近33年來渭河流域蒸發皿蒸發量的變化特征及原因分析

高 蓓, 范建忠, 景毅剛, 高茂盛

（陜西省農業遙感信息中心,陜西西安 710015）

近年來,隨著經濟的發展,氣候的變暖,水資源的評價成為區域發展的重要工作之一。陜西渭河流域屬于嚴重的資源性缺水地區,在氣候變化和人類活動的影響下,生態環境進一步惡化,水資源供需矛盾日益突出。

蒸發量是水循環過程中的一個重要環節,是水量平衡的重要組成部分[1],據統計全球陸地表面的蒸發量約是降水量的60%～65%[2],在水利工程設計、水資源開發利用中具有重要作用。對于蒸發量的研究,隨著氣候變化和氣象災害的頻頻發生,開始受到許多研究者的關注[3]。與國外的研究結果一致,中國的大部分地區也普遍存在蒸發皿蒸發量顯著減少的趨勢[4-5],邱新法等[6]的研究表明,黃河流域蒸發量的的下降主要表現在春夏兩季,秋季和冬季則不明顯,局部區域與整個流域的氣候變化趨勢不完全同步。郭軍等[7]分析發現,近50年來黃淮流域蒸發量減少十分明顯,且春季和夏季減少最為顯著。徐宗學等[8]的研究指出黃河流域蒸發皿蒸發量大部分地區呈現出明顯的下降趨勢。但這些研究結論與全球氣候變暖背景下,蒸發量增大相悖,由此引發“蒸發悖論”的一系列討論[9-12]。文中利用陜西渭河流域氣象臺站的20cm蒸發皿蒸發量資料進行分析,以期獲得陜西渭河流域蒸發皿蒸發量變化的趨勢。

1 資料和方法

1.1 資料來源和處理

文中所用資料為陜西渭河流域43個氣象站1978～2010年20cm口徑蒸發皿觀測的逐月蒸發量數據資料。對于個別站點存在缺測數據,則以該站缺測日前后幾天的平均值代替,如果是整個月份數據缺測,則以該月多年平均值代替。

在20世紀80年代以前使用直徑20cm的蒸發器（用 Ф 20表示）量測蒸發量,80年代中期以后氣象臺站陸續增設E601蒸發皿（用E601表示）量測蒸發量,所以對任何一個站而言,均沒有一個完整的 Ф 20或E601蒸發量數據,為了獲得一致的蒸發量序列,進行回歸分析[13],將E601觀測值轉化為 Ф 20觀測值,即令

式中,Y60代表E601蒸發皿觀測的數據,Y20代表 Ф 20蒸發器觀測的數據,求得回歸系數,得到估算的E601蒸發量數據。

用小型蒸發皿觀測的蒸發量,代表理想水體的蒸發,在濕潤微風氣候條件下與實際的水面蒸發量比較接近。雖然小型蒸發皿蒸發量不能確切地代表真實水體的蒸發,更不能代表實際陸面蒸發,但對于了解水面蒸發量的時間變化規律和趨勢是有價值的。

根據氣候干燥指數和地理特征,將流域分成陜北區、渭北西部、關中西部、關中東部4區,如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率

在計算各個參數的變化趨勢時,主要采用以下方法,計算各因子的年平均值、年總值,求出各個氣象因子的區域平均值,采用氣候傾向率分析各因素的時間變化趨勢,即:

式中,Y為氣象要素的擬合值,t為時間,a0為常數項,a1為氣候傾向率,即氣象要素年變化趨勢率。

1.2.2 氣候趨勢系數

趨勢系數能定量給出某種氣象要素時間序列的升降程度,定義為

式中,rxt為n年要素序列與自然數列的相關系數,xi為第i年要素值,ˉx為樣本均值,ˉt=（n+1）/2。rxt的正、負反映了要素在n年內的線性增減趨勢。用于定量描述氣候趨勢變化強弱的空間分布特征。

