河北省春季潜在蒸散量变化特征与成因

曹永强， 肖春柳， 李元菲， 刘明阳

(辽宁师范大学 城市与环境学院, 辽宁 大连 116029)

潜在蒸散量(potential evapotranspiration，ET0)是指水分供应不受限制时某一固定下垫面可能达到的最大蒸散量[1]。作为地球水文循环过程中的重要环节，潜在蒸散量在水循环中最直接受土地利用和气候变化的影响[2]，也是土壤层水分变化的重要指标。已成为多个研究领域的热点问题。ET0异常变化常常会影响地区水热平衡及气候的干湿状况，深入影响地区发展及水资源配置及农业发展。

目前关于ET0计算方法多是应用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式，该公式将大气物理特性及植被生理特性全部考虑在内，具有充分物理性依据，有利于更加清楚地了解ET0变化过程及影响机制[4]。随着全球气温不断上升加之差异用水结构中供用水端的水资源性短缺的矛盾均日益凸显，国内外学者对ET0及其气候影响研究日益深入。梁丽乔等[5]研究发现松嫩平原西部年ET0呈增加趋势，相对湿度和气温是影响ET0变化的主要气候因子；李春强等[6]研究表明近35 a河北省ET0呈逐年减少趋势，风速和日照时数是影响ET0变化的主要气候因素；徐新良等[7]研究表明我国东北地区自20世纪90年代以来平均ET0逐年增加，平均风速变化对ET0有重要影响；史建国等[8]研究表明整个黄河流域自1957年以来ET0呈“先下降，后稳定，再上升”的趋势变化，相对湿度是影响ET0变动的重要因子。国外学者对ET0的研究主要集中在其主导因子及其变动情况。就引起ET0变动的因子，各派观点不一，Mcvicar等[9]认为在分析ET0变化趋势时，应考虑日照时数和风速的影响。Chattopadhyay[10-11]等学者认为，ET0下降的主要原因是太阳辐射量的减少和北半球相对湿度的增加，二者的共同作用在很大程度上影响了ET0变化。

河北省位于华北平原腹地，是我国重要粮食主产区之一，农业发展技术先进、良田面积广阔、发展潜力较大。但由于常年受旱涝、盐碱及风沙灾害和区域水资源短缺等问题影响，粮食生产变动性较大[12]。当前关于地区春季ET0变化及气象因子响应并不多见，春季是作物生长关键时期，且河北省春旱严重，土地含水量较低，对植物生长不利，应予以重点讨论及研究，因此，本文在前人研究基础上，以春季为研究对象，重点分析河北省春季ET0变化特征及影响因素。

1 资料与方法

1.1 研究区域与数据

河北省位于华北平原南部，地势由西北向东南倾斜。春季平均气温14.3℃，平均降水量104 mm，降水量区域分布不均匀，由东南向西北逐渐较少。春季气温回升快、降水量少，加之地面植被覆盖率较低，易出现阶段性气候干旱、大风沙尘天气，严重影响区域农业发展及水资源优化配置。

图1 气象站点分布

本文所用气象数据源于河北省18个气象站点的测资料，同时为保证结果分析的准确性，加入6个省外临近站点，共计24个站点。研究区概况详见图1。

气象数据来源于中国气象数据网，选取1968—2018年逐日气象数据资料，季节划分以气象学研究为标准，即3—5月。

1.2 研究方法

1.2.1 潜在蒸散量(ET0) ET0受下垫面、气温及湿度等要素影响较大，一般由估算得出，其结果有很大变动性。许多学者一致认为：Penman—Monteith公式操作简便且计算结果准确[13-14]，适应于不同气候类型地区ET0计算。

(1)

(2)

式中：ET0代表站点潜在蒸散量(mm)；Δ为斜率值(kPa/℃)；Rn为作物表面的净辐射量(MJ/m2)；γ是湿度计常数(kPa/℃)；T为日平均气温(℃)；u2为2 m高处风速(m/s)；G为土壤热通量(MJ/m2·d)，由最高气温和最低气温平均值计算得到；es为空气饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa/℃)；各因子具体计算公式参照文献[7]。

