宕昌縣蒸發(fā)變化規(guī)律及未來(lái)五年趨勢(shì)預(yù)測(cè)

柴小輝

(甘肅省隴南水文水資源勘測(cè)局，甘肅 成縣 742500)

水面蒸發(fā)項(xiàng)目的觀測(cè)能夠?yàn)樘剿鞑煌貐^(qū)、不同時(shí)期水面蒸發(fā)量變化規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)。對(duì)宕昌縣蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的分析研究，不僅有利于該縣水資源的計(jì)算和評(píng)價(jià)，而且對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

宕昌縣位于甘肅省南部，隴南市西北部，平均海拔2 300 m，年均日照2 100 h左右。境內(nèi)除長(zhǎng)期遭受岷江和白龍江的侵蝕和切割外，還具有山巒起伏、溝壑縱橫、地形和山脈極其復(fù)雜的特點(diǎn)[2]。地勢(shì)由西北向東南傾斜，南方有許多深山深谷，北方有黃土丘陵。按甘肅省氣候分區(qū)，屬隴南溫帶濕潤(rùn)區(qū)，年均氣溫9.3℃，年均降水量584 mm，平均無(wú)霜期183 d[1]。

1 研究數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于宕昌水文站1983-2019年的蒸發(fā)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。宕昌水文站位于宕昌縣城關(guān)鎮(zhèn)。1983年1月建站，集水面積1 449 km2，距河口(白龍江)49 km，是國(guó)家基本水文站、省級(jí)重點(diǎn)站。

宕昌水文站蒸發(fā)項(xiàng)目全年采用20 cm口徑蒸發(fā)皿觀測(cè)。由于E601蒸發(fā)器的觀測(cè)值接近大型天然水體的蒸發(fā)量，因此需要將20 cm口徑蒸發(fā)皿的觀測(cè)值進(jìn)行折算，然后參與分析統(tǒng)計(jì)[3]。本文用E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量觀測(cè)值近似代表水面蒸發(fā)量，忽略E601型蒸發(fā)器觀測(cè)值與大水體水面蒸發(fā)量之間的差異。

宕昌水文站蒸發(fā)量折算系數(shù)直接使用《甘肅省第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》的研究成果。本文對(duì)參與統(tǒng)計(jì)計(jì)算的蒸發(fā)量進(jìn)行逐月折算，以保證折算精度。宕昌水文站水面蒸發(fā)各月折算系數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 宕昌水文站水面蒸發(fā)量折算系數(shù)

2 分析方法

本文對(duì)宕昌縣水面蒸發(fā)趨勢(shì)進(jìn)行了分析研究，對(duì)宕昌水文站蒸發(fā)觀測(cè)資料采用了更加直觀、簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛的一元線性回歸法和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法。

2.1 一元線性回歸法

本文采用一元線性回歸預(yù)測(cè)法，建立了年蒸發(fā)量序列y(t)與相應(yīng)時(shí)間序列t之間的線性回歸方程，并檢驗(yàn)了時(shí)間序列的變化趨勢(shì)[4]。這是目前趨勢(shì)分析中最簡(jiǎn)便的方法，其預(yù)測(cè)模型公式如下：

y(t)=a·t+b

(1)

式中：a和b的值可以用最小二乘法擬合。

根據(jù)宕昌水文站水面蒸發(fā)量和降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制年水面蒸發(fā)量和年降水量變化趨勢(shì)圖如圖1所示。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，宕昌水文站一元線性回歸分析法的預(yù)測(cè)模型公式為：

圖1 宕昌水文站年水面蒸發(fā)量和年降水量變化趨勢(shì)

y(t)=2.96t+749.94

(2)

2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

水文氣象資料的趨勢(shì)分析經(jīng)常用到Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[5]，在本文Mann-Kendall檢驗(yàn)中，分析了時(shí)間序列年蒸發(fā)量數(shù)據(jù)Xi=(X1，X2，…，Xn)，并將趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)定義為：

其中，S服從正態(tài)分布，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

Sign()為符號(hào)函數(shù)：

Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量公式是：

Z為正值表示增加趨勢(shì)，Z為負(fù)數(shù)表示減少趨勢(shì)，當(dāng)|Z|≧1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過(guò)了置信度90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)。

3 蒸發(fā)變化規(guī)律分析

根據(jù)宕昌水文站1983-2019年水面蒸發(fā)量和降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制年降水量累積值和年蒸發(fā)量累積值相關(guān)曲線如圖2所示。從圖中可以看出，年降水量與年蒸發(fā)量的關(guān)系擬合良好，年蒸發(fā)量與年降水量的雙累積曲線沒(méi)有明顯偏離，說(shuō)明蒸發(fā)量的變化規(guī)律已基本掌握。

