1960—2018年黃土高原地區蒸發皿蒸發時空變化特征及影響因素

張耀宗， 張 勃， 張多勇， 劉艷艷

（1.隴東學院歷史與地理學院，甘肅 慶陽 745000；2.慶陽市荒漠化防治研究中心，甘肅 慶陽 745000；3.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070；4.北方民族大學鄂爾多斯盆地歷史地理研究中心，寧夏 銀川 750021）

水資源是人類生存和發展的命脈，其狀態與變化特征對人類社會經濟可持續發展有著明顯的制約作用［1］。蒸發是水循環的重要過程，其演變過程涉及能量平衡與水量平衡［2-4］。因此，進行蒸散發變化研究對深入了解氣候變化、區域水平衡與水循環的影響具有十分重要的意義［5-6］。由于實際蒸發難以觀測，但蒸發皿蒸發與水面蒸發之間存在較高的相關關系，是氣象站常規觀測項目之一，同時該指標觀測資料累積序列長、可比性好，因此實踐時常作為水文與水資源研究、水利工程設計和氣候區劃的重要氣象指標［1,7］。

眾多學者的研究表明20世紀50年代以來全球各地的蒸發皿蒸發呈減少趨勢，風速、太陽輻射、氣溫、相對濕度對蒸發皿蒸發影響顯著［8-9］。近幾十年我國大部分地區年蒸發皿蒸發呈減少趨勢［10-11］，左洪超等［12］認為1961—2000 年我國66%的氣象臺站蒸發皿蒸發呈減少趨勢，蒸發皿蒸發與相對濕度的相關性最大。任國玉等［13］使用600多個氣象站數據研究認為1956—2000 年我國蒸發皿蒸發呈顯著減少趨勢，東部、南部和西北地區減少更多，日照時數、平均風速、氣溫日較差對水面蒸發影響顯著。祁添垚等［14］發現我國南部、東部、中部以及西北部，蒸發皿蒸發以顯著減少趨勢為主；我國東北部至西南的狹長帶，蒸發皿蒸發呈顯著增加及無明顯變化趨勢,相對濕度是影響蒸發皿蒸發的關鍵因子。Zhang等［15］指出黃土高原半干旱地區蒸發皿蒸發呈增加趨勢，與全球其他區域不同，氣溫升高、低云量減少、相對濕度降低是蒸發皿蒸發增加的主要原因；楊司琪等［16］發現夏季風影響過渡區蒸發皿蒸發量呈現增加趨勢，夏季風區與非夏季風影響過渡區呈相反變化趨勢；溫度變化對夏季風影響過渡區蒸發皿蒸發變率的貢獻最大，低云量的變化對夏季風影響過渡區、夏季風和非夏季風影響區的貢獻均在20%以上［17］。

黃土高原地區是我國重要的生態治理區，作為黃河流域高質量發展和國家生態安全的關鍵區域，水資源是制約其植被恢復的主要因素，水資源變化將直接影響本區域的農業生產、生態環境建設及社會經濟可持續發展，蒸發作為水循環的關鍵環節，是影響區域水熱平衡的重要參數，研究蒸發皿蒸發變化可為黃土高原地區的水資源管理、干濕預警與生態恢復建設，提供重要的理論支撐。各氣象站點中蒸發皿蒸發數據往往缺測過多，對研究的全面性和準確性有一定影響，本文將全面挖掘與整理1960—2018年該地區氣象站的蒸發皿蒸發量數據，及其他相關氣象要素的觀測資料，劃分出6 個子區域，分析蒸發皿蒸發變化特征及影響蒸發皿蒸發變化的氣象要素。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

本研究中黃土高原地區邊界范圍北抵陰山，南達秦嶺，東到太行山，西止青海日月山，面積6.4×105km2，如圖1 所示，與中國科學院黃土高原地區考察范圍一致［18］。按照黃土高原地區的地貌特征和自然地理特征將該區域劃分為6 個子區域進行研究，即隴中黃土高原（Ⅰ）、隴東黃土高原（Ⅱ）、關中平原（Ⅲ）、山西黃土高原（Ⅳ）、河套地區（Ⅴ）、鄂爾多斯高原（Ⅵ）［19］。

