菏澤市近六十年降蒸變化趨勢及分析

郭仁華，呂勝國，姚樹禮

（菏澤水文水資源勘測局，山東 菏澤 274000）

菏澤市屬暖溫帶季風大陸性氣候，多年平均氣溫為13.5～14.0℃，多年平均降水量665.6 mm，降水量年際年內(nèi)變化較大，年最大降水量多達1 039 mm(1964年)，而年最小降水量僅為371 mm（1988年），最多年份降水量為最少年份的2.80倍。年內(nèi)降水量的70%集中在汛期6—9月份，以7、8兩月最為集中，約占全年降水量的47%。菏澤市多年平均水面蒸發(fā)量為874.82 mm（E601）。本文選用菏澤49個雨量站、3個蒸發(fā)站、9個氣象站近60年資料及菏澤1980年來30年的社會發(fā)展資料進行分析。分全年、枯季（10—5月）和雨季（6—9月）3個時間尺度對菏澤市降水和蒸發(fā)變化趨勢進行研究，進一步探討了未來一定時期內(nèi)降水和蒸發(fā)的變化趨勢，以期對菏澤市水資源的開發(fā)利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 主要分析方法

水文氣象時間序列是非正態(tài)分布的時間序列，盡管常規(guī)的參數(shù)檢驗方法具有方便和簡潔易懂的優(yōu)點，但是使用非參數(shù)檢驗方法在非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)檢驗中更為適合，本文采用目前常用的水文氣象變化趨勢分析方法Mann–Kendall、降水蒸發(fā)相關分析法及經(jīng)濟發(fā)展對降雨蒸發(fā)變化趨勢一致性進行相互對比和驗證，并運用基于分形理論的R/S分析方法對降水和蒸發(fā)變化趨勢進行預測。

2 降水蒸發(fā)變化分析

2.1 降蒸變化趨勢分析

1）降水變化趨勢分析。菏澤市1956—2011年降水變化趨勢分析成果見圖1(a)、(b)、(c)（因編幅所限1956—1980、1981—2011年、枯季雨季降水變化趨勢分析成果圖略），分析成果表見表1。同時，對菏澤市1956—2011、1956—1980、1981—2011年內(nèi)降水變化情況進行分析，分析成果圖見圖2。

從圖1和表1可以看出，菏澤市的年降水呈“減-減-增”的變化過程，但就總體趨勢而言，降水下降趨勢變化比較平緩；汛期降水整體趨勢與年降水一致；枯季降水呈“減-減-減”的變化過程，趨勢平緩；汛期降水趨勢對年降水影響降大。從圖2可以看出，菏澤市年內(nèi)降水量4—7月份變化情況較大，除5月份降水上升外，4、6、7月份均下降。

圖1(a) 1956-2011年年降水變化趨勢圖

圖1(b) 1956-1980年年降水變化趨勢圖

圖1(c) 1980-2011年年降水變化趨勢圖

圖2 菏澤市年內(nèi)降水變化柱狀圖

表1 降水變化趨勢表

2）蒸發(fā)變化趨勢分析。菏澤市1959—2011年年蒸發(fā)變化趨勢分析成果見圖3，分析成果表見表2。菏澤市 1959—2011年、1959—1980年、1981—2011年年內(nèi)蒸發(fā)變化情況分析成果圖見圖4。

從圖3和表2可以看出，菏澤市的年蒸發(fā)呈“減-減-減”的變化過程，下降趨勢變化較為明顯，特別是1980—2011年變化顯著；汛期、枯季蒸發(fā)變化過程與年變化過程基本一致。從圖4可以看出，菏澤市年內(nèi)蒸發(fā)量除12月較1980年前及多年平均偏大外，其余各月蒸發(fā)量均小于1980年前及歷年均值，變化較大的月份為3—8月。

表2 蒸發(fā)變化趨勢表

圖3 1959-2011年年蒸發(fā)變化趨勢圖

圖4 菏澤市年內(nèi)蒸發(fā)變化柱狀

2.2 降蒸突變分析

為進一步分析驗證變化趨勢的顯著與否，采用前述介紹的Mann-Kendall檢驗法對降水和蒸發(fā)變化趨勢突變進行檢驗，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5(a) 年降水量MK突變檢驗圖

