朝陽地區(qū)水面蒸發(fā)變化特征及氣象要素相關(guān)性分析

張曉磊

(子澄建設(shè)工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

蒸發(fā)是水循環(huán)重要的組成部分，蒸發(fā)變化特征分析對(duì)于區(qū)域水資源量評(píng)估具有十分重要的意義[1]。朝陽地區(qū)位于遼寧的西部，屬于典型的干旱半干旱地區(qū)，氣候干燥少雨，蒸發(fā)量大，多年平均蒸發(fā)量1200～1600 mm左右，而年均降水量才400～600 mm之間[2]。稀少的降水量和較大的蒸發(fā)量，也使得朝陽地區(qū)水資源較為短缺，多年平均水資源量占全省水資源量的比重低于20%[3]。近些年來，相關(guān)研究成果表明[4-10]隨著氣候變化影響下遼西地區(qū)降水量和蒸發(fā)量都發(fā)生較為明顯的變化，尤其是朝陽地區(qū)，其降水和蒸發(fā)變化特征較為明顯。為系統(tǒng)的對(duì)朝陽地區(qū)蒸發(fā)進(jìn)行分析，本文結(jié)合區(qū)域內(nèi)葉柏壽、大城子、朝陽水文站近65年實(shí)測水面蒸發(fā)資料，對(duì)其蒸發(fā)變化特征及趨勢進(jìn)行分析，并結(jié)合各站點(diǎn)附近氣象觀測數(shù)據(jù)，對(duì)蒸發(fā)量和氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析。研究成果對(duì)于氣候變化背景下朝陽地區(qū)水循環(huán)變化具有重要參考價(jià)值。

1 站點(diǎn)及資料概況

本文分別選用葉柏壽、大城子、朝陽水文站作為研究站點(diǎn)，各水文站點(diǎn)均位于大凌河流域內(nèi)，其中大城子水文站和朝陽水文站分別為大凌河干流主要控制水文站，葉柏壽水文站為朝陽地區(qū)內(nèi)第二牤牛河主要控制水文站。各研究站點(diǎn)水面蒸發(fā)資料年限統(tǒng)一為1959—2020年，分別對(duì)各水文站的蒸發(fā)資料進(jìn)行一致性、可靠性、代表性檢驗(yàn)，均符合水文資料的三性檢驗(yàn)要求，可用來進(jìn)行區(qū)域水面蒸發(fā)變化特征的分析。此外為保障水面蒸發(fā)觀測資料的一致性，各水文站點(diǎn)E-601型與Φ20型 蒸發(fā)轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.65。

2 變化趨勢顯著性檢驗(yàn)方法

采用Mann-Kendall非線性趨勢顯著性檢驗(yàn)方法[11]對(duì)朝陽地區(qū)蒸發(fā)量進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，該方法針對(duì)樣本序列x進(jìn)行秩序樣本序列的構(gòu)造，見式(1)：

(1)

式中：Sk為樣本xi>xj在第i時(shí)刻的累加值；k為樣本序列總個(gè)數(shù)；ri為構(gòu)造的第i個(gè)秩序樣本序列值，其計(jì)算方程見式(2)：

(2)

假定各年份蒸發(fā)量序列屬于獨(dú)立隨機(jī)的時(shí)間序列，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量U的計(jì)算，見式(3)：

(3)

式中：E(Sk)為Sk序列的均值；var(Sk)為Sk序列的方差。當(dāng)樣本序列滿足相互獨(dú)立條件時(shí)，其均值和方差計(jì)算方程分別如式(4)～式(5)：

(4)

(5)

當(dāng)達(dá)到90%的顯著性檢驗(yàn)水平時(shí)，其統(tǒng)計(jì)量U值為1.96，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量U值低于該臨界值，則表明趨勢不明顯，若高于該臨界值，則表示趨勢明顯。若統(tǒng)計(jì)值為正表示為遞增趨勢，若統(tǒng)計(jì)值為負(fù)表示為遞減趨勢。

3 蒸發(fā)變化特征分析

3.1 年尺度蒸發(fā)量分析

分別結(jié)合葉柏壽、大城子、朝陽水文站1959—2020年實(shí)測水面蒸發(fā)觀測資料，對(duì)其不同年代際水面蒸發(fā)均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合M-K趨勢檢驗(yàn)方法對(duì)其變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 朝陽地區(qū)各水文站點(diǎn)1959—2020年不同年代際水面蒸發(fā)變化特征

從朝陽地區(qū)各水文站點(diǎn)1959—2020年不同年代際水面蒸發(fā)變化特征可看出，選取的三個(gè)數(shù)位站1959—2020年水面蒸發(fā)總體均呈現(xiàn)遞增趨勢，其趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為正值，各站點(diǎn)年蒸發(fā)遞增趨勢統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值均小于1.96，未通過顯著性變化趨勢檢驗(yàn)，綜合對(duì)各水文站水面蒸發(fā)線性傾向率均值為年蒸發(fā)量線性傾向率均值為58.5 mm/10 a，其中大城子水文站近61 a水面蒸發(fā)變化趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值最大，其次為葉柏壽水文站，朝陽水文站水面蒸發(fā)變化趨勢顯著性最弱。

