秦秀梅

（辽宁省锦州水文局，辽宁锦州121000）

锦州市水文循环特性的蒸发悖论分析

秦秀梅

（辽宁省锦州水文局，辽宁锦州121000）

利用锦州市40年的气象与水文数据，基于链式分析法、前向选择法和Monte Carlo法对锦州市的蒸发悖论现象进行定量分析。结果表明，锦州地区蒸发悖论现象的出现是各水文循环影响因子综合作用下的结果，因此在以后的蒸发量预测中需要综合考虑整体水文循环特性而不是气温一项影响因子。

辽锦州；水文循环；蒸发悖论；归因分析

1 概况

蒸发是水文循环过程中的重要环节，是大气水、地表水、以及地下水相互转化的纽带，也是全球水文与热量平衡的关键。其准确的估算与分析是水资源安全评估、灌溉排水规划、以及区域水文规律研究的基础，因此具有十分重要的应用意义。目前，蒸发量的研究主要有3个方面：

1）估算或测量方法的研究。

2）是预测方法的研究。

3）是演变特征及影响因素的研究。这些研究对人们认识蒸发过程、并合理调度水资源起到了重要的推动作用，然而近几十年出现的蒸发悖论现象则对这些研究方法提出了巨大的挑战。

近几十年，全球大气呈显著变暖趋势，根据基本的科学认识，气温的上升将导致蒸发过程的加强，然而实际上，诸多地区的蒸发量都呈下降趋势，这有悖于传统的蒸发变化规律结论，也使许多以气温为主要考虑因素的蒸发量估算方法不再适用，因此被称为蒸发悖论。一切研究方法与预测模型都需要具有科学的理论依据，因此蒸发悖论的分析是区域水文循环过程研究的前提。目前，蒸发悖论的分析具有很大的争议性，不同的研究结果可得到不同的结论。例如，一种观点认为实际蒸发量是增加的、只是蒸发测量结果不能代表实际蒸发量；另一种观点认为蒸发量的下降主要是因为云量有所增加，云量增加导致日照、即辐射量的减少；还有观点认为蒸发量的下降是云水路径发生变化、即云的透明度有所降低。然而，这些结论都没有被普遍接受或这在不同地区有不同的适用性。因此还有很大的研究空间，尤其是系统化的、定量的研究。

基于锦州市的水文循环特性对蒸发悖论现象进行系统的、定量的分析。首先分析锦州市40年的气温及蒸发数据，通过比较这两项数据证明蒸发悖论在锦州地区的存在，并利用链式分析法对悖论现象及程度进行量化。再采用前向选择法和Monte Carlo法分析锦州市水文循环特性影响因子对蒸发量的影响，并对锦州地区的蒸发悖论现象进行解释，从而为锦州地区蒸发量演变规律分析、水文循环模型建立、以及水资源变化趋势预测等研究提供理论基础。

2 蒸发悖论现象

研究区域为辽宁省锦州市，位于温带季风性气候区，处中纬度地带，四季分明、大陆性特征明显。锦州市是辽宁省乃至东北地区的重要粮食基地，而其中雨养农作物又占有主导地位，这类农作物的产量及品质受供水量的影响十分明显，因此蒸发量的研究在锦州市水资源评估、尤其是农业灌溉制度设计中具有十分重要的作用。然而，目前关于锦州市的蒸发特性的研究较少，因此已成为其农业及水资源精细化运作的主要制约因素之一。

传统的蒸发量估算方法有很多，在测量方面主要应用蒸发皿测量法，在计算方面应用最为普遍的为彭曼-蒙特斯（P-M）公式计算法，但这个公式主要用于参考作物腾发量的计算。但在实际应用中，蒸发量的预测意义更为重大，但目前还没有被广泛认可的蒸发量预测模型。在实际工作中，相关工作者往往根据气温变化来对蒸发量变化情况进行初步的预测，由于气候变暖趋势明显，因此根据这类定性分析法易得出蒸发量趋于增强的错误结论。

为证明以往温度估算法的错误性，选取锦州市常规气象站已公开的40年气温与蒸发数据进行分析并绘制于图1中。绘制趋势线，并对各纵轴的范围进行调整，从而使两组数据趋势线起始点较为接近。可见，在研究范围内，锦州市气温与蒸发量的趋势走向完全相反。锦州市的气温呈明显的上升趋势，其倾向率为0.054，而蒸发量却呈下降趋势，其倾向率为-0.411。因此说明锦州市存在蒸发悖论现象，以往的基于温度的蒸发量估算方法不再适用。

