東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量的變化特征分析＊

陳 莉,方麗娟,李 帥

(1.黑龍江省哈爾濱市氣象局,黑龍江哈爾濱 150080;2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所,黑龍江哈爾濱 150030)

在所有自然災(zāi)害中,旱災(zāi)影響的范圍最廣、影響的人口最多。據(jù)民政部統(tǒng)計(jì),1989-1998年,干旱所造成的災(zāi)害在所有氣象災(zāi)害中占50%,1999-2005年,達(dá)到60%以上[1]。東北地處我國(guó)中高緯度,是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地,更是氣候變化較敏感的季風(fēng)氣候區(qū)。近百年來(lái)東北溫度增加了1.43℃,是全球增溫率的2倍,全國(guó)增溫率的3倍[2]。在全球氣候變暖的背景下,東北地區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有直接和決定性影響的水熱狀況發(fā)生了一定的變化,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受降水制約的矛盾也突顯出來(lái)。謝安等[3]、孫永罡等[4]采用氣溫和降水組成的大氣干旱指數(shù),分析得出東北三省干旱化趨勢(shì)北部大于南部,東北三省干旱化日益嚴(yán)重;王亞平等[5]研究得出黑龍江省大部、吉林東部進(jìn)入1980年代后增濕傾向明顯;孫鳳華等[6]研究表明,在東北地區(qū)降水總量具有減少趨勢(shì)的背景下,降水事件還有向極端化發(fā)展的傾向,從而可能引起更多、更強(qiáng)的旱澇災(zāi)害;侯依玲等[7]研究表明,1980年代起東北北部有暖濕化趨勢(shì),但南部的暖干化一直在加劇。王石立等[8]通過(guò)對(duì)1961-2000年?yáng)|北地區(qū)大氣干濕程度及水熱匹配狀況變化的研究表明,1990年代中后期出現(xiàn)暖干化趨勢(shì),并由春季轉(zhuǎn)至夏季,西部和南部比較明顯。孫力等[9]研究表明潛熱蒸發(fā)加大和降水共同導(dǎo)致1990年代以來(lái),東北地區(qū)呈現(xiàn)較強(qiáng)的變干趨勢(shì)。以上研究所得結(jié)論不盡相同,其對(duì)農(nóng)作物的影響也不盡相同,究竟東北地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵期的5-9月干、濕狀況如何,一個(gè)重要的因素就是潛在蒸散量的變化情況,到目前為止,有關(guān)東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量研究成果還比較少,本文將對(duì)東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量的空間分布特征及時(shí)間變化特征進(jìn)行分析。

1 資料和方法

1.1 資料

采用黑龍江、吉林和遼寧省三省建站時(shí)間較早的72個(gè)國(guó)家基本站(圖1)的歷年逐月資料。氣象要素包括平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等6項(xiàng),研究年份為1960-2008年,研究時(shí)段為農(nóng)作物的生長(zhǎng)季5-9月。

圖1 研究選用的東北三省72個(gè)臺(tái)站分布示意圖

1.2 方法

1.2.1 潛在蒸散量計(jì)算方法

潛在蒸散(發(fā))量PE(Potential evapotranspiration)稱最大蒸發(fā)量或蒸發(fā)力,是指下墊面足夠濕潤(rùn)條件下(包括了地上植被含水量和林地土壤含水量均達(dá)到飽和以上的情況),水體保持充分供應(yīng)的蒸發(fā)量。自然界的各種蒸發(fā)過(guò)程,其過(guò)程由大氣的狀況和下墊面自身的狀況共同決定。

計(jì)算潛在蒸散量的公式比較多,如用溫度計(jì)算作物生長(zhǎng)季農(nóng)田蒸發(fā)力的謝良尼諾夫法、考慮溫度及日長(zhǎng)的桑斯威特法、根據(jù)水量平衡方程方程進(jìn)而得出蒸發(fā)力經(jīng)驗(yàn)公式的丘克法、彭曼綜合法、布德柯綜合法、Thronthwaite、Hargreaves公式、高橋浩一郎陸面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?。我?guó)學(xué)者采用不同的方法得出了一些有意義的結(jié)論[10-15]。

