葉林媛,魯 漢,秦淑靜,張 櫓,熊立華,劉 攀,夏 軍,程 磊

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072；2. 海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢大學(xué)),湖北 武漢 430072；3. 湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430040)

蒸發(fā)是水循環(huán)和能量循環(huán)的關(guān)鍵要素,其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)及其表征的區(qū)域水循環(huán)變化特征是當(dāng)今水文科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[1- 2]。蒸發(fā)皿蒸發(fā)是大氣蒸發(fā)能力的直接觀測(cè)。過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)全球氣候持續(xù)變暖,但在全球許多國(guó)家卻觀測(cè)到蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這種蒸發(fā)皿蒸發(fā)與氣溫變化趨勢(shì)相反的現(xiàn)象稱為蒸發(fā)悖論(Evaporation paradox)[3- 5]。長(zhǎng)江流域是中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,近些年,長(zhǎng)江流域水旱災(zāi)害頻發(fā),除人類活動(dòng)因素外,氣候變化所引發(fā)的水文循環(huán)變化是主要原因[6]。因此,探究長(zhǎng)江流域蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)對(duì)于區(qū)域水文循環(huán)變化、水資源管理至關(guān)重要。

蒸發(fā)悖論現(xiàn)象及其形成機(jī)理在時(shí)間和空間上存在明顯的變異性。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)90年代后蒸發(fā)皿蒸發(fā)產(chǎn)生了新的變化趨勢(shì)。Ruiz- Alvarez等[7]發(fā)現(xiàn)墨西哥自1990年后蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈現(xiàn)上升趨勢(shì);朱曉華等[8]發(fā)現(xiàn)在1961—1993年期間,中國(guó)地區(qū)存在蒸發(fā)悖論現(xiàn)象,1994—2007年蒸發(fā)悖論現(xiàn)象消失。全球范圍內(nèi)云量或氣溶膠增加引起的入射輻射量下降以及陸面風(fēng)速的降低被認(rèn)為是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的主要原因,但在不同的地區(qū)也有不同的變化和貢獻(xiàn)度[9- 10]。長(zhǎng)江流域氣候類型眾多,蒸發(fā)皿蒸發(fā)變化在空間上存在差異,影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的原因也有所不同。研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江中下游蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降現(xiàn)象明顯,而上游下降程度較小[11]。王艷君等[12]發(fā)現(xiàn)1961—2001年長(zhǎng)江流域蒸發(fā)整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),主要是由太陽(yáng)凈輻射和風(fēng)速的下降引起的;宋萌勃等[13]發(fā)現(xiàn)1950—2001年長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),主要是由水汽壓增加和日照時(shí)間減少導(dǎo)致的。因此,亟待對(duì)長(zhǎng)江流域長(zhǎng)期蒸發(fā)皿蒸發(fā)的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析并進(jìn)一步解析其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

受觀測(cè)環(huán)境的影響和技術(shù)水平的限制,一些地區(qū)未能布設(shè)蒸發(fā)皿或部分布設(shè)蒸發(fā)皿的地區(qū)存在缺測(cè)現(xiàn)象。中國(guó)運(yùn)用的D20型蒸發(fā)皿觀測(cè)一般截止到2001年,現(xiàn)中國(guó)常規(guī)使用D20(圓形)和E601B(錐形)型2種蒸發(fā)皿,這2種蒸發(fā)儀器的折算系數(shù)存在空間差異性[14]。部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失和2種蒸發(fā)儀器之間的轉(zhuǎn)換誤差,一定程度上降低了蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可用性。PenPan模型和最新發(fā)展的廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系是探究蒸發(fā)皿蒸發(fā)變化趨勢(shì)的有效工具,PenPan模型是針對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)計(jì)算改進(jìn)的Penman方法,利用基本氣象指標(biāo)就可以準(zhǔn)確地估算蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,可以在一定程度上彌補(bǔ)蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)法的不足[15]。Brutsaert等[16]指出,觀察到的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降不一定預(yù)示著實(shí)際蒸散發(fā)下降,在非濕潤(rùn)的環(huán)境中,蒸發(fā)皿蒸發(fā)的減少實(shí)際上可能象征陸地實(shí)際蒸散發(fā)增加。此后,蒸發(fā)互補(bǔ)原理被廣泛用于蒸發(fā)皿蒸發(fā)變化研究中,但是一般采用發(fā)展較早的平流- 干旱(簡(jiǎn)稱AA)模型,其存在干旱環(huán)境下低估、濕潤(rùn)環(huán)境下高估實(shí)際蒸散發(fā)的問(wèn)題[17]。廣義蒸發(fā)互補(bǔ)方法作為蒸發(fā)互補(bǔ)原理的最新發(fā)展形式,物理機(jī)制更嚴(yán)謹(jǐn),可以用于研究蒸發(fā)皿蒸發(fā)和實(shí)際蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)[18]。

