鄭榮偉,張 越,王慶明,桂云鵬,4
(1.浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院,杭州 311231;2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,北京 100120;3.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038;4.清華大學(xué) 水利水電工程系,北京 100084)
潛在蒸散發(fā)(ET0)是區(qū)域或者全球地表水量平衡和能量平衡的重要研究內(nèi)容,也是反映流域水文-氣象耦合規(guī)律演變的一項關(guān)鍵指標(biāo),其在評價實際蒸散發(fā)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉制度以及水資源管理中發(fā)揮著重要的作用[1]。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報告,自19世紀(jì)末至今,全球平均地表溫度上升0.85 ℃,這種上升趨勢可能在21世紀(jì)持續(xù)增強,并通過影響蒸散發(fā)導(dǎo)致全球水文循環(huán)過程變異[2]。劉昌明等[3]分析了1960—2007年中國地表ET0敏感性的時空變化特征,發(fā)現(xiàn)ET0在8個流域片區(qū)呈下降趨勢,提出流域尺度“蒸發(fā)悖論”在中國普遍存在。張永生等[4]運用全局敏感性方法分析了我國4個氣候分區(qū)12個氣象站ET0對最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風(fēng)速等氣象因素的敏感性。趙亞迪等[5]研究發(fā)現(xiàn)中國ET0在1960—2011年呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,1993年之前ET0減少的主要原因是風(fēng)速減小,而之后增加主要是溫度增加導(dǎo)致的。Wang等[6]研究得出長江流域ET0減少主要原因是太陽輻射減少??偟膩碚f,學(xué)者對ET0的影響因素認(rèn)識較為一致,地表溫度輻射、風(fēng)速、水汽壓等氣象要素變化是導(dǎo)致ET0變化的主要因素[7],但在不同時期、不同流域影響ET0的主導(dǎo)因素及其貢獻(xiàn)卻有較大的差異[8-11]。根據(jù)氣候變化模式預(yù)測,中國未來干旱和濕潤地區(qū)分布可能有較大的改變[12],當(dāng)前分析ET0歷史演變規(guī)律的研究較多,而預(yù)測其未來變化并歸因解析的研究較少。這一現(xiàn)實在指導(dǎo)未來水資源調(diào)控和農(nóng)業(yè)水資源管理方面支撐不足,是亟待解決的問題。
定量分析氣象變量對ET0變化貢獻(xiàn)的歸因方法主要有敏感性分析法[13-15]、多元回歸分析法[16-18]以及分離變量偏微分求導(dǎo)法[19-20]。前2種方法只能評估氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和水汽壓等因素的相對貢獻(xiàn),只代表自變量和因變量變化的相關(guān)性,無法反映真實貢獻(xiàn)的絕對值[21-22];分離變量偏微分求導(dǎo)法根據(jù)Peman-Monteith公式以偏微分的形式分離各氣象要素的貢獻(xiàn),物理意義明確,是近年來首選的分析方法[23]。利用5種氣候模擬預(yù)測集合數(shù)據(jù)以及RCP4.5和RCP8.5兩種碳排放情景下預(yù)測的2030—2060年氣候數(shù)據(jù),分析中國未來ET0時空變化趨勢,采用分離變量偏微分求導(dǎo)法定量歸因各氣象因子變化對ET0變化的貢獻(xiàn),識別未來中國不同氣候區(qū)ET0變化的主導(dǎo)氣象要素,以期為中國未來水資源優(yōu)化配置和農(nóng)業(yè)灌溉管理提供參考依據(jù)。
圖1 中國5大氣候區(qū)
