1961—2017年黑龍江省蒸發(fā)量演變特征及其與氣候因子的關(guān)系*

李秀芬 姜麗霞 李險(xiǎn)峰 趙 放 朱海霞 王 萍 宮麗娟 趙慧穎

1 黑龍江省氣象科學(xué)研究所，哈爾濱 150030 2 中國(guó)氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030 3 黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱150080 4 哈爾濱市氣象局，哈爾濱 150028

提 要： 利用黑龍江省80個(gè)站1961—2017年器測(cè)蒸發(fā)量觀測(cè)資料及常規(guī)氣象觀測(cè)資料，采用線性傾向估計(jì)、累積距平、Mann-Kendal突變分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和Mexican hat小波分析等方法，分析了黑龍江省年和四季器測(cè)蒸發(fā)量的時(shí)空演變特征，并探討了其與氣候因子的關(guān)系。結(jié)果表明：黑龍江省年蒸發(fā)量的空間分布的地理特征明顯，其值隨緯度、經(jīng)度、海拔高度的增加而遞減，遞減率分別為55.4 mm/°N、45.2 mm/°E、88.8 mm/(100 m)。1961—2017年，黑龍江省年蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)，降幅達(dá)13.7 mm/(10 a)，存在8 a和24 a周期，全省下降趨勢(shì)站點(diǎn)比例達(dá)70.0%，其中62.5%站點(diǎn)的下降趨勢(shì)通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，遠(yuǎn)超上升站點(diǎn)比例，總體存在“蒸發(fā)悖論”。季節(jié)間對(duì)照發(fā)現(xiàn)，春季蒸發(fā)量降幅較大且趨勢(shì)極顯著，存在24 a、準(zhǔn)2 a 周期，有67個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其中44個(gè)站呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)；夏季、秋季的降幅較小且變化不顯著，均存在7 a周期；冬季則表現(xiàn)為小幅不顯著的增加趨勢(shì)，存在24、11、2 a周期，有23站冬季蒸發(fā)量呈顯著上升趨勢(shì)。突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，年、春季、冬季蒸發(fā)量存在明顯的突變時(shí)間，夏季和冬季則無(wú)明顯突變。年、季節(jié)蒸發(fā)量與平均溫度、風(fēng)速存在正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速顯著下降是導(dǎo)致年蒸發(fā)量顯著減少的主導(dǎo)因素，風(fēng)速顯著下降及增濕明顯的疊加作用，致使春季蒸發(fā)量的下降趨勢(shì)更顯著，而氣候的暖干化使得冬季蒸發(fā)量呈較弱的上升趨勢(shì)。

