遼寧省潛在蒸散量演變規(guī)律及歸因分析

曹永強(qiáng),齊靜威,王 菲,李玲慧,路 潔

遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 大連 116029

潛在蒸散是指在一定的氣象條件下,水分充分供給時(shí)某一固定區(qū)域下墊面可能達(dá)到的最大蒸散量,它是水文循環(huán)以及能量平衡的重要環(huán)節(jié)[1]。潛在蒸散量在作物需水量、氣候條件以及水資源可持續(xù)發(fā)展等方面均得到了廣泛應(yīng)用[2],因此,研究潛在蒸散量也對(duì)作物需水量的計(jì)算、水資源的合理配置提供了重要依據(jù)。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)潛在蒸散量方面做了大量研究。國(guó)外傾向于對(duì)潛在蒸散量的估算方法研究,Valiantzas[3]介紹了計(jì)算潛在蒸散量的彭曼公式,認(rèn)為將本地平均風(fēng)速作為附加輸入時(shí),公式的結(jié)果精度會(huì)進(jìn)一步提高；Raziei和Pereira等[4]通過(guò)用彭曼公式對(duì)伊朗的潛在蒸散量進(jìn)行估算,認(rèn)為在伊朗東部、南部干旱和極度干旱的氣候條件下,一些站點(diǎn)的性能較差。國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家學(xué)者傾向于研究潛在蒸散量的時(shí)空變化特征,曹永強(qiáng)和李維佳[5]研究發(fā)現(xiàn)1966—2015年遼寧省的潛在蒸散量時(shí)空差異性顯著,并且在近50年整體上呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；鐘巧等[6]通過(guò)對(duì)博斯騰湖流域潛在蒸散量的計(jì)算發(fā)現(xiàn),該流域山區(qū)與平原年均潛在蒸散量都呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)；劉昌明和張丹[7]認(rèn)為我國(guó)各區(qū)域普遍存在“蒸發(fā)悖論”,全國(guó)范圍內(nèi),影響潛在蒸散量最敏感的氣象因子為水汽壓。

遼寧省地形由山地、丘陵、平原構(gòu)成,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,雨量不均,東濕西干,是氣候變化敏感地區(qū)之一,潛在蒸散量變化及氣象因子響應(yīng)對(duì)于氣候變化十分重要。研究潛在蒸散量變化及氣象因子響應(yīng),對(duì)遼寧省生態(tài)保護(hù)和作物生長(zhǎng)具有重要作用,但目前對(duì)潛在蒸散量與氣象因子敏感性分析較多,對(duì)遼寧省長(zhǎng)時(shí)間尺度下潛在蒸散量時(shí)空變異規(guī)律以及相關(guān)氣象因子的分析研究較少。因此,本文在已有研究成果基礎(chǔ)上,對(duì)遼寧省21個(gè)氣象站點(diǎn)1965—2017年的潛在蒸散量時(shí)空變異規(guī)律以及相關(guān)氣象因子進(jìn)行分析,為該區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化管理、作物合理布局及灌溉的高效利用建立提供一定參考依據(jù)。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 遼寧省氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial Distribution of Meteorological Stations in Liaoning Province

遼寧省位于中國(guó)東北地區(qū)的南部,118°53′—125°46′E,38°43′—43°26′N(xiāo)之間。南瀕黃、渤二海,雨熱同期,四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,多年平均氣溫7—11℃,年均降水量750 mm,年日照時(shí)數(shù)2543 h。

本文所需氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),選取遼寧省21個(gè)氣象站點(diǎn)1965—2017年逐日最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù),對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)采用線性插補(bǔ)法進(jìn)行處理,具體氣象站點(diǎn)的分布如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1Penman-Monteith(P-M)法

大量研究表明聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)在1998年修正的Penman-monteith(P-M)法是目前計(jì)算潛在蒸散量ET0最為精確和最常用的估算方法之一[8-9],其計(jì)算公式如下：

