太行山南麓蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子——以济源站为例

黄 辉, 郑昌玲, 张劲松†, 孟 平

(1.中国林业科学研究院林业研究所/国家林草局林木培育重点实验室,100091,北京;2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心,210037,南京;3.河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站,454650,河南济源;4.国家气象中心,100081,北京)

以变暖为主要特征的气候变化已成为生态学、气象学等学科研究的焦点问题之一[1-2]。全球地表平均温度较1850—1900年已升高约1.09 ℃[3],我国1909—2011年期间,年平均升温0.9～1.5 ℃[4]。气候变暖将进一步影响全球水循环,改变水热资源时空分配格局[5]。蒸发作为地表水分平衡和能量平衡的重要组成部分,是表征大气水分循环过程的重要参数,对气候变化十分敏感[6]。系统分析蒸发量的变化规律及影响因素,对我国气候变化研究和水资源管理,尤其是农业需水量管理、旱情监测以及水资源有效利用等具有重要意义[7]。

蒸发皿蒸发量(pan evaporation,PE)是衡量大气蒸发能力的重要指标,也是估算陆地蒸发量和农业水资源管理的重要参数之一,对于监测气候和水文循环变化有重要意义[8]。以往研究显示,全球许多地区的蒸发皿蒸发量并未在升温背景下增加,反而表现为下降趋势[9-10]。这种现象被称为“蒸发悖论”[11-12],其成因主要由于云量[13]或气溶胶浓度[14]增加导致太阳辐射量下降,以及空气湿度增加、水汽压减小、风速减小[15-17]等。蒸发皿蒸发量的变化特征在不同地区及不同季节有差异性,其影响因子也不相同[6,18-19]。以往许多相关研究将相对湿度作为水汽压差的替代指标并不准确[20],且多数研究将平均气温作为评价蒸发过程能量供给的影响因子,忽略气温日较差(diurnal temperature range, DTR)。相对于平均气温,DTR能更有效地反映全球和区域性的温度变化幅度特征,尤其是指示人类活动对气候变化的影响,对于人类生存环境的变化,气候异常的影响及可持续发展研究具有重要的参考价值[21-22]。

黄河中游地区近60 a来气候和生态环境发生了显著变化,极端天气气候事件增多,黄河水资源总量减小,产沙区水土流失加重[23],严重影响黄河流域生态安全。太行山南麓地处黄河中游,位于我国地貌第2、第3阶梯的过渡地带,属《全国生态功能区划》提出的太行山区水源涵养与土壤保持重要区域,对京津冀及黄河中下游地区具有重要的水源涵养、水土保持、生物多样性维护、防洪调蓄等生态系统服务价值[24]。河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站(以下简称小浪底站)位于河南省济源市,地处黄河中游、太行山南麓,一直是我国林业工程重点区域,其生态功能的强弱对维护黄河流域生态安全、加快构建我国中部生态安全屏障等方面有重要作用。区域内春旱频发,夏季高温期如遇降水不足也易发伏旱,对气候变化较敏感[25],研究该区域蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子对我国林业生态工程建设及水资源管理有重要意义。笔者以太行山南麓济源市为例,利用济源气象站逐日观测资料,分析该地区的蒸发皿蒸发量的变化趋势,将饱和差和气温日较差列入影响因子,探讨蒸发皿蒸发量变化的主要影响要素,旨在为当地水资源管理、生态工程实施及推动黄河流域高质量发展提供依据。

1 研究区概况

笔者依托河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站、黄河小浪底森林生态系统定位研究站(E 112°28′, N 35°01′,410 m)。小浪底站位于河南省济源市。济源市位于黄河中游、南太行最西北处。地貌特征为西北部高,南部低,东部平,三面环山、为典型的马蹄型地形。北部和西部为太行山和王屋山,南部和东南部为黄土丘陵。全区山地和丘陵面积广阔、森林资源丰富,全区总面积的67.8%为山区,20.4%为丘陵,11.8%为平原区[26]。济源属暖温带亚湿润季风气候,雨热同季、四季分明,生长季盛行风向为偏东风,近40 a平均气温为14.7 ℃,年降水量为583.6 mm,年日照时间为 1 899.4 h。

2 数据与方法

2.1 气象数据

研究所用资料为1980—2013年济源气象站常规观测资料,来自中国气象局国家气象信息中心,包括平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速、降水量和日照时间以及小型蒸发皿蒸发量(20 cm口径)的逐日资料。研究时段内蒸发皿蒸发量和降水量无缺失值,其余气象数据序列也较完整,仅有极个别缺失数据,采用线性内插法对缺失值进行插补。

2.2 变化特征与显著性检验

由线性趋势法得到要素值的气候倾向率(S),以最小二乘法线性拟合斜率的10倍表示,S为正值表示增加趋势,为负值表示减小趋势。气候倾向率的信度检验采用Mann-Kendall趋势检验法[27],文中设置信度达95%的变化趋势为显著。

2.3 蒸发皿蒸发量累积距平

(1)

