蒸發(fā)量變化特征及影響因素研究

隋景躍，張國林

（朝陽市氣象局，遼寧朝陽122000）

近百年來，我國氣溫上升了0.4～0.8℃，近30 a增溫尤為明顯[1-3]，東北地區(qū)在氣候變暖的形勢下，降水量在明顯減少[4-5]。一般認(rèn)為，氣溫升高可能會使大氣變干、蒸騰加強(qiáng)，加速水循環(huán)進(jìn)程。通過對近半個世紀(jì)蒸發(fā)量的變化分析表明，不同地區(qū)存在不同的變化趨勢，受氣候因子的影響多數(shù)地區(qū)的蒸發(fā)量呈明顯減少趨勢[6-9]。任國玉等[10]研究我國水面蒸發(fā)量時發(fā)現(xiàn)，我國東部、南部和西北地區(qū)的水面蒸發(fā)量下降顯著，而西南諸河流域和東北的松花江流域未見明顯變化。劉波等[11]研究認(rèn)為，氣溫日較差和風(fēng)速是影響蒸發(fā)量的主要原因；李瓊芳等[12]研究認(rèn)為，風(fēng)速和相對濕度是影響蒸發(fā)量下降的主要原因。因此，各個地區(qū)影響蒸發(fā)量的環(huán)境因子存在諸多的不同，分區(qū)域研究蒸發(fā)量的變化趨勢和影響因素很有必要。

蒸發(fā)是大氣水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，而蒸發(fā)量在水資源中起著不可估量的作用，蒸發(fā)量的變化直接影響水資源的直接利用率，水資源供需矛盾的日趨嚴(yán)峻對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的影響。在東北乃至遼西地區(qū)降水量逐漸減少的狀況下[13-14]，蒸發(fā)量的變化直接影響水資源循環(huán)[15]。蒸發(fā)皿蒸發(fā)是特定容器中的水面最大蒸發(fā)量，與實(shí)際蒸發(fā)有著必然的聯(lián)系，分析蒸發(fā)皿蒸發(fā)特征變化有助于揭示實(shí)際蒸發(fā)變化特征，對于制定水資源利用制度具有重要的參考價(jià)值，對探討氣候變暖大環(huán)境下蒸散、蒸騰等研究具有十分重要的意義。

基于以上考慮，筆者利用遼寧建平地區(qū)近60 a（1953—2012年）蒸發(fā)皿蒸發(fā)量資料，研究該地區(qū)蒸發(fā)量的變化特征，并應(yīng)用相關(guān)系數(shù)法分析了影響建平地區(qū)蒸發(fā)量的主要因子，采用多元回歸建立了蒸發(fā)量的估算模型，以期為水循環(huán)研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

建平地區(qū)位于遼寧省西部，西北面與內(nèi)蒙古赤峰市為鄰。老哈河、蹦河流經(jīng)境內(nèi)，是大凌河、小凌河發(fā)源地之一。努魯爾虎山脈將建平地區(qū)分為南、北具有明顯差異的氣候區(qū)，南部比北部地區(qū)年平均氣溫高2.7℃。建平地區(qū)屬北溫帶亞干旱氣候區(qū)，自然環(huán)境十分脆弱，土地沙石化，水土流失嚴(yán)重。

1.2 資料來源

資料來自朝陽市氣象局檔案室及葉柏壽氣象監(jiān)測站，年限為1953—2012年。所使用的資料有：蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，逐日最高、最低及平均氣溫，降水量、日照時數(shù)、風(fēng)速、總云量、相對濕度、水汽壓等。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候傾向率[16]取一元線性方程y＝a0x＋a1的一次項(xiàng)系數(shù)a0乘以10，來體現(xiàn)10 a平均變化趨勢。當(dāng)a0＞0，表示上升趨勢；當(dāng)a0＜0，表示下降趨勢。蒸發(fā)量氣候傾向率單位為mm/10 a。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)偏差 采用標(biāo)準(zhǔn)偏差方法[17]分析蒸發(fā)量異常年。標(biāo)準(zhǔn)偏差是量度數(shù)據(jù)分布的分散程度的標(biāo)準(zhǔn)，用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度，可確定極端事件發(fā)生幾率。

式中，S為標(biāo)準(zhǔn)偏差，yi－y為歷年值減總體平均數(shù)，N為樣本數(shù)。

1.3.3 累積距平和信噪比[18]突變年份由氣溫累積距平來確定，累積距平最大絕對值所對應(yīng)的時間假定為突變時間。蒸發(fā)量序列是否存在突變時間轉(zhuǎn)折點(diǎn)，采用信噪比對其進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3.4 完全相關(guān)[19]完全相關(guān)系數(shù)等于因子間相關(guān)系數(shù)與時間序列相關(guān)的乘積，可體現(xiàn)出影響蒸發(fā)量的可能因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 年蒸發(fā)量變化特征

