中國潛在蒸散量時空變化分析

吳 霜 延曉冬 楊伯鋼 于恬恬 張 建

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100045; 2. 北京師范大學 地理學科學學部 地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875; 3. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038; 4. 城市空間大數據分析應用研究 楊伯鋼職工創新工作室, 北京 100038)

0 引言

蒸散量(evapotranspiration,ET)是從地球表面到大氣的蒸發量和植物蒸騰量的總和,蒸散量是地球表面和大氣之間水熱平衡的最重要組成部分之一。此外,蒸散量的變化與地表溫度、降水量、太陽輻射等氣候要素密切相關,是氣候變化的影響因素之一。因此,研究蒸散量的變化在氣候變化研究中具有重要意義。

潛在蒸散量(potential evapotranspiration,PET)作為蒸發的理論上限,是研究氣候干濕狀態[1-2],是農業研究中分析作物需水量[3-4],水量供需平衡的主要因子之一[5-6]。以往的研究大多數著重于對中國近幾十年不同領域潛在蒸發對氣候因子和氣候變化的影響以及干旱期間氣候因子對潛在蒸發的影響[7-9]。伴隨著中國極端事件發生頻率的增加,氣候變化趨勢日漸明顯[10-11],潛在蒸散量也隨之發生著變化。盡管如此,很少研究指出百年間中國地表潛在蒸散量在時空中的變化特征。本文對中國百年潛在蒸散量進行分析,分別從時間和空間兩個方面闡述中國潛在蒸散量的變化特征。

1 數據及方法

1.1 潛在蒸散量

2014年,Harris等人[12]根據世界各地氣象站的月度觀測更新了高分辨率網格化氣候數據集(CRU TS 3.22),并由東英吉利大學氣候研究室發布。該數據集提供了10個地表氣候變量的1901—2013年月平均值,空間分辨率為0.5°×0.5°,覆蓋全球陸地。數據來源于世界氣象組織和美國國家海洋和大氣管理局[12]。源數據既不包括衛星觀測,也不使用模式同化。同時,使用相對簡單的數學方法整合和內插數據源[13]。值得說明的是,其在中國地區使用的臺站資料包括了國家氣候中心對外發布的160個氣候基準站的觀測資料,這些觀測資料對中國區域數據的插值帶來有意義的信息。本文分析的潛在蒸散量(PET)數據來自CRU TS 3.22,利用聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)提供的Penman Monteith方法[14]計算估算得到的。

本次研究中,將1901—2013年從后至前劃分為三個時間段,分別從時間和空間兩個角度對三個時間段的潛在蒸散量變化進行分析。特別說明的是,本次研究中第一個時間段為53年(即1901—1953年,后文用P1表示),第二、三個時間段均為30年(分別為1954—1983年和1984—2013年,后文分別用P2和P3表示)。如此劃分是由于若均按照30年為一個氣候態進行劃分,1901—1923年不滿30年,而目前的研究主要關注20世紀50年代至今的潛在蒸散量變化,故此次將1901—1953年作為一個時間序列進行研究,不再進行更細的時間劃分。

1.2 氣候傾向率分析

氣候傾向率的算法為：設某站某氣象要素時間序列為y1、y2、…yi、…yn,它可以用一個多項式來表示。

(1)

式中,y為氣象要素對應的變化率,單位與氣象要素單位相一致;t為時間,單位為年。一般來講,溫度和降水的氣候趨勢用一次直線方程和二次曲線方程就能滿足。這里用一次直線方程來定量描述,即y(t)=a0+a1t1,則趨勢變化率方程為dy(t)/dt=a1,把a1×10稱做氣候傾向率,其單位為℃/10 a或mm/10 a,方程中的系數可用最小二乘法或經驗正交多項式來確定。

1.3 相關性分析

相關分析(correlation analysis)是研究現象之間是否存在某種依存關系,并對具有依存關系的現象探討其相關方向以及相關程度,是研究隨機變量之間的相關關系的一種統計方法。文中采用皮爾遜(Pearson)相關系數法對相關性進行計算。皮爾遜相關系數法是用來衡量兩個數據集合是否在一條直線上,用來衡量定距連續變量間的線性關系。其計算公式為

(2)

2 結果

2.1 潛在蒸散量逐年變化趨勢

通過對1901—2013年的年潛在蒸散量進行多年平均計算,其空間分布特征顯示出：我國西北地區的潛在蒸散量最高,其中新疆東南部多年平均潛在蒸散量最高,平均為1 200～1 400 mm/a;我國北部、東部和西南地區的多年平均潛在蒸散量較低,其平均在600～1 200 mm/a。

然后,計算了113年來中國潛在蒸散量的年平均值。潛在蒸散量年平均值的時間變化表現為先增加后減少,然后逐漸增加(圖1)。1949、1954、1964和1976年的數值明顯低于其他年份,分別為874.09、857.98、850.95和871.17 mm。2004和2009年的潛在蒸散量是113年來最高的,分別為950.19和953.49 mm。此外,結果表明：隨著時間的推移,中國每年潛在蒸散量的變化顯著增加;3個時期的每10 a變化率分別為3.9、5.3和18.86 mm。

圖1 1901—2013年中國年均潛在蒸散量

2.2 潛在蒸散量年代際時空變化趨勢分析

2.2.1年代際潛在蒸散量時空變化

從年代際間潛在蒸散量的空間分布中可以得出,三個時間段中潛在蒸散量空間分布具有明顯的一致性,即在我國西北大部分地區的潛在蒸散量最高,隨后依次是我國北部、東部、南部和中部地區,而我國東北和西南地區的潛在蒸散量最低。局部區域潛在蒸散量空間分布有所差異,其中以北部和東部地區變化最為明顯。Yao等[11]還發現,西北干旱地區和亞熱帶森林地區的年潛在蒸散量最高,而青藏和寒冷溫帶地區的東北地區的潛在蒸散量最低。

