1964-2017年山西省潜在蒸发量时空变化及其影响因素分析

2019-09-05孙从建郑振婧侯慧新

水土保持研究 2019年5期

孙从建, 郑振婧, 李伟, 杨伟, 侯慧新

(1.山西师范大学地理科学学院, 山西临汾 041000;2.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011)

潜在蒸发量是指水分充足条件下蒸散发到空气中的水量，又称可能蒸发量或蒸发能力[1]。作为水循环过程的一个重要参数，对地表降水及能量辐射的再次分配产生极大的影响[1-2]。因而，近几十年来有关潜在蒸发量研究也在不断的增多。潜在蒸发量的计算模型有基于气温的Thornthwaite方法、基于太阳辐射的Makkink方法、Penman-Monteith模型及蒸发皿蒸发等[3]，但是Penman-Monteith模型因其理论基础较为完整且准确性较高，在世界各地被广泛应用，如国外的佛罗里达州南部[4]、伊朗[5]、加拿大[6]、澳大利亚[7]、朝鲜[8]等，我国的黄河上游玛曲地区[9]、天山北坡[10]、祁连山及河西走廊[11]、泾惠渠灌区[12]、三江源区[13]等均运用Penman-Monteith模型计算潜在蒸发量并进行研究。

由于潜在蒸发量的影响因子众多，其变化成因十分复杂，不同地区潜在蒸发量的时空分布特征及其影响因子也不尽相同。刘普幸等[14]利用甘肃省27个气象站点的逐日气象资料，分析了潜在蒸发量的时空变化及影响因子，研究得出甘肃省潜在蒸发量除河西走廊外均呈上升趋势，在空间分布上自东南向西北递减，风速与太阳辐射是其主导因素；刘闻等[15]研究得出渭河流域关中段潜在蒸发量随海拔的降低而增高，夏季潜在蒸发量的变化趋势与年变化趋势一致，潜在蒸发量与日较差、平均气温、平均风速、日照时数呈正相关，与相对湿度和水汽压呈负相关；朱国锋等[16]利用横断山区20个气象站点的资料分析得出横断山区潜在蒸发量在研究时段呈先减少后上升的趋势，气温、风速及日照时数是影响潜在蒸发量的主导因素。自20世纪80年代以来，有很多学者做了关于潜在蒸发量的研究[17]，但是目前有关山西省潜在蒸发量及其影响因素的研究较少,对于影响潜在蒸发量的影响因子分析更是较为匮乏。

山西省地处黄土高原东缘，地貌类型复杂[18]，不同地形条件对气象因子影响较大，并且同时存在水资源紧缺等问题[19]，因而研究山西省潜在蒸发量的变化及其影响因素，有助于合理规划水资源，为农业发展提供科学依据。鉴于此，本文基于山西省17个气象站点1964—2017年逐日气象数据，采用Penman-Monteith模型计算出山西省潜在蒸发量，并且运用小波分析、Mann-Kendall非参数检验和地统计等方法，分析山西省近53 a潜在蒸发量时空分布特征，运用主成分分析法分析不同气象因素及地理因素对潜在蒸发量的影响，为山西省水资源永续利用及农业健康发展提供重要的科学依据。

1 研究区概况

本文选取黄土高原东部的山西省作为典型研究区，涉及大同、右玉、河曲、五台、五寨、兴县、原平、太原、离石、介休、榆社、隰县、临汾、长治、侯马、阳城及运城17个气象站点(图1)。山西省位于34°34′—40°43′N，110°14′—114°34′E。平均海拔高度1 000 m左右，最低海拔202 m，最高海拔达3 059 m。研究区地势东北部高西南部低，地貌类型山地、丘陵、台地、高原及盆地均有分布[20]。气候属于温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。年均降水量400～600 mm，年均温3～14℃。河流较多，拥有黄河水系和海河水系。土壤类型主要为褐土。植被类型多样，主要以草地、林地和耕地为主[18]。

