黄河流域水文站和气象站蒸发皿蒸发量时空变化及其差异

赵梓琨，孙文义，2，穆兴民，2，宋小燕，赵广举，2，高 鹏，2

(1.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

蒸发皿蒸发量是研究水库、湖泊等天然水体蒸发量和陆面潜在蒸发量的基本参考资料,是反映地表水热环境变化的一个重要指标,在气象、水文、农业灌溉、水资源评价以及水文模型模拟、水利水电工程规划设计和管理中具有十分重要的参考价值。探究蒸发皿蒸发量变化趋势及其原因对了解区域气候变化、水循环过程和生态环境影响等方面具有重要意义。

近年来随着全球气候变暖,蒸发皿蒸发量在全球很多区域都呈显著下降的趋势,这与气候模式预设的增温导致潜在蒸发量增加的假设相反,此现象被称为“蒸发悖论”。“蒸发悖论”的形成机制和归因分析成为学术研究前沿热点。基于此,国内外学者在蒸发皿蒸发量时空格局、变化趋势、影响因子、原因分析等方面开展了大量研究,取得了一些重要认识。研究认为,“蒸发悖论”现象广泛分布于全世界,如以色列［1］、意大利［2］、墨西哥［3］以及中国［4］等。不同研究者对此现象有不同的解释,认为其主导因素不同。谢睿恒等［5］指出1961—2013 年中国蒸发皿蒸发量的下降趋势主要受日照时数减小的影响。祁添垚等［6］对全国588 个气象站1960—2005 年的气象资料进行分析,发现大气相对湿度增大是导致中国境内蒸发皿蒸发量下降的主要原因。区域尺度的研究表明,日照时数的减少和地面风速的下降导致了黄河流域蒸发皿蒸发量的下降［7-9］。

对蒸发皿蒸发量变化趋势及其主导因素的认识普遍是基于气象站蒸发皿蒸发量得出。与水文站蒸发皿蒸发量相比,气象站蒸发皿蒸发量及其相关因子的观测记录完整、观测期较长且易获得,因此相关研究相对较多。水文站蒸发皿蒸发量与气象站蒸发皿蒸发量的差异,主要受蒸发皿水体与周围环境所构成的非均匀性气象条件控制。水文站蒸发量的观测,旨在探索水文站所在流域的水面蒸发量及流域蒸发能力的变化规律；气象站蒸发量的观测,是为城市天气预报、气候分析、科学研究和气象服务提供重要依据。二者在应用目的层面上的不同导向,使得蒸发量观测仪器的布设存在一定差异:水文站蒸发皿多位于流域沟道,反映其所在流域的潜在蒸发能力；而气象站则布设在开阔的城镇郊区,反映城市及其周边区域的气象要素特征。

黄河流域干旱与半干旱地区占大部分,长期面临生态环境脆弱、水资源短缺等问题［10］。对黄河流域蒸发皿蒸发量的定性分析和定量评估,有助于黄河流域生态保护和高质量发展。黄河是中国北方的重要淡水资源,河川径流量占全国2%,承载了全国15%的耕地面积、15%的人口和14%的GDP,是中国最重要的流域之一［11］。现有关于黄河流域蒸发皿蒸发量空间格局及其主控因素的研究未充分考虑水文站蒸发皿蒸发量,难以综合反映流域蒸发的变化趋势及规律。因此,本文对比分析了黄河流域水文站和气象站蒸发皿蒸发量的差异、变化趋势及其空间格局,阐明了影响流域蒸发皿蒸发量的气象因素,以期深入了解黄河流域气候变化、水文循环过程,为黄河流域生态保护和高质量发展提供重要参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓,流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省(区),于山东省东营市注入渤海,全长约5 464 km,是中国第二长河。黄河流域处于东经96°—119°、北纬32°—42°之间,流域面积约79.5 万km2,流域地势总体西高东低(见图1)。流域主要为干旱、半干旱和半湿润气候,是我国气候变化敏感区之一［12-13］。流域年均气温为7.8 ℃,年均降水量为458 mm,年均相对湿度为59.1%,年均风速为2.3 m/s,年均日照时数为2 526.7 h,多年平均潜在蒸发量为943 mm。流域水体面积约为5 343.6 km2［14］,占黄河流域总面积的0.67%。按照水利部区划标准,将黄河流域划分为8 个二级水资源区(见图1 中的Ⅰ～Ⅷ)。

