其氣象站點(diǎn)空間分布，見圖1。

圖1 黑龍江省區(qū)位及其氣象站點(diǎn)空間分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了由國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/)提供的1960-2018年黑龍江省29個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的逐日氣象資料，包括了氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)，氣象站點(diǎn)分布，見圖1。將氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)后，計(jì)算得到各站點(diǎn)ET0，然后基于ArcGIS軟件平臺(tái)利用反距離加權(quán)法得到其空間分布。

2.3 研究方法

2.3.1 潛在蒸散發(fā)計(jì)算

本研究采用FAO Penman-Monteith方法計(jì)算逐日ET0，計(jì)算公式為：

(1)

Rn=Rns-Rnl

(2)

Rns=(1-α)Rs

(3)

(4)

Rso=(0.75+2z×10-5)Ra

(5)

式中：Rn為地表凈輻射，MJ/m2；G為土壤熱通量，MJ/m2，通常在日尺度上認(rèn)為G≈0；T為日平均氣溫，℃；u2為2m處風(fēng)速，m/s；γ為干濕常數(shù)，kPa/℃；△為飽和水汽壓曲線斜率,kPa/℃；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；α為地表反照率；σ為Stefan-Boltzman常數(shù)；Tmax,k和Tmin,k分別為日最大、最小絕對(duì)溫度，K；Rs、Rso和Ra分別為估算的太陽輻射、凈空輻射和地外輻射，MJ/m2；z為海拔高度。參數(shù)計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[5]。需要注意的是，氣象站點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)為10m處數(shù)據(jù)，2m處風(fēng)速可通過公式進(jìn)行換算得到：

(6)

式中：Z為風(fēng)速測(cè)量高度；Uz為Zm處測(cè)量的風(fēng)速，此處，Z為10m。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析方法

文章突變分析和趨勢(shì)線分析使用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法和Sen斜率方法；相關(guān)性分析使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法，計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[19]。

貢獻(xiàn)率計(jì)算采用多元回歸分析法[20]，ET0為因變量，各氣象因子為自變量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)處理后的時(shí)間序列進(jìn)行回歸分析，得到多元回歸方程：

Y=ax1+bx2+cx3+L

(7)

(8)

式中：x1，x2，x3L為各自變量標(biāo)準(zhǔn)化值，a、b、c為標(biāo)準(zhǔn)化后回歸系數(shù)，τ1為自變量x1對(duì)Y變化的貢獻(xiàn)率?；貧w分析的顯著性檢驗(yàn)一般采用F檢驗(yàn)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 潛在蒸散發(fā)時(shí)間變化特征

經(jīng)計(jì)算得到每個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日ET0值，然后統(tǒng)計(jì)到年總ET0，通過空間插值，可得到黑龍江省年ET0值。1960-2018年黑龍江省年ET0的逐年變化，見圖2；各站點(diǎn)及黑龍江省各氣象站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析值，見表1。從圖表中可知，黑龍江省ET0呈震蕩下降趨勢(shì)，年變化速率為-0.59mm/a，不存在突變點(diǎn)；各站點(diǎn)年變化速率在-3.353(安達(dá)站)-1.921(嫩江站)mm/a之間，29個(gè)站點(diǎn)中6個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，23個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)；17個(gè)站點(diǎn)存在突變，12個(gè)站點(diǎn)不存在突變。

圖2 黑龍江省年ET0的變化

表1 各站點(diǎn)ET0統(tǒng)計(jì)分析

3.2 潛在蒸散發(fā)空間變化特征

1960-2018年ET0多年平均值及其變化速率的空間分布，見圖3。可知，黑龍江省多年平均ET0為727-1286mm，平均值為963mm，其中低值區(qū)位于黑龍江北部，高值區(qū)位于黑龍江西部。ET0呈上升趨勢(shì)的區(qū)域主要分布于黑龍江北部，顯著上升的區(qū)域較少。黑龍江大部分區(qū)域ET0呈下降趨勢(shì)，其中顯著下降的區(qū)域主要位于黑龍江西部。

