1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发时空变化特征及影响因素

2022-02-11 03:16张耀宗张多勇刘艳艳
干旱区研究 2022年1期
关键词:日照时数风速气象

张耀宗, 张 勃, 张多勇, 刘艳艳

(1.陇东学院历史与地理学院,甘肃 庆阳 745000;2.庆阳市荒漠化防治研究中心,甘肃 庆阳 745000;3.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070;4.北方民族大学鄂尔多斯盆地历史地理研究中心,宁夏 银川 750021)

水资源是人类生存和发展的命脉,其状态与变化特征对人类社会经济可持续发展有着明显的制约作用[1]。蒸发是水循环的重要过程,其演变过程涉及能量平衡与水量平衡[2-4]。因此,进行蒸散发变化研究对深入了解气候变化、区域水平衡与水循环的影响具有十分重要的意义[5-6]。由于实际蒸发难以观测,但蒸发皿蒸发与水面蒸发之间存在较高的相关关系,是气象站常规观测项目之一,同时该指标观测资料累积序列长、可比性好,因此实践时常作为水文与水资源研究、水利工程设计和气候区划的重要气象指标[1,7]。

众多学者的研究表明20世纪50年代以来全球各地的蒸发皿蒸发呈减少趋势,风速、太阳辐射、气温、相对湿度对蒸发皿蒸发影响显著[8-9]。近几十年我国大部分地区年蒸发皿蒸发呈减少趋势[10-11],左洪超等[12]认为1961—2000 年我国66%的气象台站蒸发皿蒸发呈减少趋势,蒸发皿蒸发与相对湿度的相关性最大。任国玉等[13]使用600多个气象站数据研究认为1956—2000 年我国蒸发皿蒸发呈显著减少趋势,东部、南部和西北地区减少更多,日照时数、平均风速、气温日较差对水面蒸发影响显著。祁添垚等[14]发现我国南部、东部、中部以及西北部,蒸发皿蒸发以显著减少趋势为主;我国东北部至西南的狭长带,蒸发皿蒸发呈显著增加及无明显变化趋势,相对湿度是影响蒸发皿蒸发的关键因子。Zhang等[15]指出黄土高原半干旱地区蒸发皿蒸发呈增加趋势,与全球其他区域不同,气温升高、低云量减少、相对湿度降低是蒸发皿蒸发增加的主要原因;杨司琪等[16]发现夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发量呈现增加趋势,夏季风区与非夏季风影响过渡区呈相反变化趋势;温度变化对夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发变率的贡献最大,低云量的变化对夏季风影响过渡区、夏季风和非夏季风影响区的贡献均在20%以上[17]。

黄土高原地区是我国重要的生态治理区,作为黄河流域高质量发展和国家生态安全的关键区域,水资源是制约其植被恢复的主要因素,水资源变化将直接影响本区域的农业生产、生态环境建设及社会经济可持续发展,蒸发作为水循环的关键环节,是影响区域水热平衡的重要参数,研究蒸发皿蒸发变化可为黄土高原地区的水资源管理、干湿预警与生态恢复建设,提供重要的理论支撑。各气象站点中蒸发皿蒸发数据往往缺测过多,对研究的全面性和准确性有一定影响,本文将全面挖掘与整理1960—2018年该地区气象站的蒸发皿蒸发量数据,及其他相关气象要素的观测资料,划分出6 个子区域,分析蒸发皿蒸发变化特征及影响蒸发皿蒸发变化的气象要素。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

本研究中黄土高原地区边界范围北抵阴山,南达秦岭,东到太行山,西止青海日月山,面积6.4×105km2,如图1 所示,与中国科学院黄土高原地区考察范围一致[18]。按照黄土高原地区的地貌特征和自然地理特征将该区域划分为6 个子区域进行研究,即陇中黄土高原(Ⅰ)、陇东黄土高原(Ⅱ)、关中平原(Ⅲ)、山西黄土高原(Ⅳ)、河套地区(Ⅴ)、鄂尔多斯高原(Ⅵ)[19]。

图1 研究区气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological station in Loess Plateau

1.2 数据来源

利用黄土高原地区气象站蒸发皿蒸发(Epan)分析近59 a 黄土高原地区Epan变化特征,蒸发皿口径为20 cm,并利用平均气温(Tmean)、最低气温(Tmix)、最高气温(Tmax)、降水(Pre)、平均风速(u2)、日照时数(Sd)、水汽压(es)、相对湿度(Rh)等数据研究黄土高原地区蒸发皿蒸发变化的主要气象因子,气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)。蒸发皿蒸发数据缺测较多,为保证序列趋势的一致性,将时间序列连续小于45 a的站点剔除,并通过元数据分析,对上述资料进行了严格的质量控制。经过剔除和质量控制,基于61个站点的蒸发皿蒸发数据及相关气象数据(图1),对该区域1960—2018 年蒸发皿蒸发变化特征及影响因素进行研究。

