高 蓓, 范建忠, 景毅剛, 高茂盛

（陜西省農業(yè)遙感信息中心,陜西西安 710015）

近年來,隨著經濟的發(fā)展,氣候的變暖,水資源的評價成為區(qū)域發(fā)展的重要工作之一。陜西渭河流域屬于嚴重的資源性缺水地區(qū),在氣候變化和人類活動的影響下,生態(tài)環(huán)境進一步惡化,水資源供需矛盾日益突出。

蒸發(fā)量是水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié),是水量平衡的重要組成部分[1],據統計全球陸地表面的蒸發(fā)量約是降水量的60%～65%[2],在水利工程設計、水資源開發(fā)利用中具有重要作用。對于蒸發(fā)量的研究,隨著氣候變化和氣象災害的頻頻發(fā)生,開始受到許多研究者的關注[3]。與國外的研究結果一致,中國的大部分地區(qū)也普遍存在蒸發(fā)皿蒸發(fā)量顯著減少的趨勢[4-5],邱新法等[6]的研究表明,黃河流域蒸發(fā)量的的下降主要表現在春夏兩季,秋季和冬季則不明顯,局部區(qū)域與整個流域的氣候變化趨勢不完全同步。郭軍等[7]分析發(fā)現,近50年來黃淮流域蒸發(fā)量減少十分明顯,且春季和夏季減少最為顯著。徐宗學等[8]的研究指出黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量大部分地區(qū)呈現出明顯的下降趨勢。但這些研究結論與全球氣候變暖背景下,蒸發(fā)量增大相悖,由此引發(fā)“蒸發(fā)悖論”的一系列討論[9-12]。文中利用陜西渭河流域氣象臺站的20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量資料進行分析,以期獲得陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的趨勢。

1 資料和方法

1.1 資料來源和處理

文中所用資料為陜西渭河流域43個氣象站1978～2010年20cm口徑蒸發(fā)皿觀測的逐月蒸發(fā)量數據資料。對于個別站點存在缺測數據,則以該站缺測日前后幾天的平均值代替,如果是整個月份數據缺測,則以該月多年平均值代替。

在20世紀80年代以前使用直徑20cm的蒸發(fā)器（用 Ф 20表示）量測蒸發(fā)量,80年代中期以后氣象臺站陸續(xù)增設E601蒸發(fā)皿（用E601表示）量測蒸發(fā)量,所以對任何一個站而言,均沒有一個完整的 Ф 20或E601蒸發(fā)量數據,為了獲得一致的蒸發(fā)量序列,進行回歸分析[13],將E601觀測值轉化為 Ф 20觀測值,即令

式中,Y60代表E601蒸發(fā)皿觀測的數據,Y20代表 Ф 20蒸發(fā)器觀測的數據,求得回歸系數,得到估算的E601蒸發(fā)量數據。

用小型蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量,代表理想水體的蒸發(fā),在濕潤微風氣候條件下與實際的水面蒸發(fā)量比較接近。雖然小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量不能確切地代表真實水體的蒸發(fā),更不能代表實際陸面蒸發(fā),但對于了解水面蒸發(fā)量的時間變化規(guī)律和趨勢是有價值的。

根據氣候干燥指數和地理特征,將流域分成陜北區(qū)、渭北西部、關中西部、關中東部4區(qū),如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率

在計算各個參數的變化趨勢時,主要采用以下方法,計算各因子的年平均值、年總值,求出各個氣象因子的區(qū)域平均值,采用氣候傾向率分析各因素的時間變化趨勢,即:

式中,Y為氣象要素的擬合值,t為時間,a0為常數項,a1為氣候傾向率,即氣象要素年變化趨勢率。

1.2.2 氣候趨勢系數

趨勢系數能定量給出某種氣象要素時間序列的升降程度,定義為

式中,rxt為n年要素序列與自然數列的相關系數,xi為第i年要素值,ˉx為樣本均值,ˉt=（n+1）/2。rxt的正、負反映了要素在n年內的線性增減趨勢。用于定量描述氣候趨勢變化強弱的空間分布特征。

為了分析各氣候因子與蒸發(fā)量的相關性,采用完全相關系數分析方法分析各氣象因子對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響,以討論陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的原因。

2 結果分析

2.1 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的時間變化

對陜西渭河流域43個氣象臺站1978～2010年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量數據進行統計發(fā)現,多年平均年蒸發(fā)量為1499.7mm,其中,春季（3～5月）為462.8mm,占全年的30.9%,夏季（6～8月）為 610.4mm,占全年的 40.7%,秋季（9～11月）為260.7mm,占全年的17.4%,冬季（12～2月）為143.5mm,占全年的9.8%。

