7 秦岭南北潜在蒸散量时空变化及突变特征分析_蒋冲.pdf

第 卷第期 年月长江流域资源与环境 秦岭南北潜在蒸散量时空变化及突变特征分析蒋冲，王飞，穆兴民，李锐，（西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 ；中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 ；北京师范大学全球变化与地球科学研究院地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 ）摘要：根据秦岭南北 个气象站 年逐日数据，利用 公式计算出各站的潜在蒸散量（）。采用样条曲线插值法（）、气候倾向率、突变点检测、相关分析等方法对该区 的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行了分析。结果表明：（）研究区多年平均 为 ，空间分布呈东高西低格局。各分区按其大小排序为秦岭以北秦岭南坡汉水流域巴巫谷地。四季 分布特征与年尺度上的结论基本一致，个季节按其大小排序为夏季春季秋季冬季；（）近 下降的站点占本区站点总数的比例排序为汉水流域秦岭南坡巴巫谷地秦岭以北，秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北 下降更明显，春季大部分（）站点 上升，夏季绝大部分（）站点显著下降，秋季和冬季变化趋势不明显；（）年尺度和春季 突变点集中出现在 年和 年，夏季 的站点发生了突变，其中 发生于 年，秋季和冬季的突变特征无明显规律可言；（）夏季降水与潜在蒸散量变化趋势的空间分布整体上呈相反趋势，呈相反趋势的站点占站点总数的，秋季则达到。个站点中绝大多数 与日照时数、最高气温、平均气温和平均风速呈显著水平（）的正相关关系，相关系数排序为日照时数最高气温平均气温平均风速。风速和日照时数的降低是导致秦岭南北 减少的主导因素，风速和日照时数的下降导致夏季和冬季 减少，气温上升导致春季和秋季 增加或整体保持稳定。关键词：秦岭南北；潜在蒸散量；时空变化；突变点；影响因素中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）“基于相同气候条件的人类活动对河流水沙影响定量评价 以黄土高原延河流域为例”；中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金项目（）“北方旱区表层土壤水分遥感监测试验研究”；中荷联合主题研究项目“渭河流域 水环境问题综合治理对策研究”（中 国 科 学 院对 外合 作 重点项目，）作者简介：蒋冲（），男，黑龙江省哈尔滨人，硕士研究生，主要研究方向为气候变化及其环境效应 ：通讯作者 ：潜在蒸散量（又称参考作物蒸散量）是重要的气候要素之一，是水循环过程中除降水和径流外最为重要 的 组 成 部 分，也 是 众 多 水 文 模 型 的 输 入 变量，在水量平衡和能量平衡中起到非常关键的作用，。另一方面，潜在蒸散发是农田灌溉管理、作物需水量估算、稀缺资料地区水量平衡等研究中的重要参量，分析其时空变化以及影响其变化的因素有助于农业水资源优化配置和气候变化对水资源的影响研究。全球变暖促使蒸散速率加快，使得大气传输更多的水汽从而加快水循环，而这一过程会加快水资源不均衡分布的发展。因此，在气候变化背景下深入研究潜在蒸散的时空变化就显得尤为重要，这不仅有利于水资源的合理利用，也有助于深入理解生态环境水分需求的时空变化。估算潜在蒸散的方法很多，如 法、温度估计法、辐射能量法、质量传导法和水平衡法，上述方法大多是基于一种或多种气象指标，如气温、太阳辐射、相对湿度和风速等。这些方法在某些研究区域适用性较好，但在应用于其它地区，特别是所需相关参数没有结合当地资料精确校准时往往会产生较大误差。