建平地區(qū)1953—2012年年蒸發(fā)總量平均值為1 374 mm，1961年最多，為1 712 mm，2010年最少，為1 085 mm，極差為627mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±136mm。正常年蒸發(fā)量在1 238～1 510 mm之間；異常偏多有9 a，均出現(xiàn)在1975年之前，幾率為15.0%；異常偏少有10 a，均出現(xiàn)在1985年之后，幾率為16.7%。

從圖1可以看出，1953—2012年近60 a蒸發(fā)量存在明顯的減少變化趨勢，序列相關(guān)系數(shù)為0.622 3，達(dá)極顯著水平（P＜0.01），氣候傾向率為-48.768 mm/10 a，每10 a減少蒸發(fā)量約49 mm，近60 a減少蒸發(fā)量約為293 mm。從年代時間尺度分析，20世紀(jì)60年代的蒸發(fā)量最大（1 529 mm），其次依次是20世紀(jì)70年代（1 417 mm）和50年代（1 416 mm），20世紀(jì)80年代（1 350 mm）和90年代（1332mm），21世紀(jì)10年代蒸發(fā)量最少（1241mm），年代最大相差288 mm。

2.2 4—9月蒸發(fā)量變化特征

4—9月是建平地區(qū)大田作物生長季，此時段蒸發(fā)量平均值為962 mm，占年蒸發(fā)量的70%；其中，1961年最多，為1 244 mm，2010年最少，為702 mm。標(biāo)準(zhǔn)偏差為±120 mm，蒸發(fā)量的正常值在842～1 082 mm之間；異常偏多有6 a，均出現(xiàn)在1972年之前，幾率為10.0%；異常偏少有10 a，均出現(xiàn)在2003年之后，幾率為16.7%。

圖2顯示，1953—2012年近60 a蒸發(fā)量存在明顯的減少變化趨勢，序列相關(guān)系數(shù)為0.681 5，達(dá)極顯著水平（P＜0.01），氣候傾向率為-47.29 mm/10 a，每10 a減少蒸發(fā)量約47 mm，近60 a蒸發(fā)量減少約284mm。從年代時間尺度分析，20世紀(jì)60年代蒸發(fā)量最大（1 078 mm），其次是20世紀(jì)50年代（1 017 mm）和70年代（1 003 mm），20世紀(jì)90年代（964 mm）和 80年代（957 mm），21世紀(jì) 10年代蒸發(fā)量最少（808 mm），年代最大相差270 mm。

2.3 蒸發(fā)量氣候躍變

經(jīng)蒸發(fā)量累積距平分析，年蒸發(fā)總量在1984年累積距平絕對值達(dá)最大，由此可假定1983，1984年存在氣候躍變。據(jù)信噪比檢驗(yàn)結(jié)果，XZB＝0.76較為顯著，假定成立。說明從1984年開始年蒸發(fā)量突變性減少，突變之前1953—1983年平均值為1 453mm，突變之后1984—2012年平均值為1 289 mm，年蒸發(fā)量平均減少164 mm。

作物生長季蒸發(fā)量在1984年累積距平絕對值達(dá)到最大，由此可假定，1983，1984年存在氣候躍變。信噪比檢驗(yàn)結(jié)果顯著，XZB＝0.84較為顯著，假定成立。說明從1984年開始作物生長季蒸發(fā)量突變性減少，突變之前1953—1983年平均值為1 032 mm，突變之后1984—2012年平均值為887 mm，年蒸發(fā)量平均減少145 mm。

2.4 蒸發(fā)量的主要影響因子及多元回歸

為分析氣候因子對蒸發(fā)量的影響，進(jìn)行氣候要素與蒸發(fā)量的相關(guān)分析。由表1可知，日照時數(shù)、氣溫日較差、平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫、風(fēng)速、相對濕度、水汽壓、降水量及云量這10個氣候因子中，序列相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平（P＜0.05）的有日照時數(shù)、氣溫日較差、平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、風(fēng)速、水汽壓及云量8個因子，其中，平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、水汽壓呈明顯上升趨勢；而日照時數(shù)、氣溫日較差、風(fēng)速及云量呈明顯下降趨勢；相對濕度和降水量序列相關(guān)不顯著。