圖2 宕昌水文站蒸發(fā)量與降水量時(shí)序累積曲線圖

3.1 蒸發(fā)量的年內(nèi)變化

根據(jù)宕昌水文站37年實(shí)測(cè)蒸發(fā)量資料，繪制了多年月平均蒸發(fā)量分布圖見(jiàn)圖3，多年月平均蒸發(fā)量占年蒸發(fā)量分析表見(jiàn)表2。

圖3 宕昌水文站多年月平均水面蒸發(fā)量

表2 宕昌水文站多年月平均水面蒸發(fā)量占比分析表

從圖3和表2可以看出，年內(nèi)變化趨勢(shì)非常明顯，蒸發(fā)量的月平均值的變化具有很強(qiáng)的季節(jié)性特征，隨著季節(jié)的變化，每個(gè)月都有較大的差異[6]。1-7月，蒸發(fā)量逐漸增大，至7月蒸發(fā)量最大，從7月開(kāi)始月蒸發(fā)量逐漸減小，至12月蒸發(fā)量最小。最大值多出現(xiàn)在6、7月份(37年觀測(cè)數(shù)據(jù)中，最大值出現(xiàn)在6月13次，出現(xiàn)在7月12次)，最小值多出現(xiàn)在1月份。連續(xù)最大3個(gè)月水面蒸發(fā)量占年水面蒸發(fā)量的40.84%，出現(xiàn)在6-8月，連續(xù)最小3個(gè)月水面蒸發(fā)量占年水面蒸發(fā)量的10.02%，出現(xiàn)在11月-次年1月，年變化的總體趨勢(shì)是夏季6-8月蒸發(fā)量最大，其次是春季約占全年蒸發(fā)量的30.06%，秋季約占全年蒸發(fā)量的18.97%。冬季蒸發(fā)量最小，約占年蒸發(fā)量的10.14%，年內(nèi)變化趨勢(shì)呈拋物線形，中間蒸發(fā)量大(4-9月約占全年蒸發(fā)量的71.97%)，兩頭蒸發(fā)量小，最大月水面蒸發(fā)量是最小月水面蒸發(fā)量的12倍。

3.2 蒸發(fā)量的年際變化

通過(guò)對(duì)宕昌水文站37年蒸發(fā)量資料的分析，發(fā)現(xiàn)其年蒸發(fā)量波動(dòng)范圍在-11.75%～20.44%之間，年平均蒸發(fā)量為806.2 mm，最大年蒸發(fā)量出現(xiàn)在2016年，為1 011.9 mm，最小年蒸發(fā)量出現(xiàn)在1989年，為672.2 mm，年最大蒸發(fā)量與年最小蒸發(fā)量之差為339.7 mm，年水面蒸發(fā)量的極值比1.5。

根據(jù)宕昌水文站37年蒸發(fā)量資料序列，運(yùn)用一元線性回歸預(yù)測(cè)法和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法進(jìn)行趨勢(shì)分析，分析結(jié)果一致，互相佐證，能夠表明宕昌縣年際蒸發(fā)量隨時(shí)間序列的變化明顯增加。

在圖1上繪制線性回歸趨勢(shì)線，由圖1可以看出，蒸發(fā)量呈現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢(shì)。

根據(jù)宕昌水文站37年蒸發(fā)數(shù)據(jù)的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，經(jīng)分析計(jì)算獲得S=217，Var(S)=6327。由于S>0，并且n>10，因此計(jì)算求出Z=2.73，因?yàn)閦>2.32>0，所以該趨勢(shì)檢驗(yàn)通過(guò)了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)，即宕昌縣蒸發(fā)量呈顯著上升趨勢(shì)[7]。宕昌水文站年蒸發(fā)量M-K統(tǒng)計(jì)曲線見(jiàn)圖4。

圖4 宕昌水文站年平均蒸發(fā)M—K統(tǒng)計(jì)量

從非參數(shù)Mann-Kendall法突變檢測(cè)結(jié)果中可以看出宕昌水文站年蒸發(fā)量變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從1995年以來(lái)有時(shí)顯的上升趨勢(shì)，因?yàn)樵撢厔?shì)檢測(cè)通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn)，所以這種上升趨勢(shì)是非常顯著的。根據(jù)UF(k)和UB(k)曲線，確定突變情況是在2014年開(kāi)始發(fā)生突變。根據(jù)宕昌水文站年蒸發(fā)量和年平均蒸發(fā)量點(diǎn)繪累計(jì)距平變化曲線見(jiàn)圖5。由圖5能夠看出，在1983-1993年間，年蒸發(fā)量較年平均蒸發(fā)量多為偏小。1994-2014年間，蒸發(fā)量年際變化不明顯，蒸發(fā)量變化不大，變化較平穩(wěn)，趨勢(shì)變化不明顯，無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在2014年發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，蒸發(fā)量由變化平穩(wěn)轉(zhuǎn)為上升，且呈明顯增大趨勢(shì)。

