贵州清镇蒸发量变化特征及其影响因素分析*

金昭贵，滕万里，吴智凤，杨 涛，刘 梅▲，张 皓，李 娟

(1清镇市气象局，贵州 清镇 551400；2修文县第一中学，贵州 修文 550299；3贵阳市气象局，贵州 贵阳 550006)

近年来，蒸发量变化研究已成为国内外学者关注的热点之一[1-11]，作为地表热量平衡和水量平衡的重要组成部分，蒸发量与地表水量平衡、能量平衡关系密切，是水循环和能量循环的关键环节，对人类的生产、生活产生影响。此外，蒸发量在估算陆地蒸发、作物需水和作物水平衡等方面具有十分重要的应用价值，对农业生产发展、水资源的合理利用、生态建设等方面具有重要意义。

目前，国内外很多学者已开展了蒸发量变化方面的研究，发现蒸发量在全球[1-5]、北半球均存在明显减少趋势[6-10]，这一事实与全球变暖可能导致蒸发增加的猜测相矛盾，即蒸发悖反现象[9]，由此引发了诸多关于蒸发量变化趋势及其原因分析相关探索[10-20]，发现蒸发量变化受相关气象要素综合影响。在中国大部分地区，蒸发量呈下降趋势[10-11，15-16]，蒸发量的变化与日照百分率、太阳总辐射、风速等关系密切，是蒸发量减少的影响因子。左洪超等[10]认为蒸发量与大气相对湿度相关性最好，蒸发量在空间上变化以华东和中南地区最明 显，长江流域蒸发量中下游地区比上游地区下降趋势显著，太阳净辐射和风速的显著下降影响蒸发量下降[19]。研究也发现，黄河流域蒸发量存在减少趋势[13-14]，风速和太阳辐射是影响因素。前人[12]对贵州1961—2001年蒸发量进行研究发现，蒸发量呈下降趋势，太阳净辐射是重要影响因素之一。

贵州清镇属黔中地区，位于贵阳市西部，属亚热带季风湿润气候。境内红枫湖、东风湖、索风湖座落其间，有干流鸭池河和支流猫跳河、暗流河等10条河流。受地质、地貌、气候、水文等自然因素的影响，加上人类开发活动，致使自然灾害频繁，严重影响该地区经济社会发展。目前，针对贵州清镇蒸发量变化特征及影响因素的研究尚少，因此对该地区蒸发量变化特征及其影响因素进行研究具有重要的现实意义。本次选取贵州清镇1970—2019年蒸发量为研究对象，对蒸发量变化特征及其影响因素进行全面分析，以期了解该地区蒸发量的变化规律及其影响因素，为该地区应对气候变化、农业发展、水资源开发利用、生态建设与保护等提供科学参考依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文选取1970—2019年贵州清镇国家气象观测站逐月蒸发量、气温、水汽压、日照百分率、相对湿度、风速、降水、云量等气象资料，资料由贵州省气象局信息中心提供。研究资料通过加权和均一化处理，建立逐月、逐年时序数据。按12月至次年2月为冬季、3月至5月为春季、6月至8月为夏季、9月至11月为秋季生成逐季序列。20 cm口径小型蒸发器与E-601B蒸发器蒸发量折算参照文献[22]计算。

1.2 研究方法

本文应用气候趋势系数和气候倾向率方法分析贵州清镇蒸发量的月、季节、年变化趋势[23]，采用Mann-Kendall突变检验方法[24]进行异常年份的气候突变检验，运用Morlet小波分析[21，23]进行季、年蒸发量变化周期分析。利用Spass22等软件对蒸发量的影响因素进行相关分析、主成分等分析。

2 结果与讨论

2.1 蒸发量月变化特征

由图1可知，贵州清镇蒸发量逐月变化呈“M”型特征，蒸发量最小值出现在1月，12月次之；最大值出现在7月，8月次之。1月至5月蒸发量呈上升趋势，5月达到峰值，增幅达27.48 mm/月，直到6月逐渐减少，7月达到最大值，7月之后呈减少趋势，幅度达28.16 mm/月。其中4月至9月的蒸发量在880 mm以上，合计占全年蒸发量2/3以上；6月至8月蒸发量在486.2 mm，合计占全年蒸发量的38%。

