陕北黄土高原蒸发量时空变化及其影响因素

(陕西省水务集团有限公司，西安 710004)

联合国气侯变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,简称IPCC)第5次报告指出，近百年来全球平均气温上升0.74℃，未来百年还将持续上升1.1℃～6.4℃，当今全球气候变暖的格局日益显著，进而引起地表蒸散增强[1]。有关研究指出，近50年来中国蒸发量持续增加，这导致干燥度和干旱指数较高[2]。蒸发过程是大气系统动力循环的驱动之一，作为平衡热量交互的重要矢量，其紧密联系着水循环与大气循环。黄土高原是我国生态脆弱区，也是季风气候向干旱大陆性气候过渡区，在气候变化和人类扰动的背景下，区域地表蒸散活动十分复杂[3]。本文以陕北黄土高原(延安市和榆林市)为案例区，分析在气候变化背景下区域蒸发量的时空变化及其影响因素，以期为区域水资源规划和生态环境修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究中选取陕北黄土高原地区63个气象站点，基于逐日蒸发量数据加权计算年蒸发量、气温和降水，该气象数据来源于中国气象局国家气象信息中心(http://data.cma.cn/)。地形数据来源于地理空间数据云，为研究区内的DEM(空间分辨率为30 m)，坡向则运用Arcgis10.5平台下surface模块的aspect工具提取。NDVI数据来源于MODIS数据网站(https://modis.gsfc.nasa.gov/)，其产品序号为13A，空间分辨率为500 m。

1.2 GIS空间插值分析

为直观描述研究区蒸发量以及其他环境因子空间分布，在GIS平台下运用Geostastics功能进行插值分析，目标变量分别为蒸发量、气温和降水量，空间位置以各气象站点的坐标数据为基础。进行地统计插值的时候，先运用GS+9.0软件计算其半方差函数，根据R2接近于1、残差接近于0的原则选择最佳拟合模型，并且记录模型参数，然后将其运用于GIS平台进行空间估计，插值方法为普通Kriging法。

1.3 Mann-Kendall趋势分析

Mann-Kendall趋势分析用以度量时间变量总体变化程度。其检验统计量如下：

(1)

(2)

式中：n为时间序列长度；xk和xi则分别为第k、第i个时间序列值。

当S表现为正态分布时，其方差统计量如下：

(3)

当n的取值大于10时，则其标准统计量计算如下[4-5]：

(4)

2 结果与分析

2.1 陕北黄土高原蒸发量宏观特征

图1为1980-2010年陕北黄土高原年蒸发量变化图。由图1可知，近30年来区域蒸发量呈波动增加趋势，其值介于840～1 270 mm之间。其中，1981、1982、1985、1989、1994、2000、2006等年份为低值年，1983、1988、1992、1996、2004、2007等年份为高值年。整体变化趋势为y=5.535 6x-9 966(R2=0.253 1),并在0.05水平上显著。经趋势分析表明，其Z值为1.56 mm，未通过阈值检验。

图1 1980-2010年陕北黄土高原年平均蒸散量

2.2 陕北黄土高原蒸发量空间分布特征

以各个站点多年蒸发量数据的平均值为基础，经地统计学分析处理后进行空间插值。为显示其详细分布特征，将像元大小设置为默认的180 m，并以区域边界进行裁决提取，得到陕北黄土高原蒸发量空间分布，见图2。由图2可知，研究区年蒸发量空间分布不均，空间值域介于629～1 468 mm之间，其中低值区集中于区域南部，尤其是河流谷底蒸发量最低；高值区集中于区域北部。研究区蒸发量整体呈块状分布，表现出自南向北地带性增加的空间分布格局，这表明陕西黄土高原南部地区蒸发量较于北部地区较少，南部湿润度相对较高、环境适宜性略好，而北部蒸发量大、气候干燥。

应用式(4)计算各气象站点蒸发量的Z值，进而绘制其空间分布图。由图2可知，近30年来陕北黄土高原地区蒸发量空间变化局势不一，全局变化区间介于-3～2 mm之间。其中，在中部和南部的大部分地区蒸发量Z值小于零，说明这些地方年蒸发量呈较小趋势，主要由于该地区地表覆被改善增强了水分保持功效。而北部以及局部河谷地区的蒸发量Z值大于零，在1980-2010年间蒸发量呈增加趋势，北部地区地表裸露程度高、沙漠化日益严重，导致蒸发加剧；而河谷地区蒸发量加大主要由于城镇化推进和人为活动引起。

