近36年来渭河定西段蒸发量时空变化及演变趋势研究

张跃峰

(甘肃省定西水文站，甘肃 定西 743000)

水面蒸发量是指在自然条件下,水面的水分从液态转化为气态逸出水面的物理过程[1],从某种角度来看,蒸发量的大小,直接决定了一定区域内的降水量与干旱程度,尤其是在水资源短缺的陇中黄土高原,蒸发量的大小,决定着农作物的生长质量。人类活动无疑加大了区域内下垫面条件的变化程度。武海喆[2]研究认为全球气候变暖趋势愈发明显,流域的蒸发等水文气象环节受到直接性的影响;张鹏飞等[3]对渭河流域蒸发皿蒸发量时空变化与驱动因素进行了深度研究,认为流域多年平均蒸发皿蒸发能力低于黄河流域的平均水平,其空间分布状况表现为由北向南逐渐减少,年蒸发皿蒸发量总体呈增加趋势;李洁等[4]基于SPEI指数对渭河流域干旱特征进行了分析,认为蒸发量是干旱程度的主要驱动因素;高蓓等[5]采用气候趋势系数、气候倾向率和相关系数方法对陕西渭河流域的蒸发量趋势进行了分析,结果表明:陕西渭河流域年蒸发皿蒸发量呈波动状升高,但并非显著性上升;春季和冬季的蒸发皿蒸发量表现为上升趋势,夏季和秋季则为下降趋势;和宛琳等[6]采用Mann-Kendall倾斜度β等值线对渭河流域气温与蒸发量时空分布及其变化趋势进行分析,结果表明:空间上表现为从西北部向东南部逐渐增加的分布规律,蒸发量随时间增加而逐渐减少,在空间上呈现出明显的从北部向南部逐渐减少的分布规律。定西市处于渭河的上游区,属全国少有的水资源极度匮乏区,查阅大量文献发现,针对渭河定西段蒸发量时空变化特性及演变趋势的研究目前还处于空白,为了更加准确地为当地水旱灾害防御及工农业生产服务,掌握该地区蒸发量的变化规律及今后的演变趋势很有必要。本文收集了气象、水文部门的实测蒸发量资料,在前述文献研究的基础上,对渭河流域定西段的蒸发量时空变化及演变趋势进行更大程度的研究,对区域经济发展具有重大意义。

1 区域概况

甘肃省横跨三大自然区,地处黄土高原、青藏高原、内蒙古高原的交汇处,定西市位于甘肃中部黄土高原[7],介于东经103°52′～105°13′、北纬34°26′～35°35′之间,面积1.96万km2。东邻天水、平凉;西邻临夏回族自治州、甘南藏族自治州;北接兰州;南部与陇南市部分县区相邻。地形多以黄土丘陵、沟壑为主。地处副热带气候区,属中温带半干旱气候类型,多年平均气温5.7～7.7℃,无霜期122～160天。据定西水文站多年监测计算,多年平均降水量为398.3mm,且降水量分布极不均匀。

2 数据及方法

2.1 数据

本次选用定西市通渭县、陇西县、漳县、岷县、渭源县、华家岭及周边榆中县气象站1980—2016年共36年实测长系列资料;选取临洮县李家村及周边会宁县水文部门长系列共36年资料,气象站及水文站均采用20cm口径蒸发器观测。上述资料通过一致性、可靠性、代表性分析,站点分布均匀、成果可靠,可以使用。代表站资料统计见表1。

表1 代表站蒸发量一览

2.2 方法

采用GIS系统对蒸发站的高程进行提取,并绘制出定西市境内蒸发量空间变化趋势图。采用Mann-Kendall秩次相关法、Spearman秩次相关法及线性回归法[8]对蒸发量的年际变化趋势进行分析并进行趋势显著性检验。

Mann-Kendall秩次相关法是一种非参数检验方法,对于时间序列X(t)(t=1,2,…,N)计算出结果后和X(t′)(t′=t+1,t+2,…,N)进行比较,这样不重复的计算进行了N(N-1)/2次[9],从而就有k的取值范围,就是从1到N(N-1)/2,将所有z函数的和相加。趋势显著性检验需要定义统计量为T,按照下列计量公式进行计算:

以上式中:T为一个服从正态分布的统计量,T＞0,说明系列趋势上升,T＜0,说明系列趋势下降;Var(S)为系列方差;S为数值个数的累计数。当检验统计量T满足|T|＞Z1-a/2时,认为无趋势假设被拒绝,时间序列的趋势是显著的,其中a是显著性水平,一般取值为0.05,Z1-a/2是标准正态分布下的随机变量值。如果上述原假设成立,那么|T|≤Z1-a/2的概率应该就是0.95,|T|＞Z1-a/2,表示一个概率小于0.05的事件发生了,说明原假设是显著不成立的,也就是说,该序列变化趋势是显著的。