圖5(b) 汛期降水量MK突變檢驗

圖5(c) 枯季降水量MK突變檢驗圖

圖6(a) 年蒸發(fā)量MK突變檢驗圖

圖6(b) 汛期蒸發(fā)量MK突變檢驗圖

圖6(c) 枯季蒸發(fā)量MK突變檢驗圖

從圖5(a)可以看出，1956—2011年菏澤年降水發(fā)生2次突變，第一次在1966年前后，第二次在2003年前后。1957—1965年為多雨時期，1966—2002年為少雨時期，MK檢測統(tǒng)計值高達-2.94，下降趨勢顯著。2003—2011年為多雨期，上升趨勢相對較緩。從圖5(b)可以看出，菏澤市汛期降水量突變情況與年降水量一致。從圖5(c)可以看出，菏澤市枯季降水發(fā)生2次突變，但不顯著，第一次在1980年前后，第二次在2002年前后。1981—2003年為相對多雨期，2004—2011年為相對少雨期。

從圖6可以看出，菏澤市年、汛期、枯季蒸發(fā)量整體呈減少趨勢，1978年后減少趨勢顯著，MK檢測統(tǒng)計值高達-5.71。

2.3 降蒸影響因素分析

2.3.1 降蒸相關關系分析

利用一元線性回歸分析法對降水、蒸發(fā)進行相關分析，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，菏澤市年、汛期、枯季降水蒸發(fā)量相關關系較弱，呈反相關關系，降雨與蒸發(fā)具有相對的獨立性。

2.3.2 降蒸變化與氣溫、日照、濕度關系分析

分階段統(tǒng)計菏澤市1954—2011年氣候要素（氣溫、濕度、日照時數(shù)），見表3。

圖7（a）

圖7（b）

圖7(c)

表3 菏澤市1954—2011年氣候要素變化

從表3可以看出，氣候變化導致菏澤氣溫升高、空氣濕度變大、日照時數(shù)減少，直接影響了蒸發(fā)量、降水量的變化，特別是空氣濕度變大、日照時數(shù)減少等要素變化在一定程度上減少了水分的蒸發(fā)散失。

2.3.3 降蒸變化與社會經(jīng)濟發(fā)展分析

對菏澤市1978—2010年地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)作物播種面積、復種指數(shù)進行統(tǒng)計分析，見圖8、9、10。可以看出：菏澤市地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)作物播種面積、復種指數(shù)都呈逐年增長趨勢。這些都影響了蒸發(fā)、降水的下墊面條件，進而影響了蒸發(fā)量、降水量的變化。

2.4 降蒸變化趨勢預測

圖8 地區(qū)生產(chǎn)總值變化趨勢圖

圖9 農(nóng)作物播種面積變化趨勢圖

圖10 復種指數(shù)變化趨勢圖

用R/S方法分析菏澤市降水、蒸發(fā)系列的Hurst指數(shù)，計算結(jié)果見圖11、圖12。可以看出：年降水、汛期降水、枯季降水Hurst指數(shù)分別為 0.57、0.542、0.505，接近0.5，未來變化趨勢表現(xiàn)出一定的隨機性，降水變化趨勢性較弱。年蒸發(fā)量、汛期蒸發(fā)量、枯季蒸發(fā)量 Hurst指數(shù)分別為 0.712、0.660、0.690，明顯大于0.5，表明未來的總體趨勢將與過去一致，表現(xiàn)為較強的持續(xù)性，即未來蒸發(fā)將出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。

圖11(a) 年降水R/S分析

圖11(b) 汛期降水R/S分析

圖11(c) 枯季降水R/S分析

圖12(a) 年蒸發(fā)量R/S分析

圖12(b) 汛期蒸發(fā)量R/S分析

圖12(c) 枯季蒸發(fā)量R/S分析

3 結(jié)論

1）通過分析，菏澤市降水量在1965年、2003年前后發(fā)生兩次突變，目前正處于略下降趨勢，經(jīng)R/S分析，未來隨機性較強。蒸發(fā)量從1978年后，下降趨勢顯著。經(jīng)R/S分析，未來趨勢性較強。2）通過對菏澤市氣溫、濕度、日照時數(shù)、菏澤經(jīng)濟發(fā)展指標等影響因素分析，濕度增加、日照時數(shù)減少、復種指數(shù)增加，在一定程度上減少了水分的蒸發(fā)散失。3）隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展、城市進程不斷加快，影響降水、蒸發(fā)的因素將更加復雜。同時，隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，用水量在急劇增加，建議開展降水、蒸發(fā)等因素變化與社會經(jīng)濟、工農(nóng)業(yè)發(fā)展等相關課題研究。