梅 星，沈 冰，莫淑紅

（西安理工大學 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，西安 710048）

0 引 言

目前，氣候變化已成為不爭的事實［1］。近年來，由于自然和人類活動的干擾，大氣污染和溫室氣體濃度的升高，加劇了氣候變化的速度，全球氣候變化研究已成為目前國際上科學界的熱點研究問題之一［2－3］。蒸發(fā)量既是地表能量平衡的重要組成部分，又是水量平衡的重要組成部分［4］，是決定天氣與氣候條件的重要因子，在全球水循環(huán)和氣候演變中具有舉足輕重的作用［5－6］。蒸散發(fā)量在水資源的利用、評價工作中具有重要意義，在許多領(lǐng)域內(nèi)也都有應(yīng)用。蒸散發(fā)的研究涉及氣象學、水文學、植物生理學、土壤物理學等眾多學科［7－8］。因此，進行蒸散發(fā)量變化的研究，對深入了解氣候變化規(guī)律及探討氣候變化的原因具有十分重要的意義。

1 計算方法

關(guān)中地區(qū)位于陜西中部，屬大陸性季風氣候，暖溫帶半濕潤半干旱氣候帶。干旱、暴雨、霜凍等自然災(zāi)害性天氣時有發(fā)生。因此研究關(guān)中地區(qū)實際蒸散發(fā)量的時空變化及其原因可以為陜西省關(guān)中地區(qū)的水資源配置和開發(fā)利用提供合理的建議和理論依據(jù)。根據(jù)關(guān)中地區(qū)7個氣象站點 （西安、寶雞、長武、銅川、耀縣、鳳翔和武功）1960～2010年間51a的月平均氣溫、月平均相對濕度、月平均日照時數(shù)、月平均水汽壓、月降水量等氣象資料，采用加拿大互補相關(guān)模型 （CRAE模型）計算歷年各月的實際蒸散發(fā)量，具體計算方法和計算結(jié)果見文獻 ［9］，氣象資料來源于中國氣象網(wǎng)。借助GIS軟件Arc／Info對各個站點的多年平均值進行反距離空間插值，最后獲得實際蒸散發(fā)量和其影響因素的空間分布情況。

2 實際蒸散發(fā)量的空間變化特性

2．1 年實際蒸散發(fā)量空間分布

由圖1關(guān)中地區(qū)年實際蒸散發(fā)量空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年蒸散發(fā)量值范圍為：491～571 mm，寶雞、鳳翔地區(qū)的年蒸散發(fā)量值較大，大城市武功、西安地區(qū)的年蒸散發(fā)量值較小。

圖1 關(guān)中地區(qū)年實際蒸散發(fā)量空間分布Fig．1 Spatial distribution of areal evapotranspiration in Guanzhong Region

統(tǒng)計分析關(guān)中各地多年平均實際蒸散發(fā)量與地理經(jīng)度、緯度和海拔高度的偏相關(guān)關(guān)系，見表1。

表1 關(guān)中地區(qū)年實際蒸散發(fā)量與各地理要素的偏相關(guān)關(guān)系Table 1 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the geographical elements in Guanzhong Region

就全年而言，與經(jīng)度的偏相關(guān)性最顯著 （偏相關(guān)系數(shù)為－0．489 3），通過了α＝0．001水平的相關(guān)顯著性檢驗；與海拔的偏相關(guān)系數(shù)為0．462 5，也通過了α＝0．001的顯著性檢驗；與緯度的偏相關(guān)系數(shù)為0．248 8，通過了α＝0．01的顯著性檢驗。

2．2 四季實際蒸散發(fā)量空間分布特征

圖2～圖5為關(guān)中地區(qū)冬季 （12～翌年2月）、春季 （3～5月）、夏季 （6～8月）、秋季 （9～11月）四季實際蒸散發(fā)量空間分布的總體情況，由圖可以看出：

圖2 關(guān)中地區(qū)冬季蒸發(fā)量空間分布Fig．2 Spatial distribution of areal evapotranspiration in winter in Guanzhong Region

冬季是1a中實際蒸散發(fā)量較小的季節(jié)，平均蒸發(fā)量值為89～95mm，僅占年實際蒸散發(fā)量的18．1%，其空間分布為關(guān)中西部的冬季實際蒸散發(fā)量大于其東部的實際蒸散發(fā)量值。

春季是1a中實際蒸散發(fā)量最小的一個季節(jié)，平均蒸散發(fā)量值為85～92mm，大概和冬季實際蒸散發(fā)量平均值相等。春季實際蒸散發(fā)量的空間分布和冬季的空間分布是相似的，都是其西部的值大于其東部的值。

