長系列數據支持下密云水庫蒸發量變化特征分析

李嬋娟 段新光 焦有權

摘要：水庫庫面蒸發是引起水庫水量損失的主要影響因素之一，本文利用密云水庫1960—2016年Ф20蒸發皿實測蒸發量資料，運用數理統計的方法初步分析了密云水庫蒸發量的月、季節、年以及代際變化特性，變化趨勢以及突變情況，統計了其折算系數變化過程。結果表明：57年長系列數據下密云水庫蒸發量月、季節、年蒸發量都有上升的趨勢，但上升趨勢不顯著;偏多趨勢多發生在夏、秋兩季，年內分配不均勻，代際蒸發量經歷了“多—少—多—多—多—多”的變化過程，根據累積距平曲線和Yamamoto檢驗法對年蒸發量進行突變分析，得出密云水庫年蒸發量在1976年發生一次突變。

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.

關鍵詞：密云水庫;蒸發系數;蒸發量;變化趨勢

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

中圖分類號：P333? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0200-03

0? 引言

統計數據表明，在過去50年里，工業化污染帶來的溫室效應造成全球氣候變暖，使全球氣溫平均每10年上升0.15攝氏度，科學界普遍認為，氣候變暖必然導致水面蒸發加劇[1]。蒸發是水循環的重要環節，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，能夠起到大氣調節作用。[2]因此，研究密云水庫蒸發量的變化特性對研究密云水庫氣候變化規律有著重要意義，同時通過分析密云水庫近57年蒸發量變化特性，可以對水庫水量損失分析及水資源管理利用提供參考。

1? 密云水庫概況

密云水庫是北京唯一地表飲用水源地，總庫容為43.75億m3，最大水面面積為188km2。流域屬中緯度大陸性季風氣候，冬季干旱，春秋多風。降雨量的年內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? 蒸發折算系數及觀測地點變化過程

密云水庫現有蒸發監測資料的蒸發器除Ф20蒸發皿外，還有E601型蒸發器。由于Ф20蒸發皿和E601型蒸發器結構、造型的不同，使其蒸發量在數值上也存在著一定的差異，為了方便比較、分析，對E601型蒸發器的觀測值需要進行折算，統一折算到Ф20蒸發皿上。

2.1 蒸發系數變化過程

通過查詢密云水庫水文資料統計表得出：1960—1976年，密云水庫蒸發系數采用官廳水庫蒸發試驗成果，Ф20蒸發皿折算系數為0.45;1977—1981年，蒸發資料為實測值，未經折算;1982年北京市協計組對密云水庫的來水量和供水量進行了比較系統的分析計算，20cm蒸發器折算系數采用0.52;1982年至今，其蒸發折算系數仍采用0.52 [4]。

2.2 觀測地點變化

通過查詢密云水庫水文資料統計表得出：1951—1968年采用白河溪翁莊水文站觀測，1969—1984年采用密云縣氣象站觀測。1985年—1986年采用白河壩前果園滴灌站觀測。1987—2004年采用調節池站觀測。2004年7月9日—2007年5月27日采用白河壩下出庫站觀測。2007年5月28日至今采用調節池管理站觀測[5]。

2.3 資料與方法

本文采用密云水庫57年來Ф20蒸發皿所觀測的實測蒸發量統計資料。由于Ф20蒸發皿支撐木樁高0.7m，口徑小，并且長期暴露在室外水文觀測場中，受到大氣溫度、大氣濕度、風等氣象因素影響比較大，其觀測值往往要比實際值大。但Ф20蒸發皿觀測值具有較長的時間序列和較好的可比性，能反映出密云水庫的蒸發量一般規律。

資料選用密云水庫1960—2016年共57年實測蒸發資料。運用數理統計分析方法對蒸發量的月、季節、年以及5a平均滑動序列進行分析，并以10年為一代際，分析蒸發量的代際變化，計算分析蒸發線性傾向趨勢以及突變情況。

3? 蒸發量變化特征

3.1 年際變化

按照1960—2016年蒸發序列對蒸發量年際變化特性進行分析，利用5a滑動平均法和Mann-Kendall秩次相關檢驗法對密云水庫庫區蒸發量進行趨勢分析，見圖1。

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

Mann-Kendall 秩次相關檢驗法是水文計算中常用的一種檢驗方法，其計算統計量公式如下：

（1）

式中：N為蒸發序列的總長度，P為蒸發序列中所有對偶值（）中Qi>Qj出現的個數[6]。

選用置信水平α=0.05，利用Mann-Kendall 秩次相關檢驗法對蒸發變化趨勢進行檢驗，計算得出，U=0.22，其絕對值小于臨界值Uα/2，表明密云水庫年蒸發量上升變化趨勢不顯著，這與5a滑動平均法檢驗的結果是保持一致的。

