我國(guó)潛在蒸散量的時(shí)空變化及其變化趨勢(shì)

我國(guó)潛在蒸散量的時(shí)空變化及其變化趨勢(shì)

1潛在蒸散量趨勢(shì)研究蒸發(fā)是水量平衡和熱量平衡的重要組成部分。植被地區(qū)的蒸發(fā)和蒸發(fā)統(tǒng)稱為蒸發(fā)。潛在蒸散量是實(shí)際蒸散量的理論上限,通常也是計(jì)算實(shí)際蒸散量的基礎(chǔ),廣泛應(yīng)用于氣候干濕狀況分析、水資源合理利用和評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)作物需水和生產(chǎn)管理、生態(tài)環(huán)境如荒漠化等研究中。在我國(guó)開(kāi)展的第二次全國(guó)水資源綜合評(píng)價(jià)中,潛在蒸散量是水資源評(píng)價(jià)關(guān)注的主要內(nèi)容之一。近幾十年來(lái)氣候發(fā)生明顯變化,潛在蒸散量也必然會(huì)隨之發(fā)生變化,其變化趨勢(shì)如何將直接影響到水資源評(píng)價(jià)。因此,開(kāi)展我國(guó)近幾十年來(lái)潛在蒸散量的時(shí)空變化及趨勢(shì)研究是十分必要的。Peterson等人研究,在北半球蒸發(fā)皿觀測(cè)的蒸發(fā)量在過(guò)去幾十年中的減少趨勢(shì)具有普遍性,但也有一些地區(qū)例外。許多研究也表明中國(guó)大部分地區(qū)的小型蒸發(fā)皿觀測(cè)的水面蒸發(fā)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì),這些研究還從氣候影響因子角度探討了水面蒸發(fā)量減少的原因。蒸散發(fā)量的變化趨勢(shì)研究對(duì)探討氣候變化和水循環(huán)領(lǐng)域若干重要科學(xué)問(wèn)題具有重要意義。本文將采用估算方法對(duì)潛在蒸散量的時(shí)空分布及其變化趨勢(shì)進(jìn)行探討。估算潛在蒸散量的方法有許多,多年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的對(duì)比分析研究,許多工作一致認(rèn)為:考慮了能量平衡和水汽擴(kuò)散理論的彭曼-孟蒂斯公式綜合反映了蒸發(fā)必須具備的條件:蒸發(fā)潛熱所需要的能量和水汽移動(dòng)必須具有的動(dòng)力結(jié)構(gòu),具有理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)、物理意義明確,能夠反映各氣候要素的綜合影響等特點(diǎn),而且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,適應(yīng)于不同氣候類型地區(qū)潛在蒸散量的計(jì)算。1990年,該方法被FAO專家組成員定為計(jì)算潛在蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法加以推廣并不斷修正。我國(guó)學(xué)者利用此方法在生態(tài)環(huán)境、作物需水、北方干旱化等方面相繼做了一些研究。但由于資料和研究區(qū)域的限制,到目前為止,以小區(qū)域的研究居多,即使有對(duì)全國(guó)范圍的分析,但因所選站點(diǎn)非常有限,尚無(wú)法給出細(xì)微的區(qū)域差異。本文基于彭曼-孟蒂斯(Penman-Monteith)方法,利用全國(guó)1956～2000年的多項(xiàng)氣候要素觀測(cè)資料,對(duì)全國(guó)潛在蒸散量進(jìn)行估算。同時(shí),為配合水資源綜合規(guī)劃,也對(duì)全國(guó)及十大水文流域(松花江、遼河、海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江、東南諸河、珠江、西南諸河、西北諸河流域)的潛在蒸散量的時(shí)空分布特征及變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,并進(jìn)一步對(duì)影響潛在蒸散量變化的主要?dú)夂蛞蜃舆M(jìn)行探討。