本文以中國(guó)最大流域長(zhǎng)江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,在對(duì)歷史60 a蒸發(fā)皿蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性及質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上,基于修正后的PenPan模型模擬長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,分析蒸發(fā)皿蒸發(fā)時(shí)空演變規(guī)律及其趨勢(shì),探究不同時(shí)段蒸發(fā)皿蒸發(fā)變化的成因,并基于廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系探究長(zhǎng)期實(shí)際蒸散發(fā)的時(shí)空變化特征。研究成果以期為長(zhǎng)江流域水資源配置、水循環(huán)變化研究和未來(lái)氣候變化預(yù)測(cè)提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江流域發(fā)源于青藏高原腹地,流域總面積達(dá)180萬(wàn)km2,是世界第三大流域。長(zhǎng)江全長(zhǎng)約6 397 km,上游為長(zhǎng)江源頭至宜昌市,中游為宜昌至湖口一段,下游為湖口以下至長(zhǎng)江入海口?；谥袊?guó)大陸氣候區(qū)劃,長(zhǎng)江流域?yàn)闇貛?、亞熱帶和高?個(gè)氣候區(qū),其中亞熱帶氣候區(qū)又可劃分為北亞熱帶氣候區(qū)和中亞熱帶氣候區(qū),由于溫帶氣候區(qū)面積過(guò)小,因此將其與亞熱帶氣候區(qū)合并研究(圖1)。

圖1 長(zhǎng)江流域氣候區(qū)劃和氣象站空間分布Fig.1 Maps of climatic regions and meteorological stations in the Yangtze River basin

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究采用來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.nmic.cn/)中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集中包含了基準(zhǔn)及基本氣象站點(diǎn)降雨(P)、氣壓(PRS)、氣溫(Ta)、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(Epan)、相對(duì)濕度(HR)、風(fēng)向風(fēng)速(u)和日照時(shí)數(shù)(DSS)共7種氣象要素的日值數(shù)據(jù)。本研究選取1960—2019年長(zhǎng)江流域內(nèi)170個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù),并補(bǔ)充流域周邊約30%站點(diǎn)用于消除統(tǒng)計(jì)誤差和邊緣效應(yīng),共228個(gè)站點(diǎn),其中,高原氣候區(qū)包含33個(gè)站點(diǎn),亞熱帶氣候區(qū)包括195個(gè)站點(diǎn)(圖1)。

對(duì)于蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的觀測(cè),20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)初,中國(guó)區(qū)域廣泛采用D20型蒸發(fā)皿(20 cm直徑)。在2002年前后,開始使用E601B型蒸發(fā)皿(62 cm直徑)代替D20型蒸發(fā)皿。由于E601B型蒸發(fā)皿在水凍結(jié)時(shí)(主要是北方地區(qū)的冬季)無(wú)法使用,因此在中國(guó)大部分區(qū)域在非凍結(jié)期選擇使用E601B型蒸發(fā)皿,在凍結(jié)期同時(shí)使用D20型蒸發(fā)皿[14]。不同類型蒸發(fā)皿的結(jié)構(gòu)、放置方式等并不相同,測(cè)得的蒸發(fā)量也存在差別,D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量比E601B型同期蒸發(fā)量明顯偏大。因此,為了得到一致的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,采用校正系數(shù)對(duì)2種蒸發(fā)皿測(cè)得的蒸發(fā)量進(jìn)行數(shù)據(jù)均一化：

E20=(E601B-b)/k

(1)

式中：E20為D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,mm；E601B為E601B型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,mm；k為校正系數(shù)；b為常數(shù)項(xiàng)。對(duì)于不同站點(diǎn),其校正系數(shù)也不相同,本研究根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)使用2種類型蒸發(fā)皿在相同時(shí)期測(cè)得的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,通過(guò)線性回歸得到每個(gè)站點(diǎn)的校正系數(shù),從而將E601B型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量校正為D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。