3 蒸发量时空变化分析

由于蒸发量均采用20cm口径蒸发器观测,需要将其折算成水面蒸发量。采用周边部分站点的E601型蒸发皿观测资料对上述各代表站的蒸发量进行折算。折算后的各代表站逐月及年水面蒸发量统计见表2。

表2 各代表站月水面蒸发量统计 单位:mm

续表

3.1 蒸发量年内分配

受气压、降水、湿度、气温等因素影响[10],该地区水面蒸发量年内分配不均匀,从图1看出,随着气温的升高出现明显的不均匀变化,各站蒸发量主要集中在5—8月,非汛期(1—3月、11—12月)水面蒸发量明显较小。4月气温上升,蒸发量逐渐增大,直到10月气温下降,蒸发量回落。各代表站水面蒸发量集中在5—8月,属连续4个月蒸发最大值,占全年蒸发量的52.7%～56.0%;连续4个月最小值出现在11月至次年2月,占全年蒸发量的11.3%～15.7%。全年最大水面蒸发量出现在7月,占全年蒸发量的13.4%～14.9%;最小蒸发量出现在每年1月,占比在2.1%～3.1%,蒸发量极值比为11.8,差距较大。各时段蒸发量占比见表3。

表3 各时段蒸发量占比统计

图1 各代表站蒸发量年内分配

3.2 蒸发量空间分布

蒸发站分布在所辖各县,测站高程在1721.836～2347.76m之间,落差625.92m,以横坐标为蒸发站高程,横坐标为水面蒸发量,点绘蒸发量随高程变化曲线,见图2。从图2可以看出,各代表站符合随高程增加而蒸发量减小的规律。临洮县李家村站蒸发量出现整体偏小的现象,主要原因是由于该观测站处于洮河河谷,风速较小,太阳辐射时间较短,加之受洮河水汽影响。

图2 各代表站月水面蒸发量与高程关系

研究发现该地区蒸发量与降水量成反比例关系,与当地气温成正比例关系。在一些河谷地带,相对湿度大、风速小,水面蒸发量相对较小;在陇西、通渭等川坝地带,受太阳辐射、气温、地形等因素影响,水面蒸发量相对较大。区域内蒸发量呈现由西北向东南递增趋势。

3.3 蒸发量年际变化

变差系数Cv值是水文统计中的一个重要参数,用来说明水文变量中的长期变化过程和稳定程度。可以用变差系数Cv值和极值比来衡量蒸发量的年际变化幅度,Cv值小,说明年际小[11],反之,则变化大。按照下列计量公式计算:

计算各站的变差系数Cv值,对各站最大蒸发量出现的年份进行统计,计算出模比系数。各代表站的Cv值在0.09～0.12之间,Cv值变化幅度不大,说明年际间变化相对稳定。最大年蒸发量出现在陇西站,为1331.4mm,出现于2002年,模比系数为1.28;最小年蒸发量出现在李家村站,为503.0mm,模比系数为1.59。年最大蒸发量与最小蒸发量极值比在1.44～1.62之间,差距较小(见表4)。各计算值显示,该地区水面蒸发量分布均匀,年际变化小。

表4 各代表站年蒸发量Cv值、模比系数和极值比计算统计 单位:mm

点绘各站年蒸发量变化曲线,见图3。采用最小二乘法计算出线性回归方程,可以看出,各代表站水面蒸发量均呈现增大趋势,符合该地区蒸发量演变规律。其中,漳县站蒸发量年际变化较平缓,其余各站变化较漳县站剧烈,整体变化相对稳定。采用垂直平分法对该地区平均蒸发量做了计算,多年平均蒸发量为858.0mm,从年际变化趋势看,呈现逐年增加趋势。

图3 渭河定西段各站蒸发量年际演变

3.4 趋势显著性检验

检验时,a显著性水平取5%,这里将陇西站的年水面蒸发量带入计算,对其进行变化趋势及显著性检验,得出蒸发量Mann-Kendall统计曲线[12]。用同样的方法对其余各代表站及多年平均蒸发量进行变化趋势检验,发现各代表站的水面蒸发量均显示为不显著,且变化趋势为增加。趋势检验结果见表5。检验结果与上述文献研究的渭河流域蒸发量结果基本一致,结果较合理。

表5 各代表站趋势检验统计

4 结 论

通过对近36年来渭河定西段蒸发量时空变化及演变趋势研究,主要得出以下结论:

a.该地区蒸发量与降水量成反比例关系,与当地气温成正比例关系。

b.受气温、地形及降水影响,蒸发量年内分配极不均匀,蒸发量主要集中在5—8月,非汛期蒸发量明显减小,汛期明显增大。

c.年际蒸发量变差系数Cv值在0.09～0.12之间,年际变化幅度较小。

d.在一些河谷地带,相对湿度大、风速小,水面蒸发量相对较小;蒸发量随高程增加而减小;区域内蒸发量由西北向东南递增。

e.采用线性回归法、Spearman秩次相关法、Mann-Kendall秩次相关法检验其趋势显著性,各代表站及境内平均蒸发量均显示变化不显著且呈增加趋势。