陕西省近30年潜在蒸发量的时空变异规律

张朝逢， 陈皓锐， 岳中奇， 郑太林，韩松俊

(1.陕西省地下水保护与监测中心， 陕西 西安 710000；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京 100038)

蒸发是水文循环中的一个重要过程，准确估算实际蒸发量并评估其变化对水文模拟和灌溉需水预测都非常关键[1]。实际蒸发量受下垫面水分状况和大气蒸发能力的共同影响，研究中通常将充分供水条件下的蒸发量作为潜在蒸发量以反映大气蒸发能力。潜在蒸发量是进行实际蒸发估算的重要指标，目前存在多种计算公式，分别以太阳辐射、气温、相对湿度和风速等一个或几个变量作为输入。Penman公式[2]综合辐射能量平衡与水汽湍流传输，包括辐射项与空气动力学项，最能准确反映气候变化背景下的蒸发能力的动态变化[3]，被广泛用来分析潜在蒸发量的时空变异规律。此外，以Penman-Monteith公式为基础，针对假想的参考作物面(作物高度0.12 m，表面阻力为70 s/m，反射率为0.23)的参考作物蒸散发量[4]也被广泛用来分析潜在蒸发量变化。

与全球变暖的趋势相反，从20世纪50年代开始，全球及我国潜在蒸发量出现了显著下降，其中辐射下降和风速下降都产生了显著影响，但这一趋势从1993年左右开始逆转[5-6]。对于特定地区，潜在蒸发量既受大尺度自然变化的影响，还受区域气候特征和土地利用变化的影响[7]，因此需要分析潜在蒸发量时空变异规律。过去研究多将潜在蒸发量作为一个整体，但受太阳辐射和区域气候状况变化的共同影响，潜在蒸发的辐射项和空气动力学项受不同气候要素的影响，可能存在不同的变化特征[8]，需要对比分析。

潜在蒸发量也是反映区域干湿状况的重要指标[9]，在研究中一般以年降水量与潜在蒸发量之比作为地表湿润指数[10]。由于陆面和大气之间的相互作用，潜在蒸发的辐射项和空气动力学项对陆面水分状况具有不同的反馈，根据互补原理，辐射项和空气动力学项的不同变化能够从大气状况的角度间接反映区域干湿状况变化，潜在蒸发中辐射项所占比例也被用来作为反映大气干湿状况的湿润指数[11]。目前已有研究开始利用互补原理根据潜在蒸发量的变化分析区域干湿状况变化特征[8-9]。

陕西省南北跨度大，不同地区气候、地形、地貌和土地利用等特征差异明显[12]，过去关于潜在蒸散发的研究多针对陕西省的部分地区，且时间序列不一致。如韩盟伟等[13]利用Penman-Monteith公式发现黄土高原1959年—2015年潜在蒸发量呈非显著增加趋势；粟晓玲等[14]研究表明，80年代以后关中地区潜在蒸发量呈增加趋势；刘闻等[15]发现渭河流域关中段1955年—2012年潜在蒸发量呈下降趋势，蒋冲等[16]研究表明渭河流域地表湿润指数也呈下降趋势，而左德鹏等[17]认为渭河流域潜在蒸发量在未来气候情景下呈显著增加趋势。蒋冲等[18]发现秦岭南北地区潜在蒸发量与绝对湿度在1960年—1989年间同为下降趋势，但1990年—2011 年间仅潜在蒸发量下降。关于陕西省潜在蒸发量时空变异规律的研究一方面缺乏对不同地区的差异以及近年来变化的分析，另一方面已有研究大都将潜在蒸发量作为一个整体，缺乏对辐射项和空气动力学项不同变化的对比，也未分析其背后所反映的区域湿润状况的变化。针对上述问题，本研究将陕西省划分为陕北、关中和陕南三大地区，利用省内34个气象站近30 a(1988年—2017年)气象数据分析潜在蒸发量的时空变异规律，重点对比分析辐射项和空气动力学项的不同变化及其所揭示的区域干湿状况变化特征。

