蒸发量变化特征及影响因素研究

隋景跃，张国林

（朝阳市气象局，辽宁朝阳122000）

近百年来，我国气温上升了0.4～0.8℃，近30 a增温尤为明显[1-3]，东北地区在气候变暖的形势下，降水量在明显减少[4-5]。一般认为，气温升高可能会使大气变干、蒸腾加强，加速水循环进程。通过对近半个世纪蒸发量的变化分析表明，不同地区存在不同的变化趋势，受气候因子的影响多数地区的蒸发量呈明显减少趋势[6-9]。任国玉等[10]研究我国水面蒸发量时发现，我国东部、南部和西北地区的水面蒸发量下降显著，而西南诸河流域和东北的松花江流域未见明显变化。刘波等[11]研究认为，气温日较差和风速是影响蒸发量的主要原因；李琼芳等[12]研究认为，风速和相对湿度是影响蒸发量下降的主要原因。因此，各个地区影响蒸发量的环境因子存在诸多的不同，分区域研究蒸发量的变化趋势和影响因素很有必要。

蒸发是大气水文循环的重要环节，而蒸发量在水资源中起着不可估量的作用，蒸发量的变化直接影响水资源的直接利用率，水资源供需矛盾的日趋严峻对农业生产造成了巨大的影响。在东北乃至辽西地区降水量逐渐减少的状况下[13-14]，蒸发量的变化直接影响水资源循环[15]。蒸发皿蒸发是特定容器中的水面最大蒸发量，与实际蒸发有着必然的联系，分析蒸发皿蒸发特征变化有助于揭示实际蒸发变化特征，对于制定水资源利用制度具有重要的参考价值，对探讨气候变暖大环境下蒸散、蒸腾等研究具有十分重要的意义。

基于以上考虑，笔者利用辽宁建平地区近60 a（1953—2012年）蒸发皿蒸发量资料，研究该地区蒸发量的变化特征，并应用相关系数法分析了影响建平地区蒸发量的主要因子，采用多元回归建立了蒸发量的估算模型，以期为水循环研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

建平地区位于辽宁省西部，西北面与内蒙古赤峰市为邻。老哈河、蹦河流经境内，是大凌河、小凌河发源地之一。努鲁尔虎山脉将建平地区分为南、北具有明显差异的气候区，南部比北部地区年平均气温高2.7℃。建平地区属北温带亚干旱气候区，自然环境十分脆弱，土地沙石化，水土流失严重。

1.2 资料来源

资料来自朝阳市气象局档案室及叶柏寿气象监测站，年限为1953—2012年。所使用的资料有：蒸发皿蒸发量，逐日最高、最低及平均气温，降水量、日照时数、风速、总云量、相对湿度、水汽压等。

1.3 研究方法

1.3.1 气候倾向率[16]取一元线性方程y＝a0x＋a1的一次项系数a0乘以10，来体现10 a平均变化趋势。当a0＞0，表示上升趋势；当a0＜0，表示下降趋势。蒸发量气候倾向率单位为mm/10 a。

1.3.2 标准偏差 采用标准偏差方法[17]分析蒸发量异常年。标准偏差是量度数据分布的分散程度的标准，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度，可确定极端事件发生几率。

式中，S为标准偏差，yi－y为历年值减总体平均数，N为样本数。

1.3.3 累积距平和信噪比[18]突变年份由气温累积距平来确定，累积距平最大绝对值所对应的时间假定为突变时间。蒸发量序列是否存在突变时间转折点，采用信噪比对其进行检验。

1.3.4 完全相关[19]完全相关系数等于因子间相关系数与时间序列相关的乘积，可体现出影响蒸发量的可能因子。

2 结果与分析

2.1 年蒸发量变化特征

建平地区1953—2012年年蒸发总量平均值为1 374 mm，1961年最多，为1 712 mm，2010年最少，为1 085 mm，极差为627mm，标准偏差为±136mm。正常年蒸发量在1 238～1 510 mm之间；异常偏多有9 a，均出现在1975年之前，几率为15.0%；异常偏少有10 a，均出现在1985年之后，几率为16.7%。

从图1可以看出，1953—2012年近60 a蒸发量存在明显的减少变化趋势，序列相关系数为0.622 3，达极显著水平（P＜0.01），气候倾向率为-48.768 mm/10 a，每10 a减少蒸发量约49 mm，近60 a减少蒸发量约为293 mm。从年代时间尺度分析，20世纪60年代的蒸发量最大（1 529 mm），其次依次是20世纪70年代（1 417 mm）和50年代（1 416 mm），20世纪80年代（1 350 mm）和90年代（1332mm），21世纪10年代蒸发量最少（1241mm），年代最大相差288 mm。

2.2 4—9月蒸发量变化特征

4—9月是建平地区大田作物生长季，此时段蒸发量平均值为962 mm，占年蒸发量的70%；其中，1961年最多，为1 244 mm，2010年最少，为702 mm。标准偏差为±120 mm，蒸发量的正常值在842～1 082 mm之间；异常偏多有6 a，均出现在1972年之前，几率为10.0%；异常偏少有10 a，均出现在2003年之后，几率为16.7%。

