格尔木河流域水面蒸发特征及影响因素分析

黄金廷，李宗泽，王文科，宋 歌，王嘉玮

（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.长安大学水利与环境学院，陕西 西安710054；3.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054）

水面蒸发是水循环的重要环节，为重要的水均衡项。查明水面蒸发变化特征及其影响因素，在气候变化风险应对、水资源合理规划及水资源评价等多方面具有重要的理论和现实意义。近几十年来，国内外对蒸发变化开展了大量研究，发现部分区域水面蒸发量并未随全球气候变暖而增加，呈现出“蒸发悖论”现象。如Liu 等[1]基于全国气象站的蒸发皿观测数据分析，表明我国年均蒸发量显著下降。柳春等[2]和王忠富等[3]研究发现，不同流域蒸发量变化趋势不一致，即使是同一流域的不同位置也存在显著差异。

格尔木河流域地处柴达木盆地，面积约4 565 km2，是我国典型的西北内陆河流域，对全球气候变化十分敏感。同时，该流域也是柴达木循环经济试验区重要组成部分，流域内水环境、水问题受到学术界的高度关注[4-5]。在蒸发研究方面，马日新等[6]利用格尔木气象站1955—2014年气象数据，分析了降水、蒸发和温度变化趋势；朱晓倩等[7]研究了格尔木河流域山前平原区蒸散量的分布特征。朱晓倩等[7]、杨笑天[8]、邓红章[9]、王晓雪[10]基于卫星影像资料估算了研究区山前平原区蒸散量，并分析其空间变化特征。这些研究为区域水均衡计算奠定了良好的基础。但是，前人的研究未考虑格尔木河流域上、中、下游水面蒸发的变化特征，限制了研究者对水面蒸发空间异质性的理解。基于此，本文利用格尔木河流域气象观测资料，分析流域内水面蒸发的变化特征及其影响因素，以期为水均衡计算提供借鉴。

1 数据与方法

1.1 数据来源

根据格尔木河流域气象站空间位置及资料获取情况，选取五道梁气象站、格尔木气象站和察尔汗气象站分析流域上游（山区）、中游（戈壁砾石带）和下游（终端尾闾湖）水面蒸发和气象要素变化规律。五道梁气象站和格尔木气象站数据来自中国气象数据网（https://data.cma.cn/）。五道梁和格尔木气象数据起始时间为1956年，至今有60多年逐日小型蒸发皿实测水面蒸发等气象资料。为分析方便，将五道梁和格尔木站的逐日蒸发、降水、气温等数据处理为年均值。察尔汗气象站未实测水面蒸发量，水面蒸发量采用遥感影像估算后，结合咸水蒸发折算系数计算得到[10-12]。

1.2 分析方法

（1）时间序列分析

将蒸发、降水及温度形成时间序列，采用线性拟合的方法分析各要素变化趋势，拟合参数采用最小二乘法估计。

（2）相关分析

相关分析是研究两个或两个以上有关联的随机变量间相关关系的统计分析方法。相关分析用于查明蒸发与其他气象要素之间的相关关系。

（3）多元回归分析

多元回归分析是将一个变量视为因变量，其他变量视为自变量，建立多个变量之间线性或非线性数学关系式，并利用样本数据进行分析的统计分析方法。本文采用多元回归分析蒸发与其他气象因子的关系，以确定各变量对蒸发的贡献。

2 流域上游水面蒸发特征及影响因素

2.1 蒸发量、降水量及气温变化

流域上游五道梁气象站累计蒸发量、累计降水量及平均气温变化见图1。近60年来，山区水面蒸发量总体呈下降趋势，累计减少183.2mm，其中1981—1989年间降幅最大，由1 276.7mm降至1 061.9mm；累计降水量和平均气温总体呈波动上升趋势，累计降水量和平均气温分别增加119.4mm和1.94℃。由表1可以看出，蒸发量每10年变化量依次为−4.98，−14.13，1.24，3.71，−15.4mm。降水量每10年变化量依次为−0.62，−1.68，5.1，1.66，5.85mm。平均气温每10年变化量依次为0.03，−0.02，0.06，0.05，0.06℃。根据相邻10年的气象要素变化量，可知格尔木河流域山区的蒸发量、降水量和气温在最近10年的变化最大，意味着近年来气候变化剧烈，暖湿化加剧。

