1980—2019年珠江流域潛在蒸發(fā)量時(shí)空變化及其影響因素分析

左大幸,臧傳富,汪麗娜

(華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

蒸發(fā)(Evapotranspiration,ET)是水文循環(huán)的主要組成部分，將影響作物用水需求以及水資源的未來(lái)規(guī)劃和管理[1]。分析ET的變化對(duì)于理解氣候變化對(duì)流域水平衡的影響至關(guān)重要[2]。ET是全球流域水分損失的主要途徑，約62%的全球陸地表面降水由ET形成[3]，超過(guò)全球地表77%的徑流量[4]。潛在蒸散也稱參考作物蒸散，它表示在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)，某一固定下墊面可能達(dá)到的最大蒸發(fā)蒸騰量，常被人們作為估算實(shí)際蒸散量的參照，也是估算生態(tài)需水和農(nóng)業(yè)灌溉的關(guān)鍵因子[5]。在實(shí)際計(jì)算當(dāng)中需要對(duì)下墊面條件設(shè)置參考值，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)于1998年推出的修正Penman-Monteith方程[6]是目前最常用的潛在蒸散發(fā)估算方法之一，其中參考下墊面為植被高度0.12 m的草地,具有固定的表面阻抗70 s/m，反照率為0.23。參考高歌等[7]的研究，本文使用ET0(Potential Evapotranspiration)表示潛在蒸散發(fā)。

由于P-M模型能夠更好地表征影響潛在蒸散發(fā)的物理過(guò)程，因此常被推薦使用[8-9]。目前，已有許多國(guó)內(nèi)學(xué)者利用P-M模型對(duì)流域[10-11]、黃土地貌[12-13]和北方地區(qū)[14-17]等地的潛在蒸發(fā)量時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，并分析其與氣象因子的相關(guān)程度。吳霞等[18]利用Penman-Monteith公式，以全國(guó)和各干濕氣候區(qū)為研究單元，從年、季節(jié)和年代際尺度分析全國(guó)ET0。黃強(qiáng)等[19]根據(jù)珠江流域42個(gè)站點(diǎn)的每日氣象數(shù)據(jù)，比較了包括FAO56 Penman-Monteith(PM)，Priestley-Taylor，Hargreaves-Samani和Thornthwaite方程在內(nèi)的不同蒸散發(fā)計(jì)算方法，得出PM方程的計(jì)算結(jié)果在所有季節(jié)和地區(qū)都具有穩(wěn)定性，并且與觀測(cè)數(shù)據(jù)接近。國(guó)外學(xué)者針對(duì)印度[4]、澳大利亞[20]、佛羅里達(dá)南部[21]和伊朗[22]等也有類(lèi)似的研究。近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)某些影響因子進(jìn)行了更深入的探究，如蔣沖等[23]研究了絕對(duì)濕度與潛在蒸發(fā)量的關(guān)系，孫從建等[16]研究了環(huán)流因子對(duì)潛在蒸發(fā)量的影響。

珠江是中國(guó)第二大河流，珠江流域覆蓋了滇、黔、桂、粵、湘、贛等省(自治區(qū))和港澳地區(qū)，具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位，且珠江流域降水具有年際變化大、時(shí)空分布不均的特征，引起流域內(nèi)旱、澇等自然災(zāi)害的頻發(fā)[24]。珠江流域地處熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量充沛，因此該區(qū)域的潛在蒸散發(fā)與實(shí)際蒸散發(fā)較為接近。隨著近幾十年來(lái)氣候的顯著變化，潛在蒸散的變化對(duì)水資源的評(píng)價(jià)、提高水資源利用效率以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境等都有直接的影響[25]。因此，研究近幾十年來(lái)珠江流域潛在蒸散量的時(shí)空變化及影響因素是十分必要的。一些學(xué)者對(duì)珠江流域近幾十年的潛在蒸散和實(shí)際蒸散進(jìn)行了研究[19,26]，但對(duì)蒸散變化影響因素的研究較為缺乏。本研究擬利用FAO修正的Penman-Monteith模型計(jì)算了珠江流域1980—2019年逐月潛在蒸散，并從年際和季節(jié)的尺度分析了珠江流域ET0的時(shí)空變化特征，并探究影響潛在蒸散變化的氣象因子，以期為珠江流域水資源綜合評(píng)價(jià)和管理提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

