黑龍江潛在蒸散發時空變化特征及影響因素

蘇建偉，張曉龍，沈 冰

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，石家莊 050022；3.西安理工大學，省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048)

1 研究背景

蒸發是水文循環過程中的重要的環節，是水從液態轉化為氣態的過程，該過程是水量與能量平衡的重要研究內容[1]。潛在蒸散發(ET0)是指充分供水條件下蒸散發的能力，是實際蒸散發量的計算基礎和理論上限，被廣泛應用于水資源分析、作物需水、生態環境變化、區域實際蒸散發估算研究[2]。ET0的估算方法有很多，按照機理主要分為氣候學方法、微氣象學方法和蒸發皿方法[3]。氣象學方法可以大體分為三類，分別是基于氣溫的方法、基于太陽輻射的方法、Penman方法；微氣象學方法可以分為基于質量守恒定律的方法和空氣動力學方法；蒸發皿方法是將特定蒸發皿型號在特定環境時通過轉換系數將蒸發皿蒸發和潛在蒸發聯系起來[3]。其中，Penman公式將能量平衡法和空氣動力學法結合起來，具有較強的理論支撐，僅需常規氣象觀測資料可計算潛在蒸散值。Monteith[4]將水汽傳輸的空氣動力學阻抗和地標(冠層)阻抗引入Penman公式，得到了Penman-Monteith方法，FAO將Penman-Monteith方法定為計算作物潛在蒸散量的標準方法。但是由于空氣動力學阻抗和地表(冠層)阻抗不易獲得，FAO推薦了替代方程FAO Penman-Monteith方法[5]，該方法廣泛用于作物需水量分析研究中。

在全球氣溫升高的背景下，研究發現過去半個世紀來蒸發皿蒸發量呈下降趨勢，由此“蒸發悖論”現象被提出[6]，并受到廣泛關注[7]。部分學者利用常規氣象資料估算的ET0進行趨勢分析，結果顯示估算的ET0在過去幾十年中大體也存在下降趨勢[8-12]。另外有研究發現，在某些時段某些地區并不存在“蒸發悖論”的情況，特別是80年代中期以后，全國范圍蒸發皿蒸發量轉為上升趨勢[11-12]。《中國氣候變化藍皮書(2019)》指出，全球變暖趨勢依然在持續，中國是全球氣候變化的敏感區。1951-2018年，中國年平均氣溫上升速率高于同期全球水平，為0.24℃/10a。1961-2018年，中國北方地區增溫速率明顯大于南方[13]。近期不少學者對于北方各地區ET0時空變化特征進行了研究，如海河流域[9-10]、黑河流域[14]、甘肅省[15]、新疆地區[8，16]、遼西地區[17]，但是對于黑龍江省ET0長時間序列時空變化研究相對較少[18]。黑龍江省作為中國緯度最高的省份，也是中國最大的糧食生產基地。該地區氣溫變化率為0.35℃/10a，是中國氣候變化的敏感區。探討黑龍江省ET0長時間序列時空變化特征及定量分析氣象因子對ET0變化貢獻率，進而分析和討論黑龍江省“蒸發悖論”現象的表現，不僅對加深區域氣候變化特征和蒸散發理論認識具有重要作用，而且可為農業水資源高效利用研究提供科學參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

黑龍江省位于中國最東、最北部，地處E43°25′-53°33′，N121°11′-135°05′之間，東部和北部與俄羅斯相鄰，西部和南部分別于內蒙古自治區和吉林省相鄰，氣候屬于溫帶大陸性季風氣候。全省年平均氣溫為2.1℃，全年有5個月平均氣溫<0℃，全省年降水量在380-650mm，東部較大，西部較少，大部分降雨發生于夏季[18]。黑龍江省地勢為西北部和東南部高，東北部和西南部低，主要有山地、臺地、平原和水域構成，其中山地面積占全省面積的24.7%，丘陵地帶占全省的35.8%，平原占全省的37.0%。黑龍江省區位及其氣象站點空間分布，見圖1。

