松花江流域潛在蒸散發演變規律及影響因素研究

邸愛民

(遼寧省鞍山水文局六間房水文站，遼寧 鞍山 114100)

蒸散發是自然條件下的水面蒸發、土壤蒸發以及植物散發的總稱。國內外研究工作者對蒸散發(ET0)進行了很多研究：趙玲玲，夏軍等[1]基于北京站1951—2009年的氣象資料，采用Penman-Monteith公式估算潛在蒸散發，并對其年際年內的變化特征進行辨析。結果表明：北京1951—2009年年均潛在蒸散發量呈顯著上升趨勢；氣象要素的敏感性從強到弱依次為空氣相對濕度、溫度、太陽輻射和風速。溫姍姍，姜彤等[2]采用松花江流域60個氣象站逐日資料，基干平流千旱模型計算并分析了流域實際蒸散發為總體呈現增加趨勢，時空分布上有一定的特征。采用相關分析方法研究流域年均實際蒸散發的時空變化是各氣象要素共同影響的結果，而且各氣象要素在不同時期對實際蒸散發的影響是有差異的。楊劍、孫小舟等[3]以湖北漢江流域13個氣象站點的逐日氣象資料為基礎，采用FAO推薦的Penman-Monteith模型計算潛在蒸散量，用Mann-Kendall非參數檢驗法對其進行趨勢分析和突變檢驗，并在ArcGIS環境下利用克里金插值分析潛在蒸散量的空間變化特征。表明潛在蒸散量整體呈波動下降趨勢。空間分布特征表現為自東南向西北遞減。韋小麗、管麗麗[4]根據氣象水文資料，采用線性趨勢分析、Mann-Kendall秩次相關檢驗和Pearson相關系數方法研究了第二松花江流域潛在蒸散發以及20cm蒸發皿蒸發量的變化特征及影響的主要氣象因子。表明潛在蒸發下降趨勢不明顯，潛在蒸發的下降主要受日照時數、降水和低云量的影響。卓嘎、尼瑪央珍等[5]利用彭曼公式進行藏西北地區潛在蒸散的計算，采用偏相關分析方法，分析得潛在蒸散呈現從西北向東南減少的分布特征，影響潛在蒸散的氣象要素為相對濕度、平均氣溫和日照時數，風速對冬季潛在蒸散的影響最為顯著。熱孜宛古麗等[6]使用艾比湖流域6個氣象站點資料，通過Penman-Monteith方程，利用線性傾向估計、累積距平法和Mann-Kendall法分析計算艾比湖流域年潛在蒸散量逐年下降、年氣溫增加及年降水量增多。國內對松花江流域的潛在蒸散發演變規律及影響因素并未做研究，故本文的研究很有意義。

本文以1961—2013年氣象月數據為依據，運用聯合國糧食與農業組織(FAO)推薦的PM公式，計算ET0，運用Mann-Kendall統計檢驗分析ET0(年值、逐月)的趨勢變化，分析潛在蒸散發的時空變化特征以及平均氣溫、相對濕度、日照時數、風速等氣象要素的變化趨勢，揭示潛在蒸散發的變化規律，以及影響蒸散發的氣象要素的變化規律。

1 研究數據與方法

本文使用的是松花江流域及其周邊共68個氣象站點1961—2013年的月氣象數據，主要包括月最高氣溫、月最低氣溫、月平均氣溫、相對濕度、日照時數、10m高度風速等數據，所使用的所有數據均經過嚴格的質量控制和篩選。

1.1 FAO潛在蒸散發的計算方法及其參數優化

本文FAO推薦的經優化的Penman-Monteith公式計算月ET0和年ET0值。其中參考下墊面植被是假設表面開闊、具有充足水分、生長茂盛同時高度為0.12m的草地，具有固定的表面阻抗70s/m，反照率為0.23，表達式為：

(1)

式中，ET0—潛在蒸散發，mm；Rn—作物表層凈輻射，MJ/(m2·d)；G—土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T—日平均氣溫，℃；U2—2m高度處風速,m/s；es—飽和水汽壓，kPa；ea—實際水汽壓，kPa；Δ—飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ—干濕表常數，kPa/℃。

1.2 MK統計檢驗趨勢分析原理

MK統計檢驗因其簡單又可處理丟失數據而被廣泛應用。在本研究中，通過對ET0，Epan和kp年時間序列、月時間序列進行MK檢驗，分析了ET0、月平均氣溫、日照時數、風速、相對濕度等數據的趨勢變化。檢驗統計量S按如下公式計算：

