太行山南麓蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及影響因子
——以濟(jì)源站為例

黃 輝, 鄭昌玲, 張勁松?, 孟 平

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國家林草局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100091,北京;2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,210037,南京;3.河南黃河小浪底地球關(guān)鍵帶國家野外科學(xué)觀測研究站,454650,河南濟(jì)源;4.國家氣象中心,100081,北京)

以變暖為主要特征的氣候變化已成為生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)等學(xué)科研究的焦點(diǎn)問題之一[1-2]。全球地表平均溫度較1850—1900年已升高約1.09 ℃[3],我國1909—2011年期間,年平均升溫0.9～1.5 ℃[4]。氣候變暖將進(jìn)一步影響全球水循環(huán),改變水熱資源時(shí)空分配格局[5]。蒸發(fā)作為地表水分平衡和能量平衡的重要組成部分,是表征大氣水分循環(huán)過程的重要參數(shù),對(duì)氣候變化十分敏感[6]。系統(tǒng)分析蒸發(fā)量的變化規(guī)律及影響因素,對(duì)我國氣候變化研究和水資源管理,尤其是農(nóng)業(yè)需水量管理、旱情監(jiān)測以及水資源有效利用等具有重要意義[7]。

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(pan evaporation,PE)是衡量大氣蒸發(fā)能力的重要指標(biāo),也是估算陸地蒸發(fā)量和農(nóng)業(yè)水資源管理的重要參數(shù)之一,對(duì)于監(jiān)測氣候和水文循環(huán)變化有重要意義[8]。以往研究顯示,全球許多地區(qū)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量并未在升溫背景下增加,反而表現(xiàn)為下降趨勢[9-10]。這種現(xiàn)象被稱為“蒸發(fā)悖論”[11-12],其成因主要由于云量[13]或氣溶膠濃度[14]增加導(dǎo)致太陽輻射量下降,以及空氣濕度增加、水汽壓減小、風(fēng)速減小[15-17]等。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征在不同地區(qū)及不同季節(jié)有差異性,其影響因子也不相同[6,18-19]。以往許多相關(guān)研究將相對(duì)濕度作為水汽壓差的替代指標(biāo)并不準(zhǔn)確[20],且多數(shù)研究將平均氣溫作為評(píng)價(jià)蒸發(fā)過程能量供給的影響因子,忽略氣溫日較差(diurnal temperature range, DTR)。相對(duì)于平均氣溫,DTR能更有效地反映全球和區(qū)域性的溫度變化幅度特征,尤其是指示人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響,對(duì)于人類生存環(huán)境的變化,氣候異常的影響及可持續(xù)發(fā)展研究具有重要的參考價(jià)值[21-22]。

黃河中游地區(qū)近60 a來氣候和生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化,極端天氣氣候事件增多,黃河水資源總量減小,產(chǎn)沙區(qū)水土流失加重[23],嚴(yán)重影響黃河流域生態(tài)安全。太行山南麓地處黃河中游,位于我國地貌第2、第3階梯的過渡地帶,屬《全國生態(tài)功能區(qū)劃》提出的太行山區(qū)水源涵養(yǎng)與土壤保持重要區(qū)域,對(duì)京津冀及黃河中下游地區(qū)具有重要的水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性維護(hù)、防洪調(diào)蓄等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[24]。河南黃河小浪底地球關(guān)鍵帶國家野外科學(xué)觀測研究站(以下簡稱小浪底站)位于河南省濟(jì)源市,地處黃河中游、太行山南麓,一直是我國林業(yè)工程重點(diǎn)區(qū)域,其生態(tài)功能的強(qiáng)弱對(duì)維護(hù)黃河流域生態(tài)安全、加快構(gòu)建我國中部生態(tài)安全屏障等方面有重要作用。區(qū)域內(nèi)春旱頻發(fā),夏季高溫期如遇降水不足也易發(fā)伏旱,對(duì)氣候變化較敏感[25],研究該區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及影響因子對(duì)我國林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)及水資源管理有重要意義。筆者以太行山南麓濟(jì)源市為例,利用濟(jì)源氣象站逐日觀測資料,分析該地區(qū)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢,將飽和差和氣溫日較差列入影響因子,探討蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主要影響要素,旨在為當(dāng)?shù)厮Y源管理、生態(tài)工程實(shí)施及推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

筆者依托河南黃河小浪底地球關(guān)鍵帶國家野外科學(xué)觀測研究站、黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(E 112°28′, N 35°01′,410 m)。小浪底站位于河南省濟(jì)源市。濟(jì)源市位于黃河中游、南太行最西北處。地貌特征為西北部高,南部低,東部平,三面環(huán)山、為典型的馬蹄型地形。北部和西部為太行山和王屋山,南部和東南部為黃土丘陵。全區(qū)山地和丘陵面積廣闊、森林資源豐富,全區(qū)總面積的67.8%為山區(qū),20.4%為丘陵,11.8%為平原區(qū)[26]。濟(jì)源屬暖溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候,雨熱同季、四季分明,生長季盛行風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng),近40 a平均氣溫為14.7 ℃,年降水量為583.6 mm,年日照時(shí)間為 1 899.4 h。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 氣象數(shù)據(jù)

