1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发时空变化特征及影响因素

张耀宗， 张 勃， 张多勇， 刘艳艳

（1.陇东学院历史与地理学院，甘肃 庆阳 745000；2.庆阳市荒漠化防治研究中心，甘肃 庆阳 745000；3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070；4.北方民族大学鄂尔多斯盆地历史地理研究中心，宁夏 银川 750021）

水资源是人类生存和发展的命脉，其状态与变化特征对人类社会经济可持续发展有着明显的制约作用［1］。蒸发是水循环的重要过程，其演变过程涉及能量平衡与水量平衡［2-4］。因此，进行蒸散发变化研究对深入了解气候变化、区域水平衡与水循环的影响具有十分重要的意义［5-6］。由于实际蒸发难以观测，但蒸发皿蒸发与水面蒸发之间存在较高的相关关系，是气象站常规观测项目之一，同时该指标观测资料累积序列长、可比性好，因此实践时常作为水文与水资源研究、水利工程设计和气候区划的重要气象指标［1,7］。

众多学者的研究表明20世纪50年代以来全球各地的蒸发皿蒸发呈减少趋势，风速、太阳辐射、气温、相对湿度对蒸发皿蒸发影响显著［8-9］。近几十年我国大部分地区年蒸发皿蒸发呈减少趋势［10-11］，左洪超等［12］认为1961—2000 年我国66%的气象台站蒸发皿蒸发呈减少趋势，蒸发皿蒸发与相对湿度的相关性最大。任国玉等［13］使用600多个气象站数据研究认为1956—2000 年我国蒸发皿蒸发呈显著减少趋势，东部、南部和西北地区减少更多，日照时数、平均风速、气温日较差对水面蒸发影响显著。祁添垚等［14］发现我国南部、东部、中部以及西北部，蒸发皿蒸发以显著减少趋势为主；我国东北部至西南的狭长带，蒸发皿蒸发呈显著增加及无明显变化趋势,相对湿度是影响蒸发皿蒸发的关键因子。Zhang等［15］指出黄土高原半干旱地区蒸发皿蒸发呈增加趋势，与全球其他区域不同，气温升高、低云量减少、相对湿度降低是蒸发皿蒸发增加的主要原因；杨司琪等［16］发现夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发量呈现增加趋势，夏季风区与非夏季风影响过渡区呈相反变化趋势；温度变化对夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发变率的贡献最大，低云量的变化对夏季风影响过渡区、夏季风和非夏季风影响区的贡献均在20%以上［17］。

黄土高原地区是我国重要的生态治理区，作为黄河流域高质量发展和国家生态安全的关键区域，水资源是制约其植被恢复的主要因素，水资源变化将直接影响本区域的农业生产、生态环境建设及社会经济可持续发展，蒸发作为水循环的关键环节，是影响区域水热平衡的重要参数，研究蒸发皿蒸发变化可为黄土高原地区的水资源管理、干湿预警与生态恢复建设，提供重要的理论支撑。各气象站点中蒸发皿蒸发数据往往缺测过多，对研究的全面性和准确性有一定影响，本文将全面挖掘与整理1960—2018年该地区气象站的蒸发皿蒸发量数据，及其他相关气象要素的观测资料，划分出6 个子区域，分析蒸发皿蒸发变化特征及影响蒸发皿蒸发变化的气象要素。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

本研究中黄土高原地区边界范围北抵阴山，南达秦岭，东到太行山，西止青海日月山，面积6.4×105km2，如图1 所示，与中国科学院黄土高原地区考察范围一致［18］。按照黄土高原地区的地貌特征和自然地理特征将该区域划分为6 个子区域进行研究，即陇中黄土高原（Ⅰ）、陇东黄土高原（Ⅱ）、关中平原（Ⅲ）、山西黄土高原（Ⅳ）、河套地区（Ⅴ）、鄂尔多斯高原（Ⅵ）［19］。

图1 研究区气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological station in Loess Plateau

1.2 数据来源

利用黄土高原地区气象站蒸发皿蒸发（Epan）分析近59 a 黄土高原地区Epan变化特征，蒸发皿口径为20 cm，并利用平均气温（Tmean）、最低气温（Tmix）、最高气温（Tmax）、降水（Pre）、平均风速（u2）、日照时数（Sd）、水汽压（es）、相对湿度（Rh）等数据研究黄土高原地区蒸发皿蒸发变化的主要气象因子，气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn/）。蒸发皿蒸发数据缺测较多，为保证序列趋势的一致性，将时间序列连续小于45 a的站点剔除，并通过元数据分析，对上述资料进行了严格的质量控制。经过剔除和质量控制，基于61个站点的蒸发皿蒸发数据及相关气象数据（图1），对该区域1960—2018 年蒸发皿蒸发变化特征及影响因素进行研究。