公式是世界粮农组织推荐的一种估算潜在蒸散的标准方法，其准确性和可靠性在包括中国在内的全球众多不同气候区得到了广泛认可。近些年来，随着水资源短缺的日益加剧，越来越多的学者 结合 公式从不同角度和多种尺度上针对潜在蒸散的空间分布、时空变化及其影响因素进行了深入分析，取得了很多有意义的结论。刘昌明、尹云鹤、高歌、丛振涛 等使用 公式及其改进形式对全国尺度近 来的潜在蒸散量时空变化及其影响因素进行了分析；裴超重、史建国、马雪宁、张东、左德鹏、刘健、吴必文 等也分别对流域尺度（长江源区、黄河流域、汉江上游、渭河流域、鄱阳湖）和区域尺度（安徽省）进行了分析。上述分析普遍对潜在蒸散量和蒸发皿蒸发量的时空变化进行了较为详尽的分析，揭示了“蒸发悖论”现象在全国和区域尺度上的普遍存在，并且综合运用相关分析、偏相关分析、敏感性系数等方法对导致蒸发量下降的原因进行了探讨，初步得出风速下降和日照变短是导致蒸发下降的主要原因，其影响程度超过了温度升高的作用。尽管目前对于蒸发皿蒸发量和潜在蒸散量变化的研究已经由单纯描述分析现象转向了成因和机理的分析，但是在区域尺度上揭示两者的时空变化及其突变特征仍然具有非常重要的意义。主要是由于上述研究的研究区域过大，对于重要地理界线南北差异、气候过渡区域和生态环境敏感区关注度相对不足。秦岭地处暖温带与北亚热带过渡区，是中国气候上的南北分界线，也是南水北调中线工程水源地，在地理和生态等相关学科研究中具有极其重要的地位。但对于秦岭南北气候演变及其对水资源的影响的研究相对较少，已经开展的研究 也大多局限于气温、降水和径流等常规水文气象要素的单因子分析，对于潜在蒸散量的时空变化和突变特征研究极少，研究区域也大多局限于陕西境内的秦岭山脉（关中陕南一带）。因此，本研究在前人工作基础上采用秦岭南北 个站近 的气象数据结合 公式计算潜在蒸散量，运用空间插值、突变点检验等方法分析其空间分布、时空变化和突变特征，以期为这一地区正在开展的南水北调中线水源涵养工程和生态环境建设提供一定的理论依据。研究区概况秦岭南北及其内部的落叶与常绿阔叶林生态区（以下简称生态区）主要包括秦岭北坡及其以北的暖温带、秦岭南坡及其以南的北亚热带、秦岭以南的巴山、巫山谷地及江汉平原西北部（如图）。该区地处暖温带与北亚热带过渡区，是中国气候上的南北分界线。年均气温 ，的年积温为 ，年均降水量 ，降水!#$%&()*+,-./012*345/6/789:;?7)A7*BCDEF#GHIJFAKL-CMNOPQRSA#TUVWXYZ)-0&_*.abScO6defg)h29Siaj_Kklmanopqrstuvwxyuvw0 40 80 160 240 320kmNz图研究区范围及气象观测站点分布 变率大，季节分配不均匀。本区植物资源极为丰富，地带性植被为常绿落叶阔叶混交林，植被垂直分布显著。数据与方法 数据来源本研究采用的气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（：），选用秦岭南北要素较为完备的 个国家气象观测基准站 年间逐日数据，主要包括逐日最高气温、最低气温、平均风速、平均气压、相对湿度和日照时数等，年间 口径蒸发皿蒸发量逐月观 测数 据 来 源 于 黄土高原 生 态 环 境 数 据 库（：）。按照 月至次年月为冬季，月为春季，月为夏季和 月为秋季的标准通过算术平均法建立了年、季节潜在蒸散量的变化序列。本文自北向南将研究区分为个子区域：一是秦岭北坡及其以北的暖温带地区（简称“秦岭以北”）；二是秦岭南坡，包括伏牛山及其以东平原（因大部分区域属秦岭南坡山地，简称“秦岭南坡”）；三是秦岭以南的汉水谷地、巴山、涢水谷地及淮河上游北亚热带地区（因大部分区域属汉水流域，简称“汉水流域”）；四是巴山南麓、巫山谷地及江汉平原西北部（简称“巴巫谷地”）。