RCP4.5 情景下贵州省潜在蒸散量及地表湿润度变化预估

韩会庆， 张朝琼， 白玉梅， 张新鼎， 周茜茜

（1.贵州理工学院 建筑与城市规划学院，贵州 贵阳550003； 2.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳550001）

潜在蒸散量是衡量大气蒸发能力的重要指标，其变化深刻影响着气候干湿状况，在全球气候变化研究中日益受到关注［1］.研究潜在蒸散量及干湿状况，对农业生产布局，提高适应气候变化的能力以及水资源利用具有重要的意义.

目前，全球［2］、国家［3］、区域［4］、流域［5］等多尺度的潜在蒸散量研究已广泛开展.辐射法、气温法、水量平衡法、综合法、质量守恒法等是当前潜在蒸散量估算的主要方法［6］.然而多数方法需要大量数据支持，比如Penman - Monteith（PM）公式是潜在蒸散量估算精度最高的方法［7］，但是该方法需要气温、风速、气压、太阳辐射、湿度等数据，这在气象资料缺乏地区难以进行.Thornthwaite（Th）法是气温法的一种，它以月平均气温为基础，计算需求数据少，在修正的基础上可以满足估算精度要求［8］.此外，潜在蒸散量作为影响地表干湿状况的重要因素，成为学者关注的焦点.如胡琦等［9］利用降水量和潜在蒸散量计算了湿润指数，并分析了1961—2014 年我国干湿气候时空变化特征.然而，当前研究较多关注过去时点的潜在蒸散量及地表湿润度［10-11］，对未来时点的研究较少，且鲜有关注贵州地区.因此，本文以贵州省为例，利用修正的Th 法，分析RCP4.5 情景下2016—2100 年贵州省潜在蒸散量变化趋势基础上，研究未来地表湿润度变化趋势，以期为水资源开发与利用、生态环境保护提供科学依据.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源1961—2015 年气候数据来自国家气象数据共享网提供的19 个气象站点逐日和逐月观测数据，包括日平均气温、日最高温、日最低温、日照时数、日平均风速、日平均相对湿度，月平均气温等.2016—2100 年气候预估数据来源于国家气候中心提供的中国地区气候变化预估数据集（Version 3.0），该数据集是基于21 个CMIP5 全球气候模式预估的RCP4.5 排放情景下逐月气温和降水数据（分辨率0.5° ×0.5°），该数据已经过验证，可靠性强，可以满足本研究需要［12］.RCP4.5 情景属于中间稳定路径，要求至2100 年辐射强度稳定在4.5 W/m2，大气温室气体浓度稳定在650 ×10-6CO2当量，平均气温升高2.4 ～5.5 ℃.该情景认为可以通过一系列政策和措施控制温室气体排放，至2040年达到设定目标水平，2070 年后达到稳定状态.该情景下的温室气体变化与中国未来经济发展趋势较为一致，符合当前我国应对气候变化的政策措施实施特点和未来发展愿景［13］.由于RCP2.6 情景属于低端路径，辐射强度、大气温室气体浓度、平均气温设定的目标水平较低，RCP6.0、RCP8.5 情景属于中高端路径，辐射强度、大气温室气体浓度、平均气温设定的目标水平较高.这3 个情景与实际情况偏差较大，因此，本研究选取RCP4.5 情景分析未来潜在蒸散量和地表湿润度变化趋势.此外，采用双线性插值法将气温和降水预估数据插值至贵州省19 个站点.季节划分：3—5 月为春季、6—8 月为夏季、9—11 月为秋季、12 月—次年2 月为冬季.

1.2 研究方法

1.2.1 潜在蒸散量计算方法 Th法是以月平均气温为基础，并考虑纬度因子（日照长度），计算式为：

其中，PE为潜在蒸散量，Ti为月平均气温，H 为年热量指数，A为常数.

由于Th法与估算精度最高的P -M 公式存在偏差，因此，需进行Th法修订.修订步骤为：首先，基于贵州省1961—2015 年逐日观测数据，利用P -M公式估算1961—2015 年逐日潜在蒸散量，进而得到逐月潜在蒸散量；同时，基于贵州省1961—2015年逐月观测数据，利用Th法估算1961—2015年逐月潜在蒸散量；然后，以Th 法求得的逐月潜在蒸散量为自变量，P-M公式估算的逐月潜在蒸散量为因变量，建立两者的线性回归方程，找到逐月修正系数；最后，利用逐月修正系数对Th 法进行修正.在此基础上，再进行2016—2100年贵州省潜在蒸散量估算.

