“蒸发悖论”在秦岭南北地区的探讨

2013-12-19刘思洁穆兴民刘焱序

生态学报 2013年3期

蒋冲，王飞，2，* ，刘思洁，穆兴民，2，李锐，2，刘焱序

(1.西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100;3.北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京 100871;4.陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062)

潜在蒸散量(ET0)是指在一定气象条件下水分供应不受限制时，某一固定下垫面土壤蒸发量和植物蒸腾量的总和，它是实际蒸散量的理论上限，也是计算实际蒸散量的基础，又被称之为参考作物蒸散量［1-4］。由于蒸散过程本身消耗大量能量并且将大量水汽源源不断的输送到大气，因此蒸散在全球水循环和能量平衡中占有非常重要的地位，并且已经被广泛应用于水资源利用和评价、生态环境恶化、农田灌溉用水和地表旱情监测等研究中［1］。近年来，国内外学者对于 ET0的估算方法［2-4］、时空变化［1，5-20］及其影响因素［1，5-20］进行了广泛而深入的讨论。全球变暖已经成为不争的事实，地球表面在过去50a间的升温速率为0.13℃/10a［21-22］。研究普遍认为温度升高会影响大气中的水汽含量和大气环流，加速近地表空气中水汽分子运动速度，因此在气候变化的研究中也通常会得出ET0随温度而增加的结论。尽管近50年全球温度普遍上升，但众多研究表明不论是ET0(计算值)还是蒸发皿蒸发量(实测值)都表现出下降趋势［1，5-20］。Roderick等［23］将全球气温上升而ET0减少的水文气象现象称之为“蒸发悖论”，目前“蒸发悖论”问题已经成为ET0研究中的热点问题［1］，中国的大部分地区也都发现了“蒸发悖论”现象［5-20］。众多学者对实测蒸发皿蒸发量资料和根据Penman-Monteith公式计算得到的 ET0进行了分析，在全国尺度［5-7］、干旱半干旱地区［8］、西北地区［9］、黑河流域［10］、黄河流域［11］、渭河流域［12］、汉江流域［13］、海河流域［14］、黄土高原［15］、青藏高原［16］、松嫩平原［17］等地均得出了蒸发皿蒸发量或ET0呈下降趋势的结论。此外，部分学者注意到了与ET0变化密切相关的气象要素的变化(风速减慢、太阳辐射减少等［5-20］)和人类活动(农业灌溉［6，18］、下垫面变化［5，9-11］等)的影响。关于“蒸发悖论”的机理目前尚无定论，McVicar［1］等人认为美国、俄罗斯和印度等地区ET0减小归因于北半球相对湿度的增加及辐射减少;Roderick［23］等人则认为澳洲和新西兰地区ET0减小是由于南半球云量和气溶胶浓度的增加。对ET0下降的原因归纳起来包括:云量和气溶胶等污染物的增加引起的太阳辐射下降［5-20］;空气湿度的增加导致的水汽压差减小［5-6，16］;夏季风变化引起的风速下降等［5-20］。但从全球范围来看，云量或气溶胶增加引起的辐射量下降是 ET0下降的主要原因［1］。

