山东省滨州市蒸发动态变化趋势分析

李本厚，孔令太，朱广禄

（滨州市水文中心，山东 滨州 256600）

水面蒸发是水体生态系统中较为关键和重要的问题，也是水资源的三大平衡因素之一。同时，水面蒸发是水库、湖泊等水体水分流失的重要组成成分，是陆地蒸腾过程中的重要参考数据，同时在产流计算、水资源评价、洪水预报、水量平衡计算、旱情分析、水资源利用等领域发挥着巨大的作用[1]。

1 概况

滨州市位于山东省北部、黄河三角洲腹地、渤海湾西南岸，全市境域横跨黄河南北，位于北纬36°41′19″～38°16′14″、东经117°15′27″～118°37′03″，南北最长纵距175 km，东西最大跨径120 km，总面积9 660 km2。下辖2 区4 县，代管邹平县级市，全市常驻人口约为393 万人。地处中纬度，属东亚暖温带亚湿润大陆性季风气候区，因受太阳辐射、季风和自然地理环境影响，形成四季分明、气候温和的基本气候特征。河流冰期大致分为结冰期、封冻期和解冻期3个阶段，结冻期一般在12月初至翌年2月底；封冻期多在12月中下旬至翌年2月中旬，约60 d。

滨州市境内除过境黄河外，以黄河为界，南部为小清河流域，北部为海河流域，各河大致流向东北，注入渤海。黄河自邹平市西北部的苗家入境，东至博兴县老盖家村附近入东营市，境内河段长94 km，南堤长99.3 km，北堤长91.6 km，两堤间滩区面积为158.8 km2；小清河水系包括小清河、孝妇河、杏花河、支脉河4条主要河流；海河水系包括徒骇河、德惠新河、马颊河、漳卫新河、秦口河、潮河6条主要河流。

2 资料来源和选用

2.1 资料来源

本文选取堡集闸水文站、白鹤观闸水文站实测系列水文资料。堡集闸水文站位于滨州市三河湖镇的二十里堡闸，白鹤观闸水文站位于滨州市无棣县车王镇白鹤观闸，两站均建于1971 年，蒸发观测情况相同，均为不同时段分别使用20 cm 口径蒸发器、E601蒸发器、80 cm 口径套盆蒸发器，不同蒸发器观测结果均折算至E601蒸发器蒸发量，折算系数详见表1[2]。

表1 不同型号蒸发器与E601蒸发器折算系数汇总

2.2 资料使用合理性分析

对于水平蒸发来说，其站网布局要能充分反映蒸发量的空间变异，并能适应区域内的蒸发率和地表蒸发区的分布特征。水面蒸发站网密度根据本地区的分析成果来确定，应采用2 000～5 000 km2设一站的标准[3]。山东省滨州市位于鲁北平原地区，总面积9 660 km2，现有2处蒸发站，蒸发站布设密度为4 830 km2设一站，满足密度要求。

白鹤观闸水文站、堡集闸水文站均为国家重要水文站，测站设立时即含有蒸发观测项目。依托各类水文设施工程，2 处测站相应水文要素观测设施均及时进行更新换代，设备均符合现行国家相关规范要求。2 处水文站均由水文职工常年驻守，观测数据真实可靠，并全部纳入水文年鉴刊印。本文采用1971—2021年实测蒸发量与邻近水文站蒸发资料进行对比，数据可靠度高，可用于蒸发变化趋势分析。

3 分析方法介绍

3.1 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall 趋势检验法是Mann 在1945 年首次提出来的，而后Kendall 在1975 年对该方法进行了改进，形成了标准的Mann-Kendall 趋势检验法。该方法属于非参数检验，由于不受样本值、分布类型等的影响，因此在水文学中有着十分广泛的运用[4]。本文以Mann-Kendall 趋势检验法为基础，通过Mann-Kendall 趋势检验，分析了蒸发序列数据的变化趋势并进行置信检验。

在Mann-Kendall 趋势检验过程中，在序列Xi=（X1，X2，…，Xn）中，对全部的对偶值（Xi，Xj，j＞1）进行确定，得出Xi、Xj之间的关系[4]，统计量S计算公式如下：