圖5 宕昌水文站年蒸發(fā)量累計(jì)距平曲線

4 干旱指數(shù)分析

干旱指數(shù)是用來(lái)反映某一地區(qū)氣候干濕程度，作為氣候分區(qū)的指標(biāo)[8]，其計(jì)算公式為：

r=年蒸發(fā)量/年降水量

根據(jù)宕昌水文站年蒸發(fā)量和年降水量點(diǎn)繪多年干旱指數(shù)過(guò)程線如圖6所示，通過(guò)計(jì)算宕昌縣干旱指數(shù)在0.97～2.21，多年平均1.43。

圖6 宕昌縣多年干旱指數(shù)過(guò)程線

5 未來(lái)五年蒸發(fā)預(yù)測(cè)

本文使用均值生成函數(shù)預(yù)測(cè)模型法進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，對(duì)時(shí)間序列(蒸發(fā)量數(shù)據(jù))Xi=(X1，X2，…，Xn)定義均值生成函數(shù)為：

式中nl=INT(n/l)，i=(1,2,…l)，l=(1,2,…m)，m=INT(n/2)或INT(n/3)。

為了更好的預(yù)報(bào)精度，需要做差分變換，對(duì)原時(shí)間序列進(jìn)行差分，公式為：Δx(t)=x(x+1)-x(t)，(t=1，2，…，n)

通過(guò)該公式計(jì)算得到一階差分序列：

x(1)(t)=Δx(1)，Δx(2)，…，Δx(n-1)

對(duì)得到的一階差分序列再進(jìn)行差分：

Δ2x(t)=Δx(t+1)-Δx(t)，(t=1，2，…，n-1)

通過(guò)該公式計(jì)算得到二階差分序列：

Δ2(t)=Δ2x(1)，Δ2x(2)，…，Δ2x(n-2)

在此基礎(chǔ)上完成累加延拓序列：

至此總共派生出4個(gè)均生函數(shù)序列。選擇這些均生函數(shù)序列與預(yù)報(bào)量關(guān)系較好的作為自變量因子，為構(gòu)建較好精度的模型，DPS軟件采用了最優(yōu)子集回歸模型方法[9]。

根據(jù)DPS軟件計(jì)算結(jié)果，采用8階回歸子集： Y=189.622+0.295 64x2-0.636 37x4+0.230 89x5+0.305 97x6+0.168 90x7+0.218 31x8+0.177 01x9-0.357 88x10作為預(yù)報(bào)模型。

對(duì)未來(lái)5年的預(yù)測(cè)結(jié)果分別為919.7、875.8、861.3、896.3、882.0，平均值887.0。即宕昌縣未來(lái)5 a蒸發(fā)量偏大，年平均蒸發(fā)量為887.0 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)宕昌水文站多年蒸發(fā)觀測(cè)資料的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得出宕昌縣蒸發(fā)變化趨勢(shì)規(guī)律和干旱指數(shù)，為該縣水資源的計(jì)算和評(píng)價(jià)，以及對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

(1)宕昌縣年平均蒸發(fā)量為806.2 mm，高于隴南市多年平均蒸發(fā)量(794.6 mm)。受氣溫、溫度等氣象因素的綜合影響，水面蒸發(fā)量的年內(nèi)分配不均勻，隨季節(jié)變化強(qiáng)烈，總體趨勢(shì)是拋物線形，7月蒸發(fā)量為最大，12月最小。

(2)通過(guò)一元線性回歸法和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法的分析計(jì)算，得出宕昌縣年蒸發(fā)量隨時(shí)間序列有明顯的增加趨勢(shì)，并且在2014年發(fā)生突變，突變后年平均蒸發(fā)量增加了13.3%。

(3)宕昌縣干早指數(shù)為1.43，屬半濕潤(rùn)氣候區(qū)。

(4)通過(guò)利用均值生成函數(shù)預(yù)測(cè)模型法進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，宕昌縣未來(lái)5年蒸發(fā)量較多年平均值偏大，預(yù)測(cè)均值為887.0 mm。