云南盘龙河流域53年来蒸发量变化分析及预测
2015-12-20程清平
王 平，程清平，2，王 倩
（1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）
云南盘龙河流域53年来蒸发量变化分析及预测
王 平1，程清平1，2，王 倩1
（1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）
利用盘龙河流域1961—2013年蒸发皿蒸发量观测资料，分析了盘龙河流域蒸发量的变化特点及其未来变化趋势.结果表明：1）53年来蒸发量呈十分显著的减少趋势，其变化速率为-23.90mm/10 a，53年来减少了126.7mm，各季蒸发量与年变化趋势一致，均呈减少趋势；2）年蒸发量与春季、雨季呈显著的突变减少趋势；3）秋季5 a、冬季6 a的变化周期十分显著；4）R/S分析法与均生函数预测模型预测结果具有一致性，预示着盘龙河流域未来蒸发量将可能仍呈显著的减少趋势.
盘龙河流域；蒸发量；变化特征；预测
IPCC第5次评估报告指出：从1983到2012年这30 a可能是北半球自1400年以来最热的30 a.1880—2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85℃；2003—2012年平均温度比1850—1900年平均温度上升了0.78℃[1].理论上说，气温升高会引起地表和水面蒸发增强，但有研究表明，在气候变暖背景下全球大部分地区的蒸发皿蒸发量却呈明显减少趋势[2-5].左洪超等[6]、刘敏等[7]分别对中国1961—2000年和1955—2001年蒸发皿蒸发量的研究表明，蒸发皿蒸发量呈下降趋势.黄英[8]等对云南省蒸发量的研究表明云南省东部和西部边缘地带年蒸发量较小，滇中一带以及金沙江流域河谷地带年蒸发量较大.蒸发量年际变化具有春夏季较大、秋冬季较小的特点.近30年来云南省蒸发量有普遍减小的趋势.杜军[9]等对西藏怒江流域的研究表明近30年怒江流域四季潜在蒸发量趋于减少，年潜在蒸发量以18.4mm/10 a的速率显著减少.夏、秋、冬季和年潜在蒸发量具有持续性，未来将持续减少，尤其是在冬季.
以上研究均是对整个大区域尺度的研究，而对局部小区域尺度的研究甚少，本文就盘龙河流域蒸发量的变化特征进行了分析，并对未来变化趋势做出预测，揭示了在整个中国[6-7]和云南[8]蒸发量都减少的大背景下，盘龙河流域蒸发量变化与全国和云南的响应.
1 资料和研究方法
1.1 资料来源
蒸发量数据来源于麻栗坡县气象站，资料年代序列为1961—2013年的各月平均蒸发量.年资料统计按照自然年算法，即每年的1—12月之和.四季资料以3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12月至次年12月为冬季来统计蒸发量，常年值以世界气象组织（WMO）设定的时段（1971—2000）为准.
1.2 研究方法
采用线性趋势法分析蒸发量的变化趋势，Mann-Kendall检验法（简称M-K）[10-11]研究蒸发量的突变特征，针对虚假突变点结合滑动t检验法[12]确定其真正突变点.利用方差分析外推法[12]分析蒸发量的变化周期，并结合谐波分析[12]加以检验.选用R/S分析法[13]对未来蒸发量可能变化趋势进行预测，并结合均生函数预测模型[14]对2014—2028年蒸发量进行预测.
1.3 研究地区概况
盘龙河为红河左岸一级支流，中越国际河流.发源于云南省蒙自市鸣鹫乡，呈西北-东南向流经砚山、文山、西畴、马关、麻栗坡等县，在船头出国境，入越南后称泸江，于越池汇入红河干流.在云南省境内河长252.6 km，流域面积6100.2 km2.盘龙河流域大部分地区位于北回归线以南，海拔600m以下的区域为该流域气候基带，属北热带湿润型季风气候，以上区域大部分为南亚热带.流域年降水量在900～1800mm之间，由下游向上游逐渐递减.麻栗坡气象站位处盘龙河中游，年日照时数1627.5 h，年日照百分率37%，年平均气温17.7℃，年降水量1063.2mm，年蒸发量1360.0mm，年相对湿度86%，年干燥度≤0.85，属北热带湿润型季风气候[15].