以宜昌站為例,圖2展示了校正前后年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化。校正前宜昌站在2002年前主要為D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,2002年后主要為E601B型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。1960—2002年多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量約為1 312.3 mm,2002—2019年的多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量約為801.5 mm,年蒸發(fā)量明顯低于2002年前的D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。校正后2002—2019年多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量約為1 330.3 mm,蒸發(fā)量顯著提高,經(jīng)過(guò)均一化校正后前后兩階段差異明顯減少,2種蒸發(fā)皿蒸發(fā)被均一化為D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。數(shù)據(jù)均一化后的觀測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量能較好地為后續(xù)模型率定和結(jié)果分析做參考。

圖2 宜昌站2種蒸發(fā)皿類型年蒸發(fā)量校正前后示意Fig.2 Changes in annual pan evaporation before and after correction of Yichang station

1.3 研究方法

1.3.1 PenPan模型

PenPan模型是根據(jù)Penman模型、基于蒸發(fā)皿的質(zhì)量和能量平衡建立的用于估算美國(guó)Class A型蒸發(fā)皿蒸發(fā)的模型[15]。在中國(guó)區(qū)域,Yang等[19]對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn),建立了適用于中國(guó)D20型蒸發(fā)皿的PenPan模型,見下式：

(2)

式中：Ep,R和Ep,A分別為蒸發(fā)的輻射項(xiàng)和和空氣動(dòng)力項(xiàng),mm；Δ為飽和水汽壓與氣溫曲線的斜率,kPa/K；m為熱量—水汽傳遞的有效面積比(m=5)；γ為濕度計(jì)常數(shù),kPa/K；Rn為凈輻射,MJ/(m2·d-1)；λ為水的汽化潛熱,MJ/kg；fq(u)為風(fēng)函數(shù),kg/(m-2·d-1·(kPa)-1),u為地面2 m風(fēng)速,m/s；D為飽和水汽壓差,D=es(1-HR),kPa,es為氣溫Ta時(shí)的飽和水汽壓,kPa。參數(shù)Δ和λ的具體計(jì)算參見FAO的計(jì)算方法[20]。

本研究基于所選站點(diǎn)(n=228)氣象數(shù)據(jù)和均一化的D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)數(shù)據(jù)采用遺傳算法對(duì)原適合于美國(guó)Class A型蒸發(fā)皿蒸發(fā)的風(fēng)函數(shù)(一般形式為fq(u)=a(1+bu))進(jìn)行優(yōu)化率定,率定后的風(fēng)函數(shù)fq(u)形式為

fq(u)=1.06×10-8(1+1.63u)

(3)

圖3顯示了風(fēng)函數(shù)率定前后長(zhǎng)江流域站點(diǎn)的PenPan模型模擬蒸發(fā)皿日蒸發(fā)量和觀測(cè)值的比較。從圖中可以看到,風(fēng)函數(shù)率定后的模型較率定前蒸發(fā)模擬效果有較大提升,總體上率定后均方根誤差(ERMS)由0.77 mm 減小到0.67 mm,相關(guān)系數(shù)(r)也略有提高。

圖3 風(fēng)函數(shù)率定前后的PenPan模型模擬與觀測(cè)的站點(diǎn)日蒸發(fā)皿蒸發(fā)量對(duì)比Fig.3 Comparisons between the observed and estimated daily pan evaporation using PenPan model with raw and calibrated wind function

1.3.2 偏微分歸因法

偏微分歸因(Partial Differential,PD)法是一種成熟有效的蒸發(fā)皿蒸發(fā)趨勢(shì)變化歸因分析的方法[21]。PenPan模型蒸發(fā)皿蒸發(fā)(Epan)趨勢(shì)變化可近似看成由凈輻射、氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度等4種氣象要素的貢獻(xiàn)量共同組成,即：

(4)

由此對(duì)各項(xiàng)求偏導(dǎo),可以將Epan的趨勢(shì)變化歸因?yàn)?種氣象要素的貢獻(xiàn)。將基于偏微分歸因法計(jì)算的蒸發(fā)皿蒸發(fā)趨勢(shì)變化(dEpan_PD/dt)與模擬的蒸發(fā)皿蒸發(fā)的趨勢(shì)變化(dEpan/dt)進(jìn)行比較,以此評(píng)估偏微分法的歸因結(jié)果。

