貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量變化特征及其影響因素分析*

金昭貴，滕萬里，吳智鳳，楊 濤，劉 梅▲，張 皓，李 娟

(1清鎮(zhèn)市氣象局，貴州 清鎮(zhèn) 551400；2修文縣第一中學(xué)，貴州 修文 550299；3貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550006)

近年來，蒸發(fā)量變化研究已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點之一[1-11]，作為地表熱量平衡和水量平衡的重要組成部分，蒸發(fā)量與地表水量平衡、能量平衡關(guān)系密切，是水循環(huán)和能量循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對人類的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生影響。此外，蒸發(fā)量在估算陸地蒸發(fā)、作物需水和作物水平衡等方面具有十分重要的應(yīng)用價值，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、水資源的合理利用、生態(tài)建設(shè)等方面具有重要意義。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者已開展了蒸發(fā)量變化方面的研究，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)量在全球[1-5]、北半球均存在明顯減少趨勢[6-10]，這一事實與全球變暖可能導(dǎo)致蒸發(fā)增加的猜測相矛盾，即蒸發(fā)悖反現(xiàn)象[9]，由此引發(fā)了諸多關(guān)于蒸發(fā)量變化趨勢及其原因分析相關(guān)探索[10-20]，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)量變化受相關(guān)氣象要素綜合影響。在中國大部分地區(qū)，蒸發(fā)量呈下降趨勢[10-11，15-16]，蒸發(fā)量的變化與日照百分率、太陽總輻射、風(fēng)速等關(guān)系密切，是蒸發(fā)量減少的影響因子。左洪超等[10]認(rèn)為蒸發(fā)量與大氣相對濕度相關(guān)性最好，蒸發(fā)量在空間上變化以華東和中南地區(qū)最明 顯，長江流域蒸發(fā)量中下游地區(qū)比上游地區(qū)下降趨勢顯著，太陽凈輻射和風(fēng)速的顯著下降影響蒸發(fā)量下降[19]。研究也發(fā)現(xiàn)，黃河流域蒸發(fā)量存在減少趨勢[13-14]，風(fēng)速和太陽輻射是影響因素。前人[12]對貴州1961—2001年蒸發(fā)量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)量呈下降趨勢，太陽凈輻射是重要影響因素之一。

貴州清鎮(zhèn)屬黔中地區(qū)，位于貴陽市西部，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。境內(nèi)紅楓湖、東風(fēng)湖、索風(fēng)湖座落其間，有干流鴨池河和支流貓?zhí)?、暗流河?0條河流。受地質(zhì)、地貌、氣候、水文等自然因素的影響，加上人類開發(fā)活動，致使自然災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重影響該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。目前，針對貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量變化特征及影響因素的研究尚少，因此對該地區(qū)蒸發(fā)量變化特征及其影響因素進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。本次選取貴州清鎮(zhèn)1970—2019年蒸發(fā)量為研究對象，對蒸發(fā)量變化特征及其影響因素進(jìn)行全面分析，以期了解該地區(qū)蒸發(fā)量的變化規(guī)律及其影響因素，為該地區(qū)應(yīng)對氣候變化、農(nóng)業(yè)發(fā)展、水資源開發(fā)利用、生態(tài)建設(shè)與保護(hù)等提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取1970—2019年貴州清鎮(zhèn)國家氣象觀測站逐月蒸發(fā)量、氣溫、水汽壓、日照百分率、相對濕度、風(fēng)速、降水、云量等氣象資料，資料由貴州省氣象局信息中心提供。研究資料通過加權(quán)和均一化處理，建立逐月、逐年時序數(shù)據(jù)。按12月至次年2月為冬季、3月至5月為春季、6月至8月為夏季、9月至11月為秋季生成逐季序列。20 cm口徑小型蒸發(fā)器與E-601B蒸發(fā)器蒸發(fā)量折算參照文獻(xiàn)[22]計算。

1.2 研究方法

本文應(yīng)用氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率方法分析貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量的月、季節(jié)、年變化趨勢[23]，采用Mann-Kendall突變檢驗方法[24]進(jìn)行異常年份的氣候突變檢驗，運用Morlet小波分析[21，23]進(jìn)行季、年蒸發(fā)量變化周期分析。利用Spass22等軟件對蒸發(fā)量的影響因素進(jìn)行相關(guān)分析、主成分等分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸發(fā)量月變化特征

由圖1可知，貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量逐月變化呈“M”型特征，蒸發(fā)量最小值出現(xiàn)在1月，12月次之；最大值出現(xiàn)在7月，8月次之。1月至5月蒸發(fā)量呈上升趨勢，5月達(dá)到峰值，增幅達(dá)27.48 mm/月，直到6月逐漸減少，7月達(dá)到最大值，7月之后呈減少趨勢，幅度達(dá)28.16 mm/月。其中4月至9月的蒸發(fā)量在880 mm以上，合計占全年蒸發(fā)量2/3以上；6月至8月蒸發(fā)量在486.2 mm，合計占全年蒸發(fā)量的38%。

