1958～2018年永定河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及其影響因子分析

李秀 郎琪 雷坤 程全國 孟翠婷 黃國鮮 孫明東 蔡文倩 呂旭波

1 沈陽大學(xué)，沈陽 110866

2 中國環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100012

1 引言

蒸散發(fā)作為連接地表熱量平衡和水量平衡的重要樞紐，不僅對(duì)空氣濕度、溫差等氣候變化具有調(diào)節(jié)作用，還對(duì)區(qū)域水循環(huán)，水資源合理利用和農(nóng)業(yè)灌溉等方面具有重要的影響（鮑振鑫等，2014）。據(jù)氣象組織最新報(bào)告顯示，2015～2019年全球平均氣溫較工業(yè)化前升高1.1°C，全球氣候變暖速度遠(yuǎn)超人類預(yù)期。在氣溫持續(xù)升高的背景下，人們普遍認(rèn)為氣溫升高可能使大氣持續(xù)變干，進(jìn)而導(dǎo)致陸地水體蒸發(fā)量增大，加速全球水循環(huán)（祁棟林等，2015）。但研究發(fā)現(xiàn)全球許多地區(qū)的蒸發(fā)量存在顯著下降趨勢(shì)（Limjirakan and Limsakul,2012；Ji et al.,2012；Bre?a‐Naranjo et al.,2017）。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量（以下簡稱蒸發(fā)量）隨溫度增加而下降的現(xiàn)象被稱為“蒸發(fā)悖論”，這一現(xiàn)象引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并對(duì)蒸發(fā)量下降原因展開了大量研究（王艷君等，2005；岳元等，2017；楊司琪等，2019）。Peterson et al.（1995）發(fā)現(xiàn)美國和前蘇聯(lián)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量出現(xiàn)隨著溫度升高而穩(wěn)定下降的現(xiàn)象，并通過與氣溫日較差對(duì)比分析得出蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降主要受低云量上升的影響。Roderick et al.（2007）等研究發(fā)現(xiàn)1975～2004年澳大利亞蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的減少原因主要為風(fēng)速的變化。朱曉華等（2019）對(duì)全國751個(gè)氣象站1961～2017年的氣象資料分析發(fā)現(xiàn)，1961～1993年中國地區(qū)存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，其主導(dǎo)因素為風(fēng)速。祁添垚等（2015）利用中國1960～2005年氣象資料研究發(fā)現(xiàn)大氣相對(duì)濕度增加，水汽壓減少，水循環(huán)加劇是蒸發(fā)悖論在中國的主要體現(xiàn)。熊玉琳和趙娜（2020）通過對(duì)海河流域日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量回歸分析發(fā)現(xiàn)，日照時(shí)數(shù)對(duì)蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)值更大，全球變暗比全球變暖對(duì)蒸發(fā)量的影響更顯著。綜上所述，基于不同地區(qū)和研究方法得出的蒸發(fā)量關(guān)鍵影響因子有所差異。此外，多數(shù)研究將日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度作為太陽輻射和水汽壓差的替代指標(biāo)并不準(zhǔn)確，且多缺乏對(duì)蒸發(fā)悖論本身形成原因的定量考慮。因此，蒸發(fā)量的驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍缺乏深入闡釋，對(duì)蒸發(fā)悖論現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)成因研究仍然是氣象、水文循環(huán)與水資源利用領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。

永定河作為北京的“母親河”，對(duì)京津冀地區(qū)的生態(tài)環(huán)境及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。氣候變化和人為活動(dòng)的劇烈影響，使永定河流域20世紀(jì)80年代以后，水資源嚴(yán)重短缺，下游河道常年斷流，生物多樣性降低，水生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，水資源時(shí)空分布和水量平衡關(guān)系發(fā)生顯著改變（丁愛中等，2013）。蒸發(fā)量是水量平衡中的唯一支出項(xiàng)和水循環(huán)的關(guān)鍵因子。因此，研究永定河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化對(duì)解決水資源短缺、水生態(tài)系統(tǒng)退化及水量平衡問題具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

