引言

近几年来, 全球性气候变化已引起人们的普遍重视, 目前对温度、降水等气候变化进行统计分析的人越来越多^[1], 已从不同的时空尺度作了大量的研究, 并取得了一些共识, 但气候状况的另一个重要的因子—蒸发量的变化研究较少。蒸发既是地表热量平衡的组成部分, 又是水量平衡的组成部分, 是水循环中最直接受土地利用和气候变化影响的一项。因此, 进行蒸发量变化的研究, 对深入了解气候变化规律及探讨气候变化的原因, 对和田市的生态环境治理和经济的发展都具有十分重要的意义。

1 资料与方法

利用和田市气象站1961-2000年20cm口径蒸发量资料。统计方法:(1)蒸发量距平变化及5年滑动曲线图; (2) 10年阶段分析; (3)线性趋势倾向系数由最小二乘法求得; (4)突变分析和小波分析。

2 蒸发量变化特征 2.1 蒸发量的年代际变化特征

从表 1统计数据可以得出, 和田市年、春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12月—次年2月)季平均蒸发量1971-2000年较1961-1990年的标准气候均值分别增加了45.5mm、19.9mm、7.0mm、9.6mm、9.1mm。从1961-2000年共40a平均蒸发量为2682.5mm, 其中夏季蒸发量最多, 达到1118.1mm; 其次为春季, 蒸发量为873.8mm; 最少的季节为冬季, 蒸发量只有163.9mm。年代际蒸发量在年和春、夏、秋季为20世纪60年代最少, 80年代最多; 冬季60年代最少, 而90年代最多。年和春季蒸发量经历了一个“少—多-多-多”的历史演变过程; 夏季蒸发量经历了一个“少-多—多—少”的历史演变过程; 秋、冬季蒸发量经历了一个“少—少—多—多”的历史演变过程。以1961-2000年的40a平均值为基准, 和田市蒸发量不论是年还是四季, 在70年代末都有明显的偏多时段(见图 1)。年蒸发量最多年份是1980年(为3137.3mm, 距平值454.8 mm), 春季和夏季最多年份出现在1980年, 秋季和冬季出现在1979年。最少年份出现在1995年(为2218.9mm, 距平值-463.6mm), 春季、夏季、秋季最少年份出现在1995年, 冬季出现在1967年。

2.2 蒸发量的年和季变化趋势

和田市过去40a的蒸发量总体呈增多趋势, 其倾向率为48.52mm /10a (见图 1), 与艾比湖流域蒸发量倾向率-52.731mm / 10a的倾向率相反^[2], 冬、春、夏、秋季蒸发量变化倾向率为正值, 分别为10.79、16.94、8.43、12.36mm /10a。其中春、秋两季倾向率大于冬、夏季倾向变化率。而年蒸发量与春季蒸发量之间的相关系数为0.23;与夏季之间的相关系数为0.11;与秋季之间的相关系数为0.32, 通过0.05的显著性水平检验; 与冬季之间的相关系数为0.43, 通过0.01的显著性水平检验; 与年蒸发量之间的相关系数为0.28, 通过0.1的显著性水平检验。年蒸发量的5年滑动曲线反映出1962-1977年, 1987-1995年蒸发量偏少; 1975-1985年, 1996-2000年蒸发量偏多。

2.3 蒸发量的各月变化趋势

表 2给出各月平均蒸发量、线性倾向和相关系数。从表 2可以看出, 40年来蒸发量最多的月份出现在6月, 平均蒸发量为399mm, 蒸发量最少的月份出现在1月和12月, 平均蒸发量分别为43mm和45mm。而且各月蒸发量均有不同程度的上升趋势, 其中5月蒸发量的上升趋势较明显, 倾向率为9.15mm /10a, 其次为2月和9月, 倾向率分别为7.44mm /10a、7.20mm /10a, 上升趋势最少月份为6月, 倾向率为0.001mm /10a。为了诊断蒸发量的各月变化特征, 用年和逐月蒸发量进行相关分析, 由1-12月逐月蒸发量的相关系数可知, 2、4、5、8、9、11、12月份的相关系数大于0.2以上。1、3、7、10月份的相关系数大于0.04以上。而6月份的相关系数为0.0004, 9、11月份均超过0.05的显著性水平检验, 只有2月份超过0.01的显著性水平检验。

3 蒸发量的突变分析 3.1 突变检验

气候突变现象是气候系统的非线性反应, 近几年来得到越来越密切的关注, 而且成为气候变化中的重要研究课题, 气候突变是气或变化过程中存在的某种不连续现象, 因此常用气候要素累积距平曲线来确定它, 即使用指标:

若指标绝对值达最大值时, 则所对应的t为突变年份。

为了检验转折是否达到气候突变的标准, 于是对各转折年份计算了它们的信噪比^[3], 信噪比的定义是:

(1)

式中, X_a, X_b和S_a, S_b是转折年份前后两阶段要素的平均值和标准差, 规定S/N >1时, 可认为该要素在这个年份存在气候突变, 否则突变不显著。

3.2 年蒸发量的突变分析

图 2给出了蒸发量的距平累加曲线(a)和时间变化曲线(b), 由图 2a可见, 蒸发量累积距平曲线的绝对最大值分别在1978年、1996年前后, 这两次转折都是蒸发量从偏少期转为偏多期, 1996年后的偏多期至今仍在持续。为了检验上述转折是否都达到气候突变的标准, 对上述各转折年份计算了它们的信噪比。根据式(1)计算了蒸发量在各转折年份的信噪比, 得知1978年和1996年蒸发量的两次转折的信噪比分别为2.05和0.95, 这表明1978年蒸发量的信噪比值大于1, 可以认为是气候突变年, 而1996蒸发量的信噪比值小于1, 突变不明显, 只能作为气候转折年份。

3.3 蒸发量的小波分析

用Morlet小波分析方法对和田市近40年蒸发量的年际变化进行了分析, 小波指数正值表示处于多蒸发时期, 反之处于少蒸发时期。分析发现, 蒸发量存在较长周期, 长周期中又包含短周期, 这表明蒸发量的气候变化是由不同周期的振荡叠加而成的。图 3为Morlet小波系数的实部, 它综合体现了蒸发量变化的信号强度和位相两个方面的信息, 可以清楚地看出和田市的蒸发量变化存在多时间尺度结构。由图 3可见, 和田市的蒸发量变化存在着明显的年代际尺度的周期性变化, 以22a左右的周期信号最强, 也存在4~6a和11a左右的周期变化。年代际尺度的周期中蒸发量变化表现为两个偏少期和三个偏多期。

4 结论

(1) 和田市过去40a的蒸发量总体呈增多趋势, 其倾向率为48.52m m /10a, 冬、春、夏、秋季蒸发量变化倾向率为正值, 分别为10.79m m /10a、16.94mm /10a、8.43mm /10a、12.36mm /10a。其中春、秋两季倾向率大于冬、夏季倾向变化率。各月蒸发量也有不同程度的增多趋势, 其中5月份蒸发量的增多趋势最为明显, 其次为2月和9月, 最少月份为6月。

(2) 年蒸发量在1978年附近存在突变现象, 表现为1978年后蒸发量增多。

(3) 和田市的蒸发量变化存在着明显的年代际尺度的周期性变化, 以22a左右的周期信号最强, 也存在4~6a和11a左右的周期变化。年代际尺度的周期中蒸发量变化表现为两个偏少期和三个偏多期。