基于水能分配空間坐標(biāo)系的流域蒸散變異歸因研究

繆貝兒，劉智勇，陳興榮，藍(lán) 欣，陳曉宏，林凱榮

(1.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519082)

1 研究背景

流域蒸散發(fā)同時(shí)受到氣候和流域下墊面特征因素的影響[1-2]，其變化研究及歸因分析是水文學(xué)研究的重要內(nèi)容[3]。氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域蒸散過(guò)程產(chǎn)生了顯著影響[4-6]。為了科學(xué)認(rèn)識(shí)變化環(huán)境下蒸散發(fā)的作用機(jī)制、把握未來(lái)水文循環(huán)與水資源的演變格局，需要結(jié)合氣候變化、人類(lèi)系統(tǒng)和水文學(xué)等多學(xué)科展開(kāi)綜合研究[7-9]。不同于降水、徑流等水文氣象變量，蒸散發(fā)同時(shí)受到水量和能量限制，該特殊物理性質(zhì)使其成為流域水熱平衡聯(lián)系的關(guān)鍵紐帶[10-12]。然而，如何定量分解氣候和下墊面變化對(duì)流域蒸散水分損失的影響，一直以來(lái)是流域水文學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

當(dāng)前，以水量與能量平衡、水熱耦合理論為代表的流域蒸散發(fā)理論及方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。其中Budyko假設(shè)認(rèn)為流域蒸散發(fā)主要受制于流域水量及能量供應(yīng)條件，通過(guò)引入流域水熱耦合參數(shù)，形成了較系統(tǒng)的研究框架[16-18]。然而，水熱耦合參數(shù)的確定與其經(jīng)驗(yàn)公式的構(gòu)建存在不確定性[19-20]，由此得到的水文過(guò)程分析結(jié)果可能存在不足。近年來(lái)，由Tomer等[21]提出的生態(tài)水文框架從水量與能量分配的角度分離了氣候與下墊面變化對(duì)水文過(guò)程的影響，為研究氣候及下墊面變化與區(qū)域水循環(huán)之間的相互作用機(jī)制提供了新的視角與思路。然而，目前該框架尚未被廣泛應(yīng)用，未有研究將該方法推廣至大尺度的流域中，此框架在較大尺度流域的適用性也尚未得到驗(yàn)證。本研究基于已有的水量與能量平衡基本原理以及由Tomer等提出的生態(tài)水文框架，區(qū)別于以往常用的Budyko水熱耦合理論，探究氣候變化與下墊面變化對(duì)流域蒸散發(fā)作用機(jī)制的新方法，即水能分配研究框架。聚焦全球83個(gè)典型流域，基于該方法分解并量化氣候和下墊面變化對(duì)流域蒸散發(fā)變異的貢獻(xiàn)程度，進(jìn)而研究全球范圍內(nèi)流域水熱平衡變化，尤其是氣候及下墊面變化與區(qū)域蒸散耗水之間的相互作用機(jī)制。同時(shí)，將該研究框架與基于Budyko框架的分解歸因法進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該框架的科學(xué)性及適用性，為該框架的推廣使用提供支撐。本研究可為水資源規(guī)劃與管理、水資源安全保障工作提供參考。

2 研究方法與數(shù)據(jù)

圖1 分解法區(qū)分人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)[22]

2.1 基于Budyko理論分離氣候及下墊面變化對(duì)蒸散發(fā)的影響基于Budyko理論的水文循環(huán)變化歸因研究已經(jīng)發(fā)展出全微分法、互補(bǔ)法、分解法等多種方法[3]。其中，Wang與Hejazi提出了一套分離氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響的分解方法[22]，如圖1所示。其中，橫坐標(biāo)為氣候條件(E0/P，即潛在蒸散發(fā)與降水的比值)，縱坐標(biāo)為蒸散耗水率(ET/P，即實(shí)際蒸散發(fā)與降水的比值)；A點(diǎn)表示流域的氣候條件和蒸散耗水率在Budyko空間中的初始狀態(tài)，B點(diǎn)表示變化后的狀態(tài)，C點(diǎn)表示僅受氣候作用下的虛擬變化狀態(tài)。假設(shè)由于氣候變化和人為干擾，流域的氣候條件和蒸散耗水率將由A點(diǎn)(E01/P1，ET1/P1) 轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)(E02/P2，ET2/P2)。僅在氣候作用下，流域?qū)腁沿Budyko曲線移動(dòng)至C點(diǎn)(E02/P2，ET′2/P2)。因此，氣候變化引起了水平方向上橫坐標(biāo)由E01/P1遷移至E02/P2，垂直方向上縱坐標(biāo)由ET1/P1到ET′2/P2；而人類(lèi)活動(dòng)只引起垂直方向的移動(dòng)，即由ET′2/P2到ET2/P2。因此，首先計(jì)算直接人為干擾對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)量ΔQH(忽略土壤蓄水量變化)，見(jiàn)式(1)。

