基于ERA5-Land产品的黄河流域蒸散时空变化特征_杨扬.pdf

第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology基于ERA5-Land产品的黄河流域蒸散时空变化特征杨扬1，王丽娟1，黄小燕1，齐月1，谢蕊2（1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省天水市气象局，甘肃 天水 741000）摘要：近年来，黄河流域气候发生明显变化，对流域地表水文、生态等过程产生显著影响。研究黄河流域蒸散时空变化特征，对加深陆-气相互作用认识及区域水资源管理有重要意义。本文分别在黄河源区、河套地区以及黄河下游地区选取一个代表性站点 海北、SACOL（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University）和禹城站 的观测资料，检验欧洲中期天气预报中心 ERA5-Land产品中蒸散资料在黄河流域的适用性。在此基础上，利用ERA5-Land资料中19802021年逐月潜热通量资料，结合经验正交函数分解（Empirical Orthogonal Function，EOF）、功率谱和回归分析研究近42 a黄河流域蒸散时空变化特征。结果表明：ERA5-Land资料能够反映海北、SACOL和禹城站蒸散变化特征，与观测资料的相关性较好，偏差和均方根误差较小，适用于黄河流域蒸散时空变化特征分析。黄河流域不同区域蒸散存在多时间尺度变化，显著振荡周期主要为5、15 a，有明显的年际和年代际变化。黄河流域不同区域年蒸散EOF分解第1模态表现出同位相变化，在2004年前后由增大转为减少趋势；第2模态为偶极子分布，空间分布表现反向变化特征。近42 a黄河流域年蒸散为明显减少趋势，不同区域减幅不同，下游减少速率最快，为-3.74 mma-1，河套地区为-2.82 mma-1，黄河源区减少速率相对平缓。夏季蒸散变率最大，河套和下游减少速率较大；冬季蒸散变率较小，黄河源区减少速率最大，为-0.48 mma-1。关键词：黄河流域不同区域；蒸散时空变化；ERA5-Land资料文章编号：1006-7639（2023）03-0390-13 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0390中图分类号：P426.2+2 文献标志码：A引 言陆面蒸散是地表能量和水循环的重要组成部分，由于蒸散过程中水分会发生相态转变，吸收能量会对周边大气状态产生显著影响，同时大气降水通过蒸散的形式再次返回到大气中，影响大气水分平衡（Seneviratne et al.，2010），因此蒸散过程对区域乃至全球气候均产生重要影响。此外，蒸散过程还与植被光合作用紧密相关，直接影响植物生长，对农业生产、干旱监测、种植规划等都具有重要指导意义（Wang and Dickinson，2012）。政府间气候变化专门委员会第六次评估报告指出，全球气候系统变暖毋庸置疑，18802012年全球地表平均温度升高0.85 （0.651.06），观测的许多变化在几十年乃至上千年里都是前所未有的，并导致大气和海洋变暖、积雪和冰川减少、海平面上升及温室气体浓度增加（IPCC，2019；IPCC，2021）。研究表明，气候变化引起的辐射强迫及相关海温模式演化等引起大气环流发生变化（Chadwick et al.，2016），进而导致对流层低层水汽含量增加和垂直运动增强，加之向下辐射通量增加，全球平均降水量和蒸散量增加，从而使大范围陆地水循环发生变化（Zhao et al.，2017；Zhang et al.，2015）。集合模式模拟表明，在未来气候变化情景预估RCP杨 扬，王丽娟，黄小燕，等.基于ERA5-Land产品的黄河流域蒸散时空变化特征 J.干旱气象，2023，41（3）：390-402，YANG Yang，WANG Lijuan，HUANG Xiaoyan，et al.Analysis on spatio-temporal variation of evapotranspiration in the Yellow River Basin based on ERA5-Land productsJ.Journal of Arid Meteorology，2023，41（3）：390-402，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0390收稿日期：2022-08-31；改回日期：2022-12-23基金项目：甘肃省青年科技基金计划（20JR10RA450）、国家自然科学基金项目（42105131、419751111）、甘肃省气象局气象科研项目（人才专项2122rc2x-青年优秀科技人才-09）及陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室开放研究基金项目（2022-G13）共同资助作者简介：杨扬（1988），女，副研究员，主要从事陆-气相互作用研究。E-mail：。通信作者：黄小燕（1984），女，硕士，主要从事气候变化相关研究。E-mail：。第 3 期杨扬等：基于ERA5-Land产品的黄河流域蒸散时空变化特征（Representative Concentration Pathways）8.5 路径下，到本世纪末，年平均陆地降水和蒸散将继续增加，土壤继续变干，积雪和冻土融化，年平均径流量增加，地表水储量减少，陆地水循环持续加速（Cheng et al.，2019）。由此可见，蒸散对气候变化的响应极为敏感。然而，太阳辐射、湿度、空气温度、风速、土壤湿度及植被覆盖等均会引起蒸散变化（张亚春等，2021；Fisher et al.，2017），且全球不同区域、流域的影响因素和蒸散响应程度并不一致，因而对气候变化背景下陆面蒸散的变化趋势研究仍存在不确定性（Zhang et al.，2015；Jung et al.，2010；Madeleine et al.