由表1可以看出,陜西渭河流域的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,20世紀70年代蒸發(fā)量最大,80年代有所下降,90年代有所回升,21世紀初（2001～2010年）略有下降,且幅度變化不大,90年代與21世紀初（2001～2010年）的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相當,90年代至21世紀初較70年代下降了120mm,較80年代上升了100mm。不同的地理區(qū)變化幅度不同,渭北西部下降幅度最大,陜北、關中東部和關中西部的變化趨勢和全流域的變化趨勢相同。在季節(jié)上,春季和夏季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢（沒有通過a=0.05的顯著性檢驗）,秋季和冬季呈下降趨勢,但冬季通過a=0.05的顯著性檢驗。

圖1 陜西渭河流域站點分布及分區(qū)

表1 1978～2010年陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的統計 （單位:mm）

圖2 1978～2010年陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量累積距平變化

圖2為陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的逐年變化和逐年累積距平變化。由圖2（a）可以看出,渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.2mm/a,年趨勢系數為0.1,沒有通過 a=0.05的顯著性檢驗,故表明近33a來年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,但不是顯著上升。

圖3為陜西渭河流域不同季節(jié)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化曲線。其中春季和冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,夏季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢,僅春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量趨勢擬合曲線能通過a=0.01信度檢驗,即春季蒸發(fā)量變化明顯。由時間序列與蒸發(fā)量擬合的結果表明,春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.58mm/a,夏季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.43mm/a,秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.1mm/a,冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為0.61mm/a,這表明在季節(jié)變化過程中以春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加趨勢最為明顯。

圖3 1978～2010年陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量不同季節(jié)變化

2.2 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間變化

雖然陜西渭河流域整體年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,但仍有部分區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢,主要分布在黃陵-銅川。由圖4（a）可以看出,除陜北區(qū)西南部、渭北西區(qū)東北部和關中東區(qū)西部的部分地區(qū)下降外,陜西渭河流域大部蒸發(fā)皿蒸發(fā)量均上升,氣候傾向率的上升幅度為 0.11～18.77mm/a,最高值位于扶風,可達18.77mm/a;而陜北區(qū)西南部、渭北西區(qū)東北部和關中東區(qū)西部的部分地區(qū)的下降幅度為0.29～7.41mm/a,最低值位于宜君,為7.41mm/a。

圖4 陜西渭河流域年總蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布

圖4（b）中絕對值大于0.3的氣候趨勢系數通過了 a=0.05的顯著性檢驗,即蒸發(fā)量呈顯著上升或下降趨勢,其余值表示蒸發(fā)皿蒸發(fā)量無顯著變化。統計結果（表2）表明,33年來陜西渭河流域43站中16站的年總蒸發(fā)量顯著上升,1站顯著下降。

圖5 1978～2010年陜西渭河流域四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間變化

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢在不同季節(jié)的分布也是不同的（圖5）。春季、夏季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的空間分布基本與圖4相似,春季、夏季和秋季主要表現為上升的氣候趨勢,且上升幅度較大,最高達8.43mm/a（出現在夏季）,春季和夏季蒸發(fā)量下降的區(qū)域與圖4相似,秋季蒸發(fā)量下降區(qū)域擴大,分布在陜北區(qū)西南部、渭北西區(qū)東部、關中西區(qū)東部和關中東區(qū)西部。冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的空間分布與其他季節(jié)不同,雖然仍主要表現為上升趨勢,但是上升和下降的區(qū)域范圍大致相近,且下降區(qū)域分布在陜北區(qū)、渭北西部區(qū)大部、關中西區(qū)東部和關中東區(qū)大部。

表2 陜西渭河流域不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的臺站數統計

3 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的原因分析

由于影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的氣象要素很多,將影響要素分為動力因子、熱力因子和水分因子3類采用完全相關系數法,分別計算出各氣象要素與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的完全相關系數（表3）和各氣象要素的年變化趨勢（表4）。

表3 陜西渭河流域及各區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣象因子的相關性分析

平均氣溫在流域及各個區(qū)均呈現明顯的上升趨勢,其上升幅度不一致,陜北區(qū)上升幅度最低;平均氣溫與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的相關程度分析表明,渭北西區(qū)和關中西區(qū)通過顯著性檢驗,為正相關。氣溫日較差除在陜北區(qū)呈下降趨勢外,其他研究區(qū)域均呈上升趨勢;氣溫日較差在陜西渭河流域及各區(qū)域均通過了顯著性檢驗,為正相關。因此,平均氣溫在過去的33年中對渭北西區(qū)和關中西區(qū)蒸發(fā)量增加的貢獻最大。

