汉江流域实际蒸散发的时空演变规律及成因分析

朱非林，王卫光，孙一萌，郑 强

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098;2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098;3.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

蒸散发在地球大气系统的能量收支和水平衡变化中扮演着关键角色。作为能量平衡和水量平衡唯一的共同项，蒸散发是衡量水文循环和气候变化的重要指标。因此，确定蒸散发的长期变化趋势已成为研究区域尺度气候变化的水文响应所关注的焦点［1-2］。表述蒸散发的变量主要包括水面蒸发、参考蒸散发和实际蒸散发。水面蒸发是指从蒸发皿观察到的蒸发量，参考蒸散发表征充分供水下垫面条件下假想作物蒸散到空气中的水量，而实际蒸散发则是直接参与水文循环的变量。

近几年来，关于中国各大流域参考蒸散发和水面蒸发时空变化规律的研究已经得到了广泛开展。蔡辉艺等［3］结合敏感系数法，利用26个气象站点的资料分析了淮河流域1960—2008年参考蒸散发的时空变化趋势;Wang等［4］分析了海河流域1957—2008年参考蒸散发的变化规律及其影响因素;刘宏伟等［5］基于Penman-Monteith公式，评价了Hargreaves方法在太湖流域对参考蒸散发的模拟精度;Xu等［6］对长江流域1960—2000年蒸发皿蒸发和参考蒸散发的时空变化特征进行研究，发现显著下降的太阳辐射和风速是造成长江流域参考蒸散发呈显著下降趋势的主要原因;雷慧闽等［7］采用生态水文模型分析了黄河下游大型引黄灌区1984—2006年蒸散发的变化规律;杜军等［8］分析了藏北高原蒸发皿蒸发的变化特征，研究表明日照时数和平均气温日较差的显著减小和相对湿度的明显增加造成了蒸发皿蒸发呈现显著的减少趋势。

事实上，相对于参考蒸散发和水面蒸发而言，实际蒸散发是水平衡过程中的直接参与变量，因而更加受到关注。但由于受到气候条件和地表状况等众多因素的共同作用，实际蒸散发被认为是水文循环中最为复杂的环节，很难直接测出，因此通常由间接估算的方法得到。传统的实际蒸散发估算方法(比如:波温比和涡度相关法、SPAC水分传输综合模拟法、定量遥感估算法等)由于所需的资料难以获取和估算精度有限等，在实际应用中受到了较大限制。Bouchet［9］于1963年提出了蒸散发互补相关原理，为实际蒸散发的估算开辟了一条新途径。基于互补相关原理的概念，3种实际蒸散发计算模型(AA模型、GG模型、CRAE模型)被相继提出。这3种模型仅需要常规的气象数据，因此近年来被许多学者用于估算实际蒸散发［10-11］。然而，互补相关原理的成立需要一定的假设条件，加上蒸散发的各种影响因子随气候条件的不同会发生改变，因此3种模型的估算能力和适用性在不同的气候类型区存在较大差别。Xu等［12］和刘绍民等［13］的研究均表明，基于3种模型原始参数的模拟效果较差，往往需要通过参数率定来提高估算精度，并且各模型的最优参数值在不同的气候类型区不一致。Gao等［14］利用参数率定后的AA模型和GG模型估算了海河流域的实际蒸散发，并基于Thornthwaite水量平衡法的计算结果对2种模型进行评价，发现AA模型在海河流域的估算效果相对更优。此外，刘波等［15］和刘健等［16］分别采用AA模型和GG模型估算长江流域和鄱阳湖流域的实际蒸散发，均取得了较好的模拟效果。

汉江是长江流域最长的支流，沿江分布有较大规模的工农业，同时也是我国重要的农业产区和商品粮基地。然而，汉江干流历史上洪水灾害严重，是容易发生洪涝灾害的地区之一。研究汉江流域实际蒸散发的时空演变规律有助于进一步理解气候变化对水量平衡的影响，为流域的水资源配置和开发利用提供理论依据。目前，关于汉江流域实际蒸散发方面的深入研究还未见报道。基于此，笔者分别利用参数率定后的AA模型和GG模型，根据汉江流域内14个气象站点1961—2011年的逐日气象资料进行实际蒸散发的模拟，基于水量平衡法的计算结果优选出GG模型，分析了过去51a间实际蒸散发的时空演变规律和主要气象因子的变化趋势，并探讨实际蒸散发演变的成因。

