黑龙江潜在蒸散发时空变化特征及影响因素

苏建伟，张晓龙，沈 冰

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄 050022；3.西安理工大学，省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048)

1 研究背景

蒸发是水文循环过程中的重要的环节，是水从液态转化为气态的过程，该过程是水量与能量平衡的重要研究内容[1]。潜在蒸散发(ET0)是指充分供水条件下蒸散发的能力，是实际蒸散发量的计算基础和理论上限，被广泛应用于水资源分析、作物需水、生态环境变化、区域实际蒸散发估算研究[2]。ET0的估算方法有很多，按照机理主要分为气候学方法、微气象学方法和蒸发皿方法[3]。气象学方法可以大体分为三类，分别是基于气温的方法、基于太阳辐射的方法、Penman方法；微气象学方法可以分为基于质量守恒定律的方法和空气动力学方法；蒸发皿方法是将特定蒸发皿型号在特定环境时通过转换系数将蒸发皿蒸发和潜在蒸发联系起来[3]。其中，Penman公式将能量平衡法和空气动力学法结合起来，具有较强的理论支撑，仅需常规气象观测资料可计算潜在蒸散值。Monteith[4]将水汽传输的空气动力学阻抗和地标(冠层)阻抗引入Penman公式，得到了Penman-Monteith方法，FAO将Penman-Monteith方法定为计算作物潜在蒸散量的标准方法。但是由于空气动力学阻抗和地表(冠层)阻抗不易获得，FAO推荐了替代方程FAO Penman-Monteith方法[5]，该方法广泛用于作物需水量分析研究中。

在全球气温升高的背景下，研究发现过去半个世纪来蒸发皿蒸发量呈下降趋势，由此“蒸发悖论”现象被提出[6]，并受到广泛关注[7]。部分学者利用常规气象资料估算的ET0进行趋势分析，结果显示估算的ET0在过去几十年中大体也存在下降趋势[8-12]。另外有研究发现，在某些时段某些地区并不存在“蒸发悖论”的情况，特别是80年代中期以后，全国范围蒸发皿蒸发量转为上升趋势[11-12]。《中国气候变化蓝皮书(2019)》指出，全球变暖趋势依然在持续，中国是全球气候变化的敏感区。1951-2018年，中国年平均气温上升速率高于同期全球水平，为0.24℃/10a。1961-2018年，中国北方地区增温速率明显大于南方[13]。近期不少学者对于北方各地区ET0时空变化特征进行了研究，如海河流域[9-10]、黑河流域[14]、甘肃省[15]、新疆地区[8，16]、辽西地区[17]，但是对于黑龙江省ET0长时间序列时空变化研究相对较少[18]。黑龙江省作为中国纬度最高的省份，也是中国最大的粮食生产基地。该地区气温变化率为0.35℃/10a，是中国气候变化的敏感区。探讨黑龙江省ET0长时间序列时空变化特征及定量分析气象因子对ET0变化贡献率，进而分析和讨论黑龙江省“蒸发悖论”现象的表现，不仅对加深区域气候变化特征和蒸散发理论认识具有重要作用，而且可为农业水资源高效利用研究提供科学参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

黑龙江省位于中国最东、最北部，地处E43°25′-53°33′，N121°11′-135°05′之间，东部和北部与俄罗斯相邻，西部和南部分别于内蒙古自治区和吉林省相邻，气候属于温带大陆性季风气候。全省年平均气温为2.1℃，全年有5个月平均气温<0℃，全省年降水量在380-650mm，东部较大，西部较少，大部分降雨发生于夏季[18]。黑龙江省地势为西北部和东南部高，东北部和西南部低，主要有山地、台地、平原和水域构成，其中山地面积占全省面积的24.7%，丘陵地带占全省的35.8%，平原占全省的37.0%。黑龙江省区位及其气象站点空间分布，见图1。

图1 黑龙江省区位及其气象站点空间分布

2.2 数据来源

本研究收集了由国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/)提供的1960-2018年黑龙江省29个国家标准气象站点的逐日气象资料，包括了气压、气温、相对湿度、风向风速、日照时数，气象站点分布，见图1。将气象数据进行插补后，计算得到各站点ET0，然后基于ArcGIS软件平台利用反距离加权法得到其空间分布。

2.3 研究方法

2.3.1 潜在蒸散发计算

本研究采用FAO Penman-Monteith方法计算逐日ET0，计算公式为：

(1)

Rn=Rns-Rnl

(2)

Rns=(1-α)Rs

(3)

(4)

Rso=(0.75+2z×10-5)Ra

(5)

式中：Rn为地表净辐射，MJ/m2；G为土壤热通量，MJ/m2，通常在日尺度上认为G≈0；T为日平均气温，℃；u2为2m处风速，m/s；γ为干湿常数，kPa/℃；△为饱和水汽压曲线斜率,kPa/℃；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；α为地表反照率；σ为Stefan-Boltzman常数；Tmax,k和Tmin,k分别为日最大、最小绝对温度，K；Rs、Rso和Ra分别为估算的太阳辐射、净空辐射和地外辐射，MJ/m2；z为海拔高度。参数计算方法详见文献[5]。需要注意的是，气象站点风速数据为10m处数据，2m处风速可通过公式进行换算得到：