1.3 研究方法

1.3.1 线性变化趋势和Mann-Kendall法 本文采用线性趋势法与Mann-Kendall非参数检验法分析黄土高原地区Epan的变化趋势,使用累积距平法和Mann-Kendall 突变检验法分析Epan的突变点。线性趋势法的优点在于方法简单、物理意义清晰,并可以定量评估趋势值,通过相关系数检验其显著程度[20]。Mann-Kendall非参数统计检验(M-K检验)是世界气象组织WMO 推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的方法,是检验时间序列单调趋势的有效工具[21],该方法还可以检验时间序列是否发生了突变。以上方法在气候变化的研究中已经广泛使用[22-25],具体算法参照文献[20-21]。

1.3.2 多元线性回归分析 在多要素的地理系统中,多个要素之间存在着相互影响、相互关联的情况。因此,多元地理回归模型具有更普遍性的意义[21]。影响Epan的因素是多方面的,为更全面掌握影响Epan的气象因素,对数据进行标准化之后,使用了多元回归分析方法,研究了影响Epan的主要气象要素,使用F检验确定各因素对蒸发皿蒸发的方差贡献,从而确定影响各区域Epan变化的主导气象因子[13]。计算方法如下:

假设某一变量y受k个自变量x1,x2,…,xk的影响,其n组的观测值为(ya,x1a,x2a,…,xka),其中,a=1,2,…,n。那么,多元线性回归模型的结构式为:

式中:β0,β1,β2,…,βk为待定系数;εa为误差项。

如果b0,b1,b2,…,bk分别为β0,β1,β2,…,βk的拟合值,则回归方程如下:

式中:b0为常数;b1,b2,…,bk为偏回归系数。

偏回归系数bi(i=1,2,…,k)的含义是,当其他自变量xj(j≠i)都固定时,自变量xi每变化一个单位而使因变量y平均改变的数值。根据最小二乘法原理,得到回归系数。

多元线性回归模型建立后,需要进行显著性检验,线性回归的检验采用F检验完成。

2 结果与分析

2.1 蒸发皿蒸发的时空变化特征

2.1.1 蒸发皿蒸发年际变化特征 通过线性趋势法计算可知,1960—2018 年黄土高原地区Epan整体呈减少趋势,气候倾向率为-6 mm·(10a)-1(图2),未通过显著性检验。研究区与全国[10,26-28]、黄河流域[7]的Epan变化趋势基本一致,均呈减少趋势。1960—2000年黄土高原地区Epan呈明显减少趋势,气候倾向率为-59 mm·(10a)-1,通过了0.05 的显著性检验,高于同期全国及其他大部分地区Epan减少的速率(表1),2000 年以来Epan呈增加趋势,气候倾向率为26 mm·(10a)-1。

表1 全国各地区Epan变化趋势分析Tab.1 Nationwide summary of Epan trend

图2 1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发线性趋势Fig.2 Liner trend of pan evaporation in Loess Plateau from 1960 to 2018

黄土高原地区Epan春、夏、秋、冬四季的气候倾向率分别为:-14 mm·(10a)-1、-16 mm·(10a)-1、-9 mm·(10a)-1、16 mm·(10a)-1,未通过显著性检验。黄土高原地区春季、夏季蒸发皿蒸发减少量较大,对年蒸发皿减少蒸发贡献大,冬季蒸发皿蒸发呈增加趋势,是2000 年来蒸发皿蒸发速率减少的主要原因。

黄土高原地区Epan变化在空间上一致性较差,局部和整体变化不同步。在空间上,减少与增加的站点同时存在(图3),54%的站点呈减少趋势,其中54%的站点通过了0.05 的显著性水平检验;42%的站点呈增加趋势,其中58%的站点通过了0.05 的显著性水平检验,呈增加趋势的站点主要分布在Ⅱ区和Ⅵ区;4%的站点无明显变化趋势。研究表明Epan变化在全国及黄河流域均存在的空间差异性现象[1-2,7],黄土高原地区同全国及黄河流域变化特征较为一致,其内部变化存在明显差异。6个分区中,Ⅲ区、Ⅳ区呈减小趋势,气候倾向率分别为-22 mm·(10a)-1、-8 mm·(10a)-1,Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅴ区、Ⅵ区呈微弱增加趋势,气候倾向率分别为17 mm·(10a)-1、13 mm·(10a)-1、3 mm·(10a)-1、18 mm·(10a)-1,各区域中,Epan减少的速率大于增加的速率。

图3 1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发空间变化Fig.3 Spatiotemporal variations of pan evaporation in Loess Plateau from 1960 to 2018