1.3.3 析因數(shù)值實(shí)驗(yàn)歸因法

析因數(shù)值實(shí)驗(yàn)歸因(Experimental Detrending,ED)法是在對(duì)氣象要素進(jìn)行去趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)設(shè)計(jì)一系列的單一氣候變化情景(去除其他要素自變量趨勢(shì),僅保留單一自變量趨勢(shì))實(shí)驗(yàn),將變化要素趨勢(shì)定量歸因到各個(gè)輸入要素[22]。

基于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)建立的去趨勢(shì)數(shù)據(jù)集計(jì)算的Epan可看作沒(méi)有氣候變化影響情景下的蒸發(fā)皿蒸發(fā),即基準(zhǔn)情景下的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(EBase)。然后控制單一氣象要素變量(f),計(jì)算其在氣候變化情形下的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(Edetrend, f)。Edetrend, f和EBase間趨勢(shì)差異即為該氣象要素在Epan趨勢(shì)變化的貢獻(xiàn)(Cf)：

(5)

以此分別計(jì)算凈輻射、氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度4個(gè)驅(qū)動(dòng)變量的貢獻(xiàn)大小,即CRn、CTa、Cu和CHR,4種氣象要素貢獻(xiàn)之和可視為基于析因數(shù)值實(shí)驗(yàn)法歸因的Epan趨勢(shì)變化(dEpan_ED/dt),即：

(6)

將析因數(shù)值實(shí)驗(yàn)法的結(jié)果(dEpan_ED/dt)與模擬蒸發(fā)皿蒸發(fā)趨勢(shì)分析結(jié)果(dEpan/dt)進(jìn)行比較,用以評(píng)估析因數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法歸因結(jié)果。

1.3.4 廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系

蒸發(fā)互補(bǔ)理論由Bouchet[23]于1963年提出,經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展完善,已經(jīng)成為估算區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)的基礎(chǔ)理論。該理論描述了3種蒸散發(fā)量之間的關(guān)系：第1種蒸發(fā)是區(qū)域的實(shí)際蒸散發(fā)量(Ea)；第2種是區(qū)域充分供水條件下發(fā)生的蒸發(fā),稱為潛在蒸散發(fā)量(Epo)；第3種是實(shí)際條件下,區(qū)域內(nèi)一個(gè)小飽和表面上發(fā)生的蒸發(fā),可用蒸發(fā)皿測(cè)得,稱為表觀潛在蒸散發(fā)量(Epa)。在水分充足的條件下,所有的凈輻射均由蒸散發(fā)轉(zhuǎn)化為潛熱,Ea、Epa與Epo相等,即Ea=Epo=Epa；而在水分虧缺的情況時(shí),Ea減小,部分未被蒸散發(fā)耗散的凈輻射將轉(zhuǎn)化為顯熱而使得Epa增加,三者之間關(guān)系為Ea

(7)

式中：Epo=αcEe,αc為蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的參數(shù),Ee為平衡蒸發(fā),計(jì)算方式如下：

(8)

其中：

(9)

式中：Qne為可用能量,W/m2；G為土壤熱通量,W/m2。在日尺度上,G可忽略。

參數(shù)αc采用Brutsaert 等[18]建立的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算：

(10)

式中：a=1.496;b=0.294 8;c=0.669 7;K為干旱指數(shù)。

Epa通?？捎蒔enman公式計(jì)算或者蒸發(fā)皿等儀器測(cè)得,本研究中采用前文PenPan模型模擬的蒸發(fā)皿蒸發(fā)(Epan)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸發(fā)皿蒸發(fā)時(shí)空分布特征

PenPan模型模擬的長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布規(guī)律如圖4所示,可以看到長(zhǎng)江流域多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的分布有明顯的區(qū)域差異性。所有站點(diǎn)(n=228)多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量約為1 473.8 mm。不同氣候區(qū)站點(diǎn)的多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量差異較大,其中高原氣候區(qū)較低約為1 215.1 mm,亞熱帶氣候區(qū)約為1 521.5 mm。高值區(qū)域一般在金沙江下游、兩湖流域等地區(qū),蒸發(fā)皿多年平均蒸發(fā)量在2 000 mm以上的高值區(qū)域出現(xiàn)在中亞熱帶氣候區(qū),低于1 000 mm的低值區(qū)域分布在高原氣候區(qū)。本研究模擬的長(zhǎng)江流域多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布和量級(jí)與Wang等[14]采用改進(jìn)的PenPan- V3模型的模擬結(jié)果一致。