ΔQH=ET′2-ET2

(1)

式中：ET2為變化期(1951—2008年)的平均實(shí)際蒸散發(fā)，mm；ET′2為C點(diǎn)的實(shí)際蒸散發(fā)，mm，根據(jù)Fu公式(即傅抱璞公式)[17]，可得ET′2計(jì)算公式(見(jiàn)式(2))；P2、E02分別為變化期的平均降水，mm、潛在蒸散發(fā)，mm；n1為基準(zhǔn)期的下墊面特征參數(shù)均值。從總徑流變化量中減去人為變化部分，獲得氣候因素對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)，如式(3)所示，其中ΔQ代表變化期(1951—2008年)與基準(zhǔn)期(1900—1950年)徑流均值之差。

(2)

ΔQC=ΔQ-ΔQH

(3)

根據(jù)Wang與Hejazi[22]的假設(shè)，人類(lèi)活動(dòng)引起的徑流變化可認(rèn)為是除氣候貢獻(xiàn)外的部分變化量，也可認(rèn)為是下墊面因素貢獻(xiàn)的變化量。類(lèi)似地，可推出下墊面變化(或人類(lèi)活動(dòng))對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)ET變化的貢獻(xiàn)值ΔET，L[3]，如式(4)所示。從實(shí)際蒸散發(fā)總變化中除去下墊面引起的變化量，從而得到氣候?qū)T變化的貢獻(xiàn)，見(jiàn)式(5)。

(4)

ΔET，C=ΔET-ΔET，L

(5)

計(jì)算出氣候、下墊面對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)絕對(duì)值ΔET，C、ΔET，L后，以?xún)煞N因素引起的蒸散發(fā)絕對(duì)值之和為總變化量，根據(jù)式(6)(7)，分別計(jì)算各因素的貢獻(xiàn)率。CC、CL分別表示氣候與下墊面對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率。

(6)

(7)

2.2 基于水量能量框架分離氣候及下墊面變化對(duì)蒸散發(fā)的影響實(shí)際蒸散發(fā)(ET)同時(shí)受水量(P0)、能量(E0)的控制。Tomer等[21]通過(guò)耦合水能收支，從水量能量平衡的角度，提出一種區(qū)分氣候變化和土地利用變化對(duì)流域水文相對(duì)影響的概念框架，該框架假設(shè)氣候效應(yīng)以相同的幅度但相反的方向改變水量及能量分配比，即Δ(ET/E0)=-Δ(ET/P)?；谏鲜黾僭O(shè)，Renner[7]用水量能量分配圖來(lái)表示水熱狀態(tài)的變化，分別將水量分配比q=ET/P、能量分配比f(wàn)=ET/E0定義在直角坐標(biāo)系的x、y軸上。用干燥指數(shù)E0/P表示氣候條件，以實(shí)際蒸散發(fā)ET表征水文狀態(tài)。從原點(diǎn)到相應(yīng)點(diǎn)(q，f)的直線斜率對(duì)應(yīng)一個(gè)干燥指數(shù)的倒數(shù)。因此，將恒定干燥指數(shù)下的實(shí)際蒸散發(fā)ET變化(即沿著該干旱指數(shù)的直線運(yùn)動(dòng))歸因于流域下墊面變化，其方向由干燥指數(shù)的倒數(shù)P/E0決定；其次，將氣候變化定義為干燥指數(shù)變化引起的直線斜率偏移，對(duì)應(yīng)于水量和能量供應(yīng)的變化。所有其他變化都被視為流域下墊面特征的變化，包括人類(lèi)的直接影響，如環(huán)境污染、植被變化等。為了區(qū)分氣候變化的方向，基于Tomer等[21]的正交性假設(shè)，假設(shè)氣候變化方向垂直于初始點(diǎn)(即流域的初始水熱狀態(tài))所在直線，則氣候變化和下墊面變化的影響相互獨(dú)立。

