近36年來渭河定西段蒸發(fā)量時(shí)空變化及演變趨勢研究

張躍峰

(甘肅省定西水文站，甘肅 定西 743000)

水面蒸發(fā)量是指在自然條件下,水面的水分從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)逸出水面的物理過程[1],從某種角度來看,蒸發(fā)量的大小,直接決定了一定區(qū)域內(nèi)的降水量與干旱程度,尤其是在水資源短缺的隴中黃土高原,蒸發(fā)量的大小,決定著農(nóng)作物的生長質(zhì)量。人類活動(dòng)無疑加大了區(qū)域內(nèi)下墊面條件的變化程度。武海喆[2]研究認(rèn)為全球氣候變暖趨勢愈發(fā)明顯,流域的蒸發(fā)等水文氣象環(huán)節(jié)受到直接性的影響;張鵬飛等[3]對渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量時(shí)空變化與驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了深度研究,認(rèn)為流域多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)能力低于黃河流域的平均水平,其空間分布狀況表現(xiàn)為由北向南逐漸減少,年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量總體呈增加趨勢;李潔等[4]基于SPEI指數(shù)對渭河流域干旱特征進(jìn)行了分析,認(rèn)為蒸發(fā)量是干旱程度的主要驅(qū)動(dòng)因素;高蓓等[5]采用氣候趨勢系數(shù)、氣候傾向率和相關(guān)系數(shù)方法對陜西渭河流域的蒸發(fā)量趨勢進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:陜西渭河流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈波動(dòng)狀升高,但并非顯著性上升;春季和冬季的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量表現(xiàn)為上升趨勢,夏季和秋季則為下降趨勢;和宛琳等[6]采用Mann-Kendall傾斜度β等值線對渭河流域氣溫與蒸發(fā)量時(shí)空分布及其變化趨勢進(jìn)行分析,結(jié)果表明:空間上表現(xiàn)為從西北部向東南部逐漸增加的分布規(guī)律,蒸發(fā)量隨時(shí)間增加而逐漸減少,在空間上呈現(xiàn)出明顯的從北部向南部逐漸減少的分布規(guī)律。定西市處于渭河的上游區(qū),屬全國少有的水資源極度匱乏區(qū),查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),針對渭河定西段蒸發(fā)量時(shí)空變化特性及演變趨勢的研究目前還處于空白,為了更加準(zhǔn)確地為當(dāng)?shù)厮禐?zāi)害防御及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù),掌握該地區(qū)蒸發(fā)量的變化規(guī)律及今后的演變趨勢很有必要。本文收集了氣象、水文部門的實(shí)測蒸發(fā)量資料,在前述文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,對渭河流域定西段的蒸發(fā)量時(shí)空變化及演變趨勢進(jìn)行更大程度的研究,對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

1 區(qū)域概況

甘肅省橫跨三大自然區(qū),地處黃土高原、青藏高原、內(nèi)蒙古高原的交匯處,定西市位于甘肅中部黃土高原[7],介于東經(jīng)103°52′～105°13′、北緯34°26′～35°35′之間,面積1.96萬km2。東鄰天水、平?jīng)?西鄰臨夏回族自治州、甘南藏族自治州;北接蘭州;南部與隴南市部分縣區(qū)相鄰。地形多以黃土丘陵、溝壑為主。地處副熱帶氣候區(qū),屬中溫帶半干旱氣候類型,多年平均氣溫5.7～7.7℃,無霜期122～160天。據(jù)定西水文站多年監(jiān)測計(jì)算,多年平均降水量為398.3mm,且降水量分布極不均勻。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)

本次選用定西市通渭縣、隴西縣、漳縣、岷縣、渭源縣、華家?guī)X及周邊榆中縣氣象站1980—2016年共36年實(shí)測長系列資料;選取臨洮縣李家村及周邊會(huì)寧縣水文部門長系列共36年資料,氣象站及水文站均采用20cm口徑蒸發(fā)器觀測。上述資料通過一致性、可靠性、代表性分析,站點(diǎn)分布均勻、成果可靠,可以使用。代表站資料統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 代表站蒸發(fā)量一覽