(1)

式中,ET0代表站點(diǎn)潛在蒸散量(mm)；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率值(kPa/℃)；Rn代表地面凈輻射量(MJ/m2)；G代表土壤熱通量(MJ m-2d-1)；γ代表濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；T代表日平均溫度(℃)；U2代表2 m高度處風(fēng)速(m/s)；es代表飽和水汽壓(kPa)；eα代表實(shí)際水汽壓(kPa/℃)[10]。各因子具體計(jì)算公式詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。

1.2.2小波分析法

Morlet小波分析目前多應(yīng)用于數(shù)學(xué)與工程領(lǐng)域,是一種強(qiáng)有力的處理非穩(wěn)定信號(hào)的統(tǒng)計(jì)工具。該方法能夠同時(shí)從時(shí)域和頻域揭示時(shí)間序列的局部特征[12],常用來(lái)分析氣候序列中所包含的周期性及其不均勻性。

1.2.3敏感系數(shù)

McCuen[13]于1973年提出敏感系數(shù)法,該方法基于偏導(dǎo)數(shù)的形式計(jì)算蒸散發(fā)變化量與氣象因子變化量之比,表達(dá)簡(jiǎn)潔操作簡(jiǎn)單。本文利用無(wú)量綱相對(duì)敏感系數(shù),分析遼寧省潛在蒸散量對(duì)各氣候因子變化的敏感程度。具體計(jì)算公式如下：

(2)

式中,Sv為潛在蒸散量ET0對(duì)某氣象因子x的敏感系數(shù),其特點(diǎn)在于通過(guò)變化率將各氣象因子無(wú)量綱化,便于不同氣象因子之間的比較[14],這種方法廣泛應(yīng)用于潛在蒸散量研究中。敏感系數(shù)的絕對(duì)值越小,氣象因子對(duì)ET0的影響越小[7]；敏感系數(shù)為正表明氣象因子與ET0變化趨勢(shì)一致,敏感系數(shù)為負(fù)則表明兩者變化趨勢(shì)相反。

1.2.4因子分析

因子分析是指從研究指標(biāo)內(nèi)部關(guān)系出發(fā),用少數(shù)或幾個(gè)潛在的具有代表性的公共因子去解釋原始數(shù)據(jù)的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[15]。本文采用SPSS軟件對(duì)遼寧省1965—2017年的21個(gè)氣象站點(diǎn)影響潛在蒸散量的5個(gè)氣象因子進(jìn)行因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)空變化特征

2.1.1遼寧省ET0年際變化特征

遼寧省ET0年際變化如圖2所示。由圖可知,1965—2017年遼寧省年平均ET0呈顯著下降趨勢(shì),變化率為2.89 mm/a。多年平均值955.82 mm,2010年出現(xiàn)ET0最小值,為820.90 mm,1974年出現(xiàn)ET0最大值,為1149.16mm；整體上來(lái)看,遼寧省ET0年際變化較大,呈現(xiàn)階段性起伏變化,反映了氣象因子對(duì)潛在蒸散量的影響。在M-K突變檢測(cè)中(圖3),由潛在蒸散量UF曲線可知,1965—2017年遼寧省ET0呈下降趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB交點(diǎn)的位置,確定UF和UB曲線在1978年出現(xiàn)突變點(diǎn),表明遼寧省潛在蒸散量在1978年發(fā)生下降趨勢(shì)突然增大的現(xiàn)象。1965—1978年ET0呈減少趨勢(shì),但并未超過(guò)0.05顯著水平臨界線(-1.96),表明1978年以前遼寧省潛在蒸散量減少趨勢(shì)不明顯。1978—2017年ET0減少的趨勢(shì)超過(guò)0.05顯著水平臨界線,表明1978年以后遼寧省潛在蒸散量下降趨勢(shì)十分顯著。1975—1980年遼寧省降水量大幅減少[16],也可能是潛在蒸散量下降的原因。