圖2 調(diào)整過(guò)后的f-q空間圖：分離氣候和下墊面變化的影響

本研究嘗試基于上述水量能量分配框架，將下墊面和氣候變化的相對(duì)控制分離進(jìn)行轉(zhuǎn)置處理，提出調(diào)整之后的水量能量分配f-q空間坐標(biāo)圖，如圖2所示。調(diào)整后的水量能量分配框架圖中，x、y軸分別表示能量條件(f=ET/E0)、水量條件(q=ET/P)，從原點(diǎn)到相應(yīng)點(diǎn)的直線斜率為E0/P(即干燥指數(shù))，相比起原框架中需要計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)所在直線斜率的倒數(shù)進(jìn)而換算得到流域干燥指數(shù)，新框架更直觀地劃分不同氣候狀態(tài)下的水能分配關(guān)系，使框架更清晰、可讀性更強(qiáng)。圖中顯示了基準(zhǔn)期或初始期(f0，q0)和變化期(f1，q1)兩種水能分配狀態(tài)。基于正交分解假設(shè)，將該變化分解為沿原直線變化的下墊面變化、沿垂直于原直線方向的氣候變化。氣候變化與下墊面變化的方向相互正交，以點(diǎn)(f0，q0)為基準(zhǔn)點(diǎn)，受下墊面變化影響遷移至點(diǎn)(fb，qb)。隨后在氣候作用力下，水能狀態(tài)由(fb，qb)移動(dòng)至(f1，q1)。

區(qū)別于Renner[7]利用標(biāo)量積、向量夾角的方法，本研究通過(guò)平面幾何的方法推導(dǎo)點(diǎn)(fb，qb)的橫坐標(biāo)。已知過(guò)點(diǎn)(f0，q0)與過(guò)原點(diǎn)的直線(圖2中紅色線段)方程l1，見(jiàn)式(8)。根據(jù)相互垂直的直線斜率互為負(fù)倒數(shù)，可推求垂直于紅線且過(guò)點(diǎn)(fb，qb)的直線(圖2中藍(lán)色線段)方程l2，見(jiàn)式(9)。通過(guò)聯(lián)立直線l1、l2方程，求兩直線的交點(diǎn)坐標(biāo)，即可求解得點(diǎn)(fb，qb)橫坐標(biāo)，如式(10)所示。

(8)

(9)

(10)

由此求得虛擬點(diǎn)(fb，qb)的坐標(biāo)，可量化氣候變化、下墊面變化對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)ET的貢獻(xiàn)。如定義所指，在一定氣候條件(即恒定干燥指數(shù))下，下墊面變化改變實(shí)際蒸散發(fā)，(fb，qb)所對(duì)應(yīng)的ET，b可由qb與初始?xì)夂驐l件P0相乘得到：

ET，b=qbPb=qbP0

(11)

ET，b被定義為由基準(zhǔn)期到變化期，歸因于下墊面貢獻(xiàn)的實(shí)際蒸散發(fā)量。利用觀測(cè)的基準(zhǔn)期實(shí)際蒸散發(fā)量ET，0，可推算由下墊面變化引起的實(shí)際蒸散發(fā)變化量ΔET，L，見(jiàn)式(12)?；谒难h(huán)僅由下墊面、氣候變化兩個(gè)影響因素共同驅(qū)動(dòng)的假設(shè)，認(rèn)為除下墊面驅(qū)動(dòng)部分(ΔET，L) 外的蒸散發(fā)變化 (ΔET-ΔET，L) 都?xì)w因于氣候變化，由此推導(dǎo)出氣候變化引起的實(shí)際蒸散發(fā)變化量 (ΔET，C)，見(jiàn)式(13)。

ΔET，L=ET，b-ET，0

(12)

ΔET，C=ET，1-ET，b

(13)

