范伶俐,郭品文,张福颖,周立群,王凤华

(1.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;2.广东海洋大学海洋与气象学院,广东湛江 524008;3.肇庆市气象局,广东肇庆 526040;4.揭阳市气象局,广东揭阳 522031)

广东蒸发皿蒸发量的季节变化特征及其影响因素的灰色关联分析

范伶俐1,2,郭品文1,张福颖1,周立群3,王凤华4

(1.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;2.广东海洋大学海洋与气象学院,广东湛江 524008;3.肇庆市气象局,广东肇庆 526040;4.揭阳市气象局,广东揭阳 522031)

为了研究广东省的气候变化规律及其成因,利用1961—2003年广东省86个气象站点的观测数据,采用Mann-Kendal非参数检验方法、EOF经验正交分解方法和灰色关联分析方法,对广东省近43 a来蒸发皿蒸发量及其主要影响因子(日照时数、风速、降水量、饱和差、气温日较差、气温等)进行了相关性及趋势性分析。结果表明:43 a来广东省的季蒸发皿蒸发量的下降主要表现在春季、前汛期和后汛期,其减少趋势通过或接近通过99%置信水平的统计检验,而秋季的变化不明显;四季蒸发皿蒸发量的下降主要表现在粤东沿海、珠三角和粤西南等沿海地区,不同季节气候变异中心的位置不同;日照时数下降以及风速、气温日较差的减小可能是近年来广东四季蒸发皿蒸发量下降的主要原因。

广东省;蒸发皿蒸发量;季节变化;空间分布;灰色关联分析

0 引言

20世纪全球气候增暖幅度最为显著,政府间气候变化专业委员会(IPCC)的第三次评估报告指出:21世纪全球气候将继续变暖[1]。气温的升高导致水循环加快,作为能量平衡和水分平衡主要组成部分的降水、蒸发量必将发生变化,最终将改变全球水资源的时空分布[2-5]。蒸发皿蒸发量与水面蒸发之间相关性较好,一直是水资源评价、水利工程设计和气候区划的重要参考指标。

当全球平均气温升高时,通常猜测陆面水体蒸发量也会增加。但学者们对近四五十年来不同地区或流域的蒸发量变化特征进行分析后发现,全球特别是北半球的蒸发皿蒸发量存在显著的下降趋势[6-8],在中国大部分地区,蒸发皿蒸发量也都表现出明显的下降趋势,可能是云量和气溶胶的增加、太阳辐射量、空气动力项、相对湿度、气温日较差的减小造成的[9-14]。尽管国内外许多学者对蒸发量的变化特征做了大量的研究,但具体对广东省蒸发量的研究还不多见。

广东省虽然降雨充沛,但在年内各季节分配不均匀,是我国旱涝灾害发生频繁的地区之一[15-18]。地气间水分交换的多寡对陆地上水资源的多寡、地区社会经济可持续发展有着重要的影响。本文以观测数据为基础,分析了广东四季蒸发皿蒸发量的时空变化特征及其受其他气象因子变化的影响程度。这对广东省水资源分配、旱涝灾害的预测预防等都具有十分重要的意义。

1 资料与方法

所用资料为广东省86个气象站点(图1)的日照时间、平均气温、风速、20 cm口径蒸发皿蒸发量等要素的逐月观测资料。由于有些气象站点在20世纪60年代才开始有资料记录,故本文所选数据时段为1961—2003年。对每个台站的资料进行整理和质量检测,获取其季节特征序列。季节划分是:雨季前的1—3月为春季;雨季后的10—12月为秋季;雨季4—9月为夏季,其中4—6月为前汛期,7—9月为后汛期[19]。所用的统计方法有气候倾向率、非参数Mann-Kendall检验、EOF分析和灰色关联分析[20-22]。

