1980—2019年珠江流域潛在蒸發(fā)量時空變化及其影響因素分析

左大幸,臧傳富,汪麗娜

(華南師范大學地理科學學院，廣東 廣州 510631)

蒸發(fā)(Evapotranspiration,ET)是水文循環(huán)的主要組成部分，將影響作物用水需求以及水資源的未來規(guī)劃和管理[1]。分析ET的變化對于理解氣候變化對流域水平衡的影響至關重要[2]。ET是全球流域水分損失的主要途徑，約62%的全球陸地表面降水由ET形成[3]，超過全球地表77%的徑流量[4]。潛在蒸散也稱參考作物蒸散，它表示在一定氣象條件下水分供應不受限制時，某一固定下墊面可能達到的最大蒸發(fā)蒸騰量，常被人們作為估算實際蒸散量的參照，也是估算生態(tài)需水和農業(yè)灌溉的關鍵因子[5]。在實際計算當中需要對下墊面條件設置參考值，聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)于1998年推出的修正Penman-Monteith方程[6]是目前最常用的潛在蒸散發(fā)估算方法之一，其中參考下墊面為植被高度0.12 m的草地,具有固定的表面阻抗70 s/m，反照率為0.23。參考高歌等[7]的研究，本文使用ET0(Potential Evapotranspiration)表示潛在蒸散發(fā)。

由于P-M模型能夠更好地表征影響潛在蒸散發(fā)的物理過程，因此常被推薦使用[8-9]。目前，已有許多國內學者利用P-M模型對流域[10-11]、黃土地貌[12-13]和北方地區(qū)[14-17]等地的潛在蒸發(fā)量時空變化特征進行了研究，并分析其與氣象因子的相關程度。吳霞等[18]利用Penman-Monteith公式，以全國和各干濕氣候區(qū)為研究單元，從年、季節(jié)和年代際尺度分析全國ET0。黃強等[19]根據珠江流域42個站點的每日氣象數(shù)據，比較了包括FAO56 Penman-Monteith(PM)，Priestley-Taylor，Hargreaves-Samani和Thornthwaite方程在內的不同蒸散發(fā)計算方法，得出PM方程的計算結果在所有季節(jié)和地區(qū)都具有穩(wěn)定性，并且與觀測數(shù)據接近。國外學者針對印度[4]、澳大利亞[20]、佛羅里達南部[21]和伊朗[22]等也有類似的研究。近年來，一些學者對某些影響因子進行了更深入的探究，如蔣沖等[23]研究了絕對濕度與潛在蒸發(fā)量的關系，孫從建等[16]研究了環(huán)流因子對潛在蒸發(fā)量的影響。

珠江是中國第二大河流，珠江流域覆蓋了滇、黔、桂、粵、湘、贛等省(自治區(qū))和港澳地區(qū)，具有很高的社會經濟地位，且珠江流域降水具有年際變化大、時空分布不均的特征，引起流域內旱、澇等自然災害的頻發(fā)[24]。珠江流域地處熱帶和亞熱帶季風氣候區(qū)，年降水量充沛，因此該區(qū)域的潛在蒸散發(fā)與實際蒸散發(fā)較為接近。隨著近幾十年來氣候的顯著變化，潛在蒸散的變化對水資源的評價、提高水資源利用效率以及保護生態(tài)環(huán)境等都有直接的影響[25]。因此，研究近幾十年來珠江流域潛在蒸散量的時空變化及影響因素是十分必要的。一些學者對珠江流域近幾十年的潛在蒸散和實際蒸散進行了研究[19,26]，但對蒸散變化影響因素的研究較為缺乏。本研究擬利用FAO修正的Penman-Monteith模型計算了珠江流域1980—2019年逐月潛在蒸散，并從年際和季節(jié)的尺度分析了珠江流域ET0的時空變化特征，并探究影響潛在蒸散變化的氣象因子，以期為珠江流域水資源綜合評價和管理提供科學依據和理論基礎。

1 研究區(qū)概況

珠江流域位于21°31′～26°49′N，102°14′～115°53′E，涉及中國云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西省(自治區(qū))以及港澳地區(qū)，在中國境內的流域面積約453 700 km2[27]。流域地貌整體上呈現(xiàn)出西北高、東南低的特點；北靠南嶺，南臨南海，西部為云貴高原，中部丘陵、盆地相間，東南部為三角洲沖積平原。珠江流域位于熱帶和亞熱帶地區(qū)，氣候溫暖多雨，多年平均降雨量1 525 mm，多年平均氣溫在14～22℃之間[28-29]。

