3.1 吉林省地区蒸发皿蒸发量的时空特征
3.1.1 吉林省蒸发皿蒸发量的多年变化趋势 近45 a来吉林省地区蒸发皿的平均年蒸发量呈现出随时间下降的变化趋势,其倾向率为22.49 mm/10 a,ZE=-0.24|ZE|>Z0.05=0.2,这种下降趋势满足非参数Z统计量检验法α=0.05检验(图2A)。图2分别为吉林省蒸发皿年总蒸发量的时间拟合趋势线和累积距平的变化。从中发现,吉林省蒸发皿年总蒸发量呈明显下降趋势,平均每10 a减少22.49 mm。尤其是1984—1994年蒸发量的下降最为明显,之后蒸发量下降趋势有所减缓,但整体上仍呈现下降趋势。分析发现1970—1984年吉林省的年总蒸发量基本高于45 a的平均值,1984年之后则基本呈现出小于45 a平均值的变化趋势,虽然2000年之后蒸发量出现小幅的上升,但上升幅度不大,整体上仍小于45 a的平均值。
图2 1970-2014年吉林省年总蒸发量时间拟合趋势及其累积距平的变化
虽然近45 a中吉林省年蒸发皿蒸发量的变化形式呈下降趋势,但在四季中影响蒸发量变化的气温、风速、水汽压差等气象因素存在一定的差异,这就使得不同季节之中蒸发皿蒸发量的变化趋势存在差异。表1中给出不同季节中吉林省蒸发皿蒸发量的变化趋势。从中发现吉林省春季蒸发皿蒸发量下降最快,平均每10 a下降29.02 mm,且下降趋势通过α=0.01显著性检验。而其他3个季节中吉林省的蒸发皿蒸发量则呈微弱变化,但并未通过显著性检验,即夏、秋、冬3个季节中蒸发量虽呈上升趋势,但趋势并不明显。
3.1.2 吉林省蒸发皿蒸发量的空间分布 吉林省年蒸发皿蒸发量的空间分布形式基本上呈现出自西向东阶梯式逐步递减的分布形式。高值区集中出现的吉林西部地区,在1 700 mm以上。而蒸发低值区出现在吉林东部通化、白山和延吉地区,均在1 300 mm以下。中部地区的年蒸发量则是在1 700～1 300 mm变化(图3)。某一地区蒸发皿蒸发量的大小是受气温、风速、辐射、相对湿度等气候因子的共同影响的,因此蒸发量的空间分布形式也会因这些因素分布的不均匀而产生差异。此外地形差异导致气象要素分布差异进而造成蒸发量自西向东递减的分布形式。吉林省地形上呈东高西低的形式。西部平原是半干旱区,西部地区年降水的分布并不均匀、空气干燥且大风日数多,日照充足,利于蒸发。而吉林省中部丘陵和东部山区则分别地处半湿润区和湿润区,区内气候相对湿润,蒸发相较西部地区有所减少。
吉林省地区不同季节蒸发皿蒸发量的分布形式与年蒸发量的空间分布一致,也自西向东呈阶梯式递减的分布形式(表2)。分析发现不同季节不同地区之间的蒸发量统计量差距存在差异,其中春、夏、秋3个季节中西部地区的蒸发皿蒸发量要明显多于中部和东部地区,而冬季全省不同地区之间蒸发量差距不大,全省不同地区之间蒸发量趋于相同。春、夏、秋3个季节中全省影响蒸发变化的气象要素自西向东存在差异,进而导致蒸发量分布存在西多东少的分布形式。而吉林省冬季寒冷漫长,全省范围内各气象要素分布相似,差距不大,所以冬季全省范围内蒸发皿蒸发量相近。
