1956-2000中国潜在蒸散量的时空变化及其控制因素

摘要：基于1956和2000年间中国580个站的气候资料,利用FAO Penman-Monteith方法计算蒸散量。分析了中国潜在蒸散量的时空分布特征，并分析了10大流域和整个中国区域的时间趋势。通过相关分析，研究了影响潜在蒸散量变化的主要气候因子，主要研究结果如下：1）在过去的45年中，整体上来说，中国的大多数盆地的季节性和年潜在蒸散量呈下降趋势；松花江流域略有增加的趋势。2）中国的大部分地区年潜在蒸散发都低于第一次水资源评估的结果（1956-1979）。山东半岛的西部和西南部、宁夏回族自治区及长江、黄河的源头地区发现了异常，这可能会为水资源的开发与利用带来一些不利的情况。3）一般情况下，日照时数、风速、相对湿度对潜在蒸散量的影响大于温度。在同一时期的阳光持续时间或风速的下降趋势似乎是潜在蒸散量在大多数地区的负趋势的主要原因。

关键字：潜在蒸散量；Penman-Monteith公式；趋势；控制因素

1 介绍

蒸发是水热平衡的重要组成部分之一。土壤中的植被蒸发和散发量统称为蒸散量。潜在蒸散量不仅是实际蒸散量的理论限制，而且是评价的基础。潜在蒸散量已被广泛用于干燥和潮湿的研究中气候条件分析（Yang^[26] et al.2002；Ma^[14] et al.2003），水资源利用与评价（对中国水资源的第一次评价，1981）、作物需水量和生产控制（Doorenbos^[3] et al，1977），和生态环境的研究比如沙漠化（Zhou^[28] et al，2002）。目前，我国水资源二次综合评价正在进行中，潜在蒸散量是被认为最重要的部分之一，它受气候因素的影响。在过去的几十年中，气候变化在中国有明显的发生（Qian^[17] et al，2004），这对水资源的潜在蒸散量和水资源的评价有潜在的影响。这项研究涉及的空间和时间模式的潜在蒸散量在中国最近45年的重点是两者之间的变化评估期间（1956-1979和1980-2000年）。

在北半球，蒸发皿蒸发量普遍下降，但在过去50年中的变化是不普遍的（比如Peterson^[15] et al,1995;Roderick and Farquhar^[20],2002;Linacre^[11],2004)。Yang^[27] et al.(2003), Qiu^[18] et al.(2003),Liu^[12] et al. (2004) and Ren^[19] et al.(2006)等人的研究中都发现在中国大多数北方地区的水面蒸发量呈下降趋势。这些研究者想要用相关的气候变量来解释减少趋势的原因。然而，几乎没有系统的检验来处理所有可能的控制因素及其对趋势的相对贡献。

许多方法可以用来估计潜在蒸散量（如Xu,Chen^[24]，2005），各种方法之间的比较已经有人做过了（Jensen^[7] et al,1990;Li^[9] et al,2002;Liu^[13] et al,2003）。存在一个共识，就是基于能量平衡的Penman-Monteith方法有一个坚实的物理基础。因此，该方法能够准确地再现所有影响不同气候条件下的气候要素，可用于不同地区。在1990年，Penman-Monteith方法被推荐作为估算参考作物标准粮农组织蒸散量的标准方法。从那时起，该方法已被广泛应用于许多生态环境、作物需水量及干旱监测与评价研究中。这一方法在中国也得到了应用。然而，由于气候数据的局限或访问的限制，现有的作品主要集中在中国的部分（如Guo^[5] et al,2001;Feng^[4] et al,2004;Xu^[25] et al,2006）或在中国（如Thomas^[21],2000）所选的一小部分。这些研究并不能完全满足水资源评价和规划的要求。

我们使用Penman-Monteith方法专注于空间和时间变化的潜在蒸散量的估计。这种研究的具体目标是：1）估计中国1956-2000中每月的潜力蒸散量与Penman-Monteith公式的空间分析；2）研究10大流域以及国家的时间模式和潜在蒸散量的变化；3）确定主要气候因子，研究中国潜在蒸散量变化起到关键作用的因素。

