嘉陵江流域参考蒸散的年际变化趋势及成因分析

吕明权, 张 磊, 吴胜军

(1.中国科学院 重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714; 2.重庆渝佳环境影响评价有限公司, 重庆 400042)

全球陆地表面多年平均蒸散量约占降水量的58%～65%，相应的陆地表面平均潜热通量(λE)约是净辐射通量的51%～58%，这表明蒸散是联系水循环和能量循环的关键环节[1]。蒸散是确定作物需水量估计[2-3]、农田灌溉[4]、生态过程分析[5]、干旱评估[6-8]的基础，不仅如此，蒸散影响地面热量和水分状况，进而决定着地表生态环境的形成和演变[9]。因此，陆面蒸散发的研究一直是国内外地学水文学的焦点问题之一。由于土地—植被—大气系统组分的复杂相互作用，导致蒸散发可能是所有水文循环组成中最难估算的一个部分。参考蒸散(ET0),它表示在一定气象条件下水分供应不受限制时，某一固定下垫面可能达到的最大蒸发蒸腾量，是非常理想的陆面蒸散发能力的表征指标，在学术界已经发展了较为成熟的计算方法，因此，有关参考蒸散的研究非常广泛。

过去50 a，地球表面的温度平均每10 a上升0.13[10]，全球变暖已经成为不争的事实。人们普遍认为全球变暖可能会使大气变干，在预测气候变化和水文模拟时，一般都会得出蒸发增加的结论。但是，在2000年前，全球很多区域发现蒸发皿蒸发或ET0是随着温度的增加呈现减少趋势[11]。全球气温上升而蒸发(参考蒸散)减少的水文气象现象称之为“蒸发悖论”[12-13]，目前“蒸发悖论”问题已经成为蒸发及蒸散研究中的热点问题。在中国的黄河流域[14-15]、海河流域[16-17]、长江流域[18-19]、青藏高原[20-21]的蒸发或蒸散有“蒸发悖论”现象。“蒸发悖论”现象的解释主要是其他气象要素的变化引起蒸发的减小量抵消了由于温度升高引起蒸散的增加量，因此导致蒸散随着温度增加而减小的现象[22-23]。有研究发现，引起蒸散减小的气象要素主要是风速[24]和太阳辐射(全球变暗)[25]。由于气候变化的效应和蒸散本身变化的波动周期性，随着气象数据序列的增加，蒸散由减少趋势开始向增加趋势的转变现象发生[26-28]。在中国，这种趋势转变和太阳辐射增加(由全球变暗向全球变亮)，变暖趋势增强有关联[22]。

嘉陵江流域是长江流域的主要组成部分，有关长江流域的蒸散研究较多[18-19,29-31]，如XU等[18]用截至2000年的数据分析认为长江流域整体ET0变化趋势减小，主要原因是太阳辐射和风速的减少。但这些研究注重整体，对子流域关注较少，子流域的ET0变化规律是否和长江流域的变化趋势一致我们还不得而知，流域是否有“蒸发悖论”现象？参考蒸散变化驱动要素是什么，引起参考蒸散变化主导因子是什么，这些问题我们依然不清楚。本文利用长江流域的子流域嘉陵江流域为研究对象，本文利用嘉陵江流域及附近的30个气象站1960—2013年的逐日观测气象资料计算参考蒸散量，分析流域参考蒸散的年际变化，使用偏导系数法量化参考蒸散变化的因子贡献，以期回答上述问题。希望结果可以理解该区域的蒸散变化规律，为该区域的水文循环研究提供借鉴。

1 研究方法

1.1 参考作物蒸散量(ET0)

本文采用联合国粮农组织(FAO)1998年修订的Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量ET0，FAO将参考作物蒸散量(ET0)定义为一假想的参照作物冠层的蒸散速率，即假设作物高度为0.12 m、叶片阻力为70 s/m，反射率为0.23时，表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面、水分供应充分的绿色草地的蒸散量，该模型综合了空气动力学的湍流传输与能量平衡，并在世界各国得到了广泛应用，其计算公式为：