引 言

蒸發(fā)作為陸-氣水循環(huán)系統(tǒng)的紐帶，在地表水資源重新分配中扮演著重要的角色，平均而言，陸地蒸發(fā)產(chǎn)生的降水占全球陸地總降水量的65%(Chahine，1992)。21世紀(jì)以來(lái)，由蒸散發(fā)再凝結(jié)形成的降水量增加，大氣內(nèi)循環(huán)活躍程度加大(姜彤等，2020)。蒸發(fā)量的變化影響著全球水分循環(huán)和能量平衡，作為重要的指標(biāo)，在水文監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、水利工程設(shè)計(jì)、水資源評(píng)價(jià)及氣候區(qū)劃等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛(莊曉翠等，2010；榮艷淑等，2012;程海濤和慕彩蕓，2009)。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(即器測(cè)蒸發(fā)量)雖然不能代表實(shí)際蒸發(fā)量，但是作為區(qū)域蒸發(fā)能力的一種體現(xiàn)，其值的大小及變化趨勢(shì)可以代表某地區(qū)大氣蒸發(fā)能力，同時(shí)也能反映該區(qū)域干濕狀況的變化以及對(duì)區(qū)域氣候變化的影響。因此，研究器測(cè)蒸發(fā)量的變化對(duì)深入了解氣候變化規(guī)律、探討氣候變化成因具有十分重要的意義。器測(cè)蒸發(fā)量資料具有覆蓋范圍廣、累積序列長(zhǎng)、可比性好等優(yōu)勢(shì)，為此，許多學(xué)者側(cè)重于器測(cè)蒸發(fā)量開展研究(Peterson et al，1995；邱新法等，2003；Liu et al，2009;2011；石明星等，2018)，獲得了大量的成果。眾多研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖背景下的全球大部分地區(qū)的器測(cè)蒸發(fā)量隨溫度升高不升反降趨勢(shì)明顯(Peterson et al,1995; Chattopadhyay and Hulme,1997;Cohen et al,2002;Burn and Hesch,2007;Liu et al,2009)，即存在“蒸發(fā)悖論”(Roderick and Farquhar,2002)。導(dǎo)致“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象產(chǎn)生的氣候機(jī)制因地域不同而有所差異。在中國(guó)，器測(cè)蒸發(fā)量表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)，但其主要影響因子略有差異，曾燕等(2007)認(rèn)為主要影響因子為輻射和氣溫日較差；申雙和和盛瓊(2008)將其歸因于日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的變化；祁添垚等(2015)的研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度是器測(cè)蒸發(fā)量變化的關(guān)鍵影響因子。在黃河流域，“蒸發(fā)悖論”具有空間上和時(shí)間上的不一致性，其主導(dǎo)因素是風(fēng)速的明顯減小(馬雪寧等，2012)。在中國(guó)北方地區(qū)，則多將蒸發(fā)量的減小歸因于氣溫日較差的減小、風(fēng)速的下降、太陽(yáng)總輻射的減少及水汽壓的降低(Liu et al, 2011；朱紅蕊等，2013；岳元等，2017；楊璐等，2019)。京津冀地區(qū)，平均風(fēng)速是其平原區(qū)蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因子，而在山區(qū)和高原地區(qū)，日照時(shí)數(shù)則是主導(dǎo)因子(于占江和楊鵬，2018)。在同樣的氣候背景下，部分地區(qū)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量也有增多現(xiàn)象(石明星等，2018)。大量的研究成果表明，無(wú)論蒸發(fā)量的增多還是減少，重要的是在氣候變暖的背景下存在蒸發(fā)量發(fā)生了明顯變化這一事實(shí)，但由于研究區(qū)域、研究時(shí)段、站點(diǎn)數(shù)等諸多因素的不同，導(dǎo)致結(jié)論存在一定的偏差，從而凸顯了開展長(zhǎng)時(shí)間序列、精細(xì)化的小區(qū)域的動(dòng)態(tài)研究的重要性。

黑龍江省作為中國(guó)糧倉(cāng)和東北亞生態(tài)屏障，擔(dān)負(fù)著保障國(guó)家糧食安全和生態(tài)安全的雙重重任。在氣候變化背景下，黑龍江省氣候變暖顯著(于梅等，2009；陳晶，2013；肖冰霜等，2016)的同時(shí)，水資源供給條件、分配方式也發(fā)生了相應(yīng)的變化，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，全省旱情自南向北逐漸加強(qiáng)(Zhao et al, 2019)，同時(shí)極端降水事件頻繁發(fā)生(朱海霞等，2019)。氣候干濕的劇烈交替，較大地影響著該地區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為加深對(duì)黑龍江省蒸發(fā)能力隨氣候變化演變特征的理解，驗(yàn)證黑龍江省是否存在“蒸發(fā)悖論”，本文綜合考慮熱力、動(dòng)力、濕度等3類因子，建立蒸發(fā)量的多元線性回歸模型，以探討其與氣候因子的關(guān)系。研究結(jié)果有助于揭示區(qū)域水旱災(zāi)害成因，為準(zhǔn)確判識(shí)、預(yù)估旱澇趨勢(shì)，合理制定水資源高效利用途徑提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文所用資料來(lái)自黑龍江省80個(gè)常規(guī)氣象站(圖1)1961—2017年的逐日觀測(cè)資料，包括器測(cè)蒸發(fā)量(小型、E-601型)、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、降水量、平均相對(duì)濕度和平均水汽壓等。針對(duì)2002—2017年5—9月E-601B型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量資料，按照換算系數(shù)(任芝花等，2002)統(tǒng)一折算成小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量后使用；對(duì)于缺測(cè)漏測(cè)值則通過(guò)建立其與本站氣溫、降水、日照、相對(duì)濕度及風(fēng)速等多元線性回歸模型進(jìn)行插補(bǔ)(祁添垚等,2015)。季節(jié)劃分采用氣象季節(jié)，即：春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—次年2月。各站年、季節(jié)蒸發(fā)量通過(guò)相應(yīng)時(shí)段的逐日蒸發(fā)量觀測(cè)值累加獲得；黑龍江省年、季節(jié)蒸發(fā)量為80個(gè)站年、季節(jié)蒸發(fā)量的算術(shù)平均。

