格爾木河流域水面蒸發特征及影響因素分析

黃金廷，李宗澤，王文科，宋 歌，王嘉瑋

（1.西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.長安大學水利與環境學院，陜西 西安710054；3.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054）

水面蒸發是水循環的重要環節，為重要的水均衡項。查明水面蒸發變化特征及其影響因素，在氣候變化風險應對、水資源合理規劃及水資源評價等多方面具有重要的理論和現實意義。近幾十年來，國內外對蒸發變化開展了大量研究，發現部分區域水面蒸發量并未隨全球氣候變暖而增加，呈現出“蒸發悖論”現象。如Liu 等[1]基于全國氣象站的蒸發皿觀測數據分析，表明我國年均蒸發量顯著下降。柳春等[2]和王忠富等[3]研究發現，不同流域蒸發量變化趨勢不一致，即使是同一流域的不同位置也存在顯著差異。

格爾木河流域地處柴達木盆地，面積約4 565 km2，是我國典型的西北內陸河流域，對全球氣候變化十分敏感。同時，該流域也是柴達木循環經濟試驗區重要組成部分，流域內水環境、水問題受到學術界的高度關注[4-5]。在蒸發研究方面，馬日新等[6]利用格爾木氣象站1955—2014年氣象數據，分析了降水、蒸發和溫度變化趨勢；朱曉倩等[7]研究了格爾木河流域山前平原區蒸散量的分布特征。朱曉倩等[7]、楊笑天[8]、鄧紅章[9]、王曉雪[10]基于衛星影像資料估算了研究區山前平原區蒸散量，并分析其空間變化特征。這些研究為區域水均衡計算奠定了良好的基礎。但是，前人的研究未考慮格爾木河流域上、中、下游水面蒸發的變化特征，限制了研究者對水面蒸發空間異質性的理解。基于此，本文利用格爾木河流域氣象觀測資料，分析流域內水面蒸發的變化特征及其影響因素，以期為水均衡計算提供借鑒。

1 數據與方法

1.1 數據來源

根據格爾木河流域氣象站空間位置及資料獲取情況，選取五道梁氣象站、格爾木氣象站和察爾汗氣象站分析流域上游（山區）、中游（戈壁礫石帶）和下游（終端尾閭湖）水面蒸發和氣象要素變化規律。五道梁氣象站和格爾木氣象站數據來自中國氣象數據網（https://data.cma.cn/）。五道梁和格爾木氣象數據起始時間為1956年，至今有60多年逐日小型蒸發皿實測水面蒸發等氣象資料。為分析方便，將五道梁和格爾木站的逐日蒸發、降水、氣溫等數據處理為年均值。察爾汗氣象站未實測水面蒸發量，水面蒸發量采用遙感影像估算后，結合咸水蒸發折算系數計算得到[10-12]。

1.2 分析方法

（1）時間序列分析

將蒸發、降水及溫度形成時間序列，采用線性擬合的方法分析各要素變化趨勢，擬合參數采用最小二乘法估計。

（2）相關分析

相關分析是研究兩個或兩個以上有關聯的隨機變量間相關關系的統計分析方法。相關分析用于查明蒸發與其他氣象要素之間的相關關系。

（3）多元回歸分析

多元回歸分析是將一個變量視為因變量，其他變量視為自變量，建立多個變量之間線性或非線性數學關系式，并利用樣本數據進行分析的統計分析方法。本文采用多元回歸分析蒸發與其他氣象因子的關系，以確定各變量對蒸發的貢獻。

2 流域上游水面蒸發特征及影響因素

2.1 蒸發量、降水量及氣溫變化

流域上游五道梁氣象站累計蒸發量、累計降水量及平均氣溫變化見圖1。近60年來，山區水面蒸發量總體呈下降趨勢，累計減少183.2mm，其中1981—1989年間降幅最大，由1 276.7mm降至1 061.9mm；累計降水量和平均氣溫總體呈波動上升趨勢，累計降水量和平均氣溫分別增加119.4mm和1.94℃。由表1可以看出，蒸發量每10年變化量依次為?4.98，?14.13，1.24，3.71，?15.4mm。降水量每10年變化量依次為?0.62，?1.68，5.1，1.66，5.85mm。平均氣溫每10年變化量依次為0.03，?0.02，0.06，0.05，0.06℃。根據相鄰10年的氣象要素變化量，可知格爾木河流域山區的蒸發量、降水量和氣溫在最近10年的變化最大，意味著近年來氣候變化劇烈，暖濕化加劇。