图1 黄河流域水文站及气象站分布

1.2 基础数据

收集整理黄河流域54 个气象站和51 个水文站(见表1)1975—2018 年的蒸发皿蒸发量资料。气象站蒸发皿观测数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/),2005 年前多以20 cm 口径蒸发皿为主,2005 年后多数站点改为冰期(大致为11 月至翌年3 月)使用20 cm 口径蒸发皿、非冰期使用E601 型蒸发皿。水文站蒸发皿观测数据来自《黄河流域水文资料》；水面蒸发量监测多为冰期使用20 cm 口径蒸发皿、非冰期使用E601 型蒸发皿,部分站非冰期使用80 cm 口径蒸发皿。

表1 选取水文站及气象站信息

水文站观测资料在20 世纪90 年代和21 世纪初未正式发布,为确保观测时间的一致性,本研究选取了代表性好和连续性一致的1975—1989 年、2007—2018年的观测记录。依据全国第三次水资源调查评价技术要求,以E601 型蒸发皿蒸发量为标准,对不同口径蒸发皿蒸发量值进行折算。对不同型号蒸发皿观测重叠时段进行回归分析［15］,折算公式如下:

式中:EE601为E601 型蒸发皿观测数据；E20为20 cm 口径蒸发皿观测数据；a、b为回归分析所得的常数项。

基于折算公式,计算得到E601 型蒸发皿的蒸发量数据。80 cm 口径蒸发皿蒸发量与E601 型蒸发皿转换时亦采用此方法。

同时收集整理了1975—2018 年黄河流域55 个国家基本气象站与水面蒸发相关的主要气象要素数据集,包括日平均气温(0.1 ℃)、日平均风速(0.1 m/s)、日平均相对湿度(0.1%)、日照时数(0.1 h),用于分析影响蒸发皿蒸发量的主控因素。

1.3 研究方法

(1)Mann-Kendall 趋势分析。Mann-Kendall(MK)检验用于分析蒸发皿蒸发量的年际变化趋势,该方法在气象水文学中得到广泛应用。公式如下:

式中:S为判别统计量；xk、xi为连续的数据变量；n为数据资料时间长度。

若统计量Z大于0 则数据序列呈上升趋势,Z小于0 则数据序列呈下降趋势,当｜Z｜≥1.96 时表明变化趋势显著。

(2)Spearman 秩相关分析。Spearman 秩相关分析用于检验蒸发皿蒸发量与气象要素因子之间的相关性,该方法为非参数检验法,用于衡量两个变量的依赖性,在水文和气象序列变化趋势的评估中广泛运用。公式如下:

式中:ρ为相关系数；di为秩次差；Xi为时序1～n按序列数据值从小到大排列的序号；Yi为对应时间排列序号；N为数据序列长度。

2 结果与分析

2.1 黄河流域蒸发皿蒸发量及其空间分布特征

黄河流域蒸发皿蒸发量统计特征值见表2。基于气象站蒸发皿观测资料,黄河流域整体年均蒸发皿蒸发量为1 021.0 mm,变化范围为681.0～1 322.5 mm；基于水文站蒸发皿观测资料,黄河流域整体年均蒸发皿蒸发量为866.2 mm,变化范围为589.9～1 254.9 mm。与气象站蒸发皿蒸发量相比,水文站蒸发皿蒸发量偏低,平均低15.2%。

表2 黄河流域蒸发皿蒸发量统计特征值

黄河流域各分区年均蒸发皿蒸发量空间分布如图2所示。气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量在空间分布格局上相对一致,但水文站蒸发皿蒸发量普遍低于相邻的气象站。Ⅰ区、Ⅱ区蒸发皿蒸发量相对较小,Ⅲ区、Ⅳ区蒸发皿蒸发量相对较大。Ⅰ区气象站、水文站蒸发皿蒸发量平均值分别为814.3、691.5 mm。Ⅱ区蒸发皿蒸发量比Ⅰ区略高,气象站、水文站蒸发皿蒸发量平均值分别为841.8、739.0 mm。Ⅲ区气象站蒸发皿蒸发量平均值达1 140.2 mm、水文站达1 046.0 mm；Ⅳ区蒸发皿蒸发量平均值达1 239.0 mm。Ⅴ区、Ⅵ区、Ⅶ区蒸发皿蒸发量比Ⅰ区、Ⅱ区偏高,比Ⅲ区、Ⅳ区偏低。Ⅴ区、Ⅵ区、Ⅶ区气象站蒸发皿蒸发量平均值分别为1 142.0、983.5、999.7 mm,水文站蒸发皿蒸发量平均值分别为933.2、904.4、840.5 mm。Ⅷ区与中游地区较为接近,气象站蒸发皿蒸发量平均值为1 009.9 mm,水文站蒸发皿蒸发量平均值为860.1 mm。

