ABSTRACT

Based on 134 hydro-meteorological gauges in the Yangtze River basin 1961-2010 daily meteorological data, the reference evaporation was calculated by using the Penman-Monteith method. To predict the future change of the reference evaporation, SDSM (the Statistical Down-Scaling Model) method was used to downscale the outputs of GCMs, which was firstly trained by utilizing the NECP reanalysis data. Results show that: 1) SDSM reference evaporation method performed better in simulating the reference evaporation as to the high simulation deterministic coefficient (0.93) in the testing period; 2) 1961-2010 annual reference evaporation in the Yangtze River basin decreased significantly; decreasing sites concentrated in the lower reaches, the middle stream and the north of the Yangtze River basin; 3) under Rcp45 and Rcp85 climate scenarios, reference evaporation of the Yangtze River basin will increase in 2011 - 2099 years, and the rate of increase of reference evaporation under Rcp85 scenarios is greater than Rcp45.

Keywords:Climate Change, Yangtze River Basin, Statistical Down-Scaling Model, Reference Evaporation

长江流域参照蒸发量时空变化趋势分析

李子硕^1,2，陶新娥^1,2，陈华^1,2

¹武汉大学水利水电学院，湖北 武汉

²武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉

收稿日期：2015年11月9日；录用日期：2015年11月29日；发布日期：2015年12月10日

摘 要

根据长江流域134个气象站1961-2010年逐日气象资料，基于Penman-Monteith法计算参照蒸发量，选取NECP再分析数据，采用SDSM (the Statistical Down-Scaling Model)方法，进行长江流域未来参照蒸发量的降尺度研究。研究表明：1) SDSM方法对参照蒸发量能较准确的模拟，检验期的确定性系数可达93%以上；2) 1961~2010年长江流域的蒸发蒸腾量呈下降趋势，显著下降的站点集中在长江中下游区域、长江流域北部的区域；3) Rcp45与Rcp85气候情景下，长江流域未来2011~2099年的参照蒸发量呈上升趋势，且Rcp85情景下的参照蒸发量增加的幅度大于Rcp45。

关键词 :气候变化，长江流域，统计降尺度，参照蒸发蒸腾量

1. 引言

气候变化及其水循环的影响，特别是对区域水文系统的影响是21世纪各国可持续发展中面临的重大课题[1] [2] 。蒸散发作为水循环中的重要组成部分，其变化影响着全球的水文循环。参照蒸发量是确定集水区水量损失的关键水文要素，用来计算实际蒸发蒸腾量，制定灌溉制度以及作为水文模型的输入数据[3] -[7] 。大气中CO₂的增加会改变全球的能量平衡，导致全球气候变暖，伴随着气候变暖，全球水循环被改变，反过来又影响到生态、社会、经济等和人类相关的各个方面[8] [9] 。

本文基于实测气象数据和Penman-Monteith (P-M)方法计算长江流域近50年各站点的逐日参照蒸发量(ET₀)，分析了长江流域近50年来ET₀的变化趋势及空间分布，分析评估SDSM模型对模拟长江流域参照蒸发量的适用性，重点分析日参照蒸发量的降尺度效果，揭示长江流域未来在不同气候情景下ET₀的变化趋势，为开展气候变化对长江流域水资源的影响研究提供基础和支撑。

2. 数据和方法

2.1. 研究区域概况

长江流域位于24˚27~35˚54'N，90˚33~122˚19'E之间，流域面积180 × 10⁴ km²，全国总面积的18.8%，流域地势变化幅度大，西高东低并呈现三大阶梯状，海拔从5000 m以上到500 m以下。长江流域的地貌类型复杂多样，高原、山地和丘陵盆地占绝大部分，平原面积较小。由于地域辽阔，地形复杂，季风气候十分典型，长江流域分带性明显。长江流域是我国人口稠密、经济高度发达的地区，在我国国民经济发展中具有举足轻重的作用和地位。