珠江流域位于21°31′～26°49′N(xiāo)，102°14′～115°53′E，涉及中國(guó)云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西省(自治區(qū))以及港澳地區(qū)，在中國(guó)境內(nèi)的流域面積約453 700 km2[27]。流域地貌整體上呈現(xiàn)出西北高、東南低的特點(diǎn)；北靠南嶺，南臨南海，西部為云貴高原，中部丘陵、盆地相間，東南部為三角洲沖積平原。珠江流域位于熱帶和亞熱帶地區(qū)，氣候溫暖多雨，多年平均降雨量1 525 mm，多年平均氣溫在14～22℃之間[28-29]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取珠江流域空間分布均勻、數(shù)據(jù)時(shí)間連續(xù)且較為完整的42個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)，收集各個(gè)站點(diǎn)1980—2019年的地面逐月氣象數(shù)據(jù)。主要包括：日照時(shí)數(shù)(h)、平均最低氣溫(℃)、平均氣壓(kPa)、平均最高氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、平均風(fēng)速(m/s)和平均相對(duì)濕度(%)數(shù)據(jù)。結(jié)合各個(gè)測(cè)站的經(jīng)緯度和海拔數(shù)據(jù)，計(jì)算珠江流域月、季、年以及多年平均潛在蒸發(fā)量。本研究將每年的3—5月劃分為春季，6—8月劃分為夏季，9—11月劃分為秋季，1、2、12月劃分為冬季。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1Penman-Monteith模型

采用經(jīng)過(guò)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)于1998年修正后的Penman-Monteith公式計(jì)算珠江流域的潛在蒸散發(fā)量[30]。P-M模型精度較高，在國(guó)內(nèi)外廣泛使用，是計(jì)算潛在蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法之一[20,31]。公式如下：

(1)

式中 ET0——參考作物蒸散量，mm/d;Δ——飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃;Rn——作物冠層表面的凈輻射，MJ/(m2·d);G——土壤熱通量，MJ/(m2·d);T——平均氣溫，℃，按最高氣溫Tmax和最低氣溫Tmin的算術(shù)平均值計(jì)算;u2——2 m高度處的風(fēng)速，m/s;es——飽和水汽壓，kPa;ea——實(shí)際水汽壓，kPa;es-ea——飽和水汽壓差，kPa;γ——干濕表常數(shù)，kPa/℃。

輻射計(jì)算中的太陽(yáng)總輻射Rs的計(jì)算見(jiàn)式(2)：

Rs=(as+bs·S)Ra

(2)

式中Ra——天文輻射;S——日照百分率;as、bs——線性參數(shù)，取值參考祝昌漢[32]研究中東部平原區(qū)的取值，更加符合珠江流域的實(shí)際情況。

計(jì)算過(guò)程中需要用到日照時(shí)數(shù)(h)、平均最低氣溫(℃)、平均氣壓(kPa)、平均最高氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、平均風(fēng)速(m/s)和平均相對(duì)濕度(%)7個(gè)氣象因子以及測(cè)站的緯度和海拔2個(gè)地理因子。對(duì)計(jì)算結(jié)果利用反距離權(quán)重插值得到珠江流域潛在蒸散發(fā)量的空間分布。

2.2.2Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

在時(shí)間維度上采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析珠江流域潛在蒸散的變化趨勢(shì)，氣象水文數(shù)據(jù)大多是偏態(tài)且不服從同一分布，因而該檢驗(yàn)方法在水文統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，具體計(jì)算過(guò)程如下。設(shè)一平穩(wěn)獨(dú)立序列為χt(t=1,2,…，n，n為序列長(zhǎng)度)，定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S如下：