1.3 研究方法

1.3.1 线性变化趋势和Mann-Kendall法 本文采用线性趋势法与Mann-Kendall非参数检验法分析黄土高原地区Epan的变化趋势，使用累积距平法和Mann-Kendall 突变检验法分析Epan的突变点。线性趋势法的优点在于方法简单、物理意义清晰，并可以定量评估趋势值，通过相关系数检验其显著程度［20］。Mann-Kendall非参数统计检验（M-K检验）是世界气象组织WMO 推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的方法，是检验时间序列单调趋势的有效工具［21］，该方法还可以检验时间序列是否发生了突变。以上方法在气候变化的研究中已经广泛使用［22-25］，具体算法参照文献［20-21］。

1.3.2 多元线性回归分析 在多要素的地理系统中，多个要素之间存在着相互影响、相互关联的情况。因此，多元地理回归模型具有更普遍性的意义［21］。影响Epan的因素是多方面的，为更全面掌握影响Epan的气象因素，对数据进行标准化之后，使用了多元回归分析方法，研究了影响Epan的主要气象要素，使用F检验确定各因素对蒸发皿蒸发的方差贡献，从而确定影响各区域Epan变化的主导气象因子［13］。计算方法如下：

假设某一变量y受k个自变量x1，x2，…，xk的影响，其n组的观测值为（ya，x1a，x2a，…，xka），其中，a=1，2，…，n。那么，多元线性回归模型的结构式为：

式中：β0，β1，β2，…，βk为待定系数；εa为误差项。

如果b0，b1，b2，…，bk分别为β0，β1，β2，…，βk的拟合值，则回归方程如下：

式中：b0为常数；b1，b2，…，bk为偏回归系数。

偏回归系数bi（i=1，2，…，k）的含义是，当其他自变量xj(j≠i)都固定时，自变量xi每变化一个单位而使因变量y平均改变的数值。根据最小二乘法原理，得到回归系数。

多元线性回归模型建立后，需要进行显著性检验，线性回归的检验采用F检验完成。

2 结果与分析

2.1 蒸发皿蒸发的时空变化特征

2.1.1 蒸发皿蒸发年际变化特征 通过线性趋势法计算可知，1960—2018 年黄土高原地区Epan整体呈减少趋势，气候倾向率为-6 mm·(10a)-1（图2），未通过显著性检验。研究区与全国［10,26-28］、黄河流域［7］的Epan变化趋势基本一致，均呈减少趋势。1960—2000年黄土高原地区Epan呈明显减少趋势，气候倾向率为-59 mm·(10a)-1，通过了0.05 的显著性检验，高于同期全国及其他大部分地区Epan减少的速率（表1），2000 年以来Epan呈增加趋势，气候倾向率为26 mm·(10a)-1。

表1 全国各地区Epan变化趋势分析Tab.1 Nationwide summary of Epan trend

图2 1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发线性趋势Fig.2 Liner trend of pan evaporation in Loess Plateau from 1960 to 2018

黄土高原地区Epan春、夏、秋、冬四季的气候倾向率分别为：-14 mm·(10a)-1、-16 mm·(10a)-1、-9 mm·(10a)-1、16 mm·(10a)-1，未通过显著性检验。黄土高原地区春季、夏季蒸发皿蒸发减少量较大，对年蒸发皿减少蒸发贡献大，冬季蒸发皿蒸发呈增加趋势，是2000 年来蒸发皿蒸发速率减少的主要原因。

黄土高原地区Epan变化在空间上一致性较差，局部和整体变化不同步。在空间上，减少与增加的站点同时存在（图3），54%的站点呈减少趋势，其中54%的站点通过了0.05 的显著性水平检验；42%的站点呈增加趋势，其中58%的站点通过了0.05 的显著性水平检验，呈增加趋势的站点主要分布在Ⅱ区和Ⅵ区；4%的站点无明显变化趋势。研究表明Epan变化在全国及黄河流域均存在的空间差异性现象［1-2,7］，黄土高原地区同全国及黄河流域变化特征较为一致，其内部变化存在明显差异。6个分区中，Ⅲ区、Ⅳ区呈减小趋势，气候倾向率分别为-22 mm·(10a)-1、-8 mm·(10a)-1，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅴ区、Ⅵ区呈微弱增加趋势，气候倾向率分别为17 mm·(10a)-1、13 mm·(10a)-1、3 mm·(10a)-1、18 mm·(10a)-1，各区域中，Epan减少的速率大于增加的速率。