圖1 五道梁氣象站累計蒸發量、累計降水量和平均氣溫時間序列Fig.1 Time series of cumulative evaporation,cumulative precipitation and average temperature in the Wudaoliang meteorological station

表1 五道梁氣象站蒸發、降水及氣溫每10年平均值Table 1 Changes of the mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Wudaoliang meteorological station

2.2 水面蒸發影響因素

五道梁氣象站水面蒸發與其他氣象因子的相關分析結果見表2。在各影響因素中，與累計蒸發量呈正相關的氣象因子為累計降水、平均氣壓、平均相對濕度、平均氣溫以及平均太陽輻射，相關系數分別為0.50，0.38，0.34，0.83，0.87，其中太陽輻射相關系數最大，氣溫次之，相對濕度最小。呈負相關的氣象因子為風速，相關系數為?0.37。

表2 五道梁氣象站蒸發量與氣象因子相關系數Table 2 Correlation coefficient of evaporation and climatic factors in the Wudaoliang meteorological station

2.3 水面蒸發與其他氣象因子的多元回歸分析

以蒸發量為因變量的多元回歸分析結果見表3，多元回歸方程見式（1）。氣溫、風速和太陽輻射對水面蒸發為正貢獻，其中氣溫貢獻最大，系數為0.61。降水量、相對濕度和氣壓對水面蒸發為負貢獻，其中相對濕度貢獻最大，系數為?0.36。

式中：E——累計蒸發量；

Rain——累計降水量；

Pre——平均氣壓；

RH——平均相對濕度；

T——平均氣溫；

U——平均風速；

表3 五道梁氣象站蒸發量與氣象因子回歸分析Table 3 Regression analyses of evaporation and climatic factors in the Wudaoliang meteorological station

Rsolar—平均太陽輻射。

3 流域中游水面蒸發特征及影響因素

3.1 蒸發量、降水量及氣溫變化

格爾木氣象站累計蒸發量、累計降水量及平均氣溫變化見圖2。從1955年來，格爾木氣象站蒸發量呈波動下降趨勢，累計減少了1 135.12mm；降水量呈波動上升趨勢，累計增加了18.44mm；平均氣溫呈波動上升趨勢，累計增加了3.56℃。

每相鄰10年的平均蒸發量、平均降水量和平均氣溫變化見表4。蒸發量每10年變化量依次為?33.9，?4.6，?12.0，?32.5，?17.8mm；降水量每10年變化量依次為1.2，?0.2，0.1，?0.1，1.2mm；氣溫每10年變化量依次為0.10，0.10，0.04，0.10，0.02℃。蒸發變化量表明，近10年來蒸發量較少且變化劇烈。降水和溫度變化量表明，近10年，格爾木暖濕化更加明顯。

3.2 水面蒸發影響因素

水面蒸發量與其他氣象因子的相關分析系數見表5。在各影響因素中，與累計蒸發量呈正相關的氣象因子為平均氣壓、平均相對濕度、平均風速以及平均太陽輻射，相關系數分別為0.08，0.01，0.75，0.48。呈負相關的氣象因子為累計降水量和平均氣溫，相關系數分別為?0.41，?0.81。其中平均風速的相關系數最大，平均相對濕度相關系數最小。

近60年風速的變化見圖3。60年來，格爾木平均風速呈明顯下降趨勢，風速減小降低了空氣流動性，導致水面蒸發量減少。平均風速變化線性擬合方程為：

式中：y——平均風速；

x——年份。

3.3 水面蒸發與其他氣象因子的多元回歸分析

以蒸發量為因變量的多元回歸分析見表6，回歸方程為：

圖2 格爾木氣象站累計蒸發量、累計降水量和平均氣溫時間序列圖Fig.2 Time series of evaporation,precipitation and average temperature in the Golmud meteorological station

表4 格爾木氣象站蒸發、降水及氣溫每10年平均值Table 4 Changes of the mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Golmud meteorological station

表5 格爾木氣象站蒸發量與氣象因子相關系數Table 5 Correlation coefficient of evaporation and its effectors in the Golmud meteorological station

圖3 格爾木平均風速年變化趨勢Fig.3 Changes of yearly average wind speed in the Golmud meteorological station

表6 格爾木氣象站蒸發量與氣象因子回歸分析Table 6 Regression analyses of evaporation and climatic factors in the Golmud meteorological station