夏季是1a中實際蒸散發(fā)量較大的一個季節(jié)，平均蒸散發(fā)量值為154～191mm，占全年實際蒸散發(fā)量值的31．4%，其空間分布和年實際蒸散發(fā)量的空間分布是相似的，都是寶雞、鳳翔地區(qū)的蒸散發(fā)量值較大，大城市武功、西安地區(qū)的蒸散發(fā)量值較小。

秋季是1a中實際蒸散發(fā)量最大的一個季節(jié)，平均蒸散發(fā)量值為160～195mm，占全年實際蒸散發(fā)量值的32．6%，其空間分布和年實際蒸散發(fā)量與夏季實際蒸散發(fā)量的空間分布是相似的。

統(tǒng)計分析關(guān)中各地多年平均冬、春、夏、秋四季實際蒸散發(fā)量與地理經(jīng)度、緯度、海拔高度的偏相關(guān)關(guān)系，見表2。由表2可見，四季與全年情況略有不同，冬季和春季實際蒸散發(fā)量與緯度呈負偏相關(guān)，春季實際蒸散發(fā)量與海拔呈負偏相關(guān)，其余偏相關(guān)關(guān)系均與全年相似。夏季和秋季與全年情況接近。

表2 關(guān)中地區(qū)四季實際蒸散發(fā)量與各地理要素的偏相關(guān)關(guān)系Table 2 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the geographical elements in Guanzhong Region

2．3 年實際蒸散發(fā)量空間分布氣候成因

為進一步探討氣候條件對關(guān)中地區(qū)實際蒸散發(fā)量空間分布的影響，本文對關(guān)中地區(qū)1960～2010年平均實際蒸散發(fā)量與各站多年平均氣溫、年日照時數(shù)、年降水量、年平均水汽壓、年平均相對濕度等5項因子進行偏相關(guān)分析 （表3），結(jié)果表明，年實際蒸散發(fā)量與各氣候因素的偏相關(guān)系數(shù)均通過了α＝0．01以上的顯著性檢驗，年實際蒸散發(fā)量與年日照時數(shù)和年降水量均呈顯著的正偏相關(guān)關(guān)系，與平均氣溫、平均水汽壓、平均相對濕度呈顯著的負偏相關(guān)關(guān)系。

表3 關(guān)中年實際蒸散發(fā)量與各氣候因子的偏相關(guān)分析Table 3 Partial correlations between annual areal evapotranspiration and the climate factor in Guanzhong Region

圖6～圖10給出了關(guān)中地區(qū)年實際蒸散發(fā)量空間分布影響較顯著的年平均氣溫、年日照時數(shù)、年降水量、年平均氣壓、年平均相對濕度等氣候要素的多年平均值的空間分布情況，從中可以看出：

1）由圖6關(guān)中地區(qū)年平均氣溫空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年平均氣溫為9．3～13．9℃，其空間分布呈緯向分布，關(guān)中地區(qū)南部的年平均溫度大于北部的年平均氣溫。

2）由圖7關(guān)中地區(qū)年日照時數(shù)空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年日照時數(shù)平均為1 786～2 312h，其空間分布也呈緯向分布，但是關(guān)中地區(qū)北部的日照時數(shù)遠遠大于南部的日照時數(shù)。

3）由圖8關(guān)中地區(qū)年降水量空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年降水量為550～657mm，其空間分布為西部降水量大于東部的降水量。

4）由圖9關(guān)中地區(qū)年平均氣壓空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年平均氣壓為881～970Pa，其空間分布為關(guān)中地區(qū)東南部的年平均水汽壓大于西北部的年平均水汽壓。

5）由圖10關(guān)中地區(qū)年平均相對濕度空間分布圖可知，關(guān)中地區(qū)年平均相對濕度為65%～71%，其空間分布為中部大于西部和東部。