图1 年平均气温及蒸发量

目前对蒸发悖论现象的研究主要停留在定性分析上，而对其程度的定量分析则几乎没有。尝试使用链式分析法对锦州市的蒸发悖论现象进行分析。其公式可表达为：

式中：E代表蒸发量，mm；T代表气温，°C；t代表时间，n。在传统的相关分析方法中，前半项可表示气温与蒸发量的相关关系，而后半项可表示气温随时间的变化情况，两者乘积即表示气温变化对蒸发量变化的贡献率。将传统的相关分析法进行变形，将前半项在各年份进行离散而后半项保留为平均值，则所得到的值则可在一定程度上表示蒸发悖论现象的程度。采用欧拉有限差分法进行离散，得到各年份的值。

因为温度呈明显上升趋势即其随时间变化的偏微分项为正值，所以当值大于0时说明蒸发量随气候变暖趋势有所增强、即蒸发悖论现象不存在；当值小于0时，说明蒸发量随气候变暖趋势有所降低、即蒸发悖论现在存在，在这种情况下，的绝对值越大，说明蒸发悖论现象的程度就越大。绘制蒸发悖论定量分析图可见，的平均值为负值。因此总体来看，锦州市的蒸发量随气温的上升而下降，即蒸发悖论现象在此区域内存在。的负值主要出现在20世纪90年代之后，说明蒸发悖论现象的出现主要始于此时。值呈继续减小的趋势，说明蒸发悖论现象的程度正在继续加强。

3 归因分析

以上分析表明锦州市存在蒸发悖论现象，因此不能仅通过气温变化来估算锦州地区的蒸发量，而应考虑锦州地区的整体水文循环特性，从系统的角度来分析蒸发变化规律。使用水文循环的主要影响因子来代表锦州地区的水文循环特性，这些参数包括日照时数、降水量、平均风速、无霜期日数、最低气温以及最高气温。标准化方法表示为：

式中：P表示各影响因子；|P|max表示影响因子绝对值的最大值。日照时数、降水量、平均风速、无霜期日数、最低气温以及最高气温的绝对值最大值分别为2 878 h，928 mm，4.6 m/s，238 d,24.8°C，以及41.8°C。

选用前向选择法结合Monte Carlo法检验各因子与蒸发量之间的相关性并对其贡献率进行量化。首先对相关性进行检验，检验结果可用P值来表示，当值小于0.05时则证明2组数据显著相关。通过显著性检验的参数有日照时数、风速、无霜期以及温度，说明蒸发量的变化主要受这4项因子的影响，而其它因子的影响程度则较小。归因分析结果如表1所示，其中最重要的参数为贡献率。当贡献率为正值时，说明影响因子的变化使蒸发量有加强的趋势，而当贡献率为负值时，说明影响因子的变化使蒸发量有减弱的趋势。当绝对值越大时，说明影响因子的影响越大，反之则越小。

表1 蒸发悖论归因分析

由表1可知，气温的倾向率为正值，说明气温有升高趋势，这与全球变暖的趋势相符，其贡献率为正值，说明气温的上升可增加蒸发量；日照时数的倾向率为负值，说明日照时数呈下降趋势，这与云水路径的变化、空气质量的降低都有关系，其贡献率为负值，说明日照时数的减少可降低蒸发量；平均风速的倾向率为负值，说明风速有减小的趋势，其贡献率为负值，说明风速变化可减弱蒸发；而无霜期的倾向率和贡献率皆为正值，说明无霜期日数增加且增强了锦州市的蒸发过程。这4项因子的累计贡献率为-0.578，而锦州市蒸发量的倾向率为-0.411，因此说明还有其它未被考虑的影响因子，这些未被考虑的影响因子的综合效果是使锦州市蒸发量呈上升趋势。

各水文循环特性影响因子按贡献能力由大到小排序为：风速、无霜期日数、气温和日照时数。说明气温不是影响锦州市蒸发量的主要因素，因此蒸发悖论现象的存在是合理的。蒸发量的减少是锦州地区水文循环特性综合作用的结果，其中最主要原因是风速呈减小趋势，空气流动速度减慢，使水汽在空气中的对流与交换减弱，这降低了水汽界面的水汽压差，从而减少了蒸发量。考虑到城市化建设、尤其是楼房的建设的发展，锦州市的风速有进一步减弱的趋势，从而可以预判锦州市的蒸发量将继续减弱，而蒸发悖论现象也将越来越明显。

4 结语

锦州市存在明显的蒸发悖论现象，主要是因为除气温外蒸发量还受水文循环中其它因素的影响，各水文循环特性影响因子按贡献能力由大到小排序为：风速、无霜期日数、气温和日照时数。考虑到城市化建设、尤其是楼房的建设的发展，锦州市的风速有进一步减弱的趋势，从而可以预判锦州市的蒸发量将继续减弱，而蒸发悖论现象也将越来越明显。因此在锦州地区的水资源预测中，应考虑蒸发损失的潜在减少量。

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1002－0624（2017）03－0034－03

2016-10-20