圖1 黑龍江省80個(gè)氣象觀測(cè)站分布 (填色為海拔高度)Fig.1 Locations of 80 meteorological stations in Heilongjiang Province (colored: altitude)

1.2 研究方法

1.2.1 線性傾向分析法

本文采用線性傾向估計(jì)法(魏鳳英,2007；趙慧穎等，2017)，通過(guò)建立蒸發(fā)量(EPi)與對(duì)應(yīng)年(ti)建立的一元線性回歸方程，分析年、季節(jié)蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)，公式如下：

EPi=a+bti

(1)

式中：a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，通過(guò)最小二乘法確定。當(dāng)b>0(b<0)時(shí)，說(shuō)明蒸發(fā)量隨時(shí)間呈上升(下降)趨勢(shì)，以10b值的大小表示蒸發(fā)量上升(下降)的傾向程度。其年、季節(jié)變化的顯著性水平通過(guò)t檢驗(yàn)進(jìn)行判斷：α=0.1，變化趨勢(shì)較顯著；α=0.05，變化趨勢(shì)顯著；α=0.01，變化趨勢(shì)極顯著。

1.2.2 累積距平分析法

本文通過(guò)累積距平(魏鳳英,2007)曲線的起伏，

直觀判斷年、季節(jié)蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)及持續(xù)性變化，對(duì)于氣候要素(xi)序列，其某一時(shí)刻t的累積距平(Xt)表示為:

(2)

(3)

1.2.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

采用非參數(shù)Mann-Kendall法(魏鳳英,2007)對(duì)黑龍江省年、季節(jié)器測(cè)蒸發(fā)量進(jìn)行突變檢驗(yàn)。對(duì)具有n個(gè)樣本的時(shí)間序列x的順序x1,x2,…,xn構(gòu)建秩序列Sk，即

(4)

式中：xi和xj分別為第i年和第j年年、季節(jié)蒸發(fā)量。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量

(5)

式中：UF1=0；E(Sk)、var(Sk)分別為Sk的均值和方差，計(jì)算公式如下：

(6)

重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，按時(shí)間序列x的逆序xn,xn-1,…,x1計(jì)算統(tǒng)計(jì)量UBk，UB1=0。繪制UFk和UBk曲線，若UFk>0或UFk<0，則表明序列呈上升或下降趨勢(shì)；若UFk超過(guò)臨界值時(shí)，則表明上升或下降趨勢(shì)顯著；若UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間有交點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即突變開始的時(shí)間。對(duì)于存在的虛假突變點(diǎn)，結(jié)合累積距平曲線剔除。本研究采用α=0.05顯著性水平，其臨界值為±1.96。

1.2.4 Mexican hat小波分析方法

本文采用小波分析法來(lái)識(shí)別年、季節(jié)蒸發(fā)量序列在一定時(shí)間尺度下的周期變化特征、小波方差分析該序列的周期尺度。連續(xù)小波變換可以定義為(Zhao et al，2016；馮禹昊和朱江玲，2019)：

(7)

