3.1 潜在蒸散量时空变化
3.1.1 潜在蒸散量时间变化
(1)潜在蒸散量年际变化。1960—2019年黔中地区多年平均潜在蒸散量为1 004.12 mm,最高值出现在1963年,最低值在2012年,波动范围为915.22~1 139.15 mm,极差为223.93 mm。近60 a来年ET0的波动幅度较大,总体呈现波动下降趋势(图2),线性拟合表明其递减倾向率约为-6.00 mm/10 a。
(2)潜在蒸散量年代际变化。年代际尺度上年均和季节潜在蒸散量变化见表1,在10 a尺度上,黔中地区潜在蒸散量呈现出“减—减—减—增—减”的波动变化状态趋势,其中1970s—1990s一直呈减小趋势; 在2000s潜在蒸散量出现增加趋势,但在2010s又出现减少趋势(图2),2000s潜在蒸散量的变化幅度为2.8%。从各年代的各不同季节上看,秋季和冬季1970s—1980s呈减小趋势,1990s—2000s呈增加趋势,2010s呈减少趋势。2000s年代4个季节都呈增加趋势,其中春季上升幅度最大,变化幅度为4.9%。因此,在2000s年代潜在蒸散量呈现明显的增加趋势。春季和夏季1970s—1990s呈减小趋势,2000s年代呈增加趋势。1970s年代春季减小幅度最大,变化幅度为-8.2%; 1990s年代夏季减小幅度较大,变化幅度为-4.0%; 1980s和2010s年代秋季减小幅度较大,变化幅度为-4.4%; 1980s年代冬季减少幅度最大,变化幅度为-8.0%。从变化幅度上看,四季均呈负值,春季减少趋势最大。从年平均潜在蒸散量来看,整体上呈减小趋势,变化幅度为-0.5%,比上一年代表现下降趋势的年代是1970s,1980s和1990s,其中80年代的变化幅度最大为-2.5%。总体得出,年均潜在蒸散量下降主要原因是由春季和冬季潜在蒸散量的下降导致的。
(3)潜在蒸散量季节变化。图3是黔中地区潜在蒸散量的季节变化,四季整体上呈现减小趋势,下降速率分别为-2.10 mm/10 a,-3.01 mm/10 a,-0.17 mm/10 a,-0.62 mm/10 a。夏季平均潜在蒸散量最大为373.07 mm,约占全年平均的37.16%,其次是春季和秋季,分别为288.17 mm和218.34 mm,占全年平均ET0的28.75%和21.75%,冬季平均ET0为124.01 mm,是四季中最小值,约占年平均ET0的12.35%。夏春两季潜在蒸散量占全年的65.91%,对全年的潜在蒸散量贡献最大。4个季节的R2都较小,说明下降趋势受到干扰严重,相比较其他季节,夏季的下降趋势略好,但都不够显著,季节变化在年周期上更多地是一种振荡。
3.1.2 潜在蒸散量空间变化
(1)年际潜在蒸散量空间变化。图4A显示了黔中地区ET0的空间分布情况,除南部地区的贵阳站、惠水站和凯里站和北部地区的仁怀站ET0值较高外,西部地区毕节站ET0处于最低值,总体表现为自南向北递减趋势。南部的贵阳、惠水、凯里ET0在961.20~1 223.10 mm,西部的毕节ET0为930.50~1 047.00 mm。
图4B显示了黔中地区变化趋势的空间分布格局,地区中部(东南—西北走向)呈下降趋势、地区的南北部分呈现增加趋势。地区东北部的汇川与西南部的安顺、惠水呈上升趋势,其余的站点呈下降趋势。ET0上升的站点仅有3个,其中一个站点达到90%的显著性水平,其余2个站点未达到显著性水平,但呈小幅度上升趋势。其余的8个站点呈下降趋势,6个站点通过置信度90%的显著性检验,2个站点未通过显著性检验,呈不显著减少变化趋势。贵阳站是下降趋势最大的站点(-16.20 mm/10 a),汇川站是上升趋势最大的站点(6.12 mm/10 a)。
图4 黔中地区潜在蒸散量与M-K趋势Z值变化趋势空间分布
(2)不同季节潜在蒸散量空间变化。春季ET0空间上呈由南向北递减趋势,汇川站与毕节站明显低于其他地区,处于研究区最低值状态(图5)。其变化趋势呈现东北部和西南部增加、由西北部和东南部向中部递减趋势,3个站点(汇川、安顺和惠水)通过90%的置信度检验,呈不显著增加趋势,3个站点(贵阳、息烽和黔西)呈显著下降趋势,其余站点均为不显著下降趋势。夏季ET0空间上除北部仁怀ET0高于其他地区,呈由东北部向西南部递减趋势。夏季和秋季ET0变化趋势基本呈现东北部和西南部增加、由东南部向西北部递减趋势。夏季ET0有3个站点为不显著上升趋势,中部4站点通过90%的置信度检验,呈显著下降趋势。秋季ET0空间上呈由东南部向西北部递减趋势。秋季ET0有1个站点(汇川)通过90%的置信度检验,呈显著上升趋势,其余8个站点未通过90%显著性检验。冬季ET0空间上呈由南部向北部递减趋势。冬季ET0有1个站点(汇川)通过90%的置信度检验,呈不显著上升趋势,另1个站点(贵阳)通过90%显著性检验,呈显著减少趋势。
3.2 潜在蒸散量突变分析