1.2.2 敏感系数 敏感系数由McCuen[15]首先提出，该方法操作简单，在ET0研究中得到广泛应用。本文利用敏感系数计算河北省春季ET0对各气象因子变化的敏感程度，分析ET0随各气象因子变化特征及变化方向，进而比较得出影响ET0变化的主导因子。具体计算公式如下：

(3)

式中：Svi为潜在蒸散量ET0对某气象因子x的敏感系数，敏感系数的正负反映ET0与气象因子的相关性，敏感系数为正表明ET0变化趋势与该气象因子变化趋势方向相同。绝对值大小反映了气象因子对ET0影响大小[16]。当ET0对某气象因子的敏感系数为0.1时，表明当该气象因子变量变化10%时，ET0将变化1%。

1.2.3 气象因子对ET0的贡献值 尹云鹤等[17]认为气候因子的相对变化(Rcvi)与其敏感系数(Svi)的乘积可以表示该气象因子变化对ET0变化的贡献量，贡献量最大的气象要素可以被看作该站点ET0变化的主导因子。因此本研究利用贡献值计算气象因子对ET0变化贡献率，在此基础上研究ET0变化成因，其计算公式如下：

Cvi=Svi·Rc

(4)

(5)

式中：Cvi和Svi为贡献率和敏感系数；Trendvi为该气象因子多年线性倾向率，由vi与年份的一元线性回归趋势分析得到；n为统计年份，本文中n取值为51。

2 结果与分析

2.1 春季ET0趋势特征

2.1.1 年际变化趋势 河北省春季ET0年际变化如图2所示。由图可知，1968—2018年河北省春季年平均ET0呈下降趋势，变化率为-1.679 mm/10 a。多年平均值353.20 mm，最小值出现在1990年，为326.72 mm，最大值出现在1972年，为376.97 mm；整体上来看，河北省春季ET0年际变化较大，相对变化率为14.22%，减少趋势分别通过了0.01，0.05的信度检验。变化趋势与谢贤群等[15]的研究成果大致相同。从图M-K突变检测曲线可知，春季ET0下降趋势显著。UF和UB两条曲线在1977年出现突变点，突变前ET0平均下降幅度为-1.798 mm/10 a，突变后平均下降幅度为-1.071 mm/10 a，1977年后ET0下降趋势变缓。

图2 1968-2018年春季ET0年际变化趋势

2.1.2 周期变化 将各年份春季ET0进行Morlet小波分析，小尺度变化镶嵌在较大尺度下的复杂环境当中。1968—2018年河北省春季ET0在25～30 a尺度上振荡周期最明显，ET0在周期震荡中存在“多—少—多”的变化。”1990年后，在小尺度(16～20 a)上也出现了周期性震荡，ET0在震荡中存在“少—多—少”的循环变化。此外，在13～15 a尺度上也存在若干小周期循环。为了进一步明确春季ET0随时间变化的主周期，绘制小波方差分析图，分析得出：春季ET0在2个尺度下的小波方差极值表现最为显著，首先是在35 a左右小波方差极值最大，为峰值，说明春季ET0在35 a及20 a左右呈现明显周期变化，35 a左右周期变化最为明显。即河北省春季ET0在35 a左右会经历由多变少的变化过程。

2.1.3 空间变化特征 对春季及春季各月ET0多年平均数据进行空间分析(图3)，从总体上看，河北省1968—2018年春季ET0空间分布并不均匀，高值区主要分布在南部及偏东部地区，北部及偏西部地区数值相对较小。

从局部范围上看，由于所处的地理环境不同导致ET0空间分布情况出现较大差异。高值区主要分布在张北、承德、黄骅等地，ET0分别达到了436.88 mm，413.59 mm，366.16 mm，这主要是由于张北和承德地处燕山余脉，盛行下沉气流，降水较少，故ET0较大，同时黄骅位于渤海之滨，受海洋影响风速较大，且纬度位置偏低，温度较高，故ET0较大。低值区主要分布在石家庄、邢台等地，ET0分别为306.28 mm，320.54 mm，这主要由于两地地处太行山脉与华北平原交汇地带，地势起伏较大，在季风作用下易形成地形雨，降水量较大，另一方面可能与当地重工业发达，空气中悬浮颗粒物质较多，云量较大有关。