图1 广东省86个气象站的分布Fig.1 The 86 weather stations used in Guangdong

2 四季蒸发皿蒸发量的变化趋势分析

2.1 四季蒸发皿蒸发量的变化趋势

由表1和表2可看出,广东省春季、前汛期和后汛期平均蒸发量变化趋势相近,从20世纪60年代到90年代逐步下降,90年代与60年代相比分别减少了19.6%、10.6%、9.4%,2000年后略有回升;秋季则不同,其平均蒸发量在20世纪60年代至90年代变化很小,2000—2003年突然出现近-7.9%的变化。从广东省蒸发皿四季蒸发量的逐年变化、逐年累积距平变化、Mann-Kendall统计量曲线(图2～4)可以看出,春季蒸发量下降最显著(通过了0.01信度的显著性检验),每10 a下降16.71 mm,β值为-1.6,下降转折从1977年开始,1961—1976年春季蒸发量基本高于43a平均值,其后基本低于43a平均水平;其次为前汛期,每10a下降15.86mm(通过了0.01信度的显著性检验),β值为-1.0,下降转折从1977年开始;再次是后汛期,每10a下降13.79mm(通过了0.05信度的显著性检验),β值为-1.1,下降转折从1992年开始;秋季蒸发量趋势拟合未通过0.05信度的显著性检验,β值为-0.4,即秋季蒸发量无显著变化。进一步分析月蒸发量变化趋势(图5)可知,春季蒸发量的显著减少是因为1、2、3月蒸发量减少趋势的M-K统计值均超过2.5,都通过0.01信度的显著性检验;前汛期以4、5月、后汛期以7月的贡献率最大,4、5、7月蒸发量减少趋势的M-K统计值分别为-3.09、-3.19和-2.57,都通过了0.01信度的显著性检验;秋季3个月蒸发量减少趋势的M-K统计值均未通过0.01信度的显著性检验。

表1 广东省不同年代蒸发皿蒸发量的统计结果Table1 Statistics of pan evaporation in different decades in Guangdongmm

表2 广东省蒸发皿蒸发量的特征值Table2 The eigenvalues of pan evaporation in Guangdong

图2 1961—2003年广东省四季蒸发皿蒸发量的年际变化曲线 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.2 Interannual variations of seasonal pan evaporation in Guangdong from1961to2003 a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

图3 1961—2003年广东省四季蒸发皿蒸发量的累积距平变化曲线 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.3 Accumulated anomaly changes of seasonal pan evaporation in Guangdong from1961to2003 a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

图4 1961—2003年广东省四季蒸发皿蒸发量的M ann-Kendall统计量曲线 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.4 Characteristic values of M ann-Kendall testing of seasonal pan evaporation in Guangdong from1961to2003a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

2.2 四季蒸发皿蒸发量变化趋势的空间分布

虽然广东省整体平均蒸发皿蒸发量呈下降趋势,但局部区域与全省整体形式并不完全同步。分季节对广东省的86个台站蒸发皿蒸发量作EO F分析可以看出:

1)春季,前5个模态分别占总方差的43.0%、20.4%、6.4%、5.2%和5.0%。第1模态体现了广东春季蒸发皿蒸发量空间分布的主要特征。第1模态特征向量场(图6)的正中心区主要位于粤东沿海、珠三角等地,除粤东和雷州半岛外广东绝大部分地区为一致的正值区,说明该模态是广东春季蒸发皿蒸发量非常重要的一种异常型。对应第1模态的时间系数以年代际尺度变化为主,年际变化特征较弱(图7)。根据图7中年代际尺度曲线的趋势变化并结合特征向量场和时间系数的符号可知,广东春季蒸发皿蒸发量在1976年之前偏多,1977—2000年则明显偏少,呈下降趋势,2000年后又有所回升。

图5 广东省月蒸发皿蒸发量的M-K统计量Fig.5 Characteristic values of Mann-Kendall testing of monthly pan evaporation in Guangdong

图6 广东省四季蒸发皿蒸发量EOF分析的第1特征向量 a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.6 The first EO F eigenvectors of seasonal pan evaporation in Guangdong a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

图7 广东省四季蒸发皿蒸发量EO F分析的第1模态的时间系数(虚线为9点滑动平均曲线) a.春季;b.前汛期;c.后汛期;d.秋季Fig.7 The time coefficients of first EO F m odes of seasonal pan evaporation in Guangdong(Dash line is the9point moving average curve) a.in spring;b.in the first rain season;c.in the latter rain season;d.in autumn

2)前汛期前5个模态分别占总方差的38.7%、10.6%、9.4%、8.5%和6.6%。第1模态特征向量场正中心区主要位于粤东沿海、珠三角等地区,除雷州半岛个别站点外广东绝大部分地区为一致的正值区(图6)。第1模态的时间系数以年代际尺度变化为主(图7),前汛期蒸发皿蒸发量在1976年之前偏多,之后则明显偏少,呈明显下降趋势。

