延河流域潛在蒸散發的時空變化特征

羅 宇, 穆興民,3, 尹殿勝, 高 鵬,3, 趙廣舉,3, 邱德勛

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院大學， 北京 100049; 3.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100; 4.中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

水循環系統在氣候變化的影響下發生了顯著變化[1]。蒸散發是水循環系統中的重要環節，聯系著水量和能量的平衡，氣候變化影響下蒸散發的變化成為了研究焦點。潛在蒸散發(potential evapotranspiration， ET0)指下墊面供水條件不受限制時的蒸散量[2]，是決定流域干濕情況的重要因子之一。深入研究潛在蒸散發的時空特征，有助于理解水文過程對氣候變化的響應機制，可為潛在蒸散發變化原因的研究奠定基礎，為區域生態需水和水資源管理提供科學依據。

常用的潛在蒸散發估算方法有Hargreaves[3]、Priestley-Taylor[4]、Hamon[5]、Thomthwaite[6]、Rohwer[7]、Penman-Monteith方法[2]。其中世界糧農組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法是計算ET0的常用公式，它綜合考慮了能量平衡和空氣動力學原理，具有較強的物理意義，在濕潤和干旱地區的潛在蒸散發估算中均具有較高的精度，得到了廣泛的應用[8]。尹云鶴等[1]基于Penman-Monteith方法對我國潛在蒸散發的時空演變規律及原因進行研究發現，我國潛在蒸散發整體呈現下降趨勢，潛在蒸散發變化的主導因子是風速，但不同時間尺度上的潛在蒸散發變化趨勢及主導因素均具有差異。目前蒸散互補、太陽輻射、風速減少等理論可作為解釋大部分蒸散變化的基礎，但是不同時空蒸散變化原因還需深入研究。童瑞等[9]利用可變下滲能力模型VIC(variable infiltration capacity)計算黃河流域潛在蒸散發，研究發現黃河流域潛在蒸散發整體呈現顯著減少趨勢，但空間差異顯著；黃河流域各河段蒸散變化的主導因素不同，上游主要是能量的影響較大，中下游則是水量的供應。鐘巧等[10]利用Penman-Monteith公式計算博斯騰湖流域山區和平原的潛在蒸散發，并對山區和平原的潛在蒸散發的變化趨勢和主導因子研究發現，山區潛在蒸散發呈上升趨勢且主導因子是凈輻射和風速，平原潛在蒸散發呈下降趨勢且風速對潛在蒸散發變化的貢獻最大。韓松俊等[11]對塔里木河山區和綠洲潛在蒸散發研究發現，兩者蒸散量均呈下降趨勢，但導致蒸散量變化的因子不同，山區主要受輻射和風速的影響，綠洲受風速影響最為顯著。趙捷等[12]研究表明，黑河流域多年潛在蒸散發年值和季節值整體呈現下降的趨勢，氣溫呈現顯著上升趨勢，說明黑河流域可能存在“蒸發悖論”現象。綜合當前研究可知，不同區域潛在蒸散發的變化趨勢以及導致蒸散量變化的主導因子具有時空差異，還需深入探究。此外全球長期變暖的背景下，潛在蒸散發卻呈下降趨勢的“蒸發悖論”現象[13]普遍存在于我國大部分地區，該現象的主導因素引起了學者們的廣泛研究。“蒸發悖論”現象的主導因素具有時空差異，且相同因素不同變化的組合也會導致潛在蒸散的變化[12-11,14-15]。因此不同區域不同時間“蒸發悖論”現象的主導因子需深入研究。延河流域是黃土高原丘陵溝壑區的典型流域，20世紀90年代以來氣候變化和人類活動對其水文循環過程產生了劇烈影響，深入了解ET0的時空變化特征對延河流域水資源的合理配置有重要意義。為此，本文以延河流域為研究區，利用Penman-Monteith方法計算ET0，對延河流域潛在蒸散發的時空特征及其與氣象因子的相關性進行研究，揭示不同時間、不同區域下氣象因子對潛在蒸散發的影響，為研究氣候變化對水文過程的影響提供科學參考，為延河流域乃至黃土高原水資源管理提供理論支持。