1.2.2 地表湿润度变化

式中，K为地表湿润度指数，P为降水量，PE为潜在蒸散量.K越大，表示趋于湿润；反之，趋于干旱.

1.2.3 分析方法 利用气候变化倾向率、小波分析、Kring插值法［14］分别研究潜在蒸散量和地表湿润度指数的变化趋势、周期性和空间格局.

2 结果与分析

图1 RCP4.5 情景下2016—2100 年潜在蒸散量变化趋势Fig.1 Change trend of potential evapotranspiration from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario

2.1 潜在蒸散量变化从潜在蒸散量变化整体趋势（图1）可知，RCP4.5 情景下2016—2100 年贵州省全年及四季的潜在蒸散量均呈增加趋势，全年的潜在蒸散量增长幅度高于四季.四季中，夏季的增长幅度较大，春季和秋季居中，冬季的增长幅度较小.从不同时期潜在蒸散量变化结果（表1）看，8 个时间阶段内，全年和夏季的潜在蒸散量一直呈增加趋势；春季潜在蒸散量呈现先增加后降低，再增加的特点，其中2066—2075 年是低谷期；秋季和冬季的潜在蒸散量则呈现先增加，后降低特点，其中2076—2085 年达到峰值.

表1 RCP4.5 情景下2016—2100 年不同时期潜在蒸散量变化Tab.1 Change of potential evapotranspiration in different periods from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario mm

从全年和四季的潜在蒸散量变化趋势空间格局（图2）可以看出，RCP4.5 情景下贵州省全部地区的全年潜在蒸散量均呈增加趋势，增加趋势整体由东部向西部逐渐降低，其中东南部的增加幅度较高，东北部、北部和中部居中，西部和西南部的增加幅度较小.从不同季节看，贵州省全部地区的四季潜在蒸散量均呈增加趋势，不同季节之间潜在蒸散量增加幅度空间异质性突出，其中春季南部地区的增加幅度较高、北部较低，夏季东部的增加幅度较高、西部较低，秋季东南部的增加幅度较高、西部较低，冬季西北部的增加幅度较高、南部较低.

图2 RCP4.5 情景下全年和四季的潜在蒸散量变化趋势空间格局Fig.2 Spatial pattern of change trend of potential evapotranspiration in annual and seasons under RCP4.5 scenario

2.2 地表湿润度变化从地表湿润指数变化整体趋势（图3）可知，2016—2100 年RCP4.5 情景下贵州省全年、夏季、秋季和冬季的地表湿润指数均呈下降趋势，其中冬季的下降幅度高于全年、夏季和秋季，仅有春季的地表湿润指数呈增加趋势.从不同时期地表湿润指数变化结果（表2）看，地表湿润指数均呈现：冬季＞春季＞全年＞夏季＞秋季.8 个时间阶段内，全年、春季、秋季、冬季的地表湿润指数变化呈现：“增加-下降”的反复更迭特征；夏季呈现下降-增加-下降的特点.

图3 RCP4.5 情景下2016—2100 年地表湿润指数变化趋势Fig.3 Change trend of surface moisture index from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario

表2 RCP4.5 情景下2016—2100 年不同时期地表湿润指数变化Tab.2 Change of surface moisture index in different periods from 2016 to 2100 under RCP4.5 scenario

从全年和四季的地表湿润指数变化趋势空间格局（图4）可知，贵州省全部地区的全年地表湿润指数均呈下降趋势，下降幅度整体呈现东高西低的特点，其中东南部的下降幅度较大，东北部、中部居中，西部的下降幅度较小.从四季看，贵州省中部、西部、东部和北部的春季地表湿润指数均呈增加趋势，仅有南部呈下降趋势；贵州省全部地区夏季、秋季和冬季的地表湿润指数呈下降趋势，其中夏季的地表湿润指数下降高值区位于东南地区，低值区位于东北部和西部地区；秋季的地表湿润指数下降高值区位于东北地区，低值区位于南部地区；冬季的地表湿润指数下降高值区位于北部地区，低值区位于南部地区.

