1 引言

蒸发是地表水分平衡的重要组成部分(张强等, 2007), 是水循环中直接受土地利用和气候变化影响的一项。同时, 蒸发也可以减小辐射向感热的转化, 增加空气湿度, 提高最低气温及降低最高气温, 对气候起到调节的作用(卢磊等, 2011)。因此, 陆面蒸发一直是国内外气象、水文学者研究的重要问题之一。观测蒸发量的常用仪器为蒸发皿, 蒸发皿蒸发观测资料累积序列长, 且其受地表附近的微物理气象条件影响显著, 对气候变化的响应比实际蒸发更强烈(张强等, 2011)。

全球变暖及其对天气、气候的影响一直是人们关注的重点, 理论上讲, 在全球变暖的背景下, 地表接收到的能量增加, 水分循环加剧, 会使蒸发皿蒸发量增加(Roderick et al, 2002; 左洪超等, 2005)。然而, 许多观测事实却恰好相反, 随着气温的升高, 蒸发皿蒸发量呈现出显著下降的趋势(Breña-Naranjo et al, 2017; Padmakumari et al, 2013; 谢平等, 2008; 史军等, 2008; 刘波等, 2008)。这种现象被称为“蒸发佯谬”(Brutsaert et al, 1998)。但关于“蒸发佯谬”的机理, 存在不同看法。Peterson et al(1995)认为由于云量的增加, 导致了蒸发皿蒸发量下降; Brutsaert et al(1998)认为是陆地蒸发量增加引起的蒸发皿蒸发量的减少; Roderick et al(2002)认为主要是太阳总辐射减少而造成了这种现象。国内也有许多气象工作者针对“蒸发佯谬”进行了研究(王兆礼等, 2010; 张婷婷等, 2013; 杨甫乐等, 2014; 鲍振鑫等, 2014, 郭晨露等, 2017)。Zhang et al(2016)研究发现“蒸发佯谬”并不是必然存在的, 位于黄土高原的定西站蒸发皿蒸发量的变化与其他地区不同, 呈现为显著的上升趋势。

然而, 并非只有定西一个站点出现了蒸发皿蒸发量上升的现象, 在夏季风影响过渡区内许多站点蒸发皿蒸发量均表现出上升的趋势。夏季风影响过渡区是我国腹地形成的一个“西南-东北”分布的夏季风北边缘摆动带。由于夏季风边缘并不固定, 使得夏季风影响过渡区的气候受季风影响明显, 因此, 有必要根据受夏季风影程度的不同, 将中国分为三个气候区, 即夏季风区、夏季风影响过渡区和非夏季风区(Qian et al, 2009), 对不同地区蒸发皿蒸发情况进行对比, 确定不同地区蒸发皿蒸发量对各气象因子的敏感程度, 分析造成不同地区蒸发皿蒸发量变化差异的原因。本文分别以南昌、定西、乌鲁木齐作为夏季风区、夏季风影响过渡区以及非夏季风区的代表, 探讨不同地区蒸发皿蒸发趋势差异的原因。

2 资料与方法 2.1 资料

选择南昌、定西、乌鲁木齐作为代表站[图 1, 文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2888号的中国地图制作, 底图无修改]来研究夏季风区、夏季风影响过渡区及非夏季风区蒸发皿蒸发趋势及其影响因子。南昌位于江西中部偏北, 赣江、抚河下游, 鄱阳湖西南岸, 毗邻长江三角洲、珠江三角洲和闽南金三角, 全境山、丘、岗、平原相间, 属于亚热带湿润季风气候, 受夏季风影响显著。定西位于甘肃省中部, 地处黄土高原西部边缘地带和西秦岭末端, 地势东低西高, 为典型的黄土高原丘陵地貌, 黄土高原恰位于夏季风影响过渡区。乌鲁木齐市地处北天山北坡, 准噶尔盆地南缘, 位于亚欧大陆腹地, 属于中温带大陆性干旱气候。

通过相关性分析, 南昌蒸发皿蒸发量与夏季风区的郑州、驻马店和武汉蒸发皿蒸发量的相关系数分别为0. 543 9, 0. 501 7和0. 293 4;定西蒸发皿蒸发量与夏季风影响过渡区的榆中、庆阳和天水蒸发皿蒸发量的相关系数分别为0. 701 5, 0. 546 2和0. 785 0;乌鲁木齐蒸发皿蒸发量与非夏季风区的哈密、喀什和伊宁蒸发皿蒸发量的相关系数分别为0. 721 0, 0. 445 9和0. 357 3。可以看出三站与同区域其他站点蒸发皿蒸发量变化呈显著正相关(通过了α=0. 05的显著性检验)。因此, 南昌站、定西站和乌鲁木齐站蒸发皿蒸发情况可以较好的代表夏季风区、夏季风影响过渡区及非夏季风区蒸发皿蒸发情况。