图1 贵州清镇蒸发量月变化统计Fig.1 Monthly variation of evaporation in Qingzhen，Guizhou

2.2 蒸发量季节变化特征

2.2.1 蒸发量季节变化趋势分析

通过统计显示，贵州清镇季节蒸发量分别为春季366.0 mm、夏季486.0 mm、秋季286.1 mm和冬季148.6 mm。由图2可见，4个季节的蒸发量均呈减少趋势，减少程度不一，夏季减少趋势最为明显，其次是春季，冬季、秋季依次减少，减少趋势分别为24.4 mm/10a、16.04 mm/10a、9.0 mm/10a、7.5 mm/10a。蒸发量的减少趋势春季、夏季表现得较显著，并通过了0.01水平的显著性检验。春季和夏季蒸发量占全年蒸发量的66.2%，表明春、夏两季蒸发是全年蒸发的主要贡献因子，春季和夏季的蒸发对水循环有重要的作用。

图2 贵州清镇蒸发量季节蒸发量年际变化Fig.2 Interannual variation of evaporation in different seasonsin Qingzhen，Guizhou

2.2.2 蒸发量季节变化突变分析

运用M-K方法对贵州清镇蒸发量四季进行突变分析，取95%置信度水平，结果显示(图略)，春季蒸发量UF、UB曲线存在1个交点，通过α=0.05的检验，在1992年前后发生突变。夏季蒸发量UF、UB曲线存在1个交点，突变发生在1991年前后。秋季蒸发量UF、UB曲线存在1个交点，在1988年前后发生突变。冬季蒸发量UF、UB曲线存在5个交点，分别在1989、1993、1995、2008、2012年前后发生了转折突变。

2.2.3 蒸发量季节变化小波分析

在对季节蒸发量序列进行量化基础上，为进一步消除边界效应，采用对称延展法对量化后的季节蒸发量序列进行了前后10年的延展，然后采用复数Morlet 1～1.5小波进行小波变换分析。由图3(a)可见，春季蒸发量存在7～10、11～15、15～23、24～32年4类尺度的周期变化规律。其中，24～32年时间尺度存在5次震荡；7～10年时间尺度表现较强，正负位相交替出现，在研究时段具有全域性；15～23年时间尺度的周期变化在20世纪90年代至21世纪10年代，表现较为稳定；而3～6年尺度的变化整体表现较为稳定。30年是主周期，14年是次周期，10年是第3周期，5年是第4周期。由图3(b)可知，夏季蒸发量存在4～10、11～18、18～24及24～29年4类尺度的周期变化规律。其中，24～29年时间尺度存在5次震荡；11～18、18～24年时间尺度表现稳定，在研究时段表征为全域性；在4～10年时间尺度的变化在20世纪90年代至2005年表现较为稳定；而1～3年尺度的周期变化整体表现稳定。29年是主周期，19年是次周期，12年是第3周期，6年是第4周期。图3(c)显示，秋季蒸发量存在4～11、11～15、15～19、24～32年4类尺度的周期变化规律。其中，24～32年时间尺度存在3次震荡；在4～11年时间尺度正负位相交替出现，11～15、15～19年时间尺度在研究时段具有全域性；而1～3年尺度的变化表现较为稳定。31年是主周期，13年是次周期，7年是第3周期，4年是第4周期。由图3(d)可知，冬季蒸发量存在3～7、7～10、11～17、17～25、28～32年5类尺度的周期变化规律。其中，17～25年时间尺度表现较强，存在2次震荡；在4～11年时间尺度正负位相交替出现，7～10年时间尺度在20世纪80年代至90年代、21世纪初至2010年表现稳定，11～17年时间尺度在20世纪90年代后表现稳定，28～32年时间尺度出现1次震荡；而1～2年时间尺度的周期变化整体表现较为稳定。31年是主周期，20年是次周期，13年是第3周期，10年是第4周期，3年是第5周期。

