錦州市水文循環(huán)特性的蒸發(fā)悖論分析

秦秀梅

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

錦州市水文循環(huán)特性的蒸發(fā)悖論分析

秦秀梅

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

利用錦州市40年的氣象與水文數(shù)據(jù)，基于鏈?zhǔn)椒治龇?、前向選擇法和Monte Carlo法對錦州市的蒸發(fā)悖論現(xiàn)象進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，錦州地區(qū)蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的出現(xiàn)是各水文循環(huán)影響因子綜合作用下的結(jié)果，因此在以后的蒸發(fā)量預(yù)測中需要綜合考慮整體水文循環(huán)特性而不是氣溫一項影響因子。

遼錦州；水文循環(huán)；蒸發(fā)悖論；歸因分析

1 概況

蒸發(fā)是水文循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，是大氣水、地表水、以及地下水相互轉(zhuǎn)化的紐帶，也是全球水文與熱量平衡的關(guān)鍵。其準(zhǔn)確的估算與分析是水資源安全評估、灌溉排水規(guī)劃、以及區(qū)域水文規(guī)律研究的基礎(chǔ)，因此具有十分重要的應(yīng)用意義。目前，蒸發(fā)量的研究主要有3個方面：

1）估算或測量方法的研究。

2）是預(yù)測方法的研究。

3）是演變特征及影響因素的研究。這些研究對人們認(rèn)識蒸發(fā)過程、并合理調(diào)度水資源起到了重要的推動作用，然而近幾十年出現(xiàn)的蒸發(fā)悖論現(xiàn)象則對這些研究方法提出了巨大的挑戰(zhàn)。

近幾十年，全球大氣呈顯著變暖趨勢，根據(jù)基本的科學(xué)認(rèn)識，氣溫的上升將導(dǎo)致蒸發(fā)過程的加強，然而實際上，諸多地區(qū)的蒸發(fā)量都呈下降趨勢，這有悖于傳統(tǒng)的蒸發(fā)變化規(guī)律結(jié)論，也使許多以氣溫為主要考慮因素的蒸發(fā)量估算方法不再適用，因此被稱為蒸發(fā)悖論。一切研究方法與預(yù)測模型都需要具有科學(xué)的理論依據(jù)，因此蒸發(fā)悖論的分析是區(qū)域水文循環(huán)過程研究的前提。目前，蒸發(fā)悖論的分析具有很大的爭議性，不同的研究結(jié)果可得到不同的結(jié)論。例如，一種觀點認(rèn)為實際蒸發(fā)量是增加的、只是蒸發(fā)測量結(jié)果不能代表實際蒸發(fā)量；另一種觀點認(rèn)為蒸發(fā)量的下降主要是因為云量有所增加，云量增加導(dǎo)致日照、即輻射量的減少；還有觀點認(rèn)為蒸發(fā)量的下降是云水路徑發(fā)生變化、即云的透明度有所降低。然而，這些結(jié)論都沒有被普遍接受或這在不同地區(qū)有不同的適用性。因此還有很大的研究空間，尤其是系統(tǒng)化的、定量的研究。

基于錦州市的水文循環(huán)特性對蒸發(fā)悖論現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的、定量的分析。首先分析錦州市40年的氣溫及蒸發(fā)數(shù)據(jù)，通過比較這兩項數(shù)據(jù)證明蒸發(fā)悖論在錦州地區(qū)的存在，并利用鏈?zhǔn)椒治龇▽︺Ｕ摤F(xiàn)象及程度進(jìn)行量化。再采用前向選擇法和Monte Carlo法分析錦州市水文循環(huán)特性影響因子對蒸發(fā)量的影響，并對錦州地區(qū)的蒸發(fā)悖論現(xiàn)象進(jìn)行解釋，從而為錦州地區(qū)蒸發(fā)量演變規(guī)律分析、水文循環(huán)模型建立、以及水資源變化趨勢預(yù)測等研究提供理論基礎(chǔ)。

2 蒸發(fā)悖論現(xiàn)象

研究區(qū)域為遼寧省錦州市，位于溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)，處中緯度地帶，四季分明、大陸性特征明顯。錦州市是遼寧省乃至東北地區(qū)的重要糧食基地，而其中雨養(yǎng)農(nóng)作物又占有主導(dǎo)地位，這類農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)受供水量的影響十分明顯，因此蒸發(fā)量的研究在錦州市水資源評估、尤其是農(nóng)業(yè)灌溉制度設(shè)計中具有十分重要的作用。然而，目前關(guān)于錦州市的蒸發(fā)特性的研究較少，因此已成為其農(nóng)業(yè)及水資源精細(xì)化運作的主要制約因素之一。