数据来自南昌、定西、乌鲁木齐3个常规气象站1961—2010年的观测资料, 包括逐月平均气温、平均降水量、月日照时数、平均低云量、平均相对湿度、平均风速和月蒸发量。其中对于蒸发量的观测, 中国常规观测中使用E601B蒸发皿(直径62 cm)和20 cm蒸发皿(直径20 cm, 下称E20)两种类型的蒸发皿, 分别在非冻结和冻结情况下使用(陈伯龙等, 2013)。不同站点不同时期蒸发皿使用情况如表 1。

由于E20测得的蒸发量比同期E601B测得的蒸发量明显偏大, 为了得到同一种蒸发皿测得的蒸发量, 需要对两种蒸发皿得到的蒸发量数据进行均一化。计算公式为:

$ {E_s} = {E_b}/K, $

(1)

式中: E_s为E20型蒸发皿测得的蒸发量; E_b为E601B型蒸发皿测得的蒸发量; K为两类蒸发皿的均一化系数。南昌、定西和乌鲁木齐的均一化系数分别为0. 676 3, 0. 551 3和0. 662 0。

2.2 方法 2.2.1 趋势检验

主要采用Mann-Kendall(简称MK)趋势检验法进行趋势分析。由于MK检验法是一种非参数方法, 不需要遵从一定的分布, 也不受少数异常值的干扰, 因此该方法受到世界气象组织的大力推荐。MK检验法主要是通过计算统计量τ、方差σ_t²和标准化变量M来判断序列趋势是否显著。计算公式如下(刘敏等, 2009):

$ M = \tau /\sigma, $

(2)

其中:

$ \tau {\rm{ = }}\frac{{4S}}{{N\left({N - 1} \right)}} - 1, $

(3)

$ \sigma _t^2 = \frac{{2\left({2N + 5} \right)}}{{9N\left({N - 1} \right)}}, $

(4)

式中: S为序列所有对偶观测值(X_i, X_j, i＜j中X_i＜X_j)出现的次数; N为序列长度。本文取α=0. 05的显著水平, 如果一时间序列在此置信水平下存在显著变化趋势, 则|M|>M_α/2=1. 96。M值为正, 表明具有上升或增加趋势; M值为负, 则意味着下降或减少的趋势。

2.2.2 敏感性分析

敏感性分析的方法有很多, Zhang et al(2011)在研究参照蒸发量敏感性因子的过程中, 利用参照蒸发量与4种气象要素MK趋势统计量的相关关系分析了参照蒸发量与4种气象要素的敏感性, 其机理在于因变量与自变量变化趋势越相似, 因变量与自变量之间的敏感性越强, 本文将采用该方法进行敏感性分析。

3 结果与讨论 3.1 蒸发皿蒸发量趋势分析

图 2给出了1961—2010年南昌、定西和乌鲁木齐蒸发皿蒸发的倾向率, 位于夏季风区的南昌站与位于非夏季风区的乌鲁木齐站蒸发皿蒸发的倾向率分别为-150. 7 mm·(10a)^-1和-206. 1 mm·(10a)^-1, 而位于夏季风影响过渡区的定西站蒸发皿蒸发的气候倾向率为50. 3 mm·(10a)^-1。说明夏季风区和非夏季风区蒸发皿蒸发量是呈下降趋势的, 而夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发量呈现为上升趋势。夏季风影响过渡区与非夏季风影响过渡区(夏季风区和非夏季风区)蒸发皿蒸发趋势相反。

3.2 蒸发皿蒸发量对气象因子的敏感性分析

蒸发皿蒸发是多个气象因子共同作用的结果, 蒸发皿蒸发过程对天气条件和周围环境的变化较为敏感(陈伯龙等, 2017)。从南昌、定西和乌鲁木齐蒸发皿蒸发量与各种主要气象因子的MK统计量的相关系数(图 3)可以看出, 南昌站蒸发皿蒸发量对日照时数、降水量、低云量以及风速十分敏感, 对相对湿度不敏感。尽管年蒸发皿蒸发量与年平均温度的MK统计量的相关系数满足了显著性条件, 但由于温度与蒸发皿蒸发量理论上为正相关关系, 因此, 南昌站蒸发皿蒸发量对温度并不敏感。定西对温度、相对湿度、低云量、降水量、风速较为敏感, 对日照时数不敏感。乌鲁木齐对日照时数、相对湿度、降水量、风速十分敏感, 对温度和低云量不敏感。三个地区对不同气象因子的敏感性并不相同。

3.3 不同地区蒸发皿蒸发趋势不同的原因 3.3.1 影响季风区蒸发皿蒸发的原因

我国大部分地区受夏季风影响, 夏季风区降水偏多, 较为湿润。结合趋势检验(表 2), 从南昌站温度、日照时数、风速、相对湿度、降水以及低云量的变化趋势(图 4)可以看出, 50年间南昌站平均温度和平均低云量呈显著上升趋势, 平均风速呈显著下降趋势。年日照时数有上升趋势, 平均相对湿度先增后减, 年降水量有下降趋势, 变化均不显著。温度的变化有利于蒸发皿蒸发, 而低云量和风速的变化不利于蒸发皿蒸发。由于南昌站对温度和相对湿度并不敏感, 因此, 造成该地区蒸发皿蒸发量下降的原因是年降水量和平均低云量的增加以及年日照时数和平均风速的减少。