长江流域多年平均年降水量为1126.7 mm，属于我国降水丰沛的地区。受局地环流和地形的影响，年降水量的空间分布非常不均匀，自东南向西北呈减少趋势。中下游地区除汉江水系和干流区下游外，年降水量均多于1100 mm。长江流域多年平均陆面蒸发量为541 mm，其地区分布趋势是中下游大于上游，平原和盆地大于山区，南岸大于北岸。按水系，鄱阳湖、太湖、洞庭湖流域及中、下游干流区陆面蒸发量较大；乌江、嘉陵江、岷江和汉江上游陆面蒸发量较小；金沙江陆面蒸发量最小。从年陆面蒸发量等值线分布趋势看，以500 mm等值线贯穿地区最广，此线的西部和北部，多处在300~400 mm之间，在长江江源北部不足200 mm，为全流域最低值区；此线以东、以南，大多为600~700 mm，个别地区达800余mm；四川盆地、金沙江下游、乌江及长江中游部分地区，大都在500~600 mm之间；在洞庭湖区至江汉平原，达700~800 mm，并有一个800 mm的闭合圈；在鄱阳湖区，也有一个大于800 mm的高值区，其中赣江流域的吉安，陆面蒸发量超过1000 mm，是长江流域最大值；长江中下游干流区间陆面蒸发量也达700~800 mm。长江流域各地陆面蒸发有随高程增加而递减的趋势，即高程越高，陆面蒸发量越小；高程越低，陆面蒸发量越大。

2.2. 数据来源

本研究主要用到了三种数据类型，包括气象站的实测气象数据，NCEP (National Center for Environment Prediction)再分析数据和GCM输出数据。实测气象数据为长江流域134个气象站1961~2010年包括气温、风速、日照和相对湿度等逐日气象资料，流域内气象站点的分布情况如图1所示。NCEP数据中，选取了7个大气因子，包括海平面气压、海平面处温度、500 hPa处纬向风速、500 hPa的位势高度、850 hPa处比湿、850 hPa处相对湿度、850 hPa处温度。综合考虑GCM模式在中国地区的适应性、模式的分辨率和数据资料的连续性，GCM数据采用Postdam气候影响研究所的数据在Rcp45和Rcp85的情景下输出2011~2099年的ET₀序列。

2.3. 参照蒸发量估算方法

在ET₀的计算方面采用世界粮农组织(FAO)推荐的参照蒸发量的标准计算方法Penman-Monteith (P-M)公式，如下：

(1)

式中，ET₀为参照蒸发量，mm/d；为净辐射；G为土壤热通量，MJ/m²∙d；T为平均温度，℃；u₂为2 m处的风速，m/s；为平均饱和水汽压，kPa；为实际水汽压，kPa；饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；为干湿常数，kPa/℃。

2.4. 趋势分析方法 [10] - [12]

本研究采用Mann-Kendall检验进行趋势分析。在时间序列趋势分析中，Mann-Kendall检验是世界气象组织推荐并已被广泛使用的非参数检验方法，最初由Mann和Kendall提出，现已被很多学者用来分析降雨、气温、

图1. 长江流域位置和气象站点分布

径流和水质等要素时间序列的趋势变化。Mann-Kendall检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算简便。

在Mann-Kendall检验中，原假设H₀为时间序列数据()，是n个独立的、随机变量同分布的样本；备择假设H₁是双边检验，对于所有的，且，x_k和x_j的分布是不相同的，检验的统计变量S计算如下式：

(2)

其中

(3)

S为正态分布，其均值为0，方差Var(S)按下式计算：

(4)

当n > 10时，标准的正态统计变量通过下式计算：

(5)

这样，在双边的趋势检验中，在给定的置信水平上，如果，则原假设是不可接受的，即在置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。而对于统计变量Z，若大于0，则时间序列呈上升趋势；若小于0，则时间序列是下降趋势。

2.5. 统计降尺度模型

本文对长江流域应用降尺度模型SDSM [13] -[15] ，选择ET₀为预报量，遵循预报因子的选择原则，通过SDSM中的“筛选变量程序”进行相关分析，优选出与ET₀相关性较高的5个大气因子，分别为海平面气压、海平面处温度、500 hPa处纬向风速、850 hPa处比湿、850 hPa处温度。基于1961~1990年长江流域各站点的ET₀数据与所选择的NECP预报因子建立多元回归统计关系，计算SDSM天气发生器的模型参数，构建SDSM模型。同时利用1991~2010年的NCEP逐日数据对SDSM模型进行验证。将Rcp45与Rcp85输出到2011~2099年逐日数据出入到SDSM模型，模拟得到Rcp45和Rcp85情景下各站点ET序列。

为较系统地评价降尺度效果，本文采用效率系数，相关系数分别衡量模型对ET₀的变化趋势的捕捉能力，利用平均偏差评价模型的系统偏差。

(6)

(7)

(8)