圖1 黑龍江省區位及其氣象站點空間分布

2.2 數據來源

本研究收集了由國家氣象科學數據共享服務平臺(http://data.cma.cn/)提供的1960-2018年黑龍江省29個國家標準氣象站點的逐日氣象資料，包括了氣壓、氣溫、相對濕度、風向風速、日照時數，氣象站點分布，見圖1。將氣象數據進行插補后，計算得到各站點ET0，然后基于ArcGIS軟件平臺利用反距離加權法得到其空間分布。

2.3 研究方法

2.3.1 潛在蒸散發計算

本研究采用FAO Penman-Monteith方法計算逐日ET0，計算公式為：

(1)

Rn=Rns-Rnl

(2)

Rns=(1-α)Rs

(3)

(4)

Rso=(0.75+2z×10-5)Ra

(5)

式中：Rn為地表凈輻射，MJ/m2；G為土壤熱通量，MJ/m2，通常在日尺度上認為G≈0；T為日平均氣溫，℃；u2為2m處風速，m/s；γ為干濕常數，kPa/℃；△為飽和水汽壓曲線斜率,kPa/℃；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；α為地表反照率；σ為Stefan-Boltzman常數；Tmax,k和Tmin,k分別為日最大、最小絕對溫度，K；Rs、Rso和Ra分別為估算的太陽輻射、凈空輻射和地外輻射，MJ/m2；z為海拔高度。參數計算方法詳見文獻[5]。需要注意的是，氣象站點風速數據為10m處數據，2m處風速可通過公式進行換算得到：

(6)

式中：Z為風速測量高度；Uz為Zm處測量的風速，此處，Z為10m。

2.3.2 數據分析方法

文章突變分析和趨勢線分析使用Mann-Kendall非參數檢驗法和Sen斜率方法；相關性分析使用皮爾遜相關系數法，計算方法詳見文獻[19]。

貢獻率計算采用多元回歸分析法[20]，ET0為因變量，各氣象因子為自變量，對數據進行標準化處理，對處理后的時間序列進行回歸分析，得到多元回歸方程：

Y=ax1+bx2+cx3+L

(7)

(8)

式中：x1，x2，x3L為各自變量標準化值，a、b、c為標準化后回歸系數，τ1為自變量x1對Y變化的貢獻率。回歸分析的顯著性檢驗一般采用F檢驗法。

3 結果與分析

3.1 潛在蒸散發時間變化特征

經計算得到每個氣象站點的逐日ET0值，然后統計到年總ET0，通過空間插值，可得到黑龍江省年ET0值。1960-2018年黑龍江省年ET0的逐年變化，見圖2；各站點及黑龍江省各氣象站點的統計分析值，見表1。從圖表中可知，黑龍江省ET0呈震蕩下降趨勢，年變化速率為-0.59mm/a，不存在突變點；各站點年變化速率在-3.353(安達站)-1.921(嫩江站)mm/a之間，29個站點中6個站點呈上升趨勢，23個站點呈下降趨勢；17個站點存在突變，12個站點不存在突變。

圖2 黑龍江省年ET0的變化

表1 各站點ET0統計分析

3.2 潛在蒸散發空間變化特征

1960-2018年ET0多年平均值及其變化速率的空間分布，見圖3。可知，黑龍江省多年平均ET0為727-1286mm，平均值為963mm，其中低值區位于黑龍江北部，高值區位于黑龍江西部。ET0呈上升趨勢的區域主要分布于黑龍江北部，顯著上升的區域較少。黑龍江大部分區域ET0呈下降趨勢，其中顯著下降的區域主要位于黑龍江西部。