图3 贵州清镇春、夏、秋、冬季蒸发量小波实部分析Fig.3 Wavelet real part analysis of evaporation in differentseasons in Qingzhen，Guizhou

2.3 蒸发量年际年代变化趋势分析

由图4可知，贵州清镇年蒸发量呈下降趋势，气候变化率为57.86 mm/10a，偏多年和偏少年交替出现，1978年蒸发量最大，达1599.8 mm，最少是1995年，为1057.2 mm，两者相差近542.6 mm。与历年平均相比，有26年低于平均值，其余年份高于平均值。运用M-K方法对年蒸发量进行突变分析，取95%置信度水平。由图5可见，UF、UB曲线存在1个交点，通过α=0.05的检验，年蒸发量在1990年前后发生突变。

图4 贵州清镇蒸发量年际变化趋势Fig.4 Interannual variation trend of evaporation inQingzhen，Guizhou

图5 贵州清镇M-K突变分析Fig.5 M-K mutation analysis

在对逐年蒸发量序列进行量化基础上，为进一步消除边界效应，采用对称延展法对经量化后的序列进行了前后10年的延展，然后采用复数Morlet 1-1.5小波进行小波变换分析，由图6可知，年蒸发量的波动过程中存在的多时间尺度特征。总的来说，蒸发量存在着11～15、15～18、18～25及25～32年的4类尺度的周期变化规律。其中，25～32年时间尺度表现明显，存在5次震荡；在18～25年时间尺度表现较强，主要发生在20世纪70年代至90年代，正负位相交替出现；在15～18年时间尺度的周期变化在研究时段表现非常稳定，具有全域性；而3～6年尺度的变化在1990年以前表现较为稳定。30年是主周期，20年是次周期，13年是第3周期，4年是第4周期。

图6 贵州清镇蒸发量年变化小波实部分析Fig.6 Wavelet real part analysis of interannual variation ofevaporation in Qingzhen，Guizhou

由图7可知，年代蒸发量呈下降趋势，气候变化率为59.08 mm/10a。70年代蒸发量为最大值，高出平均值达133.9 mm/10a。其中，1978年和1972年的蒸发量为近50年的最高值和次高值，分别高出平均值313.4 mm和250.7 mm。00年代蒸发量为最低值，低于平均值84.1 mm/10a。80年代蒸发量有两年低于平均值，90年代有6年低于平均值，00年代均低于平均值，而10年代仅有2年蒸发量高于平均值。

图7 贵州清镇蒸发量年代变化Fig.7 Chronological variation of evaporation inQingzhen，Guizhou

3 蒸发量影响因素分析

3.1 蒸发量影响因子变化趋势

据前人对蒸发量影响因素的研究[12]，将影响蒸发量的因素归类为能量供给因子、湿度因子和空气动力因子，本次统计贵州清镇1970—2019年蒸发量影响因子，分别计算各影响因子的变化趋势。从表1可知，能量供给因子中的温度日较差、日照百分率呈下降趋势，平均温度、最高气温、最低温度、低云量呈上升趋势；湿度因子中水汽压呈显著上升趋势，相对湿度、降水量呈下降趋势，空气动力因子风速呈显著下降趋势。

表1 贵州清镇1970—2019年蒸发量与各气候要素的相关及其变化趋势Tab.1 The correlation between evaporation and various climateelements and their trends in Qingzhen，Guizhou from 1970 to 2019