2.2 方法

采用GIS系統(tǒng)對蒸發(fā)站的高程進(jìn)行提取,并繪制出定西市境內(nèi)蒸發(fā)量空間變化趨勢圖。采用Mann-Kendall秩次相關(guān)法、Spearman秩次相關(guān)法及線性回歸法[8]對蒸發(fā)量的年際變化趨勢進(jìn)行分析并進(jìn)行趨勢顯著性檢驗(yàn)。

Mann-Kendall秩次相關(guān)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,對于時(shí)間序列X(t)(t=1,2,…,N)計(jì)算出結(jié)果后和X(t′)(t′=t+1,t+2,…,N)進(jìn)行比較,這樣不重復(fù)的計(jì)算進(jìn)行了N(N-1)/2次[9],從而就有k的取值范圍,就是從1到N(N-1)/2,將所有z函數(shù)的和相加。趨勢顯著性檢驗(yàn)需要定義統(tǒng)計(jì)量為T,按照下列計(jì)量公式進(jìn)行計(jì)算:

以上式中:T為一個(gè)服從正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量,T＞0,說明系列趨勢上升,T＜0,說明系列趨勢下降;Var(S)為系列方差;S為數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量T滿足|T|＞Z1-a/2時(shí),認(rèn)為無趨勢假設(shè)被拒絕,時(shí)間序列的趨勢是顯著的,其中a是顯著性水平,一般取值為0.05,Z1-a/2是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布下的隨機(jī)變量值。如果上述原假設(shè)成立,那么|T|≤Z1-a/2的概率應(yīng)該就是0.95,|T|＞Z1-a/2,表示一個(gè)概率小于0.05的事件發(fā)生了,說明原假設(shè)是顯著不成立的,也就是說,該序列變化趨勢是顯著的。

3 蒸發(fā)量時(shí)空變化分析

由于蒸發(fā)量均采用20cm口徑蒸發(fā)器觀測,需要將其折算成水面蒸發(fā)量。采用周邊部分站點(diǎn)的E601型蒸發(fā)皿觀測資料對上述各代表站的蒸發(fā)量進(jìn)行折算。折算后的各代表站逐月及年水面蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各代表站月水面蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì) 單位:mm

續(xù)表

3.1 蒸發(fā)量年內(nèi)分配

受氣壓、降水、濕度、氣溫等因素影響[10],該地區(qū)水面蒸發(fā)量年內(nèi)分配不均勻,從圖1看出,隨著氣溫的升高出現(xiàn)明顯的不均勻變化,各站蒸發(fā)量主要集中在5—8月,非汛期(1—3月、11—12月)水面蒸發(fā)量明顯較小。4月氣溫上升,蒸發(fā)量逐漸增大,直到10月氣溫下降,蒸發(fā)量回落。各代表站水面蒸發(fā)量集中在5—8月,屬連續(xù)4個(gè)月蒸發(fā)最大值,占全年蒸發(fā)量的52.7%～56.0%;連續(xù)4個(gè)月最小值出現(xiàn)在11月至次年2月,占全年蒸發(fā)量的11.3%～15.7%。全年最大水面蒸發(fā)量出現(xiàn)在7月,占全年蒸發(fā)量的13.4%～14.9%;最小蒸發(fā)量出現(xiàn)在每年1月,占比在2.1%～3.1%,蒸發(fā)量極值比為11.8,差距較大。各時(shí)段蒸發(fā)量占比見表3。

表3 各時(shí)段蒸發(fā)量占比統(tǒng)計(jì)

圖1 各代表站蒸發(fā)量年內(nèi)分配

3.2 蒸發(fā)量空間分布

蒸發(fā)站分布在所轄各縣,測站高程在1721.836～2347.76m之間,落差625.92m,以橫坐標(biāo)為蒸發(fā)站高程,橫坐標(biāo)為水面蒸發(fā)量,點(diǎn)繪蒸發(fā)量隨高程變化曲線,見圖2。從圖2可以看出,各代表站符合隨高程增加而蒸發(fā)量減小的規(guī)律。臨洮縣李家村站蒸發(fā)量出現(xiàn)整體偏小的現(xiàn)象,主要原因是由于該觀測站處于洮河河谷,風(fēng)速較小,太陽輻射時(shí)間較短,加之受洮河水汽影響。