研究所用資料為1980—2013年濟(jì)源氣象站常規(guī)觀測資料,來自中國氣象局國家氣象信息中心,包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、降水量和日照時(shí)間以及小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(20 cm口徑)的逐日資料。研究時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和降水量無缺失值,其余氣象數(shù)據(jù)序列也較完整,僅有極個(gè)別缺失數(shù)據(jù),采用線性內(nèi)插法對(duì)缺失值進(jìn)行插補(bǔ)。

2.2 變化特征與顯著性檢驗(yàn)

由線性趨勢法得到要素值的氣候傾向率(S),以最小二乘法線性擬合斜率的10倍表示,S為正值表示增加趨勢,為負(fù)值表示減小趨勢。氣候傾向率的信度檢驗(yàn)采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法[27],文中設(shè)置信度達(dá)95%的變化趨勢為顯著。

2.3 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量累積距平

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象因子的變化特征

1980—2013年濟(jì)源氣象要素的年際變化如圖1所示,近34 a濟(jì)源年平均氣溫為14.52 ℃,整體為增加趨勢,升溫變化率為0.041 ℃/a。1980—1993年濟(jì)源平均氣溫為14.02 ℃,升溫變化率為0.012 ℃/a,1994年之后溫度升高加快,1994—2013年期間平均氣溫為14.87 ℃,升溫變化率為0.017 ℃/a。降水量年際波動(dòng)較大,近34 a降水量整體為微增加趨勢,幅度為0.672 mm/a,平均值為575.5 mm,1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2013年4時(shí)段平均降水量分別為577.9、535.7、601.8、602.9 mm。年平均氣溫日較差為降低趨勢,大氣飽和差和平均風(fēng)速為增加趨勢、日照時(shí)間為減小趨勢。

進(jìn)一步比較不同季節(jié)氣象要素的氣候傾向率(表1),平均氣溫和飽和差在各季均為升高趨勢,并且春夏季升高速率快于秋冬季、春季增加速率最快;平均氣溫日較差為降低趨勢,在冬季降低速率最快;降水量在春秋季為減少趨勢、夏冬季為增加趨勢;日照時(shí)間在春季為增加趨勢,其余季節(jié)表現(xiàn)為減少趨勢,秋季減小速率最快;風(fēng)速僅在冬季為減小趨勢,在夏季增加速率最快。

表1 1980—2013年濟(jì)源市不同季節(jié)氣象要素的氣候傾向率

3.2 蒸發(fā)量的季節(jié)變化特征

圖2為1980—2013年濟(jì)源蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和氣溫、降水量的月平均值變化特征。研究區(qū)域每年5—7月蒸發(fā)量較高,這期間蒸發(fā)量約占全年總蒸發(fā)量40.8%。秋冬季節(jié)蒸發(fā)量較低,月蒸發(fā)量低于100 mm的月份有1、2、11和12月,這4個(gè)月蒸發(fā)量僅占全年總蒸發(fā)量16.1%。蒸發(fā)量最低的月份為1月,僅有47.8 mm,該月氣溫也為全年最低。蒸發(fā)量于每年6月達(dá)到全年峰值,降水和氣溫的峰值出現(xiàn)時(shí)間為7月,略滯后于蒸發(fā)量。

圖2 1980—2013年濟(jì)源市蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和平均氣溫、降水量的季節(jié)變化

3.3 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年際變化特征

圖3為1980—2013年濟(jì)源蒸發(fā)皿蒸發(fā)量逐年變化和逐年累積距平變化。近34 a升溫變化率為0.041 ℃/a,蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年平均值為 1 537.6 mm,整體變化呈下降趨勢,變化率為-1.966 mm/a,存在明顯的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。有2段時(shí)期蒸發(fā)量下降較快,分別是1982—1984年、2003—2011年。1985—2002年蒸發(fā)量基本均高于34 a平均值,這期間蒸發(fā)量平均值為1 614.5 mm;蒸發(fā)量累積距平自2002年之后為明顯的下降趨勢,2002年之后蒸發(fā)量基本低于34 a平均水平,2011年后略有回升,2003—2013年蒸發(fā)量平均值為1 450.3 mm。

圖3 1980—2013年濟(jì)源市蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及其累積距平的年際變化

