陜西關(guān)中地區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量的時(shí)空變化特性分析

梅 星，沈 冰，莫淑紅

（西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

0 引 言

目前，氣候變化已成為不爭(zhēng)的事實(shí)［1］。近年來(lái)，由于自然和人類活動(dòng)的干擾，大氣污染和溫室氣體濃度的升高，加劇了氣候變化的速度，全球氣候變化研究已成為目前國(guó)際上科學(xué)界的熱點(diǎn)研究問題之一［2－3］。蒸發(fā)量既是地表能量平衡的重要組成部分，又是水量平衡的重要組成部分［4］，是決定天氣與氣候條件的重要因子，在全球水循環(huán)和氣候演變中具有舉足輕重的作用［5－6］。蒸散發(fā)量在水資源的利用、評(píng)價(jià)工作中具有重要意義，在許多領(lǐng)域內(nèi)也都有應(yīng)用。蒸散發(fā)的研究涉及氣象學(xué)、水文學(xué)、植物生理學(xué)、土壤物理學(xué)等眾多學(xué)科［7－8］。因此，進(jìn)行蒸散發(fā)量變化的研究，對(duì)深入了解氣候變化規(guī)律及探討氣候變化的原因具有十分重要的意義。

1 計(jì)算方法

關(guān)中地區(qū)位于陜西中部，屬大陸性季風(fēng)氣候，暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱氣候帶。干旱、暴雨、霜凍等自然災(zāi)害性天氣時(shí)有發(fā)生。因此研究關(guān)中地區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量的時(shí)空變化及其原因可以為陜西省關(guān)中地區(qū)的水資源配置和開發(fā)利用提供合理的建議和理論依據(jù)。根據(jù)關(guān)中地區(qū)7個(gè)氣象站點(diǎn) （西安、寶雞、長(zhǎng)武、銅川、耀縣、鳳翔和武功）1960～2010年間51a的月平均氣溫、月平均相對(duì)濕度、月平均日照時(shí)數(shù)、月平均水汽壓、月降水量等氣象資料，采用加拿大互補(bǔ)相關(guān)模型 （CRAE模型）計(jì)算歷年各月的實(shí)際蒸散發(fā)量，具體計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果見文獻(xiàn) ［9］，氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象網(wǎng)。借助GIS軟件Arc／Info對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的多年平均值進(jìn)行反距離空間插值，最后獲得實(shí)際蒸散發(fā)量和其影響因素的空間分布情況。

2 實(shí)際蒸散發(fā)量的空間變化特性

2．1 年實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布

由圖1關(guān)中地區(qū)年實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年蒸散發(fā)量值范圍為：491～571 mm，寶雞、鳳翔地區(qū)的年蒸散發(fā)量值較大，大城市武功、西安地區(qū)的年蒸散發(fā)量值較小。

圖1 關(guān)中地區(qū)年實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布Fig．1 Spatial distribution of areal evapotranspiration in Guanzhong Region

統(tǒng)計(jì)分析關(guān)中各地多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量與地理經(jīng)度、緯度和海拔高度的偏相關(guān)關(guān)系，見表1。

表1 關(guān)中地區(qū)年實(shí)際蒸散發(fā)量與各地理要素的偏相關(guān)關(guān)系Table 1 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the geographical elements in Guanzhong Region

就全年而言，與經(jīng)度的偏相關(guān)性最顯著 （偏相關(guān)系數(shù)為－0．489 3），通過(guò)了α＝0．001水平的相關(guān)顯著性檢驗(yàn)；與海拔的偏相關(guān)系數(shù)為0．462 5，也通過(guò)了α＝0．001的顯著性檢驗(yàn)；與緯度的偏相關(guān)系數(shù)為0．248 8，通過(guò)了α＝0．01的顯著性檢驗(yàn)。

2．2 四季實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布特征

圖2～圖5為關(guān)中地區(qū)冬季 （12～翌年2月）、春季 （3～5月）、夏季 （6～8月）、秋季 （9～11月）四季實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布的總體情況，由圖可以看出：

圖2 關(guān)中地區(qū)冬季蒸發(fā)量空間分布Fig．2 Spatial distribution of areal evapotranspiration in winter in Guanzhong Region

冬季是1a中實(shí)際蒸散發(fā)量較小的季節(jié)，平均蒸發(fā)量值為89～95mm，僅占年實(shí)際蒸散發(fā)量的18．1%，其空間分布為關(guān)中西部的冬季實(shí)際蒸散發(fā)量大于其東部的實(shí)際蒸散發(fā)量值。

