陕西关中地区实际蒸发量的时空变化特性分析

梅 星，沈 冰，莫淑红

（西安理工大学 西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安 710048）

0 引 言

目前，气候变化已成为不争的事实［1］。近年来，由于自然和人类活动的干扰，大气污染和温室气体浓度的升高，加剧了气候变化的速度，全球气候变化研究已成为目前国际上科学界的热点研究问题之一［2－3］。蒸发量既是地表能量平衡的重要组成部分，又是水量平衡的重要组成部分［4］，是决定天气与气候条件的重要因子，在全球水循环和气候演变中具有举足轻重的作用［5－6］。蒸散发量在水资源的利用、评价工作中具有重要意义，在许多领域内也都有应用。蒸散发的研究涉及气象学、水文学、植物生理学、土壤物理学等众多学科［7－8］。因此，进行蒸散发量变化的研究，对深入了解气候变化规律及探讨气候变化的原因具有十分重要的意义。

1 计算方法

关中地区位于陕西中部，属大陆性季风气候，暖温带半湿润半干旱气候带。干旱、暴雨、霜冻等自然灾害性天气时有发生。因此研究关中地区实际蒸散发量的时空变化及其原因可以为陕西省关中地区的水资源配置和开发利用提供合理的建议和理论依据。根据关中地区7个气象站点 （西安、宝鸡、长武、铜川、耀县、凤翔和武功）1960～2010年间51a的月平均气温、月平均相对湿度、月平均日照时数、月平均水汽压、月降水量等气象资料，采用加拿大互补相关模型 （CRAE模型）计算历年各月的实际蒸散发量，具体计算方法和计算结果见文献 ［9］，气象资料来源于中国气象网。借助GIS软件Arc／Info对各个站点的多年平均值进行反距离空间插值，最后获得实际蒸散发量和其影响因素的空间分布情况。

2 实际蒸散发量的空间变化特性

2．1 年实际蒸散发量空间分布

由图1关中地区年实际蒸散发量空间分布图可知，关中地区年蒸散发量值范围为：491～571 mm，宝鸡、凤翔地区的年蒸散发量值较大，大城市武功、西安地区的年蒸散发量值较小。

图1 关中地区年实际蒸散发量空间分布Fig．1 Spatial distribution of areal evapotranspiration in Guanzhong Region

统计分析关中各地多年平均实际蒸散发量与地理经度、纬度和海拔高度的偏相关关系，见表1。

表1 关中地区年实际蒸散发量与各地理要素的偏相关关系Table 1 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the geographical elements in Guanzhong Region

就全年而言，与经度的偏相关性最显著 （偏相关系数为－0．489 3），通过了α＝0．001水平的相关显著性检验；与海拔的偏相关系数为0．462 5，也通过了α＝0．001的显著性检验；与纬度的偏相关系数为0．248 8，通过了α＝0．01的显著性检验。

2．2 四季实际蒸散发量空间分布特征

图2～图5为关中地区冬季 （12～翌年2月）、春季 （3～5月）、夏季 （6～8月）、秋季 （9～11月）四季实际蒸散发量空间分布的总体情况，由图可以看出：

图2 关中地区冬季蒸发量空间分布Fig．2 Spatial distribution of areal evapotranspiration in winter in Guanzhong Region

冬季是1a中实际蒸散发量较小的季节，平均蒸发量值为89～95mm，仅占年实际蒸散发量的18．1%，其空间分布为关中西部的冬季实际蒸散发量大于其东部的实际蒸散发量值。

春季是1a中实际蒸散发量最小的一个季节，平均蒸散发量值为85～92mm，大概和冬季实际蒸散发量平均值相等。春季实际蒸散发量的空间分布和冬季的空间分布是相似的，都是其西部的值大于其东部的值。