圖3 多年平均ET0及其變化斜率的空間分布和插值結(jié)果

3.3 氣象因子時(shí)空變化特征

根據(jù)ET0計(jì)算公式可知，影響潛在蒸散發(fā)的主要?dú)庀笠蜃影ǖ乇韮糨椛銻n，飽和水汽壓差VPD，氣溫T和風(fēng)速U2。1960-2018年各氣象因子多年平均值的空間分布，見圖4?？芍?，黑龍江多年平均Rn在2217-2705MJ/m2之間，平均值為2506 MJ/m2，呈南高北低的空間格局；黑龍江多年平均VPD為0.42-0.78kPa，平均值為0.54 kPa，低值區(qū)位于黑龍江北部和中部，高值區(qū)位于黑龍江西部；黑龍江多年平均T為-4.09-4.88℃，平均值為2.1℃，呈南高北低的空間格局；黑龍江多年平均U2在1.41-2.88m/s之間，平均值為2.21m/s，低值區(qū)位于黑龍江北部和中部，高值區(qū)位于黑龍江東南部。從氣象因子與ET0多年平均的空間格局來看，VPD與ET0的空間分布，相似性更高，從氣象因子與ET0變化趨勢(shì)的空間格局來看，U2與ET0的空間分布相似性更高。

圖4 氣象因子的空間分布

1960-2018年各氣象因子變化速率的空間分布見圖5。可知，黑龍江Rn變化速率為-4.26-3.40MJ/m2/a，絕大部分地區(qū)呈下降趨勢(shì)，其中黑龍江南部呈顯著下降趨勢(shì)，僅東部小部分地區(qū)呈上升趨勢(shì)；黑龍江VPD變化速率為-0.057-0.255kPa/100a，其中西部和北部呈上升趨勢(shì)，僅東部小部分地區(qū)呈下升趨勢(shì)；黑龍江T變化速率的范圍在1.93-6.51℃/100a，整個(gè)區(qū)域均呈顯著上升趨勢(shì)；黑龍江U2變化速率在-2.96-0.73m/s/100a之間，絕大部分地區(qū)呈顯著下降趨勢(shì)，僅南東部小部分地區(qū)呈上升趨勢(shì)。

圖5 氣象因子多年變化速率的空間分布

3.4 氣象因子對(duì)潛在蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率

通過研究年序列ET0和Rn、VPD、T和U2之間的相關(guān)關(guān)系和對(duì)其變化的貢獻(xiàn)率來分析氣象要素對(duì)ET0的影響，其相關(guān)系數(shù)及貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)值間，各站點(diǎn)氣象因子與ET0的相關(guān)性及貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)，見表2。從表中可知，在年際變化中，ET0與VPD相關(guān)性最高，其次是Rn和U2，并且與這三種氣象因子間均為正相關(guān)關(guān)系；而ET0與T之間無明顯相關(guān)性，且站點(diǎn)之間差異較大；這表明在黑龍江T的上升對(duì)ET0的貢獻(xiàn)被其他氣象因子的作用抵消，并非表明T的變化對(duì)ET0沒有影響。通過計(jì)算貢獻(xiàn)率可知，1960-2018年黑龍江ET0變化貢獻(xiàn)率最大的氣象因子為VPD，其次是U2，而Rn和T貢獻(xiàn)率相對(duì)較小。

表2 各站點(diǎn)氣象因子與ET0的相關(guān)性及貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)

4 討論與結(jié)論

4.1 潛在蒸散發(fā)時(shí)空變化特征

潛在蒸散發(fā)在我國的分布格局大體為東部低、西部高，低值區(qū)位于我國東北部地區(qū)，高值區(qū)位于西北地區(qū)。白樺等[21]發(fā)現(xiàn)ET0顯著下降區(qū)分布于中國東北部分地區(qū)、黃淮海地區(qū)和新疆部分地區(qū)，而上升區(qū)分布于青藏高原、新疆東部及黑龍江北部等區(qū)域。趙亞迪等[22]發(fā)現(xiàn)1960-1993年中國區(qū)域ET0呈下降趨勢(shì)，2004-2013年呈上升趨勢(shì)。祁天垚等[1]以蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)1960-2005年我國蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在我國南部、中部、東部及西北部以顯著下降為主，而東北部至西南部存在大量上升和無明顯變化的站點(diǎn)。由此可見，東北地區(qū)，特別是黑龍江省ET0空間分布及變化趨勢(shì)呈現(xiàn)特殊性和復(fù)雜性，有待深入研究。