-∞

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸發(fā)量的地理分布特征

利用黑龍江省80個(gè)站多年平均年蒸發(fā)量(PE)與地理因子——緯度(N)、經(jīng)度(E)、海拔高度(H)建立多元回歸方程，以描述年蒸發(fā)量的地理分布特征。建立的回歸方程如下：

PE=9 859.670-55.360N-45.182E-0.888H

(9)

式中：復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.801，通過(guò)了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。分析圖2可知，年蒸發(fā)量總體表現(xiàn)為松嫩、三江兩大平原區(qū)高，大、小興安嶺山地及牡丹江半山區(qū)低。其大值區(qū)位于松嫩平原，絕大部分地區(qū)的年蒸發(fā)量大于1 200 mm，最大值出現(xiàn)在其南部地區(qū)(大于1 600 mm)；三江平原次之，大部分地區(qū)年蒸發(fā)量為1 200～1 600 mm；大、小興安嶺山地及牡丹江半山區(qū)大部最少(小于1 000 mm)。分析式(9)可知，年蒸發(fā)量隨地理因子的變化增減明顯，在

圖2 1961—2017年黑龍江省多年 平均年蒸發(fā)量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual average pan evaporation in Heilongjiang from 1961 to 2017

同經(jīng)度、同高度下，緯度每增加1°，年蒸發(fā)量減少55.4 mm；在同緯度、同高度下，經(jīng)度每增加1°，年蒸發(fā)量減少45.2 mm；在同經(jīng)度、同緯度下，海拔高度每增高100 m，年蒸發(fā)量減少88.8 mm。

2.2 蒸發(fā)量時(shí)間變化

1961—2017年，黑龍江省年蒸發(fā)量變化總體呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)(圖3a)，降幅為13.7 mm/(10 a)，通過(guò)了0.05顯著性水平檢驗(yàn)；年蒸發(fā)量的多年均值為1 296.0 mm，最大值為1 507.8 mm，出現(xiàn)在1982年，最小值僅為1 147.3 mm，出現(xiàn)在2013年，差值達(dá)360.5 mm。突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示(圖4a)，年蒸發(fā)量和曲線在0.05顯著性水平下存在多個(gè)交點(diǎn)，其中，1977—1978年的曲線超出了0.05顯著性水平上限，1993—1997年超出了0.05顯著性水平下限，表明年蒸發(fā)量存在明顯的時(shí)間突變，結(jié)合累積距平曲線(圖4b)，確定1983年、2001年為突變年。綜合分析圖3和圖4，近57年，年蒸發(fā)量經(jīng)歷了3個(gè)階段變化：1961—1982年為偏多期，68.2%的年份為正距平年；1983—2000年為持續(xù)偏少期，94.4%的年份為負(fù)距平年；2001—2017年為先增后減期，58.8%的年份為負(fù)距平年。

圖3 1961—2017年黑龍江省年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量時(shí)間變化曲線(a)和距平直方圖(b)Fig.3 Time variation curve (a) and anomaly histogram (b) of annual evaporation in Heilongjiang from 1961 to 2017

圖4 1961—2017年黑龍江省年蒸發(fā)量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(a)和累積距平曲線(b)Fig.4 Mann-Kendall test (a) and accumulated anomaly curve (b) of annual pan evaporation in Heilongjiang from 1961 to 2017

春季蒸發(fā)量以13.1 mm/(10 a)的幅度呈顯著下降趨勢(shì)(圖5a)，通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(圖6a)，UF和UB曲線在0.05顯著性水平下有1個(gè)交點(diǎn)，且20世紀(jì)90年代以來(lái)，UF值超過(guò)顯著性水平0.05顯著性水平下限，甚至超過(guò)0.001顯著性水平下限(臨界值為±2.56)，表明春季蒸發(fā)量存在明顯的時(shí)間突變，突變開始時(shí)間為1986年，突變前后其均值分別為477.1、430.0 mm，相差47.1 mm。綜合分析圖5a和圖6a，1961—1985年為春季蒸發(fā)量偏多階段，80.0%的年份為正距平年，1986—2017年為偏少期，71.9%的年份為負(fù)距平年。

