近33年來渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及原因分析

高 蓓, 范建忠, 景毅剛, 高茂盛

（陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心,陜西西安 710015）

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,氣候的變暖,水資源的評(píng)價(jià)成為區(qū)域發(fā)展的重要工作之一。陜西渭河流域?qū)儆趪?yán)重的資源性缺水地區(qū),在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下,生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化,水資源供需矛盾日益突出。

蒸發(fā)量是水循環(huán)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是水量平衡的重要組成部分[1],據(jù)統(tǒng)計(jì)全球陸地表面的蒸發(fā)量約是降水量的60%～65%[2],在水利工程設(shè)計(jì)、水資源開發(fā)利用中具有重要作用。對(duì)于蒸發(fā)量的研究,隨著氣候變化和氣象災(zāi)害的頻頻發(fā)生,開始受到許多研究者的關(guān)注[3]。與國外的研究結(jié)果一致,中國的大部分地區(qū)也普遍存在蒸發(fā)皿蒸發(fā)量顯著減少的趨勢[4-5],邱新法等[6]的研究表明,黃河流域蒸發(fā)量的的下降主要表現(xiàn)在春夏兩季,秋季和冬季則不明顯,局部區(qū)域與整個(gè)流域的氣候變化趨勢不完全同步。郭軍等[7]分析發(fā)現(xiàn),近50年來黃淮流域蒸發(fā)量減少十分明顯,且春季和夏季減少最為顯著。徐宗學(xué)等[8]的研究指出黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量大部分地區(qū)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。但這些研究結(jié)論與全球氣候變暖背景下,蒸發(fā)量增大相悖,由此引發(fā)“蒸發(fā)悖論”的一系列討論[9-12]。文中利用陜西渭河流域氣象臺(tái)站的20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量資料進(jìn)行分析,以期獲得陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的趨勢。

1 資料和方法

1.1 資料來源和處理

文中所用資料為陜西渭河流域43個(gè)氣象站1978～2010年20cm口徑蒸發(fā)皿觀測的逐月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)資料。對(duì)于個(gè)別站點(diǎn)存在缺測數(shù)據(jù),則以該站缺測日前后幾天的平均值代替,如果是整個(gè)月份數(shù)據(jù)缺測,則以該月多年平均值代替。

在20世紀(jì)80年代以前使用直徑20cm的蒸發(fā)器（用 Ф 20表示）量測蒸發(fā)量,80年代中期以后氣象臺(tái)站陸續(xù)增設(shè)E601蒸發(fā)皿（用E601表示）量測蒸發(fā)量,所以對(duì)任何一個(gè)站而言,均沒有一個(gè)完整的 Ф 20或E601蒸發(fā)量數(shù)據(jù),為了獲得一致的蒸發(fā)量序列,進(jìn)行回歸分析[13],將E601觀測值轉(zhuǎn)化為 Ф 20觀測值,即令

式中,Y60代表E601蒸發(fā)皿觀測的數(shù)據(jù),Y20代表 Ф 20蒸發(fā)器觀測的數(shù)據(jù),求得回歸系數(shù),得到估算的E601蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。

用小型蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量,代表理想水體的蒸發(fā),在濕潤微風(fēng)氣候條件下與實(shí)際的水面蒸發(fā)量比較接近。雖然小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量不能確切地代表真實(shí)水體的蒸發(fā),更不能代表實(shí)際陸面蒸發(fā),但對(duì)于了解水面蒸發(fā)量的時(shí)間變化規(guī)律和趨勢是有價(jià)值的。

根據(jù)氣候干燥指數(shù)和地理特征,將流域分成陜北區(qū)、渭北西部、關(guān)中西部、關(guān)中東部4區(qū),如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率

在計(jì)算各個(gè)參數(shù)的變化趨勢時(shí),主要采用以下方法,計(jì)算各因子的年平均值、年總值,求出各個(gè)氣象因子的區(qū)域平均值,采用氣候傾向率分析各因素的時(shí)間變化趨勢,即:

式中,Y為氣象要素的擬合值,t為時(shí)間,a0為常數(shù)項(xiàng),a1為氣候傾向率,即氣象要素年變化趨勢率。

1.2.2 氣候趨勢系數(shù)