為了分析各氣候因子與蒸發量的相關性,采用完全相關系數分析方法分析各氣象因子對蒸發皿蒸發量的影響,以討論陜西渭河流域蒸發皿蒸發量變化的原因。

2 結果分析

2.1 蒸發皿蒸發量的時間變化

對陜西渭河流域43個氣象臺站1978～2010年蒸發皿蒸發量數據進行統計發現,多年平均年蒸發量為1499.7mm,其中,春季（3～5月）為462.8mm,占全年的30.9%,夏季（6～8月）為 610.4mm,占全年的 40.7%,秋季（9～11月）為260.7mm,占全年的17.4%,冬季（12～2月）為143.5mm,占全年的9.8%。

由表1可以看出,陜西渭河流域的蒸發皿蒸發量,20世紀70年代蒸發量最大,80年代有所下降,90年代有所回升,21世紀初（2001～2010年）略有下降,且幅度變化不大,90年代與21世紀初（2001～2010年）的蒸發皿蒸發量相當,90年代至21世紀初較70年代下降了120mm,較80年代上升了100mm。不同的地理區變化幅度不同,渭北西部下降幅度最大,陜北、關中東部和關中西部的變化趨勢和全流域的變化趨勢相同。在季節上,春季和夏季蒸發皿蒸發量呈上升趨勢（沒有通過a=0.05的顯著性檢驗）,秋季和冬季呈下降趨勢,但冬季通過a=0.05的顯著性檢驗。

圖1 陜西渭河流域站點分布及分區

表1 1978～2010年陜西渭河流域蒸發皿蒸發量的統計 （單位:mm）

圖2 1978～2010年陜西渭河流域年蒸發皿蒸發量和年蒸發皿蒸發量累積距平變化

圖2為陜西渭河流域年蒸發皿蒸發量的逐年變化和逐年累積距平變化。由圖2（a）可以看出,渭河流域蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,年蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為2.2mm/a,年趨勢系數為0.1,沒有通過 a=0.05的顯著性檢驗,故表明近33a來年蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,但不是顯著上升。

圖3為陜西渭河流域不同季節的蒸發皿蒸發量的變化曲線。其中春季和冬季蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,夏季和秋季蒸發皿蒸發量呈下降趨勢,僅春季蒸發皿蒸發量趨勢擬合曲線能通過a=0.01信度檢驗,即春季蒸發量變化明顯。由時間序列與蒸發量擬合的結果表明,春季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為2.58mm/a,夏季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為-0.43mm/a,秋季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為-0.1mm/a,冬季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為0.61mm/a,這表明在季節變化過程中以春季蒸發皿蒸發量增加趨勢最為明顯。

圖3 1978～2010年陜西渭河流域蒸發皿蒸發量不同季節變化

2.2 蒸發皿蒸發量的空間變化

雖然陜西渭河流域整體年蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,但仍有部分區域蒸發皿蒸發量呈下降趨勢,主要分布在黃陵-銅川。由圖4（a）可以看出,除陜北區西南部、渭北西區東北部和關中東區西部的部分地區下降外,陜西渭河流域大部蒸發皿蒸發量均上升,氣候傾向率的上升幅度為 0.11～18.77mm/a,最高值位于扶風,可達18.77mm/a;而陜北區西南部、渭北西區東北部和關中東區西部的部分地區的下降幅度為0.29～7.41mm/a,最低值位于宜君,為7.41mm/a。

圖4 陜西渭河流域年總蒸發皿蒸發量的空間分布

圖4（b）中絕對值大于0.3的氣候趨勢系數通過了 a=0.05的顯著性檢驗,即蒸發量呈顯著上升或下降趨勢,其余值表示蒸發皿蒸發量無顯著變化。統計結果（表2）表明,33年來陜西渭河流域43站中16站的年總蒸發量顯著上升,1站顯著下降。

圖5 1978～2010年陜西渭河流域四季蒸發皿蒸發量的空間變化

蒸發皿蒸發量的變化趨勢在不同季節的分布也是不同的（圖5）。春季、夏季和秋季蒸發皿蒸發量變化的空間分布基本與圖4相似,春季、夏季和秋季主要表現為上升的氣候趨勢,且上升幅度較大,最高達8.43mm/a（出現在夏季）,春季和夏季蒸發量下降的區域與圖4相似,秋季蒸發量下降區域擴大,分布在陜北區西南部、渭北西區東部、關中西區東部和關中東區西部。冬季蒸發皿蒸發量變化的空間分布與其他季節不同,雖然仍主要表現為上升趨勢,但是上升和下降的區域范圍大致相近,且下降區域分布在陜北區、渭北西部區大部、關中西區東部和關中東區大部。

