2011, Vol. 54
2. L. Douglas Wilder School of Government and Public Affairs, Virginia Commonwealth University, 923 W. Franklin St., Richmond, VA, 23284, United States of America
2. L. Douglas Wilder School of Government and Public Affairs, Virginia Commonwealth University, 923 W. Franklin St., Richmond, VA, 23284, United States of America
季风性气候和地理位置导致的降水､温度分布，使得中国区域逐渐形成了相对稳定的气候区划､陆表覆盖类型和植被生态群落.但随着20世纪开始的全球性气候的调整，中国大部分地区温､湿等大气参数出现了具有趋势性的年际变化[1， 2].尤其是始于20世纪80年代的经济高速发展和人口剧增，在导致部分地区土地利用格局与环境质量发生变化､地表生态系统变得越发脆弱的同时[3~5]，工业气体排放物也使得大气中气溶胶含量剧增.
气候系统的半封闭性和自调节能力，使气候系统内部各种物理参量的变化具有很大的不确定性.气候调整的动力可能来自气候系统外部太阳辐射的变化，亦可能由系统内部陆面物理性质的改变引起.在气候系统外部，太阳辐射年际变化可以宏观地改变气候带的南北分布；系统内部地表几何特征和物理属性的不均性分布，引发地表反照率､水文､植被覆盖等存在巨大空间差异，最终导致气候系统发生区域性调节[6~9]，这也势必进一步影响到太阳辐射能的变化和分布.
地表潜热蒸发量是一个对外部太阳辐射和内部大气陆表变化非常敏感的参数，它由两部分组成:一是热力作用.地表水吸收太阳辐射能并转化为热能，通过水分的相变与大气进行能量交换.二是地表层大气动力作用.风的动力作用､大气与地表之间的温湿差异是地表蒸发的动力来源.但两部分都与地表覆盖性质的分布变化密切相关.首先地表覆盖类型变化会改变地表热力分布，并通过对流和湍流交换影响区域云的凝结高度和覆盖率.尤其是植被与裸土之间边界的季节波动和年际变化对区域云量和云结构的影响更加突出[10].其次地表覆盖类型的差异，也同样会影响到大气动力作用的分布和变化.卫星观测和生物物理模型研究证实，植被覆盖､植被冠层结构的改变可以直接导致区域多种气候参数变化[11， 12]；中国西北干旱地区相关研究也显示，沙漠化､荒漠化面积的增减波动有显著的温､湿气候效应[13， 14].
潜热蒸发是地表和大气之间能量和物质交换的主要途径之一，它代表了区域尺度内气温和降水等变量的综合分布变化结果.由于蒸发潜力与实际蒸发量之间存在固定的指数关系，因此蒸发潜力也是衡量区域干旱发展的重要指标.分析研究蒸发潜力的时空变化和分布，将有助于了解近年来我国气候环境的变化和成因.本文利用1980~2000年中国区域气象台站实测数据和1980~2000年卫星观测数据，首先分析了中国区域蒸发潜力的变化趋势以及空间不均性分布，其次从热力作用､动力作用和地表覆盖特征变化三个方面分析了蒸发潜力不均性分布的成因.
2 分析方法和数据源本文使用自然正交分解(EOF)方法，分析气象观测资料的时间变化趋势以及变化趋势的空间分布.根据EOF主特征值时间系数的变化和特征场的空间分布，寻找造成蒸发潜力发展和变化的主要影响因素.
EOF是分析空间场随时间变化的统计学方法.基本原理是将时间尺度为t的n个离散空间点F(t，n)分解成由时间权重矩阵T和空间特征向量X的乘积:
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(1) |
(1) 式的数理含义是:离散点组成的时间序列F(t，n)可以由几个主要的空间特征场和对应的时间系数来近似描述.时间系数代表了每个离散点的时间变化过程，而空间场代表了时间变化过程的强度空间分布.对于稳定变化的时间序列场F(t，n)，第一特征值能够反映出F(t，n)的时间变化趋势以及时间变化趋势的空间分布，其他特征值则可以反映出时间序列的局地波动特征.通过EOF分解特征值误差范围显著性检验方法[15]，判断特征值所对应的经验正交函数是有价值信号.
