淮北平原近57年多尺度水面蒸發(fā)悖論差異性研究

王 玥，王怡寧，雷曉輝，胡永勝，趙雯頡，鞠 琴

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100089；2.南京水利科學(xué)研究院南京 210029；3.河海大學(xué)，南京 210098；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；5.安徽省（水利部淮委）水利科學(xué)研究院五道溝水文實(shí)驗(yàn)站，安徽 蚌埠 233000）

0 引 言

全球水循環(huán)的變化會(huì)導(dǎo)致重大環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響。在全球溫室效應(yīng)顯著的大背景下，隨著全球平均氣溫的升高通常會(huì)導(dǎo)致陸地水體蒸發(fā)增加，而蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)蒸發(fā)量反而下降，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為“蒸發(fā)悖論”[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者Peterson等[2]研究發(fā)現(xiàn)美國(guó)大部分地區(qū)蒸發(fā)呈下降趨勢(shì)且主要因素為氣溫；N.Chattopadhyay[3]選取印度地區(qū)15 與32年不同時(shí)間序列資料對(duì)影響蒸發(fā)的因素進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)除氣溫外，相對(duì)濕度對(duì)蒸發(fā)量的影響也較為顯著；左洪超[4]等利用線性、多元回歸等方法驗(yàn)證了蒸發(fā)潛力受多氣象要素綜合作用且與相對(duì)濕度相關(guān)最好；Roderick[5]、朱曉華[6]等、鮑振鑫[7]等研究發(fā)現(xiàn)澳大利亞、中國(guó)、海河流域“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象主要成因?yàn)轱L(fēng)速的下降；王楠[8]等研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)地面風(fēng)速整體呈下降趨勢(shì)且春季下降速率最快，并得出該成因可能為氣候變暖；Limjirakan[9]選取泰國(guó)1970-2007氣象數(shù)據(jù)研究表明“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象主要因素除了風(fēng)速的下降，還有日照時(shí)數(shù)的減少。錢(qián)筱暄[10]等研究發(fā)現(xiàn)淮北地區(qū)1964-2009水面蒸發(fā)量年、季蒸發(fā)量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，氣溫、地面溫度、水汽壓力差、日照及相對(duì)濕度是影響水面蒸發(fā)的重要因素；郝振純[11]等研究發(fā)現(xiàn)五道溝地區(qū)年、季不同尺度水面蒸發(fā)影響因素不同，風(fēng)速與降水的影響也較為顯著；王怡寧[12]等研究得出五道溝地區(qū)“蒸發(fā)悖論”成因可能是太陽(yáng)輻射的減少與氣溶膠含量的增加；李秀[13]等、熊玉琳[14]等、宋培兵[15]等、劉敏[16]等主要采用氣候傾向率、Mann-Kendall 檢驗(yàn)等方法，分別對(duì)我國(guó)永定河、海河、通遼地區(qū)以及大黑河等不同區(qū)域的水面蒸發(fā)特征進(jìn)行分析。

上述研究成果表明，國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)量總體均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而不同地區(qū)及不同時(shí)間尺度蒸發(fā)量下降影響因素不同。淮北平原以往“蒸發(fā)悖論”相關(guān)研究主要以年、季尺度，本文選取五道溝1964-2020年近57年氣象資料，采用氣候傾向率法對(duì)淮北平原年尺度（1-12月）、汛期（6-9月）、非汛期（10-5月）及年代多時(shí)間尺度水面蒸發(fā)變化差異性進(jìn)行研究，并運(yùn)用多元回歸分析法得到各尺度蒸發(fā)量回歸方程及主要影響因子貢獻(xiàn)率，為構(gòu)建適用于淮北地區(qū)水面蒸發(fā)計(jì)算模型提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

五道溝水文實(shí)驗(yàn)站位于淮北平原南部，地處暖溫帶與亞熱帶的過(guò)渡地帶，多呈典型半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，降雨年際年內(nèi)分配十分不均，多年平均氣溫為15.0 ℃；降雨量為901.6 mm；水面蒸發(fā)量為1 038.6 mm。站內(nèi)設(shè)有水文氣象觀測(cè)場(chǎng)、自動(dòng)稱(chēng)重式地中蒸滲儀群、62 套大型地中蒸滲儀群、徑流實(shí)驗(yàn)場(chǎng)及人工模擬降雨徑流實(shí)驗(yàn)場(chǎng)等設(shè)備。

