近33年来渭河流域蒸发皿蒸发量的变化特征及原因分析

高 蓓, 范建忠, 景毅刚, 高茂盛

（陕西省农业遥感信息中心,陕西西安 710015）

近年来,随着经济的发展,气候的变暖,水资源的评价成为区域发展的重要工作之一。陕西渭河流域属于严重的资源性缺水地区,在气候变化和人类活动的影响下,生态环境进一步恶化,水资源供需矛盾日益突出。

蒸发量是水循环过程中的一个重要环节,是水量平衡的重要组成部分[1],据统计全球陆地表面的蒸发量约是降水量的60%～65%[2],在水利工程设计、水资源开发利用中具有重要作用。对于蒸发量的研究,随着气候变化和气象灾害的频频发生,开始受到许多研究者的关注[3]。与国外的研究结果一致,中国的大部分地区也普遍存在蒸发皿蒸发量显著减少的趋势[4-5],邱新法等[6]的研究表明,黄河流域蒸发量的的下降主要表现在春夏两季,秋季和冬季则不明显,局部区域与整个流域的气候变化趋势不完全同步。郭军等[7]分析发现,近50年来黄淮流域蒸发量减少十分明显,且春季和夏季减少最为显著。徐宗学等[8]的研究指出黄河流域蒸发皿蒸发量大部分地区呈现出明显的下降趋势。但这些研究结论与全球气候变暖背景下,蒸发量增大相悖,由此引发“蒸发悖论”的一系列讨论[9-12]。文中利用陕西渭河流域气象台站的20cm蒸发皿蒸发量资料进行分析,以期获得陕西渭河流域蒸发皿蒸发量变化的趋势。

1 资料和方法

1.1 资料来源和处理

文中所用资料为陕西渭河流域43个气象站1978～2010年20cm口径蒸发皿观测的逐月蒸发量数据资料。对于个别站点存在缺测数据,则以该站缺测日前后几天的平均值代替,如果是整个月份数据缺测,则以该月多年平均值代替。

在20世纪80年代以前使用直径20cm的蒸发器（用 Ф 20表示）量测蒸发量,80年代中期以后气象台站陆续增设E601蒸发皿（用E601表示）量测蒸发量,所以对任何一个站而言,均没有一个完整的 Ф 20或E601蒸发量数据,为了获得一致的蒸发量序列,进行回归分析[13],将E601观测值转化为 Ф 20观测值,即令

式中,Y60代表E601蒸发皿观测的数据,Y20代表 Ф 20蒸发器观测的数据,求得回归系数,得到估算的E601蒸发量数据。

用小型蒸发皿观测的蒸发量,代表理想水体的蒸发,在湿润微风气候条件下与实际的水面蒸发量比较接近。虽然小型蒸发皿蒸发量不能确切地代表真实水体的蒸发,更不能代表实际陆面蒸发,但对于了解水面蒸发量的时间变化规律和趋势是有价值的。

根据气候干燥指数和地理特征,将流域分成陕北区、渭北西部、关中西部、关中东部4区,如图1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率

在计算各个参数的变化趋势时,主要采用以下方法,计算各因子的年平均值、年总值,求出各个气象因子的区域平均值,采用气候倾向率分析各因素的时间变化趋势,即:

式中,Y为气象要素的拟合值,t为时间,a0为常数项,a1为气候倾向率,即气象要素年变化趋势率。

1.2.2 气候趋势系数

趋势系数能定量给出某种气象要素时间序列的升降程度,定义为

式中,rxt为n年要素序列与自然数列的相关系数,xi为第i年要素值,¯x为样本均值,¯t=（n+1）/2。rxt的正、负反映了要素在n年内的线性增减趋势。用于定量描述气候趋势变化强弱的空间分布特征。

为了分析各气候因子与蒸发量的相关性,采用完全相关系数分析方法分析各气象因子对蒸发皿蒸发量的影响,以讨论陕西渭河流域蒸发皿蒸发量变化的原因。

2 结果分析

2.1 蒸发皿蒸发量的时间变化

对陕西渭河流域43个气象台站1978～2010年蒸发皿蒸发量数据进行统计发现,多年平均年蒸发量为1499.7mm,其中,春季（3～5月）为462.8mm,占全年的30.9%,夏季（6～8月）为 610.4mm,占全年的 40.7%,秋季（9～11月）为260.7mm,占全年的17.4%,冬季（12～2月）为143.5mm,占全年的9.8%。