夏季是1a中实际蒸散发量较大的一个季节，平均蒸散发量值为154～191mm，占全年实际蒸散发量值的31．4%，其空间分布和年实际蒸散发量的空间分布是相似的，都是宝鸡、凤翔地区的蒸散发量值较大，大城市武功、西安地区的蒸散发量值较小。

秋季是1a中实际蒸散发量最大的一个季节，平均蒸散发量值为160～195mm，占全年实际蒸散发量值的32．6%，其空间分布和年实际蒸散发量与夏季实际蒸散发量的空间分布是相似的。

统计分析关中各地多年平均冬、春、夏、秋四季实际蒸散发量与地理经度、纬度、海拔高度的偏相关关系，见表2。由表2可见，四季与全年情况略有不同，冬季和春季实际蒸散发量与纬度呈负偏相关，春季实际蒸散发量与海拔呈负偏相关，其余偏相关关系均与全年相似。夏季和秋季与全年情况接近。

表2 关中地区四季实际蒸散发量与各地理要素的偏相关关系Table 2 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the geographical elements in Guanzhong Region

2．3 年实际蒸散发量空间分布气候成因

为进一步探讨气候条件对关中地区实际蒸散发量空间分布的影响，本文对关中地区1960～2010年平均实际蒸散发量与各站多年平均气温、年日照时数、年降水量、年平均水汽压、年平均相对湿度等5项因子进行偏相关分析 （表3），结果表明，年实际蒸散发量与各气候因素的偏相关系数均通过了α＝0．01以上的显著性检验，年实际蒸散发量与年日照时数和年降水量均呈显著的正偏相关关系，与平均气温、平均水汽压、平均相对湿度呈显著的负偏相关关系。

表3 关中年实际蒸散发量与各气候因子的偏相关分析Table 3 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the climate factor in Guanzhong Region

图6～图10给出了关中地区年实际蒸散发量空间分布影响较显著的年平均气温、年日照时数、年降水量、年平均气压、年平均相对湿度等气候要素的多年平均值的空间分布情况，从中可以看出：

1）由图6关中地区年平均气温空间分布图可知，关中地区年平均气温为9．3～13．9℃，其空间分布呈纬向分布，关中地区南部的年平均温度大于北部的年平均气温。

2）由图7关中地区年日照时数空间分布图可知，关中地区年日照时数平均为1 786～2 312h，其空间分布也呈纬向分布，但是关中地区北部的日照时数远远大于南部的日照时数。

3）由图8关中地区年降水量空间分布图可知，关中地区年降水量为550～657mm，其空间分布为西部降水量大于东部的降水量。

4）由图9关中地区年平均气压空间分布图可知，关中地区年平均气压为881～970Pa，其空间分布为关中地区东南部的年平均水汽压大于西北部的年平均水汽压。

5）由图10关中地区年平均相对湿度空间分布图可知，关中地区年平均相对湿度为65%～71%，其空间分布为中部大于西部和东部。

3 实际蒸散发量的时间变化特性

3．1 年实际蒸散发量的突变分析

图11为关中地区1960～2010年年实际蒸散发量序列的Mann－Kendall突变检测情况和实际蒸散发量距平曲线图，图中C1为代表实际蒸散发量序列的顺序累计曲线，C2为逆序累计曲线 （下同）。从中可以看出，C1曲线大部分为负值且总体为下降趋势，尤其是20世纪70年代中期以来，下降趋势明显，而且在1989年突破了α＝0．05的置信线－1．96，这说明近51a关中地区实际蒸散发量呈极显著的下降趋势。C1和C2曲线于1974年在临界线±1．96之间有一个明显的交点，表明关中地区实际蒸散发量与1974年以来发生了极显著的突变性减小。从距平曲线图中也能得出该结论。用同样的方法对关中地区1960～2010年年平均气温、年日照时数、年降水量、年平均相对湿度和年平均本站气压进行突变性检测。结果表明 （图略）：年平均气温于1993年发生了突变性的升高、年日照时数于1974年发生了突变性的减小、年降水量于1988年发生了突变性的减小、年平均相对湿度于2001年发生了突变性的减小、年平均本站气压于1968年发生了突变性的升高。对照关中地区实际蒸散发量与上述各气候要素的突变特征可以发现，实际蒸散发量减小的突变点与日照时数减小的突变点一致而略晚于平均本站气压升高的突变点位置，年平均气温、年降水量和年平均相对湿度这3个要素发生的时间均不同程度的晚于实际蒸散发量发生突变点的时间。这说明实际蒸散发量突变性减小的发生是各气象要素变化综合积累的体现。关中地区突变后较突变前实际蒸散发量减小了13mm，减少2．3%。实际蒸散发量的减小对关中地区水资源的配置起到了良好的作用。

