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基于多种潜在蒸散发公式的中国干旱时空演变特征研究

周建  
【摘要】:全球变暖背景下,水循环速率加快,极端旱涝事件频繁发生,对人类社会经济和生态环境的影响越来越大,干旱评估对减轻和应对干旱影响有重要需求。本文将Penman-Monteith(P-M)、Penman、Energy-Only、Priestley-Taylor、Hamon、Oudin、Hargreaves and Samani(H-S)和Thornthwaite八种潜在蒸散发计算方法依据驱动因素归为三类,即,综合法、辐射法、温度法,并基于地面气象观测数据,比较不同潜在蒸散发公式计算结果的异同。采用标准化降水蒸散发指数(SPEI),开展了中国不同气候区干旱趋势、范围、频次、持续时间在上世纪60年代以来的演变特征分析,结合记录到的干旱受灾影响面积,揭示了八种潜在蒸散发方法在中国不同气候区的适用性。借助5个全球气候模式模拟资料的集合平均,预估全球升温1.5℃和2.0℃情景下中国干旱特征的演变趋势及不同潜在蒸散发计算方法带来的不确定性。(1)1961-2017年不同公式计算的年潜在蒸散发的差异达到近2.5倍,综合法考虑热力学和空气动力学,数值较高,以Penman最高;温度法仅考虑温度对潜在蒸散发的影响,相对较低。基于八种蒸散发的SPEI指数在干旱区差异明显,SPEIP-M呈增大趋势,而辐射法SPEIPriestley-Taylor和四种温度算法呈现变干趋势;在半干旱半湿润区以及湿润区,基于八种蒸散发的SPEI序列波动相对一致。空间分布上,东北-西南走向的干旱化趋势带在八种算法上都有体现,且干旱持续时间分布由东南向西北递增。但,辐射法和温度法对干旱区干旱频次的估算较综合法偏大,而综合法估算的干旱区干旱持续时间则相对较长。SPEI指数与干旱影响面积的历时记录对比表明,八种方法均适用于半干旱半湿润区以及湿润区的干旱评价,而干旱区SPEIP-M与受灾面积相关性最佳,P-M公式在干旱区更具适用性,辐射法效果相对较差。(2)全球升温1.5℃情景下,较基准期(1986-2005年),八种潜在蒸散发均呈上升趋势,湿润区大部增幅约5%以上,温度法增加最强烈,辐射法最低。SPEI值表示的干旱强度在半干旱半湿润区的东北部有弱减少趋势以外,中国其余地区均呈加强趋势,以干旱区增幅最强,增加约6%。干旱频次在干旱区较1986-2005年减少约12%,但半干旱半湿润区以及湿润区,干旱频次有所增加。干旱持续时间在干旱区增加显著,干旱的平均持续时间是1986-2005年的1.9倍,半干旱半湿润区平均干旱时长约7.6(7.1~8.8)个月,延长了近两个月,而湿润区较基准期增长约0.4个月。(3)对比基准期,全球升温2.0℃情景下,年蒸散发量呈增加态势,温度法增长幅度最大,特别是在湿润区增加10%以上。SPEI干旱强度持续加强,干旱区增幅在25%以上,半干旱半湿润区中部和西部增幅也将超过15%。干旱区干旱频次由基准期的11.8次减少到8.8(6.3~10.5)次,半干旱半湿润区增加约14%,半干旱半湿润区与湿润区过渡区出现一条干旱频次显著增加带,增幅约在30~40%。干旱持续时间呈现增加趋势,干旱区增加约2.5倍,干旱平均持续期能长达18(11~25.4)个月,而湿润区增幅不大,增加区域主要集中在湿润区的西南部和中部地区。(4)温度法计算的潜在蒸散发公式对全球气候变暖较综合法和辐射法更敏感。全球升温2.0℃与升温1.5℃相比,年潜在蒸散发量持续增加,干旱强度在不同区都有所增加,但半干旱半湿润区以及湿润区干旱强度的变化相对较小,而干旱区绝大部分地区干旱强度增幅达10%以上。尽管干旱频次有所减少,半干旱半湿润区与湿润区的过渡区以及半干旱半湿润区东北部干旱频次增加显著。半干旱半湿润区西南部持续时间有所减少,但整体来看干旱区干旱持续时间增长了大约5个月。干旱的预估工作对人们应对气候变化以及防灾减灾都有重大意义,将全球升温幅度控制在工业革命之前1.5℃以内,较2.0℃能够有效的减轻干旱对人民生活和经济发展的影响。


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