撫仙湖流域蒸發(fā)與降水的變化趨勢及原因分析

趙耀，李超，王棟，李文峰

( 1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650201；2. 云南省氣象臺，云南 昆明 650034；3. 南京大學(xué)-約翰斯·霍普金斯大學(xué)中美文化研究中心，江蘇 南京 210000)

撫仙湖流域蒸發(fā)與降水的變化趨勢及原因分析

趙耀1，李超2，王棟3，李文峰1

( 1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650201；2. 云南省氣象臺，云南 昆明 650034；3. 南京大學(xué)-約翰斯·霍普金斯大學(xué)中美文化研究中心，江蘇 南京 210000)

為研究撫仙湖流域蒸發(fā)與降水的變化特征及變化原因，本文基于1980—2013年撫仙湖流域降水量、氣溫、蒸發(fā)量、日照時數(shù)、風(fēng)速和相對濕度逐月數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性趨勢、回歸分析、累積距平法、M-K法以及相關(guān)系數(shù)法，分析了撫仙湖流域34年來蒸發(fā)與降水變化特征及變化原因。結(jié)果表明：撫仙湖流域年降水量呈下降趨勢但不顯著，2000年以后下降明顯，夏季降水超過年降水1/2。年蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)先下降后上升的“U”型變化，春季蒸發(fā)超全年1/3。撫仙湖流域年蒸發(fā)量主要受日照時數(shù)、平均風(fēng)速、平均氣溫影響，均呈極顯著正相關(guān)。降水量對蒸發(fā)量無直接影響，主要是通過對日照時數(shù)的影響導(dǎo)致蒸發(fā)量的變化，基于日照時數(shù)、平均風(fēng)速、平均氣溫構(gòu)建撫仙湖流域蒸發(fā)量的預(yù)測方程，方程負(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.867。

撫仙湖流域；氣候持續(xù)性；氣候統(tǒng)計；變化趨勢；蒸發(fā)；降水

流域水循環(huán)是影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡和演進(jìn)的重要因素，通過研究流域水循環(huán)變化特征和影響機(jī)制，分析并預(yù)測該區(qū)域范圍內(nèi)的氣候變化，進(jìn)而指導(dǎo)該區(qū)域范圍內(nèi)生產(chǎn)活動，對引導(dǎo)人們科學(xué)地生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。目前，關(guān)于氣候變化對水循環(huán)影響的研究比較豐富[1，2]，有人從降水量[3-5](包括實(shí)際降水量和水汽含量即可降水量)、地表徑流量[6]、蒸發(fā)量[7-9](包括潛在騰發(fā)量、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量即實(shí)際蒸發(fā)量)中的某一方面入手進(jìn)行研究，也有人從時空維度入手進(jìn)行研究[10-12]。通常認(rèn)為溫度升高將導(dǎo)致地球表面的空氣變干，從而增加陸面水體的蒸發(fā)量[13]。導(dǎo)致蒸發(fā)量變化的原因較多，多數(shù)學(xué)者的研究認(rèn)為風(fēng)速、日照時數(shù)或者太陽輻射是影響蒸發(fā)量的主要因素[7,14]。王兆禮研究認(rèn)為氣溫日較差減少也會明顯導(dǎo)致蒸發(fā)量下降[8]。劉敏研究則認(rèn)為氣溫日較差和風(fēng)速是影響蒸發(fā)量的關(guān)鍵因素[9]。研究中還發(fā)現(xiàn)不同的區(qū)域，影響蒸發(fā)量的因素和影響關(guān)系存在差異[10]。雖然撫仙湖是云南省容積最大的湖泊，對調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、改善生態(tài)環(huán)境、補(bǔ)給河流水、淡水養(yǎng)殖、旅游、航運(yùn)等方面起至關(guān)重要的作用，但關(guān)于撫仙湖流域蒸發(fā)量和降水量變化以及蒸發(fā)量變化原因的分析還未見報道。

