渾河上游蒸發(fā)皿蒸發(fā)變化趨勢及成因分析

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司,遼寧 朝陽 122000)

1 引 言

氣候變化可直接導致水文循環(huán)系統(tǒng)的改變。自20世紀中期以來，全球多數(shù)區(qū)域地表氣溫呈明顯上升趨勢。通常情況下氣溫的上升會引起蒸發(fā)的增強。但是近50年的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量卻持續(xù)下降，我國很多區(qū)域都存在這種 “蒸發(fā)悖論”的現(xiàn)象[1]。

本研究采用距平法、Mann-Kendall 檢驗法及相關分析法，利用水文站的觀測資料，分析遼寧省渾河上游1984—2014 年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化特征，并探討影響其變化的主要氣候因子的變化規(guī)律，以期為遼寧省大部分地區(qū)水資源的開發(fā)利用、評價和規(guī)劃提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

渾河是遼寧省水資源最豐富的內(nèi)河,流域范圍在遼寧省中東部,全長415km，承擔了遼寧省中心城市群的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水任務。渾河上游有北口前、營盤兩個水文站，兩水文站相距35km，可為研究渾河上游水文變化趨勢提供充足的數(shù)據(jù)支撐。本次選取了北口前站和營盤站的常規(guī)水文資料，包括1984—2014年的日氣溫、日降水量、日平均風速、日照時數(shù)、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。由于部分年份的水文資料缺失，采用大伙房水庫站的水文資料進行折算，得出北口前、營盤站兩套相對完整蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的時間序列，以及一套日氣溫、日降水量、日平均風速、日照時數(shù)的時間序列。

3 分析方法

采用距平法、5a滑動平均法、Mann-Kendall檢驗法[2-3]分析北口前站、營盤站兩座水文站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量、日氣溫、日降水量、日平均風速、日照時數(shù)的變化趨勢，再利用線性相關系數(shù)的相關性分析法，分析各影響因素與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主導程度。

4 成果分析

4.1 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢分析

4.1.1 距平法、滑動平均法

距平是時間序列中的某一個數(shù)值與其均值的差，通常分為正距平和負距平。5a滑動平均法是時間序列連續(xù)5a數(shù)值的平均值，使原序列光滑。距平法和滑動平均法都可以檢測序列的變化趨勢。

利用距平法和5a滑動平均法，分析北口前站和營盤站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢，可以判斷出北口前站和營盤站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈逐年減少的變化趨勢，詳見下圖。

北口前站、營盤站蒸發(fā)量5a滑動平均圖

4.1.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法是國際上公認的分析時間序列變化趨勢的非參數(shù)檢驗方法，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾。將北口前站和營盤站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量、日氣溫、日降水量、日平均風速、日照時數(shù)逐月進行分析，見表1。

表1 渾河上游各站1984—2014年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及各影響因素MK統(tǒng)計值

注*指通過0.05顯著性檢驗

通過Mann-Kendall檢驗法可以判斷出全年北口前站、營盤站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈逐年減少的變化趨勢，但變化趨勢不明顯。其中北口前站10—12月的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈逐年減少的變化趨勢且變化趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗；其他月份的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢不明顯。營盤站10月、11月的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈逐年減少的變化趨勢且變化趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗；其他月份的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢不明顯。

4.2 各要素與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的相關性分析

通過分析日氣溫、日降水量、日平均風速、日照時數(shù)與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關性[4]，進而歸納出影響渾河上游蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的主導因素。采用線性相關系數(shù)法反映變量之間的相關程度，結果見表2。

表2 各影響因素與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關系數(shù)

注*指通過0.05顯著性檢驗

4.2.1 日氣溫與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的相關性分析

通過 Mann-Kendall檢驗法可以判斷渾河上游全年日氣溫呈逐年增高的變化趨勢，但變化趨勢不明顯；其中10月、11月的日氣溫呈逐年增高的變化趨勢且變化趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗；1月、2月的日氣溫呈逐年降低的變化趨勢且變化趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗；其他月份的日氣溫變化趨勢不明顯。