图1 五道梁气象站累计蒸发量、累计降水量和平均气温时间序列Fig.1 Time series of cumulative evaporation,cumulative precipitation and average temperature in the Wudaoliang meteorological station

表1 五道梁气象站蒸发、降水及气温每10年平均值Table 1 Changes of the mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Wudaoliang meteorological station

2.2 水面蒸发影响因素

五道梁气象站水面蒸发与其他气象因子的相关分析结果见表2。在各影响因素中，与累计蒸发量呈正相关的气象因子为累计降水、平均气压、平均相对湿度、平均气温以及平均太阳辐射，相关系数分别为0.50，0.38，0.34，0.83，0.87，其中太阳辐射相关系数最大，气温次之，相对湿度最小。呈负相关的气象因子为风速，相关系数为−0.37。

表2 五道梁气象站蒸发量与气象因子相关系数Table 2 Correlation coefficient of evaporation and climatic factors in the Wudaoliang meteorological station

2.3 水面蒸发与其他气象因子的多元回归分析

以蒸发量为因变量的多元回归分析结果见表3，多元回归方程见式（1）。气温、风速和太阳辐射对水面蒸发为正贡献，其中气温贡献最大，系数为0.61。降水量、相对湿度和气压对水面蒸发为负贡献，其中相对湿度贡献最大，系数为−0.36。

式中：E——累计蒸发量；

Rain——累计降水量；

Pre——平均气压；

RH——平均相对湿度；

T——平均气温；

U——平均风速；

表3 五道梁气象站蒸发量与气象因子回归分析Table 3 Regression analyses of evaporation and climatic factors in the Wudaoliang meteorological station

Rsolar—平均太阳辐射。

3 流域中游水面蒸发特征及影响因素

3.1 蒸发量、降水量及气温变化

格尔木气象站累计蒸发量、累计降水量及平均气温变化见图2。从1955年来，格尔木气象站蒸发量呈波动下降趋势，累计减少了1 135.12mm；降水量呈波动上升趋势，累计增加了18.44mm；平均气温呈波动上升趋势，累计增加了3.56℃。

每相邻10年的平均蒸发量、平均降水量和平均气温变化见表4。蒸发量每10年变化量依次为−33.9，−4.6，−12.0，−32.5，−17.8mm；降水量每10年变化量依次为1.2，−0.2，0.1，−0.1，1.2mm；气温每10年变化量依次为0.10，0.10，0.04，0.10，0.02℃。蒸发变化量表明，近10年来蒸发量较少且变化剧烈。降水和温度变化量表明，近10年，格尔木暖湿化更加明显。

3.2 水面蒸发影响因素

水面蒸发量与其他气象因子的相关分析系数见表5。在各影响因素中，与累计蒸发量呈正相关的气象因子为平均气压、平均相对湿度、平均风速以及平均太阳辐射，相关系数分别为0.08，0.01，0.75，0.48。呈负相关的气象因子为累计降水量和平均气温，相关系数分别为−0.41，−0.81。其中平均风速的相关系数最大，平均相对湿度相关系数最小。

近60年风速的变化见图3。60年来，格尔木平均风速呈明显下降趋势，风速减小降低了空气流动性，导致水面蒸发量减少。平均风速变化线性拟合方程为：

式中：y——平均风速；

x——年份。

3.3 水面蒸发与其他气象因子的多元回归分析

以蒸发量为因变量的多元回归分析见表6，回归方程为：

图2 格尔木气象站累计蒸发量、累计降水量和平均气温时间序列图Fig.2 Time series of evaporation,precipitation and average temperature in the Golmud meteorological station

表4 格尔木气象站蒸发、降水及气温每10年平均值Table 4 Changes of the mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Golmud meteorological station

表5 格尔木气象站蒸发量与气象因子相关系数Table 5 Correlation coefficient of evaporation and its effectors in the Golmud meteorological station

图3 格尔木平均风速年变化趋势Fig.3 Changes of yearly average wind speed in the Golmud meteorological station

