皖西丘陵地區水面蒸發量變化特征及影響因素分析

汪瑩瑩

(安徽省水文局淠史杭蒸發實驗站，安徽 六安 237000)

陸地的水量平衡因子主要包含降水、蒸發和徑流。蒸發是水循環中重要的一個環節，它同時包含了水和熱的交換過程。作為影響水資源變化的主要因素，在全球變暖的情況下，大部分地區的陸面和水面蒸發量也相應增加，并且可能引起更嚴重的干旱。然而盡管觀測到全球和北半球近50a平均氣溫顯著上升，世界不少地區觀測的水面蒸發量(蒸發皿記錄的蒸發量)卻出現持續下降趨勢，這在氣候變化和水循環領域被稱為“蒸發悖論”。為了研究皖西丘陵地區水面蒸發量變化特征及主要影響因素，本文選取1983—2020年望城崗蒸發實驗站和姚李水文試驗站實測蒸發皿數據，運用氣候傾向率法探究歷年皖西丘陵地區蒸發量總體變化趨向，運用Mann-Kendall檢驗確定歷年變化趨勢、突變時間及變化幅度。利用配套的主要氣象因子實測數據進行相關性分析，探求氣象要素對水面蒸發的影響程度。

1 區域概況及采用數據

1.1 區域氣候概況

皖西丘陵地區屬于北亞熱帶向暖溫帶轉換的過渡帶，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候。冬冷夏熱，雨量適中，四季分明，氣候溫和，光照充足，無霜期時間長。因為該地區處在北亞熱帶向暖溫帶的過渡帶，冷暖氣流交織頻繁，一年中季風強弱程度不一，進退早遲不一，所以導致氣候多變，常受水、旱災害的威脅。過半數地區多年平均氣溫14.6～15.6℃，從東北至西南隨著地勢的抬高呈遞減趨勢；多年平均地面溫度18～19℃，均高于平均氣溫；全年平均日照時數1960～2330h，夏秋季節高，冬春季節低；多年平均降水量為900～1600mm，降水呈現夏春季多、冬秋季少以及年際間懸殊過大的特點；全市年平均蒸發量750～960mm，從西南向東北遞增；冬季偏北風，夏季偏南風，春、秋兩季以偏東風為主，年平均風速3.2～3.4m/s。

1.2 采用數據

本文選用皖西丘陵地區2個代表性蒸發實驗站六安望城崗蒸發實驗站和姚李水文試驗站1983—2020年水面蒸發量、降水量、平均氣溫、平均相對濕度、平均風速、日照時數近38a系列實測資料進行研究分析。采用的水面蒸發資料是由國標E601-B型蒸發皿實測而得，該蒸發皿器口面積3000cm2，器口高出地面30cm，器口高差小于0.2cm，是標準的水面蒸發器，每日8時通過測針量取蒸發皿的蒸發量用于記錄蒸發觀測數據。

利用上述資料，按照冬季(12月—次年1月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)計算各氣象要素季序列、年序列，2個站的平均值代表皖西丘陵地區各要素值。采用1983—2020年平均值作為常年值。

1.3 研究方法

1.3.1氣候傾向率法

設樣本量為n的氣象變量xi，ti代表xi相對的時間，將xi和ti的趨勢用一元線性回歸方程來定量描述：

xi=a+bti(i=1，2，…，n)

(1)

在以上方程式中回歸常數設置為a，回歸系數設置為b，a、b用最小二乘法估計。

實測資料xi、xi相應的時間ti，回歸常數a、回歸系數b用最小二乘法表示：

(2)

氣象變量xi與相對時間ti之間的相關系數公式為：

(3)

氣候傾向率就是一元回歸方程a+bti中的系數b乘以10,單位為℃/10a或mm/10a。當b>0時，顯示氣候因子序列隨時間增長呈現上升變化趨勢；當b<0時，顯示氣候因子序列隨時間增長呈現下降變化趨勢；|b|越大，表示趨向越明顯，反之則代表無明顯變化趨向。b值的大小體現了上升或下降的速率，即上升或下降的傾向程度。

1.3.2Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種氣候診斷與預測技術，應用Mann-Kendall趨勢檢驗法可以判斷氣候序列中是否存在突變，如果存在，可確定出突變發生的時間，也常用于受氣候變化影響的干旱頻次、降水的趨勢檢測。其檢驗法不需要樣本服從某種分布，不受異常值干擾，檢測范圍大，計算便利。氣象因子樣本個數為n的時間序列x，構造一秩序列：

(4)

式中，ri取值如下：

(5)

可見秩序列sk是第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。在隨機獨立的時間序列下定義統計量：

(6)

式中，UF1=0，E(sk)和var(sk)是sk的均值和方差。

當x1,x2,…,xn相互獨立并具有相同連續的分布時，它們可以用下式算出：

(7)

分析繪出UFk和UBk曲線圖，若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明序列呈下降趨勢。他們超過臨界線時，表明上升和下降趨勢顯著。若UFk和UBk2條曲線出現交點且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