3．2 年实际蒸散发量的周期分析

对关中地区近51a的实际蒸散发量及其影响因素进行Mexican hat小波变化分析 （图12，影响因素的Mexican hat小波变化分析图省略）。由图12可见：年平均气温主要存在准16a的振荡周期；日照时数主要存在准13a的振荡周期；年降水量主要存在准2a和6a的振荡周期；年平均本站气压主要存在准14a的振荡周期；平均相对湿度主要存在准2a、6a、11a的振荡周期；受各气象要素各周期变化的综合影响，关中地区1961～2010年的实际蒸散发量主要存在准9a的振荡周期。

4 结 论

本文通过对关中地区的实际蒸散发量及其影响因素进行了一系列的空间和时间的分析，得出了以下一些结论：

1）关中地区年和四季的实际蒸散发量的空间分布是一致的，即宝鸡地区的实际蒸散发量比较大，而西安地区的实际蒸散发量则较小。

2）关中地区年和四季实际蒸散发量与地理要素的偏相关关系为：年实际蒸散发量与经度呈偏负相关与纬度和海拔呈偏正相关；四季与全年情况略有不同，冬季和春季实际蒸散发量与纬度呈负偏相关，春季实际蒸散发量与海拔呈负偏相关，其余偏相关关系均与全年相似。夏季和秋季与全年情况相似。

3）关中地区年实际蒸散发量于1974年以来发生了极显著的突变性减小。

4）关中地区年实际蒸散发量主要存在准9a的振荡周期。

［1］李海涛，于贵瑞，袁嘉祖．中国现代气候变化的规律及未来情景预测 ［J］．中国农业气象，2003，24 （4）：1－4．

［2］张志强，孙成全．全球变化研究十年新进展 ［J］．科学通报，1999，44 （5）：464－477．

［3］Houghton J T，Meira Filho L G，Callander B A．The science of climate change，climate change 1995 ［M］．IPCC．Ambridge，UK：Cambridge University Press，1995：142．

［4］许士国，王 昊．测量芦苇沼泽蒸散发量的渗流补偿方法 ［J］．水科学进展，2007，18 （4）：496－503．

［5］张晓涛，唐绍忠，王鹏新，等．估算区域蒸发蒸腾量的遥感模型对比分析 ［J］．农业工程学报，2006，22（7）：3－13．

［6］武夏宁，胡铁松，王修贵，等．区域蒸散发估算测定方法综述 ［J］．农业工程学报，2006，22 （10）：257－262．

［7］何 玲，莫兴国，汪志农，等．基于 MODIS遥感数据计算无定河流域日蒸散 ［J］．农业工程学报，2007，23 （5）：144－149．

［8］朱仲元，朝伦巴根，王志强，等．基于Shuttleworth－Wallace双源模型的天然杨树蒸散量日变化研究 ［J］．水利学报，2007，35 （5）：582－590．

［9］梅 星，沈 冰，莫淑红．CRAE模型在陕西关中地区的应用 ［A］．全国第九届水问题研究学术研讨会论文集 ［C］．北京：中国水利水电出版社，2011．