图1 汉江流域及气象站点分布示意图Fig.1 Sketch map of location of Hanjiang River Basin and distribution of meteorological stations

1 研究区域和资料

汉江流域发源于陕西省汉中市嶓冢山，沿途流经鄂、陕、豫、川、渝、甘6省市，位于东经106°12'～114°14'、北纬30°08'～34°11'，干流全长1577km，流域面积15.9万km2。汉江流域属于亚热带季风区，气候比较温和，年平均气温在15～17℃之间，水量较充沛。

研究资料包括向家坪水文站的径流量资料和汉江流域内14个气象站点的逐日常规气象资料。水文资料摘自《中华人民共和国水文年鉴》，时间序列为1961年1月至1986年12月;气象资料由中国气象局气象信息中心气象资料室提供，时间序列为1961年1月至2011年12月。资料包括日降水量、日最高气温、日最低气温、日平均气温、气压、相对湿度、日照时数。

2 研究方法

2.1 实际蒸散发模型

2.1.1 AA模型

Brutsaert等［17］根据Bouchet［9］的互补相关原理，提出了AA模型。AA模型中的参考蒸散发EP与湿润环境蒸散发EW分别利用Penman公式和Priestly-Taylor公式计算。实际蒸散发Ea的计算公式为

式中:α——经验系数，其推荐取值为1.26;Δ——饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃;γ——干湿表常数，kPa/℃;Rn——地表净辐射，MJ/(m2·d);M——土壤热通量，MJ/(m2·d);ea——空气干燥力，mm/d。

2.1.2 GG模型

Granger等［18］引进相对蒸散发的概念，利用道尔顿蒸散定律推导出实际蒸散发和参考蒸散发的定量互补关系:

式中G为相对蒸散发参数，G=Ea/EP。

定义相对干燥力D=Ea/(Ea+Rn)，G与D之间存在以下关系:

式中a和b为经验系数，推荐取值分别为0.793和0.20。

2.2 Mann-Kendall检验和Sen’s坡度检测法

Mann-Kendall检验［19-20］和Sen’s坡度检测法［21］是基于秩和变化斜率的检验方法，其优点在于不需要预先假定样本的分布，不受异常值的干扰，能很好地处理非正态分布的数据。因此，这2种方法被广泛地用于水文、气象数据序列的变化趋势研究［22-23］。同时，Mann-Kendall检验也是世界气象组织积极推荐的非参数检验方法。

2.3 Pettitt突变检测法

Pettitt于1979年提出的Pettitt突变检测法［24］是一种非参数检验方法，其物理意义清晰，可以明确突变时间，已经被广泛地应用于水文、气象序列的突变研究［25］。该检验选用Mann-Whitney的统计函数Ut，T，认为样本x1，x2，…，xt，xt+1，…，xT独立同分布(T为样本容量)，对于连续序列，Ut，T和Vt，T的计算公式为

3 结果和讨论

3.1 模型参数率定和实际蒸散发模拟

为了得到AA模型和GG模型在汉江流域的最优参数值，选取汉江流域的子流域——洵河流域(面积为6448 km2)作为参数率定区域。

由洵河流域内气象站点1961—1986年的降雨量资料和向家坪水文站的同期径流量资料求得多年平均降雨量P0=820.4mm，多年平均径流深R0=312 mm，运用多年水量平衡方程E0=P0-R0得到洵河流域多年平均实际蒸散发E0=508.4 mm。采用模型的原始参数值进行计算，AA模型和GG模型求得的E0分别为860.5 mm和597.3 mm，所得结果与多年水量平衡方程的计算结果均存在一定误差，但GG模型的误差明显比AA模型小。因此，本文通过对2种模型参数的不断调整，使模型估算出的E0与水量平衡法计算结果的闭合差尽可能小，最终将AA模型的参数α调整为0.965，将GG模型的参数a和b分别调整为1.30和0.21。利用参数率定后的AA模型和GG模型对洵河流域模拟的E0分别为514.2 mm和509.2 mm，与水量平衡方程计算结果的相对误差仅为1.14%和0.16%，两者的估算精度都有大幅度提高，并且表现出较好的适用性，但相对而言GG模型的模拟效果更优。