3.1.3 吉林省蒸发驱动因子的演变趋势 分析过去45 a中驱动吉林省蒸发量变化的主要驱动因子的变化趋势发现(表3),年和四季中不同驱动因子的变化趋势存在差异。不同驱动因子中,年和四季中气温呈不同程度增加趋势,且均通过α=0.05显著性检验。年、季中风速虽均呈显著下降的趋势,但强度有所不同。其中夏季风速的下降趋势通过α=0.05显著性检验,其他时间中风速是在α=0.01水平上显著下降。吉林省45 a中年、季平均日照时数呈下降的趋势,其中冬季的日照时数虽有下降但并不显著,其他时间中的下降趋势的显著水平在95%以上。年、季中水汽压则出现不同程度增加,其中春、冬两季中增加的趋势并不明显。
3.2 气象因子对蒸发皿蒸发量变化贡献的时空分布特征
蒸发皿蒸发量的变化是气温、风速、日照时数以及水汽压差变化共同影响的结果。各气象因子的变化导致近45 a吉林省年、季蒸发皿蒸发量出现不同的变化趋势。因此本文选择1970—2014年吉林省的蒸发皿蒸发量以及相关气象数据,以1970年为基准年分析过去45 a蒸发变化过程中各气象因子的贡献,以便厘清各气象因子在影响吉林省蒸发皿蒸发量演变过程中所起的作用。
分析成因定量化估算模型(公式5)计算结果发现,平均气温对吉林省蒸发皿蒸发量年变化的平均贡献为0.84 mm/a。在气候变暖的背景下,平均气温在全省82%的站点中表现为正贡献(图4),即平均气温的增加导致蒸发量增加。不同地区之间,气温正贡献高值区集中出现在吉林西部地区,其正贡献值超过3 mm/a。气温正贡献在1.5～3.0 mm/a和0～1.5 mm/a的站点数分别有12,21个,在全省范围内自西向东均有分布。气温贡献为负值的站点仅有8个,出现在吉林中部和南部地区。不同季节中气温对吉林省蒸发量变化的平均贡献分别为0.47,0.78,0.37,0.21 mm/a(表4)。四季气温贡献的空间分布形式与全年的分布形式相近,只是不同季节中气温对蒸发量贡献绝对值的大小有所下降。
风速对吉林省蒸发皿蒸发量年变化平均贡献为-1.77 mm/a,表明风速下降导致吉林省蒸发皿蒸发量下降。空间上,全省45个气象站中,共有33个气象站的风速贡献值为负,占总数的73%。负贡献的站点在全省范围内均有分布,但绝对值大小有所不同。其中负贡献高值区出现在西部的白城地区,超过-8 mm/a; 负贡献的次高值区出现在吉林的中部地区,负贡献为-8.0～-4.0 mm/a; 东南部地区的风速负贡献较低,为-4.0～0 mm/a。风速正贡献的站点有12个,分布并没有明确的区域特征,且贡献值均小于4.0 mm/a。不同季节中,风速对Epan变化的负贡献的大小存在差异(表4)。其中春季风速的负贡献最大,其他夏、秋、冬3个季节中风速负贡献依次次之。
图4 吉林省地区不同气象因子对蒸发皿蒸发量年变化贡献的空间分布
表4 气象因子对年、季蒸发皿蒸发量的平均贡献mm/a
水汽压差的大小直接反映了大气的干燥程度。分析发现,水汽压差对蒸发量年变化的平均贡献为1.64 mm/a。其中正贡献的站点有41个,占总数的91%。其中负贡献站点数量仅有4个,分别出现在洮南、前郭、辉南和珲春,且均不超过-1.50 mm/a。水汽压差对蒸发量变化的正贡献变化范围为0～5.52 mm/a。其中正贡献高值区出现在吉林省的西部和中部,且贡献值大于4 mm/a; 正贡献值为2.0～4.0 mm/a的站点,在全省范围内均有分布; 正贡献为0～2.0 mm/a的站点数最多,共有18个,主要在吉林省的中部和东南部。不同季节中水汽压差对Epan变化的贡献也多呈正贡献(表4)。但不同季节中,正、负贡献的空间分布存在一定差异。