最大蒸发潜力､太阳辐射､风速和饱和水汽压差等气象参数都存在年变化.年变化时间序列由趋势叠加各种不同相位时间波动组成，并且空间分布强度也存在很大差异.EOF分解的空间场和时间变化过程能够相对客观地描述各气象参数的时空变化趋势和局地变化差异.本文使用的数据全部来自观测资料，温､湿､风等数据来自中国区域622个气象观测台站，其中61 个台站有辐射观测数据(图 1).卫星观测数据采用反演于NOAA-AVHRR 的1980~2000年旬最大归一化植被指数(NDVI)，用于分析地表覆盖特征的变化.
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图 1 中国区域气象观测台站分布 .气象台站；+有辐射观测记录的台站 Fig. 1 The distribution of meteorological station • Weather station； + Weather station recording solar radiation |
北方地区是中国农业和畜牧业集中､水资源相对匮乏的区域.20 世纪80 年代之后气温大幅度的上升使干旱日益加剧；人口数量和经济的快速增长､工农业用水和城镇生活用水迅速增加，加速了地表水资源的枯竭[16~19].人类活动强度的日益增加导致陆-气之间的自然关系受到高强度干扰[20].现代科技的发展更使得植被的自然布局发生改变，物种的拓展和收缩与气候之间的固有关系变得趋向于模糊.尤其是农业物种的布局和农业耕作习惯变化最大，使中国成为世界上多季农业耕作面积最多的国家.在部分地区人类影响已经远远超过自然因素对陆表的作用，导致人类活动在区域､全球气候变化中的影响权重越来越显著[21~25].
潜热蒸发是描述干旱分布和发展的最佳参数，但由于技术等原因，准确计算实际潜热蒸发非常困难.气象台站20cm 蒸发皿观测数据却提供了一种间接描述地表蒸发的途径.1963年Bouchet[26]提出了互补相关理论，认为在一个局地的人为创造的小环境中，观察其蒸发情况，从中得到的结果可以作为一个指标，根据它的变化情况来计算本地区大面积陆面或水域的实际蒸散发量.其后大量的实验数据证明了局地蒸发潜力与实际蒸散发之间的互补关系确实存在[27~29].互补相关理论基本思想可以通过(2)式简单地表述:
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(2) |
E代表区域实际的潜热蒸发量；Ep 为Penman公式计算的蒸发潜力；Ew 为下垫面充分湿润､并且其上面的空气湿度也已饱和时的潜热蒸发量.α 是与区域有关的大尺度平流参数，对于同一地区，如果不考虑季节因素，可以认为是常数[30].
互补相关理论(2)式含义是:区域内的最大实际蒸发量(2αEw)是一个与地理位置和区域气候有关的极端值.当区域内地表干燥､实际蒸发量(E)减少时，蒸发潜力(Ep)就会上升；相反，区域内实际蒸发量增加，说明地表湿润，最大蒸发潜力就会减少.由于气象观测台站的20cm 蒸发皿数据代表了蒸发潜力，所以根据互补相关理论，可以通过20cm 蒸发皿数据来间接描述区域地表干湿的发展趋势和空间分布.