2 结果与分析
2.1 蒸发量变化特征分析
2.1.1 年变化
盘龙河流域蒸发量呈十分显著的减少趋势（见图1），倾向率为-23.90mm/10 a（P<0.01），53年来盘龙河流蒸发量减少了126.7mm，蒸发量1987年最大（1502mm），2008年最小（1122mm），最大值和最小值相差380mm，减少趋势呈现一定的年际差异，5 a滑动平均曲线显示（见图1g），盘龙河流域蒸发量大致经历偏少(1962—1974年)—偏多（1975—1983年）—偏少（1984—1986年）—偏多（1987—1999年）—偏少（2000-2013年）5个阶段.从季节变化看，各季蒸发量均呈减少趋势.尤以雨季减少趋势最为显著，其倾向率为-17.08mm/10 a（P<0.001），53年来减少了90.5mm.春季次之，倾向率为-10.5mm/10 a（P< 0.01），53年来减少了55.7mm.夏、秋、冬、干季倾向率分别为-7.80mm/10 a（P<0.05）、-3.16mm/10 a（P= 0.2）、-2.10mm/10 a（P=0.4）、-6.50mm/10 a（P=0.1）.这与段旭[16]等对西南和云南蒸发量研究变化具有一致性，而与朱国锋[17]等对横断山区的潜在蒸发量研究不一致.
图1 年和各季蒸发量变化趋势线Fig.1 The annual and seasonal evaporation trend line
从年内变化曲线（见图2a）得知，盘龙河流域蒸发量变化属于单峰型，5月份达到最大值，为163.8mm，占全年比例的12.4%，1月份达到全年数值最小，为58.1mm，占全年比例数为4.4%，这与李湘云[18]等对西双版纳蒸发量年内变化分析不一致.从全年蒸发量看，由表1可知盘龙河流域年平均蒸发量为1324.3mm，雨季蒸发量797.1mm，占全年的60.2%，干季蒸发量为527.7mm，占全年的39.8%.从四季分配来看，春季平均蒸发量最强，为420.4mm，占全年比例为31.7%，夏季平均蒸发量次之，为411.4mm，占全年的比例为31.1%，秋季平均蒸发量为299.1mm，占全年的比例为22.6%，冬季平均蒸发量最弱，为193.9mm，占全年比例为14.6%.从累积距平曲线（见图2b）得知，盘龙河流域蒸发量变化趋势具有明显的年际特点，1961-1983年波动增加，1984—2013年波动减少.
图2 蒸发量月际变化曲线和累计距平曲线Fig.2 Monthy variation of evaporation and its cumulative departure
表1 1961—2013盘龙河流域各年代和各季蒸发量平均值Tab.1 The interdecadal average of evaporation annual and seasonal values in Pan long river Basin from 1961—2013
2.1.2 年代际变化
盘龙河流域年蒸发量1960年代至1990年代稳定少变，为1351.1mm，21世纪来呈显著的减少趋势.春季在1960年代至1990年代稳定少变，为430.3mm，2001—2010年较1991—2000年减少35.5mm，2011年以来有所回升.夏季在1960年代至1990年代呈持续增加，2001—2010年较1991—2000年减少17.9mm，2011—2013年与2001—2010年持平.秋季在1960年代为292.6mm，1970年代有所增多，1980年代降至292.0mm，之后呈持续减少.冬季在整个时段呈波动减少趋势.干季与冬季具有一致性的变化特征.雨季在1960、1970、1980、1990年代以及2001—2010年、2011—2013年蒸发量分别为811.7、827.6、820.0、800.5、744.9、727.0mm，1960年代至1990年代呈增加趋势（见图3），1980年代以后呈持续减少趋势.
2.2 突变特征分析
根据M-K突变检测结果表明，春季在正序列UF和逆序列UB之间于1998年交于一点，并于2006—2013年突破-1.96（α=0.05）的临界线，这说明春季从1998年发生显著突变减少.夏季于2003年在正序列UF和逆序列UB之间交于一点，并于2012—2013年突破-1.96的临界线，但位于端点处，一般不可取，因此夏季没有发生突变.秋季在正序列UF和逆序列UB之间于有多个交点，但在正序列UF和逆序列UB之间未突破+1.96的临界线，秋季没有发生突变.冬季于1974—1981年突破1.96（α=0.05）的临界线，但之前在正序列UF和逆序列UB之间于没有交点，冬季没有发生突变.干季与冬季具有一致性特征.雨季于2008—2013年突破-1.96的临界线，显著突变点为2003年，这说明雨季从2003年发生了显著的突变减少.年蒸发量在正序列UF和逆序列UB之间于2003年交于一点，并于2008—2013年突破-1.96（α=0.05）的临界线，显著突变点为2000、2003、2005年，结合滑动t检验得知2003年为雨季真正突变点.年蒸发量从2003年发生了显著突变性减少.