2 資料與方法

本文數(shù)據(jù)選取實(shí)驗(yàn)站氣象場(chǎng)E601 型水面蒸發(fā)量（mm）、氣溫（℃）、降雨量（mm）、日照時(shí)數(shù)（h）、風(fēng)速（m/s）、水汽壓力差（mb）、相對(duì)濕度（%）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。水面蒸發(fā)悖論規(guī)律的研究采用1964-2020年的氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其變化以及突變趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2.1 氣候傾向率法

氣候傾向率法[17]是指用一次線性方程來(lái)擬合各氣象要素隨時(shí)間變化。其代表各氣象水文要素多年的變化趨勢(shì)，通常以氣象水文要素時(shí)間序列線性回歸模型斜率的10 倍來(lái)表示各個(gè)氣象因子的氣候傾向率。即：

式中：i為時(shí)間序列年份；為樣本量為n的各氣象因子變量；ti為對(duì)應(yīng)時(shí)間；a為常數(shù)項(xiàng)；b為氣象要素的回歸系數(shù)。設(shè)定顯著性水平為0.05，選擇MK-Z值、Sig值與T值檢驗(yàn)氣候傾向率是否通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

2.2 完全相關(guān)系數(shù)

皮爾遜相關(guān)系數(shù)[18]是描述兩個(gè)序列相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)量，本文采用此分析計(jì)算完全相關(guān)系數(shù)[12]。

式中：r為完全相關(guān)系數(shù)；rt為時(shí)間與各氣象要素相關(guān)系數(shù)；re為蒸發(fā)量與氣象要素相關(guān)系數(shù)。其中，相關(guān)系數(shù)均需大于臨界值0.273 2（α=0.05）。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析相比傳統(tǒng)多因素分析法，對(duì)數(shù)據(jù)要求較低且計(jì)算較為方便，應(yīng)用較為廣泛。本文將灰色關(guān)聯(lián)分析運(yùn)用到“蒸發(fā)悖論”成因分析研究中。具體計(jì)算步驟見(jiàn)[19,20]。關(guān)聯(lián)度分為低關(guān)聯(lián)(0 ,0.5 ]、較高關(guān)聯(lián)(0.5,0.85 ]、高關(guān)聯(lián)(0.85 ,1]3個(gè)等級(jí)。

2.4 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)[21]是目前廣泛應(yīng)用的非參數(shù)檢驗(yàn)法，本文采用MK檢驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)站蒸發(fā)量變化趨勢(shì)及突變性進(jìn)行分析。

2.5 貢獻(xiàn)率分析

建立多元回歸線性模型，計(jì)算蒸發(fā)量各影響因子的回歸系數(shù)從而得出蒸發(fā)量回歸方程。如擬合結(jié)果較好，則可用來(lái)分析各影響因子對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量貢獻(xiàn)率[22]。

式中：QX為各影響因子對(duì)蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)率；?Ex為影響因子變化導(dǎo)致蒸發(fā)量變化值；?E為實(shí)測(cè)蒸發(fā)量的變化值。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸發(fā)量與氣溫變化特征

五道溝地區(qū)多年平均氣溫、多年蒸發(fā)總量1964-2020年尺度、汛期、非汛期變化趨勢(shì)圖如圖1(a)～圖1(c)所示。由圖1(a)可見(jiàn)，多年平均氣溫呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，且氣候傾向率為0.27 ℃/10a。水面蒸發(fā)量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且氣候傾向率為85.8 mm/10a，存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。由圖1(b)、圖1(c)可見(jiàn)，汛期年平均氣溫以0.05 ℃/10a速率上升，而水面蒸發(fā)量以41.49 mm/10a 速率下降。非汛期年平均氣溫上升速率為0.27 ℃/10a，蒸發(fā)量下降速率為30.39 mm/10a。

圖1 1964-2020年尺度、汛期、非汛期變化趨勢(shì)圖Fig.1 Variation trend chart of scale,flood season and non-flood season from 1964 to 2020

由此可見(jiàn)，汛期氣溫升高速率弱于非汛期，而蒸發(fā)下降速率明顯強(qiáng)于非汛期；年尺度與非汛期氣溫下降速率相等，但蒸發(fā)量下降速率遠(yuǎn)大與非汛期。由此可推斷，汛期“蒸發(fā)悖論”規(guī)律更具顯著性，排序?yàn)檠雌冢灸辏痉茄雌凇?/p>

蒸發(fā)量年距平見(jiàn)圖1(d)，其中1966-1984年間，均為正距平年且距平變化較明顯；1985-2001年，距平值基本一正一負(fù)交替；2002-2020年均為負(fù)距平年，且年際距平變化較穩(wěn)定。累積距平值呈現(xiàn)出明顯先增后減趨勢(shì)，且在20世紀(jì)80年代末達(dá)到峰值。

