東北地區(qū)生長季潛在蒸散量的變化特征分析＊

陳 莉,方麗娟,李 帥

(1.黑龍江省哈爾濱市氣象局,黑龍江哈爾濱 150080;2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所,黑龍江哈爾濱 150030)

在所有自然災(zāi)害中,旱災(zāi)影響的范圍最廣、影響的人口最多。據(jù)民政部統(tǒng)計(jì),1989-1998年,干旱所造成的災(zāi)害在所有氣象災(zāi)害中占50%,1999-2005年,達(dá)到60%以上[1]。東北地處我國中高緯度,是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地,更是氣候變化較敏感的季風(fēng)氣候區(qū)。近百年來東北溫度增加了1.43℃,是全球增溫率的2倍,全國增溫率的3倍[2]。在全球氣候變暖的背景下,東北地區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有直接和決定性影響的水熱狀況發(fā)生了一定的變化,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受降水制約的矛盾也突顯出來。謝安等[3]、孫永罡等[4]采用氣溫和降水組成的大氣干旱指數(shù),分析得出東北三省干旱化趨勢北部大于南部,東北三省干旱化日益嚴(yán)重;王亞平等[5]研究得出黑龍江省大部、吉林東部進(jìn)入1980年代后增濕傾向明顯;孫鳳華等[6]研究表明,在東北地區(qū)降水總量具有減少趨勢的背景下,降水事件還有向極端化發(fā)展的傾向,從而可能引起更多、更強(qiáng)的旱澇災(zāi)害;侯依玲等[7]研究表明,1980年代起東北北部有暖濕化趨勢,但南部的暖干化一直在加劇。王石立等[8]通過對(duì)1961-2000年東北地區(qū)大氣干濕程度及水熱匹配狀況變化的研究表明,1990年代中后期出現(xiàn)暖干化趨勢,并由春季轉(zhuǎn)至夏季,西部和南部比較明顯。孫力等[9]研究表明潛熱蒸發(fā)加大和降水共同導(dǎo)致1990年代以來,東北地區(qū)呈現(xiàn)較強(qiáng)的變干趨勢。以上研究所得結(jié)論不盡相同,其對(duì)農(nóng)作物的影響也不盡相同,究竟東北地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵期的5-9月干、濕狀況如何,一個(gè)重要的因素就是潛在蒸散量的變化情況,到目前為止,有關(guān)東北地區(qū)生長季潛在蒸散量研究成果還比較少,本文將對(duì)東北地區(qū)生長季潛在蒸散量的空間分布特征及時(shí)間變化特征進(jìn)行分析。

1 資料和方法

1.1 資料

采用黑龍江、吉林和遼寧省三省建站時(shí)間較早的72個(gè)國家基本站(圖1)的歷年逐月資料。氣象要素包括平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等6項(xiàng),研究年份為1960-2008年,研究時(shí)段為農(nóng)作物的生長季5-9月。

圖1 研究選用的東北三省72個(gè)臺(tái)站分布示意圖

1.2 方法

1.2.1 潛在蒸散量計(jì)算方法

潛在蒸散(發(fā))量PE(Potential evapotranspiration)稱最大蒸發(fā)量或蒸發(fā)力,是指下墊面足夠濕潤條件下(包括了地上植被含水量和林地土壤含水量均達(dá)到飽和以上的情況),水體保持充分供應(yīng)的蒸發(fā)量。自然界的各種蒸發(fā)過程,其過程由大氣的狀況和下墊面自身的狀況共同決定。

計(jì)算潛在蒸散量的公式比較多,如用溫度計(jì)算作物生長季農(nóng)田蒸發(fā)力的謝良尼諾夫法、考慮溫度及日長的桑斯威特法、根據(jù)水量平衡方程方程進(jìn)而得出蒸發(fā)力經(jīng)驗(yàn)公式的丘克法、彭曼綜合法、布德柯綜合法、Thronthwaite、Hargreaves公式、高橋浩一郎陸面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷取Ｎ覈鴮W(xué)者采用不同的方法得出了一些有意義的結(jié)論[10-15]。

聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)專家認(rèn)為,從農(nóng)業(yè)的角度分析氣候干濕狀況應(yīng)當(dāng)考慮農(nóng)作物生長季的降水量和蒸散量,而Penman-Monteith(P-M)模型考慮了植被生理特征,以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ),大量的試驗(yàn)結(jié)論表明在世界范圍用P-M模型計(jì)算的參考作物蒸散與實(shí)測值最為接近,1998年FAO就將P-M模型確定為計(jì)算參考作物蒸散的標(biāo)準(zhǔn)方法。本文就采用P-M模型[16]計(jì)算潛在蒸散量。該模型定義了參考作物,其高度為0.12 m,阻抗為70 s/m,反射率為0.23,類似于表面開闊,高度一致,生長旺盛,完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地。該潛在蒸散量亦稱為參考蒸散量,計(jì)算式為:

式中:ET0為潛在蒸散(mm/d);Rn為凈輻射(MJ/(m2·d));G為土壤熱通量(MJ/(m2·d));T為月平均氣溫(℃);u2為2 m高處風(fēng)速(m/s);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實(shí)際水汽壓(kPa);Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa/℃);γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

逐年5-9月各月的潛在蒸散量之和,即為逐年生長季潛在蒸散量。

1.2.2 氣候統(tǒng)計(jì)方法

氣候統(tǒng)計(jì)方法主要包括經(jīng)驗(yàn)正交展開(EOF)方法、MK突變分析方法、趨勢系數(shù)和變化速率分析[17]等統(tǒng)計(jì)方法。

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(EOF)[18-19]是已被氣象科學(xué)廣泛采用的統(tǒng)計(jì)方法,它是把隨時(shí)間變化的氣象要素場分解為空間函數(shù)部分和時(shí)間函數(shù)部分。空間函數(shù)部分概括場的空間特征,它不隨時(shí)間變化;而時(shí)間函數(shù)部分則由空間點(diǎn)(變量)的線形組合所構(gòu)成,稱為主分量,它只與時(shí)間有關(guān),研究這些主分量隨時(shí)間變化的規(guī)律就可以代替對(duì)場隨時(shí)間變化的研究。

文中采用M ann-Kendall(簡稱M K)法對(duì)潛在蒸散量進(jìn)行突變分析。M K方法[20]以氣候序列平穩(wěn)為前提,并且這序列是隨機(jī)獨(dú)立的,其概率分布等同。

在原假設(shè)H0:氣候序列沒有變化的情況下,設(shè)此序列為x1,x2,…,xN,mi表示第i個(gè)樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)。

定義一統(tǒng)計(jì)量:

在原序列的隨機(jī)獨(dú)立等假定下,dk的均值和方差分別為:

將dk標(biāo)準(zhǔn)化:u(dk)為標(biāo)準(zhǔn)分布,其概率α1=prob(u＞u(dk))可以通過計(jì)算或查表獲得,給定一顯著水平α0,當(dāng)α1＞α0時(shí),接受原假設(shè)H0,反之,則拒絕原假設(shè),它表示此序列將存在一個(gè)強(qiáng)的增長或減少趨勢。所有u(dk)(1≤k≤N)將組成一條曲線C1,通過信度檢驗(yàn)可知其是否有變化趨勢。

為了反映潛在蒸散量的長期趨勢變化,本文計(jì)算了潛在蒸散量時(shí)間序列與自然數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù),稱為趨勢系數(shù)[21]。由于消去了氣象要素的均方差和單位對(duì)線性回歸系數(shù)數(shù)值大小的影響,從而可以在不同的地理位置、不同的氣候要素之間比較趨勢變化的大小,同時(shí)對(duì)計(jì)算的趨勢系數(shù)還可以進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。趨勢系數(shù)為正(負(fù))時(shí),表示氣候要素在所統(tǒng)計(jì)的時(shí)間內(nèi)有線性增加(減少)的趨勢。在分析潛在蒸散量的長期變化速率時(shí),采用最小二乘法計(jì)算氣象要素值與時(shí)間的線性回歸系數(shù),即得到變化速率。

2 潛在蒸散量的空間分布特征

2.1 空間分布的基本特征

通過式(1),計(jì)算了東北三省72個(gè)站逐年生長季的潛在蒸散量,而后得到了各站1960-2008年近50年的生長季潛在蒸散量平均值(圖2)。

圖2 東北地區(qū)生長季潛在蒸散量歷年平均值(mm)