夏季、秋季蒸發(fā)量均呈小幅度不顯著的減少趨勢(shì)(圖5b、5c)，累積距平曲線特征與年蒸發(fā)量累積距平曲線相似。突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(圖6b、6c)，UF和UB線在0.05顯著性水平下均存在多個(gè)交點(diǎn)，但UF值均未超過(guò)0.05顯著性水平，表明夏季、秋季蒸發(fā)量不存在明顯的時(shí)間突變。

圖5 1961—2017年黑龍江省春(a)，夏(b)，秋(c)和冬(d)季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量特征曲線Fig.5 Characteristic curves of seasonal pan evaporation in Heilongjiang from 1961 to 2017 (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

圖6 1961—2017年黑龍江省春(a)，夏(b)，秋(c)和冬(d)季蒸發(fā)量突變檢驗(yàn)Fig.6 Mann-Kendall test curves of spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) pan evaporation in Heilongjiang 1961—2017年

冬季蒸發(fā)量呈小幅度不顯著上升趨勢(shì)(圖5d)，UF和UB線在0.05顯著性水平下有1個(gè)交點(diǎn)(圖6d)，其中，1964年達(dá)顯著性水平下限，1997—2009年，UF值在顯著性水平線上波動(dòng)，且多次超過(guò)其上限值，表明冬季蒸發(fā)量存在明顯的時(shí)間突變，突變開始時(shí)間為1986年，突變前后其均值分別為39.2、44.2 mm，相差6.0 mm。其累積距平曲線表現(xiàn)為以1986年為轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)先降后升特征。

2.3 蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的空間分布

從圖7可以看出，1961—2017年，黑龍江省80個(gè)站年蒸發(fā)量下降趨勢(shì)的范圍較大，其中35個(gè)站的年總蒸發(fā)量顯著下降趨勢(shì)，站點(diǎn)主要分布在松嫩平原、三江平原和牡丹江山區(qū)；9個(gè)站呈顯著上升趨勢(shì)，有4個(gè)站分布在黑河市，其他5個(gè)站分別分布在大興安嶺、哈爾濱、佳木斯、雞西和牡丹江等地。計(jì)算年蒸發(fā)量的傾向率發(fā)現(xiàn)，遜克站增幅最大，傾向率達(dá)55.2 mm/(10 a)，烏伊嶺站增幅最小，僅為0.3 mm/(10 a)；降幅最大和最小站均出現(xiàn)在綏化市，其中，蘭西站降幅達(dá)90.6 mm/(10 a)，望奎站僅為0.3 mm/(10 a)。

器測(cè)蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)在不同季節(jié)表現(xiàn)為不同的空間分布特征(圖8)。從圖8a可知，春季蒸發(fā)量下降趨勢(shì)的空間分布特征與圖7基本相似，但范圍略大，44個(gè)站春季蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)，集中在松嫩平原、三江平原及牡丹江半山區(qū)；僅4個(gè)站蒸發(fā)量呈顯著上升趨勢(shì)，分布在大興安嶺北部及黑河中部地區(qū)。夏季蒸發(fā)量下降的區(qū)域明顯縮小(圖8b)，僅14個(gè)站蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)，集中分布在哈爾濱西部、伊春南部、綏化南部；顯著增加站點(diǎn)有所增加，達(dá)9個(gè)站，分布在黑南部(4站)及呼瑪、克山、富錦、尚志、穆棱等地。秋季蒸發(fā)量下降區(qū)域進(jìn)一步縮小(圖8c)，僅9個(gè)站蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)，零星分布在中、東部地區(qū)；顯著增加站點(diǎn)增加至17個(gè)站，除伊春外各地市均有分布。冬季蒸發(fā)量上升、下降趨勢(shì)站點(diǎn)相當(dāng)(圖8d)，上升趨勢(shì)趨強(qiáng)，有23個(gè)站蒸發(fā)量呈顯著增加趨勢(shì)，主要分布在大、小興安嶺地區(qū)及三江平原北部，僅龍江、明水、鐵力、虎林等4個(gè)站蒸發(fā)量呈明顯下降趨勢(shì)。