本文選取撫仙湖流域1980—2013年34年間多個氣象站逐月降水量和蒸發(fā)量監(jiān)測資料，運(yùn)用累積距平、M-K趨勢分析等方法分析其變化趨勢，并根據(jù)同期氣溫、降水、濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)等氣候要素資料，采用相關(guān)、偏相關(guān)法分析蒸發(fā)量變化趨勢的主要影響因子，以期為流域氣候變化及水循環(huán)研究提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

撫仙湖位于云南省澄江縣(北緯24°26′～24°55′，東經(jīng)102°47′～103°04′)、江川縣(北緯24°12′～24°32′，東經(jīng)102°35′～102°55′)、華寧縣(北緯23°59′～24°34′，東經(jīng)102°49′～103°09′)三縣間，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。撫仙湖是云南省境內(nèi)容積最大的湖泊，占云南省湖泊總貯水量的78%，流域內(nèi)土地肥沃，物產(chǎn)豐富。

1.2數(shù)據(jù)來源

通過對撫仙湖流域范圍內(nèi)澄江、華寧、江川三縣的基本氣象觀測站進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)采集，得到1980—2013年共34年間逐月監(jiān)測到的氣象資料。該數(shù)據(jù)資料包括降水量、蒸發(fā)量、平均氣溫、月總?cè)照諘r數(shù)、平均相對濕度、平均風(fēng)速6個氣候要素方面數(shù)據(jù)。

1.3分析方法

采用線性趨勢、回歸模型和累積距平法分析流域蒸發(fā)量、降水量的年度變化趨勢，采用M-K檢驗(yàn)法研究其年度變化趨勢及突變點(diǎn)。采用相關(guān)、偏相關(guān)分析法，分析年度蒸發(fā)量與降水量、年日照總時數(shù)、年均溫、年平均風(fēng)速之間的關(guān)系，確定主要影響因子及影響關(guān)系。

1.3.1 累積距平法 距平值是指氣候要素值與多年平均值的偏差。當(dāng)要素值大于平均值時為正距平，反之為負(fù)距平。累積距平就是距平值的累加。通過累積距平值繪制的曲線能夠直觀地判斷氣候要素持續(xù)的變化趨勢。對于序列n，其某一時刻t的累積距平可用公式表示為：

(1)

(2)

1.3.2 趨勢及突變檢測方法 基于秩的非參數(shù)M-K統(tǒng)計檢驗(yàn)方法廣泛應(yīng)用于對氣溫、降水、徑流等環(huán)境時間序列資料的長期變化趨勢分析以及突變性檢測等[15,16]，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。M-K趨勢檢測法中統(tǒng)計量為正時表示上升或增加的趨勢，反之則為下降或減少趨勢。在突變檢測方法中如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間。

2 結(jié)果與分析

2.1降水量變化趨勢及突變分析

撫仙湖流域近34年降水量的變化趨勢分析顯示總體呈現(xiàn)下降趨勢(圖1)，但下降趨勢不明顯，年度間波動幅度大，從折線圖和5a滑動平均來看，1980至2000年總體變化不明顯，2000年以后出現(xiàn)了較為明顯的下降趨勢。最大和最小降水量分別出現(xiàn)在1994年和2011年，相差488.37 mm。對撫仙湖流域年降水量變化趨勢進(jìn)行線性回歸判斷及分析，回歸方程的決定系數(shù)較小，隨時間變化的相關(guān)性不顯著。而對近13年(2001—2013年)的變化趨勢進(jìn)行回歸判斷得到的P值為0.0016，表明下降趨勢非常顯著。利用公式(1)和(2)計算得到撫仙湖流域年降水量的累積距平(圖2)，結(jié)果顯示流域年降水量1980—1985年和1994—2003年呈上升趨勢，1986—1993年和2004—2013年呈下降趨勢。