1 研究區概況

延河流域位于陜西省北部，是黃河中游區段的一級支流，發源于靖邊縣天賜灣鄉周山，流經志丹、安塞、寶塔、延長等4個縣(市)區，在延長縣南河溝鄉涼水岸附近匯入黃河，全長286.9 km，流域總面積7 725 km2。延河流域屬于大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季溫熱多雨，秋季溫涼，冬季寒冷干燥[16]。多年平均降水量為520 mm左右，平均蒸發量為897.7～1 678 mm，平均溫度為8.8～10.2 ℃，年均日照時數為2 450 h[17]。延河流域是黃土高原水土流失治理的重點區域，近年來隨著生態治理工程的實施，區域水文循環過程發生著重要的變化。

2 數據與方法

2.1 數 據

本文氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，包括逐日降水量(P)、日平均溫度(T)、日最高溫度(T-max)、日最低溫度(T-mix)，10 m高風速(U10)、日照時數(n)、日平均相對濕度等(RH)，其中10 m高風速需轉換成2 m高風速(U2)再帶入Penman-Monteith公式，所有數據的時間序列均為1978—2017年。選取的控制水文站為甘谷驛站，氣象站點為志丹、安塞、延安、子長、延川、延長、甘泉站。氣象站和甘谷驛站的分布情況如圖1所示，各站點氣象因子基本情況詳見表1。本文由逐日氣象數據計算出各氣象站點的日潛在蒸散發量，再統計月、季節、年尺度的潛在蒸散發，并通過ArcGIS對各站點數據進行插值得到延河流域潛在蒸散發的空間分布特征。

圖1 延河流域氣象站、水文站分布

表1 延河流域1978-2017年基本情況

2.2 研究方法

2.2.1 潛在蒸散發的計算方法 本文采用大多研究作為標準[8,18-19]的Penman-Monteith方法計算潛在蒸散發，其計算公式為：

式中：ET0為潛在蒸散發量(mm);Rn為地表凈輻射〔MJ/(mm2·d)〕;G為土壤熱通量〔MJ/(mm2·d)〕;γ為干濕表常數(kPa/℃);λ為汽化潛熱(MJ/kg);T為平均溫度(℃);U2為2 m高風速(m/s);es為飽和水氣壓(kPa);ea為實際水氣壓(kPa); Δ為飽和水氣壓表示溫度曲線斜率(kPa/℃)。各參數具體計算方法詳見參考文獻[2]。

2.2.2 數理統計分析方法 本文采用反距離加權法(inverse distance weighting， IDW)[20]對延河流域7個站點的潛在蒸散發值進行空間插值得到延河流域潛在蒸散發的空間特征，采用Mann-Kendall趨勢檢驗法(M-K)[21]、Pettitt檢驗進行突變分析[22]分析延河流域1978—2017年潛在蒸散發的時空變化特征，并運用Pearson相關性分析[23]探討不同時間尺度(年和季節)、不同區域引起潛在蒸散發變化的因子。

3 結果與分析

3.1 潛在蒸散發的時間特征

延河流域1978—2017年潛在蒸散量變化曲線如圖2所示。延河流域多年平均潛在蒸散量為923.53 mm，波動范圍為846.47～1 008.81 mm；潛在蒸散量隨年序呈現上升趨勢，上升速率為1.14 mm/a，通過M-K趨勢分析發現潛在蒸散發的上升趨勢通過了90%顯著性檢驗。采用Pettitt方法分析潛在蒸散發變化的臨界年份，結果如圖3所示，1996年以來延河流域潛在蒸散表現出逐年增加的趨勢。對延河流域多年序列月尺度、季節尺度潛在蒸散量的變化趨勢進行分析(圖4—5)。延河流域月潛在蒸散量呈單峰分布，高值月份出現于5—7月。季節上，潛在蒸散量表現為：夏季>春季>秋季>冬季，秋季呈下降趨勢，下降速率為0.03 mm/a；夏季、春季、冬季的潛在蒸散量呈上升趨勢，上升速率分別為0.35，0.59和0.24 mm/a，其中春季、冬季的變化趨勢分別通過了90%，95%顯著性檢驗。

圖2 延河流域1978-2017年潛在蒸散發變化特征 圖3 延河流域潛在蒸散發Pettitt檢測

圖4 延河流域潛在蒸散發月變化特征 圖5 延河流域潛在蒸散發季節變化特征

3.2 潛在蒸散發的空間特征

延河流域1978—2017年潛在蒸散發的空間分布規律如圖6所示。由圖6可知，流域潛在蒸散發呈現由西向南增加再向東南減少的趨勢，最大蒸散量(978.00 mm)在延安站，最小蒸散量(861.55 mm)在志丹站。