因此，本文基于永定河流域1958～2018年14個(gè)氣象站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及氣象數(shù)據(jù)，全面分析蒸發(fā)量時(shí)空變化特征，采用完全相關(guān)系數(shù)識(shí)別氣候因子與蒸發(fā)量的相關(guān)程度，并根據(jù)多元回歸分析定量計(jì)算氣候因子對(duì)蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)率，探討影響永定河流域蒸發(fā)能力的驅(qū)動(dòng)機(jī)制與關(guān)鍵影響因子。

2 研究區(qū)概況

永 定 河 地 處（39°N ～ 41°20'N，112°E～117°45'E），由上游桑干河和洋河在河北省懷來縣匯流而成，流經(jīng)北京、河北、天津，最終流入渤海，全長約 747 km，流域總面積約為 4.7×104km2，其中山區(qū)面積約為 4.5×104km2，平原面積約為0.2×104km2。永定河流域氣象站點(diǎn)基本信息見表1。永定河流域?qū)儆跍貛О霛駶?、半干旱大陸性氣候類型，地?shì)西高東低，多年平均降雨量360～650 mm，平均氣溫 6.9°C。

3 資料與方法

3.1 資料來源及處理

所用氣象站數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心（www.data.cma.cn[2020-02-15]），數(shù)據(jù)類型包括逐日小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量、最高/最低及平均氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速（10 m）。其中，10 m處的風(fēng)速采用對(duì)數(shù)風(fēng)速轉(zhuǎn)換模型公式轉(zhuǎn)化為2 m的風(fēng)速（劉小莽等，2009）。為滿足數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和代表性要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，開展了缺測值和異常值檢驗(yàn)，剔除有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，由于1958年以前天鎮(zhèn)等氣象站缺測天數(shù)超過31天，因此，選取了1958～2018年間無地理遷移、連續(xù)無缺測且使用小型蒸發(fā)皿觀測的氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。選取14個(gè)永定河流域內(nèi)及相鄰近氣象站，氣象站點(diǎn)分布見圖1。季節(jié)劃分按水文年統(tǒng)計(jì)為春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月至次年2月）。

3.2 研究方法

3.2.1 氣候傾向率

將氣象要素的趨勢(shì)變化用一次性方程表示，即：

其中，t為時(shí)間，a1>0表示氣象要素隨時(shí)間增加；a1＜0則相反；將10a1定義為氣候傾向率，表示氣象要素每10年的變化率。

3.2.2 Mann–Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann–Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)（以下簡稱M–K）通過統(tǒng)計(jì)量Z來判別趨勢(shì)變化，當(dāng)Z的絕對(duì)值大于1.64和2.32，表明通過了置信度95%和99%的顯著性檢驗(yàn)，Z值的正負(fù)代表上升和下降趨勢(shì)（Mann,1945）。

表1 永定河流域氣象站點(diǎn)基本信息Table 1 Information of meteorological observatories in the Yongding River basin

圖1 永定河流域氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Yongding River basin

3.2.3 反距離權(quán)重插值法

采用ArcGIS地理統(tǒng)計(jì)模塊中的反距離權(quán)重插值法（簡稱IDW）將各測站的點(diǎn)數(shù)據(jù)插值成面數(shù)據(jù)，來分析流域年蒸發(fā)量的空間分布特征（王新宇等,2020）。

3.2.4 完全相關(guān)系數(shù)

氣象因子與蒸發(fā)量緊密相關(guān)，同時(shí)在60年中發(fā)生顯著變化，才可能成為影響蒸發(fā)量變化的氣候因子。因此本文采用皮爾遜相關(guān)分析計(jì)算完全相關(guān)系數(shù)（劉波等，2006）。完全相關(guān)系數(shù)公式為

其中，r為完全相關(guān)系數(shù)，rt為氣象因子與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)，re為氣象因子與蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)。rt和re必須大于0.2732（95%置信度的臨界值）。

3.2.5 貢獻(xiàn)率分析

由陳伏龍等（2017）研究可知，通過多元線性回歸方法，求出氣候因子的回歸系數(shù)，可計(jì)算不同氣候因子對(duì)蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)率Qx（單位：%），表示為