2.3 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源本文所用數(shù)據(jù)涵蓋了1900—2008年間全球除南極洲外的六大洲合計(jì)83個(gè)流域的年均徑流量(R)、降水量(P)，實(shí)際蒸散量(ET)(由水量平衡方程ET=P-R推求)，研究流域分布見(jiàn)圖3。為了厘清流域水文過(guò)程的時(shí)間演變規(guī)律，所涉及的數(shù)據(jù)被分為1900—1950年、1951—2008年兩個(gè)時(shí)間序列。數(shù)據(jù)來(lái)源于Jaramillo等[23]的研究，其中流域年均徑流量(R)來(lái)源自德國(guó)聯(lián)邦水文局全球徑流數(shù)據(jù)公開(kāi)平臺(tái)https：//www.bafg.de/GRDC/EN/Home/homepage_node.html。根據(jù)各流域干燥指數(shù)[24]及相應(yīng)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將全球83個(gè)流域劃分為3類(lèi)不同的氣候區(qū)，其中濕潤(rùn)區(qū)39個(gè)(如長(zhǎng)江流域)、半濕潤(rùn)區(qū)22個(gè)(如易北河流域)、干旱與半干旱區(qū)22個(gè)(如科羅拉多河流域)。同時(shí)，根據(jù)各流域基于Budyko-Fu公式[17]計(jì)算出來(lái)的流域特征參數(shù)n，參考周?chē)?guó)逸等[25]和Zhou等[18]指出“n=2”可作為水文響應(yīng)敏感性的重要臨界值，劃分出34個(gè)(如幼發(fā)拉底河流域)低n值(n≤2，即持水能力低的流域)、49個(gè)(如密西西比河流域)高n值(n>2，即持水能力強(qiáng)的流域)兩類(lèi)下墊面特征區(qū)。

圖3 研究流域分布圖

通過(guò)計(jì)算各流域在1900—1950年、1951—2008年兩個(gè)時(shí)間段之間干燥指數(shù)、下墊面特征值的相對(duì)變化率，結(jié)合全球分布圖展示各流域氣候及下墊面條件的變化趨勢(shì)，如圖4所示?？梢?jiàn)，流域干燥指數(shù)(氣候條件)在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了不同的變化，其中相當(dāng)一部分流域的氣候呈愈加干旱趨勢(shì)。同時(shí)，北美與歐洲北部的一些高緯度流域變得更加濕潤(rùn)。就下墊面特征參數(shù)而言，全球范圍內(nèi)有相當(dāng)一部分流域的n值增加明顯，且可能朝著植被條件更優(yōu)、流域調(diào)蓄能力更強(qiáng)的方向變化，這可能與人類(lèi)活動(dòng)尤其是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)治理有關(guān)。與此同時(shí)，有一些流域的下墊面特征參數(shù)出現(xiàn)了下降態(tài)勢(shì)，如南美洲的奧里諾科河流域。

圖4 流域氣候及下墊面條件相對(duì)變化率的空間分布

3 結(jié)果分析

3.1 水能分配框架與Budyko-Fu框架圖對(duì)比為展示長(zhǎng)時(shí)間序列內(nèi)不同條件下流域的水能狀態(tài)，將全球83個(gè)典型流域在1900—2008年間的能量分配比、水量分配比平均值代入水量能量框架圖，如圖5(b)所示。為了解釋氣候?qū)﹂L(zhǎng)期蒸散發(fā)的影響，同時(shí)便于對(duì)比，繪制如圖5(a)所示下墊面參數(shù)n=2情景下的Budyko-Fu曲線?？傮w而言，Budyko-Fu曲線能較好地描述流域氣候及蒸散發(fā)的關(guān)系，但仍受制于水熱耦合參數(shù)或下墊面參數(shù)的推算及解析。圖5(b)標(biāo)記出干燥指數(shù)E0/P分別為0.6、1.0、1.5、4.0的氣候條件。每個(gè)點(diǎn)表征一個(gè)流域在1900—2008年間的平均能量及水量狀態(tài)(f，q)，點(diǎn)的不同形狀表示不同下墊面條件(圓形點(diǎn)表示持水能力較低的低n值區(qū)，三角形點(diǎn)表示持水能力較強(qiáng)的高n值區(qū))；不同顏色的點(diǎn)表示不同氣候類(lèi)型(藍(lán)色表征濕潤(rùn)，紅色表示半濕潤(rùn)，綠色代表干旱與半干旱)。沿過(guò)原點(diǎn)直線(即干燥指數(shù)線)上的變化方向揭示了流域下墊面變化的影響；如果點(diǎn)的移動(dòng)方向垂直于干燥指數(shù)線(參考圖2)，則氣候變化為實(shí)際蒸散發(fā)變異的主要影響因素。通過(guò)比較不同點(diǎn)狀，發(fā)現(xiàn)n值較高的流域內(nèi)更多水量被用于蒸散發(fā)，而低n值流域內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)量與降水及潛在蒸散發(fā)相比而言較低。氣候條件越濕潤(rùn)，能量分配比相對(duì)于水量分配比越大。同色系的點(diǎn)往往沿恒定的干燥指數(shù)線延伸，表明流域內(nèi)最大的可變性來(lái)源于水量與能量分配的可變性，且這種可變性與流域下墊面特征有關(guān)。