中国区域1980~2000 年共622 个气象台站的20cm 蒸发皿年总蒸发EOF 分解结果显示，第一特征值占20个特征值总权重的23.3%.蒸发潜力EOF分解第一特征值权重较低，说明影响蒸发的因素很多､存在过多的空间不平衡影响因素.然而通过第一特征场分布，却可以得出蒸发潜力的相对发展变化趋势.EOF分解第一特征场呈现为两种空间模态:一是以100°E 为中心的长江中游以北和东北地区的大范围正值分布；另一个是除上述区域以外的负值分布(图 2a).与第一特征场对应的时间系数显示，1980~2000年期间，时间系数呈现明显的增加趋势(图 2b).即:第一特征场正值区域蒸发潜力相对呈增加趋势，而负值区域则呈减少趋势.根据互补相关理论，蒸发潜力增加，意味着区域内地表实际水分蒸发减少，区域干旱加剧；相反蒸发潜力减少的区域，表示区域内地表水分充足､土壤湿润，干旱呈减轻发展趋势.
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图 2 最大蒸发潜力EOF分解第一特征场分布(a)和第一时间系数变化(b) Fig. 2 Distribution of the first eigenvector (a) and change of first temporal coefficient (b) decomposed potential evaporation data set by EOF |
根据(3)式能量平衡方程，蒸发潜力来自两个部分:第一个是由热力作用产生的蒸发.热力作用源于太阳辐射，太阳入射能到达地表经下垫面再分配后，产生用于蒸发的热能.第二个组成部分是动力作用.动力作用源于地表和大气之间湿度､温度差异而产生的“抽吸"作用以及风的动力作用.无论是热力作用还是动力作用，都与下垫面物理性质有关，因此分析蒸发潜力不均性变化分布的原因，涉及到热力作用､动力作用和地表物理属性变化三方面.
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(3) |
L:蒸发潜热；RN:净辐射；G:地表热通量；ρ､CP:干空气密度和定压比热；D:饱和水汽压差；ra:表面阻抗；r:干湿球常数；Δ:饱和水汽压变化率.
4.1 热力作用对蒸发潜力不均性时空变化的影响中国区域太阳入射能的下降趋势与全球多数区域基本保持一致.从20世纪60年代开始，北美地区的观测数据也都显示出太阳入射能出现下降的趋势[31， 32]，上述发现同样扩展到南半球区域[33].太阳入射能的下降与20世纪全球污染物排放量增加，大气气溶胶含量增多有关.在中国区域，具有连续完整辐射观测记录的台站比较稀疏.本文搜集整理了1961~1998年期间共61 个台站辐射观测资料，利用长时间序列分析中国区域太阳入射能的变化趋势.太阳入射辐射EOF分解第一特征向量占总特征向量的42.3%，因此通过第一特征值能够很好地反映出中国区域太阳入射能的年变化趋势和分布.第一特征向量场空间分布均为正值(图 3a)，而时间系数自20世纪60年代至1989年止，呈明显的下降趋势，之后出现上升的趋势(图 3b).EOF 分解结果可以说明，1961~1989年期间中国区域太阳入射能总体上呈逐年下降，1989年后开始逐年上升.
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图 3 太阳人射辐射EOF分解第一特征场分布(a)和第一时间系数变化(b) Fig. 3 Distribution of the first eigenvector (a) and change of first temporal coefficient (b) decomposed solar radiation data set by EOF |
上述结果显示，1989 年之前热力作用的减弱，并没有影响到长江中游至河套､东北等地区蒸发潜力的增加；同时，1989年之后热力作用的加强，也并没有导致所有区域---尤其是长江以南及沿海地区蒸发潜热的增加，因此在中国区域，太阳的热力作用并不是决定蒸发潜力发展趋势的唯一主导因素.
4.2 动力作用对蒸发潜力不均性时空变化的影响动力作用来源于两个方面，一是地表风动力对水汽的扩散作用；另一个是地表与大气之间的温湿差异而产生的干燥力.(3)式可以更简洁地表达为
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(4) |
(4) 式中，Ea 代表大气的动力作用.大气动力作用与大气风动力U成正比，另一个是与大气干燥力成正比，干燥力可以用饱和水汽压差来描述.
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(5) |
es:大气饱和水汽压；e:实际水汽压.
