蒸發量變化特征及影響因素研究

隋景躍，張國林

（朝陽市氣象局，遼寧朝陽122000）

近百年來，我國氣溫上升了0.4～0.8℃，近30 a增溫尤為明顯[1-3]，東北地區在氣候變暖的形勢下，降水量在明顯減少[4-5]。一般認為，氣溫升高可能會使大氣變干、蒸騰加強，加速水循環進程。通過對近半個世紀蒸發量的變化分析表明，不同地區存在不同的變化趨勢，受氣候因子的影響多數地區的蒸發量呈明顯減少趨勢[6-9]。任國玉等[10]研究我國水面蒸發量時發現，我國東部、南部和西北地區的水面蒸發量下降顯著，而西南諸河流域和東北的松花江流域未見明顯變化。劉波等[11]研究認為，氣溫日較差和風速是影響蒸發量的主要原因；李瓊芳等[12]研究認為，風速和相對濕度是影響蒸發量下降的主要原因。因此，各個地區影響蒸發量的環境因子存在諸多的不同，分區域研究蒸發量的變化趨勢和影響因素很有必要。

蒸發是大氣水文循環的重要環節，而蒸發量在水資源中起著不可估量的作用，蒸發量的變化直接影響水資源的直接利用率，水資源供需矛盾的日趨嚴峻對農業生產造成了巨大的影響。在東北乃至遼西地區降水量逐漸減少的狀況下[13-14]，蒸發量的變化直接影響水資源循環[15]。蒸發皿蒸發是特定容器中的水面最大蒸發量，與實際蒸發有著必然的聯系，分析蒸發皿蒸發特征變化有助于揭示實際蒸發變化特征，對于制定水資源利用制度具有重要的參考價值，對探討氣候變暖大環境下蒸散、蒸騰等研究具有十分重要的意義。

基于以上考慮，筆者利用遼寧建平地區近60 a（1953—2012年）蒸發皿蒸發量資料，研究該地區蒸發量的變化特征，并應用相關系數法分析了影響建平地區蒸發量的主要因子，采用多元回歸建立了蒸發量的估算模型，以期為水循環研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

建平地區位于遼寧省西部，西北面與內蒙古赤峰市為鄰。老哈河、蹦河流經境內，是大凌河、小凌河發源地之一。努魯爾虎山脈將建平地區分為南、北具有明顯差異的氣候區，南部比北部地區年平均氣溫高2.7℃。建平地區屬北溫帶亞干旱氣候區，自然環境十分脆弱，土地沙石化，水土流失嚴重。

1.2 資料來源

資料來自朝陽市氣象局檔案室及葉柏壽氣象監測站，年限為1953—2012年。所使用的資料有：蒸發皿蒸發量，逐日最高、最低及平均氣溫，降水量、日照時數、風速、總云量、相對濕度、水汽壓等。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候傾向率[16]取一元線性方程y＝a0x＋a1的一次項系數a0乘以10，來體現10 a平均變化趨勢。當a0＞0，表示上升趨勢；當a0＜0，表示下降趨勢。蒸發量氣候傾向率單位為mm/10 a。

1.3.2 標準偏差 采用標準偏差方法[17]分析蒸發量異常年。標準偏差是量度數據分布的分散程度的標準，用以衡量數據值偏離算術平均值的程度，可確定極端事件發生幾率。

式中，S為標準偏差，yi－y為歷年值減總體平均數，N為樣本數。

1.3.3 累積距平和信噪比[18]突變年份由氣溫累積距平來確定，累積距平最大絕對值所對應的時間假定為突變時間。蒸發量序列是否存在突變時間轉折點，采用信噪比對其進行檢驗。

1.3.4 完全相關[19]完全相關系數等于因子間相關系數與時間序列相關的乘積，可體現出影響蒸發量的可能因子。

2 結果與分析

2.1 年蒸發量變化特征

建平地區1953—2012年年蒸發總量平均值為1 374 mm，1961年最多，為1 712 mm，2010年最少，為1 085 mm，極差為627mm，標準偏差為±136mm。正常年蒸發量在1 238～1 510 mm之間；異常偏多有9 a，均出現在1975年之前，幾率為15.0%；異常偏少有10 a，均出現在1985年之后，幾率為16.7%。

從圖1可以看出，1953—2012年近60 a蒸發量存在明顯的減少變化趨勢，序列相關系數為0.622 3，達極顯著水平（P＜0.01），氣候傾向率為-48.768 mm/10 a，每10 a減少蒸發量約49 mm，近60 a減少蒸發量約為293 mm。從年代時間尺度分析，20世紀60年代的蒸發量最大（1 529 mm），其次依次是20世紀70年代（1 417 mm）和50年代（1 416 mm），20世紀80年代（1 350 mm）和90年代（1332mm），21世紀10年代蒸發量最少（1241mm），年代最大相差288 mm。

2.2 4—9月蒸發量變化特征

4—9月是建平地區大田作物生長季，此時段蒸發量平均值為962 mm，占年蒸發量的70%；其中，1961年最多，為1 244 mm，2010年最少，為702 mm。標準偏差為±120 mm，蒸發量的正常值在842～1 082 mm之間；異常偏多有6 a，均出現在1972年之前，幾率為10.0%；異常偏少有10 a，均出現在2003年之后，幾率為16.7%。