春季是1a中實(shí)際蒸散發(fā)量最小的一個(gè)季節(jié)，平均蒸散發(fā)量值為85～92mm，大概和冬季實(shí)際蒸散發(fā)量平均值相等。春季實(shí)際蒸散發(fā)量的空間分布和冬季的空間分布是相似的，都是其西部的值大于其東部的值。

夏季是1a中實(shí)際蒸散發(fā)量較大的一個(gè)季節(jié)，平均蒸散發(fā)量值為154～191mm，占全年實(shí)際蒸散發(fā)量值的31．4%，其空間分布和年實(shí)際蒸散發(fā)量的空間分布是相似的，都是寶雞、鳳翔地區(qū)的蒸散發(fā)量值較大，大城市武功、西安地區(qū)的蒸散發(fā)量值較小。

秋季是1a中實(shí)際蒸散發(fā)量最大的一個(gè)季節(jié)，平均蒸散發(fā)量值為160～195mm，占全年實(shí)際蒸散發(fā)量值的32．6%，其空間分布和年實(shí)際蒸散發(fā)量與夏季實(shí)際蒸散發(fā)量的空間分布是相似的。

統(tǒng)計(jì)分析關(guān)中各地多年平均冬、春、夏、秋四季實(shí)際蒸散發(fā)量與地理經(jīng)度、緯度、海拔高度的偏相關(guān)關(guān)系，見表2。由表2可見，四季與全年情況略有不同，冬季和春季實(shí)際蒸散發(fā)量與緯度呈負(fù)偏相關(guān)，春季實(shí)際蒸散發(fā)量與海拔呈負(fù)偏相關(guān)，其余偏相關(guān)關(guān)系均與全年相似。夏季和秋季與全年情況接近。

表2 關(guān)中地區(qū)四季實(shí)際蒸散發(fā)量與各地理要素的偏相關(guān)關(guān)系Table 2 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the geographical elements in Guanzhong Region

2．3 年實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布?xì)夂虺梢?/h3>

為進(jìn)一步探討氣候條件對(duì)關(guān)中地區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布的影響，本文對(duì)關(guān)中地區(qū)1960～2010年平均實(shí)際蒸散發(fā)量與各站多年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水量、年平均水汽壓、年平均相對(duì)濕度等5項(xiàng)因子進(jìn)行偏相關(guān)分析 （表3），結(jié)果表明，年實(shí)際蒸散發(fā)量與各氣候因素的偏相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了α＝0．01以上的顯著性檢驗(yàn)，年實(shí)際蒸散發(fā)量與年日照時(shí)數(shù)和年降水量均呈顯著的正偏相關(guān)關(guān)系，與平均氣溫、平均水汽壓、平均相對(duì)濕度呈顯著的負(fù)偏相關(guān)關(guān)系。

表3 關(guān)中年實(shí)際蒸散發(fā)量與各氣候因子的偏相關(guān)分析Table 3 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the climate factor in Guanzhong Region

圖6～圖10給出了關(guān)中地區(qū)年實(shí)際蒸散發(fā)量空間分布影響較顯著的年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水量、年平均氣壓、年平均相對(duì)濕度等氣候要素的多年平均值的空間分布情況，從中可以看出：

1）由圖6關(guān)中地區(qū)年平均氣溫空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年平均氣溫為9．3～13．9℃，其空間分布呈緯向分布，關(guān)中地區(qū)南部的年平均溫度大于北部的年平均氣溫。

2）由圖7關(guān)中地區(qū)年日照時(shí)數(shù)空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年日照時(shí)數(shù)平均為1 786～2 312h，其空間分布也呈緯向分布，但是關(guān)中地區(qū)北部的日照時(shí)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于南部的日照時(shí)數(shù)。

3）由圖8關(guān)中地區(qū)年降水量空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年降水量為550～657mm，其空間分布為西部降水量大于東部的降水量。

4）由圖9關(guān)中地區(qū)年平均氣壓空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年平均氣壓為881～970Pa，其空間分布為關(guān)中地區(qū)東南部的年平均水汽壓大于西北部的年平均水汽壓。

5）由圖10關(guān)中地區(qū)年平均相對(duì)濕度空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年平均相對(duì)濕度為65%～71%，其空間分布為中部大于西部和東部。

