格爾木河流域水面蒸發(fā)特征及影響因素分析

黃金廷，李宗澤，王文科，宋 歌，王嘉瑋

（1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.長安大學水利與環(huán)境學院，陜西 西安710054；3.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054）

水面蒸發(fā)是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，為重要的水均衡項。查明水面蒸發(fā)變化特征及其影響因素，在氣候變化風險應對、水資源合理規(guī)劃及水資源評價等多方面具有重要的理論和現(xiàn)實意義。近幾十年來，國內(nèi)外對蒸發(fā)變化開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域水面蒸發(fā)量并未隨全球氣候變暖而增加，呈現(xiàn)出“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。如Liu 等[1]基于全國氣象站的蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)分析，表明我國年均蒸發(fā)量顯著下降。柳春等[2]和王忠富等[3]研究發(fā)現(xiàn)，不同流域蒸發(fā)量變化趨勢不一致，即使是同一流域的不同位置也存在顯著差異。

格爾木河流域地處柴達木盆地，面積約4 565 km2，是我國典型的西北內(nèi)陸河流域，對全球氣候變化十分敏感。同時，該流域也是柴達木循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)重要組成部分，流域內(nèi)水環(huán)境、水問題受到學術(shù)界的高度關注[4-5]。在蒸發(fā)研究方面，馬日新等[6]利用格爾木氣象站1955—2014年氣象數(shù)據(jù)，分析了降水、蒸發(fā)和溫度變化趨勢；朱曉倩等[7]研究了格爾木河流域山前平原區(qū)蒸散量的分布特征。朱曉倩等[7]、楊笑天[8]、鄧紅章[9]、王曉雪[10]基于衛(wèi)星影像資料估算了研究區(qū)山前平原區(qū)蒸散量，并分析其空間變化特征。這些研究為區(qū)域水均衡計算奠定了良好的基礎。但是，前人的研究未考慮格爾木河流域上、中、下游水面蒸發(fā)的變化特征，限制了研究者對水面蒸發(fā)空間異質(zhì)性的理解?；诖耍疚睦酶駹柲竞恿饔驓庀笥^測資料，分析流域內(nèi)水面蒸發(fā)的變化特征及其影響因素，以期為水均衡計算提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)格爾木河流域氣象站空間位置及資料獲取情況，選取五道梁氣象站、格爾木氣象站和察爾汗氣象站分析流域上游（山區(qū)）、中游（戈壁礫石帶）和下游（終端尾閭湖）水面蒸發(fā)和氣象要素變化規(guī)律。五道梁氣象站和格爾木氣象站數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https://data.cma.cn/）。五道梁和格爾木氣象數(shù)據(jù)起始時間為1956年，至今有60多年逐日小型蒸發(fā)皿實測水面蒸發(fā)等氣象資料。為分析方便，將五道梁和格爾木站的逐日蒸發(fā)、降水、氣溫等數(shù)據(jù)處理為年均值。察爾汗氣象站未實測水面蒸發(fā)量，水面蒸發(fā)量采用遙感影像估算后，結(jié)合咸水蒸發(fā)折算系數(shù)計算得到[10-12]。

1.2 分析方法

（1）時間序列分析

將蒸發(fā)、降水及溫度形成時間序列，采用線性擬合的方法分析各要素變化趨勢，擬合參數(shù)采用最小二乘法估計。

（2）相關分析

相關分析是研究兩個或兩個以上有關聯(lián)的隨機變量間相關關系的統(tǒng)計分析方法。相關分析用于查明蒸發(fā)與其他氣象要素之間的相關關系。

（3）多元回歸分析

多元回歸分析是將一個變量視為因變量，其他變量視為自變量，建立多個變量之間線性或非線性數(shù)學關系式，并利用樣本數(shù)據(jù)進行分析的統(tǒng)計分析方法。本文采用多元回歸分析蒸發(fā)與其他氣象因子的關系，以確定各變量對蒸發(fā)的貢獻。

2 流域上游水面蒸發(fā)特征及影響因素

2.1 蒸發(fā)量、降水量及氣溫變化

流域上游五道梁氣象站累計蒸發(fā)量、累計降水量及平均氣溫變化見圖1。近60年來，山區(qū)水面蒸發(fā)量總體呈下降趨勢，累計減少183.2mm，其中1981—1989年間降幅最大，由1 276.7mm降至1 061.9mm；累計降水量和平均氣溫總體呈波動上升趨勢，累計降水量和平均氣溫分別增加119.4mm和1.94℃。由表1可以看出，蒸發(fā)量每10年變化量依次為?4.98，?14.13，1.24，3.71，?15.4mm。降水量每10年變化量依次為?0.62，?1.68，5.1，1.66，5.85mm。平均氣溫每10年變化量依次為0.03，?0.02，0.06，0.05，0.06℃。根據(jù)相鄰10年的氣象要素變化量，可知格爾木河流域山區(qū)的蒸發(fā)量、降水量和氣溫在最近10年的變化最大，意味著近年來氣候變化劇烈，暖濕化加劇。