圖1 撫仙湖流域年降水量的時間序列變化曲線

對34年撫仙湖流域各月降水量平均值進(jìn)行比較，年內(nèi)變化大體上呈現(xiàn)單峰型(圖3)，峰值出現(xiàn)在7月，占年總量的20.75%，其次是8月和6月，夏季(6—8月)降水量占年總量的55.29%，而冬季(12月—翌年2月)僅占5.20%，春季(3—5月)和秋季(9—11月)分別占16.00%和22.51%。年降水量與春、夏、秋、冬四個季節(jié)降水量的相關(guān)系數(shù)依次為0.442、0.779、0.294和-0.046，其中與夏季(6—8月)相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到極顯著水平，與春季相關(guān)性達(dá)顯著水平，由此可見，流域夏季對年降水量的貢獻(xiàn)最大，是決定年降水及其變化趨勢的關(guān)鍵。

圖2 撫仙湖流域年降水量累積距平

圖3 撫仙湖流域各月降水量及分配比

M-K突變檢測結(jié)果(圖4)表明，UF和UB曲線在2008年相交，曲線的交點(diǎn)位于顯著性水平線之間，表明降水量于2008年出現(xiàn)突變。

圖4撫仙湖流域降水量的M-K法檢測結(jié)果

2.2蒸發(fā)量變化特征

撫仙湖流域近34年蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)先下降后上升的“U”型曲線變化(圖5)，最大值出現(xiàn)在2012年為2 215.133 mm，最小值出現(xiàn)在2000年，為1 520.833 mm。蒸發(fā)量年度變化的擬合分析顯示，總體線性變化趨勢不顯著，二次擬合方程的決定系數(shù)較高。

圖5 撫仙湖流域年蒸發(fā)量的時間序列變化曲線

撫仙湖流域近34年各月平均蒸發(fā)量的對比顯示，其年內(nèi)各月變化大體上也呈現(xiàn)單峰型曲線(圖6)，蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)在4月，占年總量的13.63%；其次為3月和5月，分別占年總量的11.91%和11.69%；最小值出現(xiàn)在12月。撫仙湖流域春夏秋冬四季蒸發(fā)量分別占全年的37.23%、23.93%、18.66%、20.18%，春季占比最大，秋季最小。各季節(jié)蒸發(fā)量的年度間變異系數(shù)均小于30%，明顯小于降水量的變異性。全年蒸發(fā)量與春、夏、秋、冬四個季節(jié)蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)依次為0.807、0.347、0.562和0.740，均達(dá)到顯著或極顯著正相關(guān)，其中春季的相關(guān)系數(shù)最高，說明春季蒸發(fā)量對年蒸發(fā)量的變化有最大貢獻(xiàn)。

圖6撫仙湖流域各月蒸發(fā)量及分配比

撫仙湖流域蒸發(fā)量變化的M-K趨勢分析顯示(圖7)，流域蒸發(fā)量M-K統(tǒng)計值為1.0377，大于0且小于1.96，說明近34年來蒸發(fā)量有上升趨勢但不明顯；UF和UB曲線在1981年相交，曲線交點(diǎn)位于顯著性水平線之間，表明蒸發(fā)量于1981年發(fā)生突變。

圖7撫仙湖流域年蒸發(fā)量的M-K法檢測結(jié)果

2.3蒸發(fā)量變化趨勢的原因分析

為深入分析撫仙湖流域年蒸發(fā)量變化的主要影響因子，將主要?dú)庀笠蜃臃殖蓜恿σ蜃印崃σ蜃雍退忠蜃?類，從年尺度和月尺度上，分析各氣象要素與蒸發(fā)量的相關(guān)性和偏相關(guān)性。結(jié)果(表1、表2)顯示，在年尺度上，除年均相對濕度之外，其他4個因子與蒸發(fā)量的普通相關(guān)均達(dá)到顯著水平，熱力因子和動力因子與蒸發(fā)量的偏相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，其中日照總時數(shù)與蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)都最大。在剔除其它因子的影響后降水量與蒸發(fā)量的負(fù)相關(guān)關(guān)系不再顯著，日照總時數(shù)與蒸發(fā)量的相關(guān)性更加顯著。