圖2 遼寧省潛在蒸散發(fā)量時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Time trend of ET0 in Liaoning Province

圖3 潛在蒸散發(fā)量M-K檢驗(yàn)結(jié)果Fig.3 M-K test results of potential evapotranspiration

圖4 潛在蒸散量變化趨勢(shì)空間分析Fig.4 Spatial distribution of ET0 trend test results

對(duì)遼寧省21個(gè)氣象站點(diǎn)潛在蒸散量的趨勢(shì)變化進(jìn)行分析,并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。如圖4所示,遼寧省21個(gè)氣象站點(diǎn)中有20個(gè)氣象站點(diǎn)潛在蒸散量呈遞減趨勢(shì),其中14個(gè)氣象站點(diǎn)通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn),3個(gè)氣象站點(diǎn)通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn),僅有3個(gè)氣象站點(diǎn)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(瓦房店站、營(yíng)口站、彰武站)。僅有1個(gè)氣象站點(diǎn)潛在蒸散量呈遞增趨勢(shì)(阜新縣站),且未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。整體來(lái)看,遼寧省21個(gè)氣象站點(diǎn)潛在蒸散量呈下降趨勢(shì)變化。

2.1.2周期變化分析

將各年份ET0通過(guò)小波分析得出小波變換等值線及小波方差圖(圖5)。從圖5可知,小尺度變化鑲嵌在較大尺度下的復(fù)雜環(huán)境當(dāng)中。1965—2017年遼寧省ET0在20—35年尺度上振蕩周期最明顯,ET0在周期震蕩中存在“大—小—大”的變化特征,此外,在13—15年尺度上也存在若干小周期循環(huán)。為了進(jìn)一步明確ET0隨時(shí)間變化的主周期,繪制小波方差分析圖,分析得出：遼寧省ET0在35年左右尺度下的小波方差極值最大,是主周期；其次在20年左右還存在一個(gè)峰值,峰值數(shù)值較小,為次周期,即遼寧省潛在蒸散量在35年左右會(huì)經(jīng)歷由多變少的變化過(guò)程。

圖5 遼寧省ET0周期變化特征Fig.5 Characteristics of ET0 periodic change in Liaoning Province

圖6 潛在蒸散量空間分布Fig.6 Spatial distribution of ET0

2.1.3遼寧省ET0空間變化特征

對(duì)ET0多年平均數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析(圖6)發(fā)現(xiàn),遼寧省年均潛在蒸散量地域差異十分顯著,表現(xiàn)出由西向東逐漸減小的趨勢(shì),最高值(1043.58 mm)出現(xiàn)在遼寧省西部的朝陽(yáng)站,朝陽(yáng)地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū),北部為內(nèi)蒙古高原,經(jīng)常性風(fēng)速較大的干燥冷空氣侵入,是造成該地區(qū)潛在蒸散量大的重要原因。最低值(497.52 mm)位于遼寧東部的清原站,由于所處地區(qū)氣候特點(diǎn)不同導(dǎo)致各區(qū)域潛在蒸散量存在明顯空間差異。遼寧西部地區(qū)位于遼寧遼河以西與內(nèi)蒙古河北接壤處,氣候類(lèi)型為半干旱氣候[17],該區(qū)域日照豐富,所以潛在蒸散量較大。遼寧東部地區(qū)位于遼河以東,該區(qū)瀕臨黃海、渤海,氣候濕潤(rùn),降水量較多,相對(duì)濕度偏大,是潛在蒸散量較小的主要原因。