圖2顯示，1953—2012年近60 a蒸發量存在明顯的減少變化趨勢，序列相關系數為0.681 5，達極顯著水平（P＜0.01），氣候傾向率為-47.29 mm/10 a，每10 a減少蒸發量約47 mm，近60 a蒸發量減少約284mm。從年代時間尺度分析，20世紀60年代蒸發量最大（1 078 mm），其次是20世紀50年代（1 017 mm）和70年代（1 003 mm），20世紀90年代（964 mm）和 80年代（957 mm），21世紀 10年代蒸發量最少（808 mm），年代最大相差270 mm。

2.3 蒸發量氣候躍變

經蒸發量累積距平分析，年蒸發總量在1984年累積距平絕對值達最大，由此可假定1983，1984年存在氣候躍變。據信噪比檢驗結果，XZB＝0.76較為顯著，假定成立。說明從1984年開始年蒸發量突變性減少，突變之前1953—1983年平均值為1 453mm，突變之后1984—2012年平均值為1 289 mm，年蒸發量平均減少164 mm。

作物生長季蒸發量在1984年累積距平絕對值達到最大，由此可假定，1983，1984年存在氣候躍變。信噪比檢驗結果顯著，XZB＝0.84較為顯著，假定成立。說明從1984年開始作物生長季蒸發量突變性減少，突變之前1953—1983年平均值為1 032 mm，突變之后1984—2012年平均值為887 mm，年蒸發量平均減少145 mm。

2.4 蒸發量的主要影響因子及多元回歸

為分析氣候因子對蒸發量的影響，進行氣候要素與蒸發量的相關分析。由表1可知，日照時數、氣溫日較差、平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫、風速、相對濕度、水汽壓、降水量及云量這10個氣候因子中，序列相關系數達到顯著水平（P＜0.05）的有日照時數、氣溫日較差、平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、風速、水汽壓及云量8個因子，其中，平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、水汽壓呈明顯上升趨勢；而日照時數、氣溫日較差、風速及云量呈明顯下降趨勢；相對濕度和降水量序列相關不顯著。

當蒸發受氣象要素作用時，則產生出不同的影響能力，隨著日照時數、氣溫日較差、風速的增多或升高時，蒸發量也存在明顯增多；隨著平均最低氣溫、相對濕度、水汽壓下降或減少時蒸發量而增大，并且通過0.05（P＜0.05）信度檢驗，平均氣溫、降水量與蒸發量的相關性沒有通過顯著性檢驗。

表1 蒸發量相關因子及完全相關

根據公式（3）的完全相關系數計算結果，日照時數、氣溫日較差、平均最低氣溫和風速對蒸發量影響達到了顯著水平。總體來說，影響建平地區蒸發量的能量因子有日照時數、氣溫日較差和平均最低氣溫，動力因子有風速，而水分因子的影響相對較小。

利用完全相關因子，采用多元回歸分析方法對建平地區年平均蒸發量進行估算，其回歸方程為：

式中，y為年蒸發量；x1為日照時數；x2為氣溫日較差；x5為平均最低氣溫；x6為平均風速。方差檢驗F值為20.647 9，通過了顯著性檢驗（F0.05＝6.16）。從公式（4）可以看出，日照時數、氣溫日較差、平均最低氣溫、平均風速與蒸發量均呈正相關。

由圖3可知，擬合值與實測值趨勢變化具有一致性，擬合值與觀測值接近，相關系數為0.789 0（P＜0.01），擬合率相對誤差在-12.8%～16.2%之間，準確率在83.8%以上。經模式計算，預測2011年蒸發量為1 172 mm，實測值為1 828 mm，絕對誤差為-110 mm，相對誤差為-8.6%；預測2012年蒸發量為1 126 mm，絕對誤差為39 mm，相對誤差為3.5%，這一結果與實測值接近。說明運用該回歸方程可以擬合建平地區年蒸發量的趨勢，并具有較強的實用性。

3 結論與討論

本研究結果表明，遼寧建平地區1953—2012年蒸發量的變化趨勢減少明顯，年蒸發量每10 a平均減少約49 mm，21世紀10年代較比20世紀60年代平均減少288 mm；大田作物生長季（4—9月）蒸發量每10 a減少約47 mm，21世紀10年代較比20世紀60年代減少270 mm。氣候躍變發生在1983，1984年，躍變之前（1953—1983年）比躍變之后（1984—2012年）年蒸發量平均減少164 mm，作物生長季平均減少145 mm。

本研究通過對蒸發量與環境因子的相關性分析可知，日照時數、氣溫日較差、平均最低氣溫、風速、相對濕度及水汽壓等因子與蒸發量相關顯著，說明蒸發量的變化受諸多因子作用的結果。日照時數、氣溫日較差、平均最低氣溫屬能量供應因子，對蒸發量影響最明顯，其次是動力因子風速，而水分因子對蒸發量的影響較小。因此，建平地區降水量的減少與氣溫的升高不是造成蒸發量下降的主要原因，而是最低氣溫的升高、氣溫日較差的縮小、日照時數減少、風速的減小等多因素作用的結果。

應用多元回歸方法，建立了建平地區年平均蒸發量的估算模型（R＝0.780 5，α＝0.05），能較好地擬合出年蒸發量的變化趨勢和特征，對預測年蒸發量具有一定的參考價值。

總之，蒸發量的減少是多因素作用的結果，屬于非線性的。單一考慮氣溫升高、降水量減少會導致蒸發量的增加將出現偏頗，掩蓋氣候變化的真實過程。在氣候變暖的情景下，蒸發量減少，無疑是對干旱地區水資源平衡的一種體現。

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