圖1 研究區氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological station in Loess Plateau

1.2 數據來源

利用黃土高原地區氣象站蒸發皿蒸發（Epan）分析近59 a 黃土高原地區Epan變化特征，蒸發皿口徑為20 cm，并利用平均氣溫（Tmean）、最低氣溫（Tmix）、最高氣溫（Tmax）、降水（Pre）、平均風速（u2）、日照時數（Sd）、水汽壓（es）、相對濕度（Rh）等數據研究黃土高原地區蒸發皿蒸發變化的主要氣象因子，氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://data.cma.cn/）。蒸發皿蒸發數據缺測較多，為保證序列趨勢的一致性，將時間序列連續小于45 a的站點剔除，并通過元數據分析，對上述資料進行了嚴格的質量控制。經過剔除和質量控制，基于61個站點的蒸發皿蒸發數據及相關氣象數據（圖1），對該區域1960—2018 年蒸發皿蒸發變化特征及影響因素進行研究。

1.3 研究方法

1.3.1 線性變化趨勢和Mann-Kendall法 本文采用線性趨勢法與Mann-Kendall非參數檢驗法分析黃土高原地區Epan的變化趨勢，使用累積距平法和Mann-Kendall 突變檢驗法分析Epan的突變點。線性趨勢法的優點在于方法簡單、物理意義清晰，并可以定量評估趨勢值，通過相關系數檢驗其顯著程度［20］。Mann-Kendall非參數統計檢驗（M-K檢驗）是世界氣象組織WMO 推薦的應用于環境數據時間序列趨勢分析的方法，是檢驗時間序列單調趨勢的有效工具［21］，該方法還可以檢驗時間序列是否發生了突變。以上方法在氣候變化的研究中已經廣泛使用［22-25］，具體算法參照文獻［20-21］。

1.3.2 多元線性回歸分析 在多要素的地理系統中，多個要素之間存在著相互影響、相互關聯的情況。因此，多元地理回歸模型具有更普遍性的意義［21］。影響Epan的因素是多方面的，為更全面掌握影響Epan的氣象因素，對數據進行標準化之后，使用了多元回歸分析方法，研究了影響Epan的主要氣象要素，使用F檢驗確定各因素對蒸發皿蒸發的方差貢獻，從而確定影響各區域Epan變化的主導氣象因子［13］。計算方法如下：

假設某一變量y受k個自變量x1，x2，…，xk的影響，其n組的觀測值為（ya，x1a，x2a，…，xka），其中，a=1，2，…，n。那么，多元線性回歸模型的結構式為：

式中：β0，β1，β2，…，βk為待定系數；εa為誤差項。

如果b0，b1，b2，…，bk分別為β0，β1，β2，…，βk的擬合值，則回歸方程如下：

式中：b0為常數；b1，b2，…，bk為偏回歸系數。

偏回歸系數bi（i=1，2，…，k）的含義是，當其他自變量xj(j≠i)都固定時，自變量xi每變化一個單位而使因變量y平均改變的數值。根據最小二乘法原理，得到回歸系數。

多元線性回歸模型建立后，需要進行顯著性檢驗，線性回歸的檢驗采用F檢驗完成。

2 結果與分析

2.1 蒸發皿蒸發的時空變化特征

2.1.1 蒸發皿蒸發年際變化特征 通過線性趨勢法計算可知，1960—2018 年黃土高原地區Epan整體呈減少趨勢，氣候傾向率為-6 mm·(10a)-1（圖2），未通過顯著性檢驗。研究區與全國［10,26-28］、黃河流域［7］的Epan變化趨勢基本一致，均呈減少趨勢。1960—2000年黃土高原地區Epan呈明顯減少趨勢，氣候傾向率為-59 mm·(10a)-1，通過了0.05 的顯著性檢驗，高于同期全國及其他大部分地區Epan減少的速率（表1），2000 年以來Epan呈增加趨勢，氣候傾向率為26 mm·(10a)-1。