2數(shù)據(jù)和方法2.1月、季、年蒸散量利用資料序列較長(zhǎng)的全國(guó)580個(gè)氣象站點(diǎn)(分布圖略)1956～2000年的月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等氣候要素觀測(cè)資料,進(jìn)行月、季、年潛在蒸散量的統(tǒng)計(jì)。2.2輻射平衡計(jì)算方法采用彭曼-孟蒂斯公式計(jì)算潛在蒸散量。潛在蒸散量是指假設(shè)平坦地面被特定矮桿綠色作物(高0.12m,地面反射率為0.23)全部遮蔽,同時(shí)土壤保持充分濕潤(rùn)情況下的蒸散量,也稱可能蒸散量或參考蒸散量,計(jì)算見(jiàn)式(1):ET0=0.408Δ(Rn?G)+900T+273U2(eS?ea)Δ+γ(1+0.34U2)(1)EΤ0=0.408Δ(Rn-G)+900Τ+273U2(eS-ea)Δ+γ(1+0.34U2)(1)Gi=0.07(Ti+1-Ti-1)(2)式中物理量分別為:ET0為潛在蒸散量(mm·d-1);Rn為參考作物表面凈輻射(MJ·m-2·d-1);G是土壤熱通量密度(MJ·m-2·d-1),其估算見(jiàn)式(2),i為月份,Ti+1、Ti-1為第i+1、i-1月的氣溫(℃);T是月平均氣溫(℃);U2為2m高處風(fēng)速(m·s-1);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實(shí)際水汽壓(kPa);Δ表示飽和水汽壓-溫度曲線的斜率(kPa·℃-1);γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)。其中,輻射平衡計(jì)算中太陽(yáng)總輻射Rs計(jì)算式如下:Rs=(as+bs·S)Ra(3)式中,Ra為天文輻射;S為日照百分率;as、bs為線性參數(shù),這里我們沒(méi)有采用FAO推薦的值(as=0.25,bs=0.5),而是根據(jù)祝昌漢的研究分別按照東北區(qū)、東部平原區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū)給出系數(shù),這樣取值更符合我國(guó)實(shí)際情況。月潛在蒸散量為ET0乘當(dāng)月日數(shù)。2.3區(qū)域平均值計(jì)算如果月資料缺,四季和年值的統(tǒng)計(jì)均按缺測(cè)處理。考慮到50年代站點(diǎn)少以及多缺測(cè)的情況,為保證計(jì)算流域平均值時(shí)間序列的一致性,真實(shí)反映流域變化情況,我們假設(shè)區(qū)域內(nèi)各要素距平變化具有一致性,區(qū)域平均值計(jì)算如下:RXnˉˉˉˉˉˉˉ=ΔRXnˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ+RX71?20ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉn=1956???2000(4)RXnˉ=ΔRXnˉ+RX71-20ˉn=1956???2000(4)式中,RXnˉˉˉˉˉˉˉRXnˉ為區(qū)域平均值;n是年份;ΔRXnˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉΔRXnˉ為要素距平區(qū)域平均值(相對(duì)于1971～2000年);RX71?20ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉRX71-20ˉ為1971～2000年多年平均值的區(qū)域平均。3結(jié)果分析3.1空間分布特征3.1.1潛在蒸散量一般在5年生時(shí)期年潛在蒸散量,東北北部和東部、四川盆地、貴州北部及黃河和長(zhǎng)江流域的上游等部分地區(qū)為低值區(qū),一般有600～800mm(圖1),其中大興安嶺北部最低,不足600mm;內(nèi)蒙古中西部、新疆東部及南疆、青海西北部、云南大部、海南以及華南沿海等地為高值區(qū),一般在1100～1400mm;全國(guó)其余大部一般有800～1100mm。春季,空間分布與年潛在蒸散量相似,一般有200～400mm。