其中，ΔEx為氣候因子變化導(dǎo)致的蒸發(fā)量的變化值，ΔE為實(shí)測蒸發(fā)量的變化值。

4 結(jié)果與分析

4.1 蒸發(fā)量的時(shí)間變化趨勢(shì)

圖2a為年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)圖，從中可知永定河流域60多年蒸發(fā)量呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，多年均值為 1752.1 mm，最大值為 2048 mm（1972年），最小值為1282.2 mm（2018年）。從線性趨勢(shì)線可知，年蒸發(fā)量的呈明顯下降趨勢(shì)，下降速率達(dá)到-48.88 mm/10 a，通過了 α=0.01 的顯著性檢驗(yàn)。從圖2b年均距平和累積距平曲線可知，1958～2001年蒸發(fā)量以正距平為主，蒸發(fā)量基本大于均值，2001年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2002～2018年蒸發(fā)量以負(fù)距平為主，基本小于平均值。

圖2c為四季蒸發(fā)量變化情況，四季蒸發(fā)量均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其中夏季蒸發(fā)量下降速率為23.6 mm/10 a，下降趨勢(shì)最為明顯，多年均值為655.8 mm，約占全年37%，其次為春季，下降速率為?14.3 mm/10 a，多年均值為 618 mm，約占全年35%，秋季的下降速率為10.03 mm/10 a，多年均值為341.1 mm，占全年的9%，冬季蒸發(fā)量未發(fā)生顯著變化，僅占全年8%，除冬季外，其它季節(jié)均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。因此說明春、夏兩季蒸發(fā)量的下降對(duì)年蒸發(fā)量的變化起重要作用。

圖2 1958～2018年永定河流域（a）年平均、（b）距平和累積距平、（c）四季及（d）不同年代年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化Fig.2 Variation curves of (a) annual mean,(b) anormaly and cumulative anormaly,(c) season average,and (d) interdecadal annual mean of pan evaporating in the Yongding River basin during 1958–2018

圖2d為年代際變化過程，20世紀(jì)60至70年代蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì)，且在20世紀(jì)70年代達(dá)到峰值，20世紀(jì)80年代到2000年代呈持續(xù)減小趨勢(shì)，但變化幅度較小，2010～2018年代際蒸發(fā)量大幅度下降，這種現(xiàn)象考慮為進(jìn)入20世紀(jì)以后氣候變化和人為活動(dòng)對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響更為劇烈。

4.2 蒸發(fā)量的空間分布特征

從蒸發(fā)量及趨勢(shì)變化空間分布圖3中可看出，14個(gè)測站的年蒸發(fā)量空間分布不均，總體上為上游河北省（懷來、張家口等地區(qū)）蒸發(fā)量較大，上游中部山西省部分地區(qū)（天鎮(zhèn)、蔚縣）蒸發(fā)量較小。從趨勢(shì)變化看出，14個(gè)測站的傾向率在－2.4～－8.7 mm/10 a，其中|Z|>2.32，通過 0.01 顯著性檢驗(yàn)的有10個(gè)測站，主要分布在流域河北、北京、天津等地區(qū)，Z值在1.64＜|Z|＜2.32范圍內(nèi)，通過0.05顯著性檢驗(yàn)的有3個(gè)站點(diǎn)，主要分布在山西省，上游右玉站未通過顯著性檢驗(yàn)?？傮w而言，流域河北、北京等人口密集地區(qū)下降趨勢(shì)較上游蔚縣、天鎮(zhèn)、大同等山區(qū)更為顯著。

4.3 蒸發(fā)量變化影響因素分析

4.3.1 蒸發(fā)量與氣候因子相關(guān)性分析

蒸發(fā)量是受多種因子共同影響的氣候要素，蒸發(fā)過程中的能量供給主要源于太陽輻射，水汽輸送條件取決于空氣飽和差和風(fēng)速，而隨著氣溫的變化，蒸發(fā)量也會(huì)發(fā)生變化。因此，為了準(zhǔn)確識(shí)別永定河流域蒸發(fā)量的主要影響因子，基于Penman-Monteith公式結(jié)合氣象資料準(zhǔn)確計(jì)算凈輻射和空氣飽和差（Allen et al.,1998）。選取 1958～2018年平均氣溫、平均風(fēng)速、凈輻射和空氣飽和差作為影響永定河流域蒸發(fā)量的主要?dú)夂蛞蜃?，詳?xì)研究氣候因子的變化趨勢(shì)以及與蒸發(fā)量的相關(guān)性并建立氣候因子與蒸發(fā)量之間的多元回歸模型。