圖1 五道梁氣象站累計蒸發(fā)量、累計降水量和平均氣溫時間序列Fig.1 Time series of cumulative evaporation,cumulative precipitation and average temperature in the Wudaoliang meteorological station

表1 五道梁氣象站蒸發(fā)、降水及氣溫每10年平均值Table 1 Changes of the mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Wudaoliang meteorological station

2.2 水面蒸發(fā)影響因素

五道梁氣象站水面蒸發(fā)與其他氣象因子的相關分析結(jié)果見表2。在各影響因素中，與累計蒸發(fā)量呈正相關的氣象因子為累計降水、平均氣壓、平均相對濕度、平均氣溫以及平均太陽輻射，相關系數(shù)分別為0.50，0.38，0.34，0.83，0.87，其中太陽輻射相關系數(shù)最大，氣溫次之，相對濕度最小。呈負相關的氣象因子為風速，相關系數(shù)為?0.37。

表2 五道梁氣象站蒸發(fā)量與氣象因子相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of evaporation and climatic factors in the Wudaoliang meteorological station

2.3 水面蒸發(fā)與其他氣象因子的多元回歸分析

以蒸發(fā)量為因變量的多元回歸分析結(jié)果見表3，多元回歸方程見式（1）。氣溫、風速和太陽輻射對水面蒸發(fā)為正貢獻，其中氣溫貢獻最大，系數(shù)為0.61。降水量、相對濕度和氣壓對水面蒸發(fā)為負貢獻，其中相對濕度貢獻最大，系數(shù)為?0.36。

式中：E——累計蒸發(fā)量；

Rain——累計降水量；

Pre——平均氣壓；

RH——平均相對濕度；

T——平均氣溫；

U——平均風速；

表3 五道梁氣象站蒸發(fā)量與氣象因子回歸分析Table 3 Regression analyses of evaporation and climatic factors in the Wudaoliang meteorological station

Rsolar—平均太陽輻射。

3 流域中游水面蒸發(fā)特征及影響因素

3.1 蒸發(fā)量、降水量及氣溫變化

格爾木氣象站累計蒸發(fā)量、累計降水量及平均氣溫變化見圖2。從1955年來，格爾木氣象站蒸發(fā)量呈波動下降趨勢，累計減少了1 135.12mm；降水量呈波動上升趨勢，累計增加了18.44mm；平均氣溫呈波動上升趨勢，累計增加了3.56℃。

每相鄰10年的平均蒸發(fā)量、平均降水量和平均氣溫變化見表4。蒸發(fā)量每10年變化量依次為?33.9，?4.6，?12.0，?32.5，?17.8mm；降水量每10年變化量依次為1.2，?0.2，0.1，?0.1，1.2mm；氣溫每10年變化量依次為0.10，0.10，0.04，0.10，0.02℃。蒸發(fā)變化量表明，近10年來蒸發(fā)量較少且變化劇烈。降水和溫度變化量表明，近10年，格爾木暖濕化更加明顯。

3.2 水面蒸發(fā)影響因素

水面蒸發(fā)量與其他氣象因子的相關分析系數(shù)見表5。在各影響因素中，與累計蒸發(fā)量呈正相關的氣象因子為平均氣壓、平均相對濕度、平均風速以及平均太陽輻射，相關系數(shù)分別為0.08，0.01，0.75，0.48。呈負相關的氣象因子為累計降水量和平均氣溫，相關系數(shù)分別為?0.41，?0.81。其中平均風速的相關系數(shù)最大，平均相對濕度相關系數(shù)最小。

近60年風速的變化見圖3。60年來，格爾木平均風速呈明顯下降趨勢，風速減小降低了空氣流動性，導致水面蒸發(fā)量減少。平均風速變化線性擬合方程為：

式中：y——平均風速；

x——年份。

3.3 水面蒸發(fā)與其他氣象因子的多元回歸分析

以蒸發(fā)量為因變量的多元回歸分析見表6，回歸方程為：

圖2 格爾木氣象站累計蒸發(fā)量、累計降水量和平均氣溫時間序列圖Fig.2 Time series of evaporation,precipitation and average temperature in the Golmud meteorological station

表4 格爾木氣象站蒸發(fā)、降水及氣溫每10年平均值Table 4 Changes of the mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Golmud meteorological station

表5 格爾木氣象站蒸發(fā)量與氣象因子相關系數(shù)Table 5 Correlation coefficient of evaporation and its effectors in the Golmud meteorological station

圖3 格爾木平均風速年變化趨勢Fig.3 Changes of yearly average wind speed in the Golmud meteorological station

表6 格爾木氣象站蒸發(fā)量與氣象因子回歸分析Table 6 Regression analyses of evaporation and climatic factors in the Golmud meteorological station

由各氣象要素的回歸系數(shù)可知，平均風速對蒸發(fā)的貢獻最大，回歸系數(shù)為0.37，平均太陽輻射對蒸發(fā)量貢獻最小，回歸系數(shù)為0.06。

