中國(guó)潛在蒸散量時(shí)空變化分析

吳 霜 延曉冬 楊伯鋼 于恬恬 張 建

(1. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100045; 2. 北京師范大學(xué) 地理學(xué)科學(xué)學(xué)部 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 3. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038; 4. 城市空間大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用研究 楊伯鋼職工創(chuàng)新工作室, 北京 100038)

0 引言

蒸散量(evapotranspiration,ET)是從地球表面到大氣的蒸發(fā)量和植物蒸騰量的總和,蒸散量是地球表面和大氣之間水熱平衡的最重要組成部分之一。此外,蒸散量的變化與地表溫度、降水量、太陽(yáng)輻射等氣候要素密切相關(guān),是氣候變化的影響因素之一。因此,研究蒸散量的變化在氣候變化研究中具有重要意義。

潛在蒸散量(potential evapotranspiration,PET)作為蒸發(fā)的理論上限,是研究氣候干濕狀態(tài)[1-2],是農(nóng)業(yè)研究中分析作物需水量[3-4],水量供需平衡的主要因子之一[5-6]。以往的研究大多數(shù)著重于對(duì)中國(guó)近幾十年不同領(lǐng)域潛在蒸發(fā)對(duì)氣候因子和氣候變化的影響以及干旱期間氣候因子對(duì)潛在蒸發(fā)的影響[7-9]。伴隨著中國(guó)極端事件發(fā)生頻率的增加,氣候變化趨勢(shì)日漸明顯[10-11],潛在蒸散量也隨之發(fā)生著變化。盡管如此,很少研究指出百年間中國(guó)地表潛在蒸散量在時(shí)空中的變化特征。本文對(duì)中國(guó)百年潛在蒸散量進(jìn)行分析,分別從時(shí)間和空間兩個(gè)方面闡述中國(guó)潛在蒸散量的變化特征。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 潛在蒸散量

2014年,Harris等人[12]根據(jù)世界各地氣象站的月度觀測(cè)更新了高分辨率網(wǎng)格化氣候數(shù)據(jù)集(CRU TS 3.22),并由東英吉利大學(xué)氣候研究室發(fā)布。該數(shù)據(jù)集提供了10個(gè)地表氣候變量的1901—2013年月平均值,空間分辨率為0.5°×0.5°,覆蓋全球陸地。數(shù)據(jù)來(lái)源于世界氣象組織和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局[12]。源數(shù)據(jù)既不包括衛(wèi)星觀測(cè),也不使用模式同化。同時(shí),使用相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法整合和內(nèi)插數(shù)據(jù)源[13]。值得說(shuō)明的是,其在中國(guó)地區(qū)使用的臺(tái)站資料包括了國(guó)家氣候中心對(duì)外發(fā)布的160個(gè)氣候基準(zhǔn)站的觀測(cè)資料,這些觀測(cè)資料對(duì)中國(guó)區(qū)域數(shù)據(jù)的插值帶來(lái)有意義的信息。本文分析的潛在蒸散量(PET)數(shù)據(jù)來(lái)自CRU TS 3.22,利用聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)提供的Penman Monteith方法[14]計(jì)算估算得到的。

本次研究中,將1901—2013年從后至前劃分為三個(gè)時(shí)間段,分別從時(shí)間和空間兩個(gè)角度對(duì)三個(gè)時(shí)間段的潛在蒸散量變化進(jìn)行分析。特別說(shuō)明的是,本次研究中第一個(gè)時(shí)間段為53年(即1901—1953年,后文用P1表示),第二、三個(gè)時(shí)間段均為30年(分別為1954—1983年和1984—2013年,后文分別用P2和P3表示)。如此劃分是由于若均按照30年為一個(gè)氣候態(tài)進(jìn)行劃分,1901—1923年不滿(mǎn)30年,而目前的研究主要關(guān)注20世紀(jì)50年代至今的潛在蒸散量變化,故此次將1901—1953年作為一個(gè)時(shí)間序列進(jìn)行研究,不再進(jìn)行更細(xì)的時(shí)間劃分。

1.2 氣候傾向率分析

氣候傾向率的算法為：設(shè)某站某氣象要素時(shí)間序列為y1、y2、…yi、…yn,它可以用一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)表示。

(1)

式中,y為氣象要素對(duì)應(yīng)的變化率,單位與氣象要素單位相一致;t為時(shí)間,單位為年。一般來(lái)講,溫度和降水的氣候趨勢(shì)用一次直線方程和二次曲線方程就能滿(mǎn)足。這里用一次直線方程來(lái)定量描述,即y(t)=a0+a1t1,則趨勢(shì)變化率方程為dy(t)/dt=a1,把a(bǔ)1×10稱(chēng)做氣候傾向率,其單位為℃/10 a或mm/10 a,方程中的系數(shù)可用最小二乘法或經(jīng)驗(yàn)正交多項(xiàng)式來(lái)確定。