春季各月ET0空间分布状况与春季总体ET0分布情况基本一致，整体呈现由东南向西北递减趋势。春季各月ET0平均均值并不相同，经计算可知，5月各气象站点平ET0平均均值最高，为148.73 mm，其次是4月的120.36 mm和3月的84.11 mm，分别占春季的42.10%，34.07%和23.81%。

图3 春季及春季各月河北省ET0空间分布

2.2 春季ET0敏感性分析

2.2.1 ET0对气象因子敏感性特征 利用敏感系数公式，分别计算出春季及各月ET0对不同气象因子的敏感系数(表1)，由表1可看出，春季及春季各月各站点平均ET0与平均风速、日照时数、平均气温、最高气温和最低气温的敏感系数为正值，与相对湿度的敏感系数为负值。敏感系数绝对值大小则反映气象因子对ET0影响大小，通过比较敏感系数绝对值可知，ET0的变化对各个气象因子敏感程度依次为相对湿度>最高气温>日照时数>平均风速>平均气温>最低气温。王鹏涛等[18]认为，华北平原ET0变化对相对湿度最为敏感，本文研究结果与之一致。此外关于ET0敏感系数的研究结果与刘昌明等[19]对黄河、海河和淮河流域片区整体的敏感系数大小较为一致。

表1 春季及各月ET0对不同气象因子的敏感系数

2.2.2 气象因子敏感系数的空间分布 基于各气象站点对各气象因子敏感系数数据，利用GIS平台，分别对各气象因子敏感性系数进行空间差值，得出春季各气象因子敏感系数的空间分布状况(图4)。

从总体上看，ET0变化对平均气温、最高气温、最低气温、日照时数和平均风速表现为正敏感，对相对湿度表现为负敏感。平均温度的敏感系数在空间分布上表现为相对较均匀的特点，没有出现较大波动。西北张家口、张北等地敏感系数稍低，其敏感系数分别为-0.02及0.01；而南部邢台、石家庄等地稍大，其敏感系数达到0.85及0.73；最高温度的敏感系数呈现出由南向北地区逐渐降低的趋势，其中，南部的石家庄、邢台以及北部的承德等地敏感系数相对较大，其敏感系数分别为0.38，0.37，0.36。北部的张北、丰宁等地则为低值区，敏感系数分别为0.01及0.02；最低温度的敏感系数变化态势大致与最高气温敏感系数保持一致。由于北部地区海拔较高，气温偏低，最高气温与最低气温表现不甚明显，故其敏感系数相对较小；日照时数较敏感的地区主要分布在全区的西部偏北地区，如北部围场、承德等地风速敏感系数达到0.23及0.21；平均风速敏感系数较高地区则主要分布在南部地区，邢台、南宫等地敏感系数相对较高，敏感系数分别为0.23及0.22，说明当风速发生变化时，河北省南部ET0能敏感的反映风速的变化。研究结果与该地理范围内各气象因子敏感系数变化情况以及空间分布规律相一致[20-21]。这与该地区气象因子的变化有关[22-23]。本文关于ET0敏感系数研究结果与王鹏涛等[18]对华北平原和刘昌明[19]对黄河、海河和淮河流域片区的敏感系数大小一致。

2.3 ET0变化成因分析

2.3.1 各气象因子对潜在蒸散量变化的贡献率 利用1968—2018年逐日气象数据进行统计分析，分别计算出各气象因子51 a线性倾向率、平均值及变化率，结合上文敏感系数数据，计算各气象因子对ET0变化的贡献率，见表2。统计数据显示，51 a范围内，平均风速、日照时数、相对湿度均呈下降趋势，其中相对湿度的下降速率最高，为-0.92/10 a。而平均气温、最高气温等3个气温因子则表现出逐年升高趋势，变化率分别为0.48℃/10 a，0.43℃/10 a和0.49℃/10 a，6种气象因子变化情况均通过0.01显著性水平检验。

总体上看，不同气象因子对ET0贡献率并不相同，贡献率最大的是平均风速，其次是平均气温、相对湿度，三者的贡献率绝对值总和达到9.64%，平均风速、平均气温和相对湿度是影响ET0变化的主要因子，最低温度对ET0变化贡献率最小，仅为1.20%。

平均风速对ET0的负贡献率为-4.55%，表明平均风速的显著降低会引起ET0的减小。河北省地处华北平原，春季属于冷暖转变的季节，副热带高气压逐渐增强，北部西风势力逐渐减弱，风速降低，故平均风速的降低造成ET0的降低。