根據(jù)氣候類型差異,中國可劃分為5個氣候區(qū)[24],如圖1所示,分別為熱帶季風(fēng)氣候(TRM)、亞熱帶季風(fēng)氣候(SM)、溫帶季風(fēng)氣候(TM)、溫帶大陸性氣候(TC)、高原山地氣候(MP)。熱帶季風(fēng)氣候全年高溫,分干濕兩季,春秋極短,夏季降雨較多,冬季降雨較少,年降雨量為1 500~2 000 mm;亞熱帶季風(fēng)氣候夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,四季較為分明,年降雨量為800~1 500 mm;溫帶季風(fēng)氣候夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,四季分明,年降雨量為400~800 mm;溫帶大陸性氣候全年干旱少雨,冬寒夏熱,氣溫年較差很大,年降雨量為200~600 mm;高原山地氣候氣溫隨高程垂直變化顯著,降雨較少,晝夜溫差較大,迎風(fēng)坡降雨多于背風(fēng)坡,年降雨量通常<200 mm。
未來中國氣候數(shù)據(jù)源于the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project,通過GFDL-ESM2M、HaDGem2、IPSL_CM5A_LR、MIROC-ESM-CHEM和NorESM1-M這5種氣候模擬預(yù)測集合數(shù)據(jù),選取2種溫室氣體濃度路徑RCP4.5和RCP8.5情景預(yù)測數(shù)據(jù),預(yù)測氣象數(shù)據(jù)包括逐日最高與最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和相對濕度,利用趨勢偏差校正的方法,將數(shù)據(jù)分辨率降尺度到0.5°×0.5°[25]。選用的RCP4.5和RCP8.5情景,是IPCC第5次氣候變化評估報告中設(shè)置的人類不同發(fā)展情景,代表不同的溫室氣體、氣溶膠等對輻射有潛在影響的物質(zhì)未來排放場景,RCP4.5和RCP8.5情景分別代表適度發(fā)展的中等碳排放濃度路徑和不加約束發(fā)展的高碳排放濃度路徑。
1.2.1 ET0計算方法
本研究利用世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式計算ET0,即
(1)
式中:ET0是日參考作物蒸散發(fā)(mm/d);Rn是凈輻射量(MJ/(m2·d));G是土壤熱通量(MJ/(m2·d));T是日平均氣溫(℃);u2是2 m高度的風(fēng)速(m/s);es和ea分別是飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa);Δ是溫度-飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);γ是干濕表常數(shù)(kPa/℃)。
1.2.2 定量歸因方法
基于FAO Penman-Monteith公式,ET0可以表達(dá)為日最高氣溫(Tmax)、日最低氣溫(Tmin)、2 m高度的風(fēng)速(u2)、太陽輻射(Rs)以及實際水汽壓(ea)的一個函數(shù),即
ET0=f(Tmax,Tmin,Rs,u2,ea) 。
(2)
利用偏導(dǎo)方程,ET0的變化寫成以下形式:
(3)
式(3)可以簡化為
L(ET0)=C(Tmax)+C(Tmin)+C(Rs)+
C(u2)+C(ea)+δ。
(4)
式中:C(Tmax) 、C(Tmin) 、C(Rs) 、C(u2) 、C(ea) 分別為Tmax、Tmin、Rs、u2、ea對ET0變化的貢獻(xiàn)量,而它們的貢獻(xiàn)量總和簡化為C(ET0);L(ET0)是實際ET0變化的斜率;δ是C(ET0)和L(ET0)之間的誤差項。
每個氣象要素各自對ET0的變化相對貢獻(xiàn)表達(dá)式為
(5)
式中:xi為驅(qū)動變量;RC(xi)為相對貢獻(xiàn)率。
1.2.3 趨勢性和顯著性分析
利用Sen’s斜率估計法計算ET0和各氣象要素序列的斜率β,斜率β計算方法為