圖3 多年平均ET0及其變化斜率的空間分布和插值結果

3.3 氣象因子時空變化特征

根據ET0計算公式可知，影響潛在蒸散發的主要氣象因子包括地表凈輻射Rn，飽和水汽壓差VPD，氣溫T和風速U2。1960-2018年各氣象因子多年平均值的空間分布，見圖4。可知，黑龍江多年平均Rn在2217-2705MJ/m2之間，平均值為2506 MJ/m2，呈南高北低的空間格局；黑龍江多年平均VPD為0.42-0.78kPa，平均值為0.54 kPa，低值區位于黑龍江北部和中部，高值區位于黑龍江西部；黑龍江多年平均T為-4.09-4.88℃，平均值為2.1℃，呈南高北低的空間格局；黑龍江多年平均U2在1.41-2.88m/s之間，平均值為2.21m/s，低值區位于黑龍江北部和中部，高值區位于黑龍江東南部。從氣象因子與ET0多年平均的空間格局來看，VPD與ET0的空間分布，相似性更高，從氣象因子與ET0變化趨勢的空間格局來看，U2與ET0的空間分布相似性更高。

圖4 氣象因子的空間分布

1960-2018年各氣象因子變化速率的空間分布見圖5。可知，黑龍江Rn變化速率為-4.26-3.40MJ/m2/a，絕大部分地區呈下降趨勢，其中黑龍江南部呈顯著下降趨勢，僅東部小部分地區呈上升趨勢；黑龍江VPD變化速率為-0.057-0.255kPa/100a，其中西部和北部呈上升趨勢，僅東部小部分地區呈下升趨勢；黑龍江T變化速率的范圍在1.93-6.51℃/100a，整個區域均呈顯著上升趨勢；黑龍江U2變化速率在-2.96-0.73m/s/100a之間，絕大部分地區呈顯著下降趨勢，僅南東部小部分地區呈上升趨勢。

圖5 氣象因子多年變化速率的空間分布

3.4 氣象因子對潛在蒸散發變化的貢獻率

通過研究年序列ET0和Rn、VPD、T和U2之間的相關關系和對其變化的貢獻率來分析氣象要素對ET0的影響，其相關系數及貢獻率統計值間，各站點氣象因子與ET0的相關性及貢獻率統計，見表2。從表中可知，在年際變化中，ET0與VPD相關性最高，其次是Rn和U2，并且與這三種氣象因子間均為正相關關系；而ET0與T之間無明顯相關性，且站點之間差異較大；這表明在黑龍江T的上升對ET0的貢獻被其他氣象因子的作用抵消，并非表明T的變化對ET0沒有影響。通過計算貢獻率可知，1960-2018年黑龍江ET0變化貢獻率最大的氣象因子為VPD，其次是U2，而Rn和T貢獻率相對較小。

表2 各站點氣象因子與ET0的相關性及貢獻率統計

4 討論與結論

4.1 潛在蒸散發時空變化特征

潛在蒸散發在我國的分布格局大體為東部低、西部高，低值區位于我國東北部地區，高值區位于西北地區。白樺等[21]發現ET0顯著下降區分布于中國東北部分地區、黃淮海地區和新疆部分地區，而上升區分布于青藏高原、新疆東部及黑龍江北部等區域。趙亞迪等[22]發現1960-1993年中國區域ET0呈下降趨勢，2004-2013年呈上升趨勢。祁天垚等[1]以蒸發皿蒸發量為研究對象，發現1960-2005年我國蒸發皿蒸發量在我國南部、中部、東部及西北部以顯著下降為主，而東北部至西南部存在大量上升和無明顯變化的站點。由此可見，東北地區，特別是黑龍江省ET0空間分布及變化趨勢呈現特殊性和復雜性，有待深入研究。