图3 1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发空间变化Fig.3 Spatiotemporal variations of pan evaporation in Loess Plateau from 1960 to 2018

2.1.2 蒸发皿蒸发突变分析 由黄土高原地区Epan的M-K 突变检验分析可知（图4a），Epan的UF和UB线无交点，表明通过M-K 检验黄土高原地区Epan无突变点。Ⅰ区、Ⅱ区与黄土高原地区M-K检验结果基本一致；Ⅲ区突变点为1970 年，Ⅳ区的突变点在1968年；Ⅴ区、Ⅵ区M-K检验无突变点。

通过累积距平曲线可知（图4b），累积距平曲线存在3 个阶段的变化趋势，1960—1974 年呈显著的增加趋势，1975 年之后呈减少趋势，1997 年之后呈增加趋势。Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区、Ⅴ区、Ⅵ区与黄土高原地区累积距平曲线变化基本一致。Ⅲ区Epan累积距平曲线也存在3 个阶段的变化趋势，1970 年之前呈增加趋势，1970—1993 年表现为减少趋势，但在1993年之后出现短暂的增加趋势，1997年之后又呈减少趋势。

图4 黄土高原地区蒸发皿蒸发M-K检验和累积距平Fig.4 Mann-Kendall test and cumulative anomaly map of pan evaporation in Loess Plateau

综上可知，黄土高原地区Epan有2次转折、3个阶段的变化趋势，转折年份分别是1974年和1996年，1960—1974 年呈增加趋势，气候倾向率为11 mm·(10a)-1，1975—1996 年呈减少趋势，气候倾向率为-60 mm·(10a)-1，1997 年之后呈增加趋势，增速为30 mm·(10a)-1。马海姣等［29］指出1974 年是黄土高原地区Epan的主要转折年，杨司琪［26］认为1960—2017 年全国Epan的转折点在1996 年，本文与以上研究结果具有一致性。因此，黄土高原地区与全国Ep-an的转折时间一致性较好。

2.2 蒸发皿蒸发变化的气象因素分析

应用多元回归分析计算气象因子系数，使用F检验确定各因素对蒸发皿蒸发的方差贡献，从而确定影响各区域Epan变化的主导气象因子［13,19］，各区域影响Epan的主要气象要素排序见表2。分析可知，平均风速在黄土高原地区及各区域对Epan影响最显著，其次是日照时数和水汽压。平均风速、日照时数的影响因素为正影响作用，水汽压为负影响作用。各分区中，影响Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的首要气象因素为平均风速，Ⅳ区的首要影响因素是日照时数，Ⅴ、Ⅵ区的首要影响因素是温度，其他因素在各区域排序不一致（表2），反映出各区域地理环境差异显著，不同地理单元影响Epan的气象因素差异较大。杨司琪等［16］指出夏季风区、夏季风影响过渡区及非夏季风区Epan对各气象要素的敏感程度不同。

表2 各区域影响Epan的主要气象要素Tab.2 Main influential factors for Epan in the Loess Plateau

各区域在不同季节影响蒸发皿蒸发的气象因子差异明显。春季，Ⅲ区、Ⅴ区最显著的影响因素为平均最低气温、其他各区域以平均风速为主，日照时数、平均最高气温对各区域蒸发皿蒸发存在影响；夏季Ⅰ区、Ⅴ区的主要影响因子为相对湿度，Ⅱ区、Ⅳ区、Ⅵ区的主要影响因子为降水，风速和降水是Ⅲ区的主要气象因子；秋季各区域影响Epan的气象因子以平均风速为主，Ⅴ区的主要气象因子是最低气温，其次是风速；冬季黄土高原地区、Ⅱ区的主要影响因子为平均最低气温、日照时数，Ⅳ、Ⅵ区平均风速是主要的气象因子，Ⅰ区无明显的影响因子。综上分析，春季、秋季各区域以风速为主，温度、相对湿度在春季有显著的影响；夏、秋各区域的主要影响因子为相对湿度、水汽压、降水；在冬季温度、相对湿度、风速对Epan影响显著。

