基于PenPan模型中國蒸發皿蒸發量的時空變化及成因分析

朱曉華，徐 芳，姬祥祥，毛 鑫，周 翔，馮 浩，何建強

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

蒸散發是水文循環過程中的關鍵環節，也是能量平衡的重要支出項[1]。然而，蒸散發過程不可見且測量難度較大，一般通過實測和模型估計方法來確定，例如蒸發皿觀測[2]。蒸發皿蒸發量作為衡量大氣蒸發能力的一個重要指標，對于監測氣候和水文循環變化具有重要指示意義，也是衡量作物需水量，湖泊蒸發、陸地蒸發量的重要參數[3]。2018年3月23日世界氣象組織(WMO)發布了《2017年全球氣候狀況聲明》：在2017年，全球平均氣溫較工業化前高出約1.1 ℃，2013-2017年全球平均溫度達到了有記錄以來的最高值[4]。也有研究發現中國地區溫度呈現上升趨勢，在1961-2014年期間每10年溫度增加0.24℃[5]。因此，合理估算蒸發量，系統分析蒸發量的時空變化規律，對研究中國氣候變化和水資源評價具有重要的意義，也對農業需水量管理、旱情監測以及水資源有效利用具有重要的應用價值[6]。

隨著全球氣溫上升，西班牙[7]、伊朗[8]等地區蒸發量呈現上升趨勢，而墨西哥、印度地區蒸發量持續下降[9,10]，這與全球變暖可能導致蒸發潛力增加的猜測相矛盾，因此這種現象被稱為“蒸發悖論”[11]。中國的黃河地區、海河地區、黑河地區，也存在同樣的現象[12-14]。由于蒸發皿蒸發量的變化受多種因素共同影響，許多學者對其主導因素進行了研究：Michael L等人[15]認為蒸發下降是由于云量和氣溶膠增加，從而引起太陽總輻射下降，即太陽輻射是主導因素；Rayner等人[16]發現風速下降是澳大利亞蒸發皿蒸發量下降的主導因素；印度地區相對濕度的增加和風速的下降是其參考作物蒸發量下降的原因[17]。在中國地區：劉昌明等[18]通過敏感系數得出全國范圍內潛在蒸散發對氣象因子的敏感性為：水汽壓>最高氣溫>太陽輻射>風速>最低氣溫；曾燕等[2]發現日照百分率下降導致太陽總輻射下降，這可能是近年來蒸發皿蒸發量下降的主要原因；祁添強等[19]發現相對濕度是影響中國蒸發皿蒸發量變化的關鍵因子；劉敏等[20]對中國地區通過完全相關系數法分析發現，氣溫日較差和平均風速的減小與蒸發皿蒸發量的減少具有最顯著的相關性，是蒸發皿蒸發量減少的影響因子。由于研究年限和方法的差異，結果有所不同。

以上研究主要基于蒸發皿蒸發量的實測值和Penman-Monteith模型模擬，我國常規使用20 cm(圓形)和E601(錐形)型蒸發皿，兩種蒸發儀器的折算系數存在空間差異和時間變異性，兩者轉化較為復雜[21]；在中國地區有研究用Penman-Monteith模型來估算蒸發皿蒸發量，但其中存在一定的折算系數[22]。不論是基于實測值還是Penman-Monteith模型，中間轉化都增加了誤差。PenPan模型是基于Class-A型蒸發皿建立的，目的是用來估算蒸發皿蒸發量，該模型在中國地區已有應用[23-27]，方法簡單實用。故本研究采用PenPan模型對中國地區蒸發皿蒸發量進行研究，旨在得出中國地區蒸發皿蒸發量的時空變化趨勢及主導因素。

1 材料和方法

1.1 研究區域與數據來源

研究區內逐日氣象數據來自中國氣象局(http:∥data.cma.cn/)，在1961-2017年氣象資料和蒸發皿觀測值序列中，本研究選擇相對完整的751個站點的數據進行分析(見圖1)。數據主要包括平均溫度(Ta)、相對濕度(RH)、日照時數(SD)、風速(u2)和20 cm蒸發皿蒸發量。為了分析蒸散發的季節性變化，將一年分為春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-次年2月)4個季節。

