(陜西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，西安 710004)

聯(lián)合國氣侯變化政府間專家委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,簡稱IPCC)第5次報(bào)告指出，近百年來全球平均氣溫上升0.74℃，未來百年還將持續(xù)上升1.1℃～6.4℃，當(dāng)今全球氣候變暖的格局日益顯著，進(jìn)而引起地表蒸散增強(qiáng)[1]。有關(guān)研究指出，近50年來中國蒸發(fā)量持續(xù)增加，這導(dǎo)致干燥度和干旱指數(shù)較高[2]。蒸發(fā)過程是大氣系統(tǒng)動力循環(huán)的驅(qū)動之一，作為平衡熱量交互的重要矢量，其緊密聯(lián)系著水循環(huán)與大氣循環(huán)。黃土高原是我國生態(tài)脆弱區(qū)，也是季風(fēng)氣候向干旱大陸性氣候過渡區(qū)，在氣候變化和人類擾動的背景下，區(qū)域地表蒸散活動十分復(fù)雜[3]。本文以陜北黃土高原(延安市和榆林市)為案例區(qū)，分析在氣候變化背景下區(qū)域蒸發(fā)量的時(shí)空變化及其影響因素，以期為區(qū)域水資源規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中選取陜北黃土高原地區(qū)63個(gè)氣象站點(diǎn)，基于逐日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)加權(quán)計(jì)算年蒸發(fā)量、氣溫和降水，該氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)。地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，為研究區(qū)內(nèi)的DEM(空間分辨率為30 m)，坡向則運(yùn)用Arcgis10.5平臺下surface模塊的aspect工具提取。NDVI數(shù)據(jù)來源于MODIS數(shù)據(jù)網(wǎng)站(https://modis.gsfc.nasa.gov/)，其產(chǎn)品序號為13A，空間分辨率為500 m。

1.2 GIS空間插值分析

為直觀描述研究區(qū)蒸發(fā)量以及其他環(huán)境因子空間分布，在GIS平臺下運(yùn)用Geostastics功能進(jìn)行插值分析，目標(biāo)變量分別為蒸發(fā)量、氣溫和降水量，空間位置以各氣象站點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)插值的時(shí)候，先運(yùn)用GS+9.0軟件計(jì)算其半方差函數(shù)，根據(jù)R2接近于1、殘差接近于0的原則選擇最佳擬合模型，并且記錄模型參數(shù)，然后將其運(yùn)用于GIS平臺進(jìn)行空間估計(jì)，插值方法為普通Kriging法。

1.3 Mann-Kendall趨勢分析

Mann-Kendall趨勢分析用以度量時(shí)間變量總體變化程度。其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量如下：

(1)

(2)

式中：n為時(shí)間序列長度；xk和xi則分別為第k、第i個(gè)時(shí)間序列值。

當(dāng)S表現(xiàn)為正態(tài)分布時(shí)，其方差統(tǒng)計(jì)量如下：

(3)

當(dāng)n的取值大于10時(shí)，則其標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算如下[4-5]：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 陜北黃土高原蒸發(fā)量宏觀特征

圖1為1980-2010年陜北黃土高原年蒸發(fā)量變化圖。由圖1可知，近30年來區(qū)域蒸發(fā)量呈波動增加趨勢，其值介于840～1 270 mm之間。其中，1981、1982、1985、1989、1994、2000、2006等年份為低值年，1983、1988、1992、1996、2004、2007等年份為高值年。整體變化趨勢為y=5.535 6x-9 966(R2=0.253 1),并在0.05水平上顯著。經(jīng)趨勢分析表明，其Z值為1.56 mm，未通過閾值檢驗(yàn)。

圖1 1980-2010年陜北黃土高原年平均蒸散量

2.2 陜北黃土高原蒸發(fā)量空間分布特征

以各個(gè)站點(diǎn)多年蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的平均值為基礎(chǔ)，經(jīng)地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析處理后進(jìn)行空間插值。為顯示其詳細(xì)分布特征，將像元大小設(shè)置為默認(rèn)的180 m，并以區(qū)域邊界進(jìn)行裁決提取，得到陜北黃土高原蒸發(fā)量空間分布，見圖2。由圖2可知，研究區(qū)年蒸發(fā)量空間分布不均，空間值域介于629～1 468 mm之間，其中低值區(qū)集中于區(qū)域南部，尤其是河流谷底蒸發(fā)量最低；高值區(qū)集中于區(qū)域北部。研究區(qū)蒸發(fā)量整體呈塊狀分布，表現(xiàn)出自南向北地帶性增加的空間分布格局，這表明陜西黃土高原南部地區(qū)蒸發(fā)量較于北部地區(qū)較少，南部濕潤度相對較高、環(huán)境適宜性略好，而北部蒸發(fā)量大、氣候干燥。

應(yīng)用式(4)計(jì)算各氣象站點(diǎn)蒸發(fā)量的Z值，進(jìn)而繪制其空間分布圖。由圖2可知，近30年來陜北黃土高原地區(qū)蒸發(fā)量空間變化局勢不一，全局變化區(qū)間介于-3～2 mm之間。其中，在中部和南部的大部分地區(qū)蒸發(fā)量Z值小于零，說明這些地方年蒸發(fā)量呈較小趨勢，主要由于該地區(qū)地表覆被改善增強(qiáng)了水分保持功效。而北部以及局部河谷地區(qū)的蒸發(fā)量Z值大于零，在1980-2010年間蒸發(fā)量呈增加趨勢，北部地區(qū)地表裸露程度高、沙漠化日益嚴(yán)重，導(dǎo)致蒸發(fā)加??；而河谷地區(qū)蒸發(fā)量加大主要由于城鎮(zhèn)化推進(jìn)和人為活動引起。