圖4 長(zhǎng)江流域站點(diǎn)和基于站點(diǎn)插值的1960—2019年多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量空間分布Fig.4 Spatial distribution of mean annual pan evaporation of the meteorological stations and the whole Yangtze River basin interpolated from station values from 1960 to 2019

長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年際趨勢(shì)變化及其空間分布情況如圖5和表1所示。1960—2019年長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)0.21 mm/a的下降趨勢(shì)(圖5(a)),約59.6%的站點(diǎn)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降,主要在中下游地區(qū)(圖5(d))。以1990年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),1960—1989年蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量呈現(xiàn)3.36 mm/a的下降趨勢(shì),亞熱帶約87.7%的站點(diǎn)呈下降趨勢(shì),60.6%的上升站點(diǎn)集中在高原氣候區(qū)(圖5(e))。1990—2019年蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì),速率為2.89 mm/a,上升站點(diǎn)廣泛分布在全流域內(nèi),下降站點(diǎn)少量分布在北亞熱帶、中亞熱帶氣候區(qū)(圖5(f))。過(guò)去的研究表明,1960年以來(lái)長(zhǎng)江流域年平均氣溫呈現(xiàn)持續(xù)波動(dòng)上升趨勢(shì)[11],蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)表明長(zhǎng)江流域在1960—1989年存在蒸發(fā)悖論現(xiàn)象,但1990年后該現(xiàn)象消失。

圖5 長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年際變化趨勢(shì)及其空間分布Fig.5 Trends of pan evaporation and its spatial distribution in different periods in the Yangtze River basin

表1 不同時(shí)段長(zhǎng)江流域不同氣候區(qū)的年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化站點(diǎn)比例變化

2.2 蒸發(fā)皿蒸發(fā)時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制

圖6為PD法和ED法歸因結(jié)果與蒸發(fā)皿蒸發(fā)趨勢(shì)分析結(jié)果的比較,可以看到2種方法與趨勢(shì)分析結(jié)果的擬合線都在1∶1線附近,在3個(gè)時(shí)段R2≥0.75。從R2和擬合線與1∶1線的接近程度來(lái)看,ED法在整個(gè)1960—2019年時(shí)段的歸因結(jié)果與趨勢(shì)分析結(jié)果更接近,但在分時(shí)段略差于PD法。王婷婷等[24]對(duì)比了ED和PD 2種方法在中國(guó)區(qū)域?qū)φ舭l(fā)皿蒸發(fā)趨勢(shì)歸因的效果,發(fā)現(xiàn)ED法比PD法效果更好,這與本文在長(zhǎng)江流域整個(gè)時(shí)期的結(jié)論一致?？傮w上2種方法在長(zhǎng)江流域的歸因效果較好,使用2種歸因分析方法可以更可靠地定量分析Epan的趨勢(shì)變化。

圖6 偏微分法和析因數(shù)值實(shí)驗(yàn)法的歸因結(jié)果與蒸發(fā)皿蒸發(fā)趨勢(shì)分析結(jié)果比較Fig.6 Comparisons between the attributed trends using partial differential and experimental detrending method and the trends of pan evaporation

圖7為長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的歸因分析結(jié)果。在整個(gè)時(shí)段(1960—2019年),風(fēng)速和輻射的下降主導(dǎo)長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降趨勢(shì),相對(duì)貢獻(xiàn)達(dá)55%。風(fēng)速下降和輻射下降是1960—1989年長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降趨勢(shì)的主導(dǎo)因子,而相對(duì)濕度下降和氣溫升高是1990—2019年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量上升趨勢(shì)的主導(dǎo)因子。長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的歸因結(jié)果與王艷君等[12]基于1951—2000年D20型蒸發(fā)皿蒸發(fā)在長(zhǎng)江流域的研究結(jié)論一致,即凈輻射和風(fēng)速的下降是長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量顯著下降的主要原因。在不同時(shí)段,全流域的歸因結(jié)果與之前對(duì)中國(guó)區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的歸因研究結(jié)果一致[5],Liu等[25]的研究也指出1992—2007年氣溫升高主導(dǎo)了中國(guó)Epan的變化;Wang等[10]指出1994—2014年氣溫和相對(duì)濕度分別導(dǎo)致中國(guó)的年Epan上升1.12 mm/a和2.68 mm/a,是主導(dǎo)Epan變化的因子。風(fēng)速的影響在1990年后減弱,這與近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)全球地表風(fēng)速下降趨勢(shì)減弱乃至逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象一致[26]。