傳統(tǒng)的蒸發(fā)量估算方法有很多，在測量方面主要應(yīng)用蒸發(fā)皿測量法，在計算方面應(yīng)用最為普遍的為彭曼-蒙特斯（P-M）公式計算法，但這個公式主要用于參考作物騰發(fā)量的計算。但在實際應(yīng)用中，蒸發(fā)量的預(yù)測意義更為重大，但目前還沒有被廣泛認(rèn)可的蒸發(fā)量預(yù)測模型。在實際工作中，相關(guān)工作者往往根據(jù)氣溫變化來對蒸發(fā)量變化情況進(jìn)行初步的預(yù)測，由于氣候變暖趨勢明顯，因此根據(jù)這類定性分析法易得出蒸發(fā)量趨于增強的錯誤結(jié)論。

為證明以往溫度估算法的錯誤性，選取錦州市常規(guī)氣象站已公開的40年氣溫與蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制于圖1中。繪制趨勢線，并對各縱軸的范圍進(jìn)行調(diào)整，從而使兩組數(shù)據(jù)趨勢線起始點較為接近?？梢?，在研究范圍內(nèi)，錦州市氣溫與蒸發(fā)量的趨勢走向完全相反。錦州市的氣溫呈明顯的上升趨勢，其傾向率為0.054，而蒸發(fā)量卻呈下降趨勢，其傾向率為-0.411。因此說明錦州市存在蒸發(fā)悖論現(xiàn)象，以往的基于溫度的蒸發(fā)量估算方法不再適用。

圖1 年平均氣溫及蒸發(fā)量

目前對蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的研究主要停留在定性分析上，而對其程度的定量分析則幾乎沒有。嘗試使用鏈?zhǔn)椒治龇▽﹀\州市的蒸發(fā)悖論現(xiàn)象進(jìn)行分析。其公式可表達(dá)為：

式中：E代表蒸發(fā)量，mm；T代表氣溫，°C；t代表時間，n。在傳統(tǒng)的相關(guān)分析方法中，前半項可表示氣溫與蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系，而后半項可表示氣溫隨時間的變化情況，兩者乘積即表示氣溫變化對蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)率。將傳統(tǒng)的相關(guān)分析法進(jìn)行變形，將前半項在各年份進(jìn)行離散而后半項保留為平均值，則所得到的值則可在一定程度上表示蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的程度。采用歐拉有限差分法進(jìn)行離散，得到各年份的值。

因為溫度呈明顯上升趨勢即其隨時間變化的偏微分項為正值，所以當(dāng)值大于0時說明蒸發(fā)量隨氣候變暖趨勢有所增強、即蒸發(fā)悖論現(xiàn)象不存在；當(dāng)值小于0時，說明蒸發(fā)量隨氣候變暖趨勢有所降低、即蒸發(fā)悖論現(xiàn)在存在，在這種情況下，的絕對值越大，說明蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的程度就越大。繪制蒸發(fā)悖論定量分析圖可見，的平均值為負(fù)值。因此總體來看，錦州市的蒸發(fā)量隨氣溫的上升而下降，即蒸發(fā)悖論現(xiàn)象在此區(qū)域內(nèi)存在。的負(fù)值主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代之后，說明蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的出現(xiàn)主要始于此時。值呈繼續(xù)減小的趨勢，說明蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的程度正在繼續(xù)加強。

3 歸因分析

以上分析表明錦州市存在蒸發(fā)悖論現(xiàn)象，因此不能僅通過氣溫變化來估算錦州地區(qū)的蒸發(fā)量，而應(yīng)考慮錦州地區(qū)的整體水文循環(huán)特性，從系統(tǒng)的角度來分析蒸發(fā)變化規(guī)律。使用水文循環(huán)的主要影響因子來代表錦州地區(qū)的水文循環(huán)特性，這些參數(shù)包括日照時數(shù)、降水量、平均風(fēng)速、無霜期日數(shù)、最低氣溫以及最高氣溫。標(biāo)準(zhǔn)化方法表示為：