圖1 貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量月變化統(tǒng)計Fig.1 Monthly variation of evaporation in Qingzhen，Guizhou

2.2 蒸發(fā)量季節(jié)變化特征

2.2.1 蒸發(fā)量季節(jié)變化趨勢分析

通過統(tǒng)計顯示，貴州清鎮(zhèn)季節(jié)蒸發(fā)量分別為春季366.0 mm、夏季486.0 mm、秋季286.1 mm和冬季148.6 mm。由圖2可見，4個季節(jié)的蒸發(fā)量均呈減少趨勢，減少程度不一，夏季減少趨勢最為明顯，其次是春季，冬季、秋季依次減少，減少趨勢分別為24.4 mm/10a、16.04 mm/10a、9.0 mm/10a、7.5 mm/10a。蒸發(fā)量的減少趨勢春季、夏季表現(xiàn)得較顯著，并通過了0.01水平的顯著性檢驗。春季和夏季蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的66.2%，表明春、夏兩季蒸發(fā)是全年蒸發(fā)的主要貢獻(xiàn)因子，春季和夏季的蒸發(fā)對水循環(huán)有重要的作用。

圖2 貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量季節(jié)蒸發(fā)量年際變化Fig.2 Interannual variation of evaporation in different seasonsin Qingzhen，Guizhou

2.2.2 蒸發(fā)量季節(jié)變化突變分析

運用M-K方法對貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量四季進(jìn)行突變分析，取95%置信度水平，結(jié)果顯示(圖略)，春季蒸發(fā)量UF、UB曲線存在1個交點，通過α=0.05的檢驗，在1992年前后發(fā)生突變。夏季蒸發(fā)量UF、UB曲線存在1個交點，突變發(fā)生在1991年前后。秋季蒸發(fā)量UF、UB曲線存在1個交點，在1988年前后發(fā)生突變。冬季蒸發(fā)量UF、UB曲線存在5個交點，分別在1989、1993、1995、2008、2012年前后發(fā)生了轉(zhuǎn)折突變。

2.2.3 蒸發(fā)量季節(jié)變化小波分析

在對季節(jié)蒸發(fā)量序列進(jìn)行量化基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步消除邊界效應(yīng)，采用對稱延展法對量化后的季節(jié)蒸發(fā)量序列進(jìn)行了前后10年的延展，然后采用復(fù)數(shù)Morlet 1～1.5小波進(jìn)行小波變換分析。由圖3(a)可見，春季蒸發(fā)量存在7～10、11～15、15～23、24～32年4類尺度的周期變化規(guī)律。其中，24～32年時間尺度存在5次震蕩；7～10年時間尺度表現(xiàn)較強，正負(fù)位相交替出現(xiàn)，在研究時段具有全域性；15～23年時間尺度的周期變化在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)10年代，表現(xiàn)較為穩(wěn)定；而3～6年尺度的變化整體表現(xiàn)較為穩(wěn)定。30年是主周期，14年是次周期，10年是第3周期，5年是第4周期。由圖3(b)可知，夏季蒸發(fā)量存在4～10、11～18、18～24及24～29年4類尺度的周期變化規(guī)律。其中，24～29年時間尺度存在5次震蕩；11～18、18～24年時間尺度表現(xiàn)穩(wěn)定，在研究時段表征為全域性；在4～10年時間尺度的變化在20世紀(jì)90年代至2005年表現(xiàn)較為穩(wěn)定；而1～3年尺度的周期變化整體表現(xiàn)穩(wěn)定。29年是主周期，19年是次周期，12年是第3周期，6年是第4周期。圖3(c)顯示，秋季蒸發(fā)量存在4～11、11～15、15～19、24～32年4類尺度的周期變化規(guī)律。其中，24～32年時間尺度存在3次震蕩；在4～11年時間尺度正負(fù)位相交替出現(xiàn)，11～15、15～19年時間尺度在研究時段具有全域性；而1～3年尺度的變化表現(xiàn)較為穩(wěn)定。31年是主周期，13年是次周期，7年是第3周期，4年是第4周期。由圖3(d)可知，冬季蒸發(fā)量存在3～7、7～10、11～17、17～25、28～32年5類尺度的周期變化規(guī)律。其中，17～25年時間尺度表現(xiàn)較強，存在2次震蕩；在4～11年時間尺度正負(fù)位相交替出現(xiàn)，7～10年時間尺度在20世紀(jì)80年代至90年代、21世紀(jì)初至2010年表現(xiàn)穩(wěn)定，11～17年時間尺度在20世紀(jì)90年代后表現(xiàn)穩(wěn)定，28～32年時間尺度出現(xiàn)1次震蕩；而1～2年時間尺度的周期變化整體表現(xiàn)較為穩(wěn)定。31年是主周期，20年是次周期，13年是第3周期，10年是第4周期，3年是第5周期。