圖5 1900—2008年間全球流域Budyko-Fu框架圖和水能分配框架圖

3.2 針對(duì)不同氣候類(lèi)型的蒸散發(fā)變異歸因分析依據(jù)干燥指數(shù)(E0/P)對(duì)83個(gè)流域進(jìn)行氣候分區(qū)，圖6(a)(b)分別展示了兩個(gè)時(shí)段內(nèi)(1900—1950年與1951—2008年)，Budyko-Fu框架分解法和水能分配法得出的流域平均實(shí)際蒸散發(fā)在不同氣候條件下的變化趨勢(shì)，及其變化歸因分析結(jié)果。橫坐標(biāo)表示濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)、干旱與半干旱區(qū)3類(lèi)流域，縱坐標(biāo)表示各因素導(dǎo)致的年實(shí)際蒸散發(fā)變化，圖6上半部分以堆積柱狀圖表示各因素對(duì)實(shí)際蒸散變化量ΔET的貢獻(xiàn)量，圖6下半部分用百分比柱狀圖表示其對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)率，計(jì)算方法見(jiàn)式(6)(7)。

對(duì)比兩個(gè)不同時(shí)期(即計(jì)算1900—1950年和1951—2008年兩個(gè)時(shí)期實(shí)際蒸散發(fā)的差值)發(fā)現(xiàn)，濕潤(rùn)區(qū)39個(gè)流域中的大部分流域(30個(gè))實(shí)際蒸散發(fā)呈增加態(tài)勢(shì)，湄公河上游、烏塔爾德河、波河流域(流域分布見(jiàn)圖2)的ΔET都在75 mm以上(圖6上半部分中黑點(diǎn)表示兩個(gè)時(shí)期實(shí)際蒸散發(fā)的變化量ΔET)。其中湄公河上游流域ΔET最大，高達(dá)103.3 mm；烏達(dá)河流域的實(shí)際蒸散發(fā)減少量最大，減少了41.7 mm。此外，27個(gè)濕潤(rùn)流域的下墊面變化導(dǎo)致了流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的增加，而25個(gè)流域的氣候變化引發(fā)了流域?qū)嶋H蒸散量的增加。從貢獻(xiàn)率的角度來(lái)看，濕潤(rùn)流域的實(shí)際蒸散發(fā)變化主要受下墊面因素驅(qū)動(dòng)。用兩種方法皆計(jì)算出有31個(gè)流域內(nèi)下墊面因素對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)率CL值大于50%，其中基于水能分配法計(jì)算出16個(gè)流域CL大于80%(分解法計(jì)算出18個(gè)流域)、16個(gè)流域的CL大于90%(分解法計(jì)算出9個(gè)流域)。且在烏塔爾德河、湄公河上游、波河等實(shí)際蒸散發(fā)增加量較大的流域內(nèi)，下墊面對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)率超過(guò)了90%。在半濕潤(rùn)流域內(nèi)，平均年實(shí)際蒸散量增加的流域有12個(gè)。其中，增加值最大為庫(kù)班河流域，ΔET為63.1 mm，熱基蒂尼奧河流域的ΔET減少量最大，減少了78.6 mm?；谒芊峙浞ǖ挠?jì)算結(jié)果，10個(gè)半濕潤(rùn)流域的下墊面因素引起了實(shí)際蒸散發(fā)增加(分解法計(jì)算出8個(gè)流域)；經(jīng)兩種方法計(jì)算，有11個(gè)流域的氣候因素造成了實(shí)際蒸散發(fā)增加。根據(jù)各因素對(duì)ΔET的貢獻(xiàn)率，半濕潤(rùn)流域的ΔET驅(qū)動(dòng)因素差異較大，近一半的流域CC大于50%，另外一半流域的實(shí)際蒸散發(fā)變異主要由下墊面因子貢獻(xiàn)。在22個(gè)干旱與半干旱流域中，8個(gè)流域的實(shí)際蒸散發(fā)有所減小，占該類(lèi)型區(qū)內(nèi)流域總數(shù)的63.6%。其中，尼格爾河的實(shí)際蒸散發(fā)減少量最大，減少了56.7 mm；埃布羅河的實(shí)際蒸散發(fā)增加值最大，水能分配法計(jì)算出79.8 mm(分解法計(jì)算結(jié)果為78.2 mm)。在16個(gè)干旱與半干旱流域內(nèi)，下墊面因素貢獻(xiàn)了實(shí)際蒸散發(fā)的增加；在貢獻(xiàn)率方面，氣候、下墊面因子貢獻(xiàn)率超過(guò)50%的流域個(gè)數(shù)分別為9、13個(gè)。