秦岭横亘于中国中部地区，植被类型和气候条件具有明显的南北过渡特点，本区还是南水北调中线工程的水源地，在地理学、生态学、水土保持和水文学等相关学科的研究中具有极其重要的地位。以往对于这一地区的研究大多局限于植被景观类型、旅游资源开发和生态环境保护等［24］，对于气候变化的研究较少［25-26］，少数关于气温、降水等单一要素的分析也局限于陕西境内的关中陕南地区，研究的代表性、覆盖面和时效性明显不足。关于秦岭南北及其周边地区水资源特别是ET0的研究更多的是以流域为单位，即秦岭以北的渭河流域(黄河一级支流)［11-12，15，20］和汉江流域(长江一级支流)［13］。但这些研究更多的是以流域水资源为出发点，并没有关注重要地理界线南北ET0的空间分布差异，也没有对不同地理单元以及不同时间尺度(年和季节尺度)是否存在“蒸发悖论”现象及其时空差异进行讨论。虽然目前对于“蒸发悖论”的研究重点已经由单纯分析现象转向了其形成原因的探讨，但是从区域尺度上揭示ET0的时空变化和“蒸发悖论”是否存在及其细节特征对于秦岭南北水资源管理、水利工程设计以及气候变化研究仍具有重要意义。本文利用1960—2011年逐日气象资料，采用目前普遍使用的Penman-Monteith模型计算ET0，试图通过对比分析过去52a间ET0和气温、降水量的变化趋势，探究秦岭南北是否存在“蒸发悖论”现象及其时空差异。

1 研究区概况

秦岭南北包括4个地理单元(图1［26］)，一是秦岭北坡及其以北的暖温带地区(以下简称“秦岭以北”);二是秦岭南坡，包括伏牛山及其以东平原(因大部分区域属秦岭南坡山地，下简称“秦岭南坡”);三是秦岭以南的汉水谷地、巴山、涢水谷地及淮河上游北亚热带地区(因大部分区域属汉水流域，下简称“汉水流域”);四是巴山南麓、巫山谷地及江汉平原西北部(下简称“巴巫谷地”)［26］。该区地处暖温带与北亚热带过渡区，是中国气候上的南北分界线。年均气温12—17℃，≥10℃的年积温为3700—4900℃，年均降水量600—1200mm，降水变率大，季节分配不均匀，无霜期200—250d［24-26］。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文使用的是国家气象中心整编的秦岭南北47个气象站1960—2011年的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、日照时数和平均风速等观测资料，分别计算出各站的ET0，按照3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—次年2月为冬季的原则统计出季节ET0。需要说明的是，日照时数是记录某一地区一天内接受太阳辐射强度大于或等于120 W m－2的时间长度，在我国由于日照时数比太阳辐射的观测历史更长，因此在研究太阳辐射的演变趋势及成因分析中被普遍用作其替代指标。

2.2 研究方法

2.2.1 Penman-Monteith 公式

采用世界粮农组织(FAO)1998年修正的Penman-Monteith公式［2-4］计算ET0，研究表明Penman-Monteith公式计算的ET0在不同的气候条件下都与实测值非常接近［2-6，9-12］。

图1 研究区范围及气象观测站点分布［26］Fig.1 Location ofthestudy area and distribution of meteorological stations［26］

式中，ET0为潜在蒸散量(mm/d);Rn为地表净辐射(MJ·m－2·d－1);G为土壤热通量(MJ·m－2·d－1);T为2m高处日平均气温(℃);u2为2m高处风速(ms－1);es为饱和水气压(kPa);ea为实际水汽(kPa);Δ为饱和水气压曲线斜率(kPa/℃);γ为干湿表常数(kPa/℃)。我国观测气温、湿度的气象仪器高度一般为1.5m左右，风速感应器(风杯中心)距地高度10—12m。由于1.5m和2m高处的气温、湿度相差不大，在本研究中将1.5m和2m高处的气温、湿度差别忽略不计，以常规1.5m处的气温、湿度记录近似代替2m处的气温、湿度值，并利用公式(2)订正到2m高处的风速:

式中，μ2为2 m高处的风速(m/s);μz为Z m高处测量的风速(m/s);Z为风速计距地面高度(m)。

2.2.2 Pettitt突变点检验

Pettitt变点检测方法由Pettitt提出，基于非参数检测一个序列的变点，计算较简便，可以明确变化的时间，能够较好地识别序列分布的突变点，在变点检测方法中应用较多且物理意义明确［27］，具体算法参见文献［27］。