2.1.2 蒸发皿蒸发突变分析 由黄土高原地区Epan的M-K 突变检验分析可知(图4a),Epan的UF和UB线无交点,表明通过M-K 检验黄土高原地区Epan无突变点。Ⅰ区、Ⅱ区与黄土高原地区M-K检验结果基本一致;Ⅲ区突变点为1970 年,Ⅳ区的突变点在1968年;Ⅴ区、Ⅵ区M-K检验无突变点。

通过累积距平曲线可知(图4b),累积距平曲线存在3 个阶段的变化趋势,1960—1974 年呈显著的增加趋势,1975 年之后呈减少趋势,1997 年之后呈增加趋势。Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区、Ⅴ区、Ⅵ区与黄土高原地区累积距平曲线变化基本一致。Ⅲ区Epan累积距平曲线也存在3 个阶段的变化趋势,1970 年之前呈增加趋势,1970—1993 年表现为减少趋势,但在1993年之后出现短暂的增加趋势,1997年之后又呈减少趋势。

图4 黄土高原地区蒸发皿蒸发M-K检验和累积距平Fig.4 Mann-Kendall test and cumulative anomaly map of pan evaporation in Loess Plateau

综上可知,黄土高原地区Epan有2次转折、3个阶段的变化趋势,转折年份分别是1974年和1996年,1960—1974 年呈增加趋势,气候倾向率为11 mm·(10a)-1,1975—1996 年呈减少趋势,气候倾向率为-60 mm·(10a)-1,1997 年之后呈增加趋势,增速为30 mm·(10a)-1。马海姣等[29]指出1974 年是黄土高原地区Epan的主要转折年,杨司琪[26]认为1960—2017 年全国Epan的转折点在1996 年,本文与以上研究结果具有一致性。因此,黄土高原地区与全国Ep-an的转折时间一致性较好。

2.2 蒸发皿蒸发变化的气象因素分析

应用多元回归分析计算气象因子系数,使用F检验确定各因素对蒸发皿蒸发的方差贡献,从而确定影响各区域Epan变化的主导气象因子[13,19],各区域影响Epan的主要气象要素排序见表2。分析可知,平均风速在黄土高原地区及各区域对Epan影响最显著,其次是日照时数和水汽压。平均风速、日照时数的影响因素为正影响作用,水汽压为负影响作用。各分区中,影响Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的首要气象因素为平均风速,Ⅳ区的首要影响因素是日照时数,Ⅴ、Ⅵ区的首要影响因素是温度,其他因素在各区域排序不一致(表2),反映出各区域地理环境差异显著,不同地理单元影响Epan的气象因素差异较大。杨司琪等[16]指出夏季风区、夏季风影响过渡区及非夏季风区Epan对各气象要素的敏感程度不同。

表2 各区域影响Epan的主要气象要素Tab.2 Main influential factors for Epan in the Loess Plateau

各区域在不同季节影响蒸发皿蒸发的气象因子差异明显。春季,Ⅲ区、Ⅴ区最显著的影响因素为平均最低气温、其他各区域以平均风速为主,日照时数、平均最高气温对各区域蒸发皿蒸发存在影响;夏季Ⅰ区、Ⅴ区的主要影响因子为相对湿度,Ⅱ区、Ⅳ区、Ⅵ区的主要影响因子为降水,风速和降水是Ⅲ区的主要气象因子;秋季各区域影响Epan的气象因子以平均风速为主,Ⅴ区的主要气象因子是最低气温,其次是风速;冬季黄土高原地区、Ⅱ区的主要影响因子为平均最低气温、日照时数,Ⅳ、Ⅵ区平均风速是主要的气象因子,Ⅰ区无明显的影响因子。综上分析,春季、秋季各区域以风速为主,温度、相对湿度在春季有显著的影响;夏、秋各区域的主要影响因子为相对湿度、水汽压、降水;在冬季温度、相对湿度、风速对Epan影响显著。

由表3 可知,影响黄土高原地区蒸发皿蒸发的主要气象因子依次为平均风速、日照时数、水汽压,1960—2018年黄土高原地区的平均风速、日照时数均呈减小趋势,气候倾向率分别为-0.06 m·s-1·(10a)-1,-42 h·(10a)-1;水汽压呈升高趋势,气候倾向率为0.04 hPa·(10a)-1,在3个主要气象因子的综合作用下,黄土高原地区Epan整体呈减少趋势。如图5所示,1960—1974 年黄土高原地区的平均风速、日照时数呈增大、增加趋势,水汽压呈减小的变化趋势,致使黄土高原地区1974 年之前Epan呈增加变化趋势。1975—1996年,该区域的平均风速虽呈增大变化趋势,但日照时数呈明显减少,导致该时间段黄土高原地区Epan呈减少变化特征。1997 年之后,该区域的平均风速减小,同时在日照时数显著减少和水汽压显著增大的影响下Epan明显增加。影响Epan的气象因子较多,Epan的变化是各种气象要素综合作用的结果[12],可以将其分为动力因子、热力因子及水分因子。其中,风速强弱变化影响蒸发过程中的水汽输送环节[12],是影响Epan的主要动力因子[14];日照时数变化导致Epan的能量来源变化,是影响Epan热力因子的主要代表;水汽压一定程度上表示了大气中水汽含量的多少,能够表征影响Epan的水分因子。