图3 1961—2013年盘龙河流域年及各季蒸发量M-K突变检验Fig.3Year and seasonal evaporation M-K mutation test in Pan Long River Basin from 1961 to 2013
2.3 变化周期分析
方差分析外推法（见表2）表明，秋季5 a、冬季6 a、干季11a的变化周期，通过95%的置信度检验.年蒸发量、春、夏、雨季变化周期未通过95%的置信度检验.谐波分析显示年蒸发量有5.3 a、春季2.9 a、干季10.6 a的周期间隔，显著性水平在0.05以上，变化周期不明显，夏、秋、冬、雨季周期间隔显著性水平在0.05以下，变化周期显著.结合方差分析和谐波分析可知，秋季5 a和冬季6 a的变化周期显著.
表2 1961—2013年盘龙河流域蒸发量年际变化周期(a)Tab.2 Inter-annual variations cycle of evaporation(a)in Pan long river basin from 1961 to 2013
2.4 未来变化趋势预测
2.4.1 R/S分析法
R/S分析法能对气候变化的持续性（0.5
2.4.2 均生函数预测模型
均生函数预测模型主要有逐步回归方案、正交筛选方案、最优子集建模3种方案[19]，本文利用1961—2013年蒸发量序列，建立最优子集回归预测模型对盘龙河流域年和各季蒸发量序列建立预报方程（见表3）.根据双评分准则[20]，CSC值越大越好或者拟合均方根误差RMSE越小越好.利用最优子集建模进行预测的结果和实测值的拟合曲线如图4所示（在此仅绘制年拟合曲线），实测值与预测值在最大值和最小值之间吻合较好，年和各季蒸发量拟合相对误差绝对值REAV（见表3）均小于20%误差允许范围[21]，模拟效果十分理想，模拟精度符合标准要求.年和各季蒸发量2014—2028倾向率分别为-12.33mm/10a（P=0.7）、-5.70mm/10a（P=0.7）、-20.09mm/10a（P= 0.1）、-9.34mm/10a（P=0.3）、-9.15mm/10a（P= 0.4）、-13.57 mm10a（P=0.4）、-14.30 mm10a（P=0.5），年和各季蒸发量未来15 a均成减少趋势，这与R/S分析法得到结果具有的一致性，且未来15 a夏季的显著减少对年蒸发量的显著减少贡献最大，这预示着盘龙河流域未来气候将向暖湿方向转变，这将有利于农业生产活动.
表3 盘龙河流域年和各季蒸发量最优子集预报方程Tab.3 Annual and seasonal evaporation of the optimal sub sets forecast equation in pan long river basin
3 结论
1）年和各季蒸发量均呈显著的减少趋势，53年来减少了126.7mm，年内变化以5月最大，1月最小，春季、夏季、秋季、冬季分别占年蒸发量的31.7%、31.1%、22.6%、14.6%；春季和夏季蒸发量对全年蒸发量贡献最大.出现这种分布情况的可能原因与盘龙河流域春季气温高，相对湿度较低，日照时数最高，而冬季是气温和日照时数较少的季节.
2）从突变特征来看，年蒸发量（2003年）、春季（1998年）、雨季（2003年）且通过a=0.05的显著性检验均在21世纪以来呈显著的突变减少趋势.
3）方差分析外推法和谐波分析表明，秋季冬季变化周期通过95%的置信度检验，变化周期显著.
4）利用1961—2013年盘龙河流域蒸发量数据，建立均生函数预测模型进行预测，预测结果表明，盘龙河流域在2014—2028年蒸发量呈显著减少趋势，与R/S分析得到的结果具有一致性.
图4 盘龙河蒸发量实测值与预测值拟合曲线Fig.4 Comparison of measured and revised evaporation in Pan long river basin
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责任编辑：黄 澜
The Evaporation Change Analysis Over the Past 53 Years and Future Changes Trend Prediction in Pan Long River Basin
WANG Ping1，CHENG Qingping1，2，WANG Qian1
（1.College of Tourism and Geography Science，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China；2.School of Geographic Science，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China）
This study used Pan long river basin evaporation observation data from 1961 to 2013,analyzed the change char⁃acteristics of Pan long river basin evaporation and its future trends.The results showed that:（1）The evaporation decreasing trend was very significant and decreased by 126.7mm in recent 53 years,and the change rate was-23.90mm/10a.Evapora⁃tion was consistent with the annual season trends and all showed a decreasing trend.（2）The annual evaporation and spring, rainy season significantly tended to mutation decrease.（3）Change cycle was significant which performed as autumn for fire years,winter for six years.（4）R/S analysis method and the prediction of mean generating function suggested that pan long river basin future evaporation still showed a trend of decrease.
Pan Long River Basin；evaporation；variation characteristics；predication
P 426.2
A
1674-4942（2015）03-0286-06
2015-05-08
云南省特色优势学科群建设资助项目；云南老山自然保护区综合科学考察项目