(3)

當(dāng)n≥10，統(tǒng)計(jì)量S近似服從正態(tài)分布,不考慮序列中等值數(shù)據(jù)點(diǎn)情況，其均值E(S)=0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量通過(guò)式(4)計(jì)算:

(4)

Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)，當(dāng)|Z|大于等于1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過(guò)了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

2.2.3主成分分析法

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，即通過(guò)正交變換將一組可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量，轉(zhuǎn)換后的這組變量叫主成分。主成分按照方差大小依次遞減進(jìn)行排列，方差最大的稱為第一主成分，其次是第二主成分，以此類(lèi)推。將原來(lái)的多個(gè)變量信息更集中地顯示在方差較大的主成分上，對(duì)主成分貢獻(xiàn)較大的變量被認(rèn)為具有更高的影響力。結(jié)合目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)潛在蒸發(fā)量主要因素的分析[13,16,32]，本研究對(duì)ET0選擇經(jīng)度、緯度、高程、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、飽和水汽壓10個(gè)因子利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析。

3 研究結(jié)果

3.1 潛在蒸散發(fā)量的時(shí)間變化特征

珠江流域近40年年均ET0為1 145.8 mm，增長(zhǎng)率約為1.37 mm/a，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中2009年的ET0達(dá)到1 229.1 mm為極大值，1997年的ET0達(dá)到1 064.1 mm為極小值，極差為165 mm(圖2)。珠江流域ET0的季節(jié)變化特征見(jiàn)圖3，其中春季、秋季和冬季呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)而夏季呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。1980—2019年，珠江流域春季的年均ET0為302.8 mm，夏季ET0為391.7 mm，秋季ET0為279.6 mm，冬季ET0為173.9 mm，分別占總ET0的26.4%、34.2%、24.4%和25.0%。

對(duì)珠江流域1980—2019年年均ET0進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn)，Z值為3.11，Z值大于0且|Z|>2.32，得出珠江流域ET0總體呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，并且通過(guò)了99%顯著性檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算珠江流域42個(gè)氣象站點(diǎn)的Z值，并空間化珠江流域ET0Mann-Kendall檢驗(yàn)Z值分布情況(圖4)進(jìn)一步分析珠江流域ET0的變化趨勢(shì)。其中33個(gè)站點(diǎn)的Z值為正數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，9個(gè)站點(diǎn)的Z值為負(fù)數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，25個(gè)站點(diǎn)有顯著的變化趨勢(shì)(|Z|>1.28)。Z值為正的站點(diǎn)當(dāng)中有23個(gè)通過(guò)了90%顯著性檢驗(yàn)，有21個(gè)通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn)，有15個(gè)通過(guò)了99%顯著性檢驗(yàn)；Z值為負(fù)的站點(diǎn)當(dāng)中有2個(gè)通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn)，有1個(gè)通過(guò)了99%顯著性檢驗(yàn)。ET0變化趨勢(shì)呈顯著增加的區(qū)域主要分布在流域的東半部分，以及流域西部的望謨、河池、平果和南寧地區(qū)；ET0變化趨勢(shì)呈顯著減少的區(qū)域主要是流域東北部的尋烏和流域東部的增城及其附近地區(qū)。

