凱里市蒸發(fā)量變化特征及影響因素分析

周 艷,梁 平,劉良平,蒙 濤,張 健

(1.貴州省黔東南自治州氣象臺,貴州 凱里 556000;2.貴州省施秉縣氣象局,貴州 施秉 556200;3.貴州省凱里市氣象局,貴州 凱里 556000;4.貴州省丹寨縣氣象局,貴州 丹寨 557500)

凱里市蒸發(fā)量變化特征及影響因素分析

周 艷1,梁 平1,劉良平2,蒙 濤3,張 健4

(1.貴州省黔東南自治州氣象臺,貴州 凱里 556000;2.貴州省施秉縣氣象局,貴州 施秉 556200;3.貴州省凱里市氣象局,貴州 凱里 556000;4.貴州省丹寨縣氣象局,貴州 丹寨 557500)

利用線性傾向性估計(jì)和Mann—Kendal檢驗(yàn)方法,分析了凱里市 1958—2009年蒸發(fā)量的變化特征,通過相關(guān)分析,結(jié)果表明:凱里市蒸發(fā)量在以 35.8mm/10a的速率下降,年蒸發(fā)總量在 1964年發(fā)生了突變,1968年顯著減少;春、夏、秋三季季蒸發(fā)量 20世紀(jì) 60年代初期發(fā)生了突變,夏季突變最為明顯;低云量、平均氣溫逐年遞增、日照顯著減少的變化趨勢是蒸發(fā)量減少的最重要影響因子,相對濕度、水汽壓、降水量對蒸發(fā)量影響不可忽視,風(fēng)速對蒸發(fā)量的影響作用不大。

蒸發(fā)量;變化特征;影響因素;凱里市

1 引言

蒸發(fā)既是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié),也是地表熱量平衡的組成部分,是水循環(huán)中最直接受土地利用和氣候變化影響的一項(xiàng)。蒸發(fā)具有重要的調(diào)節(jié)作用,可以提高最低氣溫、降低最高氣溫、增加空氣濕度等等。因此研究蒸發(fā)量變化特征,對研究氣候變化的規(guī)律具有十分重要的意義。本文研究凱里市蒸發(fā)量突變時(shí)間與年際變化趨勢,在此基礎(chǔ)上討論可能影響其變化的氣候要素變化特征,并對Michael[1]提出的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證,試圖為該地區(qū)水資源評價(jià)、水文研究、水利工程設(shè)計(jì)以及氣候變化研究提供重要的參考指標(biāo)。

2 資料及研究方法

2.1 資料

凱里市 1958年 1月—2001年 12月逐日 20cm口徑蒸發(fā)皿 (小型蒸發(fā))蒸發(fā)量、1988年 1月—2009年 12月逐日 E601型蒸發(fā)器 (大型蒸發(fā))、1958年 1月—2009年 12月逐日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、平均相對濕度、低云量、降水量等資料來自于黔東南州氣象局資料室。

四季劃分為,3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年 2月為冬季,分別計(jì)算蒸發(fā)量、平均氣溫等氣象要素歷年季平均值、年平均值。

由于 1988年 1月—2001年 12月凱里站實(shí)行兩種儀器進(jìn)行蒸發(fā)量對比觀測,2002年 1月—2009年12月凱里站改用 E601型蒸發(fā)器觀測蒸發(fā)量,為了找出兩種儀器觀測的蒸發(fā)量之間的關(guān)系,引用他人研究成果[2],建立蒸發(fā)量之間的關(guān)系如下:

U=a×U601+b

式中:U是 20cm口徑蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量,U601是E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量,a、b為待定系數(shù)。a、b的確定根據(jù) 1988年 1月—2001年 12月兩種蒸發(fā)量對比觀測資料,利用 Excel中的統(tǒng)計(jì)工具 L INEST、 INTERCEPT、CORREL分別計(jì)算得出 (表 1)。

表 1 年、季兩種蒸發(fā)量換算系數(shù)

由表 1可以看出小型蒸發(fā)皿和 E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)量之間有很好的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.89以上,通過信度α=0.001的檢驗(yàn)。因此認(rèn)為2002—2009年的小型蒸發(fā)量完全可以用大型蒸發(fā)量及系數(shù) a、b計(jì)算出來。

2.2 研究方法

氣候要素的變化采用氣候傾向率的方法即:y=a+bt。式中:y為氣候要素的擬合值;t為時(shí)間;a為回歸常數(shù),b為傾向值,反映 y隨時(shí)間 t的變化趨勢,并利用 y與 t之間的相關(guān)系數(shù) r來檢驗(yàn)變化趨勢是否顯著[3]。突變檢驗(yàn)采用了 Mann—Kendall檢驗(yàn)(簡記 M—K檢驗(yàn))。