圖6 延河流域潛在蒸散發空間分布特征

延河流域各站點潛在蒸散發變化趨勢及變化率如圖7所示，甘泉站潛在蒸散發呈下降趨勢，其他站點均呈現上升。其中子長站、志丹站、延安站、延川站的上升趨勢均通過了95%顯著性檢驗，延長站潛在蒸散發的上升趨勢通過了90%顯著性檢驗。延河流域潛在蒸散量變化率呈現東南高西北低的分布規律，延安站潛在蒸散發變化率最大，安塞站的變化率最低。可見，志丹站蒸散量小但是變化速率大。

圖7 延河流域潛在蒸散發變化趨勢及變化率空間分布特征

3.3 影響因素分析

通過分析氣象因子各季節的變化趨勢與變化率及其與ET0的相關關系，對延河流域各季節潛在蒸散發變化的原因進行探究(表2)。由表2可知，在年尺度上，平均溫度、日照時數、降雨量呈上升趨勢，其中平均溫度的趨勢通過了99%顯著性檢驗，變化率最大的氣象因子是降雨量；相對濕度、氣壓、2 m高風速呈現下降趨勢，其中氣壓的下降趨勢通過了99%顯著性檢驗，變化率最大的是相對濕度。從季節上看，延河流域四季的平均溫度均呈通過了90%以上顯著性檢驗的上升趨勢，四季氣壓均呈通過了99%顯著性檢驗的下降趨勢。日照時數、相對濕度、2 m高風速和降雨量的四季變化趨勢和變化率具有顯著差異，日照時數在春季和冬季呈上升趨勢，在夏季和秋季呈現下降趨勢，其中日照時數在春季和秋季的變化趨勢分別通過了90%，95%顯著性檢驗且變化率較大；相對濕度在春季和夏季呈現下降趨勢，在秋季和冬季呈現上升趨勢，相對濕度在春季的變化率最大，冬季最小；2 m高風速在春季呈下降趨勢，其他3季均呈現上升趨勢，其中冬季的趨勢通過了95%顯著性檢驗，不同季節間2 m高風速的變化率差異較小；降雨量在夏季呈現下降趨勢，其他3季均呈上升趨勢，其中冬季的上升趨勢通過了90%顯著性檢驗，秋季降雨量的變化率最大。

表2 延河流域氣象因子季節變化MK趨勢檢驗統計量與變化率 mm/a

表3是延河流域各季節潛在蒸散發與氣象因子相關性分析的結果。從年尺度看，延河流域潛在蒸散發的增加與平均溫度、日照時數、2 m高風速呈現正相關關系，均通過了0.01顯著性檢驗，相關系數最大的是日照時數(0.84)；與相對濕度、氣壓、降雨量呈負相關關系，分別通過了0.01，0.05，0.05顯著性檢驗，相關系數最大的是相對濕度(0.72)。從季節上看，春季平均溫度、日照時數、2 m高風速與潛在蒸散發的增加為正相關，均通過了0.01顯著性檢驗，相關系數最大的日照時數(0.94)；相對濕度、氣壓、降雨量與潛在蒸散發的增加為負相關，分別通過了0.01，0.05，0.01顯著性檢驗，相關系數最大的是相對濕度(0.84)；結合表3分析可知，延河流域春季蒸散量的增加是由平均溫度、日照時數的上升以及相對濕度、氣壓、降水量的下降綜合導致的，主導因子是日照時數。夏季潛在蒸散量的變化是由平均溫度、2 m高風速的上升以及相對濕度、氣壓、降水量的下降引起的，在該氣象因子變化趨勢組合下，日照時數仍是潛在蒸散發變化的主導因子。秋季，潛在蒸散發與平均溫度、氣壓的相關關系未通過顯著性檢驗；日照時數呈顯著下降趨勢，相對濕度呈上升趨勢，均通過了0.01顯著性檢驗；秋季潛在蒸散量的下降趨勢主要是日照時數的下降、相對濕度和降雨量的上升綜合導致的，該氣象因子變化趨勢組合下主導因子是相對濕度。冬季潛在蒸散量的變化與平均溫度、2 m高風速的正相關關系分別通過了0.05，0.01顯著性檢驗，與降雨量呈現不顯著的負相關關系；冬季日照時數、相對濕度、降水量均呈上升趨勢，該組合下與潛在蒸散發變化最為相關的因子是日照時數，且相對濕度、降水量的上升趨勢并未造成潛在蒸散量的顯著減少。一年中春季平均溫度、日照時數、相對濕度、2 m高風速的變化率均是四季中較高的，這可能是春季潛在蒸散發增加速率最大的原因。綜上，延河流域各季節潛在蒸散發與氣象因子相關性具有顯著差異，同一氣象因子在不同的季節對潛在蒸散發的影響具有差異，氣象因子不同變化趨勢的組合對潛在蒸散發的影響不同。