汛期及非汛期蒸發(fā)量率距平率過(guò)程線見(jiàn)圖1(e)、圖1(f)，可見(jiàn)汛期及非汛期距平率規(guī)律與年尺度規(guī)律基本一致。由圖1中虛線距平率5 a 滑動(dòng)平均值可見(jiàn)，1964-1992年水面蒸發(fā)變幅較大，基本為3～4年為一個(gè)周期，1992年后變幅較小。

氣溫、蒸發(fā)量年代變化過(guò)程見(jiàn)圖2。平均氣溫20世紀(jì)70至80年代各尺度微弱下降，隨后持續(xù)上升，且在21世紀(jì)10年代到達(dá)峰值；蒸發(fā)量20世紀(jì)70至90年代各尺度蒸發(fā)量均大幅下降，21世紀(jì)初非汛期蒸發(fā)量呈現(xiàn)微弱上升趨勢(shì)，年與汛期緩慢下降。

圖2 氣溫、蒸發(fā)量年代變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trend chart of temperature and evaporation in time

由此可見(jiàn)近5 個(gè)年代中，20世紀(jì)80年代氣溫上升0.37 ℃/10a，蒸發(fā)量下降122.67 mm/10a；該時(shí)段氣溫上升幅度最小，且蒸發(fā)量下降幅度最大，“蒸發(fā)悖論”規(guī)律最顯著。21世紀(jì)以來(lái)，較20世紀(jì)末3 個(gè)年代，氣溫變幅增大，蒸發(fā)量變幅減小，“蒸發(fā)悖論”規(guī)律較不顯著。

3.2 蒸發(fā)量與各要素變化趨勢(shì)分析

蒸發(fā)量與各要素變化趨勢(shì)分析采用Sig 值與T值對(duì)其氣候傾向率進(jìn)行檢驗(yàn)，并結(jié)合MK-Z值對(duì)其變化趨勢(shì)作進(jìn)一步驗(yàn)證。水面蒸發(fā)與各要素氣候傾向率與顯著性分析見(jiàn)表1。

表1 水面蒸發(fā)與各要素多尺度氣候傾向率與顯著性分析表Tab.1 Analysis table of water surface evaporation and multi-scale climate tendency rate and significance of each element

由表1可知，水面蒸發(fā)量年尺度及(非)汛期的氣候傾向率均小于0，顯著性sig值小于0.05，MK-Z、t檢驗(yàn)絕對(duì)值分別大于1.64、2.00，通過(guò)了α= 0.05 的顯著性檢驗(yàn)，表明水面蒸發(fā)量多尺度均存在顯著下降趨勢(shì)。

氣溫年際及(非)汛期的氣候傾向率均大于0，年際與非汛期通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；而汛期平均氣溫未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

降雨量以14.06 mm/10a 速率上升但變化不顯著；相對(duì)濕度以1.29%/10a 速率顯著上升；日照時(shí)數(shù)與風(fēng)速氣候呈顯著下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-102.76 h/10a 與-0.25 m·s-1/10a；水汽壓力差無(wú)明顯變化趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.03 mb/10a。

3.3 蒸發(fā)量與氣象因子相關(guān)性分析

為準(zhǔn)確分析蒸發(fā)量變化的主要影響因子，揭示五道溝地區(qū)“蒸發(fā)悖論”成因，選取6 個(gè)氣象因子：氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、風(fēng)速、相對(duì)濕度與水汽壓力差，以年尺度與（非）汛期多尺度詳細(xì)分析各要素與蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系與關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表2。其中，rt為時(shí)間與各氣象要素相關(guān)系數(shù)；re為蒸發(fā)量與氣象要素相關(guān)系數(shù)，當(dāng)rt與re均大于臨界值0.273 時(shí)，計(jì)算完全相關(guān)系數(shù)|r|。

由表2可知，年風(fēng)速與蒸發(fā)呈顯著正相關(guān)，相對(duì)濕度與蒸發(fā)呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），完全相關(guān)系數(shù)風(fēng)速（0.624）>相對(duì)濕度（0.418）。灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果顯示風(fēng)速（0.708）>相對(duì)濕度（0.626）>0.5，則兩者與蒸發(fā)量均為較高關(guān)聯(lián)，風(fēng)速關(guān)聯(lián)度最高，表明風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)量影響的最大，與相關(guān)分析結(jié)果相一致。