(6)
式中:Median為取中值函數(shù);xj和xk分別為第j年和k年數(shù)據(jù)序列值。若β>0,則序列呈現(xiàn)上升趨勢,反之,表示序列呈現(xiàn)下降趨勢。
Mann-Kendall (MK)非參數(shù)趨勢性檢驗方法被廣泛運用于水文、氣象數(shù)據(jù)序列的顯著性檢驗,MK檢驗值Z的計算公式為:
(7)
(8)
(9)
(2i+5)]/18 。
(10)
式中:S為統(tǒng)計值;xi和xj分別為第i年和第j年的觀測數(shù)值;n為數(shù)據(jù)序列的長度;ti為任意給定時間序列長度。非零假設(shè)H0:不顯著。若統(tǒng)計值Z不是統(tǒng)計顯著,則H0成立。Z為正值,則表示序列呈現(xiàn)增加趨勢,反之,則表示序列呈現(xiàn)下降趨勢。
基于5種氣候模擬預(yù)測集合數(shù)據(jù),未來全國日最高氣溫、日最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、實際水汽壓5種氣象要素和ET0的年際變化分析結(jié)果如圖2所示。在RCP4.5情景下,2030—2060年全國日最高氣溫、日最低氣溫、太陽輻射以及實際水汽壓都呈現(xiàn)增加趨勢,風(fēng)速在全國總體而言變化無顯著趨勢。其中,全國日最高氣溫與日最低氣溫分別以0.33 ℃/(10 a)和0.18 ℃/(10 a)的速率顯著上升(P<0.05),太陽輻射以0.09 MJ/(m2·d)/(10 a)的速率顯著增加(P<0.05),實際水汽壓增加速率為0.01 hPa/(10 a)。在氣象要素驅(qū)動下,ET0呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(P<0.001),增速為1.32 mm/a。
圖2 RCP4.5和RCP8.5情景下氣象要素和ET0變化特征
在RCP8.5情景下,2030—2060年全國日最高氣溫與日最低氣溫都以0.66 ℃/(10 a)的速率上升,是RCP4.5情景下增速的2倍以上。全國太陽輻射和實際水汽壓都呈現(xiàn)顯著增加趨勢,其中太陽輻射增速為0.03 MJ/(m2·d)/(10 a),實際水汽壓增速為0.04 hPa/(10 a)。但風(fēng)速呈現(xiàn)顯著減小趨勢(P<0.05),減小速率為0.02 m/s/(10 a)。ET0和氣象要素與RCP4.5情景下變化趨勢基本一致,但變化幅度更大。全國ET0將極顯著增加(P<0.001),增速為1.96 mm/a,相比于RCP4.5情景,年ET0增加了48%。
對比RCP4.5和RCP8.5情景,未來30 a,日最高氣溫、日最低氣溫、實際水汽壓以及ET0都表現(xiàn)為RCP8.5情景高于RCP4.5情景;風(fēng)速則表現(xiàn)為RCP4.5情景高于RCP8.5情景,在RCP8.5情景下未來風(fēng)速有明顯的下降趨勢;太陽輻射表現(xiàn)為2043年以前,2種情景交叉變化,沒有明顯的差異,但2043年以后RCP4.5情景下的太陽輻射均高于RCP8.5情景。RCP4.5和RCP8.5兩種情景的主要差異是不同的溫室氣體濃度路徑,溫室氣體排放量越大,地表溫度增長越快,溫度越高,空氣可容納的水分越多,因此在RCP8.5情景下,日最高氣溫、日最低氣溫、實際水汽壓的增長幅度更大。盡管溫室氣體對太陽輻射和風(fēng)速沒有直接影響,但溫室氣體會導(dǎo)致大氣中的溫度、氣溶膠等因子的變化,間接地影響太陽輻射和風(fēng)速過程。
圖3為RCP4.5和RCP8.5情景下2030—2060年全國年ET0變化速率空間分布情況。
圖3 中國5大氣候區(qū)2030—2060年ET0變化速率