研究方法 公式及其区域准确性验证采用世界粮农组织（）年修正的 公式计算潜在蒸散量，众多研究表明 公式计算的潜在蒸散量在不同的气候条长江流域资源与环境第 卷件下都与实测值非常接近。（）（）（）（）式中：为潜在蒸散量（）；为地表净辐射（）；为土壤热通量（）；为 高处日平均气温（）；为 高处风速（）；为 饱 和 水 气 压（）；为 实 际 水 汽（）；为饱和水气压曲线斜率（）；为干湿表常数（）。我国观测气温、湿度的气象仪器高度一般为 左右，风速感应器（风杯中心）距地高度 。由于 和 高处的气温、湿度相差不大，在本研究中将 和 高处的气温、湿度差别忽略不计，以常规 处的气温、湿度记录近似代替 处的气温、湿度值，并利用公式（）订正到高处的风速。（）（）式中：为高处的风速（）；为 高处测量的风速（）；为风速计距地面高度（）。虽然目前 公式被广泛应用于潜在蒸散量的计算，也有很多学者在全国 和区域 尺度上对其准确性和实用性进行了验证，但本文的研究区域山地气候较为特殊，山地河谷地形极为复杂，秦岭、大巴山、米仓山、关中盆地、汉江谷地和 四 川 盆 地 交 错 分 布，海 拔 最 高 处 太 白 山 达 ，海拔落差极大，加之气温和降水等气象要素随海拔高度变化较为明显，因此有必要在这一复杂地形和气候条件下对 公式的准确性和适用性进行进一步验证。采用 年陕西、甘肃、四川、湖北和重庆境内的 余个站点的 口径蒸发皿蒸发量逐月观测数据与 公式的计算结果进行对比。尽管蒸发皿蒸发量并不等于地表的实际潜在蒸散发量，但两者都反映一定气候条件下蒸散发能力，它们之间有良好相关性。相关分析结果表明，两者逐年多站平均、逐站多年平均和逐站逐年的复相关系数分别高达 、和 ，潜在蒸散量与蒸发皿蒸发量的复相关系数普遍较高，特别是就逐年多站平均而言，且复相关系数明显高于刘昌明等使用同样方法在全国尺度的分析结果，由此说明 公式较好地适用于秦岭南北地区潜在蒸散量的估算。非参数变点检验方法 变点检测方法由 提出，基于非参数检测一个序列的变点，计算较简便，可以明确变化的时间，能够较好地识别序列分布的突变点，在变点检测方法中应用较多且物理意义明确，具体算法见参考文献 、。插值法 插值法能够在空间插值时准确地通过实测样点拟合出连续光滑的表面，为了验证其是否适用于研究区，在研究区选取 个气象站（个插值 站，个 验 证 站）对 法、法 和 法做了验证，研究证实 法、法和 法与计算值都有较强的相关性，法（，）；法（，）；法（，），法与计算值相关性最强，通过线性回归方程修正后最大误差为，平均绝对误差为，误差较小。结果与分析 潜在蒸散量空间分布研究区多年平均潜在蒸散量为 ，空间分布呈东高西低格局（如图），东部郑州（）、孟津（）、三门峡（）等地较高，西部天水（）、汉中（）、岷县（）等地相对较低，中部卢氏、栾川和房县等地也相对较低。从各分区来看（见表），按其大小排序为秦岭以北秦岭南坡汉水流域巴巫谷地。季节尺度上，四季蒸散量分布特征与年尺度上的结论基本一致（图略），个季节按其大小排序为夏季春季秋季冬季，占年总量的百分比分别为 、和 。春季和夏季均以秦岭以北的蒸散量最大，秋季汉水流域最大，冬季则以秦岭南坡最大。潜在蒸散量时空变化近 来，各子区年蒸散量变化趋势较为一致（如图），的站点呈下降趋势，且部分站点达到 及以上的显著水平。下降的站点占本区站点总数的比例分别为秦岭以北（个站），秦岭南坡（个站），汉水流域（个站），巴巫谷地（个站），秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北蒸散量下降更明显，各个站点季节潜在蒸散变化趋势的空间分布如图（）。春季，的站点呈上升趋势，显著上升（）的站点集中于东部地区，增速最大的为麻城（），减少最大的为西华（）；夏季，大部分站第期 蒋冲，等：秦岭南北潜在蒸散量时空变化及突变特征分析!#$%&()*+,-./#012/3456/789:;,?A,B9C9DEFGHIJKLMNOAPQ BRSTUVWXYZ(,8_=)a;b;cde.