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)專家認(rèn)為,從農(nóng)業(yè)的角度分析氣候干濕狀況應(yīng)當(dāng)考慮農(nóng)作物生長(zhǎng)季的降水量和蒸散量,而Penman-Monteith(P-M)模型考慮了植被生理特征,以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ),大量的試驗(yàn)結(jié)論表明在世界范圍用P-M模型計(jì)算的參考作物蒸散與實(shí)測(cè)值最為接近,1998年FAO就將P-M模型確定為計(jì)算參考作物蒸散的標(biāo)準(zhǔn)方法。本文就采用P-M模型[16]計(jì)算潛在蒸散量。該模型定義了參考作物,其高度為0.12 m,阻抗為70 s/m,反射率為0.23,類似于表面開(kāi)闊,高度一致,生長(zhǎng)旺盛,完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地。該潛在蒸散量亦稱為參考蒸散量,計(jì)算式為:

式中:ET0為潛在蒸散(mm/d);Rn為凈輻射(MJ/(m2·d));G為土壤熱通量(MJ/(m2·d));T為月平均氣溫(℃);u2為2 m高處風(fēng)速(m/s);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實(shí)際水汽壓(kPa);Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa/℃);γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

逐年5-9月各月的潛在蒸散量之和,即為逐年生長(zhǎng)季潛在蒸散量。

1.2.2 氣候統(tǒng)計(jì)方法

氣候統(tǒng)計(jì)方法主要包括經(jīng)驗(yàn)正交展開(kāi)(EOF)方法、MK突變分析方法、趨勢(shì)系數(shù)和變化速率分析[17]等統(tǒng)計(jì)方法。

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(kāi)(EOF)[18-19]是已被氣象科學(xué)廣泛采用的統(tǒng)計(jì)方法,它是把隨時(shí)間變化的氣象要素場(chǎng)分解為空間函數(shù)部分和時(shí)間函數(shù)部分?？臻g函數(shù)部分概括場(chǎng)的空間特征,它不隨時(shí)間變化;而時(shí)間函數(shù)部分則由空間點(diǎn)(變量)的線形組合所構(gòu)成,稱為主分量,它只與時(shí)間有關(guān),研究這些主分量隨時(shí)間變化的規(guī)律就可以代替對(duì)場(chǎng)隨時(shí)間變化的研究。

文中采用M ann-Kendall(簡(jiǎn)稱M K)法對(duì)潛在蒸散量進(jìn)行突變分析。M K方法[20]以氣候序列平穩(wěn)為前提,并且這序列是隨機(jī)獨(dú)立的,其概率分布等同。

在原假設(shè)H0:氣候序列沒(méi)有變化的情況下,設(shè)此序列為x1,x2,…,xN,mi表示第i個(gè)樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)。

定義一統(tǒng)計(jì)量:

在原序列的隨機(jī)獨(dú)立等假定下,dk的均值和方差分別為:

將dk標(biāo)準(zhǔn)化:u(dk)為標(biāo)準(zhǔn)分布,其概率α1=prob(u＞u(dk))可以通過(guò)計(jì)算或查表獲得,給定一顯著水平α0,當(dāng)α1＞α0時(shí),接受原假設(shè)H0,反之,則拒絕原假設(shè),它表示此序列將存在一個(gè)強(qiáng)的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)。所有u(dk)(1≤k≤N)將組成一條曲線C1,通過(guò)信度檢驗(yàn)可知其是否有變化趨勢(shì)。

為了反映潛在蒸散量的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化,本文計(jì)算了潛在蒸散量時(shí)間序列與自然數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù),稱為趨勢(shì)系數(shù)[21]。由于消去了氣象要素的均方差和單位對(duì)線性回歸系數(shù)數(shù)值大小的影響,從而可以在不同的地理位置、不同的氣候要素之間比較趨勢(shì)變化的大小,同時(shí)對(duì)計(jì)算的趨勢(shì)系數(shù)還可以進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。趨勢(shì)系數(shù)為正(負(fù))時(shí),表示氣候要素在所統(tǒng)計(jì)的時(shí)間內(nèi)有線性增加(減少)的趨勢(shì)。在分析潛在蒸散量的長(zhǎng)期變化速率時(shí),采用最小二乘法計(jì)算氣象要素值與時(shí)間的線性回歸系數(shù),即得到變化速率。

2 潛在蒸散量的空間分布特征

2.1 空間分布的基本特征

通過(guò)式(1),計(jì)算了東北三省72個(gè)站逐年生長(zhǎng)季的潛在蒸散量,而后得到了各站1960-2008年近50年的生長(zhǎng)季潛在蒸散量平均值(圖2)。

圖2 東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量歷年平均值(mm)