圖3 貴州清鎮(zhèn)春、夏、秋、冬季蒸發(fā)量小波實部分析Fig.3 Wavelet real part analysis of evaporation in differentseasons in Qingzhen，Guizhou

2.3 蒸發(fā)量年際年代變化趨勢分析

由圖4可知，貴州清鎮(zhèn)年蒸發(fā)量呈下降趨勢，氣候變化率為57.86 mm/10a，偏多年和偏少年交替出現(xiàn)，1978年蒸發(fā)量最大，達(dá)1599.8 mm，最少是1995年，為1057.2 mm，兩者相差近542.6 mm。與歷年平均相比，有26年低于平均值，其余年份高于平均值。運用M-K方法對年蒸發(fā)量進(jìn)行突變分析，取95%置信度水平。由圖5可見，UF、UB曲線存在1個交點，通過α=0.05的檢驗，年蒸發(fā)量在1990年前后發(fā)生突變。

圖4 貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量年際變化趨勢Fig.4 Interannual variation trend of evaporation inQingzhen，Guizhou

圖5 貴州清鎮(zhèn)M-K突變分析Fig.5 M-K mutation analysis

在對逐年蒸發(fā)量序列進(jìn)行量化基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步消除邊界效應(yīng)，采用對稱延展法對經(jīng)量化后的序列進(jìn)行了前后10年的延展，然后采用復(fù)數(shù)Morlet 1-1.5小波進(jìn)行小波變換分析，由圖6可知，年蒸發(fā)量的波動過程中存在的多時間尺度特征?？偟膩碚f，蒸發(fā)量存在著11～15、15～18、18～25及25～32年的4類尺度的周期變化規(guī)律。其中，25～32年時間尺度表現(xiàn)明顯，存在5次震蕩；在18～25年時間尺度表現(xiàn)較強，主要發(fā)生在20世紀(jì)70年代至90年代，正負(fù)位相交替出現(xiàn)；在15～18年時間尺度的周期變化在研究時段表現(xiàn)非常穩(wěn)定，具有全域性；而3～6年尺度的變化在1990年以前表現(xiàn)較為穩(wěn)定。30年是主周期，20年是次周期，13年是第3周期，4年是第4周期。

圖6 貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量年變化小波實部分析Fig.6 Wavelet real part analysis of interannual variation ofevaporation in Qingzhen，Guizhou

由圖7可知，年代蒸發(fā)量呈下降趨勢，氣候變化率為59.08 mm/10a。70年代蒸發(fā)量為最大值，高出平均值達(dá)133.9 mm/10a。其中，1978年和1972年的蒸發(fā)量為近50年的最高值和次高值，分別高出平均值313.4 mm和250.7 mm。00年代蒸發(fā)量為最低值，低于平均值84.1 mm/10a。80年代蒸發(fā)量有兩年低于平均值，90年代有6年低于平均值，00年代均低于平均值，而10年代僅有2年蒸發(fā)量高于平均值。

圖7 貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量年代變化Fig.7 Chronological variation of evaporation inQingzhen，Guizhou

3 蒸發(fā)量影響因素分析

3.1 蒸發(fā)量影響因子變化趨勢

據(jù)前人對蒸發(fā)量影響因素的研究[12]，將影響蒸發(fā)量的因素歸類為能量供給因子、濕度因子和空氣動力因子，本次統(tǒng)計貴州清鎮(zhèn)1970—2019年蒸發(fā)量影響因子，分別計算各影響因子的變化趨勢。從表1可知，能量供給因子中的溫度日較差、日照百分率呈下降趨勢，平均溫度、最高氣溫、最低溫度、低云量呈上升趨勢；濕度因子中水汽壓呈顯著上升趨勢，相對濕度、降水量呈下降趨勢，空氣動力因子風(fēng)速呈顯著下降趨勢。

表1 貴州清鎮(zhèn)1970—2019年蒸發(fā)量與各氣候要素的相關(guān)及其變化趨勢Tab.1 The correlation between evaporation and various climateelements and their trends in Qingzhen，Guizhou from 1970 to 2019