(2)

式中，x—第i或j年的數值；n—數據組的長度。

(3)

根據零假設，xi是獨立且隨機排列的。當n≥8時，S近似正態分布，零均值和方差以及標準化檢驗統計量Z的計算公式如下

(4)

(5)

統計量Z遵循零均值和序列無趨勢的零假設方差情況下的標準正態分布。在顯著性水平α下，如果|Z|≥Z1-α/2，則零假設不成立，其中Z1-α/2是標準正態分布中的(1-α/2)分位數。如果Z>0，說明該時間序列呈上升趨勢，否則，呈下降趨勢。在顯著性水平α=0.05時，如果|Z|>1.96，則該序列的趨勢顯著。

2 松花江流域潛在蒸散發

為了對松花江流域氣候變化有個空間分布上的具體了解，本文選用了流域上、中、下共6個站點(圖里河、富裕、富錦、哈爾濱、樺甸、索倫)，如圖1所示，并作出了這6個站點各氣象要素年均值以及ET0年值的變化趨勢，如圖2所示，為變化趨勢分析提供一定的依據。

圖1 6個氣象站點分布圖

圖2 松花江流域年ET0變化趨勢

2.1 潛在蒸散發年際變化趨勢

由圖2可以看出，流域北部圖里河站年蒸散量較其他地區明顯小，1990年以前，年蒸散發的峰值均出現在流域中部的哈爾濱站，而1990年之后，年蒸散發的峰值均出現在流域西部的索倫站，1970—1985年全流域蒸散發大部分呈現年值上升現象，流域中部漲幅最大。

根據PM公式計算，最終得到松花江流域的年潛在蒸散發值。共有10個站點的年蒸散發值呈顯著上升趨勢，主要集中在松花江流域西部及北部；14個站點的年蒸散發值呈顯著下降趨勢，主要集中在松花江流域南部。流域內呈現上升趨勢的站點共34個，其中有24個為不顯著上升，主要集中在流域中部偏東的位置。流域內年蒸散發呈現下降趨勢的也是34個站點，其中為不顯著下降的站點為20個，集中在流域西南部，呈條帶狀分布，位于流域邊緣。

2.2 潛在蒸散發年內變化趨勢

松花江流域月ET0變化趨勢如圖3所示。

圖3 松花江流域月ET0變化趨勢

從圖3中可以看出，流域北部蒸散發月值最小，流域中部各月蒸散發值變幅最大，而南部最為平緩，月ET0峰值一般均出現在6—7月，但流域南部ET0峰值出現在9月，流域南部月蒸散值為單峰型變化，流域內其他區域均為雙峰型，9月為另一個峰值出現的時間。流域內62個站點均有變化趨勢顯著的時間段，其中2月呈現顯著上升趨勢的站點最多，共有56個站，另外的12個站中，只有滿洲里站為不顯著下降，其余11個站點蒸散發值也都出現上升趨勢(不顯著)。5月份有15個站點的蒸散發值為顯著下降趨勢，其他站點也以呈下降趨勢居多(不顯著)。

3 松花江流域氣候變化趨勢

3.1 松花江流域相對濕度變化趨勢

采用月平均相對濕度數據，根據PM公式，得出濕度變化與蒸散發變化的關系，如圖4所示。

圖4 松花江流域相對濕度變化

由圖4可知，松花江流域相對濕度總體呈現下降趨勢，其中流域西部及南部有顯著下降趨勢，主要集中在內蒙古自治區內。而地處流域中部的克山站僅有9月份呈現下降趨勢，且為不顯著下降。位于流域最東邊的富錦站相對濕度也幾乎都呈現上升趨勢，尤其是4月份呈顯著上升趨勢。位于流域中西部的泰來站一年中有10個月均呈現下降趨勢。章黨站位于流域最南邊，其月平均相對濕度均呈現上升趨勢，其中8—10月有顯著上升趨勢，其余9個月均為不顯著上升趨勢。清原站位于章黨站東北部，兩站距離很近，但是相對濕度變化趨勢卻不盡相同，清原站各月均無顯著變化趨勢，且有8個月呈現不顯著下降趨勢，其余4個月均為不顯著上升趨勢。總而言之，流域內西部及南部相對濕度下降趨勢顯著，其他站也以下降為主，但不顯著下降為多。