年平均风场的EOF 分解显示第一特征值占总权重的46%，可以反映风场的趋势变化和分布.第一特征场呈现两种相反的变化，以110°E 为中心的周边地区特征场呈负值分布，其他地区以正值分布为主(图 4a).对应的第一特征场时间系数呈下降的趋势(图 4b).即负值区域1980~2000 年期间风场呈现的是增加趋势，相反对于正值区域风场则呈现的是下降的趋势.对比蒸发潜力第一特征场分布可以看出，在蒸发潜力增加的长江中游以北地区，与风动力增加中心区域对应，两者空间上的一致性分布说明，对于蒸发潜力相对增强的区域而言，风动力的增加是蒸发潜力加剧的重要原因之一.
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图 4 风速EOF分解第一特征场分布(a)和第一时间系数变化(b) Fig. 4 Distribution of the first eigenvector (a) and change of first temporal coefficient (b) decomposed wind speed data set by EOF |
大气的干燥力源于大气与地表的温湿差异，可以用饱和水汽压差来描述干燥力的强弱.饱和水汽压差EOF 分解结果显示第一特征值占总权重的31.8%，代表了总体变化趋势.第一特征场分布同样显示出正负两种分布场(图 5a)时间系数呈现增加趋势(图 5b).根据EOF分解数理含义，在正值区域干燥力增加，负值区域干燥力减少.与蒸发潜力第一特征场分布对比，干燥力呈上升趋势的区域范围更广，这与20世纪80 年代后期全球气温的大幅上升有关.但蒸发潜力增加区域与干燥力增加区域的中心基本对应，说明干燥力的增强也是蒸发潜力加剧的重要原因之一.
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图 5 饱和水汽压差EOF分解第一特征场分布(a)和第一时间系数变化(b) Fig. 5 Distribution of the first eigenvector (a) and change of first temporal coefficient (b) decomposed vapor pressure deficit by EOF |
地表物理性质决定了热力作用和动力作用对蒸发的贡献权重.植被覆盖率的增减反映了地表物理性质的综合变化，遥感数据则能够反映出地表植被覆盖的高分辨率时空变化.自然条件下，气候系统是制约植被变化的最主要因素，地表植被通过自身调整缓慢地适应气候状况的变化.但由于人为因素的作用，地表植被覆盖往往发生突变式变化，尤其自20世纪80年代开始，中国经济保持高速发展，经济发展模式过多依赖于自然环境的开发；期间也是中国人口数量增加高峰期，人口密度的增加造成城市化规模迅速扩大，地表覆盖类型时间和空间变化强度很大，下垫面性质也因覆盖类型的改变发生变化.
人为影响最显著的过程是土地利用类型的改变，这种变化大多在图像纹理上具有明显的特征，即以点或河流为中心，逐年向四周扩展.如果以地表NDVI线性增加和线性减少作为地表植被覆盖变化的依据，可以通过线性方程(6)的形式来近似描述植被覆盖的变化.(6)式中a代表了线性方程的斜率，可以通过最小二乘法求得.当a＜0 时，植被覆盖率线性减少；a＞0时，植被覆盖率线性增加.
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(6) |
由于中国区域植被生长周期存在巨大的南北差异，直接使用年平均遥感资料会产生很大的误差，因此本文利用5~10月NDVI描述地表植被的年变化，期间都是中国南北区域植被生长的主要季节.根据最小二乘法，利用1980~2000年平均NDVI分析确定了每个像原点参数a的正负分布.结果显示，自1980~2000年期间，中国大部分地区植被覆盖呈现线性增加的过程(图 6).植被的线性增减，在空间分布上存在一定的规律.在中国五大水系(长江，黄河，黑龙江，珠江，辽河)､最大的内陆河(塔里木河)和两条国际河流(雅鲁藏布江，澜沧江)周边地区，充足的水分为植被的生长提供了合适的自然环境.在人为影响相对较弱的澜沧江和雅鲁藏布江周边地区，气温的上升为植被生长提供了更多的活动积温，植被以自身的规律在空间上不断扩展[34]；部分地区植被的增加也与近年来环境保护密切相关，如在塔里木河以北地区持续的人工绿化以及封山育林，植被覆盖率持续增加[35].然而水系发达的区域也是人类居住的理想环境，在中国主要的水系流域，城市化等因素也使得河流周边区域和大中城市附近，植被覆盖呈现条状或点状的植被退化现象.除西北地区沙漠区域外，流域以及沿海地区大中城市附近植被都呈现下降的趋势.