图1 山西省各气象站点分布

2 数据与方法

2.1 数据来源

选取山西省空间分布均匀、数据长度连续的17个气象站点，收集各站点1964—2017年的风速(m/s)，日均温(℃)，日最低气温(℃)，日最高气温(℃)，日照时数(h)，相对湿度(%)及平均水气压(KPa)数据，计算月、季、年潜在蒸发量，并通过算术平均计算每个站点多年平均潜在蒸发量。此外，还需收集17个站点的经纬度和高程数据。本文季节划分运用气象季节，即春季3—5月份，夏季6—8月份，秋季9—11月份，冬季12月份—次年2月份。气象数据收录于中国气象局国家气象信息中心(http:∥data.cma.cn/site/index.html)。

2.2 研究方法

2.2.1 Penman-Monteith模型采用1998年世界粮农组织(FAO)修正后的Penman-Monteith模型计算潜在蒸发量。其模型如下：

(1)

式中：ET0表示潜在蒸发量(mm/d)；Δ代表饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃) ；Rn是太阳净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；γ为干湿常数(kPa/℃)；u2表示离地面2 m高处的风速(m/s)；T为平均气温(℃)；es是饱和水汽压平均值；ea代表实际水汽压；(es-ea)是饱和水汽压差值(kPa)。

2.2.2 时空特征分析方法潜在蒸发量时间变化主要采用趋势分析及周期分析方法，空间变化主要采用地统计插值。由于Mann-Kendall检验不受少数异常值的干扰，样本分布不受一定条件的限制，在水文、气象等非正态分布的数据资料分析中得到了广泛的应用[21]。通过Mann-Kendall统计量Z值判断序列数据的变化趋势，当Z>0时表示呈上升趋势，Z<0时表示下降趋势，Z的绝对值越大，说明该序列的变化趋势越显著，当|Z|>1.96，说明通过0.05显著性检验；当|Z|>2.58，说明通过0.01显著性检验。采用小波分析方法(Wavelet Analysis)[22]分析潜在蒸发量的周期性变化规律。采用ArcGIS地统计模块的反距离权重插值法[23]，分析年潜在蒸发量的空间分布。

2.2.3 主成分分析法采用主成分分析法对山西省潜在蒸发量的影响因素进行分析。主成分分析是把多个指标化为少数几个综合指标的一种统计分析方法。主要是把给定的一组相关变量通过线性变换转换成另一组不相关的变量，新变量按方差依次递减排列，数学变换过程保持变量的总方差不变，第1个变量方差最大，称为第一主成分，第2个变量方差其次，且和第1个变量不相关，称为第二主成分，依次类推[24]。降维产生的新变量在不损失原有信息的情况下，使原有变量所代表的信息更集中、更典型地体现出来[25]。

3 结果与分析

3.1 潜在蒸发量动态变化特征

3.1.1 潜在蒸发量的年际变化山西省1964—2017年平均潜在蒸发量为1 148.6 mm，年际倾向斜率为0.3 mm/10 a，总体呈现微弱下降趋势(图2)。1964—2017年潜在蒸发量表现为波动变化趋势，其最值分别出现在1965年和2016年。2016年潜在蒸发量达到最小值，最小蒸发量为997.7 mm。1965年潜在蒸发量达到1 234.1 mm，为研究时段最大值。1965—1996年潜在蒸发量处于波动下降趋势，且保持在较低水平。1996—2001年潜在蒸发量出现大幅度提高，但是2001—2003年又出现大幅下降，3 a间潜在蒸发量下降了117.94 mm，随后进入小幅波动上升期，2013年后潜在蒸发量急剧下降。

图2 1964-2017年山西省年潜在蒸发量的变化

采用小波周期分析法对山西省53 a潜在蒸发量序列进行分析(图3)，发现山西省潜在蒸发量存在27 a左右的主周期变化以及9 a，45 a左右的次周期变化。在27 a左右主周期变化上，有2次大的变动，经历了“-，+”相位1.5次循环。9 a及45 a左右为小周期变化，其周期分布比较明显，在整个研究时段均有表现。