1.3 相關(guān)性分析

相關(guān)分析(correlation analysis)是研究現(xiàn)象之間是否存在某種依存關(guān)系,并對(duì)具有依存關(guān)系的現(xiàn)象探討其相關(guān)方向以及相關(guān)程度,是研究隨機(jī)變量之間的相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法。文中采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)法對(duì)相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算。皮爾遜相關(guān)系數(shù)法是用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)集合是否在一條直線上,用來(lái)衡量定距連續(xù)變量間的線性關(guān)系。其計(jì)算公式為

(2)

2 結(jié)果

2.1 潛在蒸散量逐年變化趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)1901—2013年的年潛在蒸散量進(jìn)行多年平均計(jì)算,其空間分布特征顯示出：我國(guó)西北地區(qū)的潛在蒸散量最高,其中新疆東南部多年平均潛在蒸散量最高,平均為1 200～1 400 mm/a;我國(guó)北部、東部和西南地區(qū)的多年平均潛在蒸散量較低,其平均在600～1 200 mm/a。

然后,計(jì)算了113年來(lái)中國(guó)潛在蒸散量的年平均值。潛在蒸散量年平均值的時(shí)間變化表現(xiàn)為先增加后減少,然后逐漸增加(圖1)。1949、1954、1964和1976年的數(shù)值明顯低于其他年份,分別為874.09、857.98、850.95和871.17 mm。2004和2009年的潛在蒸散量是113年來(lái)最高的,分別為950.19和953.49 mm。此外,結(jié)果表明：隨著時(shí)間的推移,中國(guó)每年潛在蒸散量的變化顯著增加;3個(gè)時(shí)期的每10 a變化率分別為3.9、5.3和18.86 mm。

圖1 1901—2013年中國(guó)年均潛在蒸散量

2.2 潛在蒸散量年代際時(shí)空變化趨勢(shì)分析

2.2.1年代際潛在蒸散量時(shí)空變化

從年代際間潛在蒸散量的空間分布中可以得出,三個(gè)時(shí)間段中潛在蒸散量空間分布具有明顯的一致性,即在我國(guó)西北大部分地區(qū)的潛在蒸散量最高,隨后依次是我國(guó)北部、東部、南部和中部地區(qū),而我國(guó)東北和西南地區(qū)的潛在蒸散量最低。局部區(qū)域潛在蒸散量空間分布有所差異,其中以北部和東部地區(qū)變化最為明顯。Yao等[11]還發(fā)現(xiàn),西北干旱地區(qū)和亞熱帶森林地區(qū)的年潛在蒸散量最高,而青藏和寒冷溫帶地區(qū)的東北地區(qū)的潛在蒸散量最低。

隨后對(duì)各氣候態(tài)間潛在蒸散量空間變化情況進(jìn)行分析。P2與P1相比,除東北,西北,海南以及臺(tái)灣地區(qū)潛在蒸散量略有上升外(升高10～20 mm/a),大部分地區(qū)的潛在蒸散量呈下降趨勢(shì)。其中，華北、華東以及華中北部潛在蒸散量減少最多(減少20～50 mm/a),其他地區(qū)減少量在10～20 mm/a。P3與P2相比,只有部分地區(qū)潛在蒸散量略有降低,并且大部分地區(qū)減少量不足10 mm/a。華北、華東和華南地區(qū)潛在蒸散量呈明顯上升趨勢(shì),且大部分地區(qū)增加量在30～80 mm/a。其他潛在蒸散量增長(zhǎng)的地區(qū)增加量在30 mm/a以?xún)?nèi)。P3與P1相比,西南大部分地區(qū)以及華中中部地區(qū)潛在蒸散量有所降低(降低幅度小于30 mm/a)。

2.2.2年代際潛在蒸散量變化趨勢(shì)

