陜北黃土高原蒸發量時空變化及其影響因素

(陜西省水務集團有限公司，西安 710004)

聯合國氣侯變化政府間專家委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,簡稱IPCC)第5次報告指出，近百年來全球平均氣溫上升0.74℃，未來百年還將持續上升1.1℃～6.4℃，當今全球氣候變暖的格局日益顯著，進而引起地表蒸散增強[1]。有關研究指出，近50年來中國蒸發量持續增加，這導致干燥度和干旱指數較高[2]。蒸發過程是大氣系統動力循環的驅動之一，作為平衡熱量交互的重要矢量，其緊密聯系著水循環與大氣循環。黃土高原是我國生態脆弱區，也是季風氣候向干旱大陸性氣候過渡區，在氣候變化和人類擾動的背景下，區域地表蒸散活動十分復雜[3]。本文以陜北黃土高原(延安市和榆林市)為案例區，分析在氣候變化背景下區域蒸發量的時空變化及其影響因素，以期為區域水資源規劃和生態環境修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究中選取陜北黃土高原地區63個氣象站點，基于逐日蒸發量數據加權計算年蒸發量、氣溫和降水，該氣象數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)。地形數據來源于地理空間數據云，為研究區內的DEM(空間分辨率為30 m)，坡向則運用Arcgis10.5平臺下surface模塊的aspect工具提取。NDVI數據來源于MODIS數據網站(https://modis.gsfc.nasa.gov/)，其產品序號為13A，空間分辨率為500 m。

1.2 GIS空間插值分析

為直觀描述研究區蒸發量以及其他環境因子空間分布，在GIS平臺下運用Geostastics功能進行插值分析，目標變量分別為蒸發量、氣溫和降水量，空間位置以各氣象站點的坐標數據為基礎。進行地統計插值的時候，先運用GS+9.0軟件計算其半方差函數，根據R2接近于1、殘差接近于0的原則選擇最佳擬合模型，并且記錄模型參數，然后將其運用于GIS平臺進行空間估計，插值方法為普通Kriging法。

1.3 Mann-Kendall趨勢分析

Mann-Kendall趨勢分析用以度量時間變量總體變化程度。其檢驗統計量如下：

(1)

(2)

式中：n為時間序列長度；xk和xi則分別為第k、第i個時間序列值。

當S表現為正態分布時，其方差統計量如下：

(3)

當n的取值大于10時，則其標準統計量計算如下[4-5]：

(4)

2 結果與分析

2.1 陜北黃土高原蒸發量宏觀特征

圖1為1980-2010年陜北黃土高原年蒸發量變化圖。由圖1可知，近30年來區域蒸發量呈波動增加趨勢，其值介于840～1 270 mm之間。其中，1981、1982、1985、1989、1994、2000、2006等年份為低值年，1983、1988、1992、1996、2004、2007等年份為高值年。整體變化趨勢為y=5.535 6x-9 966(R2=0.253 1),并在0.05水平上顯著。經趨勢分析表明，其Z值為1.56 mm，未通過閾值檢驗。

圖1 1980-2010年陜北黃土高原年平均蒸散量

2.2 陜北黃土高原蒸發量空間分布特征

以各個站點多年蒸發量數據的平均值為基礎，經地統計學分析處理后進行空間插值。為顯示其詳細分布特征，將像元大小設置為默認的180 m，并以區域邊界進行裁決提取，得到陜北黃土高原蒸發量空間分布，見圖2。由圖2可知，研究區年蒸發量空間分布不均，空間值域介于629～1 468 mm之間，其中低值區集中于區域南部，尤其是河流谷底蒸發量最低；高值區集中于區域北部。研究區蒸發量整體呈塊狀分布，表現出自南向北地帶性增加的空間分布格局，這表明陜西黃土高原南部地區蒸發量較于北部地區較少，南部濕潤度相對較高、環境適宜性略好，而北部蒸發量大、氣候干燥。

應用式(4)計算各氣象站點蒸發量的Z值，進而繪制其空間分布圖。由圖2可知，近30年來陜北黃土高原地區蒸發量空間變化局勢不一，全局變化區間介于-3～2 mm之間。其中，在中部和南部的大部分地區蒸發量Z值小于零，說明這些地方年蒸發量呈較小趨勢，主要由于該地區地表覆被改善增強了水分保持功效。而北部以及局部河谷地區的蒸發量Z值大于零，在1980-2010年間蒸發量呈增加趨勢，北部地區地表裸露程度高、沙漠化日益嚴重，導致蒸發加劇；而河谷地區蒸發量加大主要由于城鎮化推進和人為活動引起。

