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吴 霜 延晓冬 杨伯钢 于恬恬 张 建
(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100045; 2. 北京师范大学 地理学科学学部 地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875; 3. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038; 4. 城市空间大数据分析应用研究 杨伯钢职工创新工作室, 北京 100038)
蒸散量(evapotranspiration,ET)是从地球表面到大气的蒸发量和植物蒸腾量的总和,蒸散量是地球表面和大气之间水热平衡的最重要组成部分之一。此外,蒸散量的变化与地表温度、降水量、太阳辐射等气候要素密切相关,是气候变化的影响因素之一。因此,研究蒸散量的变化在气候变化研究中具有重要意义。
潜在蒸散量(potential evapotranspiration,PET)作为蒸发的理论上限,是研究气候干湿状态[1-2],是农业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]。以往的研究大多数着重于对中国近几十年不同领域潜在蒸发对气候因子和气候变化的影响以及干旱期间气候因子对潜在蒸发的影响[7-9]。伴随着中国极端事件发生频率的增加,气候变化趋势日渐明显[10-11],潜在蒸散量也随之发生着变化。尽管如此,很少研究指出百年间中国地表潜在蒸散量在时空中的变化特征。本文对中国百年潜在蒸散量进行分析,分别从时间和空间两个方面阐述中国潜在蒸散量的变化特征。
1.1 潜在蒸散量
2014年,Harris等人[12]根据世界各地气象站的月度观测更新了高分辨率网格化气候数据集(CRU TS 3.22),并由东英吉利大学气候研究室发布。该数据集提供了10个地表气候变量的1901—2013年月平均值,空间分辨率为0.5°×0.5°,覆盖全球陆地。数据来源于世界气象组织和美国国家海洋和大气管理局[12]。源数据既不包括卫星观测,也不使用模式同化。同时,使用相对简单的数学方法整合和内插数据源[13]。值得说明的是,其在中国地区使用的台站资料包括了国家气候中心对外发布的160个气候基准站的观测资料,这些观测资料对中国区域数据的插值带来有意义的信息。本文分析的潜在蒸散量(PET)数据来自CRU TS 3.22,利用联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)提供的Penman Monteith方法[14]计算估算得到的。
本次研究中,将1901—2013年从后至前划分为三个时间段,分别从时间和空间两个角度对三个时间段的潜在蒸散量变化进行分析。特别说明的是,本次研究中第一个时间段为53年(即1901—1953年,后文用P1表示),第二、三个时间段均为30年(分别为1954—1983年和1984—2013年,后文分别用P2和P3表示)。如此划分是由于若均按照30年为一个气候态进行划分,1901—1923年不满30年,而目前的研究主要关注20世纪50年代至今的潜在蒸散量变化,故此次将1901—1953年作为一个时间序列进行研究,不再进行更细的时间划分。
1.2 气候倾向率分析
气候倾向率的算法为：设某站某气象要素时间序列为y1、y2、…yi、…yn,它可以用一个多项式来表示。
(1)
式中,y为气象要素对应的变化率,单位与气象要素单位相一致;t为时间,单位为年。一般来讲,温度和降水的气候趋势用一次直线方程和二次曲线方程就能满足。这里用一次直线方程来定量描述,即y(t)=a0+a1t1,则趋势变化率方程为dy(t)/dt=a1,把a1×10称做气候倾向率,其单位为℃/10 a或mm/10 a,方程中的系数可用最小二乘法或经验正交多项式来确定。
1.3 相关性分析
相关分析(correlation analysis)是研究现象之间是否存在某种依存关系,并对具有依存关系的现象探讨其相关方向以及相关程度,是研究随机变量之间的相关关系的一种统计方法。文中采用皮尔逊(Pearson)相关系数法对相关性进行计算。皮尔逊相关系数法是用来衡量两个数据集合是否在一条直线上,用来衡量定距连续变量间的线性关系。其计算公式为
(2)
2.1 潜在蒸散量逐年变化趋势
通过对1901—2013年的年潜在蒸散量进行多年平均计算,其空间分布特征显示出：我国西北地区的潜在蒸散量最高,其中新疆东南部多年平均潜在蒸散量最高,平均为1 200～1 400 mm/a;我国北部、东部和西南地区的多年平均潜在蒸散量较低,其平均在600～1 200 mm/a。
然后,计算了113年来中国潜在蒸散量的年平均值。潜在蒸散量年平均值的时间变化表现为先增加后减少,然后逐渐增加(图1)。1949、1954、1964和1976年的数值明显低于其他年份,分别为874.09、857.98、850.95和871.17 mm。2004和2009年的潜在蒸散量是113年来最高的,分别为950.19和953.49 mm。此外,结果表明：随着时间的推移,中国每年潜在蒸散量的变化显著增加;3个时期的每10 a变化率分别为3.9、5.3和18.86 mm。