3 结果与分析

3.1 气象因子的变化特征

1980—2013年济源气象要素的年际变化如图1所示,近34 a济源年平均气温为14.52 ℃,整体为增加趋势,升温变化率为0.041 ℃/a。1980—1993年济源平均气温为14.02 ℃,升温变化率为0.012 ℃/a,1994年之后温度升高加快,1994—2013年期间平均气温为14.87 ℃,升温变化率为0.017 ℃/a。降水量年际波动较大,近34 a降水量整体为微增加趋势,幅度为0.672 mm/a,平均值为575.5 mm,1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2013年4时段平均降水量分别为577.9、535.7、601.8、602.9 mm。年平均气温日较差为降低趋势,大气饱和差和平均风速为增加趋势、日照时间为减小趋势。

进一步比较不同季节气象要素的气候倾向率(表1),平均气温和饱和差在各季均为升高趋势,并且春夏季升高速率快于秋冬季、春季增加速率最快;平均气温日较差为降低趋势,在冬季降低速率最快;降水量在春秋季为减少趋势、夏冬季为增加趋势;日照时间在春季为增加趋势,其余季节表现为减少趋势,秋季减小速率最快;风速仅在冬季为减小趋势,在夏季增加速率最快。

表1 1980—2013年济源市不同季节气象要素的气候倾向率

3.2 蒸发量的季节变化特征

图2为1980—2013年济源蒸发皿蒸发量和气温、降水量的月平均值变化特征。研究区域每年5—7月蒸发量较高,这期间蒸发量约占全年总蒸发量40.8%。秋冬季节蒸发量较低,月蒸发量低于100 mm的月份有1、2、11和12月,这4个月蒸发量仅占全年总蒸发量16.1%。蒸发量最低的月份为1月,仅有47.8 mm,该月气温也为全年最低。蒸发量于每年6月达到全年峰值,降水和气温的峰值出现时间为7月,略滞后于蒸发量。

图2 1980—2013年济源市蒸发皿蒸发量和平均气温、降水量的季节变化

3.3 蒸发皿蒸发量的年际变化特征

图3为1980—2013年济源蒸发皿蒸发量逐年变化和逐年累积距平变化。近34 a升温变化率为0.041 ℃/a,蒸发皿蒸发量年平均值为 1 537.6 mm,整体变化呈下降趋势,变化率为-1.966 mm/a,存在明显的“蒸发悖论”现象。有2段时期蒸发量下降较快,分别是1982—1984年、2003—2011年。1985—2002年蒸发量基本均高于34 a平均值,这期间蒸发量平均值为1 614.5 mm;蒸发量累积距平自2002年之后为明显的下降趋势,2002年之后蒸发量基本低于34 a平均水平,2011年后略有回升,2003—2013年蒸发量平均值为1 450.3 mm。

图3 1980—2013年济源市蒸发皿蒸发量及其累积距平的年际变化

如图4所示,1980—2013年研究区域春季蒸发量为增加趋势,变化率为1.732 mm/a,其余3个季节为下降趋势,其中秋季蒸发量下降最为显著,其次为冬季,秋、冬季蒸发量变化率分别为-2.173和-1.029 mm/a。 PE在2002—2003年左右发生显著性的突变(图5),并且全年与夏秋季节突变点一致,冬春季节无突变点。

图4 1980—2013年济源市不同季节蒸发皿蒸发量的变化

图5 1980—2013年济源市蒸发皿蒸发量M-K突变点检验图

以蒸发皿蒸发量发生突变年份为节点将研究年份划分为2个时段,表2为这2个时段蒸发量的气候倾向率S和MK检验Z值。近34 a蒸发皿蒸发量整体趋势表现为春季以外的3个季节均为减小趋势(图4),但以突变年份划分的2个时段各季节蒸发量变化却表现出不同趋势(表2),PE发生突变年份前后2个时段均表现为在冬季略有下降,从全年尺度来看突变前后2个时段PE均表现为增加趋势,并且发生突变后11 a PE平均值低于发生突变前的23 a平均值,增加速率高于发生突变前。

表2 济源市不同年代各季节PE的MK检验Z值及气候倾向率(S)

3.4 不同季节蒸发皿蒸发量的影响因子

气象要素的变化可对蒸发量产生影响,蒸发过程中的能量供给主要源于太阳净辐射,太阳净辐射主要受日照时间及气温等因子的影响,蒸发的水汽输送条件则取决于饱和差及风速的大小[19]。为分析气象要素对PE的影响,对不同季节PE与表征温湿度、日照时间及风速的气象要素(气温、气温日较差、饱和差、日照时间、平均风速)进行多元线性逐步回归分析,结果如表3所示。春季影响PE的主要气象因子为气温日较差,其次为饱和差;夏季影响PE的主要气象因子为气温日较差,其次为平均气温;秋季影响PE主要受气温日较差影响;冬季影响PE的主要气象因子为气温日较差,其次为饱和差,风速和日照时间对冬季蒸发量也有明显影响。从全年来看,气温日较差和饱和差是影响PE的主要因素。

