1964-2017年山西省潛在蒸發量時空變化及其影響因素分析

孫從建, 鄭振婧, 李 偉, 楊 偉, 侯慧新

(1.山西師范大學 地理科學學院, 山西 臨汾 041000;2.中國科學院 新疆生態與地理研究所 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011)

潛在蒸發量是指水分充足條件下蒸散發到空氣中的水量，又稱可能蒸發量或蒸發能力[1]。作為水循環過程的一個重要參數，對地表降水及能量輻射的再次分配產生極大的影響[1-2]。因而，近幾十年來有關潛在蒸發量研究也在不斷的增多。潛在蒸發量的計算模型有基于氣溫的Thornthwaite方法、基于太陽輻射的Makkink方法、Penman-Monteith模型及蒸發皿蒸發等[3]，但是Penman-Monteith模型因其理論基礎較為完整且準確性較高，在世界各地被廣泛應用，如國外的佛羅里達州南部[4]、伊朗[5]、加拿大[6]、澳大利亞[7]、朝鮮[8]等，我國的黃河上游瑪曲地區[9]、天山北坡[10]、祁連山及河西走廊[11]、涇惠渠灌區[12]、三江源區[13]等均運用Penman-Monteith模型計算潛在蒸發量并進行研究。

由于潛在蒸發量的影響因子眾多，其變化成因十分復雜，不同地區潛在蒸發量的時空分布特征及其影響因子也不盡相同。劉普幸等[14]利用甘肅省27個氣象站點的逐日氣象資料，分析了潛在蒸發量的時空變化及影響因子，研究得出甘肅省潛在蒸發量除河西走廊外均呈上升趨勢，在空間分布上自東南向西北遞減，風速與太陽輻射是其主導因素；劉聞等[15]研究得出渭河流域關中段潛在蒸發量隨海拔的降低而增高，夏季潛在蒸發量的變化趨勢與年變化趨勢一致，潛在蒸發量與日較差、平均氣溫、平均風速、日照時數呈正相關，與相對濕度和水汽壓呈負相關；朱國鋒等[16]利用橫斷山區20個氣象站點的資料分析得出橫斷山區潛在蒸發量在研究時段呈先減少后上升的趨勢，氣溫、風速及日照時數是影響潛在蒸發量的主導因素。自20世紀80年代以來，有很多學者做了關于潛在蒸發量的研究[17]，但是目前有關山西省潛在蒸發量及其影響因素的研究較少,對于影響潛在蒸發量的影響因子分析更是較為匱乏。

山西省地處黃土高原東緣，地貌類型復雜[18]，不同地形條件對氣象因子影響較大，并且同時存在水資源緊缺等問題[19]，因而研究山西省潛在蒸發量的變化及其影響因素，有助于合理規劃水資源，為農業發展提供科學依據。鑒于此，本文基于山西省17個氣象站點1964—2017年逐日氣象數據，采用Penman-Monteith模型計算出山西省潛在蒸發量，并且運用小波分析、Mann-Kendall非參數檢驗和地統計等方法，分析山西省近53 a潛在蒸發量時空分布特征，運用主成分分析法分析不同氣象因素及地理因素對潛在蒸發量的影響，為山西省水資源永續利用及農業健康發展提供重要的科學依據。

1 研究區概況

本文選取黃土高原東部的山西省作為典型研究區，涉及大同、右玉、河曲、五臺、五寨、興縣、原平、太原、離石、介休、榆社、隰縣、臨汾、長治、侯馬、陽城及運城17個氣象站點(圖1)。山西省位于34°34′—40°43′N，110°14′—114°34′E。平均海拔高度1 000 m左右，最低海拔202 m，最高海拔達3 059 m。研究區地勢東北部高西南部低，地貌類型山地、丘陵、臺地、高原及盆地均有分布[20]。氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年均降水量400～600 mm，年均溫3～14℃。河流較多，擁有黃河水系和海河水系。土壤類型主要為褐土。植被類型多樣，主要以草地、林地和耕地為主[18]。