3)后汛期前5个模态分别占总方差的33.8%、16.0%、9.3%、7.3%和6.6%。第1模态特征向量场(图6)负中心区主要位于粤西的阳江和粤东的河源地区,除珠三角的南海等个别站点外广东绝大部分地区为一致的负值区。第1模态的时间系数以年代际尺度变化为主(图7)。结合特征向量场和时间系数的符号可知,广东后汛期蒸发皿蒸发量在1985年之前偏多,之后则明显偏少,呈明显下降趋势。

4)秋季前5个模态分别占总方差的38.2%、12.7%、7.8%、7.2%和6.7%。第1模态特征向量场(图6)负中心区主要位于粤西的阳江和粤东的河源地区,除珠三角和雷州半岛部分站点外广东绝大部分地区为一致的负值区。第1模态的时间系数以年际尺度变化为主(图7)。结合特征向量场和时间系数的符号可知,广东秋季蒸发皿蒸发量主要表现出年际变化特征。

春季第2模态特征向量(图略),除粤东部分地区出现负值外,正值几乎覆盖全广东省,其极值中心位于粤东和雷州半岛。结合特征向量场符号和时间系数符号(图略)可知,第2模态反映的也是广东春季蒸发皿蒸发量的年代际下降特征。前汛期第2模态特征向量(图略),除粤东、珠三角和雷州半岛部分地区出现负值外,正值几乎覆盖全广东省。结合特征向量场符号和时间系数符号(图略)可知,第2模态反映的是广东前汛期蒸发皿蒸发量的年际变化特征。后汛期第2模态特征向量(图略),除粤东、珠三角部分地区出现负值外,正值几乎覆盖全广东省。结合特征向量场符号和时间系数符号(图略)可知,第2模态反映的是广东后汛期蒸发皿蒸发量的年际变化特征。秋季第2模态特征向量(图略),粤东沿海为负值区,其极值中心位于粤东沿海。结合特征向量场符号和时间系数符号(图略)可知,第2模态反映的是粤东沿海秋季蒸发皿蒸发量的年代际变化特征,在1981年之前偏少,其后偏多,具有上升趋势;其余地区的秋季蒸发皿蒸发量的年代际变化位相与粤东沿海相反。

综上所述,广东省春季、前汛期和后汛期蒸发皿蒸发量变化趋势相近,下降主要表现在粤东沿海、珠三角和粤西南等沿海地区,但不同季节气候变异中心位置不同;秋季蒸发皿蒸发量第1、2个模态分别占总方差的38.2%、12.7%,故其主要表现为第1模态反映的年际变化特征。

3 影响蒸发皿蒸发量的相关要素的变化特征

3.1 影响蒸发皿蒸发量的气象因子

研究表明,蒸发皿蒸发量变化与日照时数、风速、饱和差、气温、日较差、降水量等气象因子有关[9-14]。为了进一步分析广东蒸发皿蒸发量变化原因,对蒸发皿蒸发量与气候因子进行了灰色关联分析(表3),取分辨系数为0.5。由表3可见,春季降水量、气温、日照时数是影响蒸发皿蒸发量的主要因素,风速、气温日较差和饱和差对其影响较小。前汛期风速、日照时数、气温是影响蒸发皿蒸发量的主要因素,气温日较差、降水量和饱和差对其影响较小。后汛期气温、降水量、气温日较差是影响蒸发皿蒸发量的主要因素,风速、日照时数和饱和差对其影响较小。秋季风速、降水量、气温日较差是影响蒸发皿蒸发量的主要因素,日照时数、气温和饱和差对其影响较小。

3.2 蒸发皿蒸发量的变化原因

根据前文分析可知,影响广东省蒸发量的主要因子为日照时数、风速、饱和差、降水量、气温日较差、气温6种气象因子,下面重点分析它们的趋势变化。表4表明,广东省日照时数后汛期减少最明显,减少速率为-24.5h/(10a),减少趋势通过99%置信水平的统计检验,前汛期减少趋势通过95%置信水平的统计检验,其余两个季节减少不明显。表5表明,近43a广东省四个季节平均风速下降趋势均通过99%置信水平的统计检验。广东省平均饱和差,除春季上升不明显,其余季节上升趋势均通过95%置信水平的统计检验(表略)。广东四个季节降水量变化趋势均不明显(表略)。春季日较差下降趋势,通过95%置信水平的统计检验,其他季节日较差下降趋势不明显(表略)。全省平均气温,除后汛期上升不明显,其余季节上升趋势均通过95%置信水平的统计检验(表略)。综上可见,受20世纪80年代以来全球变暖的影响,广东省日照时数、风速和气温日较差总体上的下降,可能补偿了气温、饱和差升高所引起的蒸发量增量,从而导致最终蒸发皿蒸发量的减少,而降水量无明显变化趋势,对蒸发皿蒸发量减少影响不显著