圖2 各代表站月水面蒸發(fā)量與高程關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)蒸發(fā)量與降水量成反比例關(guān)系,與當(dāng)?shù)貧鉁爻烧壤P(guān)系。在一些河谷地帶,相對濕度大、風(fēng)速小,水面蒸發(fā)量相對較小;在隴西、通渭等川壩地帶,受太陽輻射、氣溫、地形等因素影響,水面蒸發(fā)量相對較大。區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)量呈現(xiàn)由西北向東南遞增趨勢。

3.3 蒸發(fā)量年際變化

變差系數(shù)Cv值是水文統(tǒng)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù),用來說明水文變量中的長期變化過程和穩(wěn)定程度?？梢杂米儾钕禂?shù)Cv值和極值比來衡量蒸發(fā)量的年際變化幅度,Cv值小,說明年際小[11],反之,則變化大。按照下列計(jì)量公式計(jì)算:

計(jì)算各站的變差系數(shù)Cv值,對各站最大蒸發(fā)量出現(xiàn)的年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出模比系數(shù)。各代表站的Cv值在0.09～0.12之間,Cv值變化幅度不大,說明年際間變化相對穩(wěn)定。最大年蒸發(fā)量出現(xiàn)在隴西站,為1331.4mm,出現(xiàn)于2002年,模比系數(shù)為1.28;最小年蒸發(fā)量出現(xiàn)在李家村站,為503.0mm,模比系數(shù)為1.59。年最大蒸發(fā)量與最小蒸發(fā)量極值比在1.44～1.62之間,差距較小(見表4)。各計(jì)算值顯示,該地區(qū)水面蒸發(fā)量分布均勻,年際變化小。

表4 各代表站年蒸發(fā)量Cv值、模比系數(shù)和極值比計(jì)算統(tǒng)計(jì) 單位:mm

點(diǎn)繪各站年蒸發(fā)量變化曲線,見圖3。采用最小二乘法計(jì)算出線性回歸方程,可以看出,各代表站水面蒸發(fā)量均呈現(xiàn)增大趨勢,符合該地區(qū)蒸發(fā)量演變規(guī)律。其中,漳縣站蒸發(fā)量年際變化較平緩,其余各站變化較漳縣站劇烈,整體變化相對穩(wěn)定。采用垂直平分法對該地區(qū)平均蒸發(fā)量做了計(jì)算,多年平均蒸發(fā)量為858.0mm,從年際變化趨勢看,呈現(xiàn)逐年增加趨勢。

圖3 渭河定西段各站蒸發(fā)量年際演變

3.4 趨勢顯著性檢驗(yàn)

檢驗(yàn)時(shí),a顯著性水平取5%,這里將隴西站的年水面蒸發(fā)量帶入計(jì)算,對其進(jìn)行變化趨勢及顯著性檢驗(yàn),得出蒸發(fā)量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線[12]。用同樣的方法對其余各代表站及多年平均蒸發(fā)量進(jìn)行變化趨勢檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)各代表站的水面蒸發(fā)量均顯示為不顯著,且變化趨勢為增加。趨勢檢驗(yàn)結(jié)果見表5。檢驗(yàn)結(jié)果與上述文獻(xiàn)研究的渭河流域蒸發(fā)量結(jié)果基本一致,結(jié)果較合理。

表5 各代表站趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

通過對近36年來渭河定西段蒸發(fā)量時(shí)空變化及演變趨勢研究,主要得出以下結(jié)論:

a.該地區(qū)蒸發(fā)量與降水量成反比例關(guān)系,與當(dāng)?shù)貧鉁爻烧壤P(guān)系。

b.受氣溫、地形及降水影響,蒸發(fā)量年內(nèi)分配極不均勻,蒸發(fā)量主要集中在5—8月,非汛期蒸發(fā)量明顯減小,汛期明顯增大。

c.年際蒸發(fā)量變差系數(shù)Cv值在0.09～0.12之間,年際變化幅度較小。

d.在一些河谷地帶,相對濕度大、風(fēng)速小,水面蒸發(fā)量相對較小;蒸發(fā)量隨高程增加而減小;區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)量由西北向東南遞增。

e.采用線性回歸法、Spearman秩次相關(guān)法、Mann-Kendall秩次相關(guān)法檢驗(yàn)其趨勢顯著性,各代表站及境內(nèi)平均蒸發(fā)量均顯示變化不顯著且呈增加趨勢。