从全年和四季的地表湿润度变化小波分析图（图5、图6）可知，贵州省全年地表湿润度变化主要存在51 ～56 a的1 个时间尺度周期振荡，地表湿润度变化经历了5 次“干-湿”的循环，55 a是地表湿润度变化的主周期.

图4 RCP4.5 情景下全年和四季的地表湿润指数变化趋势空间格局Fig.4 Spatial pattern of change trend of surface moisture index in annual and seasons under RCP4.5 scenario

图5 RCP4.5 情景下全年和春季的地表湿润度变化小波分析Fig.5 Wavelet analysis of surface moisture index change in annual and Spring under RCP4.5 scenario

春季地表湿润度变化主要存在53 ～57 a、40 ～44 a的2 个时间尺度周期振荡，53 ～57 a时间尺度中，地表湿润度变化经历了5 次“干-湿”的循环.40 ～44 a时间尺度中，经历了7 次“干-湿”的循环，56 a是地表湿润度变化的第1 主周期，43 a 为第2 主周期.

夏季地表湿润度变化主要存在51 ～56 a、33 ～38 a的2 个时间尺度周期振荡，51 ～56 a时间尺度中，地表湿润度变化经历了5 次“干-湿”的循环，33 ～38 a时间尺度中，经历了7 次“干-湿”的循环，55 a是地表湿润度变化的第1 主周期，37 a 为第2 主周期.

秋季地表湿润度变化主要存在52 ～56 a、26 ～31 a的2 个时间尺度周期振荡，52 ～56 a时间尺度中，地表湿润度变化经历了5 次“干-湿”的循环，26 ～31 a时间尺度中，经历了9 次“干-湿”的循环，55 a是地表湿润度变化的第1 主周期，30 a 为第2 主周期.

冬季地表湿润度变化主要存在52 ～56 a、4 ～7 a的2 个时间尺度周期振荡，52 ～56 a 时间尺度中，地表湿润度变化经历了5 次“干-湿”的循环，4 ～7 a时间尺度中，经历了30 余次“干-湿”的循环，55 a是地表湿润度变化的第1 主周期，6 a为第2 主周期.

3 讨论与结论

3.1 讨论本研究发现RCP4.5 情景下2016—2100 年贵州省潜在蒸散量呈增加趋势，与文献［15 -16］对未来潜在蒸散量变化研究结果基本一致，这主要与研究区气温升高密切相关.然而，本研究结果却与董煜等［17］对新疆的研究结果相反，这说明未来潜在蒸散量变化存在明显的区域差异.本研究发现RCP4.5 情景下2016—2100 年贵州省地表湿润指数呈下降趋势，气候趋于干旱化，这与姜江等［18］研究结果相似.尽管未来贵州省降水量呈小幅增加趋势［12］，但潜在蒸散量的大幅增加导致研究区气候趋于干旱.值得注意的是，研究区未来春季地表湿润指数的增加，一定程度上缓解了春旱的负面影响，有利于春播.然而，夏季、秋季和冬季地表湿润指数的下降（尤其是夏季）可能加剧干旱的严重程度，这将不利于农作物生长.此外，与以前的SA90、IS92、SRES等情景相比，IPCC最近提出的RCP情景属于包涵更完备强迫的新气候情景，该情景全面考虑了人口增长、技术改变、环境条件、经济发展、政策等因素［19］，为未来气候变化研究提供了可靠的预估结果.

3.2 结论85 a间，RCP4.5 情景下贵州省全年及四季的潜在蒸散量均呈增加趋势，夏季潜在蒸散量的增长幅度高于春季、秋季、冬季.贵州省全部地区的全年和四季潜在蒸散量均呈增加趋势.全年和四季的潜在蒸散量变化空间差异突出.贵州省全年、夏季、秋季和冬季的地表湿润指数均呈下降趋势，仅有春季的地表湿润指数呈增加趋势.贵州省全部地区的全年、夏季、秋季和冬季地表湿润指数呈下降趋势，而全省大部分地区春季的地表湿润指数呈增加趋势.全年的地表湿润度变化存在1 个时间尺度周期振荡，四季均存在2 个时间尺度周期振荡，55 a 是全年、夏季、秋季和冬季地表湿润度变化的第1 主周期，56 a是春季地表湿润度变化的第1 主周期.