從圖3可知,大部分區(qū)域ET0都呈現(xiàn)顯著增加趨勢。在RCP4.5情景下,年ET0變化速率在-0.09~5.88 mm/a之間,除了高原山地氣候區(qū),其他4個氣候區(qū)都呈現(xiàn)顯著(P<0.05)增加趨勢。其中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)增幅最大,ET0增速大多在1.5 mm/a以上,平均增速為2.07 mm/a,而且中心附近存在一個極大值區(qū);而高原山地氣候區(qū)增幅最小,ET0增速大多都低于1 mm/a,平均增速為0.55 mm/a。表1為2030—2060年不同氣候分區(qū)的氣象要素在RCP4.5和RCP8.5情景下的變化規(guī)律。在RCP4.5情況下,各氣候區(qū)日最高氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢,除了熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)外,其他3個氣候區(qū)都顯著上升(P<0.05),其中溫帶大陸性氣候區(qū)上升幅度最大,上升速率為0.38 ℃/(10 a)。日最低氣溫在各個氣候區(qū)也呈現(xiàn)上升趨勢,除了溫帶大陸性氣候區(qū)以外,其他4個氣候區(qū)都呈現(xiàn)顯著上升趨勢(P<0.05),熱帶季風(fēng)和高原山地氣候區(qū)上升速率最大,都為0.20 ℃/(10 a)。太陽輻射除了在高原山地氣候區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢外,在其他4個氣候區(qū)都顯著增加(P<0.05),其中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)增速最大,為0.20 MJ/(m2·d)/(10 a),而高原山區(qū)氣候區(qū)以0.03 MJ/(m2·d)/(10 a)的速率減少。風(fēng)速在溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)呈現(xiàn)顯著減小趨勢(P<0.05),而在其他3個氣候區(qū)呈現(xiàn)增大趨勢,變化速率在0.01~0.02 m/s/(10 a)之間。實際水汽壓在各氣候分區(qū)都呈現(xiàn)增加趨勢,其中熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)增速最大,為0.02 hPa/(10 a)。
表1 中國5大氣候區(qū)2030—2060年ET0和氣象要素變化速率與顯著性
由圖3(b)可知,在RCP8.5情景下,全國大部分區(qū)域年ET0都呈現(xiàn)增加趨勢,在海河流域附近年ET0呈現(xiàn)減少趨勢,速率為-1.44~0 mm/a,而在其他區(qū)域ET0增速大多比RCP4.5情景下大,特別是在溫帶大陸性氣候區(qū)。在RCP4.5情景下ET0增速主要在0.5~1.5 mm/a之間,而在RCP8.5情景下ET0增速在1~3.5 mm/a之間。從表1可以看出亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)增速最大,高原山地氣候區(qū)增速最小,兩者平均增加速率分別為2.45 mm/a和1.27 mm/a。在各氣候分區(qū)日最高氣溫和日最低氣溫都顯著上升(P<0.05),在溫帶大陸性氣候區(qū)上升速率最大,在熱帶氣候區(qū)上升速率最小。太陽輻射在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)、熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)呈現(xiàn)顯著增加趨勢(P<0.05),而在溫度大陸性和高原山地氣候區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢。風(fēng)速在大部分區(qū)域呈現(xiàn)減小趨勢,主要集中在溫帶季風(fēng)氣候區(qū)、溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)。實際水汽壓在各氣候區(qū)都呈現(xiàn)顯著增加趨勢(P<0.05),增加速率都在0.03 hPa/(10 a)以上。