#fYghijk;lmnop#0qrst.pu;vt?wxyz|.mm1168 3459 4km0 50 100200300400ND*图年潜在蒸散量空间分布 表年和季节平均潜在蒸散量 地理区域年春季夏季秋季冬季秦岭以北 秦岭南坡 汉水流域 巴巫谷地 秦岭南北 点（）呈显著（）下降趋势，减速最大的为宝丰（），只有临洮、岷县等站显著增加，其余站点变化不明显；秋季，大部分地区变化不明显，上升和下降的站点各占约，但升降趋势达到显著水平的站点仅为，且空间分布亦Nkm0 50 10020030040012!#$%&($%&$%)*($%)*a+,12!#$%&($%&$%)*($%)*Nkm0 50 100200300400c-.N12!#$%&($%&$%)*($%)*km0 50 100200300400b/.N12!#$%&($%&$%)*($%)*km0 50 100200300400d 0.N-.!#$%&($%&$%)*($%)*km0 50 100200300400e+,图年（）和季节（）潜在蒸散量变化趋势空间分布 （）（）长江流域资源与环境第 卷无明显规律，下降最快的为西华（），上升 最 快 的 为 华 山（）；冬 季，（）的站点下降（上升），仅有 达到显著水平，零星分布于不同区域，增速最大的为武都（），减速最大的为宝丰（）。年代际距平分析见表，夏季和全年蒸散的年代际规律较为一致，为正距平，蒸散量相对较大，正距平最大，说明它是近 蒸散量 最 大 的。为 负 距 平，以 负距平最大，说明其是蒸散量最小的，蒸散量也 相对较 小；秋 季 的 蒸 散 量 经 历 了“负正负正负”交替变化的阶段，且距平值相对较小，表明其年际变化不甚明显；春季的蒸散量自 起先下降后上升，进入 又转向偏低水平，大幅跃升至 ；冬季的蒸散量变化规律为“正正负正负”。表季节、年潜在蒸散量年代际距平 年代春季夏季秋季冬季年 潜在蒸散量突变特征分析应用 非参数变点检验方法对各站点年和季节潜在蒸散量序列进行变点检测并展布于空间分布图上，如图（）所示。由图（）可知，年尺NN1993199319931993199319931993199319791979197919791979197919791979197919791979197919791979 197919791979197919791979197919871978199319891971198119711981197919741974197119791981 19811980196919711981N0 50 100 200 300 400km!#$%&(0 50 100 200 300 400km!#$%&(0 50 100 200 300 400km!#$%&(N0 50 100 200 300 400km!#$%&(199319931993199319931993199319931993199319931993199319811981198119811981198119811981198119811981198819781997197919871981199319931979197919791979197919791979197919791979197919791979197919791979197919791979197919791979 1979197919791979197919791979197919791979197919791979197919791979197919791974196919741979197919851985197919791979198519791986198119791979197919941991a)*+b,-c.-d/-N0 50 100 200 300 400km!