图2显示，1953—2012年近60 a蒸发量存在明显的减少变化趋势，序列相关系数为0.681 5，达极显著水平（P＜0.01），气候倾向率为-47.29 mm/10 a，每10 a减少蒸发量约47 mm，近60 a蒸发量减少约284mm。从年代时间尺度分析，20世纪60年代蒸发量最大（1 078 mm），其次是20世纪50年代（1 017 mm）和70年代（1 003 mm），20世纪90年代（964 mm）和 80年代（957 mm），21世纪 10年代蒸发量最少（808 mm），年代最大相差270 mm。

2.3 蒸发量气候跃变

经蒸发量累积距平分析，年蒸发总量在1984年累积距平绝对值达最大，由此可假定1983，1984年存在气候跃变。据信噪比检验结果，XZB＝0.76较为显著，假定成立。说明从1984年开始年蒸发量突变性减少，突变之前1953—1983年平均值为1 453mm，突变之后1984—2012年平均值为1 289 mm，年蒸发量平均减少164 mm。

作物生长季蒸发量在1984年累积距平绝对值达到最大，由此可假定，1983，1984年存在气候跃变。信噪比检验结果显著，XZB＝0.84较为显著，假定成立。说明从1984年开始作物生长季蒸发量突变性减少，突变之前1953—1983年平均值为1 032 mm，突变之后1984—2012年平均值为887 mm，年蒸发量平均减少145 mm。

2.4 蒸发量的主要影响因子及多元回归

为分析气候因子对蒸发量的影响，进行气候要素与蒸发量的相关分析。由表1可知，日照时数、气温日较差、平均最高气温、平均气温、平均最低气温、风速、相对湿度、水汽压、降水量及云量这10个气候因子中，序列相关系数达到显著水平（P＜0.05）的有日照时数、气温日较差、平均气温、平均最高气温、平均最低气温、风速、水汽压及云量8个因子，其中，平均气温、平均最高气温、平均最低气温、水汽压呈明显上升趋势；而日照时数、气温日较差、风速及云量呈明显下降趋势；相对湿度和降水量序列相关不显著。

当蒸发受气象要素作用时，则产生出不同的影响能力，随着日照时数、气温日较差、风速的增多或升高时，蒸发量也存在明显增多；随着平均最低气温、相对湿度、水汽压下降或减少时蒸发量而增大，并且通过0.05（P＜0.05）信度检验，平均气温、降水量与蒸发量的相关性没有通过显著性检验。

表1 蒸发量相关因子及完全相关

根据公式（3）的完全相关系数计算结果，日照时数、气温日较差、平均最低气温和风速对蒸发量影响达到了显著水平。总体来说，影响建平地区蒸发量的能量因子有日照时数、气温日较差和平均最低气温，动力因子有风速，而水分因子的影响相对较小。

利用完全相关因子，采用多元回归分析方法对建平地区年平均蒸发量进行估算，其回归方程为：

式中，y为年蒸发量；x1为日照时数；x2为气温日较差；x5为平均最低气温；x6为平均风速。方差检验F值为20.647 9，通过了显著性检验（F0.05＝6.16）。从公式（4）可以看出，日照时数、气温日较差、平均最低气温、平均风速与蒸发量均呈正相关。

由图3可知，拟合值与实测值趋势变化具有一致性，拟合值与观测值接近，相关系数为0.789 0（P＜0.01），拟合率相对误差在-12.8%～16.2%之间，准确率在83.8%以上。经模式计算，预测2011年蒸发量为1 172 mm，实测值为1 828 mm，绝对误差为-110 mm，相对误差为-8.6%；预测2012年蒸发量为1 126 mm，绝对误差为39 mm，相对误差为3.5%，这一结果与实测值接近。说明运用该回归方程可以拟合建平地区年蒸发量的趋势，并具有较强的实用性。

3 结论与讨论

本研究结果表明，辽宁建平地区1953—2012年蒸发量的变化趋势减少明显，年蒸发量每10 a平均减少约49 mm，21世纪10年代较比20世纪60年代平均减少288 mm；大田作物生长季（4—9月）蒸发量每10 a减少约47 mm，21世纪10年代较比20世纪60年代减少270 mm。气候跃变发生在1983，1984年，跃变之前（1953—1983年）比跃变之后（1984—2012年）年蒸发量平均减少164 mm，作物生长季平均减少145 mm。

本研究通过对蒸发量与环境因子的相关性分析可知，日照时数、气温日较差、平均最低气温、风速、相对湿度及水汽压等因子与蒸发量相关显著，说明蒸发量的变化受诸多因子作用的结果。日照时数、气温日较差、平均最低气温属能量供应因子，对蒸发量影响最明显，其次是动力因子风速，而水分因子对蒸发量的影响较小。因此，建平地区降水量的减少与气温的升高不是造成蒸发量下降的主要原因，而是最低气温的升高、气温日较差的缩小、日照时数减少、风速的减小等多因素作用的结果。

应用多元回归方法，建立了建平地区年平均蒸发量的估算模型（R＝0.780 5，α＝0.05），能较好地拟合出年蒸发量的变化趋势和特征，对预测年蒸发量具有一定的参考价值。

总之，蒸发量的减少是多因素作用的结果，属于非线性的。单一考虑气温升高、降水量减少会导致蒸发量的增加将出现偏颇，掩盖气候变化的真实过程。在气候变暖的情景下，蒸发量减少，无疑是对干旱地区水资源平衡的一种体现。

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