图2 陕北黄土高原蒸发量及其Z值空间分布

2.3 陕北黄土高原蒸发量与土地覆被的关系

太阳辐射引起地表温度升高从而导致地表蒸散，由此看来下垫面环境是地表蒸散的介质。由于不同的地表覆被特征，其物理性质、化学组成、生物活性等存在差异，进而影响着地表蒸散的速率。为研究其与土地覆被之间的关系，以MODISQ13产品提取了研究区NDVI空间分布图进行对比分析(图2与图3)。NDVI为归一化植被指数，其值介于-1～1之间，通常其值越大表明植被覆盖程度越高，反之植被覆盖越低。研究区NDVI值介于0～1之间，其中区域南部的洛川、黄陵等地NDVI高达0.8以上，说明指标覆盖良好；而北部的安塞等地NDVI值小于0.2，被认为是低植被覆盖区，以毛乌素沙地为主。对比可知，研究区蒸发量与NDVI呈现良好的空间相关性，北部边缘的沙地区地表裸露、反射率强，地表水分损失率高；南部植被覆盖区有效减弱太阳对地表的直接辐射，树冠和地表枯枝落叶能够保持地表水分。

图3 陕北黄土高原NDVI空间分布

2.4 陕北黄土高原蒸发量与地形的关系

地形是一项综合性的环境要素，地形的高低起伏、坡向等引起地表辐射和太阳辐射能的梯度变化，进而造成地表蒸散空间变异格局。结合图4和图2可知，区域蒸发量与DEM具有紧密空间相关性。这是因为随着海拔升高，近地面气温降低；全局看来南部地势低、北部地势高，这种分布与蒸发量的格局基本一致。从坡向来看，阳坡的日照时间长，蒸发旺盛；阴坡日照时间短，蒸发量相对较低。

图4 陕北黄土高原DEM和坡向空间分布

2.5 陕北黄土高原蒸发量与气候因素的关系

气温是地表蒸散产生的直接热量来源，降水则是区域水分平衡的重要矢量，以往的研究均表明该气候要素是地表蒸发量的重要原因。陕北黄土高原地区多年平均降水量介于290～650 mm之间，气温在8.7℃～15.4℃之间不均衡分布，蒸发量为降水量的2.5倍。研究区气温呈由河谷向原地增加分布，河谷低地水资源丰富、人口密集，然而其蒸散量小于北部年均气温较低的原地、沙地，主要由于南部河谷区降水丰富、空气湿度大；而北部大范围地区降水稀少、气候干旱，导致地表蒸散强烈(图5)。

图5 陕北黄土高原气温和降水空间分布

2.6 陕北黄土高原蒸发量与环境因素相关分析

蒸发量是典型的气候因素之一，蒸发量不仅受气候系统变化影响还与地理环境特征、人为活动等密切相关。为准确辨识其影响因素，采用person相关分析法进行分析，见表1。由表1可知，陕北黄土高原地区蒸发量与环境因素呈现良好的相关性，其中与降水量的相关性最强，相关性系数为-0.557，并在0.01水平上显著；其次是地表覆盖，蒸发量与NDVI相关性为-0.517(P<0.01)。蒸发量与气温呈负相关，相关系数为-0.258，在0.05水平上达到显著性。蒸发量与地形的关系密切，与DEM和坡向均呈现显著相关，相关系数依次为0.221(P<0.05)、0.445(P<0.05)。

表1 陕北黄土高原蒸发量与环境因素的相关性系数

注：**在0.01水平上显著；*在0.05水平上显著。

3 结 论

通过趋势分析与空间插值分析可知，1980-2010年黄土高原多年平均蒸发量在介于840～1 270 mm之间，变化斜率为5.53 mm/a，增加趋势明显。黄土高原30年来平均蒸发空间分布差异显著，呈现由南向北递增的空间格局，并且其时空变化量分布不均，Z值大于零的地区集中于北部沙地地带，Z值小于零的地区分布于南部植被密集区。气候是区域蒸发量的主导环境因子，与降水量、气温呈显著负相关性，与DEM和坡向呈负相关性，与植被覆盖度呈显著负相关。