圖1 山西省各氣象站點分布

2 數據與方法

2.1 數據來源

選取山西省空間分布均勻、數據長度連續的17個氣象站點，收集各站點1964—2017年的風速(m/s)，日均溫(℃)，日最低氣溫(℃)，日最高氣溫(℃)，日照時數(h)，相對濕度(%)及平均水氣壓(KPa)數據，計算月、季、年潛在蒸發量，并通過算術平均計算每個站點多年平均潛在蒸發量。此外，還需收集17個站點的經緯度和高程數據。本文季節劃分運用氣象季節，即春季3—5月份，夏季6—8月份，秋季9—11月份，冬季12月份—次年2月份。氣象數據收錄于中國氣象局國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/site/index.html)。

2.2 研究方法

2.2.1 Penman-Monteith模型 采用1998年世界糧農組織(FAO)修正后的Penman-Monteith模型計算潛在蒸發量。其模型如下：

(1)

式中：ET0表示潛在蒸發量(mm/d)；Δ代表飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃) ；Rn是太陽凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ為干濕常數(kPa/℃)；u2表示離地面2 m高處的風速(m/s)；T為平均氣溫(℃)；es是飽和水汽壓平均值；ea代表實際水汽壓；(es-ea)是飽和水汽壓差值(kPa)。

2.2.2 時空特征分析方法 潛在蒸發量時間變化主要采用趨勢分析及周期分析方法，空間變化主要采用地統計插值。由于Mann-Kendall檢驗不受少數異常值的干擾，樣本分布不受一定條件的限制，在水文、氣象等非正態分布的數據資料分析中得到了廣泛的應用[21]。通過Mann-Kendall統計量Z值判斷序列數據的變化趨勢，當Z>0時表示呈上升趨勢，Z<0時表示下降趨勢，Z的絕對值越大，說明該序列的變化趨勢越顯著，當|Z|>1.96，說明通過0.05顯著性檢驗；當|Z|>2.58，說明通過0.01顯著性檢驗。采用小波分析方法(Wavelet Analysis)[22]分析潛在蒸發量的周期性變化規律。采用ArcGIS地統計模塊的反距離權重插值法[23]，分析年潛在蒸發量的空間分布。

2.2.3 主成分分析法 采用主成分分析法對山西省潛在蒸發量的影響因素進行分析。主成分分析是把多個指標化為少數幾個綜合指標的一種統計分析方法。主要是把給定的一組相關變量通過線性變換轉換成另一組不相關的變量，新變量按方差依次遞減排列，數學變換過程保持變量的總方差不變，第1個變量方差最大，稱為第一主成分，第2個變量方差其次，且和第1個變量不相關，稱為第二主成分，依次類推[24]。降維產生的新變量在不損失原有信息的情況下，使原有變量所代表的信息更集中、更典型地體現出來[25]。

3 結果與分析

3.1 潛在蒸發量動態變化特征

3.1.1 潛在蒸發量的年際變化 山西省1964—2017年平均潛在蒸發量為1 148.6 mm，年際傾向斜率為0.3 mm/10 a，總體呈現微弱下降趨勢(圖2)。1964—2017年潛在蒸發量表現為波動變化趨勢，其最值分別出現在1965年和2016年。2016年潛在蒸發量達到最小值，最小蒸發量為997.7 mm。1965年潛在蒸發量達到1 234.1 mm，為研究時段最大值。1965—1996年潛在蒸發量處于波動下降趨勢，且保持在較低水平。1996—2001年潛在蒸發量出現大幅度提高，但是2001—2003年又出現大幅下降，3 a間潛在蒸發量下降了117.94 mm，隨后進入小幅波動上升期，2013年后潛在蒸發量急劇下降。

圖2 1964-2017年山西省年潛在蒸發量的變化

采用小波周期分析法對山西省53 a潛在蒸發量序列進行分析(圖3)，發現山西省潛在蒸發量存在27 a左右的主周期變化以及9 a，45 a左右的次周期變化。在27 a左右主周期變化上，有2次大的變動，經歷了“-，+”相位1.5次循環。9 a及45 a左右為小周期變化，其周期分布比較明顯，在整個研究時段均有表現。

3.1.2 潛在蒸發量季節變化 山西省潛在蒸發量季節變化趨勢如圖4所示。春季及冬季呈現增長趨勢，夏季及秋季呈現下降趨勢。山西省春季平均潛在蒸發量為321.6 mm，占全年潛在蒸發量的27.9%，1964—2017年春季潛在蒸發量的年際傾向斜率為4.2 mm/10 a，呈現顯著增長趨勢。夏季潛在蒸發量呈現下降趨勢，每10 a下降6.4 mm，平均潛在蒸發量為483.2 mm，占全年潛在蒸發量的42.1%。秋季平均潛在蒸發量為242.5 mm，占全年潛在蒸發量的21.1%，年際傾向斜率為0.8 mm/10 a，在研究時段小幅下降。冬季潛在蒸發量整體呈現上升趨勢，每10 a增加2.4 mm，平均潛在蒸發量為102.1 mm，占全年潛在蒸發量的8.9%。

