朝陽地區水面蒸發變化特征及氣象要素相關性分析

張曉磊

(子澄建設工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

蒸發是水循環重要的組成部分，蒸發變化特征分析對于區域水資源量評估具有十分重要的意義[1]。朝陽地區位于遼寧的西部，屬于典型的干旱半干旱地區，氣候干燥少雨，蒸發量大，多年平均蒸發量1200～1600 mm左右，而年均降水量才400～600 mm之間[2]。稀少的降水量和較大的蒸發量，也使得朝陽地區水資源較為短缺，多年平均水資源量占全省水資源量的比重低于20%[3]。近些年來，相關研究成果表明[4-10]隨著氣候變化影響下遼西地區降水量和蒸發量都發生較為明顯的變化，尤其是朝陽地區，其降水和蒸發變化特征較為明顯。為系統的對朝陽地區蒸發進行分析，本文結合區域內葉柏壽、大城子、朝陽水文站近65年實測水面蒸發資料，對其蒸發變化特征及趨勢進行分析，并結合各站點附近氣象觀測數據，對蒸發量和氣象要素進行相關分析。研究成果對于氣候變化背景下朝陽地區水循環變化具有重要參考價值。

1 站點及資料概況

本文分別選用葉柏壽、大城子、朝陽水文站作為研究站點，各水文站點均位于大凌河流域內，其中大城子水文站和朝陽水文站分別為大凌河干流主要控制水文站，葉柏壽水文站為朝陽地區內第二牤牛河主要控制水文站。各研究站點水面蒸發資料年限統一為1959—2020年，分別對各水文站的蒸發資料進行一致性、可靠性、代表性檢驗，均符合水文資料的三性檢驗要求，可用來進行區域水面蒸發變化特征的分析。此外為保障水面蒸發觀測資料的一致性，各水文站點E-601型與Φ20型 蒸發轉換系數為0.65。

2 變化趨勢顯著性檢驗方法

采用Mann-Kendall非線性趨勢顯著性檢驗方法[11]對朝陽地區蒸發量進行趨勢檢驗，該方法針對樣本序列x進行秩序樣本序列的構造，見式(1)：

(1)

式中：Sk為樣本xi>xj在第i時刻的累加值；k為樣本序列總個數；ri為構造的第i個秩序樣本序列值，其計算方程見式(2)：

(2)

假定各年份蒸發量序列屬于獨立隨機的時間序列，對其進行統計量U的計算，見式(3)：

(3)

式中：E(Sk)為Sk序列的均值；var(Sk)為Sk序列的方差。當樣本序列滿足相互獨立條件時，其均值和方差計算方程分別如式(4)～式(5)：

(4)

(5)

當達到90%的顯著性檢驗水平時，其統計量U值為1.96，當統計量U值低于該臨界值，則表明趨勢不明顯，若高于該臨界值，則表示趨勢明顯。若統計值為正表示為遞增趨勢，若統計值為負表示為遞減趨勢。

3 蒸發變化特征分析

3.1 年尺度蒸發量分析

分別結合葉柏壽、大城子、朝陽水文站1959—2020年實測水面蒸發觀測資料，對其不同年代際水面蒸發均值進行統計，并結合M-K趨勢檢驗方法對其變化趨勢進行檢驗，結果如表1所示。

表1 朝陽地區各水文站點1959—2020年不同年代際水面蒸發變化特征

從朝陽地區各水文站點1959—2020年不同年代際水面蒸發變化特征可看出，選取的三個數位站1959—2020年水面蒸發總體均呈現遞增趨勢，其趨勢檢驗統計值為正值，各站點年蒸發遞增趨勢統計檢驗值均小于1.96，未通過顯著性變化趨勢檢驗，綜合對各水文站水面蒸發線性傾向率均值為年蒸發量線性傾向率均值為58.5 mm/10 a，其中大城子水文站近61 a水面蒸發變化趨勢檢驗統計值最大，其次為葉柏壽水文站，朝陽水文站水面蒸發變化趨勢顯著性最弱。

3.2 季節尺度蒸發量分析

在朝陽地區各水文站點年際水面蒸發變化特征分析的基礎上，考慮到區域年內蒸發分配，對各站點不同年代際各季節蒸發變化特征進行統計，見表2～表4。

表2 葉柏壽站不同年代際各季節蒸發量變化統計結果

表3 大城子站不同年代際各季節蒸發量變化統計結果

表4 朝陽站不同年代際各季節蒸發量變化統計結果

朝陽地區葉柏壽、大城子、朝陽水文站不同年代際各季節蒸發存在明顯的差異性，夏季各站點蒸發量占年蒸發量的比例均超高50%，其次為春季和秋季，冬季蒸發量最低，僅占全年蒸發總量的比例低于5%，從空間分布特征看出，葉柏壽位于大城子和朝陽站上游流域，從上游到下游其水面蒸發量總體呈現先遞增后遞減的空間變化。各站點不同年代際各季節變化特征具有一致性，春季、夏季、秋季均呈現遞增變化，而在冬季受氣溫變化影響，水面蒸發均呈現遞減變化，夏季各站點線性傾向率均值為21.5 mm/10 a，夏季各站點水面蒸發遞增趨勢明顯高于春季和秋季。

4 氣象要素相關性分析

在朝陽地區各水文站點水面蒸發變化特征分析的基礎上，結合各站點附近氣象站實測氣象要素資料，分別對各站點不同時段下水面蒸發量和氣象要素之間偏相關系數及相對貢獻率進行統計，各站點分析結果如表5～表7所示。

從各站點年、季時間尺度下水面蒸發和氣象因子的相關性分析結果可看出，各站點不同時段下各氣象因子與水面蒸發的相關性具有一致性，對于年尺度而言，風速與各站點水面蒸發的偏相關系數最高，均在0.5以上，相對貢獻率也可達40%以上，且均可通過95%的雙側檢驗，是區域各站點年水面蒸發變化的主因，通過對區域氣象資料的分析，近61 a朝陽地區的平均風速總體呈現遞增變化，這也使得區域內各水文站點年水面蒸發呈現遞增變化的主要原因。從各站點不同季節水面蒸發和氣象因子的相關性分析可看出，春季、秋季各站點水面蒸發和氣象要素相關性較為一致，而夏季和冬季有所差異，夏季、冬季各站點氣溫和水面蒸發的偏相關系數及相對貢獻率均要略高于風速，是夏季各站點水面蒸發遞增變化的主因，朝陽地區從20世紀90年代開始，其夏季氣溫呈現明顯的遞增變化，也使得夏季區域水面蒸發加大。而朝陽地區冬季氣溫的降低也使得其冬季各站點水面蒸發下降。

表5 葉柏壽站年、季節尺度蒸發與各氣象因子的相關性統計結果

表6 大城子站年、季節尺度蒸發與各氣象因子的相關性統計結果

表7 朝陽站年、季節尺度蒸發與各氣象因子的相關性統計結果

5 結 論

(1)朝陽地區近61 a水面蒸發總體呈現遞增變化，空間上總體從東向西逐步增加，夏季蒸發占全年蒸發比例超過50%，夏季是朝陽地區干旱頻次最高的季節。

(2)近61 a來，朝陽地區年平均風速遞增時其年水面蒸發量遞增變化的主因，而在夏季氣溫的遞增對水面蒸發影響程度高于風速，隨著朝陽地區冬季年平均氣溫的遞減，其冬季水面蒸發也總體呈現遞減變化。