圖4和表2分別為4種氣象因子的年均趨勢(shì)變化和四季傾向率。60年來，永定河流域年均氣溫呈升高趨勢(shì)，上升速率為0.29°C/10 a，四季中春季和冬季的變化相對(duì)劇烈，上升速率分別為0.387和0.37°C/10 a，且通過了0.01的置信度檢驗(yàn)，而年均蒸發(fā)量以?48.88 mm/10 a的速率顯著下降，說明該流域出現(xiàn)明顯的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象?？諝怙柡筒畛曙@著上升趨勢(shì)，上升速率為0.02 kPa/10 a，其中，春、夏兩季的上升最大，速率分別為0.038和0.032 kPa/10 a，平均風(fēng)速和凈輻射存在顯著下降趨勢(shì)，下降速率分別為?0.12 m s?1(10 a)?1和0.08 MJ m?2(10 a)?1，其中風(fēng)速在春季和冬季變化更為劇烈，而凈輻射在夏季下降最為明顯，速率為?0.175 MJ m?2(10 a)?1，四季和年均氣候因子變化均通過0.01置信度檢驗(yàn)。

表3為永定河流域1958～2018年均及四季氣象因子與時(shí)間和蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)和完全相關(guān)系數(shù)。從完全相關(guān)系數(shù)|r|可知，春、夏和秋季蒸發(fā)量與平均風(fēng)速、凈輻射和空氣飽和差相關(guān)性較好，均通過0.01顯著性檢驗(yàn)。其中春季完全相關(guān)系數(shù)由高到低分別為平均風(fēng)速（0.472）>凈輻射（0.318）>空氣飽和差（0.177），平均風(fēng)速的顯著變化是春季蒸發(fā)量下降的主要因素。夏季和秋季的完全相關(guān)系數(shù)最大為凈輻射，其次為平均風(fēng)速和空氣飽和差。說明在此期間，隨著凈輻射、平均風(fēng)速的顯著下降和空氣飽和差的顯著上升，蒸發(fā)量發(fā)生了顯著變化，其中凈輻射對(duì)夏、秋兩季蒸發(fā)量的影響占主導(dǎo)作用。冬季蒸發(fā)量只與平均氣溫具有相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)僅為0.181，說明冬季蒸發(fā)量受氣象因子的影響較小，這與冬季蒸發(fā)量未發(fā)生顯著變化現(xiàn)象相符。年均蒸發(fā)量與凈輻射和平均風(fēng)速具有較強(qiáng)的相關(guān)性，完全相關(guān)系數(shù)分別為0.45和0.42。平均氣溫雖然隨時(shí)間呈顯著上升趨勢(shì)，但是與蒸發(fā)量的相關(guān)性并不顯著，與其他氣候因子相比，對(duì)蒸發(fā)量的影響貢獻(xiàn)被完全抵消，因此該流域出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。綜上所述，凈輻射、平均風(fēng)速和空氣飽和差都是蒸發(fā)量的重要影響因子。其中，年均、夏季和秋季蒸發(fā)量的主導(dǎo)因素為凈輻射，春季蒸發(fā)量的主導(dǎo)因素為平均風(fēng)速。

表2 1958～2018年永定河流域各氣象要素四季和年均氣候傾向率Table 2 Annual climatic inclinations for each meteorological element in the Yongding River basin during 1958–2018

圖3 1958～2018年永定河流域（a）蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及（b）變化趨勢(shì)分布Fig.3 Distribution of (a) pan evaporation volume and (b) its change trend in the Yongding River basin during 1958–2018

表3 1958～2018年永定河流域氣象因子與時(shí)間相關(guān)系數(shù)rt、與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)re和完全相關(guān)系數(shù)r絕對(duì)值Table 3 Complete relationship between the meteorological elements and time rt,pan evaporation re,and complete correlation coefficient r in the Yongding River basin during 1958–2018