3.2 松花江流域氣溫變化趨勢

本文采用松花江流域及其周邊共68個站點53年的月平均氣溫資料，使用MK統計檢驗方法進行了變化趨勢分析，從中選取6個站的資料作出了變化趨勢圖，如圖5所示。

圖5 松花江流域年平均氣溫變化

由圖5可知，松花江流域平均氣溫上升趨勢十分顯著。全流域68個站均出現了平均氣溫顯著上升，第二、三季度呈現顯著上升趨勢尤其集中。1月、11月、12月不顯著上升居多，僅12月，只有呼瑪站和孫吳站呈現顯著上升趨勢，其他均為不顯著上升或不顯著下降，這其中不顯著上升居多。除此之外，也有其他一些平均氣溫上升不顯著的月份，如3月，該月全流域只有12個氣象站點的數據顯示當地平均氣溫在3月也顯著上升了，甚至，富錦站在3月的平均氣溫呈現了下降趨勢(不顯著下降)。當然各站點變化趨勢也不大相同，盡管總體上都呈現顯著上升趨勢，但是也有一些站，如漠河站、章黨站、集安站、長白站、臨江站、通化站、蛟河站等流域南部的站點，平均氣溫呈現顯著上升趨勢的時間段不足6月，一般顯著上升的月份都出現在2月、9月及鄰近的月份。

3.3 松花江流域風速變化趨勢

對松花江流域53年月平均風速進行MK檢驗分析，如圖6所示(本文中風速均已轉換為2m處風速，本章中研究的是2m處風速的變化趨勢)。

圖6 松花江流域風速變化趨勢

圖6分析可知，松花江流域在過去50多年中，月平均風速大部分呈現下降趨勢，且顯著性下降為多。流域上、中部下降趨勢顯著，全流域共計33個站在一年12個月內均呈顯著下降趨勢，其中黑龍江省最多，共18個站，超過一半的站均在黑龍江省。全流域內共41個站一年超過10個月平均風速均呈現顯著下降趨勢。但是，雞西站6、7、8月均呈現顯著上升趨勢，其它9個月也呈現上升趨勢，盡管是不顯著上升趨勢。在流域南部及流域西北部，平均風速的變化比較分散，也不如其他地區趨勢顯著，大多數站點風速呈下降趨勢的月份不到6個月，有一些站點風速還呈現上升趨勢。因此，松花江流域南部及西北部應劃入風速變化不顯著區。

3.4 松花江流域日照時數變化趨勢

松花江流域多年平均月日照時數如圖7所示。

圖7 松花江流域多年月平均日照時數變化趨勢

松花江流域中部及南部日照時數多呈現顯著下降趨勢，在流域的中部及南部共有11個站點的數據顯示，一年12個月中，當地日照時數有8個月以上均呈現遞減趨勢，這當中未呈現顯著下降趨勢的月份都集中在8—10月這3個月份，大部分站點在這3個月內日照時數變化趨勢都為不顯著下降。全流域只有大興安嶺站在一年12個月內均有顯著變化趨勢，其中11個月為顯著下降趨勢，只有2月份呈現顯著上升趨勢。流域上、中部各站點變化趨勢比較散亂，各站變化趨勢顯著時段長度一般不超過6個月。在松花江流域西部，也有少數站點出現了日照時數顯著上升的趨勢，但僅僅出現在第一季度，8、9兩個月份也有幾個站點呈現顯著上升趨勢。

4 結論

松花江流域蒸散發近50年來發生了很大的變化：流域西部及北部的年蒸散發年際變化主要為顯著上升趨勢，而南部主要呈現顯著下降趨勢；流域北部蒸散發月值最小，流域中部各月蒸散發值變幅最大，而南部最為平緩；松花江流域的氣溫呈顯著上升趨勢，平均相對濕度、日照時數、平均風速均呈下降趨勢。

存在的不足：本文僅對平均氣溫、平均相對濕度、風速、日照時數進行了研究和分析，而沒有涉及到更具體的最高氣溫、最低氣溫等的研究；PM公式是根據日數據求算日ET0值，而本文研究數據為月數據，根據近似算法得到的月ET0值，有一定的偏差；沒有將氣象因素對蒸散發的具體影響程度計算，從而未能得出松花江流域各氣象要素對潛在蒸散發的影響能力。