3.2 蒸發(fā)量影響因子相關(guān)分析

由表2可見，年蒸發(fā)量影響因素能量因子中最低氣溫、低云量與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，與日照百分率呈顯著正相關(guān)；濕度因子中水汽壓與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，動力因子風(fēng)速與年蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)。春季能量因子中平均氣溫、最高氣溫、氣溫日較差、日照百分率與蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)，低云量與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，濕度因子相對濕度與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，動力因子風(fēng)速與蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)。夏季能量因子中平均氣溫、最高氣溫、氣溫日較差、日照百分率與蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)，低云量與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，濕度因子降水量、相對濕度、水汽壓與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，動力因子風(fēng)速與蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)。秋季能量因子中最高氣溫、氣溫日較差、日照百分率與蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)，低云量與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，濕度因子相對濕度與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，動力因子風(fēng)速與蒸發(fā)量呈正相關(guān)，未通過顯著性檢驗。冬季能量因子中平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、氣溫日較差、日照百分率與蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)，低云量與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，濕度因子降水量、相對濕度與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)，動力因子風(fēng)速與蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)。由以上分析可知，貴州清鎮(zhèn)相關(guān)氣象要素與蒸發(fā)量有著密切的相關(guān)性，蒸發(fā)量變化受多種氣象要素的綜合影響。然而，影響蒸發(fā)量的影響要素不限于本次選取的影響要素，相關(guān)影響要素的研究還需進(jìn)一步開展研究。

表2 貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量與各影響因子相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients between evaporation and variousinfluencing factors in Qingzhen，Guizhou

3.3 蒸發(fā)量影響因子主成分分析

選擇通過相關(guān)顯著性檢驗的蒸發(fā)量影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后做主成分分析，結(jié)果表明，年影響因素KMO為0.763>0.7，Bartlett球形檢定顯著性p=0.000，3個成分特征值分別為4.15、2.785、1.244，均大于1，且累計貢獻(xiàn)率=81.80%，可以提取3個因子。分析因子載荷顯示3個主成分，影響因素平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫在成分1上有較高載荷，氣溫日較差、日照百分率、低云量在成分2上有較高載荷，相對濕度、風(fēng)速在成分3上有較高載荷。

4 結(jié)論

本文選取貴州清鎮(zhèn)1970—2019年蒸發(fā)量等氣象資料，對蒸發(fā)量的變化特征及其影響因素進(jìn)行全面研究分析，對該區(qū)應(yīng)對氣候變化、農(nóng)業(yè)發(fā)展、水資源的合理開發(fā)利用、生態(tài)建設(shè)與保護(hù)等具有重要的現(xiàn)實意義。

(1)貴州清鎮(zhèn)蒸發(fā)量月變化呈“M”型特征，蒸發(fā)量最小值出現(xiàn)在1月，12月次之；最大值出現(xiàn)在7月，8月次之。4月至9月的蒸發(fā)量在880 mm以上，占全年蒸發(fā)量的2/3以上；6月至8月蒸發(fā)量在486.2 mm，占全年蒸發(fā)量的38%。

(2)貴州清鎮(zhèn)4個季節(jié)的蒸發(fā)量均呈減少趨勢，減少程度不一，夏季減少趨勢最為明顯，春季，冬季、秋季依次減少，減少趨勢分別為24.4 mm/10a、16.04 mm/10a、9.0 mm/10a、7.5 mm/10a。蒸發(fā)量的減少趨勢春季、夏季表現(xiàn)得較顯著，春季和夏季蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的66.2%，春、夏兩季蒸發(fā)是全年蒸發(fā)的主要貢獻(xiàn)因子，兩季的蒸發(fā)對水循環(huán)有重要的作用。四季M-K分析顯示，蒸發(fā)量均發(fā)生突變，春、夏、秋季節(jié)出現(xiàn)1次突變，冬季出現(xiàn)5次。小波分析顯示，四季均出現(xiàn)4類不同時間尺度的變化特征，四季小波變化主周期分別為30年、29年、31年、31年。

(3)貴州清鎮(zhèn)年蒸發(fā)量呈下降趨勢，偏多年和偏少年交替出現(xiàn)。1990年前后了1次突變。蒸發(fā)量年變化存在4類時間尺度周期小波變化特征，30年是主周期。年代蒸發(fā)量呈下降趨勢，70年代蒸發(fā)量為最大值。

(4)對蒸發(fā)量影響因子進(jìn)行分析表明，貴州清鎮(zhèn)能量供給因子中的氣溫日較差、日照百分率呈下降趨勢，平均溫度、最高氣溫、最低溫度、低云量呈上升趨勢；濕度因子中降水量、相對濕度呈下降趨勢，水汽壓呈顯著上升趨勢，空氣動力因子風(fēng)速呈顯著下降趨勢。蒸發(fā)量影響因素相關(guān)分析顯示，相關(guān)氣象要素與蒸發(fā)量有著密切的相關(guān)性，蒸發(fā)量變化受多種氣象要素的綜合影響。對年蒸發(fā)影響因素進(jìn)行主成分分析，存在3個成分特征值，且累計貢獻(xiàn)率=81.80%。分析因子載荷顯示3個主成分，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫在成分1上有較高載荷，氣溫日較差、日照百分率、低云量在成分2上有較高載荷，相對濕度、風(fēng)速在成分3上有較高載荷。