1960-2019年喀什地区蒸发量变化趋势解析

苏 琴

(新疆维吾尔自治区水文局水环境监测中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

西北干旱地区气候受西风环流、西伯利亚高压、北冰洋高纬气流交互作用，在全球气候变暖背景下区域极端与异常天气事件频发，成为全国气候变化敏感区之一[1]。研究显示，1959—2016 年间西北干旱地区局部冷指数变化趋势为-0.31 d/a，暖指数为0.22 d/a，气候变化呈现显著暖干化，变化幅度是我国中温带的2倍[2-3]。该地区自然降水匮乏，加上强烈的地表蒸发，加剧了生态环境脆弱性，并且制约了经济社会可持续发展。研究区域蒸发量变化趋势与空间分布特征，对指导农业生产和水资源规划管理具有重要意义。

1 研究区概况

喀什地区位居西北内陆、国境西垂，空间坐标为71.39′～79.52′E、35.28′～40.16′N，区域面积16.2万 km2。受地理环境影响形成温带大陆性干旱气候，四季分明、炎夏寒冬、昼夜温差大，年平均气温为3℃～12℃，降水量在56～253 mm，蒸发量高达2 000 mm，是降水量的3.5～10倍。区域地势自西南向东北倾斜，北、西、南依次为天山、帕米尔高原、喀喇昆仑山，东部连接塔克拉玛干沙漠，全区海拔介于956～8 611 m，市区平均高程1 289 m。区域水系多为冰川雪盖融水汇成的时令河，随季节转换呈现枯洪变化，形成形成叶尔羌河流、喀什噶尔河流，河川径流达120亿 m3。河流自高原山地的山前冲积扇地带大量渗漏，成为下游平原地下水补给。

2 数据与研究方法

2.1 研究数据

本研究数据为国家气象局气候信息中心(http://data.cma.cn/)提供的喀什地区6个标准气象站的1960-2005气候观测年资料，具体为年平均气温、年降水量与年蒸发量。对于缺失的局部数值，采用Splin函数进行平滑处理。其中数字高程模型(DEM)数据来自地理空间数据云，其空间分辨率为90 m。

2.2 空间分析方法

为直观显示区域蒸发量空间分布差异，基于站点观测资料与Anusplin插值法，以DEM、地理经度、纬度等为协变量进行空间可视化。Aunsplin是IPCC组织推荐的专业气象数据分析法，其原理如下：

zi=f(xi)+bTyi+ei，(i=1，2…，N)

(1)

式中：zi表示空间位置i处气象要素值；f为光滑函数；xi为d维样条独立变量，即i点附近气象要素值；yi为p维独立协变量，本研究中为DEM、坡度和坡向；b为协变量系数；ei随机误差。光滑函数f和系数b，利用最小二乘来确定：

(2)

Jm(f)是函数f的m阶偏导；ρ为光滑参数，由Anusplin提供的基于贝叶斯公式的广义最大似然来确定[4-5]。

2.3 小波分析方法

小波分析利用一簇具有震荡性且迅速衰减的小波函数系逼近某一时空或频率域变量，小波函数描述为[6-7]：

(3)

该式中f(x)为分析小波函数，ψ(x)为小波基函数，ψ(x)的收缩或扩张因子即为尺度参数，用a表示，b则表征小波中心位置。小波方差为小波系数的平方在尺度域上的积分值，定义为：

(4)

式中：W(a,b)为信号f(n)在尺度为a、位置为b处的小波变换系数，V(a)则为其小波方差，n为样本总数。小波功率谱表征P变量在不同尺度对应的能量密度，其值越大，表明该尺度越强烈。小波功率谱公式如下[6-8]：

(5)

3 结果与分析

3.1 喀什地区蒸发量变化趋势

将6个站点气象观测资料取平均值以表征区域气候特征。可知，1961-2019年喀什地区年蒸发量介于2 184.08 mm(1965年)～1540.08 mm(1996年),多年平均值为1 877.96 mm。拟合分析表明，近59 a来该地区蒸发量不符合线性趋势，而呈U型变化，综合趋势为(y=0.429 7x2-1 712.2x+2E+06，R2=0.393 3)，在0.05水平上达到统计显著性，表明趋势蒸发量变化趋势具有稳健性。不难发现该地蒸发量变化呈现阶段性，在1960-1996年间以(y=-12.46x+2 130，R2=0.640 2)趋势减少，在1996-2019年以(y=9.574 4x+1 796.1，R2=0.233 6)趋势增加，并且均在5%水平上显著。

为探究其他气候因子对区域蒸发量变化的影响，图2给出了蒸发量、温度和降水量时间序列变化图。可知，喀什地区温度变化趋势为(y=0.000 5x2-2.028 7x+200 6，R2=0.325 6)，以1996年分界点，在前期该地区年均温度呈波动变化，在1996年后呈增加趋势。分析显示，温度与蒸发量的相关系数达到0.22(P<0.05)，表明温度变化显著影响区域蒸发速率。研究区降水量亦呈现U型趋势(y=0.025 9x2-102.36x+101 249，R2=0.119 7)，其与蒸发量的相关性并不显著(r=-0.13)，表明降水是否影响区域蒸发量的时间变化尚不确定。

3.2 喀什地区蒸发量变化周期

小波方差直观展示了区域年蒸发量随时间变化的信号强度(图3)。依意图可知，其主要周期为13、35、58 a，鉴于研究时域较短，58 a的周期并不能完整反映蒸发量变化规律，因此判定为伪周期(图3)。区域温度与蒸发量变化周期近乎一致，为6、33 a。忽略伪周期外，温度变化还有更长的长周期，为39 a。降水变化周期比蒸发量的周期短，存在6、12、33等多个周期。区域气候因子变化的方差信号不仅具有宏观波动特征，还在局部呈现多个起伏变化，反映了蒸发量变化周期的不确定性。

3.3 喀什地区蒸发量空间分布特征

图4直观显示了研究区蒸发量空间分布特征。运用栅格统计工具得知，研究区年蒸发量介于236.5～3 318.6 mm之间，空间平均值为1 768.5 mm，标准差为236.8 mm，空间相差1 102.1 mm。蒸发量呈现自西南向东北地带性增加分布，其中在西北、北部呈现自边缘向中东部增加的趋势，这与研究区地形(图1)、和气温(图3)空间分布密切相关。经空间相关分析发现，蒸发量与DEM、气温的相关性系数为-0.875、0.923，在0.01水平上呈极显著相关，表明其是蒸发量区域空间分布的重要因素。水热资源通常随着海拔梯度产生分异，蒸发量随海拔升高而减小。温度是蒸发产生的重要因素之一，中东部的盆地沙漠地区平均气温远高于其他山地高原地区，因而蒸发十分旺盛。空间上降水量呈现边缘地区分布高，中东部分布低的格局，这由于受到迎风坡地形影响。空间相关分析表明，蒸发量与降水量显著负相关性-0.575，表明降水量分布不均衡加剧了蒸发量的空间差异化。

图1 研究区位置与气象站点

图2 研究区气象要素变化趋势

图3 研究区气象要素变化趋势

图4 喀什地区区气象要素空间分布

4 结语

基于近59年连续地面气象观测资料，本文分析了喀什地区蒸发量时空变化特征。结果表明，研究区蒸发量呈现阶段性变化趋势，1960-1996年为减小趋势，1996年至今为增加趋势，当前的变化特征不利于区域生态安全演替。时间角度表明，温度是影响蒸发量变化的重要因素，降水量的影响则有待商榷；而从空间分布角度来看，区域蒸发量与温度呈正向分布，与降水量呈逆向分布，并且受到地形梯度影响。