從圖2可以看出,東北三省生長(zhǎng)季潛在蒸散量的歷年平均空間分布的總體特征是南多北少,隨著緯度的增加,等值線的緯向性分布越來(lái)越明顯;分省來(lái)看,遼寧、吉林、黑龍江潛在蒸散量依次遞減,遼寧普遍超過(guò)550 mm,吉林各站普遍超過(guò)500 mm。潛在蒸散量大值區(qū)位于遼西地區(qū),葉柏壽、阜新、朝陽(yáng)潛在蒸散量均超過(guò)650 mm,其中葉柏壽潛在蒸散量最大,達(dá)833 mm。黑龍江各站潛在蒸散量普遍低于500 mm,大致在48°N以北,潛在蒸散量普遍小于350 mm,極小值位于黑龍江省最北部的漠河,生長(zhǎng)季潛在蒸散量?jī)H為182.5 mm。

2.2 空間分異特征

為了研究東北三省生長(zhǎng)季潛在蒸散量的空間分異特征,對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)正交展開(kāi)(EOF)。前兩個(gè)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)率為57.9%,解釋了東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量場(chǎng)的方差的一半以上,因此就分析前兩個(gè)特征向量就可以抓到主要信息。圖3為東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量EOF展開(kāi)的EOF1和EOF2的空間分布圖。

第一特征向量占43.9%,全區(qū)符號(hào)一致,它反映了東北生長(zhǎng)季潛在蒸散量變化在空間上有很好的一致性,也就是說(shuō),東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量的多與否并非局地現(xiàn)象,而是一個(gè)大范圍的現(xiàn)象。第二特征向量解釋方差為14%,空間圖上反映了東北地區(qū)南、北的反向變化(即南正北負(fù)或南負(fù)北正的特征),0線位置大致位于吉林省中北部的敦化、蛟河、長(zhǎng)春、前郭爾羅斯、通榆一線。

圖3 東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量EOF1和EOF2空間分布和時(shí)間變化圖

3 潛在蒸散量與降水、氣溫的關(guān)系

對(duì)1960-2008年?yáng)|北三省72個(gè)站潛在蒸散量與降水進(jìn)行了相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)分布如圖4所示?？梢钥闯?潛在蒸散量與降水主要呈反相關(guān)關(guān)系,即降水越多,潛在蒸散量越小,遼寧、黑龍江大部相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn),其大值區(qū)位于黑龍江北部的孫吳和北安,相關(guān)系數(shù)超過(guò)了-0.6。黑龍江南部部分地區(qū)和吉林大部地區(qū),相關(guān)系數(shù)沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn),尤其是吉林東部的延吉、三岔河、松江,潛在蒸散量與降水呈微弱的正相關(guān),可能是由于這些地區(qū)位于長(zhǎng)白山迎風(fēng)坡,降水不多,但多云天氣較多,使得潛在蒸散量相對(duì)并不多,這還有待于進(jìn)一步研究。

對(duì)1960-2008年?yáng)|北三省72個(gè)站潛在蒸散量與氣溫進(jìn)行了相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)如圖4所示。潛在蒸散量與氣溫的相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與降水的相關(guān),東北三省大部地區(qū)正相關(guān)均通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn),這說(shuō)明氣溫越高、潛在蒸散量越大,其中大值區(qū)位于黑龍江北部,相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.8。只有吉林東部部分地區(qū)正相關(guān)沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn),這些地區(qū)與上述分析的潛在蒸散量與降水的正相關(guān)區(qū)大體一致,可能也是由于多云天氣較多,使得溫度相對(duì)不高,潛在蒸散量變化不敏感所致。

圖4 東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量與降水量、氣溫的相關(guān)系數(shù)分布圖(等值線間隔0.1;網(wǎng)狀和條紋狀陰影分別代表通過(guò)0.01、0.05顯著性檢驗(yàn))

4 潛在蒸散量的時(shí)間變化特征

4.1 代表東北區(qū)、東北南部、東北北部生長(zhǎng)季潛在蒸散量序列的定義

由于EOF1的空間特征是全區(qū)大部一致性,且占據(jù)了較大比重,我們用東北區(qū)全區(qū)72個(gè)站潛在蒸散量的平均值代表東北地區(qū),該序列命名為PE1。

EOF2的空間特征反映的是在全區(qū)一致性變化的基礎(chǔ)上,南、北反向變化的特征,解釋方差為14%。因此,根據(jù)EOF2的空間分布,以0線為分界線,以北的34個(gè)站均值序列代表東北地區(qū)北部,該序列命名為PEN;以南的38個(gè)站均值序列代表東北地區(qū)南部,命名為PES。