圖1 研究區域氣象站空間分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in study area

1.2 PenPan模型

PenPan模型是基于Penman模型[28]建立的。Rotstayn等[29]于2006年將其進行改進，目的用來估算Class-A型蒸發皿蒸發量。在本研究中，我們運用修正后適合計算20 cm蒸發皿蒸發量的PenPan模型，計算方法如下：

(1)

1.3 模型評價

本研究采用RRMSE(Relative Root Mean Square Error)和NSE(Nash-Sutcliffe Efficacy Coefficient)[31]兩個指標對PenPan模型在中國地區適用性進行評價。

(2)

(3)

(4)

一般認為RRMSE≤10%，模擬結果優秀，10%40%，則認為模擬結果較差[32]；NSE為納什系數(-∞～1)，越接近1，效果越好。

1.4 趨勢分析

為了量化近年來中國地區氣候和蒸發皿蒸發量的變化情況，對中國地區氣象因素和蒸發量進行趨勢分析。趨勢分析方法利用Mann-Kendall(M-K)趨勢分析方法[33,34]，M-K趨勢分析為非參數檢驗方法，不需要樣本遵循一定的分布，異常值對結果影響較小，適用于氣象等非正態分布數據的趨勢檢驗。Mann-Kendall趨勢檢驗方法，具體如下：

(5)

(6)

E(S)=0

(7)

(8)

(9)

式中：xj，xi均為欲進行假設檢驗的隨機變量；n代表數據系列的長度；當xj-xi大于、等于或小于0時，sgn的值分別為+1、0、-1。當Z>0時，為上升趨勢；Z<0時，為下降趨勢。檢驗顯著性水平為0.05時，Z的臨界值為±1.96。

1.5 成因分析

蒸發皿蒸發量是多種氣象因子綜合作用的結果，為了探究氣象要素對蒸發皿蒸發量的敏感性，找出影響中國地區蒸發皿蒸發量的主導因素。本研究采用多元線性回歸，先將數據標準化，來探尋影響中國蒸發皿蒸發量的主導因素[35]。

Y=aX1+bX2+cX3+dX4

(10)

ξX1=|a|/(|a|+|b|+|c|+|d|)

(11)

式中：Y為蒸發皿蒸發量標準化后的值；X1、X2、X3、X4均為氣象要素標準化后的值；a、b、c、d為每個氣象要素的相關系數；ξX1為X1氣象要素對Y的貢獻。

2 結果與分析

2.1 PenPan模型在中國地區適用性評價

本研究分析了月尺度的20 cm蒸發皿觀測值和PenPan模型模擬值的相關性(圖2)，選取點數n=351 859，其模擬值和觀測值的相關系數為0.96，R2(Coefficient of Determination)為0.97，RMSE(Root Mean Square Error)為每個月28.03 mm。RRMSE為21.6%，NSE為0.90，接近于1，說明PenPan模型在中國地區適用性良好。

圖2 蒸發皿觀測值Epan和PenPan模型模擬結果比較Fig.2 Comparison of the observed and calculated

2.2 中國地區蒸發皿蒸發量年際變化趨勢

圖3為1961-2017年中國地區蒸發皿蒸發量年際變化情況。中國地區年際總蒸發量在1 550～1 750 mm/a之間，在1961-2017年期間總蒸發量呈現先下降后上升的趨勢。其中趨勢發生變化的年份為1993年，在1961-1993年期間中國地區存在“蒸發悖論”現象，即隨著空氣溫度升高蒸發量呈現下降趨勢；在1994-2017年空氣溫度持續升高，“蒸發悖論”現象消失。輻射項和動力項變化趨勢和總蒸發量變化趨勢基本一致(圖3)。輻射項的變化范圍為1 050～1 140 mm/a，動力項的變化范圍為500～610 mm/a，因此輻射項對總蒸發量的貢獻較大。

圖3 1961-2017年中國地區蒸發皿蒸發量年際變化趨勢Fig.3 Long time series of pan evaporation changes trends over period of 1961 to 2017 in China