表3 广东省四季蒸发皿蒸发量与各气象要素的关联度及排序Table3 Correlation degree between pan evaporation and meteorological elements in Guangdong and sorting

表4 广东省日照时数的特征值Table4 The eigenvalues of duration of sunshine in Guangdong

表5 广东省风速的特征值Table5 The eigenvalues of wind speed in Guangdong

4 结论

使用Mann-Kendall非参数检验方法、EO F和灰色关联分析法,对广东省近43a来各季节蒸发皿蒸发量及其影响因子的气候变化趋势进行分析,结论如下:

1)就季节差异而言,广东省蒸发皿蒸发量的下降趋势主要表现在春季、前汛期和后汛期,秋季变化不明显。

2)就空间差异而言,粤东沿海、珠三角和粤西南等沿海地区是广东蒸发皿蒸发量的主要气候变异中心,表现出显著的减少趋势;不同季节的主要气候变异中心位置会发生变化;其他地区整体表现为减少趋势,但减少趋势变化复杂。

3)不同季节,各气象因子对蒸发皿蒸发量变化的影响程度不同。总体来看,广东蒸发皿蒸发量的变化与该地区的日照时数、风速、气温的变化关系密切。

4)对1961—2003年间广东省日照时数、风速、降水量、饱和差、气温日较差、气温的变化趋势分析表明,广东省日照时数、风速和气温日较差总体上的下降,可能补偿了气温、饱和差升高所引起的蒸发量增量,从而导致最终蒸发皿蒸发量的减少,而降水量无明显变化趋势,对蒸发皿蒸发量减少影响不显著。

蒸发是地气水分交换的一个分支,也是研究区域水资源变化和旱涝气候灾害问题中必须考虑的内容之一。上述揭示的广东蒸发皿蒸发量的时空变化结果可为今后探讨广东水资源异常和旱涝气候灾害的成因提供一些依据。

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Variations of Seasonal Pan Evaporation and Gray Relation Analysis on Its Influencing Factors in Guangdong

FAN Ling-li1,2,GUO Pin-wen1,ZHANG Fu-ying1,ZHOU Li-qun3,WANG Feng-hua4

(1.School of Atmospheric Sciences,NU IST,Nanjing 210044,China;2.College ofOceanography and Meteorology,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China;3.Zhaoqing Meteorological Bureau,Zhaoqing 526040,China;4.Jieyang Meteorological Bureau,Jieyang 522031,China)

In order to explore the law of climate change and its causes in Guangdong Province,based on the observations at 86 stations of Guangdong from 1961 to 2003,Mann-Kendall trend test,EOF analysis and Gray relation analysis were applied to determine the trend of seasonalpan evaporation and its correlations with the meteorological influencing factors(e.g.sunshine duration,wind speed,precipitation,saturation deficit,daily range of temperature,air temperature,etc.).Results show that the seasonalpan evaporation had significant decreasing trends in spring,the first rain season and the latter rain season in the last 43 years,with statistical significance passing the 99%confidence level,but the trend was not significant in autumn.Spatially,the anomalous centers of seasonal pan evaporation were mainly located in the Pearl River Delta,the south-west of Guangdong and the eastern coastal region of Guangdong,and the anomalous centers were different in different seasons.The decrease of seasonal pan evaporation was mostly resulted from reduction of sunshine duration,wind speed and daily range of temperature in Guangdong.

Guangdong Province;pan evaporation;seasonal variation;spatial distribution;gray relation analysis

P412.13

A

1674-7097(2010)06-0703-08

2010-04-08;改回日期:2010-06-27

广东海洋大学自然科学基金资助项目(0812070)

范伶俐(1971—),女,江西瑞昌人,副教授,研究方向为气候变化,fanlingli@126.com.

范伶俐,郭品文,张福颖,等.广东蒸发皿蒸发量的季节变化特征及其影响因素的灰色关联分析[J].大气科学学报,2010,33(6):703-710.Fan Ling-li,Guo Pin-wen,Zhang Fu-ying,et al.Variations of seasonal pan evaporation and gray relation analysis on its influencing factors in Guangdong[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):703-710.

(责任编辑:倪东鸿)