表1 全國各地區Epan變化趨勢分析Tab.1 Nationwide summary of Epan trend

圖2 1960—2018年黃土高原地區蒸發皿蒸發線性趨勢Fig.2 Liner trend of pan evaporation in Loess Plateau from 1960 to 2018

黃土高原地區Epan春、夏、秋、冬四季的氣候傾向率分別為：-14 mm·(10a)-1、-16 mm·(10a)-1、-9 mm·(10a)-1、16 mm·(10a)-1，未通過顯著性檢驗。黃土高原地區春季、夏季蒸發皿蒸發減少量較大，對年蒸發皿減少蒸發貢獻大，冬季蒸發皿蒸發呈增加趨勢，是2000 年來蒸發皿蒸發速率減少的主要原因。

黃土高原地區Epan變化在空間上一致性較差，局部和整體變化不同步。在空間上，減少與增加的站點同時存在（圖3），54%的站點呈減少趨勢，其中54%的站點通過了0.05 的顯著性水平檢驗；42%的站點呈增加趨勢，其中58%的站點通過了0.05 的顯著性水平檢驗，呈增加趨勢的站點主要分布在Ⅱ區和Ⅵ區；4%的站點無明顯變化趨勢。研究表明Epan變化在全國及黃河流域均存在的空間差異性現象［1-2,7］，黃土高原地區同全國及黃河流域變化特征較為一致，其內部變化存在明顯差異。6個分區中，Ⅲ區、Ⅳ區呈減小趨勢，氣候傾向率分別為-22 mm·(10a)-1、-8 mm·(10a)-1，Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅴ區、Ⅵ區呈微弱增加趨勢，氣候傾向率分別為17 mm·(10a)-1、13 mm·(10a)-1、3 mm·(10a)-1、18 mm·(10a)-1，各區域中，Epan減少的速率大于增加的速率。

圖3 1960—2018年黃土高原地區蒸發皿蒸發空間變化Fig.3 Spatiotemporal variations of pan evaporation in Loess Plateau from 1960 to 2018

2.1.2 蒸發皿蒸發突變分析 由黃土高原地區Epan的M-K 突變檢驗分析可知（圖4a），Epan的UF和UB線無交點，表明通過M-K 檢驗黃土高原地區Epan無突變點。Ⅰ區、Ⅱ區與黃土高原地區M-K檢驗結果基本一致；Ⅲ區突變點為1970 年，Ⅳ區的突變點在1968年；Ⅴ區、Ⅵ區M-K檢驗無突變點。

通過累積距平曲線可知（圖4b），累積距平曲線存在3 個階段的變化趨勢，1960—1974 年呈顯著的增加趨勢，1975 年之后呈減少趨勢，1997 年之后呈增加趨勢。Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅳ區、Ⅴ區、Ⅵ區與黃土高原地區累積距平曲線變化基本一致。Ⅲ區Epan累積距平曲線也存在3 個階段的變化趨勢，1970 年之前呈增加趨勢，1970—1993 年表現為減少趨勢，但在1993年之后出現短暫的增加趨勢，1997年之后又呈減少趨勢。

圖4 黃土高原地區蒸發皿蒸發M-K檢驗和累積距平Fig.4 Mann-Kendall test and cumulative anomaly map of pan evaporation in Loess Plateau

綜上可知，黃土高原地區Epan有2次轉折、3個階段的變化趨勢，轉折年份分別是1974年和1996年，1960—1974 年呈增加趨勢，氣候傾向率為11 mm·(10a)-1，1975—1996 年呈減少趨勢，氣候傾向率為-60 mm·(10a)-1，1997 年之后呈增加趨勢，增速為30 mm·(10a)-1。馬海姣等［29］指出1974 年是黃土高原地區Epan的主要轉折年，楊司琪［26］認為1960—2017 年全國Epan的轉折點在1996 年，本文與以上研究結果具有一致性。因此，黃土高原地區與全國Ep-an的轉折時間一致性較好。