長(zhǎng)江流域的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)在不同時(shí)段、不同分區(qū)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制不同。1960—2019年高原氣候區(qū)氣溫升高和相對(duì)濕度下降導(dǎo)致年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)分別為1.62 mm/a和0.26 mm/a,風(fēng)速和輻射的下降導(dǎo)致年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)分別為-0.79 mm/a和-0.94 mm/a。亞熱帶氣候區(qū)則與高原氣候區(qū)不同,風(fēng)速和輻射下降是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的主要原因,相對(duì)貢獻(xiàn)分別為34%和29%。ED法各氣象要素貢獻(xiàn)的結(jié)論與PD法基本一致,貢獻(xiàn)量相差在0.15 mm/a以內(nèi)。1960—1989年,高原氣候區(qū)風(fēng)速和輻射對(duì)蒸發(fā)下降趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率分別為4.8%和47.8%,氣溫和相對(duì)濕度對(duì)蒸發(fā)上升趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率分別為40.3%和7.2%；亞熱帶氣候區(qū)風(fēng)速和輻射對(duì)蒸發(fā)下降趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率分別為49.1%和42.4%,氣溫和相對(duì)濕度影響相對(duì)較小。1990—2019年,高原氣候區(qū)和亞熱帶氣候區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),高原氣候區(qū)氣溫升高、風(fēng)速增加和相對(duì)濕度減少是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量上升趨勢(shì)的主導(dǎo)因素,相對(duì)貢獻(xiàn)度達(dá)81.1%；亞熱帶氣候區(qū)風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量趨勢(shì)變化貢獻(xiàn)很小,氣溫和相對(duì)濕度的貢獻(xiàn)之和(80.2%)顯著大于輻射的貢獻(xiàn)。

圖7 氣象要素對(duì)長(zhǎng)江流域和不同氣候分區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)度Fig.7 Contribution of meteorological factors to pan evaporation in the Yangtze River basin and its different climatic regions

2.3 基于廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的實(shí)際蒸散發(fā)變化規(guī)律

基于廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系得到的1960—2019年長(zhǎng)江流域站點(diǎn)和基于站點(diǎn)插值的實(shí)際蒸散發(fā)量分布如圖8所示。從站點(diǎn)可以看到實(shí)際蒸散發(fā)量的分布符合由上游向中下游地區(qū)逐級(jí)增加的規(guī)律。高原地區(qū)受海陸位置、地形等因素影響,氣候寒冷,降水稀缺,受到水分限制,蒸散發(fā)量較少；而中下游地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)域,降水豐富,輻射量充足。長(zhǎng)江流域大部分站點(diǎn)(72.4%)年實(shí)際蒸發(fā)量為300～1 000 mm,所有站點(diǎn)多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量約為880.7 mm,插值后多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量約為804.1 mm。高值站點(diǎn)出現(xiàn)在洞庭湖、鄱陽(yáng)湖地區(qū),多年平均蒸散發(fā)量在1 000 mm以上,其次是下中游地區(qū),蒸散發(fā)量為800～1 000 mm,而高原氣候區(qū)多年平均蒸散發(fā)量在400 mm以下?；谡军c(diǎn)插值的實(shí)際蒸散發(fā)與7種可公開獲得并廣泛使用的蒸散發(fā)產(chǎn)品(包括4 種診斷模型產(chǎn)品和3 種再分析產(chǎn)品)[27]進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在空間上與常見的蒸散發(fā)產(chǎn)品分布一致；在多年平均實(shí)際蒸散發(fā)上,廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系估算的值(804 mm)與其他幾種常見的遙感/再分析蒸散發(fā)產(chǎn)品的量級(jí)范圍一致(600～1 000 mm)。