長(zhǎng)江流域南部地區(qū)、珠江流域北部以及松花江北部不足200mm;內(nèi)蒙古西部、云南中部等地在400～500mm以上。夏季,潛在蒸散量明顯較春季增大,西北諸河流域大部、黃河流域北部潛在蒸散量一般在400～500mm,其中內(nèi)蒙古西部、新疆東部達(dá)500～700mm;其余大部分流域不足400mm,松花江、長(zhǎng)江、西南諸河等流域的局部有200～300mm。秋季,潛在蒸散量全國(guó)大部地區(qū)小于春季。東北地區(qū)、海河流域北部和西部、黃河流域上中游、長(zhǎng)江流域上游及中部、北疆有100～200mm,其余地區(qū)有200～300mm。冬季,潛在蒸散量為一年中最小,且呈現(xiàn)由南向北遞減趨勢(shì),黃河流域以北大部及長(zhǎng)江流域中部地區(qū)不足100mm,松花江流域、北疆等地有10～50mm;南方大部一般有100～200mm,云南及海南的部分地區(qū)達(dá)200～300mm(四季分布圖略)。3.1.2平均潛在蒸散量圖2為全國(guó)及十大流域的多年平均年及四季潛在蒸散量。全國(guó)平均年潛在蒸散量有941.5mm,年內(nèi)變化,夏季最大,占全年的40%,其次為春季和秋季,分別占全年的28%、22%,冬季僅占全年的10%。各流域平均年潛在蒸散量,以西北諸河流域最大,松花江流域最小,二者相差超過(guò)300mm;遼河、長(zhǎng)江流域平均年潛在蒸散量也較小。春季,各流域平均潛在蒸散量以東南諸河最小,其次為松花江和長(zhǎng)江流域,西南、西北諸河流域最大。夏季,西南諸河和松花江流域平均潛在蒸散量最小,北方大多數(shù)流域的平均潛在蒸散量大于南方,其中西北諸河流域最大。秋季,松花江流域最小,珠江流域最大,北方各流域平均潛在蒸散量大部分小于南方諸流域,這個(gè)特點(diǎn)與春夏季節(jié)有所不同;東南諸河、珠江流域,由于秋季光照條件好于春季前汛期,所以秋季潛在蒸散量大于春季,其他各流域秋季潛在蒸散量均小于春季。冬季,潛在蒸散量分布呈現(xiàn)明顯由南向北遞減態(tài)勢(shì)。3.2時(shí)間推移特征3.2.1流域蒸散量比較圖3反映了全國(guó)平均及十大流域年潛在蒸散量各年代和歷年變化情況。全國(guó)大多數(shù)流域20世紀(jì)60年代和70年代的平均年潛在蒸散量均較常年偏多,但遼河、珠江和淮河流域70年代偏少,西南諸河流域60年代偏少。80年代,除西南諸河流域較常年偏多外,其余流域均偏少,其中松花江、黃河、淮河以及東南諸河流域80年代的平均年潛在蒸散量為近50年最小值。90年代,除黃河流域較常年偏多外,大多數(shù)流域較常年同期偏少,遼河、海河、長(zhǎng)江、珠江、西南諸河、西北諸河等流域及全國(guó)平均值均為近50年來(lái)最小值,其余流域與80年代相比,出現(xiàn)回升趨勢(shì)。3.2.2不同流域的年潛在蒸散量變化表1為1956～2000年全國(guó)及十大流域年和四季潛在蒸散量變化趨勢(shì)。全國(guó)平均年潛在蒸散量隨時(shí)間變化呈減小趨勢(shì),變化速率為-1.18mm/a,45年共減少53.1mm,相對(duì)變化量為5.7%。減少趨勢(shì)通過(guò)了0.01的信度檢驗(yàn)。全國(guó)平均年潛在蒸散量的減少趨勢(shì)主要是由于夏、春、秋季的明顯減少造成的。在南方地區(qū),淮河、長(zhǎng)江、東南諸河及珠江流域年和夏季的潛在蒸散量均呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)(通過(guò)0.01或0.05的信度檢驗(yàn)),其中,長(zhǎng)江、東南諸河秋季、珠江春季蒸散量減少趨勢(shì)也十分明顯。西南諸河流域,四季及年值減少趨勢(shì)均不很明顯。北方各流域的變化情況稍微復(fù)雜一些。松花江流域因四季潛在蒸散量均呈現(xiàn)略增加趨勢(shì),導(dǎo)致年潛在蒸散量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但趨勢(shì)不明顯。其他流域年和四季值的變化以減少趨勢(shì)為主,但從總體上看,減少趨勢(shì)不太明顯。西北諸河流域年值及夏、秋、春季的值減少趨勢(shì)均十分明顯,通過(guò)0.01的信度檢驗(yàn)。