3.1.2 潜在蒸发量季节变化山西省潜在蒸发量季节变化趋势如图4所示。春季及冬季呈现增长趋势，夏季及秋季呈现下降趋势。山西省春季平均潜在蒸发量为321.6 mm，占全年潜在蒸发量的27.9%，1964—2017年春季潜在蒸发量的年际倾向斜率为4.2 mm/10 a，呈现显著增长趋势。夏季潜在蒸发量呈现下降趋势，每10 a下降6.4 mm，平均潜在蒸发量为483.2 mm，占全年潜在蒸发量的42.1%。秋季平均潜在蒸发量为242.5 mm，占全年潜在蒸发量的21.1%，年际倾向斜率为0.8 mm/10 a，在研究时段小幅下降。冬季潜在蒸发量整体呈现上升趋势，每10 a增加2.4 mm，平均潜在蒸发量为102.1 mm，占全年潜在蒸发量的8.9%。

3.2 潜在蒸发量空间变化特征

3.2.1 潜在蒸发量空间分布规律根据Penman-Monteith模型计算出山西省17个气象站点1964—2017年53 a的潜在蒸发量数据进行插值得到研究区潜在蒸发量的空间分布情况(图5)。山西省多年平均潜在蒸发量空间分布特征表现为由中部向南北两边递减，北部地区潜在蒸发量低于南部地区。潜在蒸发量由中部太原盆地地区的3 759.1 mm减少至北部五台山地区的535.4 mm。

图3 基于小波分析年潜在蒸发量动态变化

图4 1964-2017年山西省不同季节潜在蒸发量变化

3.2.2 潜在蒸发量空间变化趋势分析通过统计每一个气象站1964—2017年潜在蒸发量Mann-Kendall统计量Z值，进一步分析山西省潜在蒸发量的变化趋势，基于ArcGIS绘制出潜在蒸发量Z值的空间分布图(图6)。

山西省潜在蒸发量的Mann-KendallZ值呈现出明显的地域差异，西北部和东南部潜在蒸发量呈现下降趋势，东北部及西南部呈增加趋势，东北部增加趋势尤为显著，通过了0.01显著性检验。在东北部7个站点中，有5个站点的潜在蒸发量表现为显著增加趋势，分别以2.89，3.56，3.37，3.04，5.73 mm/a的速率在增加。

不同季节研究区潜在蒸发量变化也存在显著差异(图7)，春季大部分地区潜在蒸发量呈增加趋势，北部地区呈现显著增加趋势，有5个站点通过了显著性检验(|Z|>2.58)。夏季潜在蒸发量变化大部分呈现减少趋势，有9个站点通过了0.05显著性检验，其中站点榆社通过了0.01显著性检验。东北部地区出现增长趋势，并且通过了显著性检验(|Z|>1.96)。秋季除了站点河曲与大同呈现减少趋势外，北部大部分地区呈现增加趋势，并且有4个站点通过了0.05显著性检验，南部大部分地区呈现减少趋势，但是并未通过0.05显著性检验。冬季整体呈现增加趋势，有7个站点通过了显著性检验(|Z|>2.58)。4个季节总体都表现为站点五台地区呈现显著增加趋势，分别以5.86，5.13，5.69，6.89 mm/a的速率增加。