在1961-2017年，通過表1可知，溫度和飽和水汽壓差呈現顯著上升趨勢，太陽輻射和風速呈現顯著下降趨勢。在夏季輻射項和動力項都呈顯著下降的趨勢，說明夏季蒸發量下降是整體處于下降趨勢的關鍵季節。根據蒸發量整體的變化趨勢，將1961-2017年劃分為兩個時段：1961-1993、1994-2017年。在1961-1993年總蒸發皿蒸發量呈現顯著下降趨勢，春季和夏季下降顯著，秋季和冬季下降趨勢不顯著。總蒸發皿蒸發量下降是輻射項和動力項的綜合影響，其中動力項在四季中都呈顯著下降趨勢，輻射項在春季和夏季顯著下降，秋季和冬季下降趨勢不顯著。在1994-2017年總蒸發量呈現顯著上升趨勢，其中春季和夏季上升趨勢顯著，輻射項變化不顯著，動力項在夏季和冬季顯著上升。

表1 中國氣象要素及蒸發量趨勢分析Tab.1 Trend analysis of meteorological elements and evaporation in China

注：Z≥︱±1.96︳；p≤0.05；*為趨勢顯著。

2.3 中國氣象要素和蒸發量空間變化

圖4為1961-2017年中國地區氣象要素的空間分布。中國地區空氣溫度多年平均變化范圍為-5.03～25.23 ℃，從北到南逐漸增大，越接近赤道溫度越高，在青藏高原呈現較低的情況，這與青藏高原海拔高度有關；中國地區風速多年平均變化范圍為0.48～5.76 m/s，從北方到南方、從沿海到內陸，風速逐漸減小；中國地區太陽輻射多年平均值為21.38～34.68 MJ/(m2·d)，在青藏高原西南地區最大，四川盆地最小，這與海拔高度有關，海拔越高，接受到的輻射越多；中國地區飽和水汽壓差多年平均為0.16～1.54 kPa，在中國西北地區較大，這里沙漠較多，如塔克拉瑪干沙漠地區，水分不足，很難達到蒸發需要。

圖4 1961-2017中國氣象要素空間分布Fig.4 Spatial distribution of meteorological elements in China from1961 to 2017

圖5為1961-2017年中國地區蒸發皿蒸發量的空間分布。中國地區輻射項的多年平均范圍為611.29～1 727.79 mm/a，動力項為208.08～1 714.34 mm/a，總蒸發量為872.50～2 903.45 mm/a。輻射項和動力項在空間上分布差異巨大。輻射項蒸發量最大和最小相差1 116.50 mm/a，在海南、云南、廣西和廣東最大，在東北地區較小。動力項蒸發量最大和最小相差1 506.26 mm/a，在內蒙古及新疆地區較大，在中國南部和東北地區較小。總蒸發量，最大和最小相差2 030.95 mm/a，表現出在內蒙古和新疆地區較大，中國南部沿海地區次之，東北地區最小，表明中國地區蒸發量具有很大的區域差異。總蒸發量最大在西北地區，但由于不同季節氣象要素具有空間差異，導致蒸發皿蒸發量具有時空變異性。

圖5 1961-2017中國蒸發量空間分布(單位：mm/a)Fig.5 Spatial distribution of evaporation in China from 1961 to 2017

2.4 中國蒸發皿蒸發量的季節變化

2.4.1 輻射項

圖6為中國地區蒸發皿蒸發量輻射項空間分布。具體表現為：春季蒸發量范圍為156.09～536.46 mm/a，在云南和海南地區最大，在東北地區蒸發量較小。夏季與春季相比，蒸發量增大，蒸發量的范圍為305.51～691.00 mm/a，在內蒙古西部和新疆地區蒸發量最大，在青藏高原西北部周圍地區較小，華東及以南地區變化差異較小。秋季蒸發量與夏季蒸發量相比，空間上整體呈下降趨勢，其范圍為77.50～405.11 mm/a，在海南、云南、廣西和廣東地區蒸發量最大，在新疆南部及青藏高原西南部地區蒸發量次之，東北地區最小。冬季蒸發量為四個季節中最小的，其范圍為7.04～298.28 mm/a，在海南、云南、廣西和廣東蒸發量最大，然后蒸發量向北逐漸減少。輻射項的蒸發量整體表現出夏季>春季>秋季>冬季。不同季節中，除夏季輻射項最大值出現在中國西北部地區，其余季節輻射項最大值的區域在中國南部地區，東北地區蒸發量都比較小。

圖6 1961-2017中國不同季節輻射項蒸發量空間分布(單位：mm/a)Fig.6 Spatial distribution of radiation evaporation in different seasons of China from 1961 to 2017