表4 陜西渭河流域及各區(qū)域氣象因子的變化趨勢

日照時數除關中西區(qū)下降外,在陜北區(qū)、渭北西區(qū)、關中東區(qū)和流域都有顯著的增加趨勢,日照時數在流域及各區(qū)內與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量均表現為正相關,通過了顯著性檢驗。相對濕度與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關關系均達到99%的顯著性水平,表現為負相關,但相對濕度在過去33年中并沒有明顯的變化。而低云量在全省及各個區(qū)域均呈下降趨勢,下降較為緩慢,低云量和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間相關程度較低。在陜西渭河流域和渭北西區(qū),風速與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關系數都達到99%的信度水平,表現為正相關。降水量在研究區(qū)域均呈下降趨勢,且下降明顯;降水量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關系數通過顯著性檢驗,為正相關,故降水量在過去33年中對陜西渭河流域及各區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的增加的貢獻較大。

應用左洪超等[14]的分析觀點,導致陜西渭河流域1978～2010年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的可能原因有平均氣溫、氣溫日較差、風速、降水量和相對濕度。由表4可以看出,平均氣溫和日照時數明顯增加,相對濕度、平均風速和低云量的變化不明顯,降水量有較大幅度下降;由此可以得知,影響陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的主要原因是平均氣溫和降水量。

4 結論

（1）近33年來陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,但不是顯著上升;年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.2mm/a。春季和冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,夏季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢。春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為2.58mm/a,夏季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.43mm/a,秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為-0.1mm/a,冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候傾向率為0.61mm/a,這表明在季節(jié)變化過程中以春季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加趨勢最為明顯。

（2）陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在過去的33年中呈上升趨勢,春季和秋季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢,夏季和冬季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢。就四季蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化區(qū)域而言,渭北西部下降幅度最大,陜北、關中東部和關中西部的變化趨勢和全流域的變化趨勢相同。

（3）導致陜西渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量增加的可能原因主要是平均氣溫上升和降水量的減少;各分區(qū)中,陜北區(qū)的可能原因是降水量減少;渭北西區(qū)的可能原因是平均溫度的上升;關中西區(qū)的可能原因是降水量的減少,關中東區(qū)的可能原因是平均氣溫上升和降水量的減少。

[1] 丁一匯,戴曉蘇.中國近百年來的溫度變化[J].氣象,1994,20（12）:19-26.

[2] 曾艷.黃河流域實際蒸散分布式模型研究[D].北京:中國科學院研究生院,2004.

[3] 楊秀芹,鐘平安.蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化及其研究進展[J].地球物理學進展,2008,23（5）:1494-1498.

[4] 任國軍,郭軍.中國水面蒸發(fā)量的變化[J].自然資源學報,2006,21（1）:31-44.

[5] 申雙和,盛瓊.45年來中國蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及其成因[J].氣象學報,2008,66（3）:452-460.

[6] 邱新法,劉昌明,曾艷.黃河流域近40年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候變化特征[J].自然資源學報,2003,18（4）:437-442.

[7] 郭軍,任國玉.黃淮海流域蒸發(fā)量的變化及其原因分析[J].水科學進展,2005,16（5）:666-672.

[8] 曾燕,邱新法,劉昌明,等.1960～2000年中國蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候變化特征[J].水科學進展,2007,18（3）:311-318.

[9] RODERICK M L,FARQUHAR G D.Thecause of decreased pan evaporation over the past 50 years[J].Science,2002,298:1410-1411.

[10] COHEN S,STANHILL G.Evaporation climate change at Bet Dagan,Israel,1964-1998[J].Agricultural and Forest Meteorology,2002,111（2）:83-91.

[11] OHMURA A,WILD M.Is the hydrological cycle accelerating[J].Science,2002,298:1345-1346.

[12] 叢振濤,倪廣恒,楊大文.“蒸發(fā)悖論”在中國的規(guī)律分析[J].水科學進展,2008,19（2）:147-152.

[13] 任國玉,郭軍.中國水面蒸發(fā)量的變化[J].自然資源學報,2006,21（1）:31-44.

[14] 左洪超,李棟梁,胡隱樵.近40a中國氣候變化趨勢及其蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量變化的關系[J].科學通報,2005,50（11）:1125-1130.