3 實際蒸散發(fā)量的時間變化特性

3．1 年實際蒸散發(fā)量的突變分析

圖11為關(guān)中地區(qū)1960～2010年年實際蒸散發(fā)量序列的Mann－Kendall突變檢測情況和實際蒸散發(fā)量距平曲線圖，圖中C1為代表實際蒸散發(fā)量序列的順序累計曲線，C2為逆序累計曲線 （下同）。從中可以看出，C1曲線大部分為負值且總體為下降趨勢，尤其是20世紀70年代中期以來，下降趨勢明顯，而且在1989年突破了α＝0．05的置信線－1．96，這說明近51a關(guān)中地區(qū)實際蒸散發(fā)量呈極顯著的下降趨勢。C1和C2曲線于1974年在臨界線±1．96之間有一個明顯的交點，表明關(guān)中地區(qū)實際蒸散發(fā)量與1974年以來發(fā)生了極顯著的突變性減小。從距平曲線圖中也能得出該結(jié)論。用同樣的方法對關(guān)中地區(qū)1960～2010年年平均氣溫、年日照時數(shù)、年降水量、年平均相對濕度和年平均本站氣壓進行突變性檢測。結(jié)果表明 （圖略）：年平均氣溫于1993年發(fā)生了突變性的升高、年日照時數(shù)于1974年發(fā)生了突變性的減小、年降水量于1988年發(fā)生了突變性的減小、年平均相對濕度于2001年發(fā)生了突變性的減小、年平均本站氣壓于1968年發(fā)生了突變性的升高。對照關(guān)中地區(qū)實際蒸散發(fā)量與上述各氣候要素的突變特征可以發(fā)現(xiàn)，實際蒸散發(fā)量減小的突變點與日照時數(shù)減小的突變點一致而略晚于平均本站氣壓升高的突變點位置，年平均氣溫、年降水量和年平均相對濕度這3個要素發(fā)生的時間均不同程度的晚于實際蒸散發(fā)量發(fā)生突變點的時間。這說明實際蒸散發(fā)量突變性減小的發(fā)生是各氣象要素變化綜合積累的體現(xiàn)。關(guān)中地區(qū)突變后較突變前實際蒸散發(fā)量減小了13mm，減少2．3%。實際蒸散發(fā)量的減小對關(guān)中地區(qū)水資源的配置起到了良好的作用。

3．2 年實際蒸散發(fā)量的周期分析

對關(guān)中地區(qū)近51a的實際蒸散發(fā)量及其影響因素進行Mexican hat小波變化分析 （圖12，影響因素的Mexican hat小波變化分析圖省略）。由圖12可見：年平均氣溫主要存在準16a的振蕩周期；日照時數(shù)主要存在準13a的振蕩周期；年降水量主要存在準2a和6a的振蕩周期；年平均本站氣壓主要存在準14a的振蕩周期；平均相對濕度主要存在準2a、6a、11a的振蕩周期；受各氣象要素各周期變化的綜合影響，關(guān)中地區(qū)1961～2010年的實際蒸散發(fā)量主要存在準9a的振蕩周期。

4 結(jié) 論

本文通過對關(guān)中地區(qū)的實際蒸散發(fā)量及其影響因素進行了一系列的空間和時間的分析，得出了以下一些結(jié)論：

1）關(guān)中地區(qū)年和四季的實際蒸散發(fā)量的空間分布是一致的，即寶雞地區(qū)的實際蒸散發(fā)量比較大，而西安地區(qū)的實際蒸散發(fā)量則較小。

2）關(guān)中地區(qū)年和四季實際蒸散發(fā)量與地理要素的偏相關(guān)關(guān)系為：年實際蒸散發(fā)量與經(jīng)度呈偏負相關(guān)與緯度和海拔呈偏正相關(guān)；四季與全年情況略有不同，冬季和春季實際蒸散發(fā)量與緯度呈負偏相關(guān)，春季實際蒸散發(fā)量與海拔呈負偏相關(guān)，其余偏相關(guān)關(guān)系均與全年相似。夏季和秋季與全年情況相似。

3）關(guān)中地區(qū)年實際蒸散發(fā)量于1974年以來發(fā)生了極顯著的突變性減小。

4）關(guān)中地區(qū)年實際蒸散發(fā)量主要存在準9a的振蕩周期。

［1］李海濤，于貴瑞，袁嘉祖．中國現(xiàn)代氣候變化的規(guī)律及未來情景預(yù)測 ［J］．中國農(nóng)業(yè)氣象，2003，24 （4）：1－4．

［2］張志強，孫成全．全球變化研究十年新進展 ［J］．科學通報，1999，44 （5）：464－477．

［3］Houghton J T，Meira Filho L G，Callander B A．The science of climate change，climate change 1995 ［M］．IPCC．Ambridge，UK：Cambridge University Press，1995：142．

［4］許士國，王 昊．測量蘆葦沼澤蒸散發(fā)量的滲流補償方法 ［J］．水科學進展，2007，18 （4）：496－503．

［5］張曉濤，唐紹忠，王鵬新，等．估算區(qū)域蒸發(fā)蒸騰量的遙感模型對比分析 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（7）：3－13．

［6］武夏寧，胡鐵松，王修貴，等．區(qū)域蒸散發(fā)估算測定方法綜述 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22 （10）：257－262．

［7］何 玲，莫興國，汪志農(nóng)，等．基于 MODIS遙感數(shù)據(jù)計算無定河流域日蒸散 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23 （5）：144－149．

［8］朱仲元，朝倫巴根，王志強，等．基于Shuttleworth－Wallace雙源模型的天然楊樹蒸散量日變化研究 ［J］．水利學報，2007，35 （5）：582－590．

［9］梅 星，沈 冰，莫淑紅．CRAE模型在陜西關(guān)中地區(qū)的應(yīng)用 ［A］．全國第九屆水問題研究學術(shù)研討會論文集 ［C］．北京：中國水利水電出版社，2011．