从洵河流域实际蒸散发的年内分布和年际变化(图2)看，参数率定后AA模型和GG模型的模拟结果表现出高度的一致性，各月份的实际蒸散发最大仅相差1.9 mm，年实际蒸散发的变化趋势基本一致。该结果进一步验证了利用参数率定后的两种模型对汉江流域实际蒸散发进行模拟的可靠性。

图2 参数率定后AA模型和GG模型计算出的洵河流域实际蒸散发的年内分布和年际变化对比Fig.2 Comparison of monthly and annual average actual evapotranspiration calculated by AA model and GG model using calibrated parameter values for Xunhe River Basin

根据汉江流域14个站点1961—2011年的逐日实测气象资料，分别利用参数率定后的AA模型和GG模型对整个汉江流域的实际蒸散发进行模拟。从年际变化(图3)看，AA模型和GG模型估算出的年实际蒸散发的变化趋势基本一致，各年份的实际蒸散发也大致相等。为了便于研究，本文根据GG模型的计算结果对汉江流域过去51a的实际蒸散发时空演变规律进行分析。

图3 参数率定后AA模型和GG模型计算出的汉江流域实际蒸散发的年际变化对比Fig.3 Comparison of annual average actual evapotranspiration calculated by AA model and GG model using calibrated parameter values for Hanjiang River Basin

3.2 汉江流域实际蒸散发的空间变化特征

本文利用反距离权重插值法分析汉江流域1961—2011年平均实际蒸散发的空间分布特征(图4)。从总体上看，汉江流域多年平均实际蒸散发呈现从东南向西北逐渐减少的趋势，其中位于汉江下游的钟祥站和天门站的多年平均实际蒸散发在14个气象站点中较大，分别为607.9 mm和607.5 mm;汉江上游各气象站点的多年平均实际蒸散发相对较小，最小值出现在佛坪站，其多年平均实际蒸散发为484.5 mm。

图4 汉江流域多年平均实际蒸散发的空间分布Fig.4 Spatial distribution of annual average actual evapotranspiration over Hanjiang River Basin

分别利用Mann-Kendall检验和Sen’s坡度检测法对汉江流域14个气象站点1961—2011年的逐年实际蒸散发进行趋势分析，图5给出了Mann-Kendell检验的统计量Z值和Sen’s坡度值的空间分布。在过去的51 a间，除镇安气象站的年实际蒸散发呈显著上升趋势(置信度超过95%)外，其余13个站点均呈现下降趋势，其中8个站点的下降趋势较显著(置信度超过95%)，主要分布在流域东部。Sen’s坡度检测法的结果表明:流域东部的Sen’s坡度值较小，坡度范围集中在-1.0～-1.5 mm/a;流域中部的Sen’s坡度值相对较大，局部地区甚至出现了正的上升趋势，其中镇安站的坡度值为0.812 mm/a，是所有站点中唯一出现正Sen’s坡度值的站点，这与Mann-Kendall检验的结果一致。

图5 Z值和Sen’s坡度值的空间分布Fig.5 Spatial distribution of Z values and Sen’s slope values

3.3 汉江流域实际蒸散发的时间变化特征

图6 汉江流域1961—2011年实际蒸散发的年际变化Fig.6 Annual variation of actual evapotranspiration over Hanjiang River Basin from 1961 to 2011

分别采用简单线性回归模型和二元回归模型得出汉江流域实际蒸散发的回归曲线(图6)。总体上看，过去51a间汉江流域的实际蒸散发呈较明显的下降趋势，下降斜率为-0.671 4 mm/a。二元回归曲线显示汉江流域实际蒸散发的年际变化可大致分为2个阶段:1961—1991年下降趋势较显著，曲线斜率较小;1991年之后下降幅度明显减小，2001—2011年间呈现微弱的上升趋势。