#$%&(1976197819861979197919791979197919831981198319931974e)*图年（）和季节（）潜在蒸散量突变空间分布 （）（）第期 蒋冲，等：秦岭南北潜在蒸散量时空变化及突变特征分析度上除松潘、武都、西峡等个站外，其余 个站点的年蒸散量均检测到统计意义上的变点，全部达到 及以上的显著水平。突变点集中出现在 年和 年，只有零星站点出现于 年（驻马店）和 年（卢氏）。四季突变年份空间分布如图（），春季突变年份也集中于 年间和 年，阆中站于 年发生减小的突变，但整体上春季突变站点的个数明显小于年尺度，且空间分布也主要局限于秦岭以北和秦岭南坡，汉水流域和巴巫谷地突变较少；夏季各站点的突变特征较为明显，整体上呈均匀分布，的站点发生了增大或减小的突变，且全部达到 以上的显著水平，突变站点中的 发生于 年。秋季和冬季的突变特征不甚明显，突变年份和空间分布无明显规律性可言。潜在蒸散量与降水的关系降水与潜在蒸散量是水文循环中的两个重要环节，在能量条件不变时，随降水的增加，潜在蒸散量将有所下降。秦岭南北大部分地区雨热同期，高温与降水集中于夏秋季节，降水的多寡影响潜在蒸散量，因此有必要就降水量与潜在蒸散量之间的关系进行分析。由于研究区域地形较为复杂，高大山脉阻隔作用明显，大气环流和季风环流影响复杂，降水的季节分配极不均匀，表现出冬春降水少，夏秋降水多的特征。因此，本文主要分析降水年际和夏秋季变化，最后对夏秋季降水和潜在蒸散量之间的变化趋势进行分析。年，研究区（个站）的站点降水减少，各区减幅较大的站点依次为华山（）、栾 川（）、枣 阳（）和广元（）。年大部分站点的降水增多，占站点总数的 以上，各区降水增加的站点所占比例分别为秦岭以北（个站），秦岭南坡（个站），汉水流域（个站），巴巫谷地（个站）。近 部分地区降水表现出不显著的下降趋势，且区域特征明显（图略）。夏季降水与潜在蒸散量变化趋势的空间分布整体上呈相反趋势（图略），呈相反趋势的站点占站点总数的，秋季则达到。潜在蒸散量影响要素分析采用相关分析法对位于秦巴山地落叶与常绿阔叶林生态区内的 个站点可能影响蒸散量变化的气象要素（日照时数、平均气温、最高气温和最低气温代表热力学因素，风速代表动力学因素，相对湿度代表水分条件）进行分析，并以此找到蒸散量的主要影响因素，年尺度分析结果见表。个站点呈现表潜在蒸散量与各气象因子的相关系数 站点日照时数平均气压平均气温最高气温最低气温相对湿度平均风速安康 宝丰 房县 佛坪 汉中 华山 老河口 卢氏 栾川 略阳 孟津 南阳 三门峡 商县 石泉 天水 万源 武都 西峡 枣阳 镇安 郑州 钟祥 注：表示相关关系达到 显著水平；表示相关关系达到 显著水平长江流域资源与环境第 卷出的分析结果较为一致，绝大多数站点的蒸散量与日照时数、最高气温、平均气温和平均风速呈 显著水平的正相关关系，相关系数排序为日照时数最高气温平均气温平均风速。日照是热量的来源，其与温度有较好的一致性的变化趋势，日照时间延长和温度升高会直接或间接促使蒸散量上升；风速增大也会加快空气中水汽分分子的运动速率从而加快蒸散发；蒸散量与最低气温相关系数较小且大部分未达到显著水平，说明最低气温这一指标对蒸散量影响甚小。另一方面，蒸散量与相对湿度呈负相关关系，且绝大多数达到 显著水平，说明湿度的增加会对蒸散量的提高起到负向作用。季节尺度上，不同气候因子对 的影响程度不同（表略），对春季 影响较大的因子是日照时数、气温和风速，夏季是风速、日照时数和空气湿度，秋季是风速和气温，冬季是风速和日照时数。春季，日照时数和气温的上升趋势达到了 显著水平，风速呈下降趋势（），气温升高和日照延长一定程度上导致了 的增加；夏季，风速和日照时数的下降趋势显著（），而湿度变化不显著，因此可以推断是风速和日照时数的下降导致了夏季 减小；秋季，气温和风速的变化趋势空间分异明显，有部分站点达到了 显著水平，在两者的正向和负向作用下 呈现出升降变化交错分布的空间格局；冬季，风速和日照时数下降趋势都很显著（），在两者的共同作用下大部分站点 下降。