4 流域下游水面蒸發(fā)特征

圖4 達布遜湖水面累計蒸發(fā)、累計降水和平均氣溫時間序列圖Fig.4 Time series of cumulative evaporation,cumulative precipitation and average air temperature in the Dabuxun Lake

達布遜湖區(qū)累計蒸發(fā)量、累計降水量及平均氣溫變化見圖4，其中1992—2012年的降水和氣溫數(shù)據(jù)缺失。按現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，達布遜湖區(qū)蒸發(fā)量總體呈下降趨勢，近30年累計減少了241.7mm。但在2012年，湖區(qū)水面蒸發(fā)量急劇增加，這是因為降水量增加導致湖泊面積急劇增加[4]。達布遜湖區(qū)降水量略有上升，但變化趨勢不明顯。從觀測數(shù)據(jù)看，1967年出現(xiàn)較大降水量，2018年降水量同樣較大。平均氣溫呈波動上升趨勢，近60年來增加了1.87℃。

每相鄰10年的平均蒸發(fā)量、平均降水量和平均氣溫變化值見表7。1990—2018年平均蒸發(fā)量每10年變化量依次為?53.02，35.12mm。1960—1989年平均降水量每10年變化量依次為?0.05，?0.02mm。1960—1999年平均氣溫每10年變化量依次為0.003，0.020，0.040℃。降水和溫度變化量表明，達布遜湖區(qū)降水變化量基本接近，但最近10年平均氣溫要高于以往平均氣溫，結(jié)合湖區(qū)的水面蒸發(fā)量，該區(qū)有暖濕化的發(fā)展趨勢。

表7 達布遜湖區(qū)蒸發(fā)、降水及氣溫每10年平均值Table 7 Changes of mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Dabuxun Lake

5 討論

對格爾木河流域上游山區(qū)的五道梁氣象站近60年、中游戈壁礫石帶的格爾木氣象站近60年和下游終端尾閭湖近30年的水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在流域內(nèi)上、中、下游水面蒸發(fā)皆呈減少趨勢。但是，水面蒸發(fā)減少量空間差異明顯，減少量最多的是中游戈壁礫石帶，其次是終端尾閭湖，最后是山區(qū)。在每個區(qū)域水面蒸發(fā)的主控因素不同：山區(qū)主控因素為氣溫，戈壁礫石帶主控因素為風速，終端尾閭湖主控因素為湖水面積，顯示出旱區(qū)內(nèi)陸河流域蒸發(fā)影響因素的復雜性。

有氣象數(shù)據(jù)記錄以來，全球呈現(xiàn)暖濕化趨勢。2019年，全球平均氣溫較工業(yè)化前高出約1.1℃，20世紀80年代以來，每10年都比前一個10年更暖[13]。對比格爾木河流域氣溫和降水的分析結(jié)果，流域氣候變化總體呈暖濕化，尤其是近10年更為顯著，這與全球氣候變化趨勢一致，但值得警惕的是，流域內(nèi)氣溫升幅遠超過全球氣候變化增溫幅度。

盡管流域內(nèi)氣溫和降水都呈增加趨勢，但是水面蒸發(fā)呈現(xiàn)減弱趨勢，與溫度增加可能會導致蒸發(fā)量增加的預期不符，呈現(xiàn)出“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象[14]。Roderick等[15]認為全球許多地區(qū)觀測到的蒸發(fā)減弱趨勢主要是由于云量和氣溶膠的增多，但本文分析表明，流域內(nèi)不同區(qū)域水面蒸發(fā)主控因素不同，與Roderick等[15]認識不一致，提供了水面蒸發(fā)影響因素研究的新線索。

值得提出的是，在格爾木河流域的終端尾閭湖沒有直接觀測水面蒸發(fā)的數(shù)據(jù)，湖水蒸發(fā)是按遙感信息結(jié)合水域面積變化、咸水蒸發(fā)折算系數(shù)推求的結(jié)果，這在一定程度上限制了對格爾木河流域下游蒸發(fā)規(guī)律的認識。今后應在該區(qū)域開展盡可能的詳盡觀測，提高水面蒸發(fā)控制因素的認知水平。

6 結(jié)論

（1）流域內(nèi)水面蒸發(fā)變化空間差異性顯著。格爾木河流域上游山區(qū)近60年累計減少183.2mm，中游近60年累計減少1 135.1mm，下游近30年累計減少241.7mm。

（2）流域內(nèi)不同區(qū)域水面蒸發(fā)主控因素不同。上游山區(qū)主控因素為氣溫，中游戈壁礫石帶主控因素為風速，終端尾閭湖主控因素為水域面積。

（3）流域內(nèi)水面蒸發(fā)呈現(xiàn)出“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。研究區(qū)氣候呈暖濕化，與全球氣候變化一致，但水面蒸發(fā)未隨氣溫升高而增加。