3. 结果和讨论

3.1. 过去50年长江流域参照蒸发量的变化

根据P-M方程，计算长江流域1961~2010年逐日ET₀，并由此计算长江流域历年参照蒸发量，如图2所示。长江流域的平均年ET₀为957.8 mm，由图2可知，长江流域1961~2010年参照蒸发量年值呈混合的上下波动，1961~1981年有下降趋势，1991~2010年有上升的趋势。根据M-K检验结果Z = 2.54，1961~2010年间长江流域年ET₀整体呈显著下降的趋势。

图3为长江流域1961~2010年各站点年ET₀变化趋势的空间分布图。由图3中可以得到，1961~2010年间，有97个站点的年ET₀序列呈下降趋势(占站点总数的72%)，其中48个站点(占站点总数的36%)下降趋势显著(通过M-K检验95%置信水平，图中显著性通过实心三角形体现)，集中在长江中下游区域、长江流域北部的区域；有38个站点的年ET₀序列呈上升趋势，其中13个站点上升趋势显著。上升和下降趋势显著站点的平均标准正态统计量分别为2.71和−2.81。

3.2. 统计降尺度模型模拟效果评价

本研究对长江流域134个站点的模拟结果的平均值进行评价，并采用1961~1990年为率定期，1991~2010年为验证期。表1给出了SDSM模型在率定期与验证期对逐日ET₀的模拟效果，其中率定期与检验期的相对误差Re均为9.25%，效率系数高达0.93，相关系数也都在0.93以上，证明SDSM模型在模拟长江流域的参照蒸散发效果较好。另外图4给出了检验期(1991~2010年) P-M法计算的月ET₀和SDSM模型模拟的月ET₀的结果比较。可以得出，基于NECP模拟的ET₀及其变化规律与P-M法的计算值较为一致。总的来说，SDSM模型模拟的效果较好，可以用于GCM输出ET₀结果的降尺度应用。

3.3. 未来气候变化情景下长江流域ET₀的变化预测

经MK趋势分析可得，长江流域ET₀在Rcp45情景下有显著的上升趋势，在Rcp85情景下亦有显著的上升趋势。由图5可知，在Rcp45及Rcp85的情景下，长江流域的年ET₀均呈稳步上升的趋势，且变化趋势在Rcp85情景下较Rcp45情景下明显。长江流域的年ET₀ Rcp85情景较Rcp45情景变化幅度大，上升趋势更加明显。

图2. 1961~2010年长江流域年ET₀变化趋势

图3. 1961~2010年ET₀变化趋势及显著性的空间分布

图4. 检验期基于SDSM的NECP情景下月ET₀模拟值与历史计算值的比较

图5. Rcp45与Rcp85情景下2011-2099年长江流域年ET₀的模拟

由表2可得，Rcp45的情景下，2011~2099年长江流域有131个站点(占站点总数的98%)呈上升趋势，其中显著上升的站点有115个(占站点总数的86%)；Rcp85的情景下，2011~2099年长江流域有134个站点(占站点总数的100%)全部呈显著上升趋势。Rcp45与Rcp85情景下的显著上升站点的平均标准正态统计量分别为4.23

表1. 统计降尺度模型率定期和验证期的模拟效果评价

表2. Rcp45和Rcp85条件下2011~2099年长江流域各站点年ET₀变化趋势统计

和7.69综上所述，长江流域的ET在21世纪会持续上升。

4. 结论

基于历史气象资料和Rcp45及Rcp85d统计降尺度输出，结合FAO P-M公式和统计降尺度SDSM法，计算了过去50年和模拟未来89年Rcp45和Rcp85情景下长江流域ET₀，使用Mann-Kendall方法对ET₀进行趋势分析，得到以下认识：

1) 基于SDSM的ET₀模拟值和PM公式计算值在率定期和检验期均比较一致，证实了SDSM模型对ET₀的模拟效果较好，可以用来预测未来情景下的ET₀。

2) 1961~2010年长江流域的平均ET₀年值呈下降趋势，下降趋势显著的站点主要分布在长江中下游，流域的北部及东部。

3) 2011~2099年在Rcp45和Rcp85两种气候情景下，长江流域的ET₀年值呈增加趋势，在Rcp85情景下增加趋势较Rcp45的情景下更加明显。

基金项目

国家自然科学基金(51339004; 51279138)。

文章引用

李子硕,陶新娥,陈 华. 长江流域参照蒸发量时空变化趋势分析
Trends Analysis on Spatiotemporal Characteristics of Reference Evaporation in the Yangtze River Basin[J]. 水资源研究, 2015, 04(06): 522-529. http://dx.doi.org/10.12677/JWRR.2015.46065

参考文献 (References)