當(dāng)蒸發(fā)受氣象要素作用時，則產(chǎn)生出不同的影響能力，隨著日照時數(shù)、氣溫日較差、風(fēng)速的增多或升高時，蒸發(fā)量也存在明顯增多；隨著平均最低氣溫、相對濕度、水汽壓下降或減少時蒸發(fā)量而增大，并且通過0.05（P＜0.05）信度檢驗(yàn)，平均氣溫、降水量與蒸發(fā)量的相關(guān)性沒有通過顯著性檢驗(yàn)。

表1 蒸發(fā)量相關(guān)因子及完全相關(guān)

根據(jù)公式（3）的完全相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，日照時數(shù)、氣溫日較差、平均最低氣溫和風(fēng)速對蒸發(fā)量影響達(dá)到了顯著水平?？傮w來說，影響建平地區(qū)蒸發(fā)量的能量因子有日照時數(shù)、氣溫日較差和平均最低氣溫，動力因子有風(fēng)速，而水分因子的影響相對較小。

利用完全相關(guān)因子，采用多元回歸分析方法對建平地區(qū)年平均蒸發(fā)量進(jìn)行估算，其回歸方程為：

式中，y為年蒸發(fā)量；x1為日照時數(shù)；x2為氣溫日較差；x5為平均最低氣溫；x6為平均風(fēng)速。方差檢驗(yàn)F值為20.647 9，通過了顯著性檢驗(yàn)（F0.05＝6.16）。從公式（4）可以看出，日照時數(shù)、氣溫日較差、平均最低氣溫、平均風(fēng)速與蒸發(fā)量均呈正相關(guān)。

由圖3可知，擬合值與實(shí)測值趨勢變化具有一致性，擬合值與觀測值接近，相關(guān)系數(shù)為0.789 0（P＜0.01），擬合率相對誤差在-12.8%～16.2%之間，準(zhǔn)確率在83.8%以上。經(jīng)模式計(jì)算，預(yù)測2011年蒸發(fā)量為1 172 mm，實(shí)測值為1 828 mm，絕對誤差為-110 mm，相對誤差為-8.6%；預(yù)測2012年蒸發(fā)量為1 126 mm，絕對誤差為39 mm，相對誤差為3.5%，這一結(jié)果與實(shí)測值接近。說明運(yùn)用該回歸方程可以擬合建平地區(qū)年蒸發(fā)量的趨勢，并具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，遼寧建平地區(qū)1953—2012年蒸發(fā)量的變化趨勢減少明顯，年蒸發(fā)量每10 a平均減少約49 mm，21世紀(jì)10年代較比20世紀(jì)60年代平均減少288 mm；大田作物生長季（4—9月）蒸發(fā)量每10 a減少約47 mm，21世紀(jì)10年代較比20世紀(jì)60年代減少270 mm。氣候躍變發(fā)生在1983，1984年，躍變之前（1953—1983年）比躍變之后（1984—2012年）年蒸發(fā)量平均減少164 mm，作物生長季平均減少145 mm。

本研究通過對蒸發(fā)量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析可知，日照時數(shù)、氣溫日較差、平均最低氣溫、風(fēng)速、相對濕度及水汽壓等因子與蒸發(fā)量相關(guān)顯著，說明蒸發(fā)量的變化受諸多因子作用的結(jié)果。日照時數(shù)、氣溫日較差、平均最低氣溫屬能量供應(yīng)因子，對蒸發(fā)量影響最明顯，其次是動力因子風(fēng)速，而水分因子對蒸發(fā)量的影響較小。因此，建平地區(qū)降水量的減少與氣溫的升高不是造成蒸發(fā)量下降的主要原因，而是最低氣溫的升高、氣溫日較差的縮小、日照時數(shù)減少、風(fēng)速的減小等多因素作用的結(jié)果。

應(yīng)用多元回歸方法，建立了建平地區(qū)年平均蒸發(fā)量的估算模型（R＝0.780 5，α＝0.05），能較好地?cái)M合出年蒸發(fā)量的變化趨勢和特征，對預(yù)測年蒸發(fā)量具有一定的參考價(jià)值。

總之，蒸發(fā)量的減少是多因素作用的結(jié)果，屬于非線性的。單一考慮氣溫升高、降水量減少會導(dǎo)致蒸發(fā)量的增加將出現(xiàn)偏頗，掩蓋氣候變化的真實(shí)過程。在氣候變暖的情景下，蒸發(fā)量減少，無疑是對干旱地區(qū)水資源平衡的一種體現(xiàn)。

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