图1 中国580个气象站和10大流域的分布图

（数字表示流域：1、松花江流域；2、辽河流域；3、海河流域；4、黄河流域；5、怀河流域；6、长江流域；7、中国东南部的河流；8、珠江流域；9、中国西南地区的河流；10、中国西北部的河流）

2 数据和方法

2.1 数据

1956-2000年间，中国580个站使用月平均日照时数（Su）、平均最高气温（Tm）、平均最低气温（Tn）、平均相对湿度（Hu）和平均风速（Wn）来估计潜在蒸散量，绘制了中国气象站中10个流域的分布图（图1）。根据月度估计，季度（春季：3月5日，夏季：6月8月，秋季：11月9月，冬季：2月12月）和年度的潜在蒸散量还在进一步计算。

2.2 Penman-Monteith方法

Penman-Monteith公式是用来计算参考植被的潜在蒸散量。其中参考下垫面为植被高度0.12m的草地，反照率为0.23。土壤被假定为有充分的水分。参考作物的蒸散量在这项研究中当作其潜在蒸散量。计算公式如下：

（1）

式中，ET₀为潜在蒸散发（mm/d）,R_n为净辐射（MJ /（m2·d））,G 为土壤热通量（MJ/m），T为平均气温（℃）,U₂为2m高处的风速（m/s（℃））,e_s为饱和水汽压（k Pa），e_a为实际水汽压（k Pa），Delta;为饱和水汽压曲线斜率，kPa/ ℃，gamma;为干湿常数，kPa/ ℃。

在计算辐射收支时，通常采用经验公式进行计算：

（2）

式中，Rs为太阳辐射（W/m2）；Ra为大气顶层的太阳辐射（W/m2）；S为太阳辐射的百分比，a_s和b_s为参数。根据Zhu (1982)的研究，确定了中国东北地区、东部平原区、西北干旱区和青藏高原地区四个地区的经验常数。其中a_s=0.25，b_s=0.5。

2.3评估季节、年度和地区的方法

一个地区的季节性和年度性被假定的异常变化小于各站之间的绝对值。因此，如果一个站点有一个缺失值，它的异常是以区域平均异常的平均值来计算的，计算公式如下：

i=1956,2000 （3）

式中，是指区域年平均值，i是指年度指标，是指相对于基准期1971-2000年由平均在该地区的所有可用站的异常值，是指1971到2000的区域平均值。

2.4部分相关分析

计算潜在蒸散量五个气候因子中，在确定潜在的蒸散量变化时哪个相对重要？答案可能来源于线性回归分析，因为强度的相关性可以用来衡量由某个因素引起的潜在蒸散量的程度。然而，只由一个单变量分析可能不太恰当，因为这五个因素可能是紧密联系在一起的。部分相关分析可以用来处理这个问题，因为它是寻找蒸散量和其他因素的影响“真正”相关性。这种假设部分相关性较大，因为更重要的是潜在变化的蒸散量的影响。

3结果与讨论

3.1空间分布特征

3.1.1年度和季节性潜在蒸散量的分布

低中心的年潜在蒸散量主要分布在中国的北部和东北部（图2）和黄河和长江上游的部分地区，因为空气温度低。由于日照条件差，气候潮湿，风速弱，另一亚低中心位于长江中游。每年的高中心蒸发量分布在西北地区大部分沙漠地区，因为其良好的辐射条件、强风和干燥气候的影响。云南省高中心和海南岛因高温而日照条件好。春季的平均蒸散量与年平均蒸散量是差不多的。夏季与春季相比，大部分地区的季节性值都在增加，中国西南部分地区的湿度下降更高，在冬季纬向格局明显。

图2 中国1956到2000年用Penman-Monteith方法估计的季节和年平均潜在蒸散量

（单位：mm）

表1中国10大流域季节性和年度性潜在腾发量

（根据1956-2000年的平均值）（单位：mm）

3.1.2 10大流域的区域平均潜在蒸散量

中国的年平均蒸散量为941.5毫米（1956～2000），28%的降水发生在春天，39%发生在夏天，22%发生在秋天，11%发生在冬天。中国西北的江河流域中年值是最大的，是由于充足的阳光和干燥的气候（表1）。松花流域正常的年平均气温在中国是最低的，同时在这里出现了最低的年度蒸散量。由于长江是年日照时数最小、风速相对较低、年蒸散量在中国南部地区最低以及相当潮湿的气候，导致长江流域出现了最低蒸发量。