圖7 1961—2017年黑龍江省年總蒸發(fā)量 變化趨勢(shì)的空間分布Fig.7 Spatial distribution of the trends of annual evaporation in Heilongjiang from 1961 to 2017

圖8 1961—2017年黑龍江省春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季器測(cè)蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the trends of spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) evaporation in Heilongjiang from 1961 to 2017

2.4 蒸發(fā)量周期特征

1961—2017年Mexican hat小波分析發(fā)現(xiàn)，年蒸發(fā)量在5～10 a尺度上周期規(guī)律明顯(圖9a)，期間經(jīng)歷了“偏少—偏多—偏少—偏多—偏少”5個(gè)循環(huán)交替，到2017年等值線也沒(méi)有閉合，說(shuō)明在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)年蒸發(fā)量仍將處于偏少期；且隨著時(shí)間尺度的增加，在21～26 a尺度上，在20世紀(jì)80年代中期存在較明顯的由偏多向偏少的轉(zhuǎn)折。

分析各季節(jié)蒸發(fā)量的周期特征表現(xiàn)。春季蒸發(fā)量在5 a以下尺度上雖波動(dòng)劇烈，但周期規(guī)律不明顯；在21～27 a尺度上，在20世紀(jì)80年代中期存在明顯的由偏多向偏少轉(zhuǎn)折(圖9b)。從圖9c、9d可以看出，夏季、秋季蒸發(fā)量具有相似的周期規(guī)律，均在6～9 a尺度上經(jīng)歷了“偏少—偏多—偏少—偏多—偏少”5個(gè)循環(huán)交替，且到2017年等值線均未閉合，說(shuō)明在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)夏季、秋季蒸發(fā)量仍將處于偏少期。冬季蒸發(fā)量的周期變化規(guī)律不同于其他三個(gè)季節(jié)(圖9e)，在2 a尺度上存在多個(gè)短期周期振蕩；在11 a左右尺度上則經(jīng)歷了“偏少—偏多—偏少”3個(gè)循環(huán)交替；在20～27 a尺度上存在與春季相反的振蕩趨勢(shì)，在20世紀(jì)80年代中后期存在較明顯由偏少向偏多的轉(zhuǎn)折。

圖9 1961—2017年黑龍江省年(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)、冬(e)季蒸發(fā)量小波分析Fig.9 Wavelet analysis of pan evaporation annual (a) and spring (b), summer (c), autumn (d), winter (e) in Heilongjiang from 1961 to 2017

利用小波系數(shù)方差對(duì)黑龍江省蒸發(fā)量的周期進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖10)，1961—2017年黑龍江省年蒸發(fā)量存在8 a、24 a周期；春季存在24 a、準(zhǔn)2 a周期；夏季、秋季均存在7 a周期；冬季存在24 a、11 a、2 a周期。

圖10 同圖9，但為小波方差Fig.10 Same asFig.9, but for wavelet variance

2.5 蒸發(fā)量與氣候因子的關(guān)系

綜合分析年、季節(jié)蒸發(fā)量與相應(yīng)時(shí)段各氣候因子的相關(guān)關(guān)系及各氣候因子的時(shí)間變化趨勢(shì)(表1)，結(jié)合各氣候因子間的相關(guān)關(guān)系(表略)，篩選了與蒸發(fā)量相關(guān)密切且獨(dú)立性較好的平均溫度(T)、相對(duì)濕度(RH)、風(fēng)速(W)等3個(gè)因子，構(gòu)建黑龍江省年、季節(jié)蒸發(fā)量的氣候影響多元線性回歸方程。

表1 黑龍江省平均各氣候因子的氣候變化趨勢(shì)及與相應(yīng)時(shí)段蒸發(fā)量相關(guān)系數(shù)Table 1 Climate change trend of the average climate factors in Heilongjiang and the correlation coefficient with the evaporation in the corresponding period