式中：P表示各影響因子；|P|max表示影響因子絕對值的最大值。日照時數(shù)、降水量、平均風(fēng)速、無霜期日數(shù)、最低氣溫以及最高氣溫的絕對值最大值分別為2 878 h，928 mm，4.6 m/s，238 d,24.8°C，以及41.8°C。

選用前向選擇法結(jié)合Monte Carlo法檢驗各因子與蒸發(fā)量之間的相關(guān)性并對其貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化。首先對相關(guān)性進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果可用P值來表示，當(dāng)值小于0.05時則證明2組數(shù)據(jù)顯著相關(guān)。通過顯著性檢驗的參數(shù)有日照時數(shù)、風(fēng)速、無霜期以及溫度，說明蒸發(fā)量的變化主要受這4項因子的影響，而其它因子的影響程度則較小。歸因分析結(jié)果如表1所示，其中最重要的參數(shù)為貢獻(xiàn)率。當(dāng)貢獻(xiàn)率為正值時，說明影響因子的變化使蒸發(fā)量有加強的趨勢，而當(dāng)貢獻(xiàn)率為負(fù)值時，說明影響因子的變化使蒸發(fā)量有減弱的趨勢。當(dāng)絕對值越大時，說明影響因子的影響越大，反之則越小。

表1 蒸發(fā)悖論歸因分析

由表1可知，氣溫的傾向率為正值，說明氣溫有升高趨勢，這與全球變暖的趨勢相符，其貢獻(xiàn)率為正值，說明氣溫的上升可增加蒸發(fā)量；日照時數(shù)的傾向率為負(fù)值，說明日照時數(shù)呈下降趨勢，這與云水路徑的變化、空氣質(zhì)量的降低都有關(guān)系，其貢獻(xiàn)率為負(fù)值，說明日照時數(shù)的減少可降低蒸發(fā)量；平均風(fēng)速的傾向率為負(fù)值，說明風(fēng)速有減小的趨勢，其貢獻(xiàn)率為負(fù)值，說明風(fēng)速變化可減弱蒸發(fā)；而無霜期的傾向率和貢獻(xiàn)率皆為正值，說明無霜期日數(shù)增加且增強了錦州市的蒸發(fā)過程。這4項因子的累計貢獻(xiàn)率為-0.578，而錦州市蒸發(fā)量的傾向率為-0.411，因此說明還有其它未被考慮的影響因子，這些未被考慮的影響因子的綜合效果是使錦州市蒸發(fā)量呈上升趨勢。

各水文循環(huán)特性影響因子按貢獻(xiàn)能力由大到小排序為：風(fēng)速、無霜期日數(shù)、氣溫和日照時數(shù)。說明氣溫不是影響錦州市蒸發(fā)量的主要因素，因此蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的存在是合理的。蒸發(fā)量的減少是錦州地區(qū)水文循環(huán)特性綜合作用的結(jié)果，其中最主要原因是風(fēng)速呈減小趨勢，空氣流動速度減慢，使水汽在空氣中的對流與交換減弱，這降低了水汽界面的水汽壓差，從而減少了蒸發(fā)量?？紤]到城市化建設(shè)、尤其是樓房的建設(shè)的發(fā)展，錦州市的風(fēng)速有進(jìn)一步減弱的趨勢，從而可以預(yù)判錦州市的蒸發(fā)量將繼續(xù)減弱，而蒸發(fā)悖論現(xiàn)象也將越來越明顯。

4 結(jié)語

錦州市存在明顯的蒸發(fā)悖論現(xiàn)象，主要是因為除氣溫外蒸發(fā)量還受水文循環(huán)中其它因素的影響，各水文循環(huán)特性影響因子按貢獻(xiàn)能力由大到小排序為：風(fēng)速、無霜期日數(shù)、氣溫和日照時數(shù)。考慮到城市化建設(shè)、尤其是樓房的建設(shè)的發(fā)展，錦州市的風(fēng)速有進(jìn)一步減弱的趨勢，從而可以預(yù)判錦州市的蒸發(fā)量將繼續(xù)減弱，而蒸發(fā)悖論現(xiàn)象也將越來越明顯。因此在錦州地區(qū)的水資源預(yù)測中，應(yīng)考慮蒸發(fā)損失的潛在減少量。

［1］宋曉猛，張建云，占車生，劉春蓁.氣候變化和人類活動對水文循環(huán)影響研究進(jìn)展［J］.水利學(xué)報，2013.

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2016-10-20