图3 1956至2000中国10大流域和全国的潜在蒸散量时间序列。细线代表了正常的线，虚线表示的是年的潜力蒸散量，粗线是10年的移动平均，（*）表示的平均每十年。

由于春季的日照时间比较多，干燥空气和风速都比较强，所以春季的潜在蒸散量普遍大于秋季，除了东南部盆地和珠江三角洲地区。这些盆地位于中国的南部，受天气影响季风降水早于其他地方。在冬季，季节性潜在蒸散量从南到北逐渐减少。

3.2年变化趋势和季节性的潜在蒸散量

3.2.1年代际变化

中国近10年来的潜在蒸散量与20世纪60年代到70年代想比更加正常，自20世纪80年代以来（图3），松花江和黄河的南部以及东南部河流的平均潜在蒸散量一直保持低值，虽然有时在上升，但仍低于正常（黄河地区除外）。

3.2.2潜在蒸散量的年际和季节性趋势

中国大多数地区的年潜在蒸散量有下降的趋势，除松花江盆地呈增加的趋势出现（表2）。我国的潜在蒸散发以每年大约1.18毫米的速度下降，相差幅度在0.01。在过去45年中，区域平均相对变化率约为5.7%，这和Ren and Guo^[19] (2006)在中国在同一时期的蒸发皿蒸发的结果研究一致。此外，我们研究的年度趋势也与Chen^[2] et al. (2005)用同样方法估计的年度趋势相一致。春季、夏季和秋季的减少趋势在全年的减少中尤为重要。

表2 1956-2000年10大流域以及全国的季节潜在蒸散量趋势

（T表示趋势（毫米/年），RT相对于区域平均在45年中是变化的（%））

（注：* 在统计学上是0.01的显著性，#在统计学上是0.05的显著性。）

华南地区在过去的45年中，淮河流域和长江流域以及中国东南地区的流域和珠江流域在每年夏季表现出明显的减少趋势是非常具有研究价值的。而在中国西南地区的河流中，我们没有发现季节性或年度性的明显趋势。中国北方地区的变化更为复杂。在松花江流域，所有的季节性和年值都略有增加的趋势。在其他流域，每年的和季节性的值都有轻微下降的趋势。但在中国北部，除冬季外其他季节都均呈明显下降趋势。

3.3在1980-2000年、1956-1979之间潜在蒸散量变化的空间格局

将1956-1979、1980-2000年之间的年和季的潜在蒸散量的空间格局作一个比较。选择1980作为突破点是因为中国第一次水资源评估的研究期间是从1956到1979的，而自20世纪80年代以来，随着气候变暖的趋势（如Wei^[23] et al，2003）其潜在蒸散量发生了明显的变化。所以，气候变化对潜在蒸散量是如何影响的呢？

在中国的大部分地区，年平均年值呈下降趋势（图4）。但在一些地区如山东半岛、中国西南地区、宁夏回族自治区以及长江黄河地区近20年略有增加趋势。Li^[10] et al（2000）还发现，自上世纪80年代以来利用彭曼公式计算的蒸散量增加了。

1980和2000年间流域的潜在蒸散发普遍减少（表3），但不同的流域和季节变化是不同的。

图4 1980-2000和1956-1979年年平均蒸散发量（单位：mm）

在海河流域、长江流域、珠江流域以及西北地区，每年潜在蒸散量的下降具有研究意义，蒸散量减少到31.5毫米到56.4毫米，与之前相比缩减了。对于这些流域，每年的大部分的潜在蒸散量的递减发生在夏季，海河和珠江流域在春季。

除了春季的辽河流域和夏季的黄河流域，其他流域的年和季节的潜在蒸散量的下降趋势一般不明显，冬季的松花流域和秋季的黄河流域的出现了小趋势增加。

表31956-1979年10大流域和全国的年和季节性的潜在蒸散量的绝对差异和相对差异

（D：绝对差（毫米）；RD：相对差（%））

（符号的含义与表

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