皖西丘陵地区水面蒸发量变化特征及影响因素分析

2022-05-05汪莹莹

水利技术监督 2022年5期

汪莹莹

(安徽省水文局淠史杭蒸发实验站，安徽六安 237000)

陆地的水量平衡因子主要包含降水、蒸发和径流。蒸发是水循环中重要的一个环节，它同时包含了水和热的交换过程。作为影响水资源变化的主要因素，在全球变暖的情况下，大部分地区的陆面和水面蒸发量也相应增加，并且可能引起更严重的干旱。然而尽管观测到全球和北半球近50a平均气温显著上升，世界不少地区观测的水面蒸发量(蒸发皿记录的蒸发量)却出现持续下降趋势，这在气候变化和水循环领域被称为“蒸发悖论”。为了研究皖西丘陵地区水面蒸发量变化特征及主要影响因素，本文选取1983—2020年望城岗蒸发实验站和姚李水文试验站实测蒸发皿数据，运用气候倾向率法探究历年皖西丘陵地区蒸发量总体变化趋向，运用Mann-Kendall检验确定历年变化趋势、突变时间及变化幅度。利用配套的主要气象因子实测数据进行相关性分析，探求气象要素对水面蒸发的影响程度。

1 区域概况及采用数据

1.1 区域气候概况

皖西丘陵地区属于北亚热带向暖温带转换的过渡带，属于北亚热带湿润季风气候。冬冷夏热，雨量适中，四季分明，气候温和，光照充足，无霜期时间长。因为该地区处在北亚热带向暖温带的过渡带，冷暖气流交织频繁，一年中季风强弱程度不一，进退早迟不一，所以导致气候多变，常受水、旱灾害的威胁。过半数地区多年平均气温14.6～15.6℃，从东北至西南随着地势的抬高呈递减趋势；多年平均地面温度18～19℃，均高于平均气温；全年平均日照时数1960～2330h，夏秋季节高，冬春季节低；多年平均降水量为900～1600mm，降水呈现夏春季多、冬秋季少以及年际间悬殊过大的特点；全市年平均蒸发量750～960mm，从西南向东北递增；冬季偏北风，夏季偏南风，春、秋两季以偏东风为主，年平均风速3.2～3.4m/s。

1.2 采用数据

本文选用皖西丘陵地区2个代表性蒸发实验站六安望城岗蒸发实验站和姚李水文试验站1983—2020年水面蒸发量、降水量、平均气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数近38a系列实测资料进行研究分析。采用的水面蒸发资料是由国标E601-B型蒸发皿实测而得，该蒸发皿器口面积3000cm2，器口高出地面30cm，器口高差小于0.2cm，是标准的水面蒸发器，每日8时通过测针量取蒸发皿的蒸发量用于记录蒸发观测数据。

利用上述资料，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)计算各气象要素季序列、年序列，2个站的平均值代表皖西丘陵地区各要素值。采用1983—2020年平均值作为常年值。

1.3 研究方法

1.3.1气候倾向率法

设样本量为n的气象变量xi，ti代表xi相对的时间，将xi和ti的趋势用一元线性回归方程来定量描述：

xi=a+bti(i=1，2，…，n)

(1)

在以上方程式中回归常数设置为a，回归系数设置为b，a、b用最小二乘法估计。

实测资料xi、xi相应的时间ti，回归常数a、回归系数b用最小二乘法表示：

(2)

气象变量xi与相对时间ti之间的相关系数公式为：

(3)

气候倾向率就是一元回归方程a+bti中的系数b乘以10,单位为℃/10a或mm/10a。当b>0时，显示气候因子序列随时间增长呈现上升变化趋势；当b<0时，显示气候因子序列随时间增长呈现下降变化趋势；|b|越大，表示趋向越明显，反之则代表无明显变化趋向。b值的大小体现了上升或下降的速率，即上升或下降的倾向程度。

1.3.2Mann-Kendall检验

Mann-Kendall趋势检验法是一种气候诊断与预测技术，应用Mann-Kendall趋势检验法可以判断气候序列中是否存在突变，如果存在，可确定出突变发生的时间，也常用于受气候变化影响的干旱频次、降水的趋势检测。其检验法不需要样本服从某种分布，不受异常值干扰，检测范围大，计算便利。气象因子样本个数为n的时间序列x，构造一秩序列：