由表3 可知，影响黄土高原地区蒸发皿蒸发的主要气象因子依次为平均风速、日照时数、水汽压，1960—2018年黄土高原地区的平均风速、日照时数均呈减小趋势，气候倾向率分别为-0.06 m·s-1·(10a)-1，-42 h·(10a)-1；水汽压呈升高趋势，气候倾向率为0.04 hPa·(10a)-1，在3个主要气象因子的综合作用下，黄土高原地区Epan整体呈减少趋势。如图5所示，1960—1974 年黄土高原地区的平均风速、日照时数呈增大、增加趋势，水汽压呈减小的变化趋势，致使黄土高原地区1974 年之前Epan呈增加变化趋势。1975—1996年，该区域的平均风速虽呈增大变化趋势，但日照时数呈明显减少，导致该时间段黄土高原地区Epan呈减少变化特征。1997 年之后，该区域的平均风速减小，同时在日照时数显著减少和水汽压显著增大的影响下Epan明显增加。影响Epan的气象因子较多，Epan的变化是各种气象要素综合作用的结果［12］，可以将其分为动力因子、热力因子及水分因子。其中，风速强弱变化影响蒸发过程中的水汽输送环节［12］，是影响Epan的主要动力因子［14］；日照时数变化导致Epan的能量来源变化，是影响Epan热力因子的主要代表；水汽压一定程度上表示了大气中水汽含量的多少，能够表征影响Epan的水分因子。

表3 各区域影响Epan的主要气象要素变化趋势Tab.3 Liner trend of main influential factors for Epan in the Loess Plateau

图5 黄土高原地区风速、日照时数、水汽压累积距平Fig.5 Cumulative departure curve of u2,Sd,es in Loess Plateau

黄土高原地区春、秋季Epan呈减少趋势，春、秋季的风速减小对Epan减少作用明显（表3）；夏季Epan呈减少趋势，其首要影响因素为相对湿度，水汽压、降水也是影响夏季Epan的主要气象因子，可见水分因子是夏季蒸发皿蒸发变化的主要因素；冬季蒸发皿蒸发呈增加趋势，其主要影响因素为最低气温，呈显著增加趋势，因此，热力因子对冬季Epan变化的影响显著。

3 讨论

Epan变化是多个气象因子共同作用的结果，且是各种气象因子非线性共同作用的复杂过程，单一的环境因子不能解释Epan的变化［26,36-38］。1960—2018年黄土高原地区蒸发皿蒸发的动力因子、热力因子、水汽因子均发生了变化，且具有明显的阶段性变化特征，导致蒸发皿蒸发出现不同的变化特征。有关学者研究指出影响全国Epan的主要气象因子或者关键气象因子有风速、日照时数、气温日较差、相对湿度［2,13-14,27］，Zhang 等［15］、杨司琪等［17］指出低云量对Epan有重要的影响。由于在不同的研究中使用的气象因子个数有差异，因此，结论不完全一致，柳春等［7］认为黄河流域Epan减少是由风速减小所致，本文研究也得出风速是影响黄土高原地区Epan变化的主要气象因子，但各区域存在一定差异性，在不同区域，不能时间段，主导Epan的气象因子不同，四季中风速主要在春、秋季对Epan影响显著。Yang 等［39］指出中国地表风速2014年以后出现了增强的趋势，但是区域差异明显，本文与之对应的华北西部、华北区域风速依然表现出减小趋势（表3），但Epan在2000年后呈增加的趋势，由此可见，Epan的变化还受日照时数变化与水汽压等其他影响因子的控制。对于黄土高原地区这一气候过渡地带，其变化机制复杂，未来研究中除综合考虑本研究所列气象因子外，还应考虑太阳辐射、云量、下垫面性质等多因素对蒸发皿蒸发的影响。

4 结论

（1）近59 a 黄土高原地区Epan变化时空差异显著，1960—2018年黄土高原地区Epan呈减少趋势，气候倾向率为-6 mm·(10a)-1，与全国及黄河流域的Epan变化趋势一致，但减幅较大。黄土高原地区Epan存在1974 和1996 年前后2 个转折点；有3 个明显的变化阶段，1975年之前呈微弱增加趋势［11 mm·(10a)-1］，1975—1996 年呈减少趋势［-60 mm·(10a)-1］，1997年之后Epan呈增加趋势［30 mm·(10a)-1］。

（2）空间上，1960—2018 年黄土高原地区54%的站点呈减少趋势，陇东、陇中黄土高原、河套地区和鄂尔多斯高原呈微弱增加趋势，气候倾向率分别为17 mm·(10a)-1、13 mm·(10a)-1、3 mm·(10a)-1、18 mm·(10a)-1；关中平原、山西黄土高原呈减少趋势，气候倾向率分别为-22 mm·(10a)-1、-8 mm·(10a)-1。

（3）风速、日照时数、水汽压是依次影响黄土高原地区Epan变化的主要气象因子。1960—2018年黄土高原地区平均风速减小［-0.05 m·s-1·(10a)-1］、日照时数减少［-41 h·(10a)-1］、水汽压升高［0.04 hPa·(10a)-1］是蒸发皿蒸发呈减少趋势的主要原因；春季、秋季Epan变化动力因子起主要作用，夏、冬季变化分别是水分因子、热力因子起主导作用。