長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)支持下密云水庫(kù)蒸發(fā)量變化特征分析

李嬋娟 段新光 焦有權(quán)

摘要：水庫(kù)庫(kù)面蒸發(fā)是引起水庫(kù)水量損失的主要影響因素之一，本文利用密云水庫(kù)1960—2016年Ф20蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)蒸發(fā)量資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法初步分析了密云水庫(kù)蒸發(fā)量的月、季節(jié)、年以及代際變化特性，變化趨勢(shì)以及突變情況，統(tǒng)計(jì)了其折算系數(shù)變化過(guò)程。結(jié)果表明：57年長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)下密云水庫(kù)蒸發(fā)量月、季節(jié)、年蒸發(fā)量都有上升的趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)不顯著;偏多趨勢(shì)多發(fā)生在夏、秋兩季，年內(nèi)分配不均勻，代際蒸發(fā)量經(jīng)歷了“多—少—多—多—多—多”的變化過(guò)程，根據(jù)累積距平曲線和Yamamoto檢驗(yàn)法對(duì)年蒸發(fā)量進(jìn)行突變分析，得出密云水庫(kù)年蒸發(fā)量在1976年發(fā)生一次突變。

Abstract： Reservoir surface evaporation is one of the main influencing factors that cause reservoir water loss. This paper uses the measured evaporation data of Ф20 evaporation pan from Miyun Reservoir from 1960 to 2016， and uses mathematical statistical methods to analyze the characteristics of monthly， seasonal， annual and intergenerational changes， trends and abrupt changes of Miyun Reservoir evaporation， and statistics the change process of its conversion coefficient. The results show that the monthly， seasonal， and annual evaporation of Miyun Reservoir has an upward trend under the 57-year long series of data， but the upward trend is not significant. Most of the trends occur in summer and autumn， and the distribution is uneven during the year. The global evaporation has undergone a "many-less-many-many-many-many-many" change process. According to the cumulative anomaly curve and the Yamamoto test， the abrupt change of the annual evaporation was analyzed， and it was concluded that the abrupt change occurred in the annual evaporation of Miyun Reservoir in 1976.

關(guān)鍵詞：密云水庫(kù);蒸發(fā)系數(shù);蒸發(fā)量;變化趨勢(shì)

Key words： Miyun Reservoir;evaporation coefficient;evaporation; change trend

中圖分類號(hào)：P333? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）09-0200-03

0? 引言

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在過(guò)去50年里，工業(yè)化污染帶來(lái)的溫室效應(yīng)造成全球氣候變暖，使全球氣溫平均每10年上升0.15攝氏度，科學(xué)界普遍認(rèn)為，氣候變暖必然導(dǎo)致水面蒸發(fā)加劇[1]。蒸發(fā)是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是地表熱量平衡和水量平衡的重要組成部分，是地表水和地下水的主要影響因素;而蒸發(fā)是熱能交換的重要因子，可增加空氣濕度、增加最低溫度或減少最高溫度，能夠起到大氣調(diào)節(jié)作用。[2]因此，研究密云水庫(kù)蒸發(fā)量的變化特性對(duì)研究密云水庫(kù)氣候變化規(guī)律有著重要意義，同時(shí)通過(guò)分析密云水庫(kù)近57年蒸發(fā)量變化特性，可以對(duì)水庫(kù)水量損失分析及水資源管理利用提供參考。

1? 密云水庫(kù)概況

密云水庫(kù)是北京唯一地表飲用水源地，總庫(kù)容為43.75億m3，最大水面面積為188km2。流域?qū)僦芯暥却箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季干旱，春秋多風(fēng)。降雨量的年內(nèi)分配和年際間變化很不均勻，降水量主要集中在6—9月，尤其集中在7、8月份。6—9月份降雨量約占全年降雨量的80%。多年平均降雨量為480.0mm，多年平均氣溫為10.9℃ ，最高氣溫41.5℃，最低氣溫-22.5℃[3]。

2? 蒸發(fā)折算系數(shù)及觀測(cè)地點(diǎn)變化過(guò)程

密云水庫(kù)現(xiàn)有蒸發(fā)監(jiān)測(cè)資料的蒸發(fā)器除Ф20蒸發(fā)皿外，還有E601型蒸發(fā)器。由于Ф20蒸發(fā)皿和E601型蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、造型的不同，使其蒸發(fā)量在數(shù)值上也存在著一定的差異，為了方便比較、分析，對(duì)E601型蒸發(fā)器的觀測(cè)值需要進(jìn)行折算，統(tǒng)一折算到Ф20蒸發(fā)皿上。

2.1 蒸發(fā)系數(shù)變化過(guò)程

通過(guò)查詢密云水庫(kù)水文資料統(tǒng)計(jì)表得出：1960—1976年，密云水庫(kù)蒸發(fā)系數(shù)采用官?gòu)d水庫(kù)蒸發(fā)試驗(yàn)成果，Ф20蒸發(fā)皿折算系數(shù)為0.45;1977—1981年，蒸發(fā)資料為實(shí)測(cè)值，未經(jīng)折算;1982年北京市協(xié)計(jì)組對(duì)密云水庫(kù)的來(lái)水量和供水量進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析計(jì)算，20cm蒸發(fā)器折算系數(shù)采用0.52;1982年至今，其蒸發(fā)折算系數(shù)仍采用0.52 [4]。