3 凱里市蒸發(fā)量變化特征

3.1 蒸發(fā)量變化趨勢分析

從圖 1可以看出:年總蒸發(fā)量呈減少趨勢,遞減率為 -35.8mm/10a,這種減少趨勢通過 0.001的信度檢驗(yàn)。表 2給出了凱里市 52 a和各季蒸發(fā)量的變化趨勢值,數(shù)據(jù)表明,春、夏、秋三季蒸發(fā)量之和占全年總蒸發(fā)量的 88.9%,說明春、夏、秋三季蒸發(fā)量的多少對年總蒸發(fā)量,即年水循環(huán)起重要作用;年蒸發(fā)量和各季節(jié)蒸發(fā)量都呈現(xiàn)下降趨勢。

3.2 蒸發(fā)量氣候突變分析

利用M-K方法對年總蒸發(fā)量、春、夏、秋、冬四季季蒸發(fā)量進(jìn)行了突變檢驗(yàn)。圖 2是凱里市 1958—2009年年蒸發(fā)量 M-K統(tǒng)計(jì)量曲線,可以看出1958—2009年統(tǒng)計(jì)量UF值小于 0,說明凱里市蒸發(fā)量在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)是呈減少趨勢,且通過 0.05的信度檢驗(yàn),同時(shí)在 1968年、1970—1971年、1974—1984年、1996—2009年 UF值超過臨界線 (此時(shí) |UF|>Uα=0.05=1.96),可見蒸發(fā)量在這幾個時(shí)間段內(nèi)的減少趨勢十分顯著。根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)位置分析,1964年UF和 UB的交點(diǎn)位于臨界線之間 (即:|UF|、|UB|

表 2 凱里市近半個世紀(jì)年、季蒸發(fā)量 (mm)的變化趨勢

圖 1 凱里市蒸發(fā)量年變化趨勢

圖 2 凱里市年蒸發(fā)量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

圖 3給出了凱里市春、夏、秋、冬四季蒸發(fā)量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線,從圖可以看出:春夏秋冬四季UF、UB曲線均超過臨界線 (Uα=0.05=1.96),通過0.05的信度檢驗(yàn)。四季蒸發(fā)量總體呈減少趨勢,不同點(diǎn)是冬季在 1962—1963年、1979年、1987—1989年 UF值大于 0,表明冬季蒸發(fā)量在這幾個時(shí)間段呈增加趨勢,同理在 1959年、1961—1963年、1990年夏季蒸發(fā)量呈增加趨勢,秋季在 1959—1960年也出現(xiàn)增加趨勢。另外還可以看出冬季2002—2008年,春季 1967年、1981—1985年、1996—2006年,夏季 1968—1971年、1974年、1977年、1980年、1999—2009年 ,秋季 1982年2000—2006年 UF曲線超過臨界線,表明這些時(shí)間段內(nèi)蒸發(fā)量減少趨勢十分顯著。

分析年及各季UF和UB曲線的交點(diǎn)及 UF曲線與臨界線的交點(diǎn) (表 3)可知:年突變?yōu)?1964年,冬季1988年、春季 1964年、夏季 1964年、秋季 1963年。除冬季外,年總蒸發(fā)量以及春、夏、秋三季蒸發(fā)量的突變開始年均在 20世紀(jì) 60年代初期。年總蒸發(fā)量及夏季季蒸發(fā)量的突變顯著時(shí)間均出現(xiàn)在 1968年,春季是 1982年,秋季是 2000年,冬季 2002年。季蒸發(fā)量突變后均值減少幅度最大的是冬季,達(dá)到15.3%;最小的是秋季,為 12.9%;夏春季分別為14.5%和 13.5%。

圖 3 凱里市各季蒸發(fā)量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

表 3 凱里市年及各季蒸發(fā)量 (mm)突變

4 影響蒸發(fā)量的氣候因子分析

蒸發(fā)量是一個很敏感的氣象要素,是太陽輻射、空氣相對濕度、溫度、風(fēng)速等氣象要素的非線性復(fù)雜函數(shù),如溫度、風(fēng)速、日照等是蒸發(fā)量的升函數(shù),而相對濕度、云量、降水量等又是蒸發(fā)量的降函數(shù)[6]。按照影響要素的屬性分為 3類,即反映濕度的降水量、空氣相對濕度和云量;代表熱力因子的氣溫、日較差、日照時(shí)數(shù);代表動力因子的水汽壓、平均風(fēng)速。