2.2 蒸發皿蒸發變化的氣象因素分析

應用多元回歸分析計算氣象因子系數，使用F檢驗確定各因素對蒸發皿蒸發的方差貢獻，從而確定影響各區域Epan變化的主導氣象因子［13,19］，各區域影響Epan的主要氣象要素排序見表2。分析可知，平均風速在黃土高原地區及各區域對Epan影響最顯著，其次是日照時數和水汽壓。平均風速、日照時數的影響因素為正影響作用，水汽壓為負影響作用。各分區中，影響Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區的首要氣象因素為平均風速，Ⅳ區的首要影響因素是日照時數，Ⅴ、Ⅵ區的首要影響因素是溫度，其他因素在各區域排序不一致（表2），反映出各區域地理環境差異顯著，不同地理單元影響Epan的氣象因素差異較大。楊司琪等［16］指出夏季風區、夏季風影響過渡區及非夏季風區Epan對各氣象要素的敏感程度不同。

表2 各區域影響Epan的主要氣象要素Tab.2 Main influential factors for Epan in the Loess Plateau

各區域在不同季節影響蒸發皿蒸發的氣象因子差異明顯。春季，Ⅲ區、Ⅴ區最顯著的影響因素為平均最低氣溫、其他各區域以平均風速為主，日照時數、平均最高氣溫對各區域蒸發皿蒸發存在影響；夏季Ⅰ區、Ⅴ區的主要影響因子為相對濕度，Ⅱ區、Ⅳ區、Ⅵ區的主要影響因子為降水，風速和降水是Ⅲ區的主要氣象因子；秋季各區域影響Epan的氣象因子以平均風速為主，Ⅴ區的主要氣象因子是最低氣溫，其次是風速；冬季黃土高原地區、Ⅱ區的主要影響因子為平均最低氣溫、日照時數，Ⅳ、Ⅵ區平均風速是主要的氣象因子，Ⅰ區無明顯的影響因子。綜上分析，春季、秋季各區域以風速為主，溫度、相對濕度在春季有顯著的影響；夏、秋各區域的主要影響因子為相對濕度、水汽壓、降水；在冬季溫度、相對濕度、風速對Epan影響顯著。

由表3 可知，影響黃土高原地區蒸發皿蒸發的主要氣象因子依次為平均風速、日照時數、水汽壓，1960—2018年黃土高原地區的平均風速、日照時數均呈減小趨勢，氣候傾向率分別為-0.06 m·s-1·(10a)-1，-42 h·(10a)-1；水汽壓呈升高趨勢，氣候傾向率為0.04 hPa·(10a)-1，在3個主要氣象因子的綜合作用下，黃土高原地區Epan整體呈減少趨勢。如圖5所示，1960—1974 年黃土高原地區的平均風速、日照時數呈增大、增加趨勢，水汽壓呈減小的變化趨勢，致使黃土高原地區1974 年之前Epan呈增加變化趨勢。1975—1996年，該區域的平均風速雖呈增大變化趨勢，但日照時數呈明顯減少，導致該時間段黃土高原地區Epan呈減少變化特征。1997 年之后，該區域的平均風速減小，同時在日照時數顯著減少和水汽壓顯著增大的影響下Epan明顯增加。影響Epan的氣象因子較多，Epan的變化是各種氣象要素綜合作用的結果［12］，可以將其分為動力因子、熱力因子及水分因子。其中，風速強弱變化影響蒸發過程中的水汽輸送環節［12］，是影響Epan的主要動力因子［14］；日照時數變化導致Epan的能量來源變化，是影響Epan熱力因子的主要代表；水汽壓一定程度上表示了大氣中水汽含量的多少，能夠表征影響Epan的水分因子。