表3 1980—2013年济源市不同季节蒸发皿蒸发量的气象影响因子

4 讨论

1980—2013年济源蒸发皿蒸发量整体呈下降趋势,气候倾向率为-1.966 mm/a (图3a),下降速率低于全国PE(-3.412 mm/a)[19],与黄河中下游地区PE变化趋势(显著下降趋势)[17]及黄河流域PE的气候倾向率(-33～9 mm/a)[28]相符。

全国PE夏季下降趋势最为显著[17],其余3个季节变化不明显。黄河流域春夏季PE也为明显下降趋势,秋冬季变化则不明显[28]。笔者发现,近 34 a 济源春季PE为增加趋势 (1.732 mm/a),其余3个季节为下降趋势,秋季PE下降趋势最显著 (-2.173 mm/a),冬季和夏季PE的变化速率分别为-1.029 mm/a、-0.496 mm/a。济源夏季PE下降速率明显低于全国(-1.559 mm/a)[19],与黄河中游地区夏季PE变化速率(-1.4～1.5 mm/a)[28]大致相当,春季PE变化速率也与黄河中游地区较一致 (-0.9～2.0 mm/a)[28]。济源秋冬季节PE下降趋势明显高于整个黄河中游地区(秋季-0.6～0.6 mm/a、冬季-0.5～0.5 mm/a)[28]。

蒸发过程主要受能量供给、水汽输送及蒸发介质供水能力等3方面因素影响,其中前2项主要由气象要素决定。能量供给主要源于太阳净辐射,而太阳净辐射主要受日照时间及气温等因子影响,水汽输送则取决于饱和差及风速的大小[19]。以往研究表明,中国蒸发皿蒸发量的影响要素主要为风速、饱和差和日照时间[19]。也有研究表明,相对湿度是影响中国蒸发皿蒸发量变化的关键因子[17]。黄河源区PE的主要影响因子为平均温度,其次是最高气温、最低气温、风速[29]。气温日较差、日照时间和风速是影响京津冀地区蒸发量的主要因子[30],在陕西长武塬区,温度、水汽压、气压和日照时间是影响PE的主要因子[31],永定河流域PE的主导影响因子是净辐射、平均风速和空气饱和差[20]。也有研究表明,净辐射和平均风速的减少是导致永定河流域PE下降的主要影响因素[20],导致青海省PE下降的主要原因是气温日较差和风速的减小[32]。Michael等[12]认为太阳辐射减小是近年来PE下降的主要原因。本研究结果表明,气温日较差减小是1980—2013年济源市PE下降的主要原因(表1和3)。

不同季节蒸发皿蒸发量的影响要素也有差异。如陕西长武塬区PE春季受日照时间和温度的影响,夏季受温度和气压的影响,秋季和冬季主要受日照时间和水汽压的影响[31];吉林省PE春季主要受风速影响,夏秋冬3季节主导因子是水汽压差[33]。本研究发现,济源各季节PE的主要影响因子均为气温日较差,饱和差在冬春季对PE也有明显影响,风速和日照时间仅在冬季对PE有影响。春季济源气温日较差和饱和差升高,导致蒸发增加,夏季气温日较差减小、气温升高导致夏季蒸发减小,秋季PE降低的原因是由于气温日较差降低,冬季气温日较差降低、饱和差升高、风速和日照时间减小导致蒸发量降低,即:夏秋季节济源PE由能量供给(温度条件)决定,冬春季节主要受能量供给影响,同时水汽输送条件(空气湿度、风速、辐射等)也对PE有协同影响。

1980—2013年济源市蒸发皿蒸发量整体为下降趋势,但在以发生突变年份(2003年)为节点划分的2个时段内,PE均表现为增加趋势,并且发生突变后11 a PE平均值低于发生突变前的23 a平均值,PE增加速率要快于前23 a。春夏季DTR较高,蒸发量大,PE高于秋冬季。尤其是夏季,昼长较长,太阳辐射强,平均气温高,气温日较差大,蒸发量大,PE明显高于其他季节。2个时段内冬季PE均为减小趋势,风速降低,日照时间减少是影响冬季PE变化趋势的重要原因(表1和表3)。

基于太行山南麓济源市近34 a蒸发皿蒸发量的变化趋势及影响因子分析,揭示了不同季节气象因子对蒸发皿蒸发量变化影响的主要贡献,本研究以气象台站常规观测的日照时间和气温资料代表净辐射,后续研究可结合能见度、气溶胶、云量等观测资料作进一步分析。

5 结论

1980—2013年济源市气候变化趋势整体为趋于暖湿化,春夏季增温幅度高于秋冬季。蒸发皿蒸发量整体变化呈下降趋势,存在明显的“蒸发悖论”现象。春季蒸发皿蒸发量为增加趋势,其余季节为下降趋势,并且秋冬季蒸发皿蒸发量下降趋势比夏季显著。气温日较差的减小是济源蒸发量下降的主要原因。能量供给是济源蒸发主要的限制性因素,在冬春季节水汽输送条件也对蒸发有协同影响。蒸发皿蒸发量可反映地表蒸发能力,其降低趋势显示蒸发能力的减弱,但尚无法基于此推断实际蒸发量的变化。实际蒸发量的变化趋势以及云量、气溶胶等因子对蒸发量的影响有待进一步研究。