4.1 各氣象要素的年際變化特征

熱力因子:凱里市年平均氣溫增溫率為0.098℃/10a,信度為 0.01,表明氣溫的升溫趨勢十分顯著;另一個反映熱力因子的參數(shù)日照則以39.4h/10a的速度下降,信度為 0.01。

濕度因子:降水量沒有明顯的變化趨勢,僅在一定范圍內(nèi)波動;低云量以每 10年增加 0.1個量,信度為 0.01;相對濕度沒有明顯的變化趨勢。

動力因子:水汽壓沒有明顯的變化。風(fēng)速變化下降趨勢最為顯著,以每 10年 0.07m/s的速度遞減,并且通過 0.01信度檢驗(yàn)。

4.2 蒸發(fā)量與各氣象要素相互關(guān)系分析

為了清楚地了解各種氣象因子在蒸發(fā)過程中所起的作用,參考前人研究成果[7-9]引入水汽壓(x1)、云量 (x2)、氣溫 (x3)、日照時(shí)數(shù) (x4)、降水量(x5)、風(fēng)速 (x6)、相對濕度 (x7)等 7種與蒸發(fā)相關(guān)的氣象因子進(jìn)行相關(guān)性普查分析 (表 4)。

表 4 各氣候要素與蒸發(fā)量的相關(guān)性及其本身變化趨勢

從表 4可以看出,云量、氣溫與蒸發(fā)量相關(guān)性達(dá)到 0.10置信水平,水汽壓與蒸發(fā)量的相關(guān)性通過0.05置信水平,日照、降水量、濕度與蒸發(fā)量的單相關(guān)達(dá)到 0.01極顯著置信水平,風(fēng)速未通過信度檢驗(yàn)。通過信度檢驗(yàn)的這 6個氣象要素中,氣溫、日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量呈正相關(guān),低云量、水汽壓、降水量、濕度等與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)。其中相對濕度與蒸發(fā)量相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到 -0.60,其次是降水量 (-0.43)。

依據(jù)氣象因子與蒸發(fā)量的相關(guān)性可以看出,相對濕度、水汽壓、降水量與蒸發(fā)量的相關(guān)性均通過了 0.05的信度檢驗(yàn),但是這些要素 52 a沒有出現(xiàn)顯著變化,認(rèn)為相對濕度、水汽壓、降水量是影響蒸發(fā)量的因子,但不是主要因子;同樣風(fēng)速雖然下降趨勢很顯著,但與蒸發(fā)量的相關(guān)性不明顯,也不是影響蒸發(fā)量減少的主要因子。云量與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān),氣溫、日照與蒸發(fā)量呈正相關(guān),表明云量、氣溫的增加及日照顯著減少的變化趨勢是蒸發(fā)量逐年減少的重要原因。一般認(rèn)為氣溫升高將使地球表面的空氣變干,從而增加陸面水體蒸發(fā)量,得到蒸發(fā)量會增加的結(jié)論。而目前的觀測資料表明蒸發(fā)量是穩(wěn)定下降的,事實(shí)驗(yàn)證“蒸發(fā)悖論”同樣在凱里市存在。這與其他區(qū)域蒸發(fā)量變化的影響因素略有差別[10-12],但從側(cè)面說明了蒸發(fā)量的變化因地而異,其影響因素多,物理機(jī)理也相當(dāng)復(fù)雜。

5 小結(jié)與討論

本文通過對凱里市 52 a的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及相關(guān)氣象要素的變化分析得到如下結(jié)論:

①凱里市年蒸發(fā)量呈現(xiàn)每10 a下降35.8mm趨勢,各季雖然也呈現(xiàn)下降趨勢,但下降速率各異,以夏季下降趨勢最為明顯,對年蒸發(fā)量下降的影響最大。

②M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明,凱里市年蒸發(fā)量突變發(fā)生在 1964年,自 1968年后持續(xù)減少;冬季突變時(shí)間出現(xiàn)在 1988年,春、夏、秋三季顯著突變時(shí)間均出現(xiàn)在 20世紀(jì) 60年代初期。

③綜合分析表明,低云量、氣溫、日照是影響凱里市蒸發(fā)量減少的重要因子,相對濕度、水汽、降水量等氣象要素對蒸發(fā)量的影響作用也不容忽視。

④過去 52 a凱里市氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢,而蒸發(fā)量呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢,即總體上存在“蒸發(fā)悖論”規(guī)律。本文只是對可能引起蒸發(fā)皿蒸發(fā)量減少的部分氣象要素進(jìn)行了初步探討,由于影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的要素多,物理機(jī)制復(fù)雜,尚有待于進(jìn)一步研究。

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1003-6598(2011)01-0025-04

2010-04-23

周艷 (1982-),女,助工,主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。