3.2 季節(jié)尺度蒸發(fā)量分析

在朝陽地區(qū)各水文站點(diǎn)年際水面蒸發(fā)變化特征分析的基礎(chǔ)上，考慮到區(qū)域年內(nèi)蒸發(fā)分配，對(duì)各站點(diǎn)不同年代際各季節(jié)蒸發(fā)變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2～表4。

表2 葉柏壽站不同年代際各季節(jié)蒸發(fā)量變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 大城子站不同年代際各季節(jié)蒸發(fā)量變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 朝陽站不同年代際各季節(jié)蒸發(fā)量變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

朝陽地區(qū)葉柏壽、大城子、朝陽水文站不同年代際各季節(jié)蒸發(fā)存在明顯的差異性，夏季各站點(diǎn)蒸發(fā)量占年蒸發(fā)量的比例均超高50%，其次為春季和秋季，冬季蒸發(fā)量最低，僅占全年蒸發(fā)總量的比例低于5%，從空間分布特征看出，葉柏壽位于大城子和朝陽站上游流域，從上游到下游其水面蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)先遞增后遞減的空間變化。各站點(diǎn)不同年代際各季節(jié)變化特征具有一致性，春季、夏季、秋季均呈現(xiàn)遞增變化，而在冬季受氣溫變化影響，水面蒸發(fā)均呈現(xiàn)遞減變化，夏季各站點(diǎn)線性傾向率均值為21.5 mm/10 a，夏季各站點(diǎn)水面蒸發(fā)遞增趨勢明顯高于春季和秋季。

4 氣象要素相關(guān)性分析

在朝陽地區(qū)各水文站點(diǎn)水面蒸發(fā)變化特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合各站點(diǎn)附近氣象站實(shí)測氣象要素資料，分別對(duì)各站點(diǎn)不同時(shí)段下水面蒸發(fā)量和氣象要素之間偏相關(guān)系數(shù)及相對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各站點(diǎn)分析結(jié)果如表5～表7所示。

從各站點(diǎn)年、季時(shí)間尺度下水面蒸發(fā)和氣象因子的相關(guān)性分析結(jié)果可看出，各站點(diǎn)不同時(shí)段下各氣象因子與水面蒸發(fā)的相關(guān)性具有一致性，對(duì)于年尺度而言，風(fēng)速與各站點(diǎn)水面蒸發(fā)的偏相關(guān)系數(shù)最高，均在0.5以上，相對(duì)貢獻(xiàn)率也可達(dá)40%以上，且均可通過95%的雙側(cè)檢驗(yàn)，是區(qū)域各站點(diǎn)年水面蒸發(fā)變化的主因，通過對(duì)區(qū)域氣象資料的分析，近61 a朝陽地區(qū)的平均風(fēng)速總體呈現(xiàn)遞增變化，這也使得區(qū)域內(nèi)各水文站點(diǎn)年水面蒸發(fā)呈現(xiàn)遞增變化的主要原因。從各站點(diǎn)不同季節(jié)水面蒸發(fā)和氣象因子的相關(guān)性分析可看出，春季、秋季各站點(diǎn)水面蒸發(fā)和氣象要素相關(guān)性較為一致，而夏季和冬季有所差異，夏季、冬季各站點(diǎn)氣溫和水面蒸發(fā)的偏相關(guān)系數(shù)及相對(duì)貢獻(xiàn)率均要略高于風(fēng)速，是夏季各站點(diǎn)水面蒸發(fā)遞增變化的主因，朝陽地區(qū)從20世紀(jì)90年代開始，其夏季氣溫呈現(xiàn)明顯的遞增變化，也使得夏季區(qū)域水面蒸發(fā)加大。而朝陽地區(qū)冬季氣溫的降低也使得其冬季各站點(diǎn)水面蒸發(fā)下降。

表5 葉柏壽站年、季節(jié)尺度蒸發(fā)與各氣象因子的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 大城子站年、季節(jié)尺度蒸發(fā)與各氣象因子的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表7 朝陽站年、季節(jié)尺度蒸發(fā)與各氣象因子的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)朝陽地區(qū)近61 a水面蒸發(fā)總體呈現(xiàn)遞增變化，空間上總體從東向西逐步增加，夏季蒸發(fā)占全年蒸發(fā)比例超過50%，夏季是朝陽地區(qū)干旱頻次最高的季節(jié)。

(2)近61 a來，朝陽地區(qū)年平均風(fēng)速遞增時(shí)其年水面蒸發(fā)量遞增變化的主因，而在夏季氣溫的遞增對(duì)水面蒸發(fā)影響程度高于風(fēng)速，隨著朝陽地區(qū)冬季年平均氣溫的遞減，其冬季水面蒸發(fā)也總體呈現(xiàn)遞減變化。