皖西丘陵地區(qū)水面蒸發(fā)量變化特征及影響因素分析

汪瑩瑩

(安徽省水文局淠史杭蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站，安徽 六安 237000)

陸地的水量平衡因子主要包含降水、蒸發(fā)和徑流。蒸發(fā)是水循環(huán)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它同時(shí)包含了水和熱的交換過(guò)程。作為影響水資源變化的主要因素，在全球變暖的情況下，大部分地區(qū)的陸面和水面蒸發(fā)量也相應(yīng)增加，并且可能引起更嚴(yán)重的干旱。然而盡管觀測(cè)到全球和北半球近50a平均氣溫顯著上升，世界不少地區(qū)觀測(cè)的水面蒸發(fā)量(蒸發(fā)皿記錄的蒸發(fā)量)卻出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，這在氣候變化和水循環(huán)領(lǐng)域被稱為“蒸發(fā)悖論”。為了研究皖西丘陵地區(qū)水面蒸發(fā)量變化特征及主要影響因素，本文選取1983—2020年望城崗蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站和姚李水文試驗(yàn)站實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，運(yùn)用氣候傾向率法探究歷年皖西丘陵地區(qū)蒸發(fā)量總體變化趨向，運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)確定歷年變化趨勢(shì)、突變時(shí)間及變化幅度。利用配套的主要?dú)庀笠蜃訉?shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，探求氣象要素對(duì)水面蒸發(fā)的影響程度。

1 區(qū)域概況及采用數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域氣候概況

皖西丘陵地區(qū)屬于北亞熱帶向暖溫帶轉(zhuǎn)換的過(guò)渡帶，屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。冬冷夏熱，雨量適中，四季分明，氣候溫和，光照充足，無(wú)霜期時(shí)間長(zhǎng)。因?yàn)樵摰貐^(qū)處在北亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡帶，冷暖氣流交織頻繁，一年中季風(fēng)強(qiáng)弱程度不一，進(jìn)退早遲不一，所以導(dǎo)致氣候多變，常受水、旱災(zāi)害的威脅。過(guò)半數(shù)地區(qū)多年平均氣溫14.6～15.6℃，從東北至西南隨著地勢(shì)的抬高呈遞減趨勢(shì)；多年平均地面溫度18～19℃，均高于平均氣溫；全年平均日照時(shí)數(shù)1960～2330h，夏秋季節(jié)高，冬春季節(jié)低；多年平均降水量為900～1600mm，降水呈現(xiàn)夏春季多、冬秋季少以及年際間懸殊過(guò)大的特點(diǎn)；全市年平均蒸發(fā)量750～960mm，從西南向東北遞增；冬季偏北風(fēng)，夏季偏南風(fēng)，春、秋兩季以偏東風(fēng)為主，年平均風(fēng)速3.2～3.4m/s。

1.2 采用數(shù)據(jù)

本文選用皖西丘陵地區(qū)2個(gè)代表性蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站六安望城崗蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站和姚李水文試驗(yàn)站1983—2020年水面蒸發(fā)量、降水量、平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)近38a系列實(shí)測(cè)資料進(jìn)行研究分析。采用的水面蒸發(fā)資料是由國(guó)標(biāo)E601-B型蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)而得，該蒸發(fā)皿器口面積3000cm2，器口高出地面30cm，器口高差小于0.2cm，是標(biāo)準(zhǔn)的水面蒸發(fā)器，每日8時(shí)通過(guò)測(cè)針量取蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量用于記錄蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

利用上述資料，按照冬季(12月—次年1月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)計(jì)算各氣象要素季序列、年序列，2個(gè)站的平均值代表皖西丘陵地區(qū)各要素值。采用1983—2020年平均值作為常年值。

1.3 研究方法

1.3.1氣候傾向率法

設(shè)樣本量為n的氣象變量xi，ti代表xi相對(duì)的時(shí)間，將xi和ti的趨勢(shì)用一元線性回歸方程來(lái)定量描述：

xi=a+bti(i=1，2，…，n)

(1)