從圖2可以看出,東北三省生長季潛在蒸散量的歷年平均空間分布的總體特征是南多北少,隨著緯度的增加,等值線的緯向性分布越來越明顯;分省來看,遼寧、吉林、黑龍江潛在蒸散量依次遞減,遼寧普遍超過550 mm,吉林各站普遍超過500 mm。潛在蒸散量大值區(qū)位于遼西地區(qū),葉柏壽、阜新、朝陽潛在蒸散量均超過650 mm,其中葉柏壽潛在蒸散量最大,達(dá)833 mm。黑龍江各站潛在蒸散量普遍低于500 mm,大致在48°N以北,潛在蒸散量普遍小于350 mm,極小值位于黑龍江省最北部的漠河,生長季潛在蒸散量僅為182.5 mm。

2.2 空間分異特征

為了研究東北三省生長季潛在蒸散量的空間分異特征,對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)正交展開(EOF)。前兩個(gè)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)率為57.9%,解釋了東北地區(qū)生長季潛在蒸散量場的方差的一半以上,因此就分析前兩個(gè)特征向量就可以抓到主要信息。圖3為東北地區(qū)生長季潛在蒸散量EOF展開的EOF1和EOF2的空間分布圖。

第一特征向量占43.9%,全區(qū)符號(hào)一致,它反映了東北生長季潛在蒸散量變化在空間上有很好的一致性,也就是說,東北地區(qū)生長季潛在蒸散量的多與否并非局地現(xiàn)象,而是一個(gè)大范圍的現(xiàn)象。第二特征向量解釋方差為14%,空間圖上反映了東北地區(qū)南、北的反向變化(即南正北負(fù)或南負(fù)北正的特征),0線位置大致位于吉林省中北部的敦化、蛟河、長春、前郭爾羅斯、通榆一線。

圖3 東北地區(qū)生長季潛在蒸散量EOF1和EOF2空間分布和時(shí)間變化圖

3 潛在蒸散量與降水、氣溫的關(guān)系

對(duì)1960-2008年東北三省72個(gè)站潛在蒸散量與降水進(jìn)行了相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)分布如圖4所示。可以看出,潛在蒸散量與降水主要呈反相關(guān)關(guān)系,即降水越多,潛在蒸散量越小,遼寧、黑龍江大部相關(guān)系數(shù)通過了0.01顯著性檢驗(yàn),其大值區(qū)位于黑龍江北部的孫吳和北安,相關(guān)系數(shù)超過了-0.6。黑龍江南部部分地區(qū)和吉林大部地區(qū),相關(guān)系數(shù)沒有通過0.05顯著性檢驗(yàn),尤其是吉林東部的延吉、三岔河、松江,潛在蒸散量與降水呈微弱的正相關(guān),可能是由于這些地區(qū)位于長白山迎風(fēng)坡,降水不多,但多云天氣較多,使得潛在蒸散量相對(duì)并不多,這還有待于進(jìn)一步研究。

對(duì)1960-2008年東北三省72個(gè)站潛在蒸散量與氣溫進(jìn)行了相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)如圖4所示。潛在蒸散量與氣溫的相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與降水的相關(guān),東北三省大部地區(qū)正相關(guān)均通過了0.01顯著性檢驗(yàn),這說明氣溫越高、潛在蒸散量越大,其中大值區(qū)位于黑龍江北部,相關(guān)系數(shù)超過0.8。只有吉林東部部分地區(qū)正相關(guān)沒有通過0.05顯著性檢驗(yàn),這些地區(qū)與上述分析的潛在蒸散量與降水的正相關(guān)區(qū)大體一致,可能也是由于多云天氣較多,使得溫度相對(duì)不高,潛在蒸散量變化不敏感所致。

圖4 東北地區(qū)生長季潛在蒸散量與降水量、氣溫的相關(guān)系數(shù)分布圖(等值線間隔0.1;網(wǎng)狀和條紋狀陰影分別代表通過0.01、0.05顯著性檢驗(yàn))

4 潛在蒸散量的時(shí)間變化特征

4.1 代表東北區(qū)、東北南部、東北北部生長季潛在蒸散量序列的定義

由于EOF1的空間特征是全區(qū)大部一致性,且占據(jù)了較大比重,我們用東北區(qū)全區(qū)72個(gè)站潛在蒸散量的平均值代表東北地區(qū),該序列命名為PE1。

EOF2的空間特征反映的是在全區(qū)一致性變化的基礎(chǔ)上,南、北反向變化的特征,解釋方差為14%。因此,根據(jù)EOF2的空間分布,以0線為分界線,以北的34個(gè)站均值序列代表東北地區(qū)北部,該序列命名為PEN;以南的38個(gè)站均值序列代表東北地區(qū)南部,命名為PES。