图2 黄河流域年均蒸发皿蒸发量空间分布

2.2 黄河流域蒸发皿蒸发量年际变化特征

黄河流域气象站和水文站蒸发皿蒸发量的年际变化过程(见图3)表明,黄河流域整体年均蒸发皿蒸发量呈显著下降趋势,气象站的蒸发皿蒸发量以-1.2 mm/a的变化率显著下降(检验值P＜0.05),水文站蒸发皿蒸发量变化率为-1.9 mm/a(P＜0.05)。

图3 黄河流域及各分区蒸发皿蒸发量年际变化过程

黄河流域8 个分区的蒸发皿蒸发量的年际变化趋势表明,Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅴ区、Ⅶ区、Ⅷ区气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量变化趋势基本保持一致,其年际变化具有较强同步性。

黄河上游Ⅰ区、Ⅱ区气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量均呈上升趋势。Ⅰ区气象站蒸发皿蒸发量变化率为1.9 mm/a,在P＜0.05 水平上呈显著上升趋势,水文站蒸发皿蒸发量变化率为1.2 mm/a,但在P＝0.05 水平上变化不显著。Ⅱ区气象站、水文站蒸发皿蒸发量的变化率分别为2.9、2.1 mm/a,在P＜0.05水平上均呈显著上升趋势。

Ⅲ区气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量变化率分别为-0.5、-1.3 mm/a,变化趋势均不显著。

Ⅳ区、Ⅴ区、Ⅶ区、Ⅷ区气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量在P＜0.05 水平上均呈显著下降趋势。Ⅳ区气象站蒸发皿蒸发量变化率为-3.1 mm/a(P＜0.05)。Ⅴ区气象站蒸发皿蒸发量变化率为-1.9 mm/a(P＜0.05),水文站的变化率为-3.9 mm/a(P＜0.05)。Ⅶ区气象站蒸发皿蒸发量变化率为-3.2 mm/a(P＜0.05),水文站的变化率为-4.2 mm/a(P＜0.05)。Ⅷ区气象站蒸发皿蒸发量呈显著下降趋势(-3.4 mm/a,P＜0.05),水文站在P＝0.14 水平上呈下降趋势。

Ⅵ区气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量变化趋势不同。气象站蒸发皿蒸发量变化率为1.7 mm/a,在P＝0.05 水平上变化趋势不显著,而水文站蒸发皿蒸发量变化率为-2.2 mm/a,在P＜0.05 水平上呈显著下降趋势。Ⅵ区包含渭河及汾河两个流域,渭河流域气象站蒸发皿蒸发量呈上升趋势,水文站蒸发皿蒸发量呈下降趋势；而汾河流域水文站蒸发皿蒸发量呈下降趋势,气象站蒸发皿蒸发量呈上升趋势。

基于M-K 趋势分析结果,黄河流域1975—2018年蒸发皿蒸发量变化趋势的空间分布如图4 所示。流域内气象站蒸发皿蒸发量和水文站蒸发皿蒸发量年际变化趋势的空间分布格局相似,表现为Ⅰ区、Ⅱ区呈上升趋势,Ⅴ区、Ⅶ区以及Ⅷ区呈下降趋势。气象站蒸发皿蒸发量在Ⅳ区呈下降趋势,在Ⅵ区主要呈上升趋势；水文站蒸发皿蒸发量在Ⅲ区以及Ⅵ区主要呈下降趋势。

图4 黄河流域蒸发皿蒸发量变化趋势空间分布

2.3 黄河流域蒸发皿蒸发量影响因子分析

黄河流域各分区气象因子变化趋势见表3,流域内年均气温均呈显著上升趋势；相对湿度以及风速均呈下降趋势；除Ⅰ区日照时数增加外,其他分区日照时数均呈减少趋势。

表3 黄河流域各分区气象因子变化趋势

黄河流域气象因子与蒸发皿蒸发量的Spearman秩相关系数(见表4)表明,流域上游蒸发皿蒸发量与气温、相对湿度和日照时数相关性较强,流域中下游主要受日照时数、相对湿度和风速的影响。