表3 各区域影响Epan的主要气象要素变化趋势Tab.3 Liner trend of main influential factors for Epan in the Loess Plateau

图5 黄土高原地区风速、日照时数、水汽压累积距平Fig.5 Cumulative departure curve of u2,Sd,es in Loess Plateau

黄土高原地区春、秋季Epan呈减少趋势,春、秋季的风速减小对Epan减少作用明显(表3);夏季Epan呈减少趋势,其首要影响因素为相对湿度,水汽压、降水也是影响夏季Epan的主要气象因子,可见水分因子是夏季蒸发皿蒸发变化的主要因素;冬季蒸发皿蒸发呈增加趋势,其主要影响因素为最低气温,呈显著增加趋势,因此,热力因子对冬季Epan变化的影响显著。

3 讨论

Epan变化是多个气象因子共同作用的结果,且是各种气象因子非线性共同作用的复杂过程,单一的环境因子不能解释Epan的变化[26,36-38]。1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发的动力因子、热力因子、水汽因子均发生了变化,且具有明显的阶段性变化特征,导致蒸发皿蒸发出现不同的变化特征。有关学者研究指出影响全国Epan的主要气象因子或者关键气象因子有风速、日照时数、气温日较差、相对湿度[2,13-14,27],Zhang 等[15]、杨司琪等[17]指出低云量对Epan有重要的影响。由于在不同的研究中使用的气象因子个数有差异,因此,结论不完全一致,柳春等[7]认为黄河流域Epan减少是由风速减小所致,本文研究也得出风速是影响黄土高原地区Epan变化的主要气象因子,但各区域存在一定差异性,在不同区域,不能时间段,主导Epan的气象因子不同,四季中风速主要在春、秋季对Epan影响显著。Yang 等[39]指出中国地表风速2014年以后出现了增强的趋势,但是区域差异明显,本文与之对应的华北西部、华北区域风速依然表现出减小趋势(表3),但Epan在2000年后呈增加的趋势,由此可见,Epan的变化还受日照时数变化与水汽压等其他影响因子的控制。对于黄土高原地区这一气候过渡地带,其变化机制复杂,未来研究中除综合考虑本研究所列气象因子外,还应考虑太阳辐射、云量、下垫面性质等多因素对蒸发皿蒸发的影响。

4 结论

(1)近59 a 黄土高原地区Epan变化时空差异显著,1960—2018年黄土高原地区Epan呈减少趋势,气候倾向率为-6 mm·(10a)-1,与全国及黄河流域的Epan变化趋势一致,但减幅较大。黄土高原地区Epan存在1974 和1996 年前后2 个转折点;有3 个明显的变化阶段,1975年之前呈微弱增加趋势[11 mm·(10a)-1],1975—1996 年呈减少趋势[-60 mm·(10a)-1],1997年之后Epan呈增加趋势[30 mm·(10a)-1]。

(2)空间上,1960—2018 年黄土高原地区54%的站点呈减少趋势,陇东、陇中黄土高原、河套地区和鄂尔多斯高原呈微弱增加趋势,气候倾向率分别为17 mm·(10a)-1、13 mm·(10a)-1、3 mm·(10a)-1、18 mm·(10a)-1;关中平原、山西黄土高原呈减少趋势,气候倾向率分别为-22 mm·(10a)-1、-8 mm·(10a)-1。

(3)风速、日照时数、水汽压是依次影响黄土高原地区Epan变化的主要气象因子。1960—2018年黄土高原地区平均风速减小[-0.05 m·s-1·(10a)-1]、日照时数减少[-41 h·(10a)-1]、水汽压升高[0.04 hPa·(10a)-1]是蒸发皿蒸发呈减少趋势的主要原因;春季、秋季Epan变化动力因子起主要作用,夏、冬季变化分别是水分因子、热力因子起主导作用。

猜你喜欢
日照时数风速气象
气象树
荆州市荆州区近40年日照资源特征分析
中国气象“风云”
1976—2015年水城县日照时数时空变化特征分析
2006—2016年平凉市风速变化特征分析
原州区近30年风的气候变化特征分析
文章有象
1963—2016年久治地区日照时数变化特征分析
1961—2015年杂多县日照时数变化特征分析
风速概率分布对风电齿轮