如圖4所示,1980—2013年研究區(qū)域春季蒸發(fā)量為增加趨勢,變化率為1.732 mm/a,其余3個(gè)季節(jié)為下降趨勢,其中秋季蒸發(fā)量下降最為顯著,其次為冬季,秋、冬季蒸發(fā)量變化率分別為-2.173和-1.029 mm/a。 PE在2002—2003年左右發(fā)生顯著性的突變(圖5),并且全年與夏秋季節(jié)突變點(diǎn)一致,冬春季節(jié)無突變點(diǎn)。

圖4 1980—2013年濟(jì)源市不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化

圖5 1980—2013年濟(jì)源市蒸發(fā)皿蒸發(fā)量M-K突變點(diǎn)檢驗(yàn)圖

以蒸發(fā)皿蒸發(fā)量發(fā)生突變年份為節(jié)點(diǎn)將研究年份劃分為2個(gè)時(shí)段,表2為這2個(gè)時(shí)段蒸發(fā)量的氣候傾向率S和MK檢驗(yàn)Z值。近34 a蒸發(fā)皿蒸發(fā)量整體趨勢表現(xiàn)為春季以外的3個(gè)季節(jié)均為減小趨勢(圖4),但以突變年份劃分的2個(gè)時(shí)段各季節(jié)蒸發(fā)量變化卻表現(xiàn)出不同趨勢(表2),PE發(fā)生突變年份前后2個(gè)時(shí)段均表現(xiàn)為在冬季略有下降,從全年尺度來看突變前后2個(gè)時(shí)段PE均表現(xiàn)為增加趨勢,并且發(fā)生突變后11 a PE平均值低于發(fā)生突變前的23 a平均值,增加速率高于發(fā)生突變前。

表2 濟(jì)源市不同年代各季節(jié)PE的MK檢驗(yàn)Z值及氣候傾向率(S)

3.4 不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響因子

氣象要素的變化可對(duì)蒸發(fā)量產(chǎn)生影響,蒸發(fā)過程中的能量供給主要源于太陽凈輻射,太陽凈輻射主要受日照時(shí)間及氣溫等因子的影響,蒸發(fā)的水汽輸送條件則取決于飽和差及風(fēng)速的大小[19]。為分析氣象要素對(duì)PE的影響,對(duì)不同季節(jié)PE與表征溫濕度、日照時(shí)間及風(fēng)速的氣象要素(氣溫、氣溫日較差、飽和差、日照時(shí)間、平均風(fēng)速)進(jìn)行多元線性逐步回歸分析,結(jié)果如表3所示。春季影響PE的主要?dú)庀笠蜃訛闅鉁厝蛰^差,其次為飽和差;夏季影響PE的主要?dú)庀笠蜃訛闅鉁厝蛰^差,其次為平均氣溫;秋季影響PE主要受氣溫日較差影響;冬季影響PE的主要?dú)庀笠蜃訛闅鉁厝蛰^差,其次為飽和差,風(fēng)速和日照時(shí)間對(duì)冬季蒸發(fā)量也有明顯影響。從全年來看,氣溫日較差和飽和差是影響PE的主要因素。

表3 1980—2013年濟(jì)源市不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣象影響因子

4 討論

1980—2013年濟(jì)源蒸發(fā)皿蒸發(fā)量整體呈下降趨勢,氣候傾向率為-1.966 mm/a (圖3a),下降速率低于全國PE(-3.412 mm/a)[19],與黃河中下游地區(qū)PE變化趨勢(顯著下降趨勢)[17]及黃河流域PE的氣候傾向率(-33～9 mm/a)[28]相符。

全國PE夏季下降趨勢最為顯著[17],其余3個(gè)季節(jié)變化不明顯。黃河流域春夏季PE也為明顯下降趨勢,秋冬季變化則不明顯[28]。筆者發(fā)現(xiàn),近 34 a 濟(jì)源春季PE為增加趨勢 (1.732 mm/a),其余3個(gè)季節(jié)為下降趨勢,秋季PE下降趨勢最顯著 (-2.173 mm/a),冬季和夏季PE的變化速率分別為-1.029 mm/a、-0.496 mm/a。濟(jì)源夏季PE下降速率明顯低于全國(-1.559 mm/a)[19],與黃河中游地區(qū)夏季PE變化速率(-1.4～1.5 mm/a)[28]大致相當(dāng),春季PE變化速率也與黃河中游地區(qū)較一致 (-0.9～2.0 mm/a)[28]。濟(jì)源秋冬季節(jié)PE下降趨勢明顯高于整個(gè)黃河中游地區(qū)(秋季-0.6～0.6 mm/a、冬季-0.5～0.5 mm/a)[28]。