1 研究区概况

陕西省位于我国内陆腹地，纵跨黄河和长江流域，由北向南可以分为陕北、关中和陕南三大地区。陕北包括延安和榆林地区，位于黄土高原，气候比较干旱少雨，多年平均降水量约450 mm；关中位于渭河冲积平原，包括西安、咸阳、宝鸡、渭南、铜川、杨凌六个市(区)，多年平均降水量约580 mm，灌溉条件较为优厚，分布有多个大型灌区；陕南位于秦岭和大巴山，包括汉中、安康和商洛三个区市，在三个地区之中降水量最多，多年平均降水量达878 mm。

研究中收集了陕西省内34个气象站1988年—2017年逐日最高温度、最低温度、平均气温、对湿度、日照时数和平均风速数据，资料来源于国家气象信息中心(http://data.cma.cn)。陕北、关中和陕南地区站点数量分别为10个、12个和12个(见图1)。由于三个地区内站点数量差异不大且分布较为均匀，而本研究主要目标是对比三大地区之间潜在蒸发变化的差异，为简单起见，研究中利用区域内气象站的算术平均值代表各自地区潜在蒸发量的变化。

图1 研究中采用的陕西省34个气象站点空间分布及

2 研究方法

Penman公式计算的潜在蒸发量和FAO修正的Penman-Monteith公式计算的参考作物蒸散发量具有较好的相关性，而Penman公式更侧重评估气候变化背景下蒸发能力的变化，且与蒸发皿观测具有更好的一致性，在互补原理研究中一般采用Penman公式，因此本文选用 Penman公式计算潜在蒸发量。Penman公式计算潜在蒸发量Epen包括辐射项Erad与空气动力学项Eaero两部分：

Epen=Erad+Eaero

(1)

(2)

(3)

式中:Δ为饱和水汽压梯度；γ为湿度计常数；Rn为净辐射量，通过太阳辐射根据日照时数确定，其中计算太阳短波辐射的参数根据研究区内辐射站的数据拟合得到。G为土壤热通量，当计算尺度为天时取值为0。e*(Ta)为气温Ta下的饱和水汽压；αrh为相对湿度；f(U2)为2 m风速U2的函数。

研究中常将实际蒸发量(E)看作潜在蒸发量的一定比例，比例系数通过地表或大气的湿润状况确定。在年尺度地表湿润指数常表示为年降水量和年潜在蒸发量的函数，即：

E/Epen=f(P/Epen)

(4)

在无量纲形式的互补原理研究中，蒸散发比E/Epen表示为Erad/Epen的函数[19]:

E/Epen=f(Erad/Epen)

(5)

Erad/Epen被称为“大气湿润指数”[11]。研究中将分别分析潜在蒸发变化引起的地表和大气湿润指数变化。

在分析过程中用趋势坡度中位数β(假定为线性)作为衡量趋势大小的指标，即

(6)

式中：Xj，Xi为时间序列；i和j在本研究中代表年份。β正值为上升趋势，负值为下降趋势。同时采用非参数统计检验Mann-Kendall方法对潜在蒸发和气候变化的趋势进行检验，并预先采用Yue等[20]提出的无趋势白化预处理以消除变量的自相关性。

3 结果与分析

3.1 平均潜在蒸发量变化趋势与空间分布

图1为陕西省34个站1988年—2017年平均潜在蒸发量的空间分布，多年平均潜在蒸发量为747 mm～1 218 mm，陕北的定边和陕南的镇巴分别为高值中心和低值中心。表1列出了不同地区内气象站计算结果的平均值，年平均潜在蒸发量的空间分布规律与多年平均降水量相反，多年平均降水量最少(450 mm)的陕北地区多年平均潜在蒸发量(1 020 mm)最高，其次为关中地区(967 mm)，而陕南地区最低(899 mm)。三个地区潜在蒸发量的辐射项差异不大，分别为624 mm、641 mm和663 mm，而空气动力学项分别为396 mm、326 mm和236 mm，表明陕西省潜在蒸发量空间分布的差异主要来自于空气动力学项。