3.3.2 影响夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发的原因

由于每年夏季风爆发后向北推进的程度不同, 使得夏季风影响过渡区在某些年份受到季风的影响, 某些年份又不受季风的影响, 当夏季风影响出现年际变化时, 夏季风影响过渡区最容易受到影响(汤旭等, 2007)。结合趋势检验(表 2), 从定西站各气象因子的变化趋势(图 5)可以看出, 50年间定西站平均温度呈显著上升趋势, 平均相对湿度和平均低云量呈显著下降趋势。年降水量有下降趋势, 年日照时数和平均风速有上升趋势, 但变化均不显著。各因子的变化均有利于蒸发皿的蒸发。由于, 定西站蒸发皿蒸发量对日照时数并不敏感, 因此, 造成该地区蒸发皿蒸发量上升的原因是平均温度和平均风速的增加以及平均相对湿度、年降水量和低云量的减少。

3.3.3 影响非季风区蒸发皿蒸发的原因

我国西北西部位于欧亚大陆腹地, 不受夏季风影响, 属于非夏季风区。结合趋势检验(表 2), 从乌鲁木齐站各气象因子的变化趋势(图 6)可以看出, 50年间乌鲁木齐站平均温度、年降水量和平均低云量呈上升趋势, 年日照时数和平均风速呈下降是趋势, 平均相对湿度变化不明显。温度变化有利于蒸发皿蒸发, 而日照时数、降水量、低云量和风速的变化不利于蒸发皿蒸发。由于, 乌鲁木齐站对温度和低云量不敏感, 因此, 造成该地区蒸发皿蒸发量下降的原因是年降水量的增加以及年日照时数和平均风速的减小。

3.3.4 不同地区蒸发皿蒸发量变化趋势不同的原因

在全球变暖背景下, 夏季风区、夏季风影响过渡区和非夏季风区温度变化趋势一致, 均表现为显著上升趋势。汤旭等(2007)研究表明, 夏季风北边缘位置偏南年, 西北地区东部降水偏少。西北地区东部恰属于夏季风影响过渡区, 近年来夏季风北边缘位置南退(Zhang et al, 2016), 造成了夏季风影响过渡区内降水减少, 气候暖干化明显(Zhang et al, 2016), 同时也造成季该地区低云量的减少[图 5(b)]。然而, 夏季风区和非夏季风区降水增多, 低云量也表现为不同程度的上升趋势[图 4(b), 图 6(b)]。因此夏季风影响过渡区与非夏季风影响过渡区年降水量和平均低云量的相反的变化, 是造成蒸发皿蒸发趋势相反的一个重要原因。此外, 季风区和非季风区对平均风速十分敏感, 且夏季风影响过渡区内风速变化趋势与季风区和非季风区风速变化趋势明显相反[图 4(a), 图 5(a), 图 6(a)], 因此, 风速也是造成蒸发皿蒸发趋势相反的原因。

4 结论

选取了南昌、定西和乌鲁木齐作为夏季风区、夏季风影响过渡区和非夏季风区的代表站, 初步分析了不同地区蒸发皿蒸发情况, 探讨了造成蒸发皿蒸发差异的原因。得到以下主要结论:

(1) 不同地区蒸发皿蒸发趋势差异很大。定西、南昌和乌鲁木齐蒸发皿蒸发的倾向率分别为50. 3 mm·(10a)^-1, -150. 7 mm·(10a)^-1和-206. 1 mm·(10a)^-1。夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发量上升, 夏季风区和非夏季风区蒸发皿蒸发量下降。

(2) 通过蒸发皿蒸发量对气象因子的敏感性分析发现, 蒸发皿蒸发量对温度、日照时数、相对湿度、降水量、低云量、风速较为敏感。但不同地区对不同气象因子的敏感程度不同, 夏季风区蒸发皿蒸发量对日照时数、降水量、低云量以及风速较为敏感, 对温度和相对湿度不敏感; 夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发量对温度、相对湿度、低云量、降水量、风速十分敏感, 对日照时数不敏感; 非夏季风区对日照时数、相对湿度、降水量、风速较为敏感, 对温度和低云量不敏感。

(3) 造成夏季风区蒸发皿蒸发量下降的原因是年降水量和平均低云量的增加以及年日照时数和平均风速的减少; 造成夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发量上升的原因是平均温度和平均风速的增加以及平均相对湿度、年降水量和低云量的减少; 造成非夏季风区蒸发皿蒸发量下降的原因是年降水量的增加以及年日照时数和平均风速的减小。

(4) 夏季风北边缘位置南退, 使得夏季风影响过渡区与夏季风区和非夏季风区年降水量、平均低云量以及平均风速的变化相反, 是造成夏季风影响过渡区与非夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发趋势相反的主要原因。