式中：ET0为参考作物蒸散量(mm/d)；Δ为饱和水汽压—温度曲线斜率(kPa/℃)；Rn为作物表面的净辐射(MJ/(m2·d))；G为土壤热通量(MJ/(m2·d))，当计算的时间尺度长于半个月时，可忽略为0；T为空气平均温度(℃)；γ为干湿表常数(kPa/℃)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；es-ea表示水汽压亏缺；U2为2 m处的风速(m/s)，我国气象站记录的风速是10 m的风速，根据公式转化。

式中：Rns为净短波辐射；Rnl为净长波辐射；Rl为晴天辐射；MJ/m2；as为云遮盖下(n=0)大气外界辐射到达地面的分量；bs为晴天(n=N)大气外界辐射到达地面的分量，as和bs的系数根据参考文献[32]确定；α为地表反射度，取值0.23。σ为Stefan-Boltzmann常数(4.903×10～9 MJ/(K4·m2·d)；Tmax,K和Tmin,K分别为绝对温标的最高、最低温度(K)；n为实际日照时数(h)；N为可照时数(h)。

1.2 参考作物蒸散量变化的因子贡献分析

根据ET0的定义，ET0是固定下跌面和供水条件只受太阳辐射、气温、风速等气象条件影响的变量，因此要寻找参考蒸散量变化原因可先寻找这些气象要素怎么影响参考蒸散量。敏感性分析尽管能够定量反映ET0变化对气象因子变化的响应，但并不能完全确定各气候因子变化对于ET0变化的实际贡献水平[33-35]，因为ET0的变化不仅受其气候敏感性的影响，同时还与各气候因子的变化程度有关。Roderick[36]和Donohue[37]通过计算各气象因子的年变化速率和偏导数成功确定各因子对蒸发变化的影响大小，该方法也应用在其他区域都取得不错的效果[38-39]。

本研究主要考虑温度、太阳辐射、风速和实际水汽压四项气象要素对ET0的变化率的贡献，考虑到还要其他因素对ET0的变化有影响，因此，ET0的变化率有如下的等式：

将温度、太阳辐射、风速和实际水汽压四项气象要素对ET0变化的贡献度求和：

C(ET0)=C(Ta)+C(U)+C(Rn)+C(ea)

1.3 统计分析方法

本文用两种方法来确定ET0及各气象要素的趋势大小：一是线性回归法；二是Sen趋势估计法。流域的整体变化趋势用线性回归法确定，各气象站点的变化趋势用Sen趋势估计确定。非参数化Sen方法可通过Mann-Kendall 统计检验方法对变化趋势及显著性水平进行检测，M-K统计检验方法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，具有检验范围宽、定量化程度高、人为性小等优点，因而被广泛用于水文和气象要素的趋势检验研究。Sen[40]估计值：

本文用3种方法确定ET0变化序列的突变点，分别是滑动T检验法(MTT)、Pettitt法和累积距平法(CUSUM)。

本文用反距离加权法(IDW)对ET0的变化率和各个因子的贡献值进行空间插值，IDW在气象要素空间化表达中已被多次的应用[29，41-42]。

2 研究区域与数据来源

2.1 研究区域

嘉陵江流域位于东经102°33′—109°00′，北纬29°40′—34°30′，流域面积16万km2，全长1 280 km，是长江北岸主要支流之一，也是三峡水库集水面积最大的一级支流。东北以秦岭、大巴山与汉水为界，东南以华蓥山与长江相隔，西北有龙门山与岷江接壤，西及西南有一低矮的分水岭与沱江毗连。嘉陵江流域为亚热带季风气候，降雨季节分配极不均匀，夏秋多雨，冬春少雨，5—9月雨量占全年雨量的70%～90%。流域位于亚热带范围内，平均气温16～18℃。冬春受西北风带环流、内陆气流影响而少雨，夏秋受副热带南方海洋暖湿气流影响而多雨。在中下段的盆地地区，冬季温暖多雾，霜雪少见，上游山区则冬季寒冷，霜雪较多。流域内年均气温10℃左右，降水量在1 000 mm以上，其中50%的年降水量集中在7—9月。