圖6 各氣候類(lèi)型區(qū)內(nèi)氣候(綠色柱)和下墊面(橙色柱)因子對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)的影響情況，橫坐標(biāo)表示本研究采用的83個(gè)流域，上半部分圖中黑點(diǎn)表示兩個(gè)時(shí)期(1990—1950年和1951—2008年)實(shí)際蒸散發(fā)的變化量ΔET

圖7的箱型圖展示了基于Budyko-Fu框架分解法、水能分配法的3種不同氣候條件下氣候和下墊面因素對(duì)流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的相對(duì)貢獻(xiàn)率。水能分配法的計(jì)算結(jié)果表明：濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)ΔET兩因子的相對(duì)貢獻(xiàn)率與其他兩類(lèi)氣候類(lèi)型區(qū)存在顯著差異。濕潤(rùn)區(qū)下墊面因子對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率CL中位數(shù)為77.1%(分解法計(jì)算結(jié)果為78.6%)，75%的流域CL值在60.1%(分解法為67.1%)以上。在半濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)，CL中位數(shù)為51.9%(分解法為50.9%)，75%的流域CL值在35.2%(分解法為29.4%)以上。干旱與半干旱區(qū)內(nèi)CL值中位數(shù)為54.4%(分解法為56.6%)，75%的流域CL值在30.1%以上(分解法為28.3%)。

圖7 各氣候類(lèi)型區(qū)內(nèi)氣候和下墊面因子對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率注：NS變量無(wú)顯著相關(guān)性；*在P<0.05的水平上有顯著相關(guān)性；**在P<0.01的水平有顯著相關(guān)性。