為了解氣象因子影響蒸發(fā)量的情況在年內(nèi)不同時段是否存在差異，分別對四季氣象因子與蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，月尺度下的所有因子與蒸發(fā)量的普通相關(guān)性和偏相關(guān)性均達(dá)到顯著水平；其中日照時數(shù)、風(fēng)速、氣溫仍然是相關(guān)性最高的3個因子。根據(jù)偏相關(guān)分析的結(jié)果，所有季節(jié)日照時數(shù)與蒸發(fā)量的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平；氣溫、風(fēng)速，除夏季外其余季節(jié)均與蒸發(fā)量顯著或極顯著正相關(guān)。除上述三個主要影響因子外，降水、濕度與蒸發(fā)量的相關(guān)性大多沒有達(dá)到顯著水平，而且季節(jié)差異較大，有正相關(guān)也有負(fù)相關(guān)。綜上可知，熱力因子和動力因子是影響蒸發(fā)量的主要影響因子，其中以年日照總時數(shù)的影響最大。

表1撫仙湖流域氣候因子與蒸發(fā)量相關(guān)系數(shù)

項目水分因子年均相對濕度年降水量熱力因子年均氣溫年日照總時數(shù)動力因子年均風(fēng)速逐月-0.181**-0.162**-0.374**0.666**0.651**逐年0.204-0.479**0.397*0.708**0.457**

注：*、**分別指在0.05和0.01(雙側(cè))水平差異顯著。下同。

表2撫仙湖流域氣候因子與蒸發(fā)量偏相關(guān)系數(shù)

項目水分因子年均相對濕度年降水量熱力因子年均氣溫年日照總時數(shù)動力因子年均風(fēng)速月-0.184**-0.097*0.864**0.799**0.669**春-0.916**0.2480.446*0.819**0.868**夏-0.211-0.392*0.0390.680**0.081秋-0.212-0.0430.594**0.802**0.419*冬0.0370.1370.632**0.503**0.516**年0.016-0.3020.522**0.641**0.607**

表3 年蒸發(fā)量與各要素線性擬合方程

從以上的分析中我們得知，撫仙湖流域34年來年蒸發(fā)量變化的主要影響因子是年日照總時數(shù)、年均風(fēng)速、年均氣溫。因此本文基于這些因素對年蒸發(fā)量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果顯示，擬合方程的決定系數(shù)均較高(表3)。本研究為了進(jìn)一步了解氣象因素對年蒸發(fā)量所產(chǎn)生的綜合影響效應(yīng)，在選取了上述3個氣象因子為自變量的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了該區(qū)域內(nèi)年蒸發(fā)量的多元回歸方程(式3)。

Epan=-1109.189+0.44x1+22.7x2+95.487x3

(3)

式中,Epan為流域年蒸發(fā)量，x1為流域年日照總時數(shù)，x2為流域年均風(fēng)速，x3為流域年均氣溫。方程負(fù)相關(guān)系數(shù)為0.867，通過了顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)。年日照總時數(shù)、年均風(fēng)速、年均氣溫對年蒸發(fā)量的方差貢獻(xiàn)率分別為46.478%、40.464%和13.058%。表明：年日照總時數(shù)對該流域范圍內(nèi)的蒸發(fā)量所產(chǎn)生的影響最大，年均風(fēng)速所產(chǎn)生的影響次之。這一結(jié)果與偏相關(guān)法分析的結(jié)果一致。

3 討論與結(jié)論

本研究以水分、熱力、動力三類共5個因子，探討了撫仙湖流域蒸發(fā)量影響因素和影響關(guān)系，結(jié)果顯示日照總時數(shù)、年均風(fēng)速、年均氣溫是影響蒸發(fā)量的主要因素，這與前人研究基本一致[7-10]。

在分析各因子影響蒸發(fā)量的關(guān)系時，本研究通過偏相關(guān)分析認(rèn)為，降水對蒸發(fā)量直接影響很小，之所以二者相關(guān)顯著而偏相關(guān)不顯著，是因?yàn)榻邓颗c日照時數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，這與井立紅[17]、何彬方[18]等的研究結(jié)論一致，均證明了日照時數(shù)減少的主要原因是降水量增多。