2.2 数据来源

参考蒸散计算需要逐日平均气温(℃)，最高气温(℃)、最低气温(℃)，10 m高处风速(m/s)，日照时数(h)和相对湿度(%)等气象数据，逐日常规气象资料来自于中国气象局国家气象信息中心(http:∥www.nmic.gov.cn/)。嘉陵江流域内共有13个气象站，流域北部区域气象站分布稀少，而一些气象站离嘉陵江流域非常近，流域周围气象站17个，为了使蒸散的变化格局进行空间化表达，将周围17个站的计算结果纳入空间插值分析中。将气象站分布稀少区域周围7个气象站纳入嘉陵江流域蒸散变化的站点统计分析，嘉陵江流域蒸散的站点考虑的气象站共计20个(图1)。由于不同气象观测站点数据时间年份的差异，统一将研究时间确定为1960—2013年，缺测数据用前后5 d的数据均值代替。

图1 嘉陵江流域地形及气象站分布

3 结果与分析

3.1 蒸散的年际变化趋势分析

嘉陵江流域的参考蒸散的变化的总体趋势微弱减小(图2)，减小趋势是0.44 mm/a。嘉陵江流域的参考蒸散的整体减小趋势和长江流域1961—2011年间ET0的变化趋势一致(年际变化倾向率为-0.34 mm/a)[29]。虽流域ET0微弱减小，但是ET0的年际变化较为剧烈，在1980年之前，ET0较为平稳，这20 a间ET0呈微弱增加趋势(0.08 mm/a)，主要稳定在720 mm附近。1980年以后，流域平均ET0突然减小，1981—2000年间流域平均ET0是680 mm，2000年以后，流域平均的ET0增加到720 mm附近。1980—2013年ET0的增加趋势特别明显，整个流域平均ET0在1960—2013年间经历了高—低—高的3个变化阶段。

图2 1960-2013年嘉陵江流域ET0变化过程

本文用3种方法检测流域的ET0变化是否存在突变过程(表1)。MTT方法检测到的突变点是1981年，Pettitt方法检测结果也是1981年，除此以外，还检测到2000年是突变点，但是不显著，用CUSUM检测到两个点(1980年和2001年)。不同的方法对比看出，在1981年和2000年附近均检测到了突变，结合前文的分析，本文将1981年确定为突变点，在1981年前后ET0的变化趋势发生了变化。这个突变点发生在流域ET0由高到低处。该结果和整个长江流域的突变点较为一致[29]。

根据ET0变化的突变特征，以1981年作为分界点，将研究时段(1960—2013年)分为前后两部分，即1954—1981年，1982—2013年。用M-K统计方法检验每个气象站参考蒸散量的变化趋势，结果如图3所示。

表1 3种方法判断ET0变化的突变点

1960—2013年，流域ET0的整体趋势减小，减小的趋势是0.44 mm/a。流域ET0减小的区域比增加的面积大，ET0呈现增加趋势的区域主要分布在嘉陵江流域的西北部。有13个气象站(占20个气象站的65%)的ET0减小，岷县、武都和绵阳站ET0呈显著增加(p<0.05)(图3)。

1960—1981年，流域ET0均值总体趋势呈微弱增加趋势，增加速度是0.08 mm/a。按气象站统计，整个流域有11个气象站(占20个气象站的55%)的参考蒸散量呈现减小趋势，减小幅度在-0.11 mm/a (巴中)到-3.54 mm/a (遂宁)，其中3个站点(松潘、遂宁和合川站)的减小趋势显著(p<0.05)。在流域内部有9个气象站的参考蒸散量呈增加趋势，增加幅度在0.57 mm/a (宁强)到3.67 mm/a (万源)之间，万源和阆中站的ET0呈显著增加。从增加减小的空间分布来看，ET0增加的区域主要在中部和北部，在南部区域ET0呈减小趋势，且ET0趋势呈增加的区域面积比减小的区域面积大(图3)。

1982—2013年，参考蒸散量的变化趋势和前一个研究时段比明显不同，增加斜率是2.62 mm/a。从增减的空间格局来看，ET0减小的区域明显减少，只分布在阆中、松潘和大足站附近小块区域(图3)。除大足、松潘和阆中站以外，流域内的其他17个气象站的ET0均增加，其中13个站的增加趋势通过了显著性检验(p>0.05)，武都站的增加斜率最高达7.06 mm/a。