圖4為2030—2060年中國及其5個氣候區(qū)在RCP4.5和RCP8.5情景下ET0在各季節(jié)的變化速率。RCP4.5和RCP8.5情景下各季節(jié)中5個氣候區(qū)ET0都呈現(xiàn)增加趨勢,在RCP4.5情景下,秋季ET0增速最大,全國增速為0.56 mm/a,在其他季節(jié),全國ET0增速分別為0.19 mm/a(春季)、0.27 mm/a(夏季)、0.29 mm/a(冬季);在春季熱帶季風(fēng)氣候區(qū)ET0增速最大,在夏季溫帶季風(fēng)氣候區(qū)ET0增速最大,在秋季和冬季亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)ET0增速最大。在RCP8.5情景下,全國ET0在夏季增速最大,為0.63 mm/a,其次為秋季(0.62 mm/a)、春季(0.42 mm/a)、冬季(0.29 mm/a);熱帶季風(fēng)氣候區(qū)ET0在春季和冬季增加幅度都是最大的,亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)ET0在4個季節(jié)中增加速率都相對較大。
圖4 2030—2060年ET0各季節(jié)變化速率
表2為通過偏微分方法計算得到在RCP4.5和RCP8.5情景下中國2030—2060年各氣象要素對ET0變化的貢獻(xiàn)情況。結(jié)果表明:日最高氣溫為各個分區(qū)ET0變化的主導(dǎo)氣象因素,其變化導(dǎo)致ET0增加,而實際水汽壓次之,其變化導(dǎo)致ET0減少,這種負(fù)效應(yīng)被日最高氣溫和日最低氣溫增加帶來的正效應(yīng)所抵消,太陽輻射和風(fēng)速變化對ET0變化的貢獻(xiàn)相對其他氣象要素的貢獻(xiàn)較小。
表2 RCP4.5和RCP8.5情景下中國2030—2060年各氣象要素對ET0變化的貢獻(xiàn)
在RCP4.5情景下,日最高氣溫、日最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和實際水汽壓的變化對中國2030—2060年ET0變化的貢獻(xiàn)分別為1.21、0.34、0.30、0.03、-0.63 mm,日最高氣溫對年ET0變化的貢獻(xiàn)占絕對主導(dǎo)作用,而實際水汽壓對年ET0變化貢獻(xiàn)范圍在-0.81~-0.52 mm,不同氣象因素作用相互疊加、抵消共同導(dǎo)致ET0的演變。
在RCP8.5情景下,日最高氣溫、日最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和實際水汽壓的變化對中國2030—2060年平均ET0變化的貢獻(xiàn)分別為2.33、1.22、0.16、-0.13和-1.93 mm。日最高氣溫對年ET0變化的貢獻(xiàn)也占絕對主導(dǎo)作用,在各個分區(qū)中日最高氣溫的貢獻(xiàn)在溫帶大陸性氣候區(qū)最高,是ET0變化值的1.43倍,同時,在溫帶大陸性和高原山地氣候區(qū)日最高氣溫升高導(dǎo)致ET0增加速率也都超過了其實際增加速率,而在高原山地氣候區(qū)貢獻(xiàn)率最低,為 ET0變化值的87%。RCP8.5情景下日最高氣溫、日最低氣溫以及實際水汽壓對ET0變化的貢獻(xiàn)絕對值在5個分區(qū)中都比RCP4.5情景下大,太陽輻射和風(fēng)速變化對ET0變化的貢獻(xiàn)兩者差別相對較小。
圖5為在RCP4.5和RCP8.5情景下2030—2060年在各季節(jié)中各氣象要素對全國平均ET0變化的貢獻(xiàn)情況。在RCP4.5和RCP8.5情景下各季節(jié)中日最高氣溫、日最低氣溫與太陽輻射對ET0變化都呈現(xiàn)正貢獻(xiàn),而實際水汽壓都呈現(xiàn)負(fù)貢獻(xiàn),風(fēng)速對ET0變化的貢獻(xiàn)相對較小,其中各季節(jié)中日最高氣溫都主導(dǎo)ET0變化,貢獻(xiàn)率都在45%以上。在RCP4.5情景下,除在夏季第二貢獻(xiàn)要素為太陽輻射外,在其他季節(jié)實際水汽壓都為第二貢獻(xiàn)要素;而在RCP8.5情景下,在4個季節(jié)中實際水汽壓都為第二貢獻(xiàn)要素。