，2021），合理评估蒸散变化趋势一直是研究的热点问题。黄河流域是我国重要的生态屏障，也是我国重要经济带，同时是国家脱贫攻坚、区域协调发展与“一带一路”倡议等重要区域，在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位（郑子彦等，2020）。黄河流经地区大部分属于干旱半干旱区，其生态环境脆弱，是气候变化敏感区，也是陆-气相互作用研究的热点区域（Koster et al.，2004；杨扬等，2021）。气候变化导致黄河流域出现冰川退缩、冻土融化、草地退化、水资源短缺等生态问题，对流域生态安全产生显著影响（马守存等，2018；张镭等，2020；肖风劲等，2021）。研究表明，1950年代以来黄河流域平均气温总体呈上升趋势，1990年代以后升温明显加快，2000年以后年平均气温比1950年代普遍升高1.00 以上（徐宗学和隋彩虹，2005；杨特群等，2009）。黄河流域降水分布不均匀，总体由西北向东南递增，其中黄河源区和河套地区过去60 a的年降水量呈增加趋势，且未来将继续增加，而黄河下游地区过去60 a及未来降水量都呈减少趋势（王澄海等，2022）。在气候变化背景下，黄河流域温度和降水的显著变化势必导致蒸散的变化。由于缺乏时空连续的蒸散观测资料，已有研究从遥感反演、同化产品和数值模拟等多方面对黄河流域蒸散变化进行了分析：遥感反演模型计算分析发现黄河 上 游 蒸 散 增 加（Xu et al.，2018；Yuan et al.，2022）；遥感模型和多套再分析资料研究表明黄河中下游蒸散减少（Feng et al.，2018；Yang et al.，2019）；水分平衡模型计算指出黄河上游蒸散增加，中下游减少（Gao et al.，2007）；而遥感产品和诊断模型分析则发现黄河中下游蒸散增加（Li et al.，2020）。此外，Lv 等（2019）利用 WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式模拟得到 20062010年黄河流域及其周边蒸散，指出该流域蒸散量增加223.9 mm；童瑞等（2015）利用VIC（Variable Infiltration Capacity）陆面模式模拟了19612012年黄河流域水文过程，获得日尺度蒸散，发现蒸散呈减少趋势。上述研究由于其模型和方法的差异，获得结论并不一致，这主要是由于缺乏高精度、高时空分辨率的蒸散观测数据所致。2019年，欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）发布了最新的全球第五代再分析资料 ERA5，包含高时空分辨率的气象要素、陆面参数等资料，为研究黄河流域蒸散变化趋势提供重要的数据支撑。鉴于此，本文利用 ERA5-Land近 42 a蒸散资料，精细化评估黄河流域蒸散时空变化特征，以期加深黄河流域蒸散变化的认识，为黄河流域水资源合理利用、生态保护和高质量发展提供科学依据。1资料和方法1.1研究区域黄河流域（95E120E，32N42N）东西长约1 900 km，南北宽约1 100 km，流域面积7.95105 km2（http：/ regional division（green boxs）of the Yellow River Basin and spatial distribution of average annual precipitation（color filled areas，Unit：mm）from 1961 to 2018（The blue solid line represents the Yellow River.the same as below）39141 卷干旱气象别进行分析。其中，黄河源区位于青藏高原东北部半干旱高寒区，海拔高、支流多、季风影响较小，是黄河径流量主要供给区，年平均降水量为400800 mm；中部河套地区横跨河套平原、鄂尔多斯高原、毛乌素沙地和黄土高原，属于干旱半干旱区，年平均降水量较少（100500 mm）且空间差异大；黄河下游位于半湿润区，流域内山西、河南、山东3段受季风影响显著，降水相对较多，达6001 000 mm。图1使用的降水资料是基于中国气象局提供的2 400余个地面台站观测资料采用薄板样条法插值建立的高分辨率格点数据集（CN05.1）（吴佳和高杰，2013），时间长度为 19612018年，空间分辨率为0.250.25。文中附图涉及的地图均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）2556号的标准地图制作，底图无修改。1.2ERA5-Land资料欧洲中期天气预报中心（ECMWF）最新发布的ERA5资料是第五代全球气候和天气再分析数据，在许多方面较先前版本有明显改善（Hersbach and Coauthors，2020）。ERA5是ECMWF首次在土壤湿度再分析资料中集成了遥感观测数据，提高了陆面土壤湿度的精度（Hersbach and Coauthors，2020；Qiao et al.，2021）。已有大量研究通过与观测及其他再分析资料对比，全面评估ERA5资料中的辐射通量、土壤湿度及地表温度等物量，发现ERA5资料均优于ERA-Interim资料（Martens et al.，2020；Wang et al.，2019），为陆-气相互作用相关研究提供更精确、更高时空分辨率的数据基础（Hersbach and Coauthors，2020；Wu et al.，2021）。与 ERA5 相比，ERA5-Land 未 与 ECMWF 的 综 合 预 报 系 统（Integrated Forecasting System，IFS）耦合，因此更新速度快，无需数据同化。ERA5-Land提供了全球1950年至今的地表能量通量和地表289 cm以上土壤温度、湿度等数据，其时间分辨率最小为1 h，空间分辨率为 0.10.1。本文选取 ERA5-Land 资料中 19802021年逐月潜热通量资