隨后對各氣候態間潛在蒸散量空間變化情況進行分析。P2與P1相比,除東北,西北,海南以及臺灣地區潛在蒸散量略有上升外(升高10～20 mm/a),大部分地區的潛在蒸散量呈下降趨勢。其中，華北、華東以及華中北部潛在蒸散量減少最多(減少20～50 mm/a),其他地區減少量在10～20 mm/a。P3與P2相比,只有部分地區潛在蒸散量略有降低,并且大部分地區減少量不足10 mm/a。華北、華東和華南地區潛在蒸散量呈明顯上升趨勢,且大部分地區增加量在30～80 mm/a。其他潛在蒸散量增長的地區增加量在30 mm/a以內。P3與P1相比,西南大部分地區以及華中中部地區潛在蒸散量有所降低(降低幅度小于30 mm/a)。

2.2.2年代際潛在蒸散量變化趨勢

而對年代際內潛在蒸散量十年氣候傾向率變化趨勢分析,并逐格點進行顯著性檢驗。在1901—1953年中國大部分地區潛在蒸散量呈上升的趨勢,且增長速率在2～16 mm/10 a。在1954—1983年,潛在蒸散量降低的地區明顯增加,其降低速率在2～20 mm/10 a。此外,東北和華北南部地區潛在蒸散量顯著增高,其速率為12～34 mm/10 a。其他地區增長率在6～20 mm/10 a。1984—2013年間再次出現大部分地區潛在蒸散量呈增加的趨勢,且增加速率明顯加快。其中，西北地區,華北、華中、華東以及西南地區的東部潛在蒸散量增長率為16～64 mm/10 a,其他潛在蒸散量增加的地區增長速率為2～16 mm/10 a。這一空間分布特征與Yao等[11]的研究結果相一致。然而,由于研究的起始和結束年份不同(分別為1982—2010年和1984—2013年),因此潛在蒸散量變化也存在一定的差異。

2.3 潛在蒸散量季節性時空變化趨勢分析

表1為三個時間段中不同季節潛在蒸散量以及變化趨勢。通過對各時間段間的對比顯示：除夏季外,多年平均潛在蒸散量在春季、秋季和冬季均呈上升趨勢。在夏季,多年平均潛在蒸散量呈先下降后上升的趨勢。1901—1953年,為258.83 mm/月,1954—1983年為259.763 mm/月,1984～2013年為265.093mm/月。然而,對每個時間段內各季節潛在蒸散量變化進行分析：1901—1953年和1984—2013年間冬季潛在蒸散量呈降低的趨勢(分別為-0.03 mm/10 a和-0.35 mm/10 a)。其他時間段內各季節潛在蒸散量均呈上升趨勢,且三個時間段內春、夏兩季潛在蒸散量和1984—2013年間秋季潛在蒸散量的變化趨勢均呈現出顯著增加的趨勢(通過0.05水平顯著性檢驗)。

表1 三個時間段四季潛在蒸散量 單位：mm

在分析中國三個時期潛在蒸散量的空間分布時,本文將中國大陸劃分為七個地理區域：①東北地區,包含黑龍江、吉林和遼寧。②華北地區,包含內蒙古、山西、河北、北京市、和天津市。③華東地區,包含山東、江蘇、上海市、福建和臺灣。④華南地區,包含廣東、廣西壯族自治區和海南。⑤華中地區,包含河南、安徽、湖北、湖南和江西。⑥西北地區,包含新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西。⑦西南地區,包含西藏、四川、重慶、云南和貴州。隨后,對比分析了七個區域中各季節潛在蒸散量分布特征(圖2)。

(b)夏季

(c)秋季

(d)冬季圖2 中國不同區域潛在蒸散量季節分布

春季、夏季和秋季潛在蒸散量空間分布情況與年潛在蒸散量的空間分布情況具有一致性。冬季潛在蒸散量的空間分布與年度潛在蒸散量不同。春季和夏季,各地區潛在蒸散量平均值的分布特征是一致的。此外,各地區的潛在蒸散量平均值在秋季和冬季的分布是一致的。但這種分布特征與春夏季的分布特征相反。

3 結束語

通過對我國1901—2013年間潛在蒸散量的時空變化分析,得出以下幾點結論：

(1)1901—2013年多年平均潛在蒸散量,我國西北地區的潛在蒸散量最高,其次是北部,東部和西南地區,東北北部地區潛在蒸散量最低。

(2)1901—2013年逐年潛在蒸散量呈先上升后降低,再逐漸上升的趨勢。其中1949、1954、1964和1976年的潛在蒸散量明顯低于其他年份,而2004和2009年是有史以來潛在蒸發量最高的兩年。

(3)對各氣候態逐年潛在蒸散量的分析得出：雖然1954—1983年間的潛在蒸散量明顯低于其他兩個氣候態,但是中國各氣候態內年潛在蒸散量呈逐漸上升的趨勢,且增長速率逐漸加快。各氣候態間的多年平均潛在蒸散量空間分布差值分析顯示,中國華北、華中和華東地區潛在蒸散量變化最顯著。

(4)對各氣候態潛在蒸散量季節性變化分析,夏季潛在蒸散量最高 ,其次是春季、秋季,最后是冬季。此外,1954—1983年,除冬季外各地區潛在蒸散量低于其他兩個時間段。