表4 1958～2018年永定河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與3種因子復(fù)相關(guān)系數(shù)變化情況Table 4 Multiple correlation coefficients of pan evaporative and three factors in the Yongding River basin during 1958–2018

表5 1958～2018年永定河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與3種因子偏回歸系數(shù)及其t檢驗(yàn)Table 5 Partial regression coefficients and t-test of pan evaporative and three factors in the Yongding River basin uring 1958–2018

從相關(guān)分析可知，凈輻射、平均風(fēng)速和空氣飽和差是蒸發(fā)量的主要影響因子，因此本文運(yùn)用SPSS（Statistical Product and Service Solutions）軟件建立因變量（蒸發(fā)皿蒸發(fā)量）與自變量（凈輻射、平均風(fēng)速和空氣飽和差）的多元線性回歸模型。由表4和表5可知，模型的擬合優(yōu)度R2值為0.42，說明自變量可以解釋因變量約42%的變化，B表示自變量中各因子的回歸系數(shù)，凈輻射、空氣飽和差和平均風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的顯著性值（p）分別為0.001、0.007和0.013，均小于0.05，表明氣候因子的回歸檢驗(yàn)具有顯著性。即得到多元線性回歸方程為

其中，x1為年凈輻射，x2為平均風(fēng)速，x3為空氣飽和差，y為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。

根據(jù)公式（4）計(jì)算得到年蒸發(fā)量的模擬值，以年蒸發(fā)量的實(shí)測值為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)年份的模擬值為縱坐標(biāo)制作散點(diǎn)圖，檢驗(yàn)兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見圖5?？芍獙?shí)測值與模擬值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)大部分均勻分布在45°斜線兩側(cè)，總體上，模擬值的相對(duì)誤差為0.04%～32.02%，平均相對(duì)誤差為4.92%，若以相對(duì)誤差在±20%以內(nèi)為模擬合格值，則合格率為98%。說明多元回歸方程對(duì)蒸發(fā)量擬合效果較好，可以用來分析氣候因子對(duì)蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)量。

圖5 1958～2018年永定河流域年蒸發(fā)量實(shí)測值與擬合值對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Relationship between the measured and simulated evaporation in the Yongding River basin during 1958–2018

表6 永定河流域1980～2018年與1958～1979年相比影響因子對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響量及貢獻(xiàn)率Table 6 Influence quantity and contributions of the control factors to pan evaporation in the Yongding River basin during 1980–2018 compared with 1958–1979

4.3.2 氣候因子貢獻(xiàn)程度分析

根據(jù)不同年代蒸發(fā)量分析可知，年蒸發(fā)量呈先升高后下降趨勢(shì)，因此將年蒸發(fā)量上升階段1958～1979年劃分為基準(zhǔn)期，分析1980～2018年蒸發(fā)量下降時(shí)期各氣候因子相較于基準(zhǔn)期對(duì)蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)程度。由公式（3）和（4）得出氣候因子變化對(duì)蒸發(fā)量變化的貢獻(xiàn)程度見表6。從表中可知1980～2018年與1958～1979年相比，蒸發(fā)量共減少了131.5 mm，其中平均風(fēng)速減弱0.5 m/s，導(dǎo)致蒸發(fā)量下降 101.9 mm，凈輻射下降 0.23 MJ m?2d?1，導(dǎo)致蒸發(fā)量下降87.4 mm，而空氣飽和差上升0.06 kPa，導(dǎo)致蒸發(fā)量上升54.2 mm。平均風(fēng)速和凈輻射的減少對(duì)蒸發(fā)量下降的貢獻(xiàn)率分別為77%和66%，空氣飽和差的增加使蒸發(fā)量增加了54.2 mm，其對(duì)蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)率為－41%。其他因素對(duì)蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)率為－2%。綜上所述，平均風(fēng)速和凈輻射變化是導(dǎo)致永定河流域蒸發(fā)量減少的主要因素。