2 數(shù)據來源與研究方法

2.1 數(shù)據來源

選取珠江流域空間分布均勻、數(shù)據時間連續(xù)且較為完整的42個氣象站點(圖1)，收集各個站點1980—2019年的地面逐月氣象數(shù)據。主要包括：日照時數(shù)(h)、平均最低氣溫(℃)、平均氣壓(kPa)、平均最高氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、平均風速(m/s)和平均相對濕度(%)數(shù)據。結合各個測站的經緯度和海拔數(shù)據，計算珠江流域月、季、年以及多年平均潛在蒸發(fā)量。本研究將每年的3—5月劃分為春季，6—8月劃分為夏季，9—11月劃分為秋季，1、2、12月劃分為冬季。氣象數(shù)據來源于中國氣象數(shù)據網(http://data.cma.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1Penman-Monteith模型

采用經過聯(lián)合國糧農組織(FAO)于1998年修正后的Penman-Monteith公式計算珠江流域的潛在蒸散發(fā)量[30]。P-M模型精度較高，在國內外廣泛使用，是計算潛在蒸散量的標準方法之一[20,31]。公式如下：

(1)

式中 ET0——參考作物蒸散量，mm/d;Δ——飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃;Rn——作物冠層表面的凈輻射，MJ/(m2·d);G——土壤熱通量，MJ/(m2·d);T——平均氣溫，℃，按最高氣溫Tmax和最低氣溫Tmin的算術平均值計算;u2——2 m高度處的風速，m/s;es——飽和水汽壓，kPa;ea——實際水汽壓，kPa;es-ea——飽和水汽壓差，kPa;γ——干濕表常數(shù)，kPa/℃。

輻射計算中的太陽總輻射Rs的計算見式(2)：

Rs=(as+bs·S)Ra

(2)

式中Ra——天文輻射;S——日照百分率;as、bs——線性參數(shù)，取值參考祝昌漢[32]研究中東部平原區(qū)的取值，更加符合珠江流域的實際情況。

計算過程中需要用到日照時數(shù)(h)、平均最低氣溫(℃)、平均氣壓(kPa)、平均最高氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、平均風速(m/s)和平均相對濕度(%)7個氣象因子以及測站的緯度和海拔2個地理因子。對計算結果利用反距離權重插值得到珠江流域潛在蒸散發(fā)量的空間分布。

2.2.2Mann-Kendall趨勢檢驗法

在時間維度上采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法分析珠江流域潛在蒸散的變化趨勢，氣象水文數(shù)據大多是偏態(tài)且不服從同一分布，因而該檢驗方法在水文統(tǒng)計領域應用較廣，具體計算過程如下。設一平穩(wěn)獨立序列為χt(t=1,2,…，n，n為序列長度)，定義檢驗統(tǒng)計量S如下：

(3)

當n≥10，統(tǒng)計量S近似服從正態(tài)分布,不考慮序列中等值數(shù)據點情況，其均值E(S)=0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。標準的正態(tài)統(tǒng)計變量通過式(4)計算:

(4)

Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢，當|Z|大于等于1.28、1.64、2.32時表示分別通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

2.2.3主成分分析法

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，即通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量，轉換后的這組變量叫主成分。主成分按照方差大小依次遞減進行排列，方差最大的稱為第一主成分，其次是第二主成分，以此類推。將原來的多個變量信息更集中地顯示在方差較大的主成分上，對主成分貢獻較大的變量被認為具有更高的影響力。結合目前大多數(shù)學者對潛在蒸發(fā)量主要因素的分析[13,16,32]，本研究對ET0選擇經度、緯度、高程、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風速、日照時數(shù)、相對濕度、飽和水汽壓10個因子利用SPSS軟件進行主成分分析。

3 研究結果

3.1 潛在蒸散發(fā)量的時間變化特征

珠江流域近40年年均ET0為1 145.8 mm，增長率約為1.37 mm/a，總體呈現(xiàn)上升趨勢。其中2009年的ET0達到1 229.1 mm為極大值，1997年的ET0達到1 064.1 mm為極小值，極差為165 mm(圖2)。珠江流域ET0的季節(jié)變化特征見圖3，其中春季、秋季和冬季呈現(xiàn)增加的趨勢而夏季呈現(xiàn)減少的趨勢。1980—2019年，珠江流域春季的年均ET0為302.8 mm，夏季ET0為391.7 mm，秋季ET0為279.6 mm，冬季ET0為173.9 mm，分別占總ET0的26.4%、34.2%、24.4%和25.0%。