3.2 潛在蒸發量空間變化特征

3.2.1 潛在蒸發量空間分布規律 根據Penman-Monteith模型計算出山西省17個氣象站點1964—2017年53 a的潛在蒸發量數據進行插值得到研究區潛在蒸發量的空間分布情況(圖5)。山西省多年平均潛在蒸發量空間分布特征表現為由中部向南北兩邊遞減，北部地區潛在蒸發量低于南部地區。潛在蒸發量由中部太原盆地地區的3 759.1 mm減少至北部五臺山地區的535.4 mm。

圖3 基于小波分析年潛在蒸發量動態變化

圖4 1964-2017年山西省不同季節潛在蒸發量變化

3.2.2 潛在蒸發量空間變化趨勢分析 通過統計每一個氣象站1964—2017年潛在蒸發量Mann-Kendall統計量Z值，進一步分析山西省潛在蒸發量的變化趨勢，基于ArcGIS繪制出潛在蒸發量Z值的空間分布圖(圖6)。

山西省潛在蒸發量的Mann-KendallZ值呈現出明顯的地域差異，西北部和東南部潛在蒸發量呈現下降趨勢，東北部及西南部呈增加趨勢，東北部增加趨勢尤為顯著，通過了0.01顯著性檢驗。在東北部7個站點中，有5個站點的潛在蒸發量表現為顯著增加趨勢，分別以2.89，3.56，3.37，3.04，5.73 mm/a的速率在增加。

不同季節研究區潛在蒸發量變化也存在顯著差異(圖7)，春季大部分地區潛在蒸發量呈增加趨勢，北部地區呈現顯著增加趨勢，有5個站點通過了顯著性檢驗(|Z|>2.58)。夏季潛在蒸發量變化大部分呈現減少趨勢，有9個站點通過了0.05顯著性檢驗，其中站點榆社通過了0.01顯著性檢驗。東北部地區出現增長趨勢，并且通過了顯著性檢驗(|Z|>1.96)。秋季除了站點河曲與大同呈現減少趨勢外，北部大部分地區呈現增加趨勢，并且有4個站點通過了0.05顯著性檢驗，南部大部分地區呈現減少趨勢，但是并未通過0.05顯著性檢驗。冬季整體呈現增加趨勢，有7個站點通過了顯著性檢驗(|Z|>2.58)。4個季節總體都表現為站點五臺地區呈現顯著增加趨勢，分別以5.86，5.13，5.69，6.89 mm/a的速率增加。

圖5 山西省年潛在蒸發量空間分布

圖6 潛在蒸發量Mann-KendallZ值的空間分布

3.3 潛在蒸發量變化的成因分析

影響潛在蒸發量的因素眾多，涉及到氣象因子、地理因子等[13]。本文在利用Penman-Monteith模型計算潛在蒸發量時用到的氣象因子有平均氣溫(Tave)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、相對濕度(RH)、平均水氣壓(Ea)、風速(W)、日照時數(SH),地理因子包括緯度(LAT)和海拔高度(H)。分析以上因子對山西省年潛在蒸發量的影響程度。主成分識別是以各因子作為原變量，通過計算變量方差和協方差矩陣的特征值，將多個變量通過降維轉化為少數幾個綜合變量，即對影響因子信息進行集中和提取，從中識別出起主導作用的成分[26]。表1為各影響因子解釋的總方差，從中可以看出前4個主成分的累計貢獻率達89.03%，說明前4個主成分已經將9個因子所涵蓋的信息集中的體現了出來，選用前4個主成分代替原先的潛在蒸發量的影響因子。在前4個主成分中，第1主成分所涵蓋的信息最多，達到了33.56%。