3.2 潛在蒸散發(fā)量的空間變化特征

珠江流域多年平均ET0的空間分布情況主要表現(xiàn)為東西高、中間低和南高北低的特點(diǎn)，最高值為1 371 mm，最低值為936.3 mm(圖5)。高值主要分布在流域東南部的廣東沿海地區(qū)以及流域西側(cè)的云南部分地區(qū)，低值主要分布在流域北側(cè)的貴州南部地區(qū)以及處于廣東廣西交界處的賀州地區(qū)。珠江流域ET0的季節(jié)空間分布見(jiàn)圖6，總體上夏、秋、冬季ET0分布較為相似，而春季ET0分布與夏、秋、冬季有較大差異。春季流域內(nèi)ET0值差異較大，自西向東呈階梯狀逐漸降低，高值主要分布在流域西部云南部分地區(qū)，而流域中部和東部大部分的區(qū)域ET0值都較低(圖6a)。夏季ET0值整體上在四季中偏高，空間分布與春季ET0有較大差異。高值主要分布在流域東部地區(qū)而低值主要分布在流域的西部地區(qū)，且ET0自西向東呈階梯狀逐漸增加(圖6b)。秋季ET0值總體低于夏季和春季，高低值的分布情況與夏季較為相似(圖6c)。冬季ET0空間分布(圖6d)與多年平均ET0的空間分布相似。

3.3 潛在蒸散發(fā)量的影響因子

選取了Penman-Monteith模型計(jì)算過(guò)程中所用到的7個(gè)氣象因子以及測(cè)站的緯度和海拔2個(gè)地理因子進(jìn)行珠江流域潛在蒸散發(fā)量影響因子的分析。主成分分析的結(jié)果見(jiàn)表1、2，前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.7%，涵蓋了9個(gè)因子中的絕大部分信息，其中第一主成分的貢獻(xiàn)率最大達(dá)到58.8%。通過(guò)主成分載荷矩陣(表2)可以看到，平均氣溫(Tave)、平均水汽壓(Ea)、平均最低氣溫(Tmin)和平均最高氣溫(Tmax)在第一主成分上有較大載荷且為正，海拔(H)和緯度(LAT)在第一主成分上有較大的負(fù)載荷。日照時(shí)數(shù)(SH)和風(fēng)速(W)在第二主成分上有較大載荷，并且與第二主成分成正相關(guān)，相對(duì)濕度(RH)在第二主成分上有較大載荷且成負(fù)相關(guān)。綜上，本研究對(duì)于潛在蒸散發(fā)量的影響因子的分析結(jié)如下，按照影響力從大到小依次為平均氣溫>平均水汽壓>平均最低氣溫>平均最高氣溫>海拔>緯度>日照時(shí)數(shù)>相對(duì)濕度>風(fēng)速。

表1 ET0主成分特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率 %

注：1—9為主成分。

表2 ET0主成分載荷矩陣

對(duì)珠江流域近40 a來(lái)潛在蒸發(fā)量和年平均氣溫做M-K檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7。珠江流域近40 a來(lái)平均氣溫總體呈減少趨勢(shì)(圖7a)，其中2005年之后減少趨勢(shì)顯著，通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn)。珠江流域潛在蒸發(fā)量在1980—1990年呈減少趨勢(shì)(圖7b)，1990—1994年呈增加趨勢(shì)，1994—2006年呈減少趨勢(shì)，在2006年發(fā)生突變并在2006年之后呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，2012年之后增加趨勢(shì)明顯，通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，珠江流域潛在蒸發(fā)在1990—1994、2006—2019年存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。