表4 各分区蒸发皿蒸发量与气象因子Spearman 秩相关系数

Ⅰ区、Ⅱ区气象站和水文站蒸发皿蒸发量与气温呈显著正相关,与相对湿度呈显著负相关,均通过P＝0.05 显著性检验。Ⅰ区、Ⅱ区气温上升和相对湿度下降引起蒸发皿蒸发量的上升,这2 个区域不存在“蒸发悖论”现象。Ⅲ区、Ⅴ区气象站蒸发皿蒸发量与日照时数和相对湿度具有较强的相关性,均通过P＝0.01显著性检验；水文站蒸发皿蒸发量与日照时数和风速相关性较强。Ⅶ区气象站和水文站蒸发皿蒸发量与日照时数和风速具有较强的正相关关系。Ⅷ区气象站和水文站蒸发皿蒸发量主要受控于风速和日照时数。黄河流域中下游地区气温与蒸发皿蒸发量的相关性较低且不显著,日照时数的减少和风速的降低是中下游地区蒸发皿蒸发量呈下降趋势的主要原因。

Ⅵ区气象站和水文站蒸发皿蒸发量变化趋势和主控因子不同。气象站蒸发皿蒸发量与相对湿度、气温和日照时数相关性较好,均通过P＝0.01 显著性检验,相关性由高到低分别为相对湿度＞气温＞日照时数；而水文站蒸发皿蒸发量与日照时数、风速和相对湿度具有较强的相关性,与日照时数和风速相关关系通过P＝0.01显著性检验,与相对湿度的相关关系通过P＝0.05 显著性检验。

3 讨论

气候变化和人类活动对黄河流域的蒸发过程产生了重要影响,但大多数研究将气象站蒸发皿蒸发量作为基础,以此反映黄河流域的蒸发格局及其变化规律,忽略了水文站蒸发皿蒸发量的重要参考价值。气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量尽管在变化趋势上基本保持一致,但在绝对量上存在显著差异。本研究发现黄河流域水文站蒸发皿蒸发量比气象站蒸发皿蒸发量显著偏低,多年平均蒸发量低154.8 mm,平均低15.2%。为验证这种差异并非是人为计算因素(回归计算)造成的,本文选择了相同时段水文站和气象站使用的同一水面蒸发测量仪器进行验证,但由于水文站和气象站选用观测设备客观因素的限制,因此选取1975—1989 年、2014—2018 年均使用20 cm 口径蒸发皿进行观测的水文站及气象站,其中Ⅱ区选取水文站5 个、气象站5 个,Ⅵ区选取水文站14 个、气象站14个；同时也分别选取2008—2014 年(每年4—9 月)、2014—2018 年(每年4—10 月)均使用E601 型蒸发皿进行观测的水文站及气象站,其中Ⅲ区选取水文站6个、气象站7 个,Ⅴ区选取水文站6 个、气象站6 个(见图5)。选用的水文站和气象站数量基本相同,且在区域内均匀分布。

图5 水文站和气象站分布

如图6 所示,相同观测仪器下,水文站蒸发皿蒸发量均低于气象站蒸发皿蒸发量,低14.2%～20.5%。1975—1989 年,Ⅱ区内水文站20 cm 口径蒸发皿多年平均蒸发量(1 093.6 mm)比气象站20 cm 口径蒸发皿(1 274.8 mm)低14.2%；2014—2018 年,Ⅵ区内水文站20 cm 口径蒸发皿多年平均蒸发量(1 352.2 mm)比气象站20 cm 口径蒸发皿(1 588.6 mm)低14.9%。2008—2014 年(每年4—9 月),Ⅲ区内水文站E601 型蒸发皿多年平均蒸发量(720.8 mm)比气象站E601 型蒸发皿(906.2 mm)低20.5%；2014—2018 年(每年4—10月),Ⅴ区内水文站E601 型蒸发皿多年平均蒸发量(661.1 mm)比气象站E601 型蒸发皿(789.3 mm)低16.2%。水文站蒸发皿蒸发量与气象站蒸发皿蒸发量变化趋势基本一致,但存在绝对量上的差异,这种差异与自然环境因素存在一定关系,两类站在应用目的层面上的不同导向,使得蒸发量观测仪器的布设存在一定差异。