本研究發現1960-2018年黑龍江省ET0多年平均ET0在727-1286mm之間，平均值為963mm，其中低值區位于黑龍江北部，高值區位于黑龍江西部；從區域尺度上看，1960-2018年黑龍江省ET0呈現下降趨勢，年變化速率為-0.59mm/a，該區域變化不存在突變點；上升趨勢主要分布在黑龍江北部，下降趨勢分布于黑龍江南部。從站點尺度上看，1960-2018年黑龍江省23個(約占79%)氣象站點ET0呈下降趨勢，其中11個站點通過α=0.05的顯著檢驗；6個氣象站點ET0呈上升趨勢，其中僅1個站點通過α=0.05的顯著檢驗。這些氣象站點的ET0變化中有17個站點存在突變，突變年份主要集中于1961-1964年、1983-1987年、2002-2004年和2009-2010年等幾個時間段中。姜宇等[18]曾計算和分析黑龍江省1964-2013年5-10月(生長季)ET0，他們發現生長季ET0呈西高冬低，南高北低的空間分布，總蒸發量呈下降趨勢，變化速率為-0.72mm/a；其結果與我們得到的ET0時空變化趨勢一致，同時可以發現黑龍江省5-10月ET0下降速率大于11-翌年4月下降速率。值得注意的是，研究時段取決于研究目的，姜宇等[18]在作物需水、灌溉方案等方面研究時將研究時段定為生長季是有合理而必要的，但是為了研究整個區域蒸發耗水過程、機理和區域水資源管理，研究全年時段則顯得更有意義。

4.2 黑龍江省“蒸發悖論”現象

許多研究發現[11，12，23]，過去50到60年的時間范圍內我國不同區域蒸發皿蒸發量或潛在蒸散發估算量總體呈現下降趨勢。劉敏等[23]發現近50年來蒸發皿蒸發量存在減少趨勢，其中濕潤區減少最快，干旱區減少最慢；20世紀60-90年代蒸發皿蒸發量穩定減少，90年代以后存在上升趨勢。叢振濤等[11]根據全國蒸發皿和氣象觀測資料，發現過去50年間總體上存在“蒸發悖論”現象。謝平等[24]認為云南省“蒸發悖論”具有區域性、階段性和季節性。馬雪寧等[25]、岳元等[7]分別分析了“蒸發悖論”在黃河流域和吉林省的表現。本研究發現1960-2018年黑龍江省ET0上升趨勢主要分布在黑龍江北部，下降趨勢分布于黑龍江南部，而氣溫均呈上升趨勢，即1960-2018年間黑龍江省總體上存在“蒸發悖論”現象，“蒸發悖論”現象在黑龍江省存在空間異質性，即在黑龍江北部并不存在“蒸發悖論”現象。

4.3 潛在蒸散發變化的主要影響因素及貢獻率

許多學者研究了不同區域不同時間段潛在蒸發量或蒸發皿蒸發量變化及其原因。趙亞迪等[22]以107個站點分析1960-2013年中國ET0時空變化，并認為相對濕度是中國區域ET0變化最敏感的氣象因子。劉昌明等[12]發現在全國范圍內，ET0對水汽壓最敏感，其次是最高氣溫、Rn、U2、最低氣溫。張方敏等[26]指出Rn和VPD是導致中國ET0呈階段性變化的主要原因。卓嘎等[27]指出1980-2009年西藏ET0呈減少趨勢，主要影響因子為相對濕度。Gong等[28]發現長江流域ET0對相對濕度最敏感，其次是Rn、T和U2。張守紅等[29]指出阿克蘇河流域高海拔地區相對濕度對ET0影響最大，而低海拔地區主要受U2影響。劉憲峰等[30]發現1960-2011年西北五省ET0呈下降趨勢，主要受U2影響。馬雪寧等[25]發現1960-2010年黃流域ET0呈下降趨勢，主要影響因子也是U2。本研究發現黑龍江省ET0在年際變化中，與VPD相關性最高，其次是Rn和U2，而與T之間無明顯相關性；1960-2018年黑龍江ET0變化貢獻率最大的氣象因子為VPD，其次是U2，而Rn和T貢獻率相對較小。該研究與之前大量研究結論一致，可相互驗證，細化了黑龍江省ET0變化的主要影響因素，并定量各因素的貢獻率。