黃河流域水文站和氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量時(shí)空變化及其差異

趙梓琨，孫文義，2，穆興民，2，宋小燕，趙廣舉，2，高 鵬，2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量是研究水庫(kù)、湖泊等天然水體蒸發(fā)量和陸面潛在蒸發(fā)量的基本參考資料,是反映地表水熱環(huán)境變化的一個(gè)重要指標(biāo),在氣象、水文、農(nóng)業(yè)灌溉、水資源評(píng)價(jià)以及水文模型模擬、水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理中具有十分重要的參考價(jià)值。探究蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)及其原因?qū)α私鈪^(qū)域氣候變化、水循環(huán)過(guò)程和生態(tài)環(huán)境影響等方面具有重要意義。

近年來(lái)隨著全球氣候變暖,蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在全球很多區(qū)域都呈顯著下降的趨勢(shì),這與氣候模式預(yù)設(shè)的增溫導(dǎo)致潛在蒸發(fā)量增加的假設(shè)相反,此現(xiàn)象被稱(chēng)為“蒸發(fā)悖論”?！罢舭l(fā)悖論”的形成機(jī)制和歸因分析成為學(xué)術(shù)研究前沿?zé)狳c(diǎn)?；诖?國(guó)內(nèi)外學(xué)者在蒸發(fā)皿蒸發(fā)量時(shí)空格局、變化趨勢(shì)、影響因子、原因分析等方面開(kāi)展了大量研究,取得了一些重要認(rèn)識(shí)。研究認(rèn)為,“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象廣泛分布于全世界,如以色列［1］、意大利［2］、墨西哥［3］以及中國(guó)［4］等。不同研究者對(duì)此現(xiàn)象有不同的解釋,認(rèn)為其主導(dǎo)因素不同。謝睿恒等［5］指出1961—2013 年中國(guó)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降趨勢(shì)主要受日照時(shí)數(shù)減小的影響。祁添垚等［6］對(duì)全國(guó)588 個(gè)氣象站1960—2005 年的氣象資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)大氣相對(duì)濕度增大是導(dǎo)致中國(guó)境內(nèi)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的主要原因。區(qū)域尺度的研究表明,日照時(shí)數(shù)的減少和地面風(fēng)速的下降導(dǎo)致了黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降［7-9］。

對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)及其主導(dǎo)因素的認(rèn)識(shí)普遍是基于氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量得出。與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相比,氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及其相關(guān)因子的觀測(cè)記錄完整、觀測(cè)期較長(zhǎng)且易獲得,因此相關(guān)研究相對(duì)較多。水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的差異,主要受蒸發(fā)皿水體與周?chē)h(huán)境所構(gòu)成的非均勻性氣象條件控制。水文站蒸發(fā)量的觀測(cè),旨在探索水文站所在流域的水面蒸發(fā)量及流域蒸發(fā)能力的變化規(guī)律；氣象站蒸發(fā)量的觀測(cè),是為城市天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)。二者在應(yīng)用目的層面上的不同導(dǎo)向,使得蒸發(fā)量觀測(cè)儀器的布設(shè)存在一定差異:水文站蒸發(fā)皿多位于流域溝道,反映其所在流域的潛在蒸發(fā)能力；而氣象站則布設(shè)在開(kāi)闊的城鎮(zhèn)郊區(qū),反映城市及其周邊區(qū)域的氣象要素特征。

黃河流域干旱與半干旱地區(qū)占大部分,長(zhǎng)期面臨生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源短缺等問(wèn)題［10］。對(duì)黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的定性分析和定量評(píng)估,有助于黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。黃河是中國(guó)北方的重要淡水資源,河川徑流量占全國(guó)2%,承載了全國(guó)15%的耕地面積、15%的人口和14%的GDP,是中國(guó)最重要的流域之一［11］。現(xiàn)有關(guān)于黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量空間格局及其主控因素的研究未充分考慮水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,難以綜合反映流域蒸發(fā)的變化趨勢(shì)及規(guī)律。因此,本文對(duì)比分析了黃河流域水文站和氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的差異、變化趨勢(shì)及其空間格局,闡明了影響流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣象因素,以期深入了解黃河流域氣候變化、水文循環(huán)過(guò)程,為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供重要參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓,流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東九省(區(qū)),于山東省東營(yíng)市注入渤海,全長(zhǎng)約5 464 km,是中國(guó)第二長(zhǎng)河。黃河流域處于東經(jīng)96°—119°、北緯32°—42°之間,流域面積約79.5 萬(wàn)km2,流域地勢(shì)總體西高東低(見(jiàn)圖1)。流域主要為干旱、半干旱和半濕潤(rùn)氣候,是我國(guó)氣候變化敏感區(qū)之一［12-13］。流域年均氣溫為7.8 ℃,年均降水量為458 mm,年均相對(duì)濕度為59.1%,年均風(fēng)速為2.3 m/s,年均日照時(shí)數(shù)為2 526.7 h,多年平均潛在蒸發(fā)量為943 mm。流域水體面積約為5 343.6 km2［14］,占黃河流域總面積的0.67%。按照水利部區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn),將黃河流域劃分為8 個(gè)二級(jí)水資源區(qū)(見(jiàn)圖1 中的Ⅰ～Ⅷ)。