3.2 季節變化

從表1統計數據可以得出， 密云水庫年平均蒸發量為1217.7mm。其中，夏季蒸發量最大，為510.1mm，占全年的41.9%，其次是秋季363.6mm，占全年的29.8%，冬季蒸發量最小，為175mm，占全年的13.9%。

根據密云水庫四個季節的實測蒸發資料，得出密云水庫四個季節蒸發量變化曲線，見圖2。從圖2可以看出，密云水庫四季蒸發量整體呈上升趨勢，在夏季、秋季上升趨勢比較明顯，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、秋兩季蒸發量在年蒸發量中的影響占主要作用。

3.3 月變化

受氣候變化影響，蒸發的年內分配很不均勻，夏季氣溫最高，蒸發量最大;冬天氣溫最低，蒸發量小。表2給出了密云水庫各月平均蒸發量、線性傾向和相關系數，從表2可以看出，57年以來，密云水庫月平均蒸發量為98mm，月最小蒸發量一般出現在每年的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，且風速大、降水非常少，所以全年蒸發旺盛期多出現在5、6月份，月最大蒸發量也多出現在5月份或6月份，5月最大，月蒸發量占全年蒸發量的15%左右，6月份月蒸發量約占全年的14%左右。各月的蒸發量除了10月份均有不同程度的上升趨勢，其中8月份蒸發量的傾向值為2.28mm/10a，上升趨勢比較明顯，11月份的傾向值為0.11mm/10a，上升趨勢最不明顯，10月份的傾向值為-0.01，蒸發量呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯。利用顯著性檢驗密云水庫各月蒸發相關系數，從表2可以得出，2—8月以及12月份的相關系數大于0.2以上，1、9、11月份的相關系數大于0.1以上，10月份的相關系數為0.006。其中，7月份和8月份的相關系數超過0.05的顯著水平，8月份超過0.01的顯著水平。

3.4 代際變化

根據密云水庫實測蒸發資料，得出表3。從表3中可以看出，密云水庫代際蒸發量在20世紀80年代最大，為1545.5mm，距平值為720.1mm;20世紀60年代蒸發量最小，為719.9mm，距平值為-105.5mm。代際蒸發量經歷了“多—少—多—多—多—多”的變化過程。

4? 蒸發量突變分析

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

為了檢驗轉折點是否達到氣候突變的標準，本文采用了Yamamoto檢驗法，此方法是檢測氣候突變的一種常用檢測法。為了檢驗密云水庫轉折點是否達到氣候突變的標準，計算了各轉折年份的信噪比，公式如下：

（2）

式中，是轉折年份前后階段要素的平均值，Sa、Sb為標準差，當S/N大于1時，可認為該要素在這個年份存在氣候突變，反之突變不明顯[6]。

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

5? 結論

①密云水庫年蒸發量傾向值為45.1mm/10a，總體上呈波動式的上升趨勢，但經Mann-Kendall 秩次相關檢驗法檢驗，其上升變化趨勢不顯著。

②密云水庫夏季蒸發量最大，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密云水庫年內蒸發分配不均，5月份蒸發最大，為180mm， 12月份蒸發最小為32mm。各月的蒸發量除了10月份均有不同程度的上升趨勢，其中8月份蒸發量的傾向值為2.28mm/10a，上升趨勢最大， 11月份的傾向值為0.11mm/10a，上升趨勢最小，10月份的傾向值為-0.01，蒸發量呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯。

④年蒸發量在1976年前后蒸發量的信噪比大于1，存在突變現象;而2004年蒸發量的信噪比小于1，只能作為氣候的轉折年份。

參考文獻：

[1]車紅軍.氣候變暖對水面蒸發的影響[J].海河水利，2004（6）.

[2]芮孝芳.水文學原理[M].南京：河海大學出版社，1991.

[3]密云水庫水文手冊.密云水庫管理處，2012.

[4]密云水庫水文資料統計表.密云水庫管理處，2012.

[5]高海伶.密云水庫庫區水面蒸發時空變化規律分析[J].北京水務，2010（5）：28-30.

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作者簡介：李嬋娟（1985-），女，北京人，工程師，本科，研究方向為水資源與流域規劃;焦有權（通訊作者）（1976-），男，北京人，副教授，工學博士，研究方向為水利工程。