由表1可以看出,陕西渭河流域的蒸发皿蒸发量,20世纪70年代蒸发量最大,80年代有所下降,90年代有所回升,21世纪初（2001～2010年）略有下降,且幅度变化不大,90年代与21世纪初（2001～2010年）的蒸发皿蒸发量相当,90年代至21世纪初较70年代下降了120mm,较80年代上升了100mm。不同的地理区变化幅度不同,渭北西部下降幅度最大,陕北、关中东部和关中西部的变化趋势和全流域的变化趋势相同。在季节上,春季和夏季蒸发皿蒸发量呈上升趋势（没有通过a=0.05的显著性检验）,秋季和冬季呈下降趋势,但冬季通过a=0.05的显著性检验。

图1 陕西渭河流域站点分布及分区

表1 1978～2010年陕西渭河流域蒸发皿蒸发量的统计 （单位:mm）

图2 1978～2010年陕西渭河流域年蒸发皿蒸发量和年蒸发皿蒸发量累积距平变化

图2为陕西渭河流域年蒸发皿蒸发量的逐年变化和逐年累积距平变化。由图2（a）可以看出,渭河流域蒸发皿蒸发量呈上升趋势,年蒸发皿蒸发量的气候倾向率为2.2mm/a,年趋势系数为0.1,没有通过 a=0.05的显著性检验,故表明近33a来年蒸发皿蒸发量呈上升趋势,但不是显著上升。

图3为陕西渭河流域不同季节的蒸发皿蒸发量的变化曲线。其中春季和冬季蒸发皿蒸发量呈上升趋势,夏季和秋季蒸发皿蒸发量呈下降趋势,仅春季蒸发皿蒸发量趋势拟合曲线能通过a=0.01信度检验,即春季蒸发量变化明显。由时间序列与蒸发量拟合的结果表明,春季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为2.58mm/a,夏季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为-0.43mm/a,秋季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为-0.1mm/a,冬季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为0.61mm/a,这表明在季节变化过程中以春季蒸发皿蒸发量增加趋势最为明显。

图3 1978～2010年陕西渭河流域蒸发皿蒸发量不同季节变化

2.2 蒸发皿蒸发量的空间变化

虽然陕西渭河流域整体年蒸发皿蒸发量呈上升趋势,但仍有部分区域蒸发皿蒸发量呈下降趋势,主要分布在黄陵-铜川。由图4（a）可以看出,除陕北区西南部、渭北西区东北部和关中东区西部的部分地区下降外,陕西渭河流域大部蒸发皿蒸发量均上升,气候倾向率的上升幅度为 0.11～18.77mm/a,最高值位于扶风,可达18.77mm/a;而陕北区西南部、渭北西区东北部和关中东区西部的部分地区的下降幅度为0.29～7.41mm/a,最低值位于宜君,为7.41mm/a。

图4 陕西渭河流域年总蒸发皿蒸发量的空间分布

图4（b）中绝对值大于0.3的气候趋势系数通过了 a=0.05的显著性检验,即蒸发量呈显著上升或下降趋势,其余值表示蒸发皿蒸发量无显著变化。统计结果（表2）表明,33年来陕西渭河流域43站中16站的年总蒸发量显著上升,1站显著下降。

图5 1978～2010年陕西渭河流域四季蒸发皿蒸发量的空间变化

蒸发皿蒸发量的变化趋势在不同季节的分布也是不同的（图5）。春季、夏季和秋季蒸发皿蒸发量变化的空间分布基本与图4相似,春季、夏季和秋季主要表现为上升的气候趋势,且上升幅度较大,最高达8.43mm/a（出现在夏季）,春季和夏季蒸发量下降的区域与图4相似,秋季蒸发量下降区域扩大,分布在陕北区西南部、渭北西区东部、关中西区东部和关中东区西部。冬季蒸发皿蒸发量变化的空间分布与其他季节不同,虽然仍主要表现为上升趋势,但是上升和下降的区域范围大致相近,且下降区域分布在陕北区、渭北西部区大部、关中西区东部和关中东区大部。

表2 陕西渭河流域不同季节蒸发皿蒸发量变化的台站数统计

3 蒸发皿蒸发量增加的原因分析

由于影响蒸发皿蒸发量变化的气象要素很多,将影响要素分为动力因子、热力因子和水分因子3类采用完全相关系数法,分别计算出各气象要素与蒸发皿蒸发量的完全相关系数（表3）和各气象要素的年变化趋势（表4）。

表3 陕西渭河流域及各区域蒸发皿蒸发量与气象因子的相关性分析

平均气温在流域及各个区均呈现明显的上升趋势,其上升幅度不一致,陕北区上升幅度最低;平均气温与蒸发皿蒸发量之间的相关程度分析表明,渭北西区和关中西区通过显著性检验,为正相关。气温日较差除在陕北区呈下降趋势外,其他研究区域均呈上升趋势;气温日较差在陕西渭河流域及各区域均通过了显著性检验,为正相关。因此,平均气温在过去的33年中对渭北西区和关中西区蒸发量增加的贡献最大。