3 结果与分析

3.1 气温和ET0的时空变化及年际“蒸发悖论”现象

秦岭南北不同地区气温变化步调基本一致，由累积距平曲线(图2)可知1993年是气温变化的转折点，经Pettitt突变检测1993年也是气温突变点，1993年以前起伏较大，整体上表现出下降趋势，1994年起快速上升。1960—1993年，64%(30个)的站点气温微弱下降，各区气温下降的站点所占比例排序为巴巫谷地(80%)＞汉水流域(71%)＞秦岭以北(57%)＞秦岭南坡(44%)，降温速率排序为汉水流域(－0.08℃/10a)=巴巫谷地(－0.08℃ /10a)＞秦岭南坡(－0.06℃/10a)＞秦岭南北(－0.05℃ /10a)＞秦岭以北(－0.01℃ /10a)。秦岭以南地区气温下降的站点所占比例和速率均高于秦岭以北，因此这一地区降温趋势更为明显。1994—2011年83%(39个)的站点气温上升，升温的站点所占比例排序为秦岭以北(86%)=汉水流域(86%)＞巴巫谷地(80%)＞秦岭南坡(78%)，升温速率排序为巴巫谷地(0.13℃/10a)＞秦岭南北(0.07℃/10a)＞汉水流域(0.05℃/10a)＞秦岭南坡(0.02℃/10a)＞秦岭以北(0.01℃/10a)。1960—2011年秦岭南北所有站点呈升温趋势，升温速率排序依次为秦岭以北(0.25℃/10a)＞秦岭南北(0.18℃/10a)＞秦岭南坡(0.17℃/10a)＞汉水流域(0.16℃/10a)＞巴巫谷地(0.14℃/10a)，其升温趋势均通过了0.01水平的显著性检验。

图2 年平均气温和ET0累积距平Fig.2 Curves of accumulative anomalies of annual average temperature and ET0

ET0的变化分为3个阶段，由累积距平曲线(图2)和突变检验可知1979年既是转折点也是突变点，1993年未通过99%的突变显著性检验，因此只是转折点而非突变点，并分别以1979年和1993年为分界点划分为1960—1979、1980—1993和1994—2011共3个不同的时段进行分析(表1)。1979年以前ET0整体上表现出增加趋势(0.4mm/10a)，1980—1993 年大幅减少(－18.6mm/10a)，1994—2011 年微弱减少(－2.6mm/10a)。1960—1979年间各子区变化趋势不一，巴巫谷地(7.0mm/10a)和秦岭以北(5.2mm/10a)增加，而秦岭南坡(－7.1mm/10a)和汉水流域(－3.7mm/10a)减少，其中秦岭以北和秦岭南坡ET0与同一时期气温变化趋势相同，而汉水流域和巴巫谷地则相反，表现出“蒸发悖论”现象;1980—1993年81%(38个)的站点ET0减少，各子区减少速率排序为秦岭以北(－33.0mm/10a)＞汉水流域(－20.2mm/10a)＞秦岭南坡(－14.2mm/10a)＞巴巫谷地(－6.8mm/10a)，全部存在“蒸发悖论”现象;1994—2011年秦岭南北气温大幅上升，而ET0则减少，各区下降速率排序依次为秦岭南坡(－63.1mm/10a)＞秦岭南北(－26.5mm/10a)＞汉水流域(－23.6mm/10a)＞秦岭以北(－16.8mm/10a)＞巴巫谷地(－2.4mm/10a)。另外，由于前人众多研究是将过去50年整体作为研究对象，本文为了方便与之对比，也将1980—2011和1960—2011两个时间段单独整理分析。1980—2011年研究区整体和各个子区ET0与气温呈同向变化趋势，而1960—2011年则与之相反，发现了明显的“蒸发悖论”现象。除了时间变化趋势之外，研究“蒸发悖论”的空间分布特征也很有必要，限于篇幅问题本文只列举1960—2011年间气温和ET0变化的空间分布(图3)。存在“蒸发悖论”现象的站点比例高达85%(40个)，两者呈同向变化趋势的站点零星分布于各个子区，且升温趋势均不显著。