對珠江流域1980—2019年年均ET0進行Mann-Kendall檢驗，Z值為3.11，Z值大于0且|Z|>2.32，得出珠江流域ET0總體呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，并且通過了99%顯著性檢驗。通過計算珠江流域42個氣象站點的Z值，并空間化珠江流域ET0Mann-Kendall檢驗Z值分布情況(圖4)進一步分析珠江流域ET0的變化趨勢。其中33個站點的Z值為正數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，9個站點的Z值為負數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，25個站點有顯著的變化趨勢(|Z|>1.28)。Z值為正的站點當中有23個通過了90%顯著性檢驗，有21個通過了95%顯著性檢驗，有15個通過了99%顯著性檢驗；Z值為負的站點當中有2個通過了95%顯著性檢驗，有1個通過了99%顯著性檢驗。ET0變化趨勢呈顯著增加的區(qū)域主要分布在流域的東半部分，以及流域西部的望謨、河池、平果和南寧地區(qū)；ET0變化趨勢呈顯著減少的區(qū)域主要是流域東北部的尋烏和流域東部的增城及其附近地區(qū)。

3.2 潛在蒸散發(fā)量的空間變化特征

珠江流域多年平均ET0的空間分布情況主要表現(xiàn)為東西高、中間低和南高北低的特點，最高值為1 371 mm，最低值為936.3 mm(圖5)。高值主要分布在流域東南部的廣東沿海地區(qū)以及流域西側的云南部分地區(qū)，低值主要分布在流域北側的貴州南部地區(qū)以及處于廣東廣西交界處的賀州地區(qū)。珠江流域ET0的季節(jié)空間分布見圖6，總體上夏、秋、冬季ET0分布較為相似，而春季ET0分布與夏、秋、冬季有較大差異。春季流域內ET0值差異較大，自西向東呈階梯狀逐漸降低，高值主要分布在流域西部云南部分地區(qū)，而流域中部和東部大部分的區(qū)域ET0值都較低(圖6a)。夏季ET0值整體上在四季中偏高，空間分布與春季ET0有較大差異。高值主要分布在流域東部地區(qū)而低值主要分布在流域的西部地區(qū)，且ET0自西向東呈階梯狀逐漸增加(圖6b)。秋季ET0值總體低于夏季和春季，高低值的分布情況與夏季較為相似(圖6c)。冬季ET0空間分布(圖6d)與多年平均ET0的空間分布相似。

3.3 潛在蒸散發(fā)量的影響因子

選取了Penman-Monteith模型計算過程中所用到的7個氣象因子以及測站的緯度和海拔2個地理因子進行珠江流域潛在蒸散發(fā)量影響因子的分析。主成分分析的結果見表1、2，前4個主成分的累計貢獻率達到了96.7%，涵蓋了9個因子中的絕大部分信息，其中第一主成分的貢獻率最大達到58.8%。通過主成分載荷矩陣(表2)可以看到，平均氣溫(Tave)、平均水汽壓(Ea)、平均最低氣溫(Tmin)和平均最高氣溫(Tmax)在第一主成分上有較大載荷且為正，海拔(H)和緯度(LAT)在第一主成分上有較大的負載荷。日照時數(shù)(SH)和風速(W)在第二主成分上有較大載荷，并且與第二主成分成正相關，相對濕度(RH)在第二主成分上有較大載荷且成負相關。綜上，本研究對于潛在蒸散發(fā)量的影響因子的分析結如下，按照影響力從大到小依次為平均氣溫>平均水汽壓>平均最低氣溫>平均最高氣溫>海拔>緯度>日照時數(shù)>相對濕度>風速。

表1 ET0主成分特征值及累計貢獻率 %

注：1—9為主成分。

表2 ET0主成分載荷矩陣

對珠江流域近40 a來潛在蒸發(fā)量和年平均氣溫做M-K檢驗和突變檢驗，結果見圖7。珠江流域近40 a來平均氣溫總體呈減少趨勢(圖7a)，其中2005年之后減少趨勢顯著，通過了0.05顯著性檢驗。珠江流域潛在蒸發(fā)量在1980—1990年呈減少趨勢(圖7b)，1990—1994年呈增加趨勢，1994—2006年呈減少趨勢，在2006年發(fā)生突變并在2006年之后呈現(xiàn)增加的趨勢，2012年之后增加趨勢明顯，通過了0.05的顯著性檢驗。根據檢驗結果，珠江流域潛在蒸發(fā)在1990—1994、2006—2019年存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。