3.2 蒸发量影响因子相关分析

由表2可见，年蒸发量影响因素能量因子中最低气温、低云量与蒸发量呈显著负相关，与日照百分率呈显著正相关；湿度因子中水汽压与蒸发量呈显著负相关，动力因子风速与年蒸发量呈显著正相关。春季能量因子中平均气温、最高气温、气温日较差、日照百分率与蒸发量呈显著正相关，低云量与蒸发量呈显著负相关，湿度因子相对湿度与蒸发量呈显著负相关，动力因子风速与蒸发量呈显著正相关。夏季能量因子中平均气温、最高气温、气温日较差、日照百分率与蒸发量呈显著正相关，低云量与蒸发量呈显著负相关，湿度因子降水量、相对湿度、水汽压与蒸发量呈显著负相关，动力因子风速与蒸发量呈显著正相关。秋季能量因子中最高气温、气温日较差、日照百分率与蒸发量呈显著正相关，低云量与蒸发量呈显著负相关，湿度因子相对湿度与蒸发量呈显著负相关，动力因子风速与蒸发量呈正相关，未通过显著性检验。冬季能量因子中平均气温、最高气温、最低气温、气温日较差、日照百分率与蒸发量呈显著正相关，低云量与蒸发量呈显著负相关，湿度因子降水量、相对湿度与蒸发量呈显著负相关，动力因子风速与蒸发量呈显著正相关。由以上分析可知，贵州清镇相关气象要素与蒸发量有着密切的相关性，蒸发量变化受多种气象要素的综合影响。然而，影响蒸发量的影响要素不限于本次选取的影响要素，相关影响要素的研究还需进一步开展研究。

表2 贵州清镇蒸发量与各影响因子相关系数Tab.2 Correlation coefficients between evaporation and variousinfluencing factors in Qingzhen，Guizhou

3.3 蒸发量影响因子主成分分析

选择通过相关显著性检验的蒸发量影响因子数据进行标准化处理后做主成分分析，结果表明，年影响因素KMO为0.763>0.7，Bartlett球形检定显著性p=0.000，3个成分特征值分别为4.15、2.785、1.244，均大于1，且累计贡献率=81.80%，可以提取3个因子。分析因子载荷显示3个主成分，影响因素平均气温、最高气温、最低气温在成分1上有较高载荷，气温日较差、日照百分率、低云量在成分2上有较高载荷，相对湿度、风速在成分3上有较高载荷。

4 结论

本文选取贵州清镇1970—2019年蒸发量等气象资料，对蒸发量的变化特征及其影响因素进行全面研究分析，对该区应对气候变化、农业发展、水资源的合理开发利用、生态建设与保护等具有重要的现实意义。

(1)贵州清镇蒸发量月变化呈“M”型特征，蒸发量最小值出现在1月，12月次之；最大值出现在7月，8月次之。4月至9月的蒸发量在880 mm以上，占全年蒸发量的2/3以上；6月至8月蒸发量在486.2 mm，占全年蒸发量的38%。

(2)贵州清镇4个季节的蒸发量均呈减少趋势，减少程度不一，夏季减少趋势最为明显，春季，冬季、秋季依次减少，减少趋势分别为24.4 mm/10a、16.04 mm/10a、9.0 mm/10a、7.5 mm/10a。蒸发量的减少趋势春季、夏季表现得较显著，春季和夏季蒸发量占全年蒸发量的66.2%，春、夏两季蒸发是全年蒸发的主要贡献因子，两季的蒸发对水循环有重要的作用。四季M-K分析显示，蒸发量均发生突变，春、夏、秋季节出现1次突变，冬季出现5次。小波分析显示，四季均出现4类不同时间尺度的变化特征，四季小波变化主周期分别为30年、29年、31年、31年。

(3)贵州清镇年蒸发量呈下降趋势，偏多年和偏少年交替出现。1990年前后了1次突变。蒸发量年变化存在4类时间尺度周期小波变化特征，30年是主周期。年代蒸发量呈下降趋势，70年代蒸发量为最大值。

(4)对蒸发量影响因子进行分析表明，贵州清镇能量供给因子中的气温日较差、日照百分率呈下降趋势，平均温度、最高气温、最低温度、低云量呈上升趋势；湿度因子中降水量、相对湿度呈下降趋势，水汽压呈显著上升趋势，空气动力因子风速呈显著下降趋势。蒸发量影响因素相关分析显示，相关气象要素与蒸发量有着密切的相关性，蒸发量变化受多种气象要素的综合影响。对年蒸发影响因素进行主成分分析，存在3个成分特征值，且累计贡献率=81.80%。分析因子载荷显示3个主成分，平均气温、最高气温、最低气温在成分1上有较高载荷，气温日较差、日照百分率、低云量在成分2上有较高载荷，相对湿度、风速在成分3上有较高载荷。