4 討論

根據(jù)現(xiàn)有研究，20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)末珠江流域潛在蒸散總體呈減少趨勢(shì)[7]，1957—1997年呈震蕩中減少的趨勢(shì)，1997年為最低值，1997—2009年緩慢增長(zhǎng)[34]，多年平均ET0在空間上呈現(xiàn)由東南向西北遞減的規(guī)律[35]，與本研究結(jié)果相符。李修倉(cāng)等[26]研究發(fā)現(xiàn)在珠江流域的7個(gè)子流域中實(shí)際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)均滿足“互補(bǔ)相關(guān)”[36]理論，王兆禮等[37]發(fā)現(xiàn)近幾十年來(lái)整個(gè)珠江流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈顯著的減少趨勢(shì)，本研究發(fā)現(xiàn)近幾十年來(lái)珠江流域潛在蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，滿足實(shí)際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)的互補(bǔ)相關(guān)關(guān)系。有學(xué)者得出中國(guó)35°N以南ET0的主要影響因子為日照時(shí)數(shù)的結(jié)論[38]，在本研究中，日照時(shí)數(shù)也對(duì)ET0有較大的影響。根據(jù)現(xiàn)有研究，在過(guò)去50 a全球地表溫度是有所升高的[39]，這種變化的后果應(yīng)該是地表附近空氣更干燥，這將導(dǎo)致地表蒸發(fā)率增加，然而大量的觀測(cè)卻表明過(guò)去50 a全球的蒸發(fā)率是有所下降的[40]，這種現(xiàn)象被學(xué)者稱為“蒸發(fā)悖論”，叢振濤等[41]研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)總體上存在“蒸發(fā)悖論”。本研究發(fā)現(xiàn)珠江流域潛在蒸發(fā)量在2006—2019年間存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，占總研究時(shí)間的二分之一，所以“蒸發(fā)悖論”在珠江流域表現(xiàn)得并不突出。但總體上溫度對(duì)潛在蒸發(fā)的變化是起正貢獻(xiàn)作用的，因此珠江流域潛在蒸發(fā)量下降的原因可能是日照時(shí)數(shù)的減少和相對(duì)濕度的增加造成的。

本研究還存在一些不足之處，首先由于部分流域邊界位于國(guó)界或者是海岸線，無(wú)法在流域外部獲取氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，使得流域邊緣的區(qū)域插值結(jié)果可能不夠精確。其次，本研究使用的氣象數(shù)據(jù)受到一些非氣象因素的影響，如城市化對(duì)風(fēng)速和氣溫的影響等，造成氣象數(shù)據(jù)的非均一性問(wèn)題[7]，從而影響研究結(jié)果。在潛在蒸散的計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，對(duì)于地表輻射量的計(jì)算只考慮了日照時(shí)數(shù)，而大氣透明度和云量對(duì)地表輻射的影響沒(méi)有被納入研究范圍，可能導(dǎo)致潛在蒸散的計(jì)算結(jié)果不夠精確，以上2個(gè)要素對(duì)輻射的影響難以量化[3]，可作為后續(xù)的研究方向。

5 結(jié)論

利用Penman-Monteith模型和42個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算了近40 a來(lái)珠江流域的ET0，隨后利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和反距離權(quán)重法分析流域ET0的時(shí)間變化規(guī)律和空間分布特征，最后利用主成分分析判斷ET0影響因素影響力的大小。結(jié)果表明：①珠江流域近40 a ET0總體呈上升趨勢(shì)，平均值為1 145.8 mm，春季、秋季和冬季呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)而夏季呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，42個(gè)站點(diǎn)當(dāng)中有23個(gè)站點(diǎn)的ET0呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，有2個(gè)站點(diǎn)的ET0呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)；②珠江流域多年平均ET0的空間分布情況主要表現(xiàn)為東西高、中間低和南高北低的特點(diǎn)，高值主要分布在流域東南部的廣東沿海地區(qū)以及流域西側(cè)的云南部分地區(qū)，低值主要分布在流域北側(cè)的貴州南部地區(qū)以及處于廣東廣西交界處的賀州地區(qū)，在ET0的季節(jié)空間分布上，夏季、秋季和冬季ET0分布較為相似，而春季ET0分布與夏、秋、冬季呈現(xiàn)相反的特點(diǎn)；③對(duì)珠江流域ET0的變化起正貢獻(xiàn)的因子有平均氣溫、平均水汽壓、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速，而海拔、緯度和相對(duì)濕度對(duì)ET0的變化是負(fù)貢獻(xiàn)。ET0變化的主導(dǎo)影響因子是溫度、平均水汽壓和海拔高度?！罢舭l(fā)悖論”現(xiàn)象在珠江流域表現(xiàn)得并不明顯，潛在蒸散的變化受氣溫影響較大。