4.2 潛在蒸散量的氣候變化趨勢

1960-2008 年東北生長季潛在蒸散量呈增加趨勢,變化速率為21.3 mm/10a。東北北部、東北南部生長季潛在蒸散量也均呈增加趨勢,且北部增加趨勢明顯強(qiáng)于南部,北部和南部近50年生長季潛在蒸散量的變化速率分別為24.5 mm/10a和18.4 mm/10a。經(jīng)計(jì)算,東北區(qū)、東北北部、東北南部近50年的趨勢系數(shù)分別為0.415 4(通過0.01顯著性檢驗(yàn))、0.494 4(通過0.01顯著性檢驗(yàn))和0.283 9(通過0.05顯著性檢驗(yàn))。可見東北區(qū)生長季潛在蒸散量近50年增加趨勢是顯著的(表1)。

表1 1960-2008年東北區(qū)、東北北部、東北南部生長季(5-9月)及逐月潛在蒸散量的趨勢系數(shù)和變化速率

在5-9月這5個(gè)月中,東北區(qū)各月潛在蒸散量均表現(xiàn)出增加的趨勢,其中9月增加趨勢通過0.01顯著性檢驗(yàn),變化速率為38 mm/10a;5月增加趨勢通過0.05顯著性檢驗(yàn),變化速率為15.9 mm/10a;7月增加趨勢最微弱。

東北北部各月潛在蒸散量也均表現(xiàn)出增加趨勢,其中5月、9月增加趨勢通過0.01顯著性檢驗(yàn),變化速率分別為17.5 mm/10a和35.4 mm/10a;8月增加趨勢通過0.05顯著性檢驗(yàn),變化速率為33.3 mm/10a;7月增加趨勢較弱。

東北南部潛在蒸散量5、6、8、9月表現(xiàn)出增加趨勢,而7月則出現(xiàn)較弱的減少趨勢。9月增加趨勢通過0.01顯著性檢驗(yàn),變化速率為40.2 mm/10a。

4.3 東北區(qū)潛在蒸散量的突變分析

對(duì)PE1、PEN、PES三條時(shí)間序列進(jìn)行5點(diǎn)高斯滑動(dòng)后,進(jìn)行了MK突變分析,結(jié)果如圖5所示。東北區(qū)、東北北部、東北南部潛在蒸散量分別在1995年、1994年、1995年發(fā)生了突變,也就是說,無論是東北區(qū)、還是東北北部、東北南部,潛在蒸散量在1990年代中期后發(fā)生了明顯的增加,這與該區(qū)氣溫在1990年代中期顯著增加是相一致的。

5 討論

圖5 東北區(qū)、東北北部、東北南部序列生長季潛在蒸散量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)曲線(實(shí)線為C1,虛線為C2)

采用FAO推薦的P-M模型計(jì)算了東北三省72個(gè)臺(tái)站近50年來生長季的潛在蒸散量,研究表明:東北地區(qū)生長季潛在蒸散量的變化存在明顯的一致變化性,在變化一致的基礎(chǔ)上,具有南北反向變化的特點(diǎn)。近50年來,東北全區(qū)平均生長季潛在蒸散量變化速率為21.3 mm/10a,通過了顯著性檢驗(yàn),其中9月潛在蒸散量增加趨勢最為明顯;東北北部生長季潛在蒸散量也呈現(xiàn)顯著的增長趨勢,變化速率為24.5 mm/10a,其中5、9月增加趨勢顯著;東北南部潛在蒸散量增加趨勢的顯著性弱于東北區(qū)和東北北部,但其中9月增加趨勢仍通過了0.01顯著性檢驗(yàn)。東北全區(qū)、東北北部、東北南部生長季潛在蒸散量在1990年代中期存在突變。

研究所得到的東北區(qū)生長季潛在蒸散量顯著增加的結(jié)論與文獻(xiàn)[5]有所不同,文獻(xiàn)[5]中提到東北區(qū)1980年到2005年間全年潛在蒸散量比1960-1979年略有減少,主要原因是文獻(xiàn)[5]把P-M模型應(yīng)用到了全年,而東北地區(qū)冬季冰雪覆蓋時(shí)間較長,下墊面與P-M模型所要求的綠色植被差別較大。

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