遼河流域春季、海河流域年值減少趨勢(shì)也較明顯,分別通過(guò)0.01或0.05的信度檢驗(yàn)。黃河流域秋季、遼河流域冬季還略有增加趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比,采用Penman-Monteith方法估算的潛在蒸散量的變化趨勢(shì)與小型蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量變化情況基本一致,全國(guó)平均值及大多數(shù)流域也是以減少為主。3.31地域分布及年、月內(nèi)潛在蒸散量變化以1980年作為分界點(diǎn),將1956～2000年分為1956～1979年和1980～2000年前后兩個(gè)時(shí)段。時(shí)間段的選取主要考慮到全國(guó)第一次水資源綜合評(píng)價(jià)時(shí)段為1956～1979年;另一方面,進(jìn)入80年代后,氣候較前期發(fā)生明顯變化,尤其氣候變暖趨勢(shì)顯著,在這種情況下,潛在蒸散量變化如何,也是水資源研究非常關(guān)注的問(wèn)題。1980～2000年平均年潛在蒸散量,全國(guó)大部地區(qū)較1956～1979年時(shí)段有所減少,其中海河流域南部、黃河中下游、淮河流域西部、長(zhǎng)江流域中下游、東南諸河流域北部、珠江流域北部及新疆大部、河西走廊地區(qū)西部減少幅度較大,達(dá)40～100mm(圖4)。山東半島、長(zhǎng)江和黃河的源區(qū)、西南諸河流域的中西部及寧夏等地的部分地區(qū)潛在蒸散量略有增加。黃河源區(qū)自1980年以來(lái)潛在蒸散量的增加趨勢(shì)與李林等人研究結(jié)果一致。四季情況,1980～2000年與1956～1979年兩時(shí)段相比,春季,全國(guó)潛在蒸散量普遍減少,其中珠江流域東部、新疆南部等地減少20～40mm;松花江流域北部、淮河流域南部、山東半島及長(zhǎng)江中下游沿江一帶、長(zhǎng)江和黃河上游地區(qū)等地略有增加。春季為農(nóng)作物生長(zhǎng)需水關(guān)鍵期,潛在蒸散量的加大,表明干旱將更易發(fā)生,農(nóng)業(yè)需水增大,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水資源的利用不利。夏季,全國(guó)普遍減少的情況依然存在,其中黃河中下游、淮河大部、長(zhǎng)江中下游、東南諸河北部及新疆大部減少達(dá)20～80mm;青藏高原東部和南部,包括長(zhǎng)江、黃河源區(qū)及海南島、西北諸河流域東部等地有10mm左右的增加。秋季,全國(guó)仍以減少為主;僅東北平原、黃河上游、西南諸河西部及內(nèi)蒙古西部有增加。冬季,除松花江流域、遼河流域北部和東部、黃河源區(qū)及四川西部、內(nèi)蒙古西部等地略有增加外,其余大部則有20mm左右的減少(圖略)。從兩時(shí)段流域平均值對(duì)比來(lái)看(表2),全國(guó)及各流域年和四季1980～2000年時(shí)段的多年平均值較前一時(shí)段普遍減少,減少程度有明顯的空間和季節(jié)差異。年潛在蒸散量,海河、淮河、長(zhǎng)江、東南諸河、珠江、西北諸河等流域及全國(guó)平均值,較前一時(shí)段有明顯減少,通過(guò)信度為0.05或0.01的t檢驗(yàn),其中大部分地區(qū)年內(nèi)潛在蒸散量的減少主要發(fā)生在夏季,海河和珠江流域則為春季。其他流域后一時(shí)段的年和四季的潛在蒸散量除遼河春季和黃河夏季減少明顯外,總體上減少不是很明顯。松花江流域冬季和黃河流域秋季則略有增加。3.4影響潛在蒸散量的主要影響因子影響潛在蒸散量的因子很多,究竟哪個(gè)要素對(duì)中國(guó)近45年來(lái)的潛在蒸散量的變化起主要作用?我們采用對(duì)各流域年及四季的潛在蒸散量與同期各氣候要素求偏相關(guān)的方法,排除要素間的相互影響,選擇與潛在蒸散量關(guān)系密切的氣候要素。