3.2 “蒸发悖论”的规律分析

过去54 a间，嘉陵江流域气温平均每10 a上升了0.1℃(图4)，流域20个气象站中有19个(95%)呈上升趋势，其中有15个气象站通过p<0.05的置信度检验，变暖趋势明显，从气温变化的空间分布来看只有巴中站附近区域呈减小趋势(图3)。变暖过程中，前21 a气温并没有增加，整个流域气温平均每10 a以0.05℃的速率减小，有7个站的气温呈增加趋势，其余13个站的气温减小，减小的区域主要分布在流域的中南部(图3)；后33 a气温增幅明显(以每10 a增加0.52 ℃的速率)，只有巴中站附近区域的气温减小，其他区域的气温明显上升，14个站的气温均呈显著增加(图3)。

图3 嘉陵江流域ET0及温度的变化

图4 嘉陵江流域1960-2013年ET0和温度变化

如果简单的对比流域的蒸散平均值的变化(-4.35 mm/10 a)和温度的年际变化(0.1℃/10 a)，流域存在“蒸发悖论”现象。但是，局部区域和与全流域整体形式并不完全同步(图3)。将各气象站的温度和蒸散年际变化插值，对比温度和蒸散的变化趋势从而更为精确分析“蒸发悖论”现象。整个研究时段，共有13个气象站的蒸散减小，其中有12个气象站的温度上升，在这12个气象站上存在“蒸发悖论”现象；另外7个气象站的温度和ET0的变化方向同步，除了巴中站以外均呈上升趋势的，不存在“蒸发悖论”现象。从空间分布来看，“蒸发悖论”现象主要发生在流域的南部。

分时段研究，存在“蒸发悖论”现象的气象站和区域较少。1960—1981年，流域气温的总体趋势是减小的，在气温上升的气象站中，只有广元和麦基站的蒸散减小存在“蒸发悖论”现象，但是从空间分布来看蒸散减小的区域非常小。1981年后，气候变暖现象非常明显，19个气温明显上升的气象站中有3个站(松潘、大足和阆中)的ET0减小，这3个站存在“蒸发悖论”现象。巴中站的气温减小，但蒸散却显著增加。据以上分析可知，从1981年为分割点的前后研究时段，存在“蒸发悖论现象”的气象站和区域均较少，在1960—1981年，只在广元和麦基站附近存在该现象，其他区域观察不到该现象。而在后32 a，变暖趋势明显，只有3个站(松潘、大足和阆中)附近区域有“蒸发悖论”现象存在。

3.3 蒸散变化的归因分析

蒸散量受各种因素综合影响，主要有气温、风速、日照时数、相对湿度、饱和水汽压差等气象要素，由于影响潜在蒸发量变化的因素众多，不同因素之间也相互影响，所以潜在蒸发量的变化成因十分复杂。用偏导系数法将30个气象站的气温、风速、太阳辐射和实际水汽压对蒸散变化的影响计算出来，用IDW方法将计算结果插值(图5)，但在统计分析中只考虑流域的20个气象站。

图5 气象要素对ET0年际变化的贡献空间分布

图6 C(ET0)和ET0年际变化量的关系

从温度对对蒸散变化贡献的空间分布图看出(图5)，1960—1981年，在嘉陵江流域北部，温度对ET0年际变化贡献为正，在中部和南部温度贡献为负。从气象站来统计，有7个气象站的温度对ET0的变化呈正贡献，其中麦基站的温度对ET0的贡献高达6.08 mm/a，在其他的13个气象站上，温度使蒸散减小。1982—2013年，嘉陵江流域温度对ET0的影响较为一致，较之1960—1981时段，温度对流域蒸散的正贡献区域明显增加，除了巴中站(-1.52 mm/a)以外，其他19个气象站的温度均对ET0年际变化的贡献为正，贡献大小从0.71 mm/a到3.08 mm/a，表明在这个时段温度的上升对ET0的增加影响较大。

1960—1981年，风速对ET0贡献的影响空间分异较为明显(图5)，有11个站点区域的风速增加对ET0变化是正贡献，贡献大小从0.24 mm/a到3.37 mm/a，且这些站点主要分布在流域的北部，在流域南部风速减小使ET0减小。1982—2013年，风速呈现正贡献的站点增加到14个，其中巴中站因风速增加对ET0的贡献达8.75 mm/a，从风速对ET0的贡献大小分布来看，这个时段风速对ET0的年际变化呈负贡献的区域明显减小。