圖1 黃河流域水文站及氣象站分布

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

收集整理黃河流域54 個(gè)氣象站和51 個(gè)水文站(見(jiàn)表1)1975—2018 年的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量資料。氣象站蒸發(fā)皿觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/),2005 年前多以20 cm 口徑蒸發(fā)皿為主,2005 年后多數(shù)站點(diǎn)改為冰期(大致為11 月至翌年3 月)使用20 cm 口徑蒸發(fā)皿、非冰期使用E601 型蒸發(fā)皿。水文站蒸發(fā)皿觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自《黃河流域水文資料》；水面蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)多為冰期使用20 cm 口徑蒸發(fā)皿、非冰期使用E601 型蒸發(fā)皿,部分站非冰期使用80 cm 口徑蒸發(fā)皿。

表1 選取水文站及氣象站信息

水文站觀測(cè)資料在20 世紀(jì)90 年代和21 世紀(jì)初未正式發(fā)布,為確保觀測(cè)時(shí)間的一致性,本研究選取了代表性好和連續(xù)性一致的1975—1989 年、2007—2018年的觀測(cè)記錄。依據(jù)全國(guó)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求,以E601 型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)不同口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量值進(jìn)行折算。對(duì)不同型號(hào)蒸發(fā)皿觀測(cè)重疊時(shí)段進(jìn)行回歸分析［15］,折算公式如下:

式中:EE601為E601 型蒸發(fā)皿觀測(cè)數(shù)據(jù)；E20為20 cm 口徑蒸發(fā)皿觀測(cè)數(shù)據(jù)；a、b為回歸分析所得的常數(shù)項(xiàng)。

基于折算公式,計(jì)算得到E601 型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。80 cm 口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與E601 型蒸發(fā)皿轉(zhuǎn)換時(shí)亦采用此方法。

同時(shí)收集整理了1975—2018 年黃河流域55 個(gè)國(guó)家基本氣象站與水面蒸發(fā)相關(guān)的主要?dú)庀笠財(cái)?shù)據(jù)集,包括日平均氣溫(0.1 ℃)、日平均風(fēng)速(0.1 m/s)、日平均相對(duì)濕度(0.1%)、日照時(shí)數(shù)(0.1 h),用于分析影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主控因素。

1.3 研究方法

(1)Mann-Kendall 趨勢(shì)分析。Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)用于分析蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年際變化趨勢(shì),該方法在氣象水文學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。公式如下:

式中:S為判別統(tǒng)計(jì)量；xk、xi為連續(xù)的數(shù)據(jù)變量；n為數(shù)據(jù)資料時(shí)間長(zhǎng)度。

若統(tǒng)計(jì)量Z大于0 則數(shù)據(jù)序列呈上升趨勢(shì),Z小于0 則數(shù)據(jù)序列呈下降趨勢(shì),當(dāng)｜Z｜≥1.96 時(shí)表明變化趨勢(shì)顯著。

(2)Spearman 秩相關(guān)分析。Spearman 秩相關(guān)分析用于檢驗(yàn)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣象要素因子之間的相關(guān)性,該方法為非參數(shù)檢驗(yàn)法,用于衡量?jī)蓚€(gè)變量的依賴(lài)性,在水文和氣象序列變化趨勢(shì)的評(píng)估中廣泛運(yùn)用。公式如下:

式中:ρ為相關(guān)系數(shù)；di為秩次差；Xi為時(shí)序1～n按序列數(shù)據(jù)值從小到大排列的序號(hào)；Yi為對(duì)應(yīng)時(shí)間排列序號(hào)；N為數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及其空間分布特征

黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表2?；跉庀笳菊舭l(fā)皿觀測(cè)資料,黃河流域整體年均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為1 021.0 mm,變化范圍為681.0～1 322.5 mm；基于水文站蒸發(fā)皿觀測(cè)資料,黃河流域整體年均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為866.2 mm,變化范圍為589.9～1 254.9 mm。與氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相比,水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量偏低,平均低15.2%。

表2 黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)特征值

黃河流域各分區(qū)年均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量空間分布如圖2所示。氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在空間分布格局上相對(duì)一致,但水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量普遍低于相鄰的氣象站。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相對(duì)較小,Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相對(duì)較大。Ⅰ區(qū)氣象站、水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值分別為814.3、691.5 mm。Ⅱ區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量比Ⅰ區(qū)略高,氣象站、水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值分別為841.8、739.0 mm。Ⅲ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值達(dá)1 140.2 mm、水文站達(dá)1 046.0 mm；Ⅳ區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值達(dá)1 239.0 mm。Ⅴ區(qū)、Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量比Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)偏高,比Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)偏低。Ⅴ區(qū)、Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值分別為1 142.0、983.5、999.7 mm,水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值分別為933.2、904.4、840.5 mm。Ⅷ區(qū)與中游地區(qū)較為接近,氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值為1 009.9 mm,水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值為860.1 mm。

圖2 黃河流域年均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量空間分布

2.2 黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年際變化特征

黃河流域氣象站和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年際變化過(guò)程(見(jiàn)圖3)表明,黃河流域整體年均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì),氣象站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量以-1.2 mm/a的變化率顯著下降(檢驗(yàn)值P＜0.05),水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為-1.9 mm/a(P＜0.05)。

圖3 黃河流域及各分區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年際變化過(guò)程

黃河流域8 個(gè)分區(qū)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的年際變化趨勢(shì)表明,Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅶ區(qū)、Ⅷ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)基本保持一致,其年際變化具有較強(qiáng)同步性。

黃河上游Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量均呈上升趨勢(shì)。Ⅰ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為1.9 mm/a,在P＜0.05 水平上呈顯著上升趨勢(shì),水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為1.2 mm/a,但在P＝0.05 水平上變化不顯著。Ⅱ區(qū)氣象站、水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化率分別為2.9、2.1 mm/a,在P＜0.05水平上均呈顯著上升趨勢(shì)。

Ⅲ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率分別為-0.5、-1.3 mm/a,變化趨勢(shì)均不顯著。

Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅶ區(qū)、Ⅷ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在P＜0.05 水平上均呈顯著下降趨勢(shì)。Ⅳ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為-3.1 mm/a(P＜0.05)。Ⅴ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為-1.9 mm/a(P＜0.05),水文站的變化率為-3.9 mm/a(P＜0.05)。Ⅶ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為-3.2 mm/a(P＜0.05),水文站的變化率為-4.2 mm/a(P＜0.05)。Ⅷ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)(-3.4 mm/a,P＜0.05),水文站在P＝0.14 水平上呈下降趨勢(shì)。

Ⅵ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)不同。氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為1.7 mm/a,在P＝0.05 水平上變化趨勢(shì)不顯著,而水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化率為-2.2 mm/a,在P＜0.05 水平上呈顯著下降趨勢(shì)。Ⅵ區(qū)包含渭河及汾河兩個(gè)流域,渭河流域氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì),水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)；而汾河流域水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì),氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì)。

基于M-K 趨勢(shì)分析結(jié)果,黃河流域1975—2018年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的空間分布如圖4 所示。流域內(nèi)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年際變化趨勢(shì)的空間分布格局相似,表現(xiàn)為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)呈上升趨勢(shì),Ⅴ區(qū)、Ⅶ區(qū)以及Ⅷ區(qū)呈下降趨勢(shì)。氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在Ⅳ區(qū)呈下降趨勢(shì),在Ⅵ區(qū)主要呈上升趨勢(shì)；水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在Ⅲ區(qū)以及Ⅵ區(qū)主要呈下降趨勢(shì)。

圖4 黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)空間分布

2.3 黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量影響因子分析

黃河流域各分區(qū)氣象因子變化趨勢(shì)見(jiàn)表3,流域內(nèi)年均氣溫均呈顯著上升趨勢(shì)；相對(duì)濕度以及風(fēng)速均呈下降趨勢(shì)；除Ⅰ區(qū)日照時(shí)數(shù)增加外,其他分區(qū)日照時(shí)數(shù)均呈減少趨勢(shì)。

表3 黃河流域各分區(qū)氣象因子變化趨勢(shì)

黃河流域氣象因子與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的Spearman秩相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表4)表明,流域上游蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣溫、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)相關(guān)性較強(qiáng),流域中下游主要受日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速的影響。