蒸發(fā)過程主要受能量供給、水汽輸送及蒸發(fā)介質(zhì)供水能力等3方面因素影響,其中前2項(xiàng)主要由氣象要素決定。能量供給主要源于太陽凈輻射,而太陽凈輻射主要受日照時(shí)間及氣溫等因子影響,水汽輸送則取決于飽和差及風(fēng)速的大小[19]。以往研究表明,中國蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響要素主要為風(fēng)速、飽和差和日照時(shí)間[19]。也有研究表明,相對(duì)濕度是影響中國蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的關(guān)鍵因子[17]。黃河源區(qū)PE的主要影響因子為平均溫度,其次是最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速[29]。氣溫日較差、日照時(shí)間和風(fēng)速是影響京津冀地區(qū)蒸發(fā)量的主要因子[30],在陜西長武塬區(qū),溫度、水汽壓、氣壓和日照時(shí)間是影響PE的主要因子[31],永定河流域PE的主導(dǎo)影響因子是凈輻射、平均風(fēng)速和空氣飽和差[20]。也有研究表明,凈輻射和平均風(fēng)速的減少是導(dǎo)致永定河流域PE下降的主要影響因素[20],導(dǎo)致青海省PE下降的主要原因是氣溫日較差和風(fēng)速的減小[32]。Michael等[12]認(rèn)為太陽輻射減小是近年來PE下降的主要原因。本研究結(jié)果表明,氣溫日較差減小是1980—2013年濟(jì)源市PE下降的主要原因(表1和3)。

不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響要素也有差異。如陜西長武塬區(qū)PE春季受日照時(shí)間和溫度的影響,夏季受溫度和氣壓的影響,秋季和冬季主要受日照時(shí)間和水汽壓的影響[31];吉林省PE春季主要受風(fēng)速影響,夏秋冬3季節(jié)主導(dǎo)因子是水汽壓差[33]。本研究發(fā)現(xiàn),濟(jì)源各季節(jié)PE的主要影響因子均為氣溫日較差,飽和差在冬春季對(duì)PE也有明顯影響,風(fēng)速和日照時(shí)間僅在冬季對(duì)PE有影響。春季濟(jì)源氣溫日較差和飽和差升高,導(dǎo)致蒸發(fā)增加,夏季氣溫日較差減小、氣溫升高導(dǎo)致夏季蒸發(fā)減小,秋季PE降低的原因是由于氣溫日較差降低,冬季氣溫日較差降低、飽和差升高、風(fēng)速和日照時(shí)間減小導(dǎo)致蒸發(fā)量降低,即:夏秋季節(jié)濟(jì)源PE由能量供給(溫度條件)決定,冬春季節(jié)主要受能量供給影響,同時(shí)水汽輸送條件(空氣濕度、風(fēng)速、輻射等)也對(duì)PE有協(xié)同影響。

1980—2013年濟(jì)源市蒸發(fā)皿蒸發(fā)量整體為下降趨勢,但在以發(fā)生突變年份(2003年)為節(jié)點(diǎn)劃分的2個(gè)時(shí)段內(nèi),PE均表現(xiàn)為增加趨勢,并且發(fā)生突變后11 a PE平均值低于發(fā)生突變前的23 a平均值,PE增加速率要快于前23 a。春夏季DTR較高,蒸發(fā)量大,PE高于秋冬季。尤其是夏季,晝長較長,太陽輻射強(qiáng),平均氣溫高,氣溫日較差大,蒸發(fā)量大,PE明顯高于其他季節(jié)。2個(gè)時(shí)段內(nèi)冬季PE均為減小趨勢,風(fēng)速降低,日照時(shí)間減少是影響冬季PE變化趨勢的重要原因(表1和表3)。

基于太行山南麓濟(jì)源市近34 a蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢及影響因子分析,揭示了不同季節(jié)氣象因子對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化影響的主要貢獻(xiàn),本研究以氣象臺(tái)站常規(guī)觀測的日照時(shí)間和氣溫資料代表凈輻射,后續(xù)研究可結(jié)合能見度、氣溶膠、云量等觀測資料作進(jìn)一步分析。

5 結(jié)論

1980—2013年濟(jì)源市氣候變化趨勢整體為趨于暖濕化,春夏季增溫幅度高于秋冬季。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量整體變化呈下降趨勢,存在明顯的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為增加趨勢,其余季節(jié)為下降趨勢,并且秋冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降趨勢比夏季顯著。氣溫日較差的減小是濟(jì)源蒸發(fā)量下降的主要原因。能量供給是濟(jì)源蒸發(fā)主要的限制性因素,在冬春季節(jié)水汽輸送條件也對(duì)蒸發(fā)有協(xié)同影響。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量可反映地表蒸發(fā)能力,其降低趨勢顯示蒸發(fā)能力的減弱,但尚無法基于此推斷實(shí)際蒸發(fā)量的變化。實(shí)際蒸發(fā)量的變化趨勢以及云量、氣溶膠等因子對(duì)蒸發(fā)量的影響有待進(jìn)一步研究。