5 討論

隨著全球水資源緊缺形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，學(xué)者針對(duì)水文水資源循環(huán)過程展開大量研究，多數(shù)研究往往重點(diǎn)關(guān)注降水徑流對(duì)區(qū)域水量平衡的影響，而蒸發(fā)是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，研究表明全球陸地表面的蒸發(fā)量約占降水量的60%～65%（高蓓等，2012），因此，針對(duì)長時(shí)間序列蒸發(fā)量的演變趨勢(shì)展開研究，對(duì)于揭示流域水循環(huán)特征，緩解水資源短缺問題具有十分重要的意義。永定河屬于海河流域北系，據(jù)統(tǒng)計(jì)，永定河流域在2011～2016年水資源總量呈下降趨勢(shì)，多年平均值為25.99×109m3，平均用水量為 25.65×109m3，水資源利用率高達(dá)98%，下游平原區(qū)河道常年干涸斷流，生態(tài)水量嚴(yán)重不足，水資源短缺問題異常嚴(yán)峻。因此，針對(duì)永定河流域水文循環(huán)過程尤其是水量平衡關(guān)系中水量支出項(xiàng)—蒸發(fā)量演變趨勢(shì)的研究意義重大，本文對(duì)永定河流域1958～2018年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)及成因分析結(jié)果表明：永定河流域多年蒸發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)，年際蒸發(fā)量在2010～2018年間較20世紀(jì)70年代平均下降1.07×109m3。這與熊玉琳和趙娜（2020）及于占江和楊鵬（2018）學(xué)者對(duì)海河流域和京津冀地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的趨勢(shì)變化研究結(jié)果一致，其中海河流域和京津冀地區(qū)下降速率分別為－22.89、－55.9 mm/10 a。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量表征大氣環(huán)境促使極小尺度水面蒸發(fā)的綜合能力，可通過折算系數(shù)估算潛在蒸發(fā)量，二者具有較好的相關(guān)性（焦丹丹等，2018）。目前基于對(duì)潛在蒸發(fā)量的不同理解存在兩種相反的蒸發(fā)理論，即：蒸發(fā)正比理論和蒸發(fā)互補(bǔ)理論。從能量平衡角度分析，Penman（1948）認(rèn)為實(shí)際蒸發(fā)量是一定比例的潛在蒸散發(fā)量，凈輻射的持續(xù)下降導(dǎo)致大氣運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力減弱，潛在蒸發(fā)量減少導(dǎo)致實(shí)際蒸發(fā)量也相應(yīng)減少。從水量平衡角度分析，Bouchet（1963）認(rèn)為在不同的濕潤條件下，潛在蒸發(fā)量與陸地蒸發(fā)量關(guān)系有所差異，當(dāng)下墊面水分減少時(shí)，實(shí)際蒸散發(fā)會(huì)減少，從而釋放出更多的能量成為顯熱，大氣對(duì)陸面的反饋?zhàn)饔檬乖摰貐^(qū)空氣湍流加強(qiáng)，溫度升高，濕度降低等，從而導(dǎo)致潛在蒸散發(fā)增加。在區(qū)域降水量維持穩(wěn)定、水資源過度利用的情況下，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的持續(xù)減少，無論從蒸發(fā)量正比假設(shè)還是互補(bǔ)假設(shè)來看，都會(huì)對(duì)自然水系統(tǒng)水量平衡產(chǎn)生顯著的影響。因此，有必要深入揭示蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及關(guān)鍵影響因子。

本研究發(fā)現(xiàn)，永定河流域蒸發(fā)量下降的主要影響因子為凈輻射和平均風(fēng)速。太陽凈輻射是蒸發(fā)過程中的能量供給因子，近60年來呈顯著下降趨勢(shì)，其中云量和氣溶膠是太陽輻射下降的主要原因（查良松，1996；齊月等，2015）。大量的空氣污染物排放使空氣中懸浮顆粒的濃度增大和云層的相對(duì)厚度增加，使太陽輻射很難到達(dá)地表面，直接發(fā)生了散射現(xiàn)象，使太陽的有效利用率降低，而云層厚度的增加，在一定程度上削弱了太陽輻射（鄧娟華等，2016）。京津冀地區(qū)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)域，人口十分密集且自身地勢(shì)不利于污染物的擴(kuò)散，且上游大同、朔州等地區(qū)豐富的煤炭資源會(huì)產(chǎn)生大量煤灰、粉塵等氣溶膠粒子，因此永定河流域空氣污染情況一直不容樂觀。2013年國家發(fā)布《空氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)全國城市的大氣污染進(jìn)行治理后，京津冀地區(qū)2013～2018年空氣質(zhì)量有所改善但仍超標(biāo)嚴(yán)重，且O3濃度逐年增加，2018年P(guān)M2.5、PM10、NO2和O3濃度均未達(dá)標(biāo)，分別超標(biāo)0.57倍、0.42倍、0.21和0.08倍（郭鑫等，2019）。從蒸發(fā)量時(shí)空分布情況也可驗(yàn)證流域東南部北京、河北等人口密集、工業(yè)和居民生活污染的排放量較大，PM2.5和PM10濃度偏高等空氣污染嚴(yán)重區(qū)域的蒸發(fā)量下降趨勢(shì)更為顯著。