圖2 陜北黃土高原蒸發(fā)量及其Z值空間分布

2.3 陜北黃土高原蒸發(fā)量與土地覆被的關(guān)系

太陽輻射引起地表溫度升高從而導(dǎo)致地表蒸散，由此看來下墊面環(huán)境是地表蒸散的介質(zhì)。由于不同的地表覆被特征，其物理性質(zhì)、化學(xué)組成、生物活性等存在差異，進(jìn)而影響著地表蒸散的速率。為研究其與土地覆被之間的關(guān)系，以MODISQ13產(chǎn)品提取了研究區(qū)NDVI空間分布圖進(jìn)行對比分析(圖2與圖3)。NDVI為歸一化植被指數(shù)，其值介于-1～1之間，通常其值越大表明植被覆蓋程度越高，反之植被覆蓋越低。研究區(qū)NDVI值介于0～1之間，其中區(qū)域南部的洛川、黃陵等地NDVI高達(dá)0.8以上，說明指標(biāo)覆蓋良好；而北部的安塞等地NDVI值小于0.2，被認(rèn)為是低植被覆蓋區(qū)，以毛烏素沙地為主。對比可知，研究區(qū)蒸發(fā)量與NDVI呈現(xiàn)良好的空間相關(guān)性，北部邊緣的沙地區(qū)地表裸露、反射率強(qiáng)，地表水分損失率高；南部植被覆蓋區(qū)有效減弱太陽對地表的直接輻射，樹冠和地表枯枝落葉能夠保持地表水分。

圖3 陜北黃土高原NDVI空間分布

2.4 陜北黃土高原蒸發(fā)量與地形的關(guān)系

地形是一項(xiàng)綜合性的環(huán)境要素，地形的高低起伏、坡向等引起地表輻射和太陽輻射能的梯度變化，進(jìn)而造成地表蒸散空間變異格局。結(jié)合圖4和圖2可知，區(qū)域蒸發(fā)量與DEM具有緊密空間相關(guān)性。這是因?yàn)殡S著海拔升高，近地面氣溫降低；全局看來南部地勢低、北部地勢高，這種分布與蒸發(fā)量的格局基本一致。從坡向來看，陽坡的日照時(shí)間長，蒸發(fā)旺盛；陰坡日照時(shí)間短，蒸發(fā)量相對較低。

圖4 陜北黃土高原DEM和坡向空間分布

2.5 陜北黃土高原蒸發(fā)量與氣候因素的關(guān)系

氣溫是地表蒸散產(chǎn)生的直接熱量來源，降水則是區(qū)域水分平衡的重要矢量，以往的研究均表明該氣候要素是地表蒸發(fā)量的重要原因。陜北黃土高原地區(qū)多年平均降水量介于290～650 mm之間，氣溫在8.7℃～15.4℃之間不均衡分布，蒸發(fā)量為降水量的2.5倍。研究區(qū)氣溫呈由河谷向原地增加分布，河谷低地水資源豐富、人口密集，然而其蒸散量小于北部年均氣溫較低的原地、沙地，主要由于南部河谷區(qū)降水豐富、空氣濕度大；而北部大范圍地區(qū)降水稀少、氣候干旱，導(dǎo)致地表蒸散強(qiáng)烈(圖5)。

圖5 陜北黃土高原氣溫和降水空間分布

2.6 陜北黃土高原蒸發(fā)量與環(huán)境因素相關(guān)分析

蒸發(fā)量是典型的氣候因素之一，蒸發(fā)量不僅受氣候系統(tǒng)變化影響還與地理環(huán)境特征、人為活動等密切相關(guān)。為準(zhǔn)確辨識其影響因素，采用person相關(guān)分析法進(jìn)行分析，見表1。由表1可知，陜北黃土高原地區(qū)蒸發(fā)量與環(huán)境因素呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，其中與降水量的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)性系數(shù)為-0.557，并在0.01水平上顯著；其次是地表覆蓋，蒸發(fā)量與NDVI相關(guān)性為-0.517(P<0.01)。蒸發(fā)量與氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.258，在0.05水平上達(dá)到顯著性。蒸發(fā)量與地形的關(guān)系密切，與DEM和坡向均呈現(xiàn)顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為0.221(P<0.05)、0.445(P<0.05)。

表1 陜北黃土高原蒸發(fā)量與環(huán)境因素的相關(guān)性系數(shù)

注：**在0.01水平上顯著；*在0.05水平上顯著。

3 結(jié) 論

通過趨勢分析與空間插值分析可知，1980-2010年黃土高原多年平均蒸發(fā)量在介于840～1 270 mm之間，變化斜率為5.53 mm/a，增加趨勢明顯。黃土高原30年來平均蒸發(fā)空間分布差異顯著，呈現(xiàn)由南向北遞增的空間格局，并且其時(shí)空變化量分布不均，Z值大于零的地區(qū)集中于北部沙地地帶，Z值小于零的地區(qū)分布于南部植被密集區(qū)。氣候是區(qū)域蒸發(fā)量的主導(dǎo)環(huán)境因子，與降水量、氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)性，與DEM和坡向呈負(fù)相關(guān)性，與植被覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)。