凯里市蒸发量变化特征及影响因素分析

2011-11-07刘良平

中低纬山地气象 2011年1期

周艳,梁平,刘良平,蒙涛,张健

(1.贵州省黔东南自治州气象台,贵州凯里 556000;2.贵州省施秉县气象局,贵州施秉 556200;3.贵州省凯里市气象局,贵州凯里 556000;4.贵州省丹寨县气象局,贵州丹寨 557500)

凯里市蒸发量变化特征及影响因素分析

周艳1,梁平1,刘良平2,蒙涛3,张健4

利用线性倾向性估计和Mann—Kendal检验方法,分析了凯里市 1958—2009年蒸发量的变化特征,通过相关分析,结果表明:凯里市蒸发量在以 35.8mm/10a的速率下降,年蒸发总量在 1964年发生了突变,1968年显著减少;春、夏、秋三季季蒸发量 20世纪 60年代初期发生了突变,夏季突变最为明显;低云量、平均气温逐年递增、日照显著减少的变化趋势是蒸发量减少的最重要影响因子,相对湿度、水汽压、降水量对蒸发量影响不可忽视,风速对蒸发量的影响作用不大。

蒸发量;变化特征;影响因素;凯里市

1 引言

蒸发既是水文循环的重要环节,也是地表热量平衡的组成部分,是水循环中最直接受土地利用和气候变化影响的一项。蒸发具有重要的调节作用,可以提高最低气温、降低最高气温、增加空气湿度等等。因此研究蒸发量变化特征,对研究气候变化的规律具有十分重要的意义。本文研究凯里市蒸发量突变时间与年际变化趋势,在此基础上讨论可能影响其变化的气候要素变化特征,并对Michael[1]提出的“蒸发悖论”现象进行验证,试图为该地区水资源评价、水文研究、水利工程设计以及气候变化研究提供重要的参考指标。

2 资料及研究方法

2.1 资料

凯里市 1958年 1月—2001年 12月逐日 20cm口径蒸发皿 (小型蒸发)蒸发量、1988年 1月—2009年 12月逐日 E601型蒸发器 (大型蒸发)、1958年 1月—2009年 12月逐日平均气温、日照时数、平均风速、平均相对湿度、低云量、降水量等资料来自于黔东南州气象局资料室。

四季划分为,3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—次年 2月为冬季,分别计算蒸发量、平均气温等气象要素历年季平均值、年平均值。

由于 1988年 1月—2001年 12月凯里站实行两种仪器进行蒸发量对比观测,2002年 1月—2009年12月凯里站改用 E601型蒸发器观测蒸发量,为了找出两种仪器观测的蒸发量之间的关系,引用他人研究成果[2],建立蒸发量之间的关系如下:

U=a×U601+b

式中:U是 20cm口径蒸发皿的蒸发量,U601是E601型蒸发器的蒸发量,a、b为待定系数。a、b的确定根据 1988年 1月—2001年 12月两种蒸发量对比观测资料,利用 Excel中的统计工具 L INEST、 INTERCEPT、CORREL分别计算得出 (表 1)。

表 1 年、季两种蒸发量换算系数

由表 1可以看出小型蒸发皿和 E601型蒸发器蒸发量之间有很好的正相关关系,相关系数均达到0.89以上,通过信度α=0.001的检验。因此认为2002—2009年的小型蒸发量完全可以用大型蒸发量及系数 a、b计算出来。

2.2 研究方法

气候要素的变化采用气候倾向率的方法即:y=a+bt。式中:y为气候要素的拟合值;t为时间;a为回归常数,b为倾向值,反映 y随时间 t的变化趋势,并利用 y与 t之间的相关系数 r来检验变化趋势是否显著[3]。突变检验采用了 Mann—Kendall检验(简记 M—K检验)。

3 凯里市蒸发量变化特征

3.1 蒸发量变化趋势分析

从图 1可以看出:年总蒸发量呈减少趋势,递减率为 -35.8mm/10a,这种减少趋势通过 0.001的信度检验。表 2给出了凯里市 52 a和各季蒸发量的变化趋势值,数据表明,春、夏、秋三季蒸发量之和占全年总蒸发量的 88.9%,说明春、夏、秋三季蒸发量的多少对年总蒸发量,即年水循环起重要作用;年蒸发量和各季节蒸发量都呈现下降趋势。

3.2 蒸发量气候突变分析

利用M-K方法对年总蒸发量、春、夏、秋、冬四季季蒸发量进行了突变检验。图 2是凯里市 1958—2009年年蒸发量 M-K统计量曲线,可以看出1958—2009年统计量UF值小于 0,说明凯里市蒸发量在统计时段内是呈减少趋势,且通过 0.05的信度检验,同时在 1968年、1970—1971年、1974—1984年、1996—2009年 UF值超过临界线 (此时 |UF|>Uα=0.05=1.96),可见蒸发量在这几个时间段内的减少趋势十分显著。根据UF和UB曲线的交点位置分析,1964年UF和 UB的交点位于临界线之间 (即:|UF|、|UB|