(4)

式中，ri取值如下：

(5)

可见秩序列sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。在随机独立的时间序列下定义统计量：

(6)

式中，UF1=0，E(sk)和var(sk)是sk的均值和方差。

当x1,x2,…,xn相互独立并具有相同连续的分布时，它们可以用下式算出：

(7)

分析绘出UFk和UBk曲线图，若UFk或UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明序列呈下降趋势。他们超过临界线时，表明上升和下降趋势显著。若UFk和UBk2条曲线出现交点且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

2 研究成果

2.1 降水、蒸发相关性分析

依据六安地区2个代表站蒸发和降水的实测资料，解析皖西丘陵地区1983—2020年蒸发和降水的变化趋势，分析结果如图1所示，见表1。

表1 皖西丘陵地区蒸发皿蒸发量变化趋势

从图1可以看出，皖西丘陵地区近38a降水量和蒸发量总体变化较为平稳，降水量呈上升变化趋势，蒸发量呈下降变化趋势。

图1 皖西丘陵地区1983—2020年降水和蒸发年变化趋势

由表1可知皖西丘陵地区年蒸发量以24.5mm/10a的速率减少，蒸发量夏季占全年的36.6%，说明夏季蒸发量对全年的蒸发量有很大影响,除春季以5.0mm/10a速度增加，其余季节以4.6～10.9mm/10a速度递减。其中夏季降幅最大，冬季降幅最小。

2.2 蒸发气候突变分析

利用Mann-Kendall趋势检验法计算蒸发量年、季序列，皖西丘陵地区1983—2020年蒸发量M-K统计量曲线如图2所示。

由图2中的UF曲线可以看出，皖西丘陵地区在1999年之前蒸发量呈波动状态，总体上升趋势，自1999年后，下降趋势明显，到2011年之后，这种下降趋势超过了显著水平0.05临界线，表明减少趋势十分明显。计算出Z=-2.09，因为|Z|=2.09>1.64，该趋势检验通过了置信度95%的显著性检验，即皖西丘陵地区蒸发量呈显著下降趋势。根据UF和UB曲线的交点位置确定从2001年后发生突变现象，明显下降趋势是在2011年后。

图2 皖西丘陵地区1983—2020年蒸发量M-K统计量曲线

皖西丘陵地区季、年蒸发量突变检验结果见表2。

表2 皖西丘陵地区季、年蒸发量突变检验结果

由表2可以看出，春季显著变化不明显，突变时间从2003年开始，夏冬2个季节突变时间均在1995年，秋季突变时间从2000年开始，显著变化年份夏秋两季均在2011年，春季在2006年，冬季在2003年，突变后均值减小幅度最大的是夏季，达到11.6%，最小是春季，增加6.96%，秋季和冬季分别减9.54%和10.1%。

3 蒸发与气象要素的分析

3.1 蒸发与各气象要素相关性分析

结合皖西丘陵地区1983—2020年站点配套资料(平均温度、相对湿度、日照时数及平均风速、降水量)，对其气象因子变化趋势进行分析，分析结果见表3。

表3 各气象因子与蒸发的量的相关关系及本身趋势变化

从表3看可以看出，除相对湿度、降水量呈下降趋势，平均温度、平均风速、日照时数都呈上升趋势变化。

结合气象因子实测资料和蒸发皿数据，对其进行年尺度相关性分析，可以看出，日照时数与蒸发的相关性最好，相关系数为0.4932，其次是降水量，相关系数为0.4551。风速与蒸发的相对性最差，相关系数0.1020。

3.2 气象因子的突变分析

利用Mann-Kendall趋势检验法计算各气象因子年序列，计算结果见表4。

由表4可以看出，突变检验和之前的相关性检验得出的结论一致，温度突变从1998年开始，显著变化在2001年，皖西丘陵地区气温近38a呈上升变化，而蒸发量存在稳定下降的趋势，这种变化趋势符合“蒸发悖论”的说法。相关性分析得出平均温度与蒸发的相关关系不显著。平均湿度和日照时数突变均在2004年，其中日照的变化幅度与蒸发最为接近。