2.2 敏感性分析

為了研究遼寧省ET0對(duì)氣候變化的敏感程度,綜合考慮遼寧省各地的氣候特點(diǎn)以及省內(nèi)空間分布,選取葉柏壽站、清原站、大連站、開(kāi)原站、營(yíng)口站、錦州站、鞍山站、丹東站、撫順站以及本溪站10個(gè)氣象站作為研究對(duì)象,計(jì)算10個(gè)氣象站潛在蒸散量對(duì)氣候因子的敏感系數(shù)(表1)。10個(gè)氣象站的潛在蒸散量對(duì)相對(duì)濕度的敏感系數(shù)皆為負(fù)值,且敏感系數(shù)的絕對(duì)值也最大,大連更達(dá)到了1.21,表明如果相對(duì)濕度減少10%,則潛在蒸散量增加12.1%。潛在蒸散量與最低氣溫、最高氣溫、平均風(fēng)速以及日照時(shí)數(shù)均呈正敏感,這4個(gè)影響因子中,潛在蒸散量對(duì)最高氣溫、平均風(fēng)速及日照時(shí)數(shù)的敏感系數(shù)十分接近。潛在蒸散量對(duì)最低氣溫的敏感系數(shù)最小,幾乎為零,敏感性最低,主要原因是夜晚溫度一般為一天中的最低氣溫,而夜晚是一天中蒸散發(fā)最弱的時(shí)間,這與李耀軍等[18]研究甘肅省潛在蒸散量的研究結(jié)果一致。從空間尺度上來(lái)看,在經(jīng)度和緯度改變的情況下,計(jì)算發(fā)現(xiàn)ET0對(duì)最低氣溫、最高氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)的敏感系數(shù)基本保持不變,而相對(duì)濕度在經(jīng)度、緯度變化的情況下呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律的起伏變化趨勢(shì),并且潛在蒸散量對(duì)相對(duì)濕度的敏感系數(shù)在各種情況下絕對(duì)值都為最大,這說(shuō)明潛在蒸散量對(duì)相對(duì)濕度的敏感性最高,不因地區(qū)的不同而改變。

2.3 因子分析

本文利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件,得出所選取的5個(gè)氣象因子的共同度取值都在0.5以上,表明適合采用因子分析。由表2可知,成分1是方差貢獻(xiàn)最大的一個(gè)主成分,方差貢獻(xiàn)率為53.999%。另外,在5個(gè)變量因子中,其起始特征值大于1的有2個(gè)成分,這2個(gè)成分的方差貢獻(xiàn)率分別為53.999%、27.658%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為81.658%,這說(shuō)明了起始特征值大于1的有2個(gè)成份可以解釋原來(lái)5個(gè)變量81.658%的信息,表示分析時(shí)只需提取前2個(gè)公共因子即可。

通過(guò)因子分析法提取兩個(gè)主成分進(jìn)行主成分分析,得到各主成分的荷載矩陣(表3)。

第一個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率(53.999%)最大,主要在最高氣溫上的荷載較大,表明氣溫上升是潛在蒸散量升高的主要影響因子,但潛在蒸散量不僅只隨溫度改變而變化,其他氣象因子的作用也影響潛在蒸散量的變化。其中在相對(duì)濕度上荷載為-0.244,表明相對(duì)濕度增加,潛在蒸散量反而減少。