表6 格尔木气象站蒸发量与气象因子回归分析Table 6 Regression analyses of evaporation and climatic factors in the Golmud meteorological station

由各气象要素的回归系数可知，平均风速对蒸发的贡献最大，回归系数为0.37，平均太阳辐射对蒸发量贡献最小，回归系数为0.06。

4 流域下游水面蒸发特征

图4 达布逊湖水面累计蒸发、累计降水和平均气温时间序列图Fig.4 Time series of cumulative evaporation,cumulative precipitation and average air temperature in the Dabuxun Lake

达布逊湖区累计蒸发量、累计降水量及平均气温变化见图4，其中1992—2012年的降水和气温数据缺失。按现有数据分析，达布逊湖区蒸发量总体呈下降趋势，近30年累计减少了241.7mm。但在2012年，湖区水面蒸发量急剧增加，这是因为降水量增加导致湖泊面积急剧增加[4]。达布逊湖区降水量略有上升，但变化趋势不明显。从观测数据看，1967年出现较大降水量，2018年降水量同样较大。平均气温呈波动上升趋势，近60年来增加了1.87℃。

每相邻10年的平均蒸发量、平均降水量和平均气温变化值见表7。1990—2018年平均蒸发量每10年变化量依次为−53.02，35.12mm。1960—1989年平均降水量每10年变化量依次为−0.05，−0.02mm。1960—1999年平均气温每10年变化量依次为0.003，0.020，0.040℃。降水和温度变化量表明，达布逊湖区降水变化量基本接近，但最近10年平均气温要高于以往平均气温，结合湖区的水面蒸发量，该区有暖湿化的发展趋势。

表7 达布逊湖区蒸发、降水及气温每10年平均值Table 7 Changes of mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Dabuxun Lake

5 讨论

对格尔木河流域上游山区的五道梁气象站近60年、中游戈壁砾石带的格尔木气象站近60年和下游终端尾闾湖近30年的水面蒸发数据分析发现，在流域内上、中、下游水面蒸发皆呈减少趋势。但是，水面蒸发减少量空间差异明显，减少量最多的是中游戈壁砾石带，其次是终端尾闾湖，最后是山区。在每个区域水面蒸发的主控因素不同：山区主控因素为气温，戈壁砾石带主控因素为风速，终端尾闾湖主控因素为湖水面积，显示出旱区内陆河流域蒸发影响因素的复杂性。

有气象数据记录以来，全球呈现暖湿化趋势。2019年，全球平均气温较工业化前高出约1.1℃，20世纪80年代以来，每10年都比前一个10年更暖[13]。对比格尔木河流域气温和降水的分析结果，流域气候变化总体呈暖湿化，尤其是近10年更为显著，这与全球气候变化趋势一致，但值得警惕的是，流域内气温升幅远超过全球气候变化增温幅度。

尽管流域内气温和降水都呈增加趋势，但是水面蒸发呈现减弱趋势，与温度增加可能会导致蒸发量增加的预期不符，呈现出“蒸发悖论”现象[14]。Roderick等[15]认为全球许多地区观测到的蒸发减弱趋势主要是由于云量和气溶胶的增多，但本文分析表明，流域内不同区域水面蒸发主控因素不同，与Roderick等[15]认识不一致，提供了水面蒸发影响因素研究的新线索。

值得提出的是，在格尔木河流域的终端尾闾湖没有直接观测水面蒸发的数据，湖水蒸发是按遥感信息结合水域面积变化、咸水蒸发折算系数推求的结果，这在一定程度上限制了对格尔木河流域下游蒸发规律的认识。今后应在该区域开展尽可能的详尽观测，提高水面蒸发控制因素的认知水平。

6 结论

（1）流域内水面蒸发变化空间差异性显著。格尔木河流域上游山区近60年累计减少183.2mm，中游近60年累计减少1 135.1mm，下游近30年累计减少241.7mm。

（2）流域内不同区域水面蒸发主控因素不同。上游山区主控因素为气温，中游戈壁砾石带主控因素为风速，终端尾闾湖主控因素为水域面积。

（3）流域内水面蒸发呈现出“蒸发悖论”现象。研究区气候呈暖湿化，与全球气候变化一致，但水面蒸发未随气温升高而增加。