表4 各分區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣象因子Spearman 秩相關(guān)系數(shù)

Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)氣象站和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣溫呈顯著正相關(guān),與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān),均通過(guò)P＝0.05 顯著性檢驗(yàn)。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)氣溫上升和相對(duì)濕度下降引起蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的上升,這2 個(gè)區(qū)域不存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度具有較強(qiáng)的相關(guān)性,均通過(guò)P＝0.01顯著性檢驗(yàn)；水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速相關(guān)性較強(qiáng)。Ⅶ區(qū)氣象站和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。Ⅷ區(qū)氣象站和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量主要受控于風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)。黃河流域中下游地區(qū)氣溫與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)性較低且不顯著,日照時(shí)數(shù)的減少和風(fēng)速的降低是中下游地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)的主要原因。

Ⅵ區(qū)氣象站和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)和主控因子不同。氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與相對(duì)濕度、氣溫和日照時(shí)數(shù)相關(guān)性較好,均通過(guò)P＝0.01 顯著性檢驗(yàn),相關(guān)性由高到低分別為相對(duì)濕度＞氣溫＞日照時(shí)數(shù)；而水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和相對(duì)濕度具有較強(qiáng)的相關(guān)性,與日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速相關(guān)關(guān)系通過(guò)P＝0.01顯著性檢驗(yàn),與相對(duì)濕度的相關(guān)關(guān)系通過(guò)P＝0.05 顯著性檢驗(yàn)。

3 討論

氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河流域的蒸發(fā)過(guò)程產(chǎn)生了重要影響,但大多數(shù)研究將氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量作為基礎(chǔ),以此反映黃河流域的蒸發(fā)格局及其變化規(guī)律,忽略了水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的重要參考價(jià)值。氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量盡管在變化趨勢(shì)上基本保持一致,但在絕對(duì)量上存在顯著差異。本研究發(fā)現(xiàn)黃河流域水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量比氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量顯著偏低,多年平均蒸發(fā)量低154.8 mm,平均低15.2%。為驗(yàn)證這種差異并非是人為計(jì)算因素(回歸計(jì)算)造成的,本文選擇了相同時(shí)段水文站和氣象站使用的同一水面蒸發(fā)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行驗(yàn)證,但由于水文站和氣象站選用觀測(cè)設(shè)備客觀因素的限制,因此選取1975—1989 年、2014—2018 年均使用20 cm 口徑蒸發(fā)皿進(jìn)行觀測(cè)的水文站及氣象站,其中Ⅱ區(qū)選取水文站5 個(gè)、氣象站5 個(gè),Ⅵ區(qū)選取水文站14 個(gè)、氣象站14個(gè)；同時(shí)也分別選取2008—2014 年(每年4—9 月)、2014—2018 年(每年4—10 月)均使用E601 型蒸發(fā)皿進(jìn)行觀測(cè)的水文站及氣象站,其中Ⅲ區(qū)選取水文站6個(gè)、氣象站7 個(gè),Ⅴ區(qū)選取水文站6 個(gè)、氣象站6 個(gè)(見(jiàn)圖5)。選用的水文站和氣象站數(shù)量基本相同,且在區(qū)域內(nèi)均勻分布。

圖5 水文站和氣象站分布

如圖6 所示,相同觀測(cè)儀器下,水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量均低于氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量,低14.2%～20.5%。1975—1989 年,Ⅱ區(qū)內(nèi)水文站20 cm 口徑蒸發(fā)皿多年平均蒸發(fā)量(1 093.6 mm)比氣象站20 cm 口徑蒸發(fā)皿(1 274.8 mm)低14.2%；2014—2018 年,Ⅵ區(qū)內(nèi)水文站20 cm 口徑蒸發(fā)皿多年平均蒸發(fā)量(1 352.2 mm)比氣象站20 cm 口徑蒸發(fā)皿(1 588.6 mm)低14.9%。2008—2014 年(每年4—9 月),Ⅲ區(qū)內(nèi)水文站E601 型蒸發(fā)皿多年平均蒸發(fā)量(720.8 mm)比氣象站E601 型蒸發(fā)皿(906.2 mm)低20.5%；2014—2018 年(每年4—10月),Ⅴ區(qū)內(nèi)水文站E601 型蒸發(fā)皿多年平均蒸發(fā)量(661.1 mm)比氣象站E601 型蒸發(fā)皿(789.3 mm)低16.2%。水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)基本一致,但存在絕對(duì)量上的差異,這種差異與自然環(huán)境因素存在一定關(guān)系,兩類(lèi)站在應(yīng)用目的層面上的不同導(dǎo)向,使得蒸發(fā)量觀測(cè)儀器的布設(shè)存在一定差異。