2 研究成果

2.1 降水、蒸發相關性分析

依據六安地區2個代表站蒸發和降水的實測資料，解析皖西丘陵地區1983—2020年蒸發和降水的變化趨勢，分析結果如圖1所示，見表1。

表1 皖西丘陵地區蒸發皿蒸發量變化趨勢

從圖1可以看出，皖西丘陵地區近38a降水量和蒸發量總體變化較為平穩，降水量呈上升變化趨勢，蒸發量呈下降變化趨勢。

圖1 皖西丘陵地區1983—2020年降水和蒸發年變化趨勢

由表1可知皖西丘陵地區年蒸發量以24.5mm/10a的速率減少，蒸發量夏季占全年的36.6%，說明夏季蒸發量對全年的蒸發量有很大影響,除春季以5.0mm/10a速度增加，其余季節以4.6～10.9mm/10a速度遞減。其中夏季降幅最大，冬季降幅最小。

2.2 蒸發氣候突變分析

利用Mann-Kendall趨勢檢驗法計算蒸發量年、季序列，皖西丘陵地區1983—2020年蒸發量M-K統計量曲線如圖2所示。

由圖2中的UF曲線可以看出，皖西丘陵地區在1999年之前蒸發量呈波動狀態，總體上升趨勢，自1999年后，下降趨勢明顯，到2011年之后，這種下降趨勢超過了顯著水平0.05臨界線，表明減少趨勢十分明顯。計算出Z=-2.09，因為|Z|=2.09>1.64，該趨勢檢驗通過了置信度95%的顯著性檢驗，即皖西丘陵地區蒸發量呈顯著下降趨勢。根據UF和UB曲線的交點位置確定從2001年后發生突變現象，明顯下降趨勢是在2011年后。

圖2 皖西丘陵地區1983—2020年蒸發量M-K統計量曲線

皖西丘陵地區季、年蒸發量突變檢驗結果見表2。

表2 皖西丘陵地區季、年蒸發量突變檢驗結果

由表2可以看出，春季顯著變化不明顯，突變時間從2003年開始，夏冬2個季節突變時間均在1995年，秋季突變時間從2000年開始，顯著變化年份夏秋兩季均在2011年，春季在2006年，冬季在2003年，突變后均值減小幅度最大的是夏季，達到11.6%，最小是春季，增加6.96%，秋季和冬季分別減9.54%和10.1%。

3 蒸發與氣象要素的分析

3.1 蒸發與各氣象要素相關性分析

結合皖西丘陵地區1983—2020年站點配套資料(平均溫度、相對濕度、日照時數及平均風速、降水量)，對其氣象因子變化趨勢進行分析，分析結果見表3。

表3 各氣象因子與蒸發的量的相關關系及本身趨勢變化

從表3看可以看出，除相對濕度、降水量呈下降趨勢，平均溫度、平均風速、日照時數都呈上升趨勢變化。

結合氣象因子實測資料和蒸發皿數據，對其進行年尺度相關性分析，可以看出，日照時數與蒸發的相關性最好，相關系數為0.4932，其次是降水量，相關系數為0.4551。風速與蒸發的相對性最差，相關系數0.1020。

3.2 氣象因子的突變分析

利用Mann-Kendall趨勢檢驗法計算各氣象因子年序列，計算結果見表4。

由表4可以看出，突變檢驗和之前的相關性檢驗得出的結論一致，溫度突變從1998年開始，顯著變化在2001年，皖西丘陵地區氣溫近38a呈上升變化，而蒸發量存在穩定下降的趨勢，這種變化趨勢符合“蒸發悖論”的說法。相關性分析得出平均溫度與蒸發的相關關系不顯著。平均濕度和日照時數突變均在2004年，其中日照的變化幅度與蒸發最為接近。

表4 皖西丘陵地區各氣象因子年序列突變檢驗結果

突變檢驗結果顯示，風速的變化幅度最為明顯，達到29.4%，顯著變化年份為1999年，分析原因是站點周圍大環境變動，城市建設腳步加快導致站點周圍遮擋率變大而導致風速減小。

4 結語

(1)皖西丘陵地區蒸發量近38a呈現下降趨勢，年蒸發量以24.5mm/10a的速率減少，夏季對全年蒸發量有很大影響。蒸發量在2001年后發生突變現象，在2011年后有明顯下降趨勢。

(2)皖西丘陵地區溫度呈上升趨勢變化，Mann-Kendall檢驗也驗證了溫度突變從1998年開始，明顯變化發生在2001年，而蒸發量呈現穩定下降趨勢，這種變化趨勢符合“蒸發悖論”的說法。

(3)相關分析結果表明影響蒸發量的關鍵因素是日照時數和降水量。研究成果對于區域水資源評價、防汛抗旱等工作具有重要意義。但因為影響水文氣象因素的復雜性和多變性，致使水面蒸發量減小的原因不僅有氣象因子的影響，還有站點周邊大環境變動、人類活動、城市氣象效應等因素的影響，今后需進一步論證。