本研究認(rèn)為影響蒸發(fā)量最大的兩個因素是年日照總時數(shù)和年均風(fēng)速，其次為年均氣溫。榮艷淑等[7]對淮河流域的研究得出，影響蒸發(fā)量的主要因子及其貢獻(xiàn)率分別為日照時數(shù)(57.5%)、風(fēng)速(25.5%)、相對濕度(10.3%)和降水量(6.7%)。在氣溫與蒸發(fā)量關(guān)系方面研究結(jié)論不同，這可能是由于區(qū)域差異造成的，榮艷淑等[10]以長江上游的三個代表性地區(qū)為研究區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)三個地區(qū)的氣溫與年蒸發(fā)量的相關(guān)性分別達(dá)到極顯著水平、接近顯著水平但不顯著。

撫仙湖流域年降水量在1980—2000年間變化不大，2000—2013年呈現(xiàn)明顯的逐年減少現(xiàn)象。降水量各月分布不均衡，夏季降水量最大。撫仙湖流域年蒸發(fā)量呈先下降后上升的趨勢，2000年降至最低，蒸發(fā)量的年內(nèi)分布相對均衡，春季蒸發(fā)量最大。

撫仙湖蒸發(fā)量主要受熱力因子和動力因子影響，關(guān)鍵影響因子依次為年日照總時數(shù)、年均風(fēng)速、年均氣溫，降水和濕度對蒸發(fā)量無顯著的直接影響，由于日照時數(shù)與降水量間存在顯著負(fù)相關(guān)，因此降水對蒸發(fā)量的影響主要是通過影響日照時數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

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VariationTrendandCauseAnalysisofEvaporationandPrecipitationinFuxianLakeWatershed

Zhao Yao1, Li Chao2, Wang Dong3, Li Wenfeng1

(1.UniversityKeyLaboratoryofAgriculturalInformationTechnologyinYunnan，YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201，China; 2.YunnanMeteorologicalObservatory，Kunming650034，China; 3.JohnsHopkinsUniversity-NanjingUniversityCenterforChineseandAmericanStudies,Nanjing210000，China)

In order to study the change characteristics and reasons of evaporation and precipitation in Fuxian Lake watershed, the monthly data about precipitation, temperature, evaporation, sunshine hours, wind speed and relative humidity in Fuxian Lake watershed from 1980 to 2013 were collected, then the change characteristics and reasons of evaporation and precipitation in the past 34 years were researched by the linear trend, regression analysis, cumulative deviation, Mann-Kendall and correlation analysis. The results showed that the annual precipitation of Fuxian Lake watershed decreased with no significance, but decreased significantly after 2000. Summer precipitation exceeded the annual precipitation by 1/2.The annual evaporation showed a U-shaped change. Spring evaporation was over 1/3 of all the year round. The annual evaporation of Fuxian Lake watershed was mainly affected by sunshine hours, average wind speed and average temperature with highly significantly positive correlation. The precipitation had no direct effect on evaporation, and affected evaporation mainly through sunshine hours. This research established a prediction equation based on sunshine hours, average wind speed, average temperature for evaporation of Fuxian Lake watershed with the negative correlation coefficient of 0.867.

Fuxian Lake watershed；Climatic persistence；Climatic statistic；Change trend；Evaporation; Precipitation

S161.4+S161.6

A

1001-4942(2017)10-0100-06

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.10.021

2017-04-13；

2017-08-01

國土資源部公益性行業(yè)科研專項子課題“促進(jìn)烏蒙山脫貧的國土開發(fā)決策支持系統(tǒng)”(201511003-4)

趙耀(1992—)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)分析與建模。E-mail：geiaoxiaoheshang@gmail.com

李文峰(1983—)，男，山東安丘人，博士，副教授，主要從事作物生態(tài)與模擬研究和農(nóng)業(yè)GIS的農(nóng)業(yè)應(yīng)用。E-mail：liwf83@126.com