表1 不同时段ET0和气温变化趋势Table 1 Change trend of ET0and temperature in different periods

图3 年平均气温(a)与ET0(b)变化趋势的空间分布Fig.3 Spatial distribution of annual average temperature(a)and ET0(b)change trend

3.2 “蒸发悖论”的季节分布

为了进一步分析季节尺度上气温和ET0变化的差异，以1979和1993年为分界点，分别计算各子区不同时段气温和ET0的均值、气候倾向率及其显著性检验值(表2)。1960—2011年，研究区整体除夏季不显著降温(－0.02℃/10a)外，其它3个季节均呈升温趋势，按增温速率大小排序为春季(0.26℃/10a)＞冬季(0.22℃/10a)＞秋季(0.20℃/10a)，各子区的变化规律与研究区整体基本一致。ET0方面，除春季(2.3mm/10a)呈增加趋势外，其余3个季节均减少，按递减速率大小排序为夏季(－11.1mm/10a)＞冬季(－1.1mm/10a)＞秋季(－0.6mm/10a)，以上分析表明各季节“蒸发悖论”现象的规律存在差异。

分别对比1960—1979、1980—1993和1994—2011年3个时段内温度和ET0的变化趋势(表2)。春季，研究区整体和各子区在不同时段的气温和ET0的气候倾向率均表现出同向变化趋势，前20年(1960—1979)呈微弱升温趋势，中间14a(1980—1993)显著降温，而后17a(1994—2011)增加幅度明显大于前20a，两个时段平均值相差0.4℃。ET0也经历了“升—降—升”的变化过程，后17a(1994—2011)增加幅度明显大于前

20a，两个时段平均值相差9.8mm。由图4(a，b)可知，1960—2011年研究区47个站点中只有32%(15个)的站点气温和ET0存在相反的变化趋势，即存在“蒸发悖论”现象，各个子区表现出的变化规律与研究区整体基本一致;夏季，研究区整体在前20a呈现出不显著的降温趋势，中间14a微弱升温，而后32a又微弱降温。ET0与气温基本呈同向变化趋势，经历了“降—升—降”的变化过程，区域整体未发现“蒸发悖论”现象。但研究区有36%(17个)站点存在“蒸发悖论”现象，空间分布无明显规律［如图4(c，d)］;秋季，前20a和中间14a气温和ET0均表现出上升趋势，但均未达到0.05以上的显著水平，后17a气温继续上升，但增温速率明显快于前34a，与气温形成对比的是ET0在后17a呈现出下降趋势。52a整体气温表现出0.05显著水平上升趋势，而ET0不显著下降，也呈现出“蒸发悖论”现象。空间分布上［图4(e，f)］，57%(27个)的站点存在“蒸发悖论”现象，均匀分布于整个区域;冬季，研究区整体和各子区气温经历了“升—升—降”的变化过程，中间14a的增温速率要明显快于前20a，两时段平均值相差0.3℃，而这2个时段的ET0则保持下降趋势，近52a整体以亦是如此，即表现出“蒸发悖论”现象。由图4(g，h)可知，64%(30个)的站点存在“蒸发悖论”现象。

表2 不同时段季节平均气温和ET0变化趋势Table 2 Change trend of seasonal average temperature and ET0in different periods

图4 季节平均气温和ET0变化趋势空间分布Fig.4 Spatial distribution of seasonal average temperature and ET0change trend