1960—1981年，9个气象站点由于太阳辐射减小对ET0的年际变化是负贡献，其贡献范围-0.31～-1.56 mm/a，1982—2013年，有10个站点因太阳辐射减少对ET0的年际变化是负贡献，从太阳辐射的空间分布图看出，正负贡献范围面积变化不大，但是空间格局从1960—1981年的南北格局变为1982—2013年的东西格局(图5)。

在1981年前，在流域有大部分区域因实际水汽压减小而使得ET0增加，负贡献的区域主要在流域的东部。1981年后，水汽压负贡献的区域明显扩大，正负贡献区分别分布在南北区域(图5)。

根据4个气象因子对ET0的贡献的大小，决定不同气象站上引起ET0变化的主导因子。1960—1981年，有12个气象站引起ET0变化的主要因素是风速的变化，有6个气象站引起ET0的变化的主要气象因子是太阳辐射的增加，其中3个站点位于流域中部，引起略阳和麦积站ET0变化的主导因子是温度的增加(图7)。从整个流域来看，控制这个时段变化的主导气象因子是风速，但是风速引起ET0变化的方向上不同，在流域南部的5气象站上风速使ET0减少。用2000年前的气象数据为基础的研究认为蒸散减少主要原因是风速和太阳辐射的减少，如XU等[19]研究认为长江流域蒸散减小的主要归因于风速和太阳辐射。嘉陵江流域的20个气象站中，有18个气象站的主导因素的确是风速和太阳辐射，但其中只有6个气象站的风速和太阳辐射使蒸散减少，其他12个气象站中这两气象要素使ET0增加的。1982—2013年，引起嘉陵江流域ET0增加的主导气象因子是温度，在20个气象站中，共有14个气象站的主导因子是温度的上升，麦积、镇巴、武都、绵阳和遂宁站ET0增加过程中贡献最大的是风速增强，这些气象站分布在流域的西部，而巴中在这个时段ET0的增加则归因于实际水汽压的变化(图7)。

注：+代表主导因素使ET0增加， 代表主导因素使ET0减小

图7 ET0变化的主导因素

4 结 论

(1) 1960—2013年，流域ET0趋势减小，减小速率0.44 mm/a，整个流域平均ET0变化较为剧烈，在1960—2013年间经历了高—低—高的3个变化阶段，在前20 a的ET0均值720 mm，1980—2000年ET0均值是680 mm，2000—2013年ET0均值上升到720 mm。在1981年检测到流域的ET0的变化存在突变，可以认为嘉陵江流域ET0的演变过程(1960—2013)可以分为2个阶段，1981年前ET0稳定在720 mm/a附近，1981年ET0突然降小后开始增加。

(2) 1960—2013年，流域ET0减小的区域比增加的面积大，ET0增加的区域主要分布在嘉陵江流域的西北部。不同时间尺度统计，流域北部均属于ET0增加区域。1960—1981年，流域的整体ET0均值微弱增加(0.4 mm/a)，增加区域面积比减小的面积大，且主要分布在中部和北部。1982—2013年，增加趋势特别明显(2.62 mm/a)，除阆中、松潘和大足站附近小块区域以外的其他区域ET0均呈现增加趋势。

(3) “蒸发悖论”现象存在时空差异。从整个研究时段看，流域整体存在“蒸发悖论”现象，按气象站统计，有12个气象站上存在“蒸发悖论”现象且主要分布在流域南部。1981年前后两个时段分别统计，存在“蒸发悖论”现象的气象站和区域较少。在1960—1981年，只在广元和麦基站附近存在该现象，而在后32 a，只有3个站(松潘、大足和阆中)附近区域有“蒸发悖论”现象存在。

(4) 1960—1981年，引起嘉陵江流域ET0变化的主导因子是风速和太阳辐射，但是引起ET0变化的方向不一样，在南部主导因子作正贡献，而在中部和北部太阳辐射和风速增加发挥主导作用。1982年后，由于气候变暖趋势明显，温度上升对整个流域的ET0增加发挥着主导作用。