表3 延河流域潛在蒸散發季節變化與氣象因子的相關系數

通過分析延河流域各站點氣象因子的變化趨勢與變化率及其與潛在蒸散發的相關關系，對延河流域潛在蒸散發空間變化的原因進行探究。如表4所示，子長站平均溫度、相對濕度、2 m高風速、降雨量呈現上升趨勢，日照時數、氣壓呈現下降趨勢，其中平均溫度、氣壓的變化趨勢通過了99%顯著性檢驗，2 m高風速的變化趨勢通過了95%顯著性檢驗，所有氣象因子中變化率最大的是降雨量。志丹站平均溫度、氣壓的變化趨勢分別通過了99%，95%顯著性檢驗，日照時數呈通過了90%顯著性檢驗的上升趨勢，相對濕度、2 m高風速呈現下降趨勢，變化率最大的因子是日照時數。

表4 延河流域各站點氣象因子變化M-K趨勢檢驗統計量與變化率

安塞站各氣象因子變化趨勢與志丹站相同，但安塞站日照時數的上升趨勢沒有通過顯著性檢驗，2 m高風速的下降趨勢通過了99%的顯著性檢驗，變化率最大的因子是日照時數。延安站平均溫度、日照時數呈現上升趨勢，分別通過了99%，90%的顯著性檢驗；相對濕度、氣壓、2 m高風速、降雨量均呈現下降趨勢，其中前三者的趨勢分別通過了95%，99%，90%顯著性檢驗，日照時數是變化率最大的因子。甘泉站平均溫度、降雨量呈現上升趨勢，日照時數、相對濕度、氣壓、2 m高風速呈現下降趨勢，其中氣壓、2 m高風速的變化趨勢分別通過了95%，99%顯著性檢驗。延川站平均溫度、2 m高風速、降雨量呈現上升趨勢，氣壓、日照時數、相對濕度呈現下降趨勢。其中平均溫度、氣壓的變化趨勢通過了99%顯著性檢驗，2 m高風速的上升趨勢通過了95%的顯著性檢驗。延長站各氣象因子的變化趨勢和延川站一樣，但顯著性水平有不同，其中平均溫度的上升趨勢未通過顯著檢驗，日照的下降趨勢通過了90%顯著性檢驗。可見，延河流域內各氣象因子的變化趨勢和變化率具有顯著的空間異質性。

表5是延河流域各站點潛在蒸散發與氣象因子的相關性分析結果。對潛在蒸散發增加有著正作用的是平均溫度、日照時數、2 m高風速，有負作用的是相對濕度、氣壓、降雨量；在不同的站點，氣象因子與潛在蒸散發的相關關系的顯著性檢驗結果具有差異。各站點潛在蒸散發與平均溫度、日照時數呈正相關關系，通過了0.01顯著性檢驗；與相對濕度均呈負相關關系，通過了0.01顯著性檢驗。子長站、延安站、甘泉站的潛在蒸散發與氣壓的負相關關系未通過顯著性檢驗，安塞站、延安站的潛在蒸散發與2 m高風速的正相關關系未通過顯著性檢驗，降水量與潛在蒸散發的負相關關系僅有安塞站和甘泉站通過了顯著性檢驗(顯著性水平分別為0.05，0.01)。除延長站外，延河流域其他站點均與日照時數的相關系數最大。可見，氣象因子對延河流域潛在蒸散發影響的程度具有空間異質性。結合各站氣象因子的變化趨勢、變化率綜合分析可得，子長站潛在蒸散發在日照時數下降、相對濕度和降水量上升的變化組合下呈上升趨勢，且主導因子是日照時數；志丹站溫度和日照時數的上升趨勢、相對濕度和氣壓的下降趨勢抵消了風速和降水量對潛在蒸散減少作用，因此該站點潛在蒸散發仍呈現上升趨勢；安塞站氣象因子的變化趨勢與志丹類似，潛在蒸散發也呈現上升趨勢，但安塞站的潛在蒸散發高于志丹站，這可能是該氣象因子變化趨勢組合中降水量的上升速率較小的緣故；延安站只有2 m高風速的下降對潛在蒸散發有減少作用，其他氣象因子均對蒸散量有增加作用，在該變化趨勢組合下，延安站成為延河流域潛在蒸散量最大的區域；甘泉站日照時數、2 m高風速和降水量對潛在蒸散發減少作用大于溫度、相對濕度、氣壓的增加作用，在該變化趨勢組合下，甘泉站潛在蒸散發呈下降趨勢；延川站與甘泉站不同的是，延川站2 m高風速呈現顯著上趨勢，導致延川站在該變化組合下潛在蒸散發呈上升趨勢；延長站潛在蒸散發也呈上升趨勢，但與延川站不同的是，延長站相對濕度呈上升趨勢，這可能是延長站蒸散量低于延川站的原因，且該變化趨勢組合下平均溫度成為蒸散變化的主導因子。綜上可得，延河流域潛在蒸散發的變化與日照時數最為相關，同一氣象因子對潛在蒸散發的影響程度具有空間差異，氣象因子不同變化趨勢的組合對蒸散發的影響具有顯著差異。