3.3 ET0与降水的关系

降水与蒸发是水文循环中的两个重要环节，根据Budyko假设，在能量条件不变时，随降水的增加，ET0将有所下降。秦岭南北大部分地区雨热同期，高温与降水集中于夏秋季节，降水的多寡影响ET0，因此有必要就降水与ET0之间的关系进行分析。由于研究区域地形较为复杂，高大山脉阻隔作用明显，大气环流和季风环流影响复杂，降水的季节分配极不均匀，表现出冬春少，夏秋多的特征。因此，本文主要分析降水年际和夏秋两季变化，最后对降水和ET0之间的变化趋势进行分析。1993年是降水变化的突变点，1960—1993年间70%以上的站点降水减少，1994—2011年70%以上站点的降水增多。近52年来，部分地区降水表现出不显著的下降趋势，且区域特征明显(图5)。年尺度上，降水与ET0变化呈相反变化趋势的站点占53%(25个)，夏季为79%(37个)，秋季则达到45%(21个)，相较于年尺度，夏季降水与ET0逆向变化趋势更为明显。

图5 年度和夏秋两季降水和ET0变化趋势的空间分布Fig.5 Spatial distribution of precipitation and ET0change trend in summer and autumn

3.4 “蒸发悖论”原因分析

如前文所述，秦岭南北地区存在“蒸发悖论”现象，这与国内外同类研究［1-20］的结论基本一致。但影响ET0变化的气象因子有很多，包括动力学因素(风速)、热力学因素(平均气温、最高气温和最低气温)和水汽条件(相对湿度)等，上述各因子之间相互影响，其间互作机理复杂，单一因子的变化以及多因素的综合作用都可能导致ET0发生变化，因此很有必要对这一地区ET0下降的内在原因进行研究。选取平均气压(P)、最高温度(Tmax)、最低温度(Tmin)、日照时数(H)、相对湿度(RH)和平均风速(V)6个气象要素，通过相关分析和回归分析来研究各气象要素对ET0的影响，分析结果见表3。

从各站ET0和气象要素的相关系数来看，ET0与日照时数、平均气温、最高气温、最低气温和平均风速呈正相关关系，而与平均气压和相对湿度负相关。日照延长、温度升高和风速增加都会导致ET0增加，而气压和湿度的上升则会对ET0的上升起到负向作用。在各个要素中，除最低气温以外其它要素与ET0的相关关系均达到了0.05以上的显著水平，秦岭南北整体按各要素影响大小排序依次为日照时数＞平均风速＞最高气温＞相对湿度＞平均气温＞平均气压＞最低气温。其中，ET0与日照时数的相关关系最好，变化范围介于0.507—0.914，均通过了0.01水平的显著性检验。年尺度上，通过ET0与各气象因子的相关分析和多元回归分析比对发现，日照时数的变化是影响秦岭南北地区ET0变化的主导因素，其贡献率普遍高于60%，因此太阳辐射(日照时数)的减少是造成ET0下降即“蒸发悖论”现象的主要原因。但是从季节尺度上看，导致ET0下降的主导因子并不相同。春季，风速为主导因子，其次为相对湿度;夏季，日照时数为主导因子，其次为风速和相对湿度;秋季，日照时数仍然为主导因子，风速为次要因子;冬季，日照时数起主要作用，其次为气温。总体上看，各个气象要素对ET0的影响程度不同，日照、风速、湿度和气温是主要因素，而气压和最低气温起到的作用相对较小。

表3 典型站点ET0与气象要素的相关系数及主次排序Table 3 Correlation coefficient and sequence of the main influencing factors between annual ET0and each climate factor at the typical stations