第二個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率(27.658%)明顯低于第一個(gè)主成分。第二個(gè)主成分主要在平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)兩個(gè)指標(biāo)上的荷載較大,說(shuō)明平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的增加在某種程度上成為潛在蒸散量上升的因素,相對(duì)濕度在第二主成分的荷載為-0.262,說(shuō)明相對(duì)濕度對(duì)潛在蒸散量的上升有制約作用。綜上所述,最高氣溫、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速對(duì)區(qū)域潛在蒸散量影響顯著,相對(duì)濕度對(duì)區(qū)域潛在蒸散量呈負(fù)相關(guān)影響。不同因子對(duì)潛在蒸散量影響程度不同,其中平均風(fēng)速是潛在蒸散量的主要影響因子,遼寧省地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),受天氣系統(tǒng)及海陸熱力差異影響,平均風(fēng)速較大,尤其東南部沿海地區(qū)[19]。但近35年中國(guó)地面風(fēng)速呈遞減趨勢(shì),東北地區(qū)平均風(fēng)速下降趨勢(shì)最為明顯[20]。遼寧省處在東亞季風(fēng)區(qū),有研究表明,溫室氣體的排放及氣溶膠的變化,導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)正處在減弱趨勢(shì)時(shí)期,季風(fēng)減弱則導(dǎo)致平均地面風(fēng)速下降[21],該變化是造成遼寧省潛在蒸散量呈下降趨勢(shì)的重要因素。由于人類(lèi)破壞環(huán)境愈發(fā)嚴(yán)重,太陽(yáng)輻射量日漸減少,日照時(shí)數(shù)也呈減少趨勢(shì),導(dǎo)致地面接收的輻射能量減少,潛在蒸散量下降。據(jù)研究表明,遼寧省近些年及未來(lái)40年氣候呈暖干趨勢(shì)[22],相對(duì)濕度下降,促進(jìn)潛在蒸散量上升,但由于最低氣溫、最高氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速4個(gè)氣象因子與潛在蒸散量呈正相關(guān),與相對(duì)濕度的負(fù)相關(guān)抵消,從而最終導(dǎo)致潛在蒸散量整體呈下降趨勢(shì)。

表1 10個(gè)氣象站潛在蒸散量氣候敏感系數(shù)

表2 因子分析過(guò)程解釋的總方差表

提取方法為主成分分析

表3 潛在蒸散發(fā)影響因子主成分分析表

3 結(jié)論

(1)從時(shí)空變異規(guī)律來(lái)看,遼寧省1965—2017年潛在蒸散量多年平均值為955.82 mm,變化速率為2.89 mm/a,下降趨勢(shì)顯著。在空間上不同地區(qū)的潛在蒸散量差異明顯,表現(xiàn)出由西向東逐漸減少的趨勢(shì)。

(2)遼寧省潛在蒸散量對(duì)相對(duì)濕度的敏感性為負(fù),且最為敏感；對(duì)最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)均呈正敏感,且對(duì)最低氣溫敏感性最小,幾乎為零。在經(jīng)度和緯度改變的情況下,最高氣溫、風(fēng)速、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)的敏感性幾乎沒(méi)有改變,而相對(duì)濕度的敏感性呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的階段性起伏變化。

(3)平均風(fēng)速是潛在蒸散量變化的主要影響因子,相對(duì)濕度與潛在蒸散量呈負(fù)相關(guān),表明相對(duì)濕度增加,則潛在蒸散量呈減少趨勢(shì)。幾個(gè)氣象因子綜合作用導(dǎo)致遼寧省潛在蒸散量呈顯著下降趨勢(shì)。

4 討論

本文基于小波分析、敏感性分析和因子分析,定量分析與定性分析相結(jié)合,深入研究了遼寧省潛在蒸散量的時(shí)空變化特征及成因。結(jié)果表明,遼寧省近53年年均潛在蒸散量呈下降趨勢(shì),平均風(fēng)速與日照時(shí)數(shù)的減少是遼寧省潛在蒸散量下降的主要原因,氣溫上升并未導(dǎo)致潛在蒸散量上升,表明遼寧省存在“蒸發(fā)悖論”的現(xiàn)象,這與叢振濤等[23]東北地區(qū)的研究結(jié)果一致。但是本文僅從潛在蒸散量傳統(tǒng)公式方面分析了它的時(shí)空變化特征,并未通過(guò)“蒸發(fā)悖論”成因與規(guī)律探究遼寧省潛在蒸散量的變化趨勢(shì),結(jié)合下墊面要素、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人為因素對(duì)潛在蒸散量的影響,潛在蒸散量的變化趨勢(shì)特征還有待進(jìn)一步探討。另外,影響因子分析中發(fā)現(xiàn)平均風(fēng)速下降是遼寧省潛在蒸散量下降的主要影響因子,但本文僅僅進(jìn)行了初步探究,其他氣象要素以及植被、人為因素、地形等對(duì)潛在蒸散量的影響需要進(jìn)一步研究。