圖2 陜北黃土高原蒸發量及其Z值空間分布

2.3 陜北黃土高原蒸發量與土地覆被的關系

太陽輻射引起地表溫度升高從而導致地表蒸散，由此看來下墊面環境是地表蒸散的介質。由于不同的地表覆被特征，其物理性質、化學組成、生物活性等存在差異，進而影響著地表蒸散的速率。為研究其與土地覆被之間的關系，以MODISQ13產品提取了研究區NDVI空間分布圖進行對比分析(圖2與圖3)。NDVI為歸一化植被指數，其值介于-1～1之間，通常其值越大表明植被覆蓋程度越高，反之植被覆蓋越低。研究區NDVI值介于0～1之間，其中區域南部的洛川、黃陵等地NDVI高達0.8以上，說明指標覆蓋良好；而北部的安塞等地NDVI值小于0.2，被認為是低植被覆蓋區，以毛烏素沙地為主。對比可知，研究區蒸發量與NDVI呈現良好的空間相關性，北部邊緣的沙地區地表裸露、反射率強，地表水分損失率高；南部植被覆蓋區有效減弱太陽對地表的直接輻射，樹冠和地表枯枝落葉能夠保持地表水分。

圖3 陜北黃土高原NDVI空間分布

2.4 陜北黃土高原蒸發量與地形的關系

地形是一項綜合性的環境要素，地形的高低起伏、坡向等引起地表輻射和太陽輻射能的梯度變化，進而造成地表蒸散空間變異格局。結合圖4和圖2可知，區域蒸發量與DEM具有緊密空間相關性。這是因為隨著海拔升高，近地面氣溫降低；全局看來南部地勢低、北部地勢高，這種分布與蒸發量的格局基本一致。從坡向來看，陽坡的日照時間長，蒸發旺盛；陰坡日照時間短，蒸發量相對較低。

圖4 陜北黃土高原DEM和坡向空間分布

2.5 陜北黃土高原蒸發量與氣候因素的關系

氣溫是地表蒸散產生的直接熱量來源，降水則是區域水分平衡的重要矢量，以往的研究均表明該氣候要素是地表蒸發量的重要原因。陜北黃土高原地區多年平均降水量介于290～650 mm之間，氣溫在8.7℃～15.4℃之間不均衡分布，蒸發量為降水量的2.5倍。研究區氣溫呈由河谷向原地增加分布，河谷低地水資源豐富、人口密集，然而其蒸散量小于北部年均氣溫較低的原地、沙地，主要由于南部河谷區降水豐富、空氣濕度大；而北部大范圍地區降水稀少、氣候干旱，導致地表蒸散強烈(圖5)。

圖5 陜北黃土高原氣溫和降水空間分布

2.6 陜北黃土高原蒸發量與環境因素相關分析

蒸發量是典型的氣候因素之一，蒸發量不僅受氣候系統變化影響還與地理環境特征、人為活動等密切相關。為準確辨識其影響因素，采用person相關分析法進行分析，見表1。由表1可知，陜北黃土高原地區蒸發量與環境因素呈現良好的相關性，其中與降水量的相關性最強，相關性系數為-0.557，并在0.01水平上顯著；其次是地表覆蓋，蒸發量與NDVI相關性為-0.517(P<0.01)。蒸發量與氣溫呈負相關，相關系數為-0.258，在0.05水平上達到顯著性。蒸發量與地形的關系密切，與DEM和坡向均呈現顯著相關，相關系數依次為0.221(P<0.05)、0.445(P<0.05)。

表1 陜北黃土高原蒸發量與環境因素的相關性系數

注：**在0.01水平上顯著；*在0.05水平上顯著。

3 結 論

通過趨勢分析與空間插值分析可知，1980-2010年黃土高原多年平均蒸發量在介于840～1 270 mm之間，變化斜率為5.53 mm/a，增加趨勢明顯。黃土高原30年來平均蒸發空間分布差異顯著，呈現由南向北遞增的空間格局，并且其時空變化量分布不均，Z值大于零的地區集中于北部沙地地帶，Z值小于零的地區分布于南部植被密集區。氣候是區域蒸發量的主導環境因子，與降水量、氣溫呈顯著負相關性，與DEM和坡向呈負相關性，與植被覆蓋度呈顯著負相關。