表 2 凯里市近半个世纪年、季蒸发量 (mm)的变化趋势

图 1 凯里市蒸发量年变化趋势

图 2 凯里市年蒸发量M-K统计量曲线

图 3给出了凯里市春、夏、秋、冬四季蒸发量M-K统计量曲线,从图可以看出:春夏秋冬四季UF、UB曲线均超过临界线 (Uα=0.05=1.96),通过0.05的信度检验。四季蒸发量总体呈减少趋势,不同点是冬季在 1962—1963年、1979年、1987—1989年 UF值大于 0,表明冬季蒸发量在这几个时间段呈增加趋势,同理在 1959年、1961—1963年、1990年夏季蒸发量呈增加趋势,秋季在 1959—1960年也出现增加趋势。另外还可以看出冬季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曲线超过临界线,表明这些时间段内蒸发量减少趋势十分显著。

分析年及各季UF和UB曲线的交点及 UF曲线与临界线的交点 (表 3)可知:年突变为 1964年,冬季1988年、春季 1964年、夏季 1964年、秋季 1963年。除冬季外,年总蒸发量以及春、夏、秋三季蒸发量的突变开始年均在 20世纪 60年代初期。年总蒸发量及夏季季蒸发量的突变显著时间均出现在 1968年,春季是 1982年,秋季是 2000年,冬季 2002年。季蒸发量突变后均值减少幅度最大的是冬季,达到15.3%;最小的是秋季,为 12.9%;夏春季分别为14.5%和 13.5%。

图 3 凯里市各季蒸发量M-K统计量曲线

表 3 凯里市年及各季蒸发量 (mm)突变

4 影响蒸发量的气候因子分析

蒸发量是一个很敏感的气象要素,是太阳辐射、空气相对湿度、温度、风速等气象要素的非线性复杂函数,如温度、风速、日照等是蒸发量的升函数,而相对湿度、云量、降水量等又是蒸发量的降函数[6]。按照影响要素的属性分为 3类,即反映湿度的降水量、空气相对湿度和云量;代表热力因子的气温、日较差、日照时数;代表动力因子的水汽压、平均风速。

4.1 各气象要素的年际变化特征

热力因子:凯里市年平均气温增温率为0.098℃/10a,信度为 0.01,表明气温的升温趋势十分显著;另一个反映热力因子的参数日照则以39.4h/10a的速度下降,信度为 0.01。

湿度因子:降水量没有明显的变化趋势,仅在一定范围内波动;低云量以每 10年增加 0.1个量,信度为 0.01;相对湿度没有明显的变化趋势。

动力因子:水汽压没有明显的变化。风速变化下降趋势最为显著,以每 10年 0.07m/s的速度递减,并且通过 0.01信度检验。

4.2 蒸发量与各气象要素相互关系分析

为了清楚地了解各种气象因子在蒸发过程中所起的作用,参考前人研究成果[7-9]引入水汽压(x1)、云量 (x2)、气温 (x3)、日照时数 (x4)、降水量(x5)、风速 (x6)、相对湿度 (x7)等 7种与蒸发相关的气象因子进行相关性普查分析 (表 4)。

表 4 各气候要素与蒸发量的相关性及其本身变化趋势

从表 4可以看出,云量、气温与蒸发量相关性达到 0.10置信水平,水汽压与蒸发量的相关性通过0.05置信水平,日照、降水量、湿度与蒸发量的单相关达到 0.01极显著置信水平,风速未通过信度检验。通过信度检验的这 6个气象要素中,气温、日照时数与蒸发量呈正相关,低云量、水汽压、降水量、湿度等与蒸发量呈负相关。其中相对湿度与蒸发量相关性最好,相关系数达到 -0.60,其次是降水量 (-0.43)。

依据气象因子与蒸发量的相关性可以看出,相对湿度、水汽压、降水量与蒸发量的相关性均通过了 0.05的信度检验,但是这些要素 52 a没有出现显著变化,认为相对湿度、水汽压、降水量是影响蒸发量的因子,但不是主要因子;同样风速虽然下降趋势很显著,但与蒸发量的相关性不明显,也不是影响蒸发量减少的主要因子。云量与蒸发量呈负相关,气温、日照与蒸发量呈正相关,表明云量、气温的增加及日照显著减少的变化趋势是蒸发量逐年减少的重要原因。一般认为气温升高将使地球表面的空气变干,从而增加陆面水体蒸发量,得到蒸发量会增加的结论。而目前的观测资料表明蒸发量是稳定下降的,事实验证“蒸发悖论”同样在凯里市存在。这与其他区域蒸发量变化的影响因素略有差别[10-12],但从侧面说明了蒸发量的变化因地而异,其影响因素多,物理机理也相当复杂。