表2 水面蒸發(fā)與各氣象要素Pearson相關(guān)系數(shù)、完全相關(guān)系數(shù)及灰色關(guān)聯(lián)度Tab.2 Pearson correlation coefficient,perfect correlation coefficient and gray correlation degree between evaporation and meteorological elements

汛期與非汛期相對(duì)濕度，風(fēng)速，日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)均顯著相關(guān)（P<0.01）；汛期灰色關(guān)聯(lián)度均在0.5～0.85 范圍內(nèi)，屬較高關(guān)聯(lián)；而非汛期日照時(shí)數(shù)灰色關(guān)聯(lián)度為0.496，小于0.5，屬低關(guān)聯(lián)。

上述結(jié)果表明：年際與非汛期蒸發(fā)量主要影響因子為風(fēng)速、相對(duì)濕度；而汛期蒸發(fā)量主要影響因子為風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)。

3.4 “蒸發(fā)悖論”成因分析

為進(jìn)一步研究該區(qū)“蒸發(fā)悖論”成因，以水面蒸發(fā)量為因變量，以風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)為自變量，分別建立年際與（非）汛期多元回歸線性模型，由表3可見(jiàn)，年際、汛期、非汛期模型擬合調(diào)整R2值分別為0.604、0.684、0.658，即自變量可代表因變量約60%、68%、66%的變化。

表3 復(fù)相關(guān)系數(shù)變化情況Tab.3 The change of complex correlation coefficient

年尺度與（非）汛期蒸發(fā)量與主要影響要素多元回歸結(jié)果見(jiàn)表4，表中B代表蒸發(fā)影響要素的回歸系數(shù)，結(jié)合本文3.3相關(guān)分析結(jié)果，設(shè)置年際、非汛期預(yù)測(cè)變量：(常量),風(fēng)速,相對(duì)濕度；汛期預(yù)測(cè)變量：(常量)風(fēng)速,相對(duì)濕度,日照時(shí)數(shù)。

由表4可知，回歸結(jié)果具有顯著性。回歸方程分別為：

表4 蒸發(fā)量主要影響要素偏回歸系數(shù)及其顯著性Tab.4 The partial regression coefficient and its significance of the main factors affecting evaporation

式中：x1為平均風(fēng)速；x2為平均相對(duì)濕度；x3為日照時(shí)數(shù)；y1為年尺度擬合蒸發(fā)量；y2為汛期擬合蒸發(fā)量；y3為非汛期擬合蒸發(fā)量。

根據(jù)公式(4)～(6)計(jì)算得到各尺度蒸發(fā)量的模擬值，以蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)值為橫坐標(biāo)、相應(yīng)模擬值為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖見(jiàn)圖3，由此檢驗(yàn)兩者擬合關(guān)系。

由圖3(a)可見(jiàn)，年尺度實(shí)測(cè)值與其相對(duì)應(yīng)模擬值大致均勻分布在y=x直線兩側(cè)。年際回歸相對(duì)誤差為0.04%～32.45%，平均相對(duì)誤差為6.54%，相對(duì)誤差絕對(duì)值在20%以內(nèi)歸為合格，則合格率為96%。

由圖3(b)與圖3(c)可見(jiàn)，汛期與非汛期實(shí)測(cè)值與其相對(duì)應(yīng)模擬值大致均勻分布在y=x 直線兩側(cè)。汛期回歸相對(duì)誤差為0.13%～55.18%，平均相對(duì)誤差為7.64%，合格率為96%；非汛期回歸相對(duì)誤差為0.12%～21.42%，平均相對(duì)誤差為7.21%，合格率為98%。

圖3 年際、汛期和非汛期實(shí)測(cè)與模擬值關(guān)系圖Fig.3 Relationships between measured and simulated values in interannual,flood season and non-flood season

上述結(jié)果表明，回歸方程擬合較好，可用其分析各影響因子對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量貢獻(xiàn)率。

水面蒸發(fā)量M-K 突變檢驗(yàn)如圖4所示，UF與UB兩曲線交點(diǎn)不在臨界線內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生顯著突變。UF曲線1989年后超出臨界值范圍，且UF值均小于0，該年后蒸發(fā)量存在顯著的下降趨勢(shì)。

圖4 水面蒸發(fā)量M-K突變檢驗(yàn)Fig.4 M-K mutation test of water surface evaporation

蒸發(fā)量累積距平值于20世紀(jì)80年代達(dá)到峰值，且1989年后呈顯著下降趨勢(shì)，因此可將1964-1989年作為基準(zhǔn)期，分析1990-2020各影響因子對(duì)于蒸發(fā)量相應(yīng)變化量及貢獻(xiàn)程度，各因子貢獻(xiàn)率結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各因子對(duì)蒸發(fā)量的影響量及貢獻(xiàn)率Tab.5 The influence amount and contribution rate of each factor on evaporation