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图 6 NDVI线性变化趋势分布 Fig. 6 The distribution of linearly increasing or decreasing NDVI |
地表覆盖类型的变化改变了地表物理性质.对于植被减少区域而言，植被的减少导致土壤湿度减小､反照率增加，地表热力作用增强，进而使得地表与大气温､湿差距加大，大气动力对蒸发潜力权重增加.对比图 2蒸发潜力变化分布结果，蒸发潜力增加的区域基本位于降水量相对较少，且原有植被退化比较严重的北方地区[36]；南部以及沿海地区由于降水充分，地表热力作用并没有明显地表现出来.在植被大面积退化的几个区域，干燥力作用都呈现增强的趋势，但由于大气平流作用，在部分植被退化面积较小的区域，干燥力中心值分布并不明显.蒸发潜力､干燥力和植被退化范围在空间和时间上的相关性预示，地表植被的退化过程，在一定程度上导致了大气干燥力增加，对蒸发潜力发展的不均性分布有一定的贡献.
5 结论与讨论本文利用气象台站以及卫星观测数据，分析了全球变暖背景下中国区域蒸发潜力相对发展趋势.从热力作用､动力作用和地表物理属性变化三个方面探讨了蒸发潜力发展空间不均性分布的原因.对20cm 蒸发皿观测数据EOF分解结果显示，随着20世纪80年代之后中国区域年平均气温的普遍上升，蒸发潜力存在区域性不平衡发展.除以100°E 为中心的长江中游以北和东北等地区出现蒸发潜力增加趋势外，其他地区蒸发潜力向着相对减少的方向发展.通过气象和卫星数据对蒸发潜力不均性成因的分析，得出三点结论:
(1) 太阳辐射能年际变化并不是决定蒸发潜力的发展趋势的唯一因素.自20世纪60年代始，由于大气气溶胶的增加，中国区域太阳入射能整体呈下降趋势.作为地表潜热蒸发的重要驱动力之一，入射能的减少对部分地区蒸发潜力的下降可能有一定的贡献，但在蒸发潜力增强的区域，太阳入射能变化并不是唯一的决定因素.尤其是1989年之后太阳入射能的增加，并没有改变长江以南地区蒸发潜力的逐年下降，也进一步印证了这一结论.
(2) 大气动力作用是产生蒸发潜力不均性分布的重要原因之一.大气动力作用是潜热蒸发的两个驱动力之一，在中国区域蒸发潜力增加的区域对应的时间段内，大气的风动力和大气的干燥力都呈现增加的趋势.尤其是近年来气温的普遍上升，造成大气饱和水汽压差增加，大气的“抽吸作用"增加，加上风动力增强，水汽扩散加快，产生蒸发潜力发展空间不均性分布.
(3) 地表覆盖类型的变化也是蒸发潜力发展不均性分布的一项影响因素.植被覆盖率的减少，一方面改变了地表热力分布，同时造成与蒸发有关的地表物理属性发生变化.卫星数据分析显示，在中国北方降水量相对较少，20 世纪80 年代初植被覆盖相对密集的区域，植被的线性退化造成大气干燥力上升，蒸发潜力发展呈上升趋势；在南方降水充足的地区，植被的退化并没有产生明显的效应.
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