青島市多年蒸發變化趨勢分析

鄭志國 李春俊 王 霞

（青島市水文中心 青島 266400）

1 研究區概況

青島市地處山東半島南部，全市總面積為11293km2。青島市地形東高西低、南北隆起，中間低陷，屬溫帶季風氣候，多年平均氣溫12.7℃，極端高氣溫38.9℃，極端低氣溫-16.9℃，年平均風速5.2m/s，以南東風為主導風向,年平均相對濕度為73%。全市多年平均降水量687.5mm，降水地區分布趨勢是自東南沿海向西北內陸遞減,汛期（6—9月）四個月降水量占全年降水量的72.5%。青島市河流均為季風區雨源型，按水系分為大沽河水系、北膠萊河水系和沿海諸河三大水系。大沽河為青島市最大河流，干流全長199km，流域面積6205km2，青島市境內為4781km2，是青島市最主要的防洪、排澇河道，被譽為青島市的“母親河”。本次分析所選用蒸發觀測點位于大沽河下游干流控制站南村水文站，具有較好代表性。

2 數據選用

本次分析所用蒸發數據均為南村水文站實測數據。南村水文站為國家重點基本水文站，設立于1951年7月，擔負著降水、蒸發、水位、流量、泥沙、水質、地下水、冰情、墑情、水文調查等水文要素監測任務。南村水文站自1951年9月開展蒸發觀測至今，蒸發數據均按照有關規范進行了整編，數據真實可靠。本次選用1952—2019年共68年實測蒸發觀測資料系列進行分析，由于蒸發觀測采用了20cm 口徑蒸發器和E601 兩種蒸發器進行觀測，為保持蒸發數據一致性，統一換算成E601 型蒸發器的蒸發量數據后再進行分析。

3 研究方法

為研究青島市多年蒸發變化情況，更加直觀地描述蒸發變化趨勢，本文選用應用較為廣泛的線性回歸法和Mann－Kendall 趨勢檢驗法分析青島市南村水文站蒸發數據。

3.1 線性回歸法

線性回歸法是利用數理統計中回歸分析，來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關系的一種統計分析方法，運用十分廣泛。本次分析采用一元線性回歸法，通過此方法可以直觀看出蒸發量隨時間的變化趨勢。一元線性回歸是分析只有一個自變量線性相關關系的方法，其回歸方程為：

式中：Xi為時間序列；Yi為時間序列對應的蒸發量；a 為線性方程斜率，表示平均趨勢變化率；b為截距。a 和 b 的值可由最小二乘法進行估算。

3.2 Mann-Kendall 趨勢檢驗法

Mann-Kendall 趨勢檢驗法是時間序列數據趨勢檢驗中使用廣泛的非參數檢驗方法，現在已被世界氣象組織推薦并廣泛應用，其特點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，對于非正態分布的水文、氣象等數據具有更加突出的適用性。

在Mann-Kendall 檢驗中，原假設H0為時間序列數據（x1，x2，…，xn），是n 個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設H1是雙邊檢驗。對于所有的i，j ≤n，且i ≠j，xi和xj的分布是不相同的。定義檢驗統計量S：

其中，sign（）為符號函數。當xi?xj小于、等于或大于0 時，sign（xi?xj）分別為-1、0 或1。S 為正態分布，其均值為0，方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/18。

M-K 統計量公式S 大于、等于、小于0 時分別為：

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2,則原假設H0是不可接受的， 即在置信水平α 上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Z 為正值表示上升趨勢，負值表示下降趨勢。 Z 的絕對值在大于等于1.28、 1.64、 2.32 時表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗。

4 變化趨勢分析

4.1 年內變化分析

降水、氣溫、濕度、風力、風速等影響蒸發的因素在年內存在一定的變化規律，因此蒸發量的年內變化也存在一定規律。通過對南村水文站68年實測蒸發資料進行分析，繪制歷年逐月平均蒸發量分布圖（圖1），并統計各月平均蒸發量占比情況（表1）。

從圖1 和表1 中可以看出，年度各月平均蒸發量變化同年度季節性變化有較強關聯性，呈現出較為明顯的變化規律，各月蒸發量差異較大。1—5月蒸發量呈現上升趨勢，6—12月蒸發量呈現下降趨勢，5月蒸發量最大，1月蒸發量最小，最大月蒸發量是最小月蒸發量的5.76 倍。多年內春季（3—5月）蒸發量約占全年蒸發量的33.5%，夏季（6—8月）約占36.5%，秋季（9—11月）約占22.0%，冬季（12—2月）約占8.0%，春夏兩季（3—8月）蒸發量占到全年總蒸發量的70.0%。

表1 青島市南村水文站各月平均蒸發量占年蒸發量統計分析表

圖1 青島市南村水文站各月平均蒸發量圖

4.2 年際變化分析

通過對青島市南村水文站1952—2019年共68年實測蒸發資料進行分析可以得到，南村水文站多年平均蒸發量為962.9mm，蒸發量年際波動變幅在23.4%～39.5%之間，年最大蒸發量為1958年的1343.3mm，年最小蒸發量為1982年737.3mm，最大年蒸發量是最小年蒸發量的1.82 倍。

為總體分析青島市年際蒸發量隨時間的變化趨勢，分別采用線性回歸法和Mann-Kendall 趨勢檢驗法進行對比分析。

根據青島市南村水文站1952—2019年年蒸發資料，采用線性回歸法繪制年際變化趨勢曲線圖（圖2），從圖中可以看出年際蒸發量隨時間序列變化呈現較為明顯的下降趨勢，趨勢線公式為y=-4.0135x+9110.4。

圖2 青島市南村水文站1952—2019年年蒸發量變化趨勢圖

采用Mann-Kendall 趨勢檢驗法對南村水文站68年資料進行分析，蒸發量年際變化趨勢M-K 統計檢驗結果見表2，M-K 統計曲線見圖3。由表2可以看出，Z =-4.72，由于| Z︱＞ 2.32 ＞0，所以可以得出青島市南村水文站年蒸發量變化呈明顯下降趨勢，并且通過了99%顯著性檢驗。從圖3 趨勢檢驗結果中可以看出，青島市南村水文站年蒸發量變化呈明顯下降趨勢，突變情況為在1975年開始發生突變。這與之前線性趨勢回歸分析法得出的結論是一致的。

圖3 青島市南村水文站年蒸發量M-K 統計曲線圖

表2 青島市近68年蒸發變化趨勢檢驗表

5 結語

經過對青島市南村水文站1952—2019年多年蒸發量的分析研究，得出青島市多年蒸發動態變化趨勢。（1）青島市年內蒸發量變化大，隨季節變化性強，1—5月蒸發量呈現上升趨勢，6—12月呈下降趨勢，5月蒸發量最大，1月蒸發量最小，春夏兩季（3—8月）蒸發量約占到全年總蒸發量的70.0%。（2）通過采用線性回歸法和 Mann-Kendall 趨勢檢驗法分析南村水文站年際蒸發量隨時間序列變化趨勢，得到結論一致，青島市年際蒸發量隨時間序列變化存在明顯的下降趨勢，突變情況發生在1975年