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的另一主要影響因素為平均風(fēng)速。平均風(fēng)速是蒸發(fā)過程中水汽輸送的主要條件。王楠等（2019）研究表明1979～2014年中國地面風(fēng)速顯著下降，且春季下降趨勢(shì)最為顯著，并提出氣溫持續(xù)升高可能導(dǎo)致風(fēng)速的減弱。地面風(fēng)速減弱導(dǎo)致氣流交換速度變慢，蒸發(fā)面的水汽不易被帶到大氣中，最終導(dǎo)致蒸發(fā)量減小。此外，風(fēng)速的減弱也不利于空氣污染物的擴(kuò)散，使空氣污染更為嚴(yán)重。

本研究基于永定河流域近60年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)及成因分析，揭示了凈輻射與平均風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降起主要貢獻(xiàn)，但并未針對(duì)云量和氣溶膠等因子對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量離析，后續(xù)研究建議圍繞空氣污染加劇等人為活動(dòng)因素對(duì)蒸發(fā)量的影響進(jìn)行深入分析。

6 結(jié)論

本文利用1958～2018年永定河流域的氣象觀測資料，分析蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及影響因子的趨勢(shì)變化，識(shí)別主要驅(qū)動(dòng)因子，并定量分析主要?dú)夂蛞蜃訉?duì)蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)率，得出結(jié)論如下：

（1）永定河流域平均氣溫以0.29°C/10 a的速率上升，而蒸發(fā)皿蒸發(fā)量以－48.88 mm/10 a速率下降，存在明顯“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，春、夏兩季蒸發(fā)量分別占全年的35%和37%，且下降趨勢(shì)較為顯著，年蒸發(fā)量的下降主要體現(xiàn)為春、夏兩季蒸發(fā)量的下降，20世紀(jì)70年代蒸發(fā)20世紀(jì)80年代80年代以后持續(xù)下降，2010年代下降幅度最大。

（2）蒸發(fā)量的分布具有明顯的空間差異，下游懷來、張家口等地區(qū)與上游天鎮(zhèn)、蔚縣地區(qū)相比蒸發(fā)量較大。M–K趨勢(shì)分析表明下游平原區(qū)較上游山區(qū)下降趨勢(shì)更為顯著。

（3）通過完全相關(guān)系數(shù)和多元回歸模型定量分析可知，平均風(fēng)速、凈輻射和空氣飽和差與蒸發(fā)量具有顯著相關(guān)性。與基準(zhǔn)期 1958～1979年相比，1980～2018年平均風(fēng)速和凈輻射減少對(duì)蒸發(fā)量減少的貢獻(xiàn)率分別為77%、66%，空氣飽和差上升對(duì)蒸發(fā)量減少的貢獻(xiàn)率為－41%?？傮w來看，凈輻射和平均風(fēng)速的減少是導(dǎo)致蒸發(fā)量減少的主要因素。

在全球氣候變暖的背景下，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量一定程度的減少，蒸發(fā)能力減弱，但無法基于此推斷實(shí)際蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)，因此，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和實(shí)際蒸發(fā)量的相互關(guān)系及對(duì)水量平衡的影響機(jī)制，以及人為活動(dòng)造成的空氣污染等因素對(duì)蒸發(fā)量的影響有待進(jìn)一步研究。