运用Mann-Kendall检验法分析黔中地区近60 a潜在蒸散量的突变特征,从图6可以看出,UF与UB的交点位于1969年前后,这意味着黔中地区ET0突变的时间约为1969年,在1969年以前有1963年和1966年位于零分界线以上,说明该时段内ET0处于上升趋势,但在1969年以后,黔中地区UF统计值小于0,表明1969年以后ET0整体处于下降趋势,在1984年ET0下降趋势达到0.05显著性水平。对1969年前后年潜在蒸散量的计算,发现1970—2019年平均潜在蒸散量(996.80 mm)比1960—1969年(1 040.71 mm)下降了43.91 mm。
3.3 潜在蒸散量周期性变化
为了分析黔中地区ET0的变化周期,利用Morlet小波分析对1960—2019年的年ET0进行变换,得到小波系数实部等值线图(图7A)。图中实线表示为取正值的小波系数等值线,即为潜在蒸散量偏高期,虚线表示小波系数取负值的等值线,即为潜在蒸散量偏低期。研究区ET0存在3 a,9 a,21 a左右的周期变化,其中3 a,21 a周期变化贯穿于1960—2019年,而9 a周期变化主要存在于1960—1986年。从小波系数符号正负相位交替变化过程分析,表明ET0在于1960—2019年经历了高—低—高—低—高—低的循环交替过程,1960—1970年、1982—1993年、2002—2011年为ET0偏高期,其余时间段为ET0偏低区,研究结果与ET0 的年际变化结果相吻合。
通过小波方差来鉴定对ET0变化规律具有影响力的时间尺度(图7B),小波方差存在两个明显的波峰,分别是3 a和21 a的时间尺度上,且在21 a的震荡周期最强烈,取得最大值,为强显著周期,第二周期为3 a。
3.4 潜在蒸散量变化的气象因素识别
通过分析可得出潜在蒸散量与各气象因素的相关性程度(表2),季节潜在蒸散量、年潜在蒸散量与各气象因素的相关性基本一致。从年尺度上分析,平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、风速和水汽压与ET0呈正相关关系,这些气象因素的增加会导致ET0的增加,且平均气温、最高气温、日照时数、风速和水汽压与ET0的相关性通过了0.01水平检验; 其中相关性系数最大的是日照时数,然后是风速。相对湿度和降水量与ET0呈负相关关系,这些气象因素的增加会导致ET0的减少; 这两个气象因素与ET0都在0.01水平上显著相关。从气象因素的年变化趋势来看(图8),风速、相对湿度、降水量和日照时数均呈下降趋势,其气候变化率分别为-0.03(m/s)/10 a,-0.15%/10 a,-5.97 mm/10 a,-46.44 h/10 a,其中日照时数的变化对ET0的下降趋势影响最大,其次是风速。虽然平均气温呈上升趋势,变化率为0.09℃/10 a,其在时段内变化相比其他气象因素而言不显著。因此,在年尺度上,日照时数和风速是影响ET0发生变化的主导气象因素。
图5 黔中地区四季潜在蒸散量与M-K趋势Z值变化趋势空间分布
图6 黔中地区年潜在蒸散量Mann-Kendall检验
季节尺度上具有与年特征相似性,平均气温、最高气温、日照时数和风速在四季上都与ET0呈现正相关关系,相反的,相对湿度、降水量都和ET0呈负相关关系。四季中,日照时数与ET0的相关性最高,均达到了0.01的正显著性水平。春季,潜在蒸散量呈下降趋势。平均气温、最高气温、日照时数和风速与ET0呈显著正相关关系,而最低气温、相对湿度、水汽压和降水量呈负相关关系。其中呈正相关性最大的日照时数和风速呈下降趋势,变化率分别为-11.60 h/10 a,-0.07(m/s)/10 a,虽然气温呈上升趋势,降水量处于下降趋势,为-6.56 mm/10 a,也没有改变ET0的下降。因此,导致春季ET0下降的主要原因是日照时数、风速,其次才是降水量。夏季,日照时数、风速与ET0呈正相关关系,相对湿度、降水量与ET0呈负相关关系。日照时数变化率为-20.47 h/10 a,其变化率较大,日照时数与风速的显著减少是夏季ET0下降的原因。秋季,平均气温、最高气温、日照时数与风速与ET0呈正相关关系,其中,平均气温、最高气温呈上升趋势,其余呈下降趋势,日照时数与降水量下降趋势较大,分别为-7.55 h/10 a,-5.45 mm/10 a,这两个因素是影响ET0下降的主要因子。冬季,日照时数和风速与ET0呈正相关关系,均达到显著性水平,且都是呈下降趋势。相对湿度、水汽压和降水量与ET0呈负相关关系,冬季气温较低,且日照时数较少,整个地区蒸发微弱,因此,这是导致ET0减少的最大原因。
综上所述,在年尺度和季节尺度上各个气象因素与ET0的变化分析均存在差异,是气象因素共同作用的结果。黔中地区年ET0的减小的主要气象因素是日照时数的减少,其次为风速。
表2 黔中地区年及季节潜在蒸散量与气象因素相关性分析