2.4.2 動力項

圖7為中國地區蒸發皿蒸發量動力項的空間分布。春季蒸發量范圍為52.23～512.60 mm/a，在內蒙古和新疆地區蒸發量最大，東北次之，中國南部最小。夏季蒸發量較春季范圍增大，范圍為42.82～854.87 mm/a，在新疆東部和內蒙古西部地區蒸發量最大，中國青藏高原、南部及東北地區蒸發量較小。秋季較夏季蒸發量變化范圍縮小，其范圍為35.91～392.85 mm/a，在新疆東部和內蒙古西部地區蒸發量最大。冬季蒸發量變化范圍為三個季節最小的，其范圍為5.25～258.40 mm/a，在云南省蒸發量達到最大，青藏高原南部和云南地區較大，在西北地區和東北地區蒸發量最小。動力項的蒸發量整體呈現出夏季>春季>秋季>冬季。動力項的冬季蒸發量最大值在華南地區，其余季節在中國西北地區。

圖7 1961-2017中國不同季節動力項蒸發量空間分布(單位：mm/a)Fig.7 Spatial distribution of dynamic component evaporation in different seasons of China from 1961 to 2017

2.4.3 總蒸發皿蒸發量

圖8為中國地區總蒸發皿蒸發量的空間分布。4個季節中春季總蒸發量范圍為262.19～1 049.06 mm/a，在新疆南部地區和內蒙古西部以及云南地區蒸發量最大，東北北部和華中地區較小。夏季相比春季蒸發量增大，其范圍為359.51～1 462.32 mm/a，在新疆地區和內蒙古西部地區蒸發量最大，華北和華中地區次之，東北和青藏高原地區較小。與春夏季節相比，秋季蒸發皿蒸發量減小，其范圍為125.33～748.06 mm/a，中國南部沿海地區蒸發量最大，新疆和青藏高原西南部次之，東北地區最小。冬季蒸發量為4個季節中最小的，其變化范圍為13.78～533.95 mm/a，云南和中國南部沿海地區的蒸發量最大，且向北逐漸變小。總蒸發皿蒸發量受輻射項和動力項兩者共同作用，總蒸發量范圍表現出夏季>春季>秋季>冬季。隨著季節變化，輻射項和動力項在空間上差異顯著，總蒸發量最大值從北方轉移到了南方，說明在不同季節影響蒸發皿蒸發量主導因素不同。

圖8 1961-2017中國不同季節總蒸發量空間分布(單位：mm/a)Fig.8 Spatial distribution of total evaporation in different seasons of China from 1961 to 2017

2.5 中國地區蒸發皿蒸發量的成因分析

本研究表明中國地區蒸發皿蒸發量呈現季節性差異，因此對影響蒸發皿蒸發量的氣象要素進一步分析。結果表明：1961-2017年影響蒸發皿蒸發量的主導氣象要素為風速，其次是飽和水汽壓差，然后是太陽輻射，最后是空氣溫度(表2)，這也解釋了隨著空氣溫度上升，蒸發量呈現下降趨勢，不同氣象要素對蒸發皿蒸發量的作用相互抵消，空氣溫度的影響較小。不同季節中，春季表現為飽和水汽壓差和風速共同占主導地位，然后是空氣溫度，最后是太陽輻射。夏季與春季相比，主導氣象要素變為太陽輻射，其次是飽和水汽壓差，然后是風速，最后是空氣溫度。秋季和春季主導氣象要素都為飽和水汽壓差，風速次之，接著太陽輻射，最后是空氣溫度。冬季和秋季相比，溫度和太陽輻射影響的重要性位置互換，飽和水汽壓差和風速不變。不同季節具體表現為：秋季和冬季都是飽和水汽壓差占主導地位，而春季的飽和水汽壓和風速共同占主導因素，在夏季太陽輻射占主導地位。對不同時段進行成因分析，可知：第一時段1961-1993年風速占主導地位，不同季節中，夏季太陽輻射占主導因素，冬季飽和水汽壓差占主導地位，其余季節風速占主導地位。根據表1的趨勢分析得出，太陽輻射和風速均處于下降趨勢，導致在此期間溫度雖然上升，但蒸發皿蒸發量仍處于下降的趨勢。與第一時段相比，第二時段(1994-2017年)主導氣象要素由風速變為飽和水汽壓差。除了冬季空氣溫度和太陽輻射互換順序，春、夏秋和多年排序一致。此時飽和水汽壓的影響呈現顯著上升的趨勢，空氣溫度的作用增大，風速作用減小。