(6)

式中：Z为风速测量高度；Uz为Zm处测量的风速，此处，Z为10m。

2.3.2 数据分析方法

文章突变分析和趋势线分析使用Mann-Kendall非参数检验法和Sen斜率方法；相关性分析使用皮尔逊相关系数法，计算方法详见文献[19]。

贡献率计算采用多元回归分析法[20]，ET0为因变量，各气象因子为自变量，对数据进行标准化处理，对处理后的时间序列进行回归分析，得到多元回归方程：

Y=ax1+bx2+cx3+L

(7)

(8)

式中：x1，x2，x3L为各自变量标准化值，a、b、c为标准化后回归系数，τ1为自变量x1对Y变化的贡献率。回归分析的显著性检验一般采用F检验法。

3 结果与分析

3.1 潜在蒸散发时间变化特征

经计算得到每个气象站点的逐日ET0值，然后统计到年总ET0，通过空间插值，可得到黑龙江省年ET0值。1960-2018年黑龙江省年ET0的逐年变化，见图2；各站点及黑龙江省各气象站点的统计分析值，见表1。从图表中可知，黑龙江省ET0呈震荡下降趋势，年变化速率为-0.59mm/a，不存在突变点；各站点年变化速率在-3.353(安达站)-1.921(嫩江站)mm/a之间，29个站点中6个站点呈上升趋势，23个站点呈下降趋势；17个站点存在突变，12个站点不存在突变。

图2 黑龙江省年ET0的变化

表1 各站点ET0统计分析

3.2 潜在蒸散发空间变化特征

1960-2018年ET0多年平均值及其变化速率的空间分布，见图3。可知，黑龙江省多年平均ET0为727-1286mm，平均值为963mm，其中低值区位于黑龙江北部，高值区位于黑龙江西部。ET0呈上升趋势的区域主要分布于黑龙江北部，显著上升的区域较少。黑龙江大部分区域ET0呈下降趋势，其中显著下降的区域主要位于黑龙江西部。

图3 多年平均ET0及其变化斜率的空间分布和插值结果

3.3 气象因子时空变化特征

根据ET0计算公式可知，影响潜在蒸散发的主要气象因子包括地表净辐射Rn，饱和水汽压差VPD，气温T和风速U2。1960-2018年各气象因子多年平均值的空间分布，见图4。可知，黑龙江多年平均Rn在2217-2705MJ/m2之间，平均值为2506 MJ/m2，呈南高北低的空间格局；黑龙江多年平均VPD为0.42-0.78kPa，平均值为0.54 kPa，低值区位于黑龙江北部和中部，高值区位于黑龙江西部；黑龙江多年平均T为-4.09-4.88℃，平均值为2.1℃，呈南高北低的空间格局；黑龙江多年平均U2在1.41-2.88m/s之间，平均值为2.21m/s，低值区位于黑龙江北部和中部，高值区位于黑龙江东南部。从气象因子与ET0多年平均的空间格局来看，VPD与ET0的空间分布，相似性更高，从气象因子与ET0变化趋势的空间格局来看，U2与ET0的空间分布相似性更高。

图4 气象因子的空间分布

1960-2018年各气象因子变化速率的空间分布见图5。可知，黑龙江Rn变化速率为-4.26-3.40MJ/m2/a，绝大部分地区呈下降趋势，其中黑龙江南部呈显著下降趋势，仅东部小部分地区呈上升趋势；黑龙江VPD变化速率为-0.057-0.255kPa/100a，其中西部和北部呈上升趋势，仅东部小部分地区呈下升趋势；黑龙江T变化速率的范围在1.93-6.51℃/100a，整个区域均呈显著上升趋势；黑龙江U2变化速率在-2.96-0.73m/s/100a之间，绝大部分地区呈显著下降趋势，仅南东部小部分地区呈上升趋势。

图5 气象因子多年变化速率的空间分布

3.4 气象因子对潜在蒸散发变化的贡献率

通过研究年序列ET0和Rn、VPD、T和U2之间的相关关系和对其变化的贡献率来分析气象要素对ET0的影响，其相关系数及贡献率统计值间，各站点气象因子与ET0的相关性及贡献率统计，见表2。从表中可知，在年际变化中，ET0与VPD相关性最高，其次是Rn和U2，并且与这三种气象因子间均为正相关关系；而ET0与T之间无明显相关性，且站点之间差异较大；这表明在黑龙江T的上升对ET0的贡献被其他气象因子的作用抵消，并非表明T的变化对ET0没有影响。通过计算贡献率可知，1960-2018年黑龙江ET0变化贡献率最大的气象因子为VPD，其次是U2，而Rn和T贡献率相对较小。