3.3 針對(duì)不同下墊面類(lèi)型的蒸散發(fā)變異歸因分析依據(jù)流域下墊面參數(shù)(n值)所對(duì)應(yīng)的下墊面類(lèi)型對(duì)各流域進(jìn)行分類(lèi)(低n值區(qū)與高n值區(qū))，并基于Budyko-Fu框架分解法和水能分配法分別得出了不同下墊面類(lèi)型流域的蒸散發(fā)變化及其歸因分析結(jié)果，如圖8所示。兩種方法計(jì)算結(jié)果大致如下：對(duì)此1900—1950年和1951—2008年兩個(gè)時(shí)段，低n值區(qū)(即持水能力較低的流域)的34個(gè)流域中一半以上的流域(23個(gè))實(shí)際蒸散發(fā)有所增加，其中湄公河上游流域的增加量最大，ΔET達(dá)103.3 mm。相比而言，實(shí)際蒸散發(fā)減少流域的ΔET變化量較小。其中烏達(dá)河流域內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)減少量最大。基于水能分配法發(fā)現(xiàn)，有21個(gè)低n值流域的下墊面變化引起了流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的增加(基于分解法的為20個(gè))、21個(gè)流域的氣候變化引起了流域?qū)嶋H蒸散量增加(基于分解法的為19個(gè))。就貢獻(xiàn)率而言，大多數(shù)低n值流域內(nèi)的下墊面對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)貢獻(xiàn)更大，30個(gè)流域的下墊面因子對(duì)ET的貢獻(xiàn)率CL超過(guò)50%，CL大于80%的流域有13個(gè)(分解法為16)。氣候因素對(duì)流域?qū)嶋H蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率CC大于50%的流域有4個(gè)，分別為科雷馬河、克拉馬斯河、梅津河、普爾河。在49個(gè)高n值區(qū)(持水能力強(qiáng)的流域)內(nèi)，近1/3的流域?qū)嶋H蒸散發(fā)有所增加，其中埃布羅河流域的實(shí)際蒸散發(fā)增加量最大，為78.2 mm?；谒芊峙浞òl(fā)現(xiàn)，有32個(gè)高n值流域(分解法為31個(gè))的下墊面變化引起了流域?qū)嶋H蒸散發(fā)增加、26個(gè)流域(分解法為27個(gè))的氣候變化引起了流域ET增加。從各因素對(duì)ΔET的貢獻(xiàn)率(CC、CL)來(lái)看，有25個(gè)高n值流域的CL大于50%，另外24個(gè)流域的氣候因子對(duì)流域?qū)嶋H蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)大于下墊面因子。基于水能分配法，CL大于80%的流域有13個(gè)(分解法為10個(gè))。

圖8 各下墊面類(lèi)型區(qū)內(nèi)氣候(綠色柱)和下墊面(橙色柱)因子對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)的影響情況，橫坐標(biāo)表示本研究采用的83個(gè)流域，上半部分圖中黑點(diǎn)表示兩個(gè)時(shí)期(1990—1950年和1951—2008年)實(shí)際蒸散發(fā)的變化量ΔET

圖9的箱型圖分別展示了基于Budyko-Fu框架分解法和水能分配法的不同下墊面流域?qū)嶋H蒸散發(fā)變異歸因結(jié)果(貢獻(xiàn)率)。經(jīng)t檢驗(yàn)，兩類(lèi)下墊面類(lèi)型區(qū)的歸因結(jié)果存在較顯著差異。對(duì)于大部分低n值流域，實(shí)際蒸散發(fā)變化主要?dú)w因于下墊面因素，基于水能分配法的計(jì)算結(jié)果表明，75%低n值流域下墊面對(duì)流域?qū)嶋H蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率CL超過(guò)56.8%(基于分解法的為62.9%)，50%低n值流域的CL大于75.9%(基于分解法的為76.8%)；在高n值區(qū)內(nèi)，下墊面因子對(duì)流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的變化貢獻(xiàn)略大于氣候因子的貢獻(xiàn)，75%的高n值流域下墊面對(duì)流域?qū)嶋H蒸散發(fā)貢獻(xiàn)超過(guò)32.1%(基于分解法的為29.6%)，有一半高n值流域的CL大于55.3%(分解法為53.4%)。

圖9 各下墊面類(lèi)型區(qū)內(nèi)氣候和下墊面因子對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率(水能分配法)注：*在P<0.05的水平上有顯著相關(guān)性；**在P<0.01的水平有顯著相關(guān)性。

3.4 氣候及下墊面變化對(duì)蒸散發(fā)變異的影響方向分析圖10描述了長(zhǎng)時(shí)間序列內(nèi)各流域水量及能量分配模式變化，由1900—1950年和1951—2008年(f，q)均值的箭頭指向及長(zhǎng)度揭示了兩個(gè)時(shí)段間各流域水能狀態(tài)的變化方向及幅度，以此表示流域水能狀態(tài)在f-q空間坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。