图6 蒸发皿蒸发量年际变化趋势

关于黄河流域蒸发皿蒸发量的变化趋势已开展大量研究,结果表明:在全球气候变暖的背景下,黄河流域年均蒸发皿蒸发量呈下降趋势,该流域存在“蒸发悖论”现象［16-18］。本研究发现,随气温的上升,黄河流域蒸发皿蒸发量并非全流域性地下降,“蒸发悖论”主要存在于流域中下游,而气象站和水文站蒸发皿蒸发量都表明在Ⅰ区、Ⅱ区气温上升与蒸发皿蒸发量变化趋势一致。本研究认为存在这种差异的主要原因是驱动黄河流域蒸发皿蒸发量变化的主控因素不同。Ⅰ区、Ⅱ区相对湿度的下降和气温的上升引起了蒸发皿蒸发量的上升,而黄河中下游地区风速的下降和日照时数的减小是蒸发皿蒸发量减小的主要原因。

相对湿度常用于表征大气干燥度,一定程度上决定了蒸发过程的水汽输送条件。谭云娟［19］研究指出,气候变暖与降水量下降引起了黄河流域干燥度的上升,流域内暖干化趋势加剧。Wang 等［20］的研究进一步表明,黄河流域蒸发过程对相对湿度的敏感性较强,相对湿度的下降会引起蒸发量的上升。风速下降导致气流交换速度变慢,蒸发面的水汽不易被带到大气中,是黄河中下游蒸发皿蒸发量下降的一个重要原因。近几十年,包括黄河流域在内的中国大部分地区,地面风速呈下降趋势［21-22］,而城市化的发展导致地表粗糙度增加、阻力增大,进一步削弱了近地表风速［23-24］。蒸发过程所需的能量主要来源于太阳辐射［25］,日照时数的减少是黄河流域中下游蒸发皿蒸发量下降的另一主控因素。徐宗学等［26］研究认为,近几十年,黄河流域日照时数总体呈下降趋势,黄河流域中下游地区尤为明显。日照时数的减少可能与大气污染物排放所引起的气溶胶光学厚度增加有关［27］。此外,风速的减弱,不利于空气中污染物的扩散,使得空气污染加重。因此,黄河流域蒸发皿蒸发量受控于各种气象因子,蒸发皿蒸发量变化对气温的响应不能忽视其他气象因子对蒸发皿蒸发量的协同作用。

4 结论

本文分析了黄河流域1975—2018 年水文站和气象站蒸发皿蒸发量的差异、变化趋势与空间格局,并采用Spearman 秩相关方法揭示了蒸发皿蒸发量变化的主控因子,得到如下结论。

(1)黄河流域水文站蒸发皿蒸发量普遍低于相邻的气象站。1975—2018 年水文站多年平均蒸发皿蒸发量为866.2 mm,气象站多年平均蒸发皿蒸发量为1 021.0 mm,水文站蒸发皿蒸发量比气象站平均低15.2%。

(2)黄河流域气象站蒸发皿蒸发量与水文站蒸发皿蒸发量的空间分布格局相对一致。黄河上游龙羊峡以上区间(Ⅰ区)、龙羊峡至兰州区间(Ⅱ区)蒸发皿蒸发量较小,兰州至头道拐区间(Ⅲ区)、内流区(Ⅳ区)蒸发皿蒸发量较大,其他中下游各分区蒸发皿蒸发量较为接近,介于以上两者之间。

(3)黄河流域1975—2018 年整体年均蒸发皿蒸发量呈显著下降趋势,气象站蒸发皿蒸发量的变化率为-1.2 mm/a,水文站蒸发皿蒸发量的变化率为-1.9 mm/a。气象站和水文站蒸发皿蒸发量并非全流域性地下降。黄河上游龙羊峡以上区间(Ⅰ区)、龙羊峡至兰州区间(Ⅱ区)主要呈上升趋势,流域中下游主要呈下降趋势。

(4)影响黄河流域蒸发皿蒸发量变化的主控因素不同。黄河上游龙羊峡以上区间(Ⅰ区)、龙羊峡至兰州区间(Ⅱ区)气温上升和相对湿度下降引起蒸发皿蒸发量的上升,而日照时数的减少和风速的降低是中下游地区蒸发皿蒸发量呈下降趋势的主要原因。