总体来看，近 风速、日照时数和气温变化明显，风速和日照时数的降低是导致秦岭南北 减少的主导因素，风速和日照时数的下降导致夏季和冬季 减少，气温上升导致春季和秋季 增加或整体保持稳定。结论与讨论（）研究区多年平均潜在蒸散量为 ，空间分布呈东高西低格局。各分区按其大小排序为秦岭以北秦岭南坡汉水流域巴巫谷地。季节尺度上，四季蒸散量分布特征与年尺度上的结论基本一致，四个季节按其大小排序为夏季春季秋季冬季。春季和夏季均以秦岭以北的蒸散量最大，秋季汉水流域最大，冬季则以秦岭南坡最大。（）近 来，的站点蒸散量呈下降趋势，下降的站点占本区站点总数的比例排序为汉水流域秦岭南坡巴巫谷地秦岭以北，秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北蒸散量下降更明显。春季 站点蒸散量上升，夏季 站点显著下降，秋季和冬季变化趋势不明显。蒸散量的时空分布和倾向率表现出从北至南的整体变化和空间不连续特征，这一方面证实了气候变化背景下潜在蒸散量的纬度差异，一方面也反映了区域地形的影响。秦岭南北复杂的地形条件在很大程度上会影响到该地区的气温、降水、风速等气象因子的分布态势，进而影响该地区蒸散量的空间分布。（）非参数变点检验分析表明，年尺度上 的站点的年蒸散量均检测到 及以上的显著水平的突变。突变点集中出现在 年和 年。季 节 尺 度 上，春 季 突 变 年 份 集 中 于 年和 年；夏季各站点的突变特征较为明显，的站点发生了增大或减小的突变；秋季和冬季的突变特征不甚明显。（）夏季降水与潜在蒸散量变化趋势的空间分布整体上呈相反趋势，呈相反趋势的站点占总数的，秋季则达到。蒸散量与日照时数、最高气温、平均气温和平均风速呈 显著水平的正相关关系，相关系数排序为日照时数最高气温平均气温平均风速。参考文献：，：，：，：，：，：，（，），：，第期 蒋冲，等：秦岭南北潜在蒸散量时空变化及突变特征分析 ，：，：，：刘昌明，张丹中国地表潜在蒸散发敏感性的时空变化特征分析 地理学报，（）：尹云鹤，吴绍洪，戴尔阜 年我国潜在蒸散时空演变的归因 科学通报，（）：高歌，陈德亮，任国玉，等 年中国潜在蒸散量变化趋势 地理研究，（）：丛振涛，倪广恒，杨大文，等“蒸发悖论”在中国的规律分析水科学进展，（）：裴超重，钱开铸，吕京京，等 长江源区蒸散量变化规律及其影响因素现代地质，（）：史建国，严昌荣，何文清，等 黄河流域潜在蒸散量时空格局变化分析干旱区研究，（）：马雪宁，张明军，王圣杰，等“蒸发悖论”在黄河流域的探讨 地理学报，（）：张东，张万昌，徐全芝 汉江上游流域蒸散量计算方法的比较及改进 资源科学，（）：左德鹏，徐宗学，程磊，等渭河流域潜在蒸散量时空变化及其突变特征资源科学，（）：刘健，张奇，许崇育，等近 年鄱阳湖流域实际蒸发量的变化及影响因素 长江流域资源与环境，（）：吴必文，温华洋，叶朗明，等安徽地区近 年蒸发皿蒸发量变化特征及影响因素初探 长江流域资源与环境，（）：周旗，卞娟娟，郑景云秦岭南北 年的气温与热量资源变化地理学报，（）：张善红，白红英，高翔，等太白山植被指数时空变化及其对区域温度的响应自然资源学报，（）：白晶秦岭南北气候变化特征及人为驱动力差异分析西安：陕西师范大学硕士学位论文，宋春英，延军平，张立伟陕西秦岭南北旱涝灾害时空变化趋势分析干旱区研究，（）：张立伟，延军平，耿慧娟陕西秦岭南北年均气温及降水量带的移动陕西师范大学学报（自然科学版），（）：，（）：符淙斌，王强 气候突变的定义和检测方法 大气科学，（）：，：，：丛振涛，倪广恒，杨大文，等“蒸发悖论”在中国的规律分析 水科学进展，（）：，（，；，；，）：（），长江流域资源与环境第 卷 （），（），；，；，（），（），：；第期 蒋冲，等：秦岭南北潜在蒸散量时空变化及突变特征分析