年尺度1990年后蒸發(fā)量較基準(zhǔn)期下降268.5 mm，風(fēng)速下降0.7 m/s，導(dǎo)致蒸發(fā)量相應(yīng)減少131.9 mm；相對(duì)濕度增加4.3%，導(dǎo)致蒸發(fā)量相應(yīng)減少95 mm。兩者對(duì)蒸發(fā)量下降的貢獻(xiàn)率分別為49.1%與35.4%，其他貢獻(xiàn)率為15.5%。

汛期蒸發(fā)量較基準(zhǔn)期下降121.1 mm，風(fēng)速下降0.7 m/s，相對(duì)濕度增加3.9%，日照時(shí)數(shù)減少180.5 h，蒸發(fā)量分別相應(yīng)減少26.7、39.1、42.2 mm，故風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)貢獻(xiàn)率分別為22.0%、32.3%、34.9%，其他貢獻(xiàn)率為10.8%。

非汛期蒸發(fā)量較基準(zhǔn)期下降93.5 mm，其中風(fēng)速下降0.8 m/s，導(dǎo)致蒸發(fā)量相應(yīng)減少30.1 mm；相對(duì)濕度增加4.9%，導(dǎo)致蒸發(fā)量相應(yīng)減少68.8 mm。兩者對(duì)于蒸發(fā)量量下降的貢獻(xiàn)率分別為32.1%與73.6%，其他貢獻(xiàn)率為-5.7%。

該地區(qū)“蒸發(fā)悖論”主要成因是風(fēng)速下降、相對(duì)濕度的增加以及日照時(shí)數(shù)的減少，該結(jié)論與王怡寧[12]、李秀[13]、陳伏龍[22]等研究成果具有一致性。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）五道溝地區(qū)近57年平均氣溫上升了0.27 ℃/10a，而蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)蒸發(fā)量以85.8 mm/10a 速率下降，該地區(qū)存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。該地區(qū)存在明顯“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象；汛期、非汛期氣溫分別以0.05、0.27 ℃/10a 上升，蒸發(fā)以41.49、30.39 mm/10a下降；汛期“蒸發(fā)悖論”規(guī)律更具顯著性，排序?yàn)檠雌冢灸辏痉茄雌凇?/p>

（2）近5 個(gè)年代中，20世紀(jì)80年代氣溫上升0.37 ℃/10a，蒸發(fā)量下降122.67 mm/10a；該時(shí)段氣溫上升幅度最小，且蒸發(fā)量下降幅度最大，“蒸發(fā)悖論”規(guī)律最顯著。21世紀(jì)以來(lái)，較20世紀(jì)末氣溫變幅增大，蒸發(fā)量變幅減小，悖論現(xiàn)象較不明顯。

（3）各氣象要素趨勢(shì)分析結(jié)果表明：蒸發(fā)量各尺度均呈顯著下降趨勢(shì)；氣溫年尺度與非汛期呈顯著上升趨勢(shì)，汛期無(wú)明顯變化趨勢(shì)；降雨量以14.06 mm/10a 速率上升但變化不顯著；相對(duì)濕度以1.29%/10a 速率顯著上升；日照時(shí)數(shù)與風(fēng)速氣候呈顯著下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-102.76 h/10a 與-0.25 m·s-1/10a；水汽壓力差無(wú)明顯變化趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.03 mb/10a。

（4）該地區(qū)“蒸發(fā)悖論”主要成因是風(fēng)速下降、相對(duì)濕度的增加以及日照時(shí)數(shù)的減少。與1964-1989年基準(zhǔn)期相比，1990-2020年各影響因子對(duì)蒸發(fā)量下降的貢獻(xiàn)率為：年尺度上，風(fēng)速（49.1%） ＞相對(duì)濕度（35.4%）；汛期日照時(shí)數(shù)（34.9%）＞相對(duì)濕度（32.3%）＞風(fēng)速（22.0%）；非汛期相對(duì)濕度（73.6%）＞風(fēng)速（32.1%）。

本文分析淮北平原年尺度、汛期、非汛期及年代多尺度蒸發(fā)量下降差異性及其成因，僅考慮氣象要素對(duì)蒸發(fā)量的影響。考慮多站點(diǎn)、多影響因素，在更大區(qū)域上分析“蒸發(fā)悖論”及成因有待進(jìn)一步研究。