2.2 觀測(cè)地點(diǎn)變化

通過(guò)查詢密云水庫(kù)水文資料統(tǒng)計(jì)表得出：1951—1968年采用白河溪翁莊水文站觀測(cè)，1969—1984年采用密云縣氣象站觀測(cè)。1985年—1986年采用白河壩前果園滴灌站觀測(cè)。1987—2004年采用調(diào)節(jié)池站觀測(cè)。2004年7月9日—2007年5月27日采用白河壩下出庫(kù)站觀測(cè)。2007年5月28日至今采用調(diào)節(jié)池管理站觀測(cè)[5]。

2.3 資料與方法

本文采用密云水庫(kù)57年來(lái)Ф20蒸發(fā)皿所觀測(cè)的實(shí)測(cè)蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)資料。由于Ф20蒸發(fā)皿支撐木樁高0.7m，口徑小，并且長(zhǎng)期暴露在室外水文觀測(cè)場(chǎng)中，受到大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)等氣象因素影響比較大，其觀測(cè)值往往要比實(shí)際值大。但Ф20蒸發(fā)皿觀測(cè)值具有較長(zhǎng)的時(shí)間序列和較好的可比性，能反映出密云水庫(kù)的蒸發(fā)量一般規(guī)律。

資料選用密云水庫(kù)1960—2016年共57年實(shí)測(cè)蒸發(fā)資料。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)蒸發(fā)量的月、季節(jié)、年以及5a平均滑動(dòng)序列進(jìn)行分析，并以10年為一代際，分析蒸發(fā)量的代際變化，計(jì)算分析蒸發(fā)線性傾向趨勢(shì)以及突變情況。

3? 蒸發(fā)量變化特征

3.1 年際變化

按照1960—2016年蒸發(fā)序列對(duì)蒸發(fā)量年際變化特性進(jìn)行分析，利用5a滑動(dòng)平均法和Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)蒸發(fā)量進(jìn)行趨勢(shì)分析，見圖1。

從圖1中可以看出，密云水庫(kù)年均蒸發(fā)量為1214.2mm，1978年蒸發(fā)量最大，為1737.1mm，1975年蒸發(fā)量最小，為474.9mm，其極值比為3.66。蒸發(fā)量呈波動(dòng)式的上升趨勢(shì)，其傾向值為45.1mm/10a，上升趨勢(shì)比較平緩。

Mann-Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)法是水文計(jì)算中常用的一種檢驗(yàn)方法，其計(jì)算統(tǒng)計(jì)量公式如下：

（1）

式中：N為蒸發(fā)序列的總長(zhǎng)度，P為蒸發(fā)序列中所有對(duì)偶值（）中Qi>Qj出現(xiàn)的個(gè)數(shù)[6]。

選用置信水平α=0.05，利用Mann-Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)蒸發(fā)變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算得出，U=0.22，其絕對(duì)值小于臨界值Uα/2，表明密云水庫(kù)年蒸發(fā)量上升變化趨勢(shì)不顯著，這與5a滑動(dòng)平均法檢驗(yàn)的結(jié)果是保持一致的。

3.2 季節(jié)變化

從表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出， 密云水庫(kù)年平均蒸發(fā)量為1217.7mm。其中，夏季蒸發(fā)量最大，為510.1mm，占全年的41.9%，其次是秋季363.6mm，占全年的29.8%，冬季蒸發(fā)量最小，為175mm，占全年的13.9%。

根據(jù)密云水庫(kù)四個(gè)季節(jié)的實(shí)測(cè)蒸發(fā)資料，得出密云水庫(kù)四個(gè)季節(jié)蒸發(fā)量變化曲線，見圖2。從圖2可以看出，密云水庫(kù)四季蒸發(fā)量整體呈上升趨勢(shì)，在夏季、秋季上升趨勢(shì)比較明顯，傾向值分別為15.7mm/10a、17.1mm/10a，春季和冬季上升趨勢(shì)比較平緩，傾向值分別為9.4mm/10a、3.1mm/10a。由此可以初步得出，夏、秋兩季蒸發(fā)量在年蒸發(fā)量中的影響占主要作用。