表3 各區域影響Epan的主要氣象要素變化趨勢Tab.3 Liner trend of main influential factors for Epan in the Loess Plateau

圖5 黃土高原地區風速、日照時數、水汽壓累積距平Fig.5 Cumulative departure curve of u2,Sd,es in Loess Plateau

黃土高原地區春、秋季Epan呈減少趨勢，春、秋季的風速減小對Epan減少作用明顯（表3）；夏季Epan呈減少趨勢，其首要影響因素為相對濕度，水汽壓、降水也是影響夏季Epan的主要氣象因子，可見水分因子是夏季蒸發皿蒸發變化的主要因素；冬季蒸發皿蒸發呈增加趨勢，其主要影響因素為最低氣溫，呈顯著增加趨勢，因此，熱力因子對冬季Epan變化的影響顯著。

3 討論

Epan變化是多個氣象因子共同作用的結果，且是各種氣象因子非線性共同作用的復雜過程，單一的環境因子不能解釋Epan的變化［26,36-38］。1960—2018年黃土高原地區蒸發皿蒸發的動力因子、熱力因子、水汽因子均發生了變化，且具有明顯的階段性變化特征，導致蒸發皿蒸發出現不同的變化特征。有關學者研究指出影響全國Epan的主要氣象因子或者關鍵氣象因子有風速、日照時數、氣溫日較差、相對濕度［2,13-14,27］，Zhang 等［15］、楊司琪等［17］指出低云量對Epan有重要的影響。由于在不同的研究中使用的氣象因子個數有差異，因此，結論不完全一致，柳春等［7］認為黃河流域Epan減少是由風速減小所致，本文研究也得出風速是影響黃土高原地區Epan變化的主要氣象因子，但各區域存在一定差異性，在不同區域，不能時間段，主導Epan的氣象因子不同，四季中風速主要在春、秋季對Epan影響顯著。Yang 等［39］指出中國地表風速2014年以后出現了增強的趨勢，但是區域差異明顯，本文與之對應的華北西部、華北區域風速依然表現出減小趨勢（表3），但Epan在2000年后呈增加的趨勢，由此可見，Epan的變化還受日照時數變化與水汽壓等其他影響因子的控制。對于黃土高原地區這一氣候過渡地帶，其變化機制復雜，未來研究中除綜合考慮本研究所列氣象因子外，還應考慮太陽輻射、云量、下墊面性質等多因素對蒸發皿蒸發的影響。

4 結論

（1）近59 a 黃土高原地區Epan變化時空差異顯著，1960—2018年黃土高原地區Epan呈減少趨勢，氣候傾向率為-6 mm·(10a)-1，與全國及黃河流域的Epan變化趨勢一致，但減幅較大。黃土高原地區Epan存在1974 和1996 年前后2 個轉折點；有3 個明顯的變化階段，1975年之前呈微弱增加趨勢［11 mm·(10a)-1］，1975—1996 年呈減少趨勢［-60 mm·(10a)-1］，1997年之后Epan呈增加趨勢［30 mm·(10a)-1］。

（2）空間上，1960—2018 年黃土高原地區54%的站點呈減少趨勢，隴東、隴中黃土高原、河套地區和鄂爾多斯高原呈微弱增加趨勢，氣候傾向率分別為17 mm·(10a)-1、13 mm·(10a)-1、3 mm·(10a)-1、18 mm·(10a)-1；關中平原、山西黃土高原呈減少趨勢，氣候傾向率分別為-22 mm·(10a)-1、-8 mm·(10a)-1。

（3）風速、日照時數、水汽壓是依次影響黃土高原地區Epan變化的主要氣象因子。1960—2018年黃土高原地區平均風速減?。?0.05 m·s-1·(10a)-1］、日照時數減少［-41 h·(10a)-1］、水汽壓升高［0.04 hPa·(10a)-1］是蒸發皿蒸發呈減少趨勢的主要原因；春季、秋季Epan變化動力因子起主要作用，夏、冬季變化分別是水分因子、熱力因子起主導作用。