为了进一步分析汉江流域实际蒸散发的年际变化规律(包括趋势、坡度和突变)，分别采用Mann-Kendall检验法、Sen’s坡度检测法和Pettitt突变检测法对该流域1961—2011年的实际蒸散发序列进行检测，结果表明，过去51 a汉江流域年实际蒸散发呈现显著的下降趋势(置信度为99%)，其Sen’s坡度值为-0.6913 mm/a，与一元线性回归曲线的斜率(-0.671 4 mm/a)基本一致。图7(a)显示年实际蒸散发在1979年发生显著突变，P值为3.44×10-4(远小于99%置信度的阈值0.01)，Kt值为424。图7(b)表明突变前后的Ea均值由575.5 mm降至547.3 mm，降幅达5%。

图7 汉江流域1961—2011年实际蒸散发的Pettitt检测结果Fig.7 Results of Pettitt test of actual evapotranspiration over Hanjiang River Basin from 1961 to 2011

从汉江流域的逐站点Pettitt检测结果(图8)看，流域内所有14个站点的年实际蒸散发均呈显著突变趋势(置信度为95%)，其中有8个站点的突变达到了99%置信度，主要分布在流域的东南部和西北部地区。此外，共有11个站点的突变年份为1979年，占总数的78.6%。

3.4 实际蒸散发变化的成因分析

受供水条件和能量因素共同作用，流域实际蒸散发的机理一般比较复杂，由于土壤含水量资料往往难以搜集，因此以降水量代替［26］。研究表明，气象因子变化是造成湿润地区实际蒸散发时空波动的主要原因［27］。基于此，为了探讨汉江流域1961—2011年实际蒸散发时空演变的成因，笔者分别采用Mann-Kendall检验法、Sen’s坡度检测法和Pettitt突变检测法对风速、气温、日照时数、气压、相对湿度、降水量这6个气象因子进行检测。研究结果表明:(a)过去51 a间汉江流域的年平均风速、年平均日照时数和年平均气压均呈现显著的下降趋势(置信度为99%)，并且分别于1981年、1979年和1993年发生显著突变(置信度为99%);(b)在全球气候变暖的背景下，汉江流域的年平均气温也显著升高(置信度为99%)，其Sen’s坡度值为0.016℃/a，在1993年发生显著突变(置信度为99%);(c)年平均相对湿度和年降水量分别呈微弱的上升趋势和微弱的下降趋势，两者未表现出显著的突变特征。

图8 各气象站点实际蒸散发的突变年份Fig.8 Years of mutation of actual evapotranspiration at 14 meteorological stations

风速、气温、日照时数和降水量对实际蒸散发均产生正作用，而相对湿度和气压对实际蒸散发则产生负作用［24］。但是过去51 a间气温的显著上升和气压的显著下降并没有导致汉江流域实际蒸散发上升，究其原因，主要是风速和日照时数显著下降对实际蒸散发的减弱作用补偿了气温和气压引起的实际蒸散发增量，从而造成实际蒸散发呈显著的下降趋势。各气象因子的Pettitt突变检测结果也表明风速和日照时数的突变年份(1981年、1979年)与实际蒸散发的突变年份(1979年)几乎一致，两者的显著下降是导致汉江流域1961—2011年实际蒸散发显著下降的主要原因。

4 结 语

对汉江流域1961—2011年实际蒸散发的时空演变规律和主要气象因子的变化趋势进行分析，并探讨了实际蒸散发变化的成因，得到以下主要结论:

a.参数率定后的AA模型和GG模型均表现出较好的适用性，两种模型对整个汉江流域实际蒸散发的模拟结果基本一致。相对而言，GG模型的模拟效果更优。

b.汉江流域1961—2011年平均实际蒸散发总体上呈现自东南向西北逐次减少的空间分布特征;除镇安站的年实际蒸散发呈显著上升趋势外，其余站点均呈下降趋势，其中8个站点的下降趋势较显著，主要分布在流域东部。

c.汉江流域1961—2011年平均实际蒸散发呈现显著的下降趋势，其Sen’s坡度值为-0.691 3 mm/a，并于1979年发生显著突变，突变前后的均值由575.5 mm降至547.3 mm，降幅达5%。

d.过去的51 a间，风速和日照时数显著下降对实际蒸散发的减弱作用补偿了气温和气压引起的实际蒸散发的增量，是导致汉江流域年实际蒸散发显著下降的主要原因。

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