春季水汽压差对吉林省蒸发皿蒸发量的平均贡献为0.51 mm/a。与全年相比,春季负贡献站点数略有增加,但贡献值较小,均小于-1 mm/a。贡献负值区主要出现在中部的辽源和南部的通化地区,西部地区在春季并不存在负贡献的站点。这可能与吉林西部春季干燥,易出现春旱,空气湿度低水汽压差大有关。夏季水汽压差的平均贡献为1.32 mm/a,正贡献的站点有44个,仅长岭站表现为负贡献,为-0.29 mm/a。秋季水汽压差对全省蒸发的平均贡献为0.75 mm/a,45个站点均为正贡献。冬季全省有两个站点为负贡献,分别是前郭和珲春,但负贡献值均不超过-0.05 mm/a,水汽压差的平均贡献为0.25 mm/a。分析结果显示水汽压差对年、季蒸发皿蒸发量的变化多为正贡献,即水汽压差增加导致大气干燥,进而促进了蒸发皿蒸发量的增加。
日照时数对吉林省蒸发量年变化的平均贡献为-0.93 mm/a,日照时数下降是指证吉林省Epan减小的另一个指标。从空间分布上来看,日照时数负贡献的站点有35个,占总数的77%。负贡献值高值区集中在吉林中部地区,其值在-5.0～-2.5 mm/a,共有4个站点。其余站点负贡献值为-2.5～0 mm/a。贡献为正的站点数量有10个,且正贡献值均小于0.5 mm/a。在全省范围内自西向东零星分布,并无明显的分布特点。四季中,日照时数平均贡献呈由负转正的变化趋势(表4)。其中春季日照时数下降明显,其负贡献强,为-0.95 mm/a。且影响范围较全年略有增加,负贡献的站点数有44个,仅伊通站为正贡献。而夏、秋两季中日照时数贡献的空间分布形式同年变化情况基本一致,只是负贡献绝对值大小有所下降,分别为-0.57,-0.20 mm/a。冬季则恰好相反,日照时数正贡献影响的站点数和作用强度均有所加强,正贡献的站点数增加到28个,同时冬季吉林省日照时数对Epan变化的平均贡献由负转正,平均贡献为0.03 mm/a。
综上分析发现,由于吉林省不同地区之间影响蒸发变化的气象因子的空间分布不均匀。进而使得同一气象要素对蒸发皿蒸发量变化贡献的大小在不同的时间和空间上的分布都存在一定差异。
通过通径分析发现(表5),直接通径系数显示风速对年蒸发的直接作用最大,为0.79,其后依次为水汽压差、日照时数、气温,这与之前依据定量化估算模型分解的结果一致。间接通径系数显示,年平均气温主要通过水汽压差和风速对年蒸发产生间接作用; 风速则通过水汽压差对年蒸发变化的负间接作用最大; 日照时数和水汽压差则主要是通过风速对年蒸发产生影响。四季中,直接通径系数结果与之前的贡献分析结果基本吻合。分析间接通径系数显示,春季中气温主要水汽压差对蒸发产生影响,其他要素的间接通径系数则较小,对春季蒸发变化的影响不大。夏季中,气温和日照时数通过水汽压差对夏季蒸发产生影响,其他要素的间接影响并不明显。秋季中,气温和风速通过水汽压差间接影响秋季蒸发变化,其他要素对蒸发则没有明显的间接影响。冬季中除了气温通过水汽压差对蒸发产生较大的间接影响以外,其他要素的间接影响并不明显。
3.3 影响吉林省蒸发皿蒸发量变化主导因子的变化趋势