趨勢系數(shù)能定量給出某種氣象要素時(shí)間序列的升降程度,定義為

式中,rxt為n年要素序列與自然數(shù)列的相關(guān)系數(shù),xi為第i年要素值,ˉx為樣本均值,ˉt=（n+1）/2。rxt的正、負(fù)反映了要素在n年內(nèi)的線性增減趨勢。用于定量描述氣候趨勢變化強(qiáng)弱的空間分布特征。

為了分析各氣候因子與蒸發(fā)量的相關(guān)性,采用完全相關(guān)系數(shù)分析方法分析各氣象因子對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響,以討論陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的原因。

2 結(jié)果分析

2.1 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的時(shí)間變化

對(duì)陜西渭河流域43個(gè)氣象臺(tái)站1978～2010年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),多年平均年蒸發(fā)量為1499.7mm,其中,春季（3～5月）為462.8mm,占全年的30.9%,夏季（6～8月）為 610.4mm,占全年的 40.7%,秋季（9～11月）為260.7mm,占全年的17.4%,冬季（12～2月）為143.5mm,占全年的9.8%。

由表1可以看出,陜西渭河流域的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,20世紀(jì)70年代蒸發(fā)量最大,80年代有所下降,90年代有所回升,21世紀(jì)初（2001～2010年）略有下降,且幅度變化不大,90年代與21世紀(jì)初（2001～2010年）的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相當(dāng),90年代至21世紀(jì)初較70年代下降了120mm,較80年代上升了100mm。不同的地理區(qū)變化幅度不同,渭北西部下降幅度最大,陜北、關(guān)中東部和關(guān)中西部的變化趨勢和全流域的變化趨勢相同。在季節(jié)上,春季和夏季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢（沒有通過a=0.05的顯著性檢驗(yàn)）,秋季和冬季呈下降趨勢,但冬季通過a=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 陜西渭河流域站點(diǎn)分布及分區(qū)

表1 1978～2010年陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的統(tǒng)計(jì) （單位:mm）

圖2 1978～2010年陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量累積距平變化

圖2為陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的逐年變化和逐年累積距平變化。由圖2（a）可以看出,渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.2mm/a,年趨勢系數(shù)為0.1,沒有通過 a=0.05的顯著性檢驗(yàn),故表明近33a來年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,但不是顯著上升。

圖3為陜西渭河流域不同季節(jié)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化曲線。其中春季和冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,夏季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢,僅春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量趨勢擬合曲線能通過a=0.01信度檢驗(yàn),即春季蒸發(fā)量變化明顯。由時(shí)間序列與蒸發(fā)量擬合的結(jié)果表明,春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.58mm/a,夏季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.43mm/a,秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.1mm/a,冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為0.61mm/a,這表明在季節(jié)變化過程中以春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加趨勢最為明顯。

圖3 1978～2010年陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量不同季節(jié)變化

2.2 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間變化

雖然陜西渭河流域整體年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,但仍有部分區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢,主要分布在黃陵-銅川。由圖4（a）可以看出,除陜北區(qū)西南部、渭北西區(qū)東北部和關(guān)中東區(qū)西部的部分地區(qū)下降外,陜西渭河流域大部蒸發(fā)皿蒸發(fā)量均上升,氣候傾向率的上升幅度為 0.11～18.77mm/a,最高值位于扶風(fēng),可達(dá)18.77mm/a;而陜北區(qū)西南部、渭北西區(qū)東北部和關(guān)中東區(qū)西部的部分地區(qū)的下降幅度為0.29～7.41mm/a,最低值位于宜君,為7.41mm/a。

圖4 陜西渭河流域年總蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布

圖4（b）中絕對(duì)值大于0.3的氣候趨勢系數(shù)通過了 a=0.05的顯著性檢驗(yàn),即蒸發(fā)量呈顯著上升或下降趨勢,其余值表示蒸發(fā)皿蒸發(fā)量無顯著變化。統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2）表明,33年來陜西渭河流域43站中16站的年總蒸發(fā)量顯著上升,1站顯著下降。