表1 降水量(P)、潜在蒸发量(Epen)及其辐射项(Erad)和空气动力学项(Eaero)均值和变化趋势值

图2中给出34个气象站点1988年—2017年平均潜在蒸发量的变化过程，并与年降水量和平均气温进行了对比。陕西省年均潜在蒸发量在845 mm和1 046 mm之间波动增加，均值为959 mm，近30 a具有增加趋势(14.1 mm/10 a)。潜在蒸发的辐射项均值为644 mm，保持弱增加趋势(5.1 mm/10 a)，而空气动力学项均值为315 mm，增加趋势稍强(7.9 mm/10 a)。34个站点平均的年降水量(24.7 mm/10 a，通过95%显著性水平检验)和平均气温(0.33℃/10 a，通过95%显著性水平检验)也都具有显著增加的趋势，说明陕西省1988年—2017年没有发生“蒸发悖反”现象。

图2 1988年—2017年陕西省34个站点平均潜在蒸发量、

3.2 不同地区潜在蒸发量的年变化趋势

图3给出了1988年—2017年潜在蒸发量变化趋势值的空间分布。34个站中的25个潜在蒸发量具有增大趋势，其中陕北8个、关中9个、陕南8个。陕北地区潜在蒸发量增大趋势最为显著，趋势值最明显的两个站点为榆林(67.5 mm/10 a，通过95%显著性水平检验)和神木(68.5 mm/10 a，通过95%显著性水平检验)都位于陕北地区，而陕南地区潜在蒸发量增大的趋势明显弱于另外两个地区。

为了对比不同地区潜在蒸发量的变化过程，图4给出了三个地区平均降水量和潜在蒸发量相对

图3 1988年—2017年陕西省34个气象站

1988年的变化过程。三个地区潜在蒸发量变化具有一定相似性，但关中和陕南地区潜在蒸发量相关性更为显著(R2=0.81)。陕北地区潜在蒸发量增加趋势(25.9 mm/10 a，通过95%显著性水平检验)明显高于其他两个地区。三个地区降水量都有增大趋势，关中和陕南地区降水量相关性也比较显著(R2=0.60)，但与陕北地区潜在蒸发变化具有明显差异。

图4 不同地区年降水量和潜在蒸发量相对于1988年的变化过程

图5中对比了三个地区潜在蒸发的辐射项和空气动力学项相对于1988年的变化过程。三个地区辐射项都具有增大趋势(见表1)，且具有相似的变化过程，而空气动力学项的变化差异比较显著。其中陕北地区空气动力学项具有显著增大趋势(16.0 mm/10 a)且通过95%显著性水平检验)，关中地区具有增大趋势(9.5 mm/10 a)，但没有通过显著性检验，而陕南地区基本保持稳定。

图5 不同地区年潜在蒸发的辐射项和空气动力学项相对于1988年的变化过程

3.3 影响潜在蒸发变化的气象因子分析

陕北地区多年平均日照时数明显高于另外两个地区，日平均气温明显低于另外两个地区，而陕南地区日照时数最低，但日平均气温最高(见表2)。受太阳辐射和气温的共同影响，三个地区多年平均辐射项的大小差异不大。空气动力学项随风速增大、随相对湿度减小，陕北地区相对湿度明显低于另外两个地区，是空气动力学项较大的主要原因，而风速较小和湿度较大是陕南地区多年平均空气动力学项最小的主要原因。

表2 日照时数(n)、平均气温(Ta)、相对湿度(αrh)、2 m风速(U2)均值和变化趋势值

陕北地区具有日照时数增多和气温升高的趋势，但并不明显，受其影响，辐射项虽有增高趋势但不明显；在风速显著增大(0.036 m/s/10 a)和相对湿度减小的共同影响下，空气动力学项显著增大(16.0 mm/s/10 a)。关中地区日照时数具有弱降低的趋势，但气温显著升高，共同作用之下辐射项有微弱增大趋势；另一方面虽然相对湿度显著减小(-1.50%/10 a)，但风速降低(-0.121 m/s/10 a)减弱了相对湿度减小的影响，使空气动力学项的增大趋势弱于陕北地区。陕南地区在日照时数增大和气温升高共同作用下，辐射项的增大趋势在三个地区之中最为明显，而风速和相对湿度基本没有显著变化趋势，因此空气动力学项保持稳定。