表2 气象因子变化对ET0的贡献率

平均气温和相对湿度的增加会引起ET0增高，但实际观测资料统计分析得出中国北方[24-25]、海河流域[26]、西北五省[20]等地区普遍存在“蒸发悖论”现象[24]，即气温增高而ET0减小，本文变化趋势与前人研究结果保持一致。需要指出的是，“蒸发悖论”这一现象成因仍存在较大争议，有很大不确定性，未来仍需加强对该方面深入学习和研究。

2.3.2 气象因子对ET0的贡献量空间分布 部分站点气象因子对ET0贡献量结果如表3所示，不同气象站点中气象因子贡献量比值并不相同。北京、邢台、大同、分别位于河北省中部、河北省南部，山西省中部，引起ET0变化的主导因子均为相对湿度，相对湿度贡献率分别为6.35%，6.56%及4.98%。秦皇岛、黄骅和青龙的主导因子则为平均风速，其贡献率分别为-8.25%，2.25%，2.35%。此外最高气温和最低气温也在局部对ET0的变动起到主要作用，丰宁地区最高气温贡献率为3.62%、张北地区最低气温贡献率为-5.59%。北京、丰宁、邢台和大同的ET0较均值有所上升，但是上升原因各异，北京、邢台和大同ET0的增加主要因相对湿度的降低，而丰宁ET0的增加则由于最高气温的增高。张北、石家庄、秦皇岛、黄骅和青龙等地春季ET0呈降低趋势，最低气温的降低引起了张北地区ET0的降低，秦皇岛、黄骅、青龙地区平风速的降低带动了ET0的不断降低。河北省春季ET0变化的主导因子存在空间差异，其中，张家口、承德、围场地区引起ET0降低的主导因子均为平均气温的下降。遵化、青龙、秦皇岛、保定、黄骅、南宫6市(县)引起ET0变化的主导因子均为春季平均风速的增大。

图4 敏感系数空间变化

综合分析可知气温作为主导因子的区域集中在河北省北部地区，相对湿度影响区域集中在中西部地区，平均风速在河北省南部及偏东部地区贡献率较大。

表3 部分站点气象因子对ET0的贡献量

3 讨论与结论

3.1 讨 论

本文在敏感系数研究基础上，分析了春季时段内不同区域引起ET0变化的主导因子。发现主导因素空间变化与敏感系数空间格局并不对应：气温作为主导因子的区域集中在河北省北部地区、相对湿度作为主导因子的区域集中在河北省中部及西部地区、平均风速在河北省南部及偏东部地区对ET0变动贡献率较大。此研究结果有助于揭示不同地区河北省春季ET0变化原因以及不同地区范围内各气象因子影响程度的大小。为河北省充分开发利用水资源及农业的优质发展提供一定参考。但传统Penman—Monteith只是点上ET0的估算，对于大区域的结果验证还有待进一步研究。且自然原因和人为原因均直接或间接影响ET0变化，本文仅从自然角度，探讨ET0变化原因，而城市化的快速发展、社会经济发展等人为因素所导致的气象因子变化已经成为影响区域ET0变化重要原因。结合上述要素开展ET0机理研究，还有待进一步完善。此外，在今后的研究工作中，可进一步应用ET0数据，添加作物系数、太阳辐射、作物生长周期等相关数据，时空分析特定作物的光合生产能力、光温生产能力及气候生产能力，从而为本区农业发展及水资源合理配置指明方向。

3.2 结 论

(1) 51年间，河北省春季ET0呈下降趋势，变化率为-1.679 mm/10 a，多年平均值为353.20 mm。空间尺度上，呈西北向东南递减趋势。春季各月ET0空间分布与春季总体分布情况基本一致。

(2) ET0变化对平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、平均风速表现正敏感，对相对湿度表现为负敏感。敏感程度依次为相对湿度>最高气温>日照时数>平均风速>平均气温>最低气温；气象因子空间分布上，河北省南部为气温及风速敏感系数高值区，西北及北部为日照时数和相对湿度敏感系数高值区。

(3) 平均气温作为主导因子影响区域集中在河北省北部地区，相对湿度影响在河北省中部及西部地区，平均风速在南部及偏东部地区对ET0变化贡献率较大。