表3為全國(guó)及十大流域年和四季潛在蒸散量與各氣候因子的關(guān)系,可以看出,潛在蒸散量與日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、最高氣溫、最低氣溫呈正相關(guān),與相對(duì)濕度則呈負(fù)相關(guān)。對(duì)全國(guó)平均值以及大多數(shù)流域來(lái)講,日照時(shí)數(shù)或風(fēng)速或相對(duì)濕度是年和四季潛在蒸散量的主要影響因子,而最高氣溫和最低氣溫影響相對(duì)較弱。年潛在蒸散量的主要影響因子隨緯度變化而變化,松花江和遼河流域?yàn)橄鄬?duì)濕度,海河、黃河和西北諸河流域?yàn)轱L(fēng)速,其余南方各流域,日照時(shí)數(shù)為主要影響因子。對(duì)全國(guó)平均值而言,日照時(shí)數(shù)為主要的影響因子。春季,主要影響因子隨緯度變化的情況依然明顯,北方大多數(shù)流域,相對(duì)濕度或風(fēng)速與潛在蒸散量關(guān)系密切,而南方各流域潛在蒸散量受日照時(shí)數(shù)影響較大;夏季,受夏季風(fēng)的影響,除西北諸河流域外,日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度為主要的影響因子;秋冬季節(jié),相對(duì)濕度和風(fēng)速為主要影響因子,僅在少數(shù)流域如珠江、西南諸河流域,潛在蒸散量主要受日照時(shí)數(shù)的影響。究竟哪一個(gè)因子的變化對(duì)近45年來(lái)潛在蒸散量的變化趨勢(shì)起決定性作用,我們進(jìn)一步分析了同期每個(gè)氣候因子的變化趨勢(shì)。從表3可見(jiàn),大多數(shù)流域和全國(guó)平均值的年和四季的日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速在1956～2000年期間呈現(xiàn)顯著的減少趨勢(shì)。日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速的減少趨勢(shì)分別與陳隆勛等和王遵婭等的研究一致。日照時(shí)數(shù)與太陽(yáng)總輻射關(guān)系密切,二者變化趨勢(shì)基本一致,李曉文等認(rèn)為1960～1990年期間中國(guó)大部地區(qū)觀測(cè)的太陽(yáng)總輻射和直接輻射呈現(xiàn)的減少趨勢(shì)主要是由于大氣混濁度的增加和氣溶膠的增多造成的。王遵婭等認(rèn)為中國(guó)過(guò)去50年風(fēng)速的顯著減少趨勢(shì)主要與冬夏季風(fēng)不斷減弱有關(guān)。除了大氣環(huán)流因子外,下墊面的變化特別是城市化可能也是造成觀測(cè)風(fēng)速顯著減少的原因之一。顯著減少的日照時(shí)數(shù)(或太陽(yáng)總輻射)和風(fēng)速有可能是大多數(shù)流域潛在蒸散量近幾十年呈現(xiàn)減少的主要原因。對(duì)各流域和各季節(jié)來(lái)說(shuō),相對(duì)濕度的變化并不一致,并且變化趨勢(shì)總體上也不明顯,因此,可認(rèn)為它對(duì)多數(shù)地區(qū)潛在蒸散量變化趨勢(shì)的影響是次要的。但是在松花江流域,一年四季中相對(duì)濕度與潛在蒸散量關(guān)系非常緊密,在不斷減少的相對(duì)濕度和不斷增高的最高氣溫或最低氣溫共同影響下,潛在蒸散量呈現(xiàn)一定增加趨勢(shì)。總體上來(lái)講,每個(gè)流域年和四季的潛在蒸散量的變化是各種氣候因子綜合作用的結(jié)果。在這些因子中,主要影響因子的變化對(duì)潛在蒸散量的變化起到了關(guān)鍵性的作用,其他因子則因其與潛在蒸散量關(guān)系的緊密程度和其本身變化趨勢(shì)起到增加或抵消趨勢(shì)的作用。4影響中國(guó)潛在蒸散量的因素通過(guò)上述分析,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)1956～2000年多年平均年潛在蒸散量,十大流域中以西北諸河流域?yàn)樽畲?松花江流域最小。(2)全國(guó)平均值及大多數(shù)流域20世紀(jì)60年代和70年代的平均年潛在蒸散量均較常年偏多,80、90年代則偏少,其中松花江、黃河、淮河以及東南諸河流域80年代的