3.3 月變化

受氣候變化影響，蒸發(fā)的年內(nèi)分配很不均勻，夏季氣溫最高，蒸發(fā)量最大;冬天氣溫最低，蒸發(fā)量小。表2給出了密云水庫(kù)各月平均蒸發(fā)量、線性傾向和相關(guān)系數(shù)，從表2可以看出，57年以來(lái)，密云水庫(kù)月平均蒸發(fā)量為98mm，月最小蒸發(fā)量一般出現(xiàn)在每年的1月份或12月份，僅占全年的3%左右，3月開春后，由于溫度迅速回暖，且風(fēng)速大、降水非常少，所以全年蒸發(fā)旺盛期多出現(xiàn)在5、6月份，月最大蒸發(fā)量也多出現(xiàn)在5月份或6月份，5月最大，月蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的15%左右，6月份月蒸發(fā)量約占全年的14%左右。各月的蒸發(fā)量除了10月份均有不同程度的上升趨勢(shì)，其中8月份蒸發(fā)量的傾向值為2.28mm/10a，上升趨勢(shì)比較明顯，11月份的傾向值為0.11mm/10a，上升趨勢(shì)最不明顯，10月份的傾向值為-0.01，蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯。利用顯著性檢驗(yàn)密云水庫(kù)各月蒸發(fā)相關(guān)系數(shù)，從表2可以得出，2—8月以及12月份的相關(guān)系數(shù)大于0.2以上，1、9、11月份的相關(guān)系數(shù)大于0.1以上，10月份的相關(guān)系數(shù)為0.006。其中，7月份和8月份的相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.05的顯著水平，8月份超過(guò)0.01的顯著水平。

3.4 代際變化

根據(jù)密云水庫(kù)實(shí)測(cè)蒸發(fā)資料，得出表3。從表3中可以看出，密云水庫(kù)代際蒸發(fā)量在20世紀(jì)80年代最大，為1545.5mm，距平值為720.1mm;20世紀(jì)60年代蒸發(fā)量最小，為719.9mm，距平值為-105.5mm。代際蒸發(fā)量經(jīng)歷了“多—少—多—多—多—多”的變化過(guò)程。

4? 蒸發(fā)量突變分析

本文利用距平累加法得出密云水庫(kù)年蒸發(fā)量的距平累加曲線（見圖3）和時(shí)間序列變化曲線（見圖4）。從圖3、圖4中可以看出1976年、2004年為密云水庫(kù)年蒸發(fā)量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其距平累距絕對(duì)值分別為-4804.6mm和1161.9mm。其中，1976年為蒸發(fā)量從偏少期轉(zhuǎn)為偏多期轉(zhuǎn)折點(diǎn)，突變前年平均蒸發(fā)量距平為-267.6mm，突變后為213mm;2004年為蒸發(fā)量從偏多期轉(zhuǎn)為偏少期的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，突變前年平均蒸發(fā)量距平為213mm，突變后為-145.5mm;并且2004年以后蒸發(fā)量呈一直減少趨勢(shì)。

為了檢驗(yàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn)，本文采用了Yamamoto檢驗(yàn)法，此方法是檢測(cè)氣候突變的一種常用檢測(cè)法。為了檢驗(yàn)密云水庫(kù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了各轉(zhuǎn)折年份的信噪比，公式如下：

（2）

式中，是轉(zhuǎn)折年份前后階段要素的平均值，Sa、Sb為標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)S/N大于1時(shí)，可認(rèn)為該要素在這個(gè)年份存在氣候突變，反之突變不明顯[6]。

計(jì)算得出密云水庫(kù)1976年和2004年的信噪比分別為13.7和0.94，1976年蒸發(fā)量的信噪比大于1，可認(rèn)為是氣候突變年，而2004年蒸發(fā)量的信噪比小于1，可認(rèn)為氣候突變不明顯，只能作為氣候的轉(zhuǎn)折年份。

5? 結(jié)論

①密云水庫(kù)年蒸發(fā)量?jī)A向值為45.1mm/10a，總體上呈波動(dòng)式的上升趨勢(shì)，但經(jīng)Mann-Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)，其上升變化趨勢(shì)不顯著。

②密云水庫(kù)夏季蒸發(fā)量最大，為510.1mm，占全年的41.9%，其次是秋季，363.7mm，占全年的29.9%，冬季蒸發(fā)量最小，為175mm，占全年的13.9%。四季的傾向值都為正值，分別為9.4mm/10a、15.7mm/10a、17.1mm/10a、 3.1mm/10a，其中夏、秋兩季的傾向值大于春冬兩季。

③密云水庫(kù)年內(nèi)蒸發(fā)分配不均，5月份蒸發(fā)最大，為180mm， 12月份蒸發(fā)最小為32mm。各月的蒸發(fā)量除了10月份均有不同程度的上升趨勢(shì)，其中8月份蒸發(fā)量的傾向值為2.28mm/10a，上升趨勢(shì)最大， 11月份的傾向值為0.11mm/10a，上升趨勢(shì)最小，10月份的傾向值為-0.01，蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯。

④年蒸發(fā)量在1976年前后蒸發(fā)量的信噪比大于1，存在突變現(xiàn)象;而2004年蒸發(fā)量的信噪比小于1，只能作為氣候的轉(zhuǎn)折年份。

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作者簡(jiǎn)介：李嬋娟（1985-），女，北京人，工程師，本科，研究方向?yàn)樗Y源與流域規(guī)劃;焦有權(quán)（通訊作者）（1976-），男，北京人，副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)樗こ獭?/p>