圖8 長(zhǎng)江流域1960—2019年站點(diǎn)和基于站點(diǎn)插值的多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布Fig.8 Spatial distribution of mean annual actual evapotranspiration of the meteorological stations and the whole Yangtze River basin interpolated from station values from 1960 to 2019

長(zhǎng)江流域年實(shí)際蒸散發(fā)量在1960—2019年總體呈下降趨勢(shì),平均下降速率約為0.63 mm/a,呈上升趨勢(shì)的站點(diǎn)在高原氣候區(qū),呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)多分布在中下游地區(qū)(圖9和表2)。1960—1989年流域年實(shí)際蒸散發(fā)量顯著下降,平均下降速率約為2.42 mm/a,其中高原氣候區(qū)和亞熱帶氣候區(qū)分別有72.7%和88.7%的站點(diǎn)實(shí)際蒸散發(fā)量下降。而1990—2019年實(shí)際蒸散發(fā)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì),速率約為0.21 mm/a,高原氣候區(qū)和亞熱帶氣候區(qū)分別有60.6%和68.7%的站點(diǎn)實(shí)際蒸散發(fā)量上升。王艷君等[28]基于蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系原理AA模型和海氣耦合模式估算得出長(zhǎng)江流域1961—2007年實(shí)際蒸散發(fā)量呈現(xiàn)0.93 mm/a和0.36 mm/a的下降趨勢(shì),這與本研究基于廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系估算的0.63 mm/a下降趨勢(shì)基本一致。本文基于廣義蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系估算的長(zhǎng)江流域1990年后實(shí)際蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)與魯漢等[27]基于7種廣泛使用的蒸散發(fā)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)的1982—2011年長(zhǎng)江流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的上升趨勢(shì)(0.73～1.36 mm/a)和Li等[29]基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法估算1982—2015年的上升趨勢(shì)在方向上是一致的,實(shí)際蒸散發(fā)趨勢(shì)與這些研究在量級(jí)上的差異主要是研究時(shí)段不同導(dǎo)致的。

表2 不同時(shí)段長(zhǎng)江流域不同氣候區(qū)的年實(shí)際蒸散發(fā)量變化站點(diǎn)比例變化

3 結(jié) 論

本文以長(zhǎng)江流域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于過(guò)去1960—2019年的蒸發(fā)皿蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合PenPan物理過(guò)程模型和最新發(fā)展的廣義蒸發(fā)互補(bǔ)模型,發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)和實(shí)際蒸散發(fā)在1990年前后均存在趨勢(shì)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,并對(duì)其時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行歸因分析。研究主要結(jié)論如下：

(1) 1960—2019年,長(zhǎng)江流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)0.21 mm/a的下降趨勢(shì),在1990年前后2個(gè)時(shí)段呈現(xiàn)趨勢(shì)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。1960—1989年的年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈現(xiàn)3.36 mm/a的顯著下降趨勢(shì),主要分布在亞熱帶氣候區(qū)；1990—2019年的年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈2.89 mm/a的上升趨勢(shì)。

(2) 風(fēng)速和輻射下降是長(zhǎng)江流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)下降趨勢(shì)的主導(dǎo)因素,氣溫升高和相對(duì)濕度降低是上升趨勢(shì)的主要因素。1960—1989年高原氣候區(qū)氣溫和輻射是蒸發(fā)皿蒸發(fā)變化的主導(dǎo)因子,分別貢獻(xiàn)40.3%和47.8%；亞熱帶氣候區(qū)風(fēng)速和輻射是蒸發(fā)皿蒸發(fā)下降趨勢(shì)的主導(dǎo)因子,分別貢獻(xiàn)49.1%和42.4%,氣溫和相對(duì)濕度影響較小。1990—2019年氣溫升高和相對(duì)濕度下降是蒸發(fā)皿蒸發(fā)上升趨勢(shì)的主導(dǎo)因子,相對(duì)貢獻(xiàn)度高達(dá)80%以上,而風(fēng)速貢獻(xiàn)很小。

(3) 1960—2019年長(zhǎng)江流域?qū)嶋H蒸散發(fā)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在1990年前后2個(gè)時(shí)段也存在趨勢(shì)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。1960—2019年的年實(shí)際蒸散發(fā)量下降速率約為0.63 mm/a,其中1990年前呈2.42 mm/a的下降趨勢(shì),1990年后有0.21 mm/a的上升趨勢(shì)。