4 討論

根據現(xiàn)有研究，20世紀80年代至20世紀末珠江流域潛在蒸散總體呈減少趨勢[7]，1957—1997年呈震蕩中減少的趨勢，1997年為最低值，1997—2009年緩慢增長[34]，多年平均ET0在空間上呈現(xiàn)由東南向西北遞減的規(guī)律[35]，與本研究結果相符。李修倉等[26]研究發(fā)現(xiàn)在珠江流域的7個子流域中實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)均滿足“互補相關”[36]理論，王兆禮等[37]發(fā)現(xiàn)近幾十年來整個珠江流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈顯著的減少趨勢，本研究發(fā)現(xiàn)近幾十年來珠江流域潛在蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)增加趨勢，滿足實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)的互補相關關系。有學者得出中國35°N以南ET0的主要影響因子為日照時數(shù)的結論[38]，在本研究中，日照時數(shù)也對ET0有較大的影響。根據現(xiàn)有研究，在過去50 a全球地表溫度是有所升高的[39]，這種變化的后果應該是地表附近空氣更干燥，這將導致地表蒸發(fā)率增加，然而大量的觀測卻表明過去50 a全球的蒸發(fā)率是有所下降的[40]，這種現(xiàn)象被學者稱為“蒸發(fā)悖論”，叢振濤等[41]研究發(fā)現(xiàn)中國總體上存在“蒸發(fā)悖論”。本研究發(fā)現(xiàn)珠江流域潛在蒸發(fā)量在2006—2019年間存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，占總研究時間的二分之一，所以“蒸發(fā)悖論”在珠江流域表現(xiàn)得并不突出。但總體上溫度對潛在蒸發(fā)的變化是起正貢獻作用的，因此珠江流域潛在蒸發(fā)量下降的原因可能是日照時數(shù)的減少和相對濕度的增加造成的。

本研究還存在一些不足之處，首先由于部分流域邊界位于國界或者是海岸線，無法在流域外部獲取氣象數(shù)據進行插值，使得流域邊緣的區(qū)域插值結果可能不夠精確。其次，本研究使用的氣象數(shù)據受到一些非氣象因素的影響，如城市化對風速和氣溫的影響等，造成氣象數(shù)據的非均一性問題[7]，從而影響研究結果。在潛在蒸散的計算過程當中，對于地表輻射量的計算只考慮了日照時數(shù)，而大氣透明度和云量對地表輻射的影響沒有被納入研究范圍，可能導致潛在蒸散的計算結果不夠精確，以上2個要素對輻射的影響難以量化[3]，可作為后續(xù)的研究方向。

5 結論

利用Penman-Monteith模型和42個氣象站點的數(shù)據計算了近40 a來珠江流域的ET0，隨后利用Mann-Kendall檢驗法和反距離權重法分析流域ET0的時間變化規(guī)律和空間分布特征，最后利用主成分分析判斷ET0影響因素影響力的大小。結果表明：①珠江流域近40 a ET0總體呈上升趨勢，平均值為1 145.8 mm，春季、秋季和冬季呈現(xiàn)增加的趨勢而夏季呈現(xiàn)減少的趨勢，42個站點當中有23個站點的ET0呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，有2個站點的ET0呈現(xiàn)顯著減少的趨勢；②珠江流域多年平均ET0的空間分布情況主要表現(xiàn)為東西高、中間低和南高北低的特點，高值主要分布在流域東南部的廣東沿海地區(qū)以及流域西側的云南部分地區(qū)，低值主要分布在流域北側的貴州南部地區(qū)以及處于廣東廣西交界處的賀州地區(qū)，在ET0的季節(jié)空間分布上，夏季、秋季和冬季ET0分布較為相似，而春季ET0分布與夏、秋、冬季呈現(xiàn)相反的特點；③對珠江流域ET0的變化起正貢獻的因子有平均氣溫、平均水汽壓、日照時數(shù)和風速，而海拔、緯度和相對濕度對ET0的變化是負貢獻。ET0變化的主導影響因子是溫度、平均水汽壓和海拔高度。“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象在珠江流域表現(xiàn)得并不明顯，潛在蒸散的變化受氣溫影響較大。