4.2 潛在蒸散量的氣候變化趨勢(shì)

1960-2008 年?yáng)|北生長(zhǎng)季潛在蒸散量呈增加趨勢(shì),變化速率為21.3 mm/10a。東北北部、東北南部生長(zhǎng)季潛在蒸散量也均呈增加趨勢(shì),且北部增加趨勢(shì)明顯強(qiáng)于南部,北部和南部近50年生長(zhǎng)季潛在蒸散量的變化速率分別為24.5 mm/10a和18.4 mm/10a。經(jīng)計(jì)算,東北區(qū)、東北北部、東北南部近50年的趨勢(shì)系數(shù)分別為0.415 4(通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn))、0.494 4(通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn))和0.283 9(通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn))?？梢?jiàn)東北區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量近50年增加趨勢(shì)是顯著的(表1)。

表1 1960-2008年?yáng)|北區(qū)、東北北部、東北南部生長(zhǎng)季(5-9月)及逐月潛在蒸散量的趨勢(shì)系數(shù)和變化速率

在5-9月這5個(gè)月中,東北區(qū)各月潛在蒸散量均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),其中9月增加趨勢(shì)通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),變化速率為38 mm/10a;5月增加趨勢(shì)通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn),變化速率為15.9 mm/10a;7月增加趨勢(shì)最微弱。

東北北部各月潛在蒸散量也均表現(xiàn)出增加趨勢(shì),其中5月、9月增加趨勢(shì)通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),變化速率分別為17.5 mm/10a和35.4 mm/10a;8月增加趨勢(shì)通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn),變化速率為33.3 mm/10a;7月增加趨勢(shì)較弱。

東北南部潛在蒸散量5、6、8、9月表現(xiàn)出增加趨勢(shì),而7月則出現(xiàn)較弱的減少趨勢(shì)。9月增加趨勢(shì)通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),變化速率為40.2 mm/10a。

4.3 東北區(qū)潛在蒸散量的突變分析

對(duì)PE1、PEN、PES三條時(shí)間序列進(jìn)行5點(diǎn)高斯滑動(dòng)后,進(jìn)行了MK突變分析,結(jié)果如圖5所示。東北區(qū)、東北北部、東北南部潛在蒸散量分別在1995年、1994年、1995年發(fā)生了突變,也就是說(shuō),無(wú)論是東北區(qū)、還是東北北部、東北南部,潛在蒸散量在1990年代中期后發(fā)生了明顯的增加,這與該區(qū)氣溫在1990年代中期顯著增加是相一致的。

5 討論

圖5 東北區(qū)、東北北部、東北南部序列生長(zhǎng)季潛在蒸散量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)曲線(實(shí)線為C1,虛線為C2)

采用FAO推薦的P-M模型計(jì)算了東北三省72個(gè)臺(tái)站近50年來(lái)生長(zhǎng)季的潛在蒸散量,研究表明:東北地區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量的變化存在明顯的一致變化性,在變化一致的基礎(chǔ)上,具有南北反向變化的特點(diǎn)。近50年來(lái),東北全區(qū)平均生長(zhǎng)季潛在蒸散量變化速率為21.3 mm/10a,通過(guò)了顯著性檢驗(yàn),其中9月潛在蒸散量增加趨勢(shì)最為明顯;東北北部生長(zhǎng)季潛在蒸散量也呈現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì),變化速率為24.5 mm/10a,其中5、9月增加趨勢(shì)顯著;東北南部潛在蒸散量增加趨勢(shì)的顯著性弱于東北區(qū)和東北北部,但其中9月增加趨勢(shì)仍通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn)。東北全區(qū)、東北北部、東北南部生長(zhǎng)季潛在蒸散量在1990年代中期存在突變。

研究所得到的東北區(qū)生長(zhǎng)季潛在蒸散量顯著增加的結(jié)論與文獻(xiàn)[5]有所不同,文獻(xiàn)[5]中提到東北區(qū)1980年到2005年間全年潛在蒸散量比1960-1979年略有減少,主要原因是文獻(xiàn)[5]把P-M模型應(yīng)用到了全年,而東北地區(qū)冬季冰雪覆蓋時(shí)間較長(zhǎng),下墊面與P-M模型所要求的綠色植被差別較大。

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