由于渾河上游10月、11月的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈逐年減少的變化趨勢，因此說明渾河上游總體上存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，且10月、11月更為明顯。日氣溫與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關系數(shù)為-0.09，說明兩者呈負相關，且相關性較弱，日氣溫對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響不大。因此，日氣溫變化不是造成渾河上游“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的主要因素。

4.2.2 日降水量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的相關性分析

通過Mann-Kendall檢驗法可以判斷渾河上游全年日降水量呈逐年減少的變化趨勢，但變化趨勢不明顯；其中7月、8月的日降水量呈逐年增加的變化趨勢且變化趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗；其中1月、11月的日降水量呈逐年減少的變化趨勢且變化趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗；其他月份的日降水量變化趨勢不明顯。

日降水量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關系數(shù)為0.16，說明兩者呈正相關，且相關性較弱，日降水量對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響不大。

根據(jù)Budyko假設，在能量條件不變時，隨日降水量增加蒸發(fā)皿蒸發(fā)量應有所下降，即日降水量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈負相關。但渾河上游的日降水量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈正相關，且變化趨勢沒有明顯的相關性，說明日降水量變化不是造成渾河上游“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的主要因素。

4.2.3 日平均風速與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的相關性分析

通過 Mann-Kendall檢驗法可以判斷渾河上游全年日平均風速呈逐年減小的變化趨勢，但變化趨勢不明顯；其中10—12月的日平均風速呈逐年減小的變化趨勢且變化趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗；其他月份的日平均風速變化趨勢不明顯。

日平均風速與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關系數(shù)為0.84，呈顯著性正相關，且通過0.05顯著性檢測，說明日平均風速是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的重要影響因素。渾河上游日平均風速與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢一致，且都出現(xiàn)10月、11月的顯著減小變化趨勢，說明造成渾河上游出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的主要原因是渾河上游的日平均風速的減小。

4.2.4 日照時數(shù)與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的相關性分析

通過Mann-Kendall檢驗法可以判斷渾河上游全年日照時數(shù)呈逐年增高的變化趨勢，但變化趨勢不明顯。各月的變化趨勢都沒有通過0.05顯著性檢驗。

日照時數(shù)與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關系數(shù)為0.70，呈顯著性正相關，且通過0.05顯著性檢測，說明日照時數(shù)是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的重要影響因素。原則上渾河上游的日照時數(shù)的增加應導致蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的增加，但實際蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈逐年減少的變化趨勢，說明日照時數(shù)是影響蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的重要影響因素，但不是造成渾河上游“蒸發(fā)悖論”的主要因素。

4.3 “蒸發(fā)悖論”原因分析

渾河上游蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化是由日氣溫、日降水量、日平均風速、日照時數(shù)共同影響下的結果。在這些影響因子中，日平均風速減小是造成渾河上游“蒸發(fā)悖論”的主要因素。渾河上游主要位于遼寧省撫順市境內(nèi)，其上游多為山地，城市發(fā)展相對落后，因此人類活動對自然環(huán)境的影響程度較小；且渾河上游存在多個森林保護區(qū)，經(jīng)多年的保護與生長，森林保護區(qū)內(nèi)樹木繁茂，對空氣流動造成一定的影響，導致渾河上游的日平均風速減少，進而導致了蒸發(fā)皿蒸發(fā)量減少，造成渾河上游出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。

5 結 論

渾河上游的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈逐年減少的變化趨勢，但變化趨勢不明顯；日氣溫呈逐年增高的變化趨勢，但變化趨勢不明顯，說明渾河上游存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。10月、11月的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈明顯的逐年減少趨勢，日氣溫呈明顯的逐年增高趨勢，“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象更為明顯。

通過相關性分析，對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量影響最大的是日平均風速，其次是日照時數(shù)，日降水量和日氣溫對蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的影響程度較小；且蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與日照時數(shù)、日平均風速、日降水量呈正相關，與日氣溫呈負相關，但日照時數(shù)的變化趨勢不明顯，日平均風速呈逐年減小趨勢，說明渾河上游的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象主要是由于日平均風速的減小。