而對(duì)年代際內(nèi)潛在蒸散量十年氣候傾向率變化趨勢(shì)分析,并逐格點(diǎn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。在1901—1953年中國(guó)大部分地區(qū)潛在蒸散量呈上升的趨勢(shì),且增長(zhǎng)速率在2～16 mm/10 a。在1954—1983年,潛在蒸散量降低的地區(qū)明顯增加,其降低速率在2～20 mm/10 a。此外,東北和華北南部地區(qū)潛在蒸散量顯著增高,其速率為12～34 mm/10 a。其他地區(qū)增長(zhǎng)率在6～20 mm/10 a。1984—2013年間再次出現(xiàn)大部分地區(qū)潛在蒸散量呈增加的趨勢(shì),且增加速率明顯加快。其中，西北地區(qū),華北、華中、華東以及西南地區(qū)的東部潛在蒸散量增長(zhǎng)率為16～64 mm/10 a,其他潛在蒸散量增加的地區(qū)增長(zhǎng)速率為2～16 mm/10 a。這一空間分布特征與Yao等[11]的研究結(jié)果相一致。然而,由于研究的起始和結(jié)束年份不同(分別為1982—2010年和1984—2013年),因此潛在蒸散量變化也存在一定的差異。

2.3 潛在蒸散量季節(jié)性時(shí)空變化趨勢(shì)分析

表1為三個(gè)時(shí)間段中不同季節(jié)潛在蒸散量以及變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)各時(shí)間段間的對(duì)比顯示：除夏季外,多年平均潛在蒸散量在春季、秋季和冬季均呈上升趨勢(shì)。在夏季,多年平均潛在蒸散量呈先下降后上升的趨勢(shì)。1901—1953年,為258.83 mm/月,1954—1983年為259.763 mm/月,1984～2013年為265.093mm/月。然而,對(duì)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)各季節(jié)潛在蒸散量變化進(jìn)行分析：1901—1953年和1984—2013年間冬季潛在蒸散量呈降低的趨勢(shì)(分別為-0.03 mm/10 a和-0.35 mm/10 a)。其他時(shí)間段內(nèi)各季節(jié)潛在蒸散量均呈上升趨勢(shì),且三個(gè)時(shí)間段內(nèi)春、夏兩季潛在蒸散量和1984—2013年間秋季潛在蒸散量的變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)(通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn))。

表1 三個(gè)時(shí)間段四季潛在蒸散量 單位：mm

在分析中國(guó)三個(gè)時(shí)期潛在蒸散量的空間分布時(shí),本文將中國(guó)大陸劃分為七個(gè)地理區(qū)域：①東北地區(qū),包含黑龍江、吉林和遼寧。②華北地區(qū),包含內(nèi)蒙古、山西、河北、北京市、和天津市。③華東地區(qū),包含山東、江蘇、上海市、福建和臺(tái)灣。④華南地區(qū),包含廣東、廣西壯族自治區(qū)和海南。⑤華中地區(qū),包含河南、安徽、湖北、湖南和江西。⑥西北地區(qū),包含新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西。⑦西南地區(qū),包含西藏、四川、重慶、云南和貴州。隨后,對(duì)比分析了七個(gè)區(qū)域中各季節(jié)潛在蒸散量分布特征(圖2)。

(b)夏季

(c)秋季

(d)冬季圖2 中國(guó)不同區(qū)域潛在蒸散量季節(jié)分布

春季、夏季和秋季潛在蒸散量空間分布情況與年潛在蒸散量的空間分布情況具有一致性。冬季潛在蒸散量的空間分布與年度潛在蒸散量不同。春季和夏季,各地區(qū)潛在蒸散量平均值的分布特征是一致的。此外,各地區(qū)的潛在蒸散量平均值在秋季和冬季的分布是一致的。但這種分布特征與春夏季的分布特征相反。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)我國(guó)1901—2013年間潛在蒸散量的時(shí)空變化分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)1901—2013年多年平均潛在蒸散量,我國(guó)西北地區(qū)的潛在蒸散量最高,其次是北部,東部和西南地區(qū),東北北部地區(qū)潛在蒸散量最低。

(2)1901—2013年逐年潛在蒸散量呈先上升后降低,再逐漸上升的趨勢(shì)。其中1949、1954、1964和1976年的潛在蒸散量明顯低于其他年份,而2004和2009年是有史以來(lái)潛在蒸發(fā)量最高的兩年。

(3)對(duì)各氣候態(tài)逐年潛在蒸散量的分析得出：雖然1954—1983年間的潛在蒸散量明顯低于其他兩個(gè)氣候態(tài),但是中國(guó)各氣候態(tài)內(nèi)年潛在蒸散量呈逐漸上升的趨勢(shì),且增長(zhǎng)速率逐漸加快。各氣候態(tài)間的多年平均潛在蒸散量空間分布差值分析顯示,中國(guó)華北、華中和華東地區(qū)潛在蒸散量變化最顯著。

(4)對(duì)各氣候態(tài)潛在蒸散量季節(jié)性變化分析,夏季潛在蒸散量最高 ,其次是春季、秋季,最后是冬季。此外,1954—1983年,除冬季外各地區(qū)潛在蒸散量低于其他兩個(gè)時(shí)間段。