表4 陕西渭河流域及各区域气象因子的变化趋势

日照时数除关中西区下降外,在陕北区、渭北西区、关中东区和流域都有显著的增加趋势,日照时数在流域及各区内与蒸发皿蒸发量均表现为正相关,通过了显著性检验。相对湿度与蒸发皿蒸发量的相关关系均达到99%的显著性水平,表现为负相关,但相对湿度在过去33年中并没有明显的变化。而低云量在全省及各个区域均呈下降趋势,下降较为缓慢,低云量和蒸发皿蒸发量之间相关程度较低。在陕西渭河流域和渭北西区,风速与蒸发皿蒸发量的相关系数都达到99%的信度水平,表现为正相关。降水量在研究区域均呈下降趋势,且下降明显;降水量与蒸发皿蒸发量的相关系数通过显著性检验,为正相关,故降水量在过去33年中对陕西渭河流域及各区域蒸发皿蒸发量的增加的贡献较大。

应用左洪超等[14]的分析观点,导致陕西渭河流域1978～2010年蒸发皿蒸发量增加的可能原因有平均气温、气温日较差、风速、降水量和相对湿度。由表4可以看出,平均气温和日照时数明显增加,相对湿度、平均风速和低云量的变化不明显,降水量有较大幅度下降;由此可以得知,影响陕西渭河流域蒸发皿蒸发量增加的主要原因是平均气温和降水量。

4 结论

（1）近33年来陕西渭河流域年蒸发皿蒸发量呈上升趋势,但不是显著上升;年蒸发皿蒸发量的气候倾向率为2.2mm/a。春季和冬季蒸发皿蒸发量呈上升趋势,夏季和秋季蒸发皿蒸发量呈下降趋势。春季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为2.58mm/a,夏季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为-0.43mm/a,秋季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为-0.1mm/a,冬季蒸发皿蒸发量的气候倾向率为0.61mm/a,这表明在季节变化过程中以春季蒸发皿蒸发量增加趋势最为明显。

（2）陕西渭河流域年蒸发皿蒸发量在过去的33年中呈上升趋势,春季和秋季蒸发皿蒸发量呈上升趋势,夏季和冬季蒸发皿蒸发量呈下降趋势。就四季蒸发皿蒸发量的变化区域而言,渭北西部下降幅度最大,陕北、关中东部和关中西部的变化趋势和全流域的变化趋势相同。

（3）导致陕西渭河流域蒸发皿蒸发量增加的可能原因主要是平均气温上升和降水量的减少;各分区中,陕北区的可能原因是降水量减少;渭北西区的可能原因是平均温度的上升;关中西区的可能原因是降水量的减少,关中东区的可能原因是平均气温上升和降水量的减少。

[1] 丁一汇,戴晓苏.中国近百年来的温度变化[J].气象,1994,20（12）:19-26.

[2] 曾艳.黄河流域实际蒸散分布式模型研究[D].北京:中国科学院研究生院,2004.

[3] 杨秀芹,钟平安.蒸发皿蒸发量变化及其研究进展[J].地球物理学进展,2008,23（5）:1494-1498.

[4] 任国军,郭军.中国水面蒸发量的变化[J].自然资源学报,2006,21（1）:31-44.

[5] 申双和,盛琼.45年来中国蒸发皿蒸发量的变化特征及其成因[J].气象学报,2008,66（3）:452-460.

[6] 邱新法,刘昌明,曾艳.黄河流域近40年蒸发皿蒸发量的气候变化特征[J].自然资源学报,2003,18（4）:437-442.

[7] 郭军,任国玉.黄淮海流域蒸发量的变化及其原因分析[J].水科学进展,2005,16（5）:666-672.

[8] 曾燕,邱新法,刘昌明,等.1960～2000年中国蒸发皿蒸发量的气候变化特征[J].水科学进展,2007,18（3）:311-318.

[9] RODERICK M L,FARQUHAR G D.Thecause of decreased pan evaporation over the past 50 years[J].Science,2002,298:1410-1411.

[10] COHEN S,STANHILL G.Evaporation climate change at Bet Dagan,Israel,1964-1998[J].Agricultural and Forest Meteorology,2002,111（2）:83-91.

[11] OHMURA A,WILD M.Is the hydrological cycle accelerating[J].Science,2002,298:1345-1346.

[12] 丛振涛,倪广恒,杨大文.“蒸发悖论”在中国的规律分析[J].水科学进展,2008,19（2）:147-152.

[13] 任国玉,郭军.中国水面蒸发量的变化[J].自然资源学报,2006,21（1）:31-44.

[14] 左洪超,李栋梁,胡隐樵.近40a中国气候变化趋势及其蒸发皿观测的蒸发量变化的关系[J].科学通报,2005,50（11）:1125-1130.