本研究發(fā)現(xiàn)1960-2018年黑龍江省ET0多年平均ET0在727-1286mm之間，平均值為963mm，其中低值區(qū)位于黑龍江北部，高值區(qū)位于黑龍江西部；從區(qū)域尺度上看，1960-2018年黑龍江省ET0呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，年變化速率為-0.59mm/a，該區(qū)域變化不存在突變點(diǎn)；上升趨勢(shì)主要分布在黑龍江北部，下降趨勢(shì)分布于黑龍江南部。從站點(diǎn)尺度上看，1960-2018年黑龍江省23個(gè)(約占79%)氣象站點(diǎn)ET0呈下降趨勢(shì)，其中11個(gè)站點(diǎn)通過α=0.05的顯著檢驗(yàn)；6個(gè)氣象站點(diǎn)ET0呈上升趨勢(shì)，其中僅1個(gè)站點(diǎn)通過α=0.05的顯著檢驗(yàn)。這些氣象站點(diǎn)的ET0變化中有17個(gè)站點(diǎn)存在突變，突變年份主要集中于1961-1964年、1983-1987年、2002-2004年和2009-2010年等幾個(gè)時(shí)間段中。姜宇等[18]曾計(jì)算和分析黑龍江省1964-2013年5-10月(生長季)ET0，他們發(fā)現(xiàn)生長季ET0呈西高冬低，南高北低的空間分布，總蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，變化速率為-0.72mm/a；其結(jié)果與我們得到的ET0時(shí)空變化趨勢(shì)一致，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)黑龍江省5-10月ET0下降速率大于11-翌年4月下降速率。值得注意的是，研究時(shí)段取決于研究目的，姜宇等[18]在作物需水、灌溉方案等方面研究時(shí)將研究時(shí)段定為生長季是有合理而必要的，但是為了研究整個(gè)區(qū)域蒸發(fā)耗水過程、機(jī)理和區(qū)域水資源管理，研究全年時(shí)段則顯得更有意義。

4.2 黑龍江省“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象

許多研究發(fā)現(xiàn)[11，12，23]，過去50到60年的時(shí)間范圍內(nèi)我國不同區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量或潛在蒸散發(fā)估算量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。劉敏等[23]發(fā)現(xiàn)近50年來蒸發(fā)皿蒸發(fā)量存在減少趨勢(shì)，其中濕潤區(qū)減少最快，干旱區(qū)減少最慢；20世紀(jì)60-90年代蒸發(fā)皿蒸發(fā)量穩(wěn)定減少，90年代以后存在上升趨勢(shì)。叢振濤等[11]根據(jù)全國蒸發(fā)皿和氣象觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)過去50年間總體上存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。謝平等[24]認(rèn)為云南省“蒸發(fā)悖論”具有區(qū)域性、階段性和季節(jié)性。馬雪寧等[25]、岳元等[7]分別分析了“蒸發(fā)悖論”在黃河流域和吉林省的表現(xiàn)。本研究發(fā)現(xiàn)1960-2018年黑龍江省ET0上升趨勢(shì)主要分布在黑龍江北部，下降趨勢(shì)分布于黑龍江南部，而氣溫均呈上升趨勢(shì)，即1960-2018年間黑龍江省總體上存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象在黑龍江省存在空間異質(zhì)性，即在黑龍江北部并不存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。

4.3 潛在蒸散發(fā)變化的主要影響因素及貢獻(xiàn)率

許多學(xué)者研究了不同區(qū)域不同時(shí)間段潛在蒸發(fā)量或蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化及其原因。趙亞迪等[22]以107個(gè)站點(diǎn)分析1960-2013年中國ET0時(shí)空變化，并認(rèn)為相對(duì)濕度是中國區(qū)域ET0變化最敏感的氣象因子。劉昌明等[12]發(fā)現(xiàn)在全國范圍內(nèi)，ET0對(duì)水汽壓最敏感，其次是最高氣溫、Rn、U2、最低氣溫。張方敏等[26]指出Rn和VPD是導(dǎo)致中國ET0呈階段性變化的主要原因。卓嘎等[27]指出1980-2009年西藏ET0呈減少趨勢(shì)，主要影響因子為相對(duì)濕度。Gong等[28]發(fā)現(xiàn)長江流域ET0對(duì)相對(duì)濕度最敏感，其次是Rn、T和U2。張守紅等[29]指出阿克蘇河流域高海拔地區(qū)相對(duì)濕度對(duì)ET0影響最大，而低海拔地區(qū)主要受U2影響。劉憲峰等[30]發(fā)現(xiàn)1960-2011年西北五省ET0呈下降趨勢(shì)，主要受U2影響。馬雪寧等[25]發(fā)現(xiàn)1960-2010年黃流域ET0呈下降趨勢(shì)，主要影響因子也是U2。本研究發(fā)現(xiàn)黑龍江省ET0在年際變化中，與VPD相關(guān)性最高，其次是Rn和U2，而與T之間無明顯相關(guān)性；1960-2018年黑龍江ET0變化貢獻(xiàn)率最大的氣象因子為VPD，其次是U2，而Rn和T貢獻(xiàn)率相對(duì)較小。該研究與之前大量研究結(jié)論一致，可相互驗(yàn)證，細(xì)化了黑龍江省ET0變化的主要影響因素，并定量各因素的貢獻(xiàn)率。