在以上方程式中回歸常數(shù)設(shè)置為a，回歸系數(shù)設(shè)置為b，a、b用最小二乘法估計(jì)。

實(shí)測(cè)資料xi、xi相應(yīng)的時(shí)間ti，回歸常數(shù)a、回歸系數(shù)b用最小二乘法表示：

(2)

氣象變量xi與相對(duì)時(shí)間ti之間的相關(guān)系數(shù)公式為：

(3)

氣候傾向率就是一元回歸方程a+bti中的系數(shù)b乘以10,單位為℃/10a或mm/10a。當(dāng)b>0時(shí)，顯示氣候因子序列隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升變化趨勢(shì)；當(dāng)b<0時(shí)，顯示氣候因子序列隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降變化趨勢(shì)；|b|越大，表示趨向越明顯，反之則代表無(wú)明顯變化趨向。b值的大小體現(xiàn)了上升或下降的速率，即上升或下降的傾向程度。

1.3.2Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法是一種氣候診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法可以判斷氣候序列中是否存在突變，如果存在，可確定出突變發(fā)生的時(shí)間，也常用于受氣候變化影響的干旱頻次、降水的趨勢(shì)檢測(cè)。其檢驗(yàn)法不需要樣本服從某種分布，不受異常值干擾，檢測(cè)范圍大，計(jì)算便利。氣象因子樣本個(gè)數(shù)為n的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：

(4)

式中，ri取值如下：

(5)

可見(jiàn)秩序列sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在隨機(jī)獨(dú)立的時(shí)間序列下定義統(tǒng)計(jì)量：

(6)

式中，UF1=0，E(sk)和var(sk)是sk的均值和方差。

當(dāng)x1,x2,…,xn相互獨(dú)立并具有相同連續(xù)的分布時(shí)，它們可以用下式算出：

(7)

分析繪出UFk和UBk曲線圖，若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明序列呈下降趨勢(shì)。他們超過(guò)臨界線時(shí)，表明上升和下降趨勢(shì)顯著。若UFk和UBk2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

2 研究成果

2.1 降水、蒸發(fā)相關(guān)性分析

依據(jù)六安地區(qū)2個(gè)代表站蒸發(fā)和降水的實(shí)測(cè)資料，解析皖西丘陵地區(qū)1983—2020年蒸發(fā)和降水的變化趨勢(shì)，分析結(jié)果如圖1所示，見(jiàn)表1。

表1 皖西丘陵地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

從圖1可以看出，皖西丘陵地區(qū)近38a降水量和蒸發(fā)量總體變化較為平穩(wěn)，降水量呈上升變化趨勢(shì)，蒸發(fā)量呈下降變化趨勢(shì)。

圖1 皖西丘陵地區(qū)1983—2020年降水和蒸發(fā)年變化趨勢(shì)

由表1可知皖西丘陵地區(qū)年蒸發(fā)量以24.5mm/10a的速率減少，蒸發(fā)量夏季占全年的36.6%，說(shuō)明夏季蒸發(fā)量對(duì)全年的蒸發(fā)量有很大影響,除春季以5.0mm/10a速度增加，其余季節(jié)以4.6～10.9mm/10a速度遞減。其中夏季降幅最大，冬季降幅最小。

2.2 蒸發(fā)氣候突變分析

利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法計(jì)算蒸發(fā)量年、季序列，皖西丘陵地區(qū)1983—2020年蒸發(fā)量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線如圖2所示。

由圖2中的UF曲線可以看出，皖西丘陵地區(qū)在1999年之前蒸發(fā)量呈波動(dòng)狀態(tài)，總體上升趨勢(shì)，自1999年后，下降趨勢(shì)明顯，到2011年之后，這種下降趨勢(shì)超過(guò)了顯著水平0.05臨界線，表明減少趨勢(shì)十分明顯。計(jì)算出Z=-2.09，因?yàn)閨Z|=2.09>1.64，該趨勢(shì)檢驗(yàn)通過(guò)了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)，即皖西丘陵地區(qū)蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)位置確定從2001年后發(fā)生突變現(xiàn)象，明顯下降趨勢(shì)是在2011年后。