图1 1901—2013年中国年均潜在蒸散量
2.2 潜在蒸散量年代际时空变化趋势分析
2.2.1年代际潜在蒸散量时空变化
从年代际间潜在蒸散量的空间分布中可以得出,三个时间段中潜在蒸散量空间分布具有明显的一致性,即在我国西北大部分地区的潜在蒸散量最高,随后依次是我国北部、东部、南部和中部地区,而我国东北和西南地区的潜在蒸散量最低。局部区域潜在蒸散量空间分布有所差异,其中以北部和东部地区变化最为明显。Yao等[11]还发现,西北干旱地区和亚热带森林地区的年潜在蒸散量最高,而青藏和寒冷温带地区的东北地区的潜在蒸散量最低。
随后对各气候态间潜在蒸散量空间变化情况进行分析。P2与P1相比,除东北,西北,海南以及台湾地区潜在蒸散量略有上升外(升高10～20 mm/a),大部分地区的潜在蒸散量呈下降趋势。其中，华北、华东以及华中北部潜在蒸散量减少最多(减少20～50 mm/a),其他地区减少量在10～20 mm/a。P3与P2相比,只有部分地区潜在蒸散量略有降低,并且大部分地区减少量不足10 mm/a。华北、华东和华南地区潜在蒸散量呈明显上升趋势,且大部分地区增加量在30～80 mm/a。其他潜在蒸散量增长的地区增加量在30 mm/a以内。P3与P1相比,西南大部分地区以及华中中部地区潜在蒸散量有所降低(降低幅度小于30 mm/a)。
2.2.2年代际潜在蒸散量变化趋势
而对年代际内潜在蒸散量十年气候倾向率变化趋势分析,并逐格点进行显著性检验。在1901—1953年中国大部分地区潜在蒸散量呈上升的趋势,且增长速率在2～16 mm/10 a。在1954—1983年,潜在蒸散量降低的地区明显增加,其降低速率在2～20 mm/10 a。此外,东北和华北南部地区潜在蒸散量显著增高,其速率为12～34 mm/10 a。其他地区增长率在6～20 mm/10 a。1984—2013年间再次出现大部分地区潜在蒸散量呈增加的趋势,且增加速率明显加快。其中，西北地区,华北、华中、华东以及西南地区的东部潜在蒸散量增长率为16～64 mm/10 a,其他潜在蒸散量增加的地区增长速率为2～16 mm/10 a。这一空间分布特征与Yao等[11]的研究结果相一致。然而,由于研究的起始和结束年份不同(分别为1982—2010年和1984—2013年),因此潜在蒸散量变化也存在一定的差异。
2.3 潜在蒸散量季节性时空变化趋势分析
表1为三个时间段中不同季节潜在蒸散量以及变化趋势。通过对各时间段间的对比显示：除夏季外,多年平均潜在蒸散量在春季、秋季和冬季均呈上升趋势。在夏季,多年平均潜在蒸散量呈先下降后上升的趋势。1901—1953年,为258.83 mm/月,1954—1983年为259.763 mm/月,1984～2013年为265.093mm/月。然而,对每个时间段内各季节潜在蒸散量变化进行分析：1901—1953年和1984—2013年间冬季潜在蒸散量呈降低的趋势(分别为-0.03 mm/10 a和-0.35 mm/10 a)。其他时间段内各季节潜在蒸散量均呈上升趋势,且三个时间段内春、夏两季潜在蒸散量和1984—2013年间秋季潜在蒸散量的变化趋势均呈现出显著增加的趋势(通过0.05水平显著性检验)。
表1 三个时间段四季潜在蒸散量 单位：mm
在分析中国三个时期潜在蒸散量的空间分布时,本文将中国大陆划分为七个地理区域：①东北地区,包含黑龙江、吉林和辽宁。②华北地区,包含内蒙古、山西、河北、北京市、和天津市。③华东地区,包含山东、江苏、上海市、福建和台湾。④华南地区,包含广东、广西壮族自治区和海南。⑤华中地区,包含河南、安徽、湖北、湖南和江西。⑥西北地区,包含新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西。⑦西南地区,包含西藏、四川、重庆、云南和贵州。随后,对比分析了七个区域中各季节潜在蒸散量分布特征(图2)。
(b)夏季
(c)秋季
(d)冬季图2 中国不同区域潜在蒸散量季节分布
春季、夏季和秋季潜在蒸散量空间分布情况与年潜在蒸散量的空间分布情况具有一致性。冬季潜在蒸散量的空间分布与年度潜在蒸散量不同。春季和夏季,各地区潜在蒸散量平均值的分布特征是一致的。此外,各地区的潜在蒸散量平均值在秋季和冬季的分布是一致的。但这种分布特征与春夏季的分布特征相反。
通过对我国1901—2013年间潜在蒸散量的时空变化分析,得出以下几点结论：
(1)1901—2013年多年平均潜在蒸散量,我国西北地区的潜在蒸散量最高,其次是北部,东部和西南地区,东北北部地区潜在蒸散量最低。
(2)1901—2013年逐年潜在蒸散量呈先上升后降低,再逐渐上升的趋势。其中1949、1954、1964和1976年的潜在蒸散量明显低于其他年份,而2004和2009年是有史以来潜在蒸发量最高的两年。
(3)对各气候态逐年潜在蒸散量的分析得出：虽然1954—1983年间的潜在蒸散量明显低于其他两个气候态,但是中国各气候态内年潜在蒸散量呈逐渐上升的趋势,且增长速率逐渐加快。各气候态间的多年平均潜在蒸散量空间分布差值分析显示,中国华北、华中和华东地区潜在蒸散量变化最显著。
(4)对各气候态潜在蒸散量季节性变化分析,夏季潜在蒸散量最高 ,其次是春季、秋季,最后是冬季。此外,1954—1983年,除冬季外各地区潜在蒸散量低于其他两个时间段。
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