圖6 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量年際變化趨勢(shì)

關(guān)于黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)已開(kāi)展大量研究,結(jié)果表明:在全球氣候變暖的背景下,黃河流域年均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì),該流域存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象［16-18］。本研究發(fā)現(xiàn),隨氣溫的上升,黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量并非全流域性地下降,“蒸發(fā)悖論”主要存在于流域中下游,而氣象站和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量都表明在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)氣溫上升與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)一致。本研究認(rèn)為存在這種差異的主要原因是驅(qū)動(dòng)黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主控因素不同。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)相對(duì)濕度的下降和氣溫的上升引起了蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的上升,而黃河中下游地區(qū)風(fēng)速的下降和日照時(shí)數(shù)的減小是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量減小的主要原因。

相對(duì)濕度常用于表征大氣干燥度,一定程度上決定了蒸發(fā)過(guò)程的水汽輸送條件。譚云娟［19］研究指出,氣候變暖與降水量下降引起了黃河流域干燥度的上升,流域內(nèi)暖干化趨勢(shì)加劇。Wang 等［20］的研究進(jìn)一步表明,黃河流域蒸發(fā)過(guò)程對(duì)相對(duì)濕度的敏感性較強(qiáng),相對(duì)濕度的下降會(huì)引起蒸發(fā)量的上升。風(fēng)速下降導(dǎo)致氣流交換速度變慢,蒸發(fā)面的水汽不易被帶到大氣中,是黃河中下游蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的一個(gè)重要原因。近幾十年,包括黃河流域在內(nèi)的中國(guó)大部分地區(qū),地面風(fēng)速呈下降趨勢(shì)［21-22］,而城市化的發(fā)展導(dǎo)致地表粗糙度增加、阻力增大,進(jìn)一步削弱了近地表風(fēng)速［23-24］。蒸發(fā)過(guò)程所需的能量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射［25］,日照時(shí)數(shù)的減少是黃河流域中下游蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的另一主控因素。徐宗學(xué)等［26］研究認(rèn)為,近幾十年,黃河流域日照時(shí)數(shù)總體呈下降趨勢(shì),黃河流域中下游地區(qū)尤為明顯。日照時(shí)數(shù)的減少可能與大氣污染物排放所引起的氣溶膠光學(xué)厚度增加有關(guān)［27］。此外,風(fēng)速的減弱,不利于空氣中污染物的擴(kuò)散,使得空氣污染加重。因此,黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量受控于各種氣象因子,蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化對(duì)氣溫的響應(yīng)不能忽視其他氣象因子對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的協(xié)同作用。

4 結(jié)論

本文分析了黃河流域1975—2018 年水文站和氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的差異、變化趨勢(shì)與空間格局,并采用Spearman 秩相關(guān)方法揭示了蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主控因子,得到如下結(jié)論。

(1)黃河流域水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量普遍低于相鄰的氣象站。1975—2018 年水文站多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為866.2 mm,氣象站多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為1 021.0 mm,水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量比氣象站平均低15.2%。

(2)黃河流域氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布格局相對(duì)一致。黃河上游龍羊峽以上區(qū)間(Ⅰ區(qū))、龍羊峽至蘭州區(qū)間(Ⅱ區(qū))蒸發(fā)皿蒸發(fā)量較小,蘭州至頭道拐區(qū)間(Ⅲ區(qū))、內(nèi)流區(qū)(Ⅳ區(qū))蒸發(fā)皿蒸發(fā)量較大,其他中下游各分區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量較為接近,介于以上兩者之間。

(3)黃河流域1975—2018 年整體年均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì),氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化率為-1.2 mm/a,水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化率為-1.9 mm/a。氣象站和水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量并非全流域性地下降。黃河上游龍羊峽以上區(qū)間(Ⅰ區(qū))、龍羊峽至蘭州區(qū)間(Ⅱ區(qū))主要呈上升趨勢(shì),流域中下游主要呈下降趨勢(shì)。

(4)影響黃河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化的主控因素不同。黃河上游龍羊峽以上區(qū)間(Ⅰ區(qū))、龍羊峽至蘭州區(qū)間(Ⅱ區(qū))氣溫上升和相對(duì)濕度下降引起蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的上升,而日照時(shí)數(shù)的減少和風(fēng)速的降低是中下游地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)的主要原因。