通过以上分析发现各气象因子对不同地区之间蒸发量变化的贡献不同,进一步对比各气象要素对蒸发皿蒸发量贡献绝对值的大小,从中判断影响蒸发量变化的主导因子。影响吉林省Epan年变化的气象因子主要有:气温、风速、水汽压差和日照时数,各因子的年平均贡献分别为:0.84,-1.77,1.64,-0.93 mm/a。风速和日照时数的贡献多为负贡献,而且研究发现过去45 a中年平均风速和年总日照时数呈显著下降的趋势,即上述两个气候因子的减小引起吉林省蒸发量下降。分析气温和水汽压差在过去45 a中呈显著增加的趋势,且两者的贡献则多为正贡献,即上述两个因子的增加引起蒸发量上升。4个气象因子的贡献中,风速贡献的绝对值最大,因此判断风速是影响蒸发量下降的主导因素。由于风速、日照时数总的负贡献大于气温、水汽压差总的正贡献,虽有部分负贡献被抵消,但是总贡献值仍为-0.22 mm/a。各气象要素的总贡献为负,这与吉林省地区蒸发量下降的年变化趋势相一致。过去45 a中,四季的风速、日照时数呈不同程度的下降,而气温和水汽压差则呈增加趋势。春季Epan的变化形式与年变化形式相似,主导春季蒸发变化的因素为风速的负贡献,及春季风速下降是影响蒸发变化的主要因子,而且各要素的总贡献也为负。在夏、秋、冬三季中全省的Epan出现不同程度的增加,但其趋势并不显著。分析3个季节中影响蒸发量变化的主导因子分布发现,3个季节中蒸发量的变化主要是受到水汽压差和气温正贡献影响。虽然3个季节中风速、日照时数的负贡献和水汽压差、气温的正贡献均出现下降。但正贡献下降幅度要小于负贡献,且冬季的日照时数也由负转为弱的正贡献,3个季节蒸发量总体上受正贡献影响。不过由于大部分正贡献被负贡献抵消,使得总的贡献值虽然为正,但绝对值不大。受此影响3个季节中Epan虽有增加但趋势并不显著。
空间上来看,吉林地区地形和气候的多样性使得影响年、季蒸发皿蒸发量变化的主导因子在空间上存在明显的差异(图5)。吉林省东高西低,自西向东可分为平原—丘陵—山地三大地貌,西部地区临近科尔沁沙地,为半干旱区。同时西部地区为农牧交错带,该地区生态环境脆弱同时对于外界的变化十分敏感。西部地区降水少,大风日数多,大风的变化是影响蒸发变化的主要因子。西部地区中的蒸发皿蒸发量多为下降的变化趋势,其中多数站点中风速负贡献是影响西部地区蒸发变化的主导因子。而东部山区地处湿润区,气候多受长白山脉影响。20世纪80年代以后,全球变暖气温上升导致气候暖干化,东部地区空气中的水汽含量减少,水汽压差增大促进蒸发的变化,进而使其正贡献值超过其他气象因子成为影响吉林东部地区Epan年变化的主导因子,所以南部部分站点的Epan呈微弱增加的趋势。与年变化相似,春季的Epan也呈下降趋势。风速和日照时数的负贡献是影响蒸发变化的主导因子,仅在西部地区的个别站点主导因子为气温和水汽压差的正贡献。夏、秋、冬3个季节中影响Epan变化的主导因子为水汽压差的正贡献,且3个季节中主导因子空间分布特征相似,只是正贡献强度和站点数量上存在不同。其中夏季水汽压差的正贡献影响的区域由春季的东部山区向西扩大到了中部地区,而在秋季水汽压差的正贡献影响的面积则进一步向西部地区扩大。冬季影响全省Epan变化的主导因子仍是水汽压差的正贡献,只是受影响站点的数量相较秋季略有下降。
(1)
为气象要素的拟合值; a1×10称为气象要素的气候倾向率,表示平均每10 a的某一气象要素的变化率; a0为常数项。
(2)
为其样本均值;
=(n+1)/2。显然,这个值为正(负)时,表示该气象要素在所计算的n年内有线性增(降)的趋势。
(3)
(4)
(5)