表2 各站点气象因子与ET0的相关性及贡献率统计

4 讨论与结论

4.1 潜在蒸散发时空变化特征

潜在蒸散发在我国的分布格局大体为东部低、西部高，低值区位于我国东北部地区，高值区位于西北地区。白桦等[21]发现ET0显著下降区分布于中国东北部分地区、黄淮海地区和新疆部分地区，而上升区分布于青藏高原、新疆东部及黑龙江北部等区域。赵亚迪等[22]发现1960-1993年中国区域ET0呈下降趋势，2004-2013年呈上升趋势。祁天垚等[1]以蒸发皿蒸发量为研究对象，发现1960-2005年我国蒸发皿蒸发量在我国南部、中部、东部及西北部以显著下降为主，而东北部至西南部存在大量上升和无明显变化的站点。由此可见，东北地区，特别是黑龙江省ET0空间分布及变化趋势呈现特殊性和复杂性，有待深入研究。

本研究发现1960-2018年黑龙江省ET0多年平均ET0在727-1286mm之间，平均值为963mm，其中低值区位于黑龙江北部，高值区位于黑龙江西部；从区域尺度上看，1960-2018年黑龙江省ET0呈现下降趋势，年变化速率为-0.59mm/a，该区域变化不存在突变点；上升趋势主要分布在黑龙江北部，下降趋势分布于黑龙江南部。从站点尺度上看，1960-2018年黑龙江省23个(约占79%)气象站点ET0呈下降趋势，其中11个站点通过α=0.05的显著检验；6个气象站点ET0呈上升趋势，其中仅1个站点通过α=0.05的显著检验。这些气象站点的ET0变化中有17个站点存在突变，突变年份主要集中于1961-1964年、1983-1987年、2002-2004年和2009-2010年等几个时间段中。姜宇等[18]曾计算和分析黑龙江省1964-2013年5-10月(生长季)ET0，他们发现生长季ET0呈西高冬低，南高北低的空间分布，总蒸发量呈下降趋势，变化速率为-0.72mm/a；其结果与我们得到的ET0时空变化趋势一致，同时可以发现黑龙江省5-10月ET0下降速率大于11-翌年4月下降速率。值得注意的是，研究时段取决于研究目的，姜宇等[18]在作物需水、灌溉方案等方面研究时将研究时段定为生长季是有合理而必要的，但是为了研究整个区域蒸发耗水过程、机理和区域水资源管理，研究全年时段则显得更有意义。

4.2 黑龙江省“蒸发悖论”现象

许多研究发现[11，12，23]，过去50到60年的时间范围内我国不同区域蒸发皿蒸发量或潜在蒸散发估算量总体呈现下降趋势。刘敏等[23]发现近50年来蒸发皿蒸发量存在减少趋势，其中湿润区减少最快，干旱区减少最慢；20世纪60-90年代蒸发皿蒸发量稳定减少，90年代以后存在上升趋势。丛振涛等[11]根据全国蒸发皿和气象观测资料，发现过去50年间总体上存在“蒸发悖论”现象。谢平等[24]认为云南省“蒸发悖论”具有区域性、阶段性和季节性。马雪宁等[25]、岳元等[7]分别分析了“蒸发悖论”在黄河流域和吉林省的表现。本研究发现1960-2018年黑龙江省ET0上升趋势主要分布在黑龙江北部，下降趋势分布于黑龙江南部，而气温均呈上升趋势，即1960-2018年间黑龙江省总体上存在“蒸发悖论”现象，“蒸发悖论”现象在黑龙江省存在空间异质性，即在黑龙江北部并不存在“蒸发悖论”现象。

4.3 潜在蒸散发变化的主要影响因素及贡献率

许多学者研究了不同区域不同时间段潜在蒸发量或蒸发皿蒸发量变化及其原因。赵亚迪等[22]以107个站点分析1960-2013年中国ET0时空变化，并认为相对湿度是中国区域ET0变化最敏感的气象因子。刘昌明等[12]发现在全国范围内，ET0对水汽压最敏感，其次是最高气温、Rn、U2、最低气温。张方敏等[26]指出Rn和VPD是导致中国ET0呈阶段性变化的主要原因。卓嘎等[27]指出1980-2009年西藏ET0呈减少趋势，主要影响因子为相对湿度。Gong等[28]发现长江流域ET0对相对湿度最敏感，其次是Rn、T和U2。张守红等[29]指出阿克苏河流域高海拔地区相对湿度对ET0影响最大，而低海拔地区主要受U2影响。刘宪峰等[30]发现1960-2011年西北五省ET0呈下降趋势，主要受U2影响。马雪宁等[25]发现1960-2010年黄流域ET0呈下降趋势，主要影响因子也是U2。本研究发现黑龙江省ET0在年际变化中，与VPD相关性最高，其次是Rn和U2，而与T之间无明显相关性；1960-2018年黑龙江ET0变化贡献率最大的气象因子为VPD，其次是U2，而Rn和T贡献率相对较小。该研究与之前大量研究结论一致，可相互验证，细化了黑龙江省ET0变化的主要影响因素，并定量各因素的贡献率。