由各氣象要素的回歸系數可知，平均風速對蒸發的貢獻最大，回歸系數為0.37，平均太陽輻射對蒸發量貢獻最小，回歸系數為0.06。

4 流域下游水面蒸發特征

圖4 達布遜湖水面累計蒸發、累計降水和平均氣溫時間序列圖Fig.4 Time series of cumulative evaporation,cumulative precipitation and average air temperature in the Dabuxun Lake

達布遜湖區累計蒸發量、累計降水量及平均氣溫變化見圖4，其中1992—2012年的降水和氣溫數據缺失。按現有數據分析，達布遜湖區蒸發量總體呈下降趨勢，近30年累計減少了241.7mm。但在2012年，湖區水面蒸發量急劇增加，這是因為降水量增加導致湖泊面積急劇增加[4]。達布遜湖區降水量略有上升，但變化趨勢不明顯。從觀測數據看，1967年出現較大降水量，2018年降水量同樣較大。平均氣溫呈波動上升趨勢，近60年來增加了1.87℃。

每相鄰10年的平均蒸發量、平均降水量和平均氣溫變化值見表7。1990—2018年平均蒸發量每10年變化量依次為?53.02，35.12mm。1960—1989年平均降水量每10年變化量依次為?0.05，?0.02mm。1960—1999年平均氣溫每10年變化量依次為0.003，0.020，0.040℃。降水和溫度變化量表明，達布遜湖區降水變化量基本接近，但最近10年平均氣溫要高于以往平均氣溫，結合湖區的水面蒸發量，該區有暖濕化的發展趨勢。

表7 達布遜湖區蒸發、降水及氣溫每10年平均值Table 7 Changes of mean values of every 10 years of evaporation,precipitation and temperature in the Dabuxun Lake

5 討論

對格爾木河流域上游山區的五道梁氣象站近60年、中游戈壁礫石帶的格爾木氣象站近60年和下游終端尾閭湖近30年的水面蒸發數據分析發現，在流域內上、中、下游水面蒸發皆呈減少趨勢。但是，水面蒸發減少量空間差異明顯，減少量最多的是中游戈壁礫石帶，其次是終端尾閭湖，最后是山區。在每個區域水面蒸發的主控因素不同：山區主控因素為氣溫，戈壁礫石帶主控因素為風速，終端尾閭湖主控因素為湖水面積，顯示出旱區內陸河流域蒸發影響因素的復雜性。

有氣象數據記錄以來，全球呈現暖濕化趨勢。2019年，全球平均氣溫較工業化前高出約1.1℃，20世紀80年代以來，每10年都比前一個10年更暖[13]。對比格爾木河流域氣溫和降水的分析結果，流域氣候變化總體呈暖濕化，尤其是近10年更為顯著，這與全球氣候變化趨勢一致，但值得警惕的是，流域內氣溫升幅遠超過全球氣候變化增溫幅度。

盡管流域內氣溫和降水都呈增加趨勢，但是水面蒸發呈現減弱趨勢，與溫度增加可能會導致蒸發量增加的預期不符，呈現出“蒸發悖論”現象[14]。Roderick等[15]認為全球許多地區觀測到的蒸發減弱趨勢主要是由于云量和氣溶膠的增多，但本文分析表明，流域內不同區域水面蒸發主控因素不同，與Roderick等[15]認識不一致，提供了水面蒸發影響因素研究的新線索。

值得提出的是，在格爾木河流域的終端尾閭湖沒有直接觀測水面蒸發的數據，湖水蒸發是按遙感信息結合水域面積變化、咸水蒸發折算系數推求的結果，這在一定程度上限制了對格爾木河流域下游蒸發規律的認識。今后應在該區域開展盡可能的詳盡觀測，提高水面蒸發控制因素的認知水平。

6 結論

（1）流域內水面蒸發變化空間差異性顯著。格爾木河流域上游山區近60年累計減少183.2mm，中游近60年累計減少1 135.1mm，下游近30年累計減少241.7mm。

（2）流域內不同區域水面蒸發主控因素不同。上游山區主控因素為氣溫，中游戈壁礫石帶主控因素為風速，終端尾閭湖主控因素為水域面積。

（3）流域內水面蒸發呈現出“蒸發悖論”現象。研究區氣候呈暖濕化，與全球氣候變化一致，但水面蒸發未隨氣溫升高而增加。