圖5 1978～2010年陜西渭河流域四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間變化

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢在不同季節(jié)的分布也是不同的（圖5）。春季、夏季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的空間分布基本與圖4相似,春季、夏季和秋季主要表現(xiàn)為上升的氣候趨勢,且上升幅度較大,最高達(dá)8.43mm/a（出現(xiàn)在夏季）,春季和夏季蒸發(fā)量下降的區(qū)域與圖4相似,秋季蒸發(fā)量下降區(qū)域擴(kuò)大,分布在陜北區(qū)西南部、渭北西區(qū)東部、關(guān)中西區(qū)東部和關(guān)中東區(qū)西部。冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的空間分布與其他季節(jié)不同,雖然仍主要表現(xiàn)為上升趨勢,但是上升和下降的區(qū)域范圍大致相近,且下降區(qū)域分布在陜北區(qū)、渭北西部區(qū)大部、關(guān)中西區(qū)東部和關(guān)中東區(qū)大部。

表2 陜西渭河流域不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的臺(tái)站數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的原因分析

由于影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的氣象要素很多,將影響要素分為動(dòng)力因子、熱力因子和水分因子3類采用完全相關(guān)系數(shù)法,分別計(jì)算出各氣象要素與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的完全相關(guān)系數(shù)（表3）和各氣象要素的年變化趨勢（表4）。

表3 陜西渭河流域及各區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣象因子的相關(guān)性分析

平均氣溫在流域及各個(gè)區(qū)均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,其上升幅度不一致,陜北區(qū)上升幅度最低;平均氣溫與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的相關(guān)程度分析表明,渭北西區(qū)和關(guān)中西區(qū)通過顯著性檢驗(yàn),為正相關(guān)。氣溫日較差除在陜北區(qū)呈下降趨勢外,其他研究區(qū)域均呈上升趨勢;氣溫日較差在陜西渭河流域及各區(qū)域均通過了顯著性檢驗(yàn),為正相關(guān)。因此,平均氣溫在過去的33年中對(duì)渭北西區(qū)和關(guān)中西區(qū)蒸發(fā)量增加的貢獻(xiàn)最大。

表4 陜西渭河流域及各區(qū)域氣象因子的變化趨勢

日照時(shí)數(shù)除關(guān)中西區(qū)下降外,在陜北區(qū)、渭北西區(qū)、關(guān)中東區(qū)和流域都有顯著的增加趨勢,日照時(shí)數(shù)在流域及各區(qū)內(nèi)與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量均表現(xiàn)為正相關(guān),通過了顯著性檢驗(yàn)。相對(duì)濕度與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到99%的顯著性水平,表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),但相對(duì)濕度在過去33年中并沒有明顯的變化。而低云量在全省及各個(gè)區(qū)域均呈下降趨勢,下降較為緩慢,低云量和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間相關(guān)程度較低。在陜西渭河流域和渭北西區(qū),風(fēng)速與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到99%的信度水平,表現(xiàn)為正相關(guān)。降水量在研究區(qū)域均呈下降趨勢,且下降明顯;降水量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)通過顯著性檢驗(yàn),為正相關(guān),故降水量在過去33年中對(duì)陜西渭河流域及各區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的增加的貢獻(xiàn)較大。

應(yīng)用左洪超等[14]的分析觀點(diǎn),導(dǎo)致陜西渭河流域1978～2010年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的可能原因有平均氣溫、氣溫日較差、風(fēng)速、降水量和相對(duì)濕度。由表4可以看出,平均氣溫和日照時(shí)數(shù)明顯增加,相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和低云量的變化不明顯,降水量有較大幅度下降;由此可以得知,影響陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的主要原因是平均氣溫和降水量。

4 結(jié)論

（1）近33年來陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,但不是顯著上升;年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.2mm/a。春季和冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,夏季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢。春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.58mm/a,夏季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.43mm/a,秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.1mm/a,冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為0.61mm/a,這表明在季節(jié)變化過程中以春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加趨勢最為明顯。

（2）陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在過去的33年中呈上升趨勢,春季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,夏季和冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢。就四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化區(qū)域而言,渭北西部下降幅度最大,陜北、關(guān)中東部和關(guān)中西部的變化趨勢和全流域的變化趨勢相同。

（3）導(dǎo)致陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的可能原因主要是平均氣溫上升和降水量的減少;各分區(qū)中,陜北區(qū)的可能原因是降水量減少;渭北西區(qū)的可能原因是平均溫度的上升;關(guān)中西區(qū)的可能原因是降水量的減少,關(guān)中東區(qū)的可能原因是平均氣溫上升和降水量的減少。

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