表5 延河流域潛在蒸散發與氣象因子相關系數的空間特征

4 討 論

氣象因子對潛在蒸散發的影響程度在不同季節、不同區域具有顯著差異[1,9-10,12]。本研究發現延河流域1978—2017年潛在蒸散發呈現上升趨勢，造成該趨勢的主導因子是平均溫度、日照時數、相對濕度。延河流域秋季的潛在蒸散發呈下降趨勢，通過對同期氣象因子的變化趨勢及其與潛在蒸散發的相關性進行探究發現，秋季潛在蒸散發與平均溫度的正相關關系不顯著，與氣壓的負相關關系不顯著，與日照時數、2 m高風速的正相關關系顯著，與相對濕度、降水量的負相關關系顯著，且相對濕度的相關系數最大，可知延河流域平均溫度和氣壓的顯著變化趨勢并未對秋季潛在蒸散發產生顯著的影響，秋季潛在蒸散發的下降趨勢由相對濕度、降水量的上升趨勢以及日照時數的下降趨勢導致，因此延河流域秋季潛在蒸散發對水分較為敏感。這與童瑞等[9]發現黃河中下游蒸散發主要受水量供應條件影響的研究結果類似。

延河流域潛在蒸散發空間差異顯著，甘泉站潛在蒸散發在平均溫度的上升趨勢下呈現顯著下降趨勢，由此推斷甘泉地區存在“蒸發悖論”現象。“蒸發悖論”現象是一個熱點話題，該現象普遍存在于我國大部分地區[24]。研究發現，黑河流域[12]、青藏高原[14]、長江流域[15]的“蒸發悖論”現象分別由風速、輻射和風速、輻射和溫度導致；塔里木河流域[11]則主要由輻射和風向引起，但在不同區域受輻射和風向的影響程度不同；黃河流域上中下游各河段均存在“蒸發悖論”現象，且日照時數、相對濕度或風速等因子可能是黃河流域“蒸發悖論”現象的主導因子[25]。總的看來，溫度、日照時數、相對濕度、氣壓、風速、降水量等氣象因子都可能成為“蒸發悖論”現象的主導因素，“蒸發悖論”現象的主導因素具有時空差異，而且相同因素不同變化的組合也會導致潛在蒸散的變化[1,12]。本研究中甘泉站潛在蒸散發的變化與日照時數、2 m高風速、降水量的相關關系均通過了顯著性檢驗，從簡單的相關角度分析可得，甘泉地區的“蒸發悖論”現象主要由日照時數、2 m高風速的下降和降水量的上升綜合導致；且相對而言，甘泉站相對濕度和氣壓下降的變化率比其他站小，相對濕度和氣壓在某種意義上也對蒸散量的減少具有作用。因此，導致蒸發悖論現象的原因很復雜，有待進一步的定量研究。

5 結 論

(1) 延河流域多年平均潛在蒸散量整體呈現上升趨勢，但潛在蒸散發變化趨勢、變化率具有時空差異。

(2) 延河流域氣象因子的變化趨勢、變化率具有顯著的時空差異，同一氣象因子與潛在蒸散發變化的相關性具有時空差異，氣象因子不同變化趨勢的組合對蒸散發的影響具有顯著差異。總的來說，潛在蒸散發的變化與平均溫度、日照時數與相對濕度顯著相關，與日照時數最為相關。

(3) 延河流域局部存在蒸發悖論現象，主要由日照時數、2 m高風速的下降和降水量的上升綜合導致，但是氣壓、相對濕度等氣象因子的影響也很重要。