由于各氣候因子與蒸發(fā)量的單位、量綱不盡相同，為準(zhǔn)確描述氣候因子對(duì)蒸發(fā)量的影響程度，先對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后建立多元回歸方程，并計(jì)算各氣候因子對(duì)蒸發(fā)量變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率(張嘉琪和任志遠(yuǎn)，2014)。結(jié)果見(jiàn)表2。式(10)～(14)中，EPy、EPSp、EPSu、EPA、EPW分別為年和春、夏、秋、冬季全省平均蒸發(fā)量；Ty、TSp、TSu、TA、TW為相應(yīng)時(shí)段的全省平均溫度；RHy、RHSp、RHSu、RHA、RHW為平均相對(duì)濕度；Wy、WSp、WSu、WA、WW為平均風(fēng)速。

由式(10)～式(14)可知，年、季節(jié)蒸發(fā)量對(duì)平均溫度、風(fēng)速存在正相關(guān)關(guān)系，對(duì)相對(duì)濕度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，且各氣候因子與蒸發(fā)量的偏相關(guān)關(guān)系均通過(guò)了0.05及以上顯著性水平檢驗(yàn)。以相對(duì)貢獻(xiàn)率來(lái)判斷各氣候因子對(duì)蒸發(fā)量的影響程度(表2)。年尺度上，平均溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)量的影響程度大小排序?yàn)橄鄬?duì)濕度>風(fēng)速>平均溫度，春季為風(fēng)速>相對(duì)濕度>平均溫度，夏季和秋季為相對(duì)濕度>平均溫度>風(fēng)速，冬季為平均溫度>相對(duì)濕度>風(fēng)速。結(jié)合表1分析可得，風(fēng)速顯著下降對(duì)年蒸發(fā)量的負(fù)效應(yīng)遠(yuǎn)大于顯著增溫和不顯著干化產(chǎn)生的正效應(yīng)，導(dǎo)致年蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)；春季風(fēng)速顯著下降、增濕明顯對(duì)其蒸發(fā)量產(chǎn)生的疊加負(fù)效應(yīng)遠(yuǎn)大于顯著增溫產(chǎn)生的正效應(yīng)，致使春季蒸發(fā)量較年蒸發(fā)量的下降趨勢(shì)更明顯；夏季顯著增溫對(duì)其蒸發(fā)量的正效應(yīng)較大程度削弱了風(fēng)速顯著降低產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)，一定程度減緩了夏季蒸發(fā)量的減少趨勢(shì)；秋季增溫顯著、干旱化明顯對(duì)其蒸發(fā)量產(chǎn)生的正效應(yīng)較大程度削弱了風(fēng)速顯著下降產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)，因此秋季蒸發(fā)量的下降趨勢(shì)更不明顯；而冬季則因氣候暖干對(duì)其蒸發(fā)量的正效應(yīng)略大于風(fēng)速顯著下降產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)，使得冬季蒸發(fā)量呈較弱的上升趨勢(shì)。

表2 蒸發(fā)量氣候影響多元回歸方程及各氣候因子的相對(duì)貢獻(xiàn)率Table 2 Climate response equation of evaporation and relative contribution rates of climate factors

3 結(jié)論與討論

利用黑龍江省80個(gè)站1961—2017年器測(cè)蒸發(fā)量觀測(cè)資料，運(yùn)用線性傾向估計(jì)、累積距平、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)及Mexican hat小波分析等方法，對(duì)黑龍江省年、季節(jié)器測(cè)蒸發(fā)量的空間分布特征、趨勢(shì)變化、周期規(guī)律進(jìn)行了分析，并探討了其與氣候因子的關(guān)系，結(jié)果表明：