表2 陜西渭河流域不同季節蒸發皿蒸發量變化的臺站數統計

3 蒸發皿蒸發量增加的原因分析

由于影響蒸發皿蒸發量變化的氣象要素很多,將影響要素分為動力因子、熱力因子和水分因子3類采用完全相關系數法,分別計算出各氣象要素與蒸發皿蒸發量的完全相關系數（表3）和各氣象要素的年變化趨勢（表4）。

表3 陜西渭河流域及各區域蒸發皿蒸發量與氣象因子的相關性分析

平均氣溫在流域及各個區均呈現明顯的上升趨勢,其上升幅度不一致,陜北區上升幅度最低;平均氣溫與蒸發皿蒸發量之間的相關程度分析表明,渭北西區和關中西區通過顯著性檢驗,為正相關。氣溫日較差除在陜北區呈下降趨勢外,其他研究區域均呈上升趨勢;氣溫日較差在陜西渭河流域及各區域均通過了顯著性檢驗,為正相關。因此,平均氣溫在過去的33年中對渭北西區和關中西區蒸發量增加的貢獻最大。

表4 陜西渭河流域及各區域氣象因子的變化趨勢

日照時數除關中西區下降外,在陜北區、渭北西區、關中東區和流域都有顯著的增加趨勢,日照時數在流域及各區內與蒸發皿蒸發量均表現為正相關,通過了顯著性檢驗。相對濕度與蒸發皿蒸發量的相關關系均達到99%的顯著性水平,表現為負相關,但相對濕度在過去33年中并沒有明顯的變化。而低云量在全省及各個區域均呈下降趨勢,下降較為緩慢,低云量和蒸發皿蒸發量之間相關程度較低。在陜西渭河流域和渭北西區,風速與蒸發皿蒸發量的相關系數都達到99%的信度水平,表現為正相關。降水量在研究區域均呈下降趨勢,且下降明顯;降水量與蒸發皿蒸發量的相關系數通過顯著性檢驗,為正相關,故降水量在過去33年中對陜西渭河流域及各區域蒸發皿蒸發量的增加的貢獻較大。

應用左洪超等[14]的分析觀點,導致陜西渭河流域1978～2010年蒸發皿蒸發量增加的可能原因有平均氣溫、氣溫日較差、風速、降水量和相對濕度。由表4可以看出,平均氣溫和日照時數明顯增加,相對濕度、平均風速和低云量的變化不明顯,降水量有較大幅度下降;由此可以得知,影響陜西渭河流域蒸發皿蒸發量增加的主要原因是平均氣溫和降水量。

4 結論

（1）近33年來陜西渭河流域年蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,但不是顯著上升;年蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為2.2mm/a。春季和冬季蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,夏季和秋季蒸發皿蒸發量呈下降趨勢。春季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為2.58mm/a,夏季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為-0.43mm/a,秋季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為-0.1mm/a,冬季蒸發皿蒸發量的氣候傾向率為0.61mm/a,這表明在季節變化過程中以春季蒸發皿蒸發量增加趨勢最為明顯。

（2）陜西渭河流域年蒸發皿蒸發量在過去的33年中呈上升趨勢,春季和秋季蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,夏季和冬季蒸發皿蒸發量呈下降趨勢。就四季蒸發皿蒸發量的變化區域而言,渭北西部下降幅度最大,陜北、關中東部和關中西部的變化趨勢和全流域的變化趨勢相同。

（3）導致陜西渭河流域蒸發皿蒸發量增加的可能原因主要是平均氣溫上升和降水量的減少;各分區中,陜北區的可能原因是降水量減少;渭北西區的可能原因是平均溫度的上升;關中西區的可能原因是降水量的減少,關中東區的可能原因是平均氣溫上升和降水量的減少。

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