3 實(shí)際蒸散發(fā)量的時(shí)間變化特性

3．1 年實(shí)際蒸散發(fā)量的突變分析

圖11為關(guān)中地區(qū)1960～2010年年實(shí)際蒸散發(fā)量序列的Mann－Kendall突變檢測(cè)情況和實(shí)際蒸散發(fā)量距平曲線圖，圖中C1為代表實(shí)際蒸散發(fā)量序列的順序累計(jì)曲線，C2為逆序累計(jì)曲線 （下同）。從中可以看出，C1曲線大部分為負(fù)值且總體為下降趨勢(shì)，尤其是20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，下降趨勢(shì)明顯，而且在1989年突破了α＝0．05的置信線－1．96，這說(shuō)明近51a關(guān)中地區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量呈極顯著的下降趨勢(shì)。C1和C2曲線于1974年在臨界線±1．96之間有一個(gè)明顯的交點(diǎn)，表明關(guān)中地區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量與1974年以來(lái)發(fā)生了極顯著的突變性減小。從距平曲線圖中也能得出該結(jié)論。用同樣的方法對(duì)關(guān)中地區(qū)1960～2010年年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水量、年平均相對(duì)濕度和年平均本站氣壓進(jìn)行突變性檢測(cè)。結(jié)果表明 （圖略）：年平均氣溫于1993年發(fā)生了突變性的升高、年日照時(shí)數(shù)于1974年發(fā)生了突變性的減小、年降水量于1988年發(fā)生了突變性的減小、年平均相對(duì)濕度于2001年發(fā)生了突變性的減小、年平均本站氣壓于1968年發(fā)生了突變性的升高。對(duì)照關(guān)中地區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量與上述各氣候要素的突變特征可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際蒸散發(fā)量減小的突變點(diǎn)與日照時(shí)數(shù)減小的突變點(diǎn)一致而略晚于平均本站氣壓升高的突變點(diǎn)位置，年平均氣溫、年降水量和年平均相對(duì)濕度這3個(gè)要素發(fā)生的時(shí)間均不同程度的晚于實(shí)際蒸散發(fā)量發(fā)生突變點(diǎn)的時(shí)間。這說(shuō)明實(shí)際蒸散發(fā)量突變性減小的發(fā)生是各氣象要素變化綜合積累的體現(xiàn)。關(guān)中地區(qū)突變后較突變前實(shí)際蒸散發(fā)量減小了13mm，減少2．3%。實(shí)際蒸散發(fā)量的減小對(duì)關(guān)中地區(qū)水資源的配置起到了良好的作用。

3．2 年實(shí)際蒸散發(fā)量的周期分析

對(duì)關(guān)中地區(qū)近51a的實(shí)際蒸散發(fā)量及其影響因素進(jìn)行Mexican hat小波變化分析 （圖12，影響因素的Mexican hat小波變化分析圖省略）。由圖12可見：年平均氣溫主要存在準(zhǔn)16a的振蕩周期；日照時(shí)數(shù)主要存在準(zhǔn)13a的振蕩周期；年降水量主要存在準(zhǔn)2a和6a的振蕩周期；年平均本站氣壓主要存在準(zhǔn)14a的振蕩周期；平均相對(duì)濕度主要存在準(zhǔn)2a、6a、11a的振蕩周期；受各氣象要素各周期變化的綜合影響，關(guān)中地區(qū)1961～2010年的實(shí)際蒸散發(fā)量主要存在準(zhǔn)9a的振蕩周期。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)關(guān)中地區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)量及其影響因素進(jìn)行了一系列的空間和時(shí)間的分析，得出了以下一些結(jié)論：

1）關(guān)中地區(qū)年和四季的實(shí)際蒸散發(fā)量的空間分布是一致的，即寶雞地區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)量比較大，而西安地區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)量則較小。

2）關(guān)中地區(qū)年和四季實(shí)際蒸散發(fā)量與地理要素的偏相關(guān)關(guān)系為：年實(shí)際蒸散發(fā)量與經(jīng)度呈偏負(fù)相關(guān)與緯度和海拔呈偏正相關(guān)；四季與全年情況略有不同，冬季和春季實(shí)際蒸散發(fā)量與緯度呈負(fù)偏相關(guān)，春季實(shí)際蒸散發(fā)量與海拔呈負(fù)偏相關(guān)，其余偏相關(guān)關(guān)系均與全年相似。夏季和秋季與全年情況相似。

3）關(guān)中地區(qū)年實(shí)際蒸散發(fā)量于1974年以來(lái)發(fā)生了極顯著的突變性減小。

4）關(guān)中地區(qū)年實(shí)際蒸散發(fā)量主要存在準(zhǔn)9a的振蕩周期。

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