(1)1961—2017年，黑龍江省年、春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量分別以13.7、13.1 mm/(10 a)幅度呈顯著下降趨勢(shì)。夏季和秋季蒸發(fā)量的降幅分別為2.3 mm/(10 a)和0.3 mm/(10 a)，冬季蒸發(fā)量的增幅為0.9 mm/(10 a)，此三個(gè)季節(jié)的增減趨勢(shì)均不明顯。年蒸發(fā)量下降趨勢(shì)站點(diǎn)比例達(dá)70.0%，其中，62.5%站點(diǎn)的下降趨勢(shì)通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，遠(yuǎn)超上升站點(diǎn)比例，驗(yàn)證了增暖顯著的氣候背景下黑龍江省總體存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。季節(jié)蒸發(fā)量的增減趨勢(shì)具有不同的空間分布特征。春季蒸發(fā)量顯著下降趨勢(shì)區(qū)域最大，冬季顯著增加趨勢(shì)區(qū)域最大。

(2)突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑龍江省年、春季、冬季蒸發(fā)量存在明顯的突變時(shí)間，夏季和秋季蒸發(fā)量不存在明顯的時(shí)間突變。年蒸發(fā)量存在兩個(gè)突變點(diǎn)，分別為1983年和2001年。春季和冬季蒸發(fā)量均存在一個(gè)突變點(diǎn)，且突變開始時(shí)間相同，為1986年，但變化趨勢(shì)相反，春季自突變年起蒸發(fā)量呈顯著減少趨勢(shì)，冬季則呈顯著增加趨勢(shì)。

(3)黑龍江省年、季節(jié)蒸發(fā)量的周期規(guī)律明顯。年蒸發(fā)量存在8 a和24 a周期；春季存在24 a、準(zhǔn)2 a 周期；夏季、秋季均存在7 a周期；冬季存在24、11、2 a周期。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，黑龍江省年和春、夏、秋三季的蒸發(fā)量將繼續(xù)處于偏少階段，而冬季蒸發(fā)量則仍將保持稍多態(tài)勢(shì)。

(4)年蒸發(fā)量的地理特征明顯，其值隨緯度、經(jīng)度、海拔高度的增減(增高)而遞減。年蒸發(fā)量的最大值出現(xiàn)在松嫩平原南部(大于1 600 mm)。

(5)年、季節(jié)蒸發(fā)量對(duì)平均溫度、風(fēng)速等的變化存在正相關(guān)關(guān)系，對(duì)相對(duì)濕度的存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。年、夏季、秋季相對(duì)濕度對(duì)其蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)最大，相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為49.5%、55.0%、61.2%；風(fēng)速對(duì)春季蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)最大，相對(duì)貢獻(xiàn)率為38.8%，相對(duì)濕度次之，為35.0%；平均溫度對(duì)冬季蒸發(fā)量變化貢獻(xiàn)最大，相對(duì)貢獻(xiàn)率為57.3%。

研究表明，蒸發(fā)量的變化是多環(huán)境因子共同作用的結(jié)果(左洪超等，2006；楊司琪等，2019)，其相關(guān)關(guān)系存在一定的地區(qū)差異(邱新法等，2003；曾燕等，2007；馬雪寧等，2012；岳元等，2017；于占江和楊鵬，2018)。本研究表明，年、四季蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)與風(fēng)速的變化趨勢(shì)一致，這與已有的研究結(jié)論基本吻合(申雙和和盛瓊，2008；馬雪寧等，2012)。年、季節(jié)蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的空間分布特征與朱紅蕊等(2013)的研究結(jié)論大體一致；但與曾燕等(2007)、申雙和和盛瓊(2008)、祁添垚等(2015)的研究結(jié)論存在較大的差異，差異產(chǎn)生的可能原因是研究資料的時(shí)間序列不同，上述文獻(xiàn)所用資料的時(shí)段分別為1960—2000年、1957—2001年、1960—2005年，本研究的資料時(shí)段為1961—2017年，因此，導(dǎo)致上述文獻(xiàn)與本研究結(jié)論在要素變化趨勢(shì)、周期特征上不一致。本研究系統(tǒng)分析了器測(cè)蒸發(fā)量的周期規(guī)律，并定量評(píng)價(jià)了其與氣候因子的關(guān)系，這有別于已有的研究成果，對(duì)已有成果是有益的補(bǔ)充。