圖2 皖西丘陵地區(qū)1983—2020年蒸發(fā)量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

皖西丘陵地區(qū)季、年蒸發(fā)量突變檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 皖西丘陵地區(qū)季、年蒸發(fā)量突變檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，春季顯著變化不明顯，突變時(shí)間從2003年開始，夏冬2個(gè)季節(jié)突變時(shí)間均在1995年，秋季突變時(shí)間從2000年開始，顯著變化年份夏秋兩季均在2011年，春季在2006年，冬季在2003年，突變后均值減小幅度最大的是夏季，達(dá)到11.6%，最小是春季，增加6.96%，秋季和冬季分別減9.54%和10.1%。

3 蒸發(fā)與氣象要素的分析

3.1 蒸發(fā)與各氣象要素相關(guān)性分析

結(jié)合皖西丘陵地區(qū)1983—2020年站點(diǎn)配套資料(平均溫度、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)及平均風(fēng)速、降水量)，對(duì)其氣象因子變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各氣象因子與蒸發(fā)的量的相關(guān)關(guān)系及本身趨勢(shì)變化

從表3看可以看出，除相對(duì)濕度、降水量呈下降趨勢(shì)，平均溫度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)都呈上升趨勢(shì)變化。

結(jié)合氣象因子實(shí)測(cè)資料和蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行年尺度相關(guān)性分析，可以看出，日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.4932，其次是降水量，相關(guān)系數(shù)為0.4551。風(fēng)速與蒸發(fā)的相對(duì)性最差，相關(guān)系數(shù)0.1020。

3.2 氣象因子的突變分析

利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法計(jì)算各氣象因子年序列，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，突變檢驗(yàn)和之前的相關(guān)性檢驗(yàn)得出的結(jié)論一致，溫度突變從1998年開始，顯著變化在2001年，皖西丘陵地區(qū)氣溫近38a呈上升變化，而蒸發(fā)量存在穩(wěn)定下降的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)符合“蒸發(fā)悖論”的說(shuō)法。相關(guān)性分析得出平均溫度與蒸發(fā)的相關(guān)關(guān)系不顯著。平均濕度和日照時(shí)數(shù)突變均在2004年，其中日照的變化幅度與蒸發(fā)最為接近。

表4 皖西丘陵地區(qū)各氣象因子年序列突變檢驗(yàn)結(jié)果

突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示，風(fēng)速的變化幅度最為明顯，達(dá)到29.4%，顯著變化年份為1999年，分析原因是站點(diǎn)周圍大環(huán)境變動(dòng)，城市建設(shè)腳步加快導(dǎo)致站點(diǎn)周圍遮擋率變大而導(dǎo)致風(fēng)速減小。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)皖西丘陵地區(qū)蒸發(fā)量近38a呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，年蒸發(fā)量以24.5mm/10a的速率減少，夏季對(duì)全年蒸發(fā)量有很大影響。蒸發(fā)量在2001年后發(fā)生突變現(xiàn)象，在2011年后有明顯下降趨勢(shì)。

(2)皖西丘陵地區(qū)溫度呈上升趨勢(shì)變化，Mann-Kendall檢驗(yàn)也驗(yàn)證了溫度突變從1998年開始，明顯變化發(fā)生在2001年，而蒸發(fā)量呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)符合“蒸發(fā)悖論”的說(shuō)法。

(3)相關(guān)分析結(jié)果表明影響蒸發(fā)量的關(guān)鍵因素是日照時(shí)數(shù)和降水量。研究成果對(duì)于區(qū)域水資源評(píng)價(jià)、防汛抗旱等工作具有重要意義。但因?yàn)橛绊懰臍庀笠蛩氐膹?fù)雜性和多變性，致使水面蒸發(fā)量減小的原因不僅有氣象因子的影響，還有站點(diǎn)周邊大環(huán)境變動(dòng)、人類活動(dòng)、城市氣象效應(yīng)等因素的影響，今后需進(jìn)一步論證。