(點(diǎn)與箭頭分別表示各流域在1900—1950和1951—2008年期間的狀態(tài))圖10 各流域水量及能量分配比的多年平均值

對(duì)此1900—1950年和1951—2008年兩時(shí)段，大部分濕潤(rùn)流域的水能狀態(tài)軌跡指向右上方，表明流域的氣候條件變得更濕潤(rùn)，下墊面特征參數(shù)有所增大，且實(shí)際蒸散發(fā)變化主要受下墊面影響。其中，有一部分下墊面特征參數(shù)較低(n<2)的流域，如烏達(dá)河流域的n值呈明顯的降低態(tài)勢(shì)，且在下墊面的驅(qū)動(dòng)作用下，流域水熱狀態(tài)朝著水量及能量利用率更低(即q和f值更低)的方向移動(dòng)。對(duì)于下墊面特征參數(shù)較高的濕潤(rùn)流域而言，除呈現(xiàn)n值增大的態(tài)勢(shì)(箭頭指向右上角)外，一些流域內(nèi)氣候因素對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)率較大，如北杜味納河(75.8%)、威悉河(78.5%)、道加瓦河(61.0%)、波托馬克河(67.9%)。除熱基蒂尼奧河、庫(kù)班河等少數(shù)流域外，大多數(shù)半濕潤(rùn)區(qū)流域的水能分配比(f，q)在1951—2008年的變化軌跡(即圖中箭頭長(zhǎng)度)較短，其水熱狀態(tài)變化不明顯。n值較低的半濕潤(rùn)流域的水能狀態(tài)軌跡主要沿干燥指數(shù)線的方向變化，其實(shí)際蒸散發(fā)變化主要由下墊面因素驅(qū)動(dòng)。而n值較高的半濕潤(rùn)區(qū)流域之間的水熱狀態(tài)變化方向及幅度呈現(xiàn)各異，變化軌跡表明氣候作為主要驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致了一些流域的實(shí)際蒸散量增加，如贊比西河、巴拉那河流域。

4 結(jié)論

本文基于水量與能量平衡原理以及生態(tài)水文框架，引入水量-能量分配空間坐標(biāo)系統(tǒng)，并對(duì)下墊面和氣候變化的相對(duì)控制分離進(jìn)行轉(zhuǎn)置處理，再基于平面幾何法推導(dǎo)出了一套能夠分離氣候及下墊面變化對(duì)流域蒸散發(fā)影響的研究方法。將該方法應(yīng)用于全球范圍大尺度流域蒸散發(fā)變化歸因研究，并將其與傳統(tǒng)Budyko-Fu框架下的分解歸因法進(jìn)行深入對(duì)比，驗(yàn)證了新方法的科學(xué)性及適用性。結(jié)論如下：

(1)分別將Budyko-Fu框架的分解法與水量能量分配法應(yīng)用于全球83個(gè)典型流域的實(shí)際蒸散發(fā)變異歸因分析。分氣候類(lèi)型而言，由1900—1950年到1951—2008年，大部分濕潤(rùn)流域的實(shí)際蒸散發(fā)增加且主要受下墊面影響；大多數(shù)干旱與半干旱流域內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)有所增加且下墊面因素對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)有正向驅(qū)動(dòng)作用；而半濕潤(rùn)流域的歸因特征不明顯。分下墊面條件來(lái)看，大多數(shù)低n值(持水能力較低)流域內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)變化主要受下墊面因素驅(qū)動(dòng)；相當(dāng)一部分高n值(持水能力較強(qiáng))流域內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)量有所增加。

(2)水能分配法能夠展示各流域的實(shí)際蒸散發(fā)及水能狀態(tài)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，其分析發(fā)現(xiàn)，低n值的濕潤(rùn)流域內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)變化主要受下墊面因素驅(qū)動(dòng)，流域水熱狀態(tài)朝著水量及能量利用率更低(即q和f值更低)的方向移動(dòng)；高n值的濕潤(rùn)流域中氣候因素對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)貢獻(xiàn)更大。n值較低的半濕潤(rùn)、干旱與半干旱流域內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)主要受下墊面因素驅(qū)動(dòng)。

(3)水能分配法、Budyko-Fu分解法用于全球83個(gè)典型流域?qū)嶋H蒸散發(fā)變異歸因的計(jì)算結(jié)果接近，表明基于水能分配框架的歸因方法存在較好的可靠度，這也為該框架推廣應(yīng)用于歸因分析提供了科學(xué)佐證。此外，水量能量分配法可以將每個(gè)流域的實(shí)際蒸散發(fā)及相對(duì)應(yīng)的水熱狀態(tài)展示在水量-能量空間圖中，進(jìn)而能直觀分析氣候及下墊面變化對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)變異的貢獻(xiàn)大小、方向及水熱狀態(tài)在不同時(shí)段的變化軌跡，具有較好的應(yīng)用前景。