由有上述分析可知，年和季节 ET0的主要影响因素为日照时数和风速，因此这一部分对这两个要素进行详细分析。据计算，近52年秦岭南北89%的站点日照时数呈下降趋势，且部分站点达到0.05及以上的显著水平。下降站点所占比例排序为巴巫谷地(100%)＞汉水流域(93%)＞秦岭以北(84%)＞秦岭南坡(78%)，秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北而言下降更明显。季节尺度，按下降站点所占比例排序依次为夏季(98%)＞冬季(94%)＞秋季(77%)＞春季(53%)。另外，研究区整体和各子区日照时数的突变年份均位于1979年前后，与3.1部分分析得出的ET0的突变时间基本一致，也从侧面印证了日照时数为ET0主导因素的结论。太阳辐射作为地球上所有生命过程的初级能量来源，深刻影响着大气、水循环以及生态系统。自20世纪50年代以来，世界大部分地区太阳辐射出现下降趋势，即全球变化研究热点之一的“全球变暗”现象，到达地表的太阳辐射减少会削减蒸发所需的潜热通量，减缓地表水循环过程，目前这一效应也被广泛用来解释在“全球变暖”的背景下出现的蒸发皿蒸发量和ET0的下降趋势。风速方面，各区风速减小速率排序为秦岭南坡(－0.13 m·s－1·10a－1)＞秦岭以北(－0.11 m·s－1·10a－1)＞秦岭南北(－0.10 m·s－1·10a－1)＞巴巫谷地(－0.09 m·s－1·10a－1)＞汉水流域(－0.06 m·s－1·10a－1)，减小趋势均达到了0.001以上的显著水平，下降的站点所占比例排序为秦岭南坡(100%)＞秦岭以北(86%)＞汉水流域(69%)＞巴巫谷地(64%)。季节尺度上，风速减小速率排序为冬季(－0.11m·s－1·10a－1)＞春季(－0.10m·s－1·10a－1)＞秋季(－0.09m·s－1·10a－1)＞夏季(－0.07m·s－1·10a－1)，下降的站点所占比例排序为冬季(83%)＞春季(77%)＞秋季(76%)＞夏季(70%)。年和季节尺度风速的突变集中出现在1969—1974、1978—1981和1990—1994年间，秦岭南北整体于1981年突变，这一时间点与ET0的突变时间也较为接近。由上述分析可知，秦岭南北ET0的变化趋势和“蒸发悖论”的空间分布规律与风速和日照时数并不完全一致，这主要是因为ET0变化是包括风速、日照辐射和气温在内的多种气象要素综合作用的结果，而其中某一主导因素的变化又起到了关键性的作用，其它因子则因其与ET0关系的紧密程度和其本身变化趋势起到增加或抵消趋势的作用。另外，研究区整体和各子区气温和降水的突变时间也都位于1993年，与ET0发生转折(非突变)的时间相一致，二者的共同作用也导致ET0于1993年前后发生转变。

4 结论

(1)秦岭南北地区年均气温呈两段式变化特点，1993年是突变点，此前缓慢下降，1994年起快速升温。1960—1993年的降温速率和1994—2011年的升温速率均表现出由南向北递减的规律，1960—2011年整体升温速率由北向南递减。

(2)1979年和1993年是秦岭南北ET0变化的转折点，以1979和1993为分界点ET0经历了“升—降—降”的变化阶段。1960—1979年仅汉水流域和巴巫谷地存在“蒸发悖论”现象，1980—1993、1994—2011和1960—2011年3个时段区域整体和各子区均发现了“蒸发悖论”现象，而其他时段则不存在。

(3)春季和夏季秦岭南北和各子区整体在不同时段均未发现“蒸发悖论”现象，秋季在后18a和52a整体都存在“蒸发悖论”，冬季在前34a和52a整体也存在，冬季的悖论现象最为明显。

(4)1993年是降水变化的突变点，呈现由减少到增多的转变，近52a整体降水表现出不显著的下降趋势。年尺度上，降水与ET0变化呈相反趋势的站点占53%，夏季和秋季分别为79%和45%。

(5)各要素对ET0的影响大小排序为日照时数＞平均风速＞最高气温＞相对湿度＞平均气温＞平均气压＞最低气温。年尺度上，太阳辐射(日照时数)下降引起的潜热通量减少是造成ET0下降即“蒸发悖论”现象的主要原因。季节尺度上，除春季ET0的主导因素为风速外，其它季节均为太阳辐射(日照时数)。

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