圖7 1964-2017年山西省不同季節潛在蒸發量Z值的空間變化

表2為通過最大方差法得到旋轉后的因子載荷矩陣。因子載荷矩陣中絕對值的大小決定了其載荷量的多少，表明對該主成分的影響高低程度[27]。從表中可以看出，相對濕度和平均水氣壓在第1主成分上有較大載荷，載荷分別為0.28，0.29，并且這兩個因子與第1主成分呈負相關。第2主成分有較大載荷的因子分別是平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫，這3個因子與第2主成分呈正相關。緯度在第3主成分上載荷較大，并且呈正相關。第4主成分上載荷較大的是風速、日照時數和海拔高度，風速和日照時數呈正相關，海拔高度呈負相關。本文通過對潛在蒸發和影響因子做主成分分析，結果表明：各因子對潛在蒸發量的影響排序依次為平均水氣壓>相對濕度>最高氣溫>最低氣溫>平均溫度>緯度>海拔高度>風速>日照時數。

表1 山西省潛在蒸發量的各主成分及其特征值和貢獻率 %

表2 山西省潛在蒸發量的因子載荷矩陣

4 討 論

利用日尺度氣象資料通過Penman-Monteith模型計算出潛在蒸發量可以對地區水資源合理利用、農業生產發展提供科學依據。本文利用山西省17個氣象站點逐日氣象資料，分析了山西省潛在蒸發量的時空分布特征及其變化趨勢，結果表明：山西省潛在蒸發量呈現波動變化，總體表現為年潛在蒸發量呈上升趨勢，年均潛在蒸發量的最大最小值分別為(1 234，997 mm)。對比山西省與鄰近地區的潛在蒸發量分布特征可知(表3)，研究區北部的內蒙古地區[28]、研究區南部的河南地區[29]以及研究區東部的河北地區[30]潛在蒸發量在近50 a都呈下降趨勢，其年均潛在蒸發量的最大最小值分別為(834，790 mm)，(1 247，418 mm)，(1 488，1 190 mm)。研究者通過對黃土高原西部甘肅省[31]潛在蒸發量進行研究，得出黃土高原西部地區潛在蒸發量近50 a整體表現為上升趨勢。相同的潛在蒸發量變化趨勢(上升)在黃土高原中南部的陜西地區[32]也得到驗證，其年均潛在蒸發量的最大最小值分別為(1 153,895 mm)。黃土高原西部及中南部潛在蒸發量的變化趨勢與本文研究結論類似。

一些研究者通過對于影響區域潛在蒸發量的驅動因素的分析結果顯示[12-13,32-34]：氣溫、風速、日照時數、相對濕度、飽和水汽壓差和云量等諸多氣象要素是區域潛在蒸發量變化的控制因素，但不同區域不同的控制因素影響權重不盡相同[1,14,16,33]。山西省潛在蒸發量總體表現為在五臺地區較低，在太原盆地地區較高，這一現象主要是受了海拔高度的影響，五臺地區有“華北屋脊”之稱，海拔高度達2 208.3 m，而太原盆地地區地勢較低。潛在蒸發量的變化除了受氣象因子、地理因素影響外還受其他因素的間接影響，例如人類的活動[32]。因此，在今后還需深入研究山西省潛在蒸發量變化的原因，更好的為水資源管理、利用及農業發展提供科學依據。

表3 研究區鄰近區域潛在蒸發量變化趨勢及其最值

5 結 論

(1) 山西省多年潛在蒸發量在不斷上升，其平均值為1 148.6 mm。春季、秋季和冬季潛在蒸發量分別出現不同程度的上升，春季上升幅度最大，氣候傾向率為4.2 mm/10 a。夏季潛在蒸發量在不斷下降。山西省潛在蒸發量存在27 a左右的主周期變化以及9 a，45 a左右的次周期變化特征。

(2) 山西省潛在蒸發量空間分布特征由中部向南北兩邊遞減，整體體現為地勢較低的地方潛在蒸發量高。

(3) 山西省西北部和東南部潛在蒸發量呈現下降趨勢，東北部及西南部呈增加趨勢，東北部增加趨勢尤為顯著，通過了0.01顯著性檢驗。春季、秋季及冬季變化趨勢與年變化趨勢一致，夏季大部分地區呈現減少趨勢。

(4) 平均水氣壓和相對濕度是影響山西省潛在蒸發量的主導因素。潛在蒸發量與平均水氣壓、相對濕度和海拔高度呈負相關，與溫度、風速、日照時數及緯度呈正相關。