圖5 2030—2060年各季節(jié)氣象要素對ET0的貢獻(xiàn)
ET0是區(qū)域蒸散發(fā)量的上限,反映地表潛熱能量變化,既受全球氣候變化的影響,也受人類活動的影響。不同碳排放路徑下,地表溫度和輻射強度等氣象因素發(fā)生改變,根據(jù)Peman-Monteith公式,地表ET0也將隨之變化,在RCP4.5和RCP8.5情景下,除青藏高原所在的高山氣候區(qū)ET0呈下降趨勢,其他4個氣候分區(qū)ET0均呈增加趨勢,尤其是在長江中下游所在的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)增幅最大,這些地區(qū)水量充沛,ET0與實際蒸散發(fā)大致相當(dāng),未來ET0增加意味著實際蒸散發(fā)量增加,可能導(dǎo)致“驟旱”的發(fā)生[26],表現(xiàn)為干旱發(fā)生發(fā)展迅速、強度大,可能對作物產(chǎn)量和水資源供給造成嚴(yán)重影響[27]。也有研究表明,潛在蒸散發(fā)增加會引發(fā)極端降雨,氣候變暖、蒸散發(fā)增加會造成大尺度水循環(huán)異常,存在“濕的更濕-干的更干”現(xiàn)象,在熱帶中緯度地區(qū)極端降雨可能增多[28-29]。對于干旱和半干旱的北方地區(qū),ET0大于實際蒸散發(fā),水分是限制實際蒸散發(fā)的主要因素,但ET0增加依然可能加劇區(qū)域的干旱情景[30]。畢彥杰等[31]分析了京津冀地區(qū)未來ET0的時空變化,發(fā)現(xiàn)在RCP4.5情景下2021—2050年ET0總體呈現(xiàn)增加趨勢,這與本研究結(jié)論基本一致,但在RCP8.5情景下京津冀部分區(qū)域未來ET0呈現(xiàn)減小趨勢。京津冀地區(qū)是我國水資源供需矛盾最突出的地區(qū),也是糧食的主要生產(chǎn)區(qū)之一,未來ET0的變化尤其值得關(guān)注,對該區(qū)域的水資源保障安全、糧食安全都有重要的影響。
本文采用世界糧農(nóng)組織推薦的Peman-Monteith公式、基于5種氣候模式在RCP4.5和RCP8.5情景下輸出的氣候數(shù)據(jù)計算中國2030—2060年ET0,用Sen’s斜率估計和MK檢驗分析ET0和氣象要素變化,基于偏微分方法定量分析各氣象要素對ET0變化的貢獻(xiàn),得到以下主要結(jié)論:
(1)在RCP4.5和RCP8.5情景下,中國2030—2060年ET0將顯著增加(P<0.001),變化速率分別為1.32 mm/a和1.96 mm/a;全國日最高氣溫、日最低氣溫和水汽壓也呈現(xiàn)增加趨勢。
(2)空間上,中國大部分區(qū)域2030—2060年間ET0呈現(xiàn)顯著增加趨勢(P<0.05),且RCP8.5情景下ET0增速大于RCP4.5情景下,特別是在溫帶大陸性氣候區(qū),增速增加一倍。
(3)中國2030—2060年各個季節(jié)ET0都呈現(xiàn)增加趨勢。RCP4.5情景下,秋季ET0增速最大,全國平均為0.56 mm/a;而在RCP8.5情景下,夏季ET0增速最大,全國平均增速為0.63 mm/a。
(4)中國在2030—2060年ET0變化主要受日最高氣溫、日最低氣溫和實際水汽壓變化的影響,其中日最高氣溫是ET0變化的主導(dǎo)氣象因素,其導(dǎo)致ET0增加,實際水汽壓影響次之,但其導(dǎo)致ET0減少。
本研究設(shè)置的情景仍局限于過去的一般認(rèn)識,我國于2020年9月向國際承諾2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實現(xiàn)碳中和。按照此目標(biāo),通過發(fā)展綠色能源,減少化石燃料的利用,降低CO2排放量,并通過生態(tài)建設(shè)、工程封存等技術(shù)加強CO2的轉(zhuǎn)化和封存,未來大氣中CO2濃度可能比假設(shè)的情景更加樂觀,我國未來ET0的增速也可能減緩,具體演變趨勢仍需進(jìn)一步研究。