表2 中國蒸發皿蒸發量成因分析Tab.2 Analysis of the attribution of pan evaporation in China

3 討 論

本研究運用PenPan模型對中國地區蒸發皿蒸發量進行估算，發現1993年前后中國地區“蒸發悖論”現象消失。隨季節變化，中國蒸發皿蒸發量最大值所在區域由西北地區轉移到了中國南方地區。春夏兩個季節蒸發量最大值所在區域在西北地區，秋季和冬季在華南地區。盛瓊[36]分析了1957-2001年中國地區蒸發皿蒸發量得出春夏秋蒸發量最大在中國西北地區，冬季在云南地區，秋季結果與本文研究有所差異，其余季節相同。

進一步分析了影響蒸發皿蒸發量的主導氣象因素，發現在1993年前后主導氣象因素由風速轉變為飽和水汽壓的差，空氣溫度的作用增大，風速的作用減小，這是蒸發皿蒸發量趨勢發生變化的原因。劉波[37]分析了中國地區1960-2000年的蒸發皿蒸發量，得出中國大部分地區蒸發皿下降的主導因素為風速，這和本文第一時段的研究結果一致。本研究是針對全國區域，有研究發現不同區域的影響因素有所差異，但是風速的主導地位在各地區都有所顯現。如淮河流域，影響蒸發皿蒸發量氣象因素排序為風速>太陽輻射>空氣溫度>飽和水汽壓差[26]；京津冀地參考作物蒸發量在1961-1991年的氣象要素排序為風速>相對濕度>空氣溫度>日照時數，在1992-2015年氣象要素排序為空氣溫度>風速>相對濕度>日照時數[38]；青海地區，劉蓓[39]發現日較差和風速的減小是影響青海省蒸發皿蒸發量的最主要原因。說明研究的區域不同，研究結果雖然有所差異，但風速的下降是蒸發皿蒸發量下降的主要因素。第二時段蒸發量的趨勢發生變化，根據研究結果發現(表1)，在1961-1993年期間，風速的變化呈現顯著下降的趨勢，在1994-2017年后風速下降趨勢不顯著，飽和水汽壓的差卻呈現顯著增加的趨勢，這可能是主導因素由風速轉變為飽和水汽壓的差的原因。此外，空氣溫度對蒸發皿蒸發量的影響變大。

本文利用PenPan模型對中國地區蒸發皿蒸發量進行分析，得出了中國地區蒸發皿蒸發量在時間和空間上的變化及主導因素的轉變情況。但是由于研究區域較大，不同地區的地理環境和局部氣候因素不同，其主導因素可能改變，說明應該分區進行研究或者針對特定的區域進行分析，特別是西北和華南地區，以探究具體地區蒸發皿蒸發量的影響因素，為中國地區水資源的合理調配進一步提出指導方案。

4 結 論

本文選用PenPan模型對中國地區蒸發皿蒸發量進行趨勢研究和成因分析，得到以下主要結論：

(1)中國地區蒸發皿蒸發量在1961-1993年呈現下降趨勢；在1994-2017年呈現上升趨勢，1993年是中國地區“蒸發悖論”現象消失年份。

(2)春夏秋冬4個季節，蒸發量空間差異變化大。輻射項蒸發量夏季最大值出現在西北地區，其余季節在華南地區；動力項蒸發量冬季最大值出現在華南地區，其余季節在西北地區；隨著季節推移，總蒸發量最大區域由西北轉移到華南地區。

(3)1961-2017年風速是影響中國地區蒸發皿蒸發量的主導氣象因素，在1961-1993年間風速占主導地位，而1994-2017年間飽和水汽壓差占主導地位，在季節上和年的氣象因素排序基本一致。影響中國地區蒸發量的主導因素在1993年前后發生變化，空氣溫度的影響增大，風速的影響減小，氣象要素的趨勢變化和主導氣象因素改變是中國地區蒸發皿蒸發量趨勢發生變化的原因。