图5 山西省年潜在蒸发量空间分布

图6 潜在蒸发量Mann-KendallZ值的空间分布

3.3 潜在蒸发量变化的成因分析

影响潜在蒸发量的因素众多，涉及到气象因子、地理因子等[13]。本文在利用Penman-Monteith模型计算潜在蒸发量时用到的气象因子有平均气温(Tave)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、相对湿度(RH)、平均水气压(Ea)、风速(W)、日照时数(SH),地理因子包括纬度(LAT)和海拔高度(H)。分析以上因子对山西省年潜在蒸发量的影响程度。主成分识别是以各因子作为原变量，通过计算变量方差和协方差矩阵的特征值，将多个变量通过降维转化为少数几个综合变量，即对影响因子信息进行集中和提取，从中识别出起主导作用的成分[26]。表1为各影响因子解释的总方差，从中可以看出前4个主成分的累计贡献率达89.03%，说明前4个主成分已经将9个因子所涵盖的信息集中的体现了出来，选用前4个主成分代替原先的潜在蒸发量的影响因子。在前4个主成分中，第1主成分所涵盖的信息最多，达到了33.56%。

图7 1964-2017年山西省不同季节潜在蒸发量Z值的空间变化

表2为通过最大方差法得到旋转后的因子载荷矩阵。因子载荷矩阵中绝对值的大小决定了其载荷量的多少，表明对该主成分的影响高低程度[27]。从表中可以看出，相对湿度和平均水气压在第1主成分上有较大载荷，载荷分别为0.28，0.29，并且这两个因子与第1主成分呈负相关。第2主成分有较大载荷的因子分别是平均气温、最高气温和最低气温，这3个因子与第2主成分呈正相关。纬度在第3主成分上载荷较大，并且呈正相关。第4主成分上载荷较大的是风速、日照时数和海拔高度，风速和日照时数呈正相关，海拔高度呈负相关。本文通过对潜在蒸发和影响因子做主成分分析，结果表明：各因子对潜在蒸发量的影响排序依次为平均水气压>相对湿度>最高气温>最低气温>平均温度>纬度>海拔高度>风速>日照时数。

表1 山西省潜在蒸发量的各主成分及其特征值和贡献率 %

表2 山西省潜在蒸发量的因子载荷矩阵

4 讨论

利用日尺度气象资料通过Penman-Monteith模型计算出潜在蒸发量可以对地区水资源合理利用、农业生产发展提供科学依据。本文利用山西省17个气象站点逐日气象资料，分析了山西省潜在蒸发量的时空分布特征及其变化趋势，结果表明：山西省潜在蒸发量呈现波动变化，总体表现为年潜在蒸发量呈上升趋势，年均潜在蒸发量的最大最小值分别为(1 234，997 mm)。对比山西省与邻近地区的潜在蒸发量分布特征可知(表3)，研究区北部的内蒙古地区[28]、研究区南部的河南地区[29]以及研究区东部的河北地区[30]潜在蒸发量在近50 a都呈下降趋势，其年均潜在蒸发量的最大最小值分别为(834，790 mm)，(1 247，418 mm)，(1 488，1 190 mm)。研究者通过对黄土高原西部甘肃省[31]潜在蒸发量进行研究，得出黄土高原西部地区潜在蒸发量近50 a整体表现为上升趋势。相同的潜在蒸发量变化趋势(上升)在黄土高原中南部的陕西地区[32]也得到验证，其年均潜在蒸发量的最大最小值分别为(1 153,895 mm)。黄土高原西部及中南部潜在蒸发量的变化趋势与本文研究结论类似。

一些研究者通过对于影响区域潜在蒸发量的驱动因素的分析结果显示[12-13,32-34]：气温、风速、日照时数、相对湿度、饱和水汽压差和云量等诸多气象要素是区域潜在蒸发量变化的控制因素，但不同区域不同的控制因素影响权重不尽相同[1,14,16,33]。山西省潜在蒸发量总体表现为在五台地区较低，在太原盆地地区较高，这一现象主要是受了海拔高度的影响，五台地区有“华北屋脊”之称，海拔高度达2 208.3 m，而太原盆地地区地势较低。潜在蒸发量的变化除了受气象因子、地理因素影响外还受其他因素的间接影响，例如人类的活动[32]。因此，在今后还需深入研究山西省潜在蒸发量变化的原因，更好的为水资源管理、利用及农业发展提供科学依据。