式中：sign（）是一个符号函数，Xi-Xj在大于、等于、小于零时，sign（Xi-Xj）对应的是1、0、-1。

M-K统计量Z的计算公式如下[4]：

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2时，则原假设H0不成立，即在置信水平α上时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值代表上升的趋势，为负值代表下降的趋势。|Z|的值大于等于1.28、1.64、2.32时，表示变化趋势通过了90%、95%、99%置信度显著性检验[5]。

3.2 Mann-Kendall突变检验法

通过使用Mann- Kendall 趋势检验法确定蒸发序列数据变化倾向后，使用Mann-Kendall 突变检验法做进一步分析，确定变化趋势的突变节点及趋势显著变化情况。定义统计量，给出显著程度，按时间顺序求UF统计量，逆时序求UB统计量。UF＞0 时表示该序列在上升，UF＜0 时表示该序列有下降的趋势；超出临界点时，表明该序列有明显的上升或下降趋势，超出临界点的区域发生突变；若UF与UB在临界线上相交，则该交叉点为突变起始时刻[6]。

3.3 小波分析法

小波分析是在Fourier分析基础上发展起来的一种新的时间-尺度（频率）分析方法。小波方差图能反映能量随尺度的分布，可以确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度，进而确定一个时间序列中存在的主要周期[7]。本文使用Matlab程序对1971—2021年山东省滨州市年均蒸发量进行小波分析。

4 结果与分析

4.1 变化趋势及突变分析

根据计算，山东省滨州市年蒸发量变化趋势的Mann-Kendall 统计量结果详见表2，Z=-5.26，|Z|＞2.32＞0，由此可得出山东省滨州市年蒸发量表现出较为显著的下降态势，同时通过了显著性99%的检验。利用Mann-Kendall 突变检验法对年蒸发量资料做突变检验，将获得的UB统计量和UF统计量绘于图1。从图1可以看出，山东省滨州市年蒸发量的UF统计量曲线从1973 年开始小于零，1984—1986、1994年之后超出临界线范围，即自1973年开始出现下降趋势，1984—1986、1994 年以后下降更为明显。UF、UB的统计量曲线，并没有在临界线内发生相交。

图1 山东省滨州市1971—2021年蒸发量Mann-Kendall检验曲线

表2 山东省滨州市1971—2021年蒸发量变化情况检验

4.2 周期性分析

利用Matlab 程序，对山东省滨州市1971—2021年蒸发量进行小波分析，绘制小波方差，如图2 所示。从图2 可以看出，山东省滨州市年蒸发量存在较为明显的2个波峰，分别对应时间为18、28 a。其中，波峰最高为28 a处，即年蒸发量数据序列主要时间尺度为28 a，也是该数据序列的主要震荡周期；时间尺度18 a 处对应另一波峰，为该数据序列的次要震荡周期。

图2 山东省滨州市1971—2021年蒸发量小波方差示意

利用Matlab程序，计算小波方差，分别制作时间尺度18、28 a 的实部过程线，如图3—4 所示。从图3—4 可以看出，在18 a 时间尺度内，平均蒸发量的变化周期大约是10 a；在28 a 时间尺度内，平均蒸发量的变化周期大约是17 a。

图3 山东省滨州市1971—2021年蒸发量18 a时间尺度小波实部过程线

图4 山东省滨州市1971—2021年蒸发量28 a时间尺度小波实部过程线

5 结论

本文对山东省滨州市1971—2021 年多年蒸发量进行了分析研究，得出该时间序列动态变化规律。

（1）滨州市多年平均蒸发量为977.1 mm，最大年蒸发量为1972 年的1 160.9 mm，最小年蒸发量为2010年的771.1 mm。

（2）滨州市年均蒸发量随时间变化存在下降趋势，1994年之后下降趋势显著。

（3）年蒸发量在18、28 a时间尺度表现出强烈的波动，并具有一定的规律性。其中，以28 a为一个主要的震荡周期，年蒸发量变幅在17 a左右。