3.4 潜在蒸发时空变异规律对湿润指数的影响

对比表1和表3可以看出，受降水量和潜在蒸发量的共同影响，地表湿润指数P/Epen从陕北、关中到陕南依次增大(0.44、0.60和0.98)，大气湿润指数Erad/Epen具有相似的变化规律，但数值变化的范围较小，仅从0.61增加到0.66和0.74。结果表明地表湿润指数P/Epen和大气湿润Erad/Epen在反映三个地区干湿状况的空间变异规律方面具有较好的一致性。

表3 地表湿润指数 和大气湿润 指数均值和变化趋势值

由于1988年—2017年陕西省降水量增大趋势更为显著，抵消了潜在蒸发量增大对地表湿润指数的负面影响，因此全省平均的地表湿润指数P/Epen具有增大的趋势；另一方面，由于潜在蒸发的空气动力学项的增大趋势相比辐射项更为显著(见表1)，因此陕西省平均的大气湿润指数Erad/Epen具有下降的趋势(见图6(a))。陕北和关中地区都存在P/Epen和Erad/Epen相反的变化趋势，且在陕北最为显著(见表3，图6(b)，图6(c))。陕南地区由于辐射项增大较为显著，而空气动力学项基本保持稳定，两类湿润指数都具有增大的趋势(见图6(d))。

图6 1988年—2017年地表和大气湿润指数(P/Epen和Erad/Epen )变化过程的对比

地表湿润指数P/Epen和大气湿润指数Erad/Epen分别是实际蒸发量估算的Budyko方法和互补原理方法(式(4)和式(5))中的重要指标，都已用于包括陕北地区在内的黄土高原实际蒸发量估算[21-22]。之前研究中常认为两类湿润指数具有一致的变化[23]，并且在我国塔里木河流域也得到了验证[8]。但Shuttleworth等[24]指出潜在蒸发的变化受到两类完全不同过程的影响：大尺度天气或气候系统变化以及区域陆面状况对大气状况的反馈。一方面，由于降水量的增多和退耕还林工程的实施，黄土高原地区植被覆盖和地表土壤湿润状况都存在增加趋势[25]，蒸发进入大气的水分增多[26]，如果大尺度气候条件保持稳定，则会引起大气湿度增加，但陕北地区大气湿润指数Erad/Epen的变化表明大气湿润状况却发生了相反的变化，这也可以从相对湿度的下降看出(见表2)。结果表明：在上述两类过程影响下，潜在蒸发量有可能产生不同的变化，进而影响地表和大气的干湿状况化，陕北地区1988年—2017年地表湿润指数P/Epen和大气湿润指数Erad/Epen的相反变化趋势有可能是这两类不同过程作用的结果。在潜在蒸发量变异规律分析、实际蒸发量估算和区域干湿状况评估过程中需要对比分析潜在蒸发的辐射项和空气动力学项的不同变化，并考虑其背后两类过程的影响。

4 结 论

(1) 陕西省近三十年潜在蒸发的辐射项和空气动力学项时空变异规律显著不同，需要区别分析。陕西省34个气象站1988年—2017年平均潜在蒸发量为959 mm，其中辐射项和空气动力学项分别为644 mm和315 mm，受空气动力学项分布的影响，潜在蒸发量从陕北、关中到陕南依次降低。陕西省34个气象站1988年—2017年年平均潜在蒸发量以14.1 mm/10 a的速率增大，其中空气动力学项的增大更为显著。受空气动力学项变化的影响，潜在蒸发量的增加趋势从陕北、关中到陕南依次减弱，相对湿度明显低于另外两个地区是陕北地区潜在蒸发量和其空气动力学项较高的主要原因，而风速显著增大和相对湿度减小是引起陕北地区Eaero显著增大的主要原因。

(2) 陕西省近三十年潜在蒸发的辐射项和空气动力学项的不同变化反映出陆面和大气干湿状况具有不同的变化趋势，需要进一步研究。陕西省平均的地表湿润指数 具有增大的趋势而大气湿润指数 具有下降的趋势，两种湿润指数相反的变化趋势在陕北地区最为明显。这说明潜在蒸发的变化既受大尺度天气或气候系统变化等影响，也受到陆面状况对区域大气状况反馈的影响，在潜在蒸发量变异规律分析、实际蒸发量估算和区域干湿状况评估过程中需要考虑这两类过程的影响。