（气象学专业论文）黄河流域水资源的时空演变及其对农业的影响.pdf

沈阳农业人学硕士学位论文 摘要 黄河流域水资源状况日趋恶化，下游频繁发生断流，流域生态环境安全 和社会经济的可持续发展受到了很大的威胁。缓解黄河流域水资源危机的科 学依据在于对流域水循环过程的认识和把握。因此，研究近年来水循环各要 素及水分收支的变化趋势以及这种变化产生的影响势在必行。 利用中国气象局和黄河水利委员会近3 0 年2 6 9 个观测站的降水资料， 采用薄板光滑样条插值法对黄河流域各月及年降水量进行插值，在 a r c m a p a r c l n f o 中进行图象处理和分类。完成了l k m * l k m 栅格降水的空问 化，在此基础上分析了降水的空间分布。利用区域蒸散互补关系模型估算了 黄河流域实际蒸散量，借助h r c g is a r c i n f o 和a n u s p l i n 软件，实现了各年 实际蒸散量的空间化。 在空间化数据的基础上，把m a n n k e n d a l l 趋势分析方法与插值方法结 合，分析了降水和蒸散的时空分布特征。结合黄河的径流资料，分别估算了 黄河流域上游、中游、下游的降水、蒸散量和水分收支。在此基础上分析了 三段流域降水、蒸散量和水分收支的变化趋势及特点。研究成果和结论如下： 3 0 年来，流域总降水量呈下降趋势，空间上表现为北半部以增加为主， 南半部以减少为主。各月闻差异很大，在秋冬季节，以下降趋势为主，部分 地区达到显著；春夏季节除少数月份外，大部分地区降水量有不显著的增加 趋势。全年来说降水呈下降趋势的月份占多数，但主要集中在降水较少的秋 冬季节，呈增加趋势的月份集中在雨水充沛的春夏，这种变化趋势使得降水 的分布更加不平衡，表现为秋冬季的降水减少而雨水较多的5 ，6 ，7 月降 水有微弱的增加趋势。 空间上，黄河流域实际蒸散大部分在2 0 0 6 0 0 m m 之间。其分布主要呈 现由北向南、由西向东逐渐增大的趋势。东部地区主要是河南东部及山东地 区的蒸散量最大，在5 0 0 r i o n 以上；中部地区的情况比较复杂，西安一太原一 摘要 线的东南地区，实际蒸散量在5 0 0 r a m 以上：随地理纬度增大，蒸散量逐渐减 小，在黄河最北部地区只有3 0 0 r a m ；而兰州以西的地区，蒸散也较小。3 0 年 中，黄河流域平均实际蒸散量从7 0 年代初到8 0 年代中期实际蒸散量呈现明 显下降趋势，特别是1 9 7 7 到1 9 8 5 年间下降趋势十分明显a 8 0 年代中期开始， 实际蒸散量有明显的上升趋势，且年际问变化加大。3 0 年整体而言，黄河流 域实际蒸散量略有上升趋势。 黄河流域上游降水量平均值为4 5 5 0 m m ，实际蒸散量平均值为3 2 9 6 m m 。 大部分年份的水分收支是负值，3 0 年平均水分收支为一8 6 2 m m 。这种变化将 会使西部干早地区的旱情进一步增大。 黄河流域中游地区降水量平均值为4 4 2 m m ，实际蒸散量平均值为4 0 0 9 m m 。降水量在3 0 年中呈下降趋势，共减少了4 6 3 8 m m 。实际蒸散量在3 0 年 中的总趋势也是下降的，总共减少8 6 4 m m ，比降水量减少幅度要小。黄河流 域中游地区水分收支基本持平，整个地区水分相对较平衡，有比较小的变干 旱趋势。 黄河流域下游地区降水量很充足，平均年降水量6 4 6 5 m m ，平均蒸散量 也达到5 1 9 2 m m ，3 0 年总的呈下降趋势，年均1 9 8 m m y r 。实际蒸散量总趋 势也是下降的，年均1 1 7 m m y r 。黄河流域下游地区水分收支为正的年份较 多，占6 0 。3 0 年平均的水分收支为11 7 8i n n ，说明整个地区水分收支不 平衡，3 0 年有较明显的湿润趋势。而且3 0 年水分收支线有上升趋势，意味 着水分收支有增大的趋势，当地的湿润程度会进一步增加。 关键词：黄河流域：降水量；实际蒸散：栅格化；水分收支；m a n n k e n d a 变化趋势 2 沈阳农业大学硕上学位论文 一、月u 舌 ( 一) 、黄河流域简介及其水资源概况 黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓海拔4 5 0 0 米的约古宗列盆地， 是我国西北、华北地区最重要的河流，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内 蒙古、陕西、山西、河南、山东九个省区。黄河流域内面积达七十九万平 方公里，人口一亿多，耕地近一点九亿亩。一九九七年农业产值达一千五 百亿元，工业产值达到六干多亿元。黄河流域有丰富的矿产资源特别是石 油、煤炭和有色金属。黄河流域又是我国重要的粮棉生产基地。治理好黄 河水害，利用好黄河水资源，建设好黄河生态环境，对黄河流域乃至全国 经济社会的持续发展，对实现我国现代化建设跨世纪的宏伟蓝图，具有十 分重要的战略意义。 受地理位置和东亚季风气候的影响，流域大部分属于干旱、半干旱地 区，水资源条件先天不足，流域多年平均降水量仅4 6 6 m m ，蒸发皿蒸发 量1 0 0 0 2 0 0 0 m m 。流域内降水量地区分布极不均衡，雨季集中，年际变 化大。黄河流域水资源总量为6 9 0 亿立方米。其中河川径流量为5 8 0 亿立 方米，地下水可开采量为11 0 亿立方米。全河径流的一半以上来自兰州以 上上游地区；宁夏、内蒙古河段径流量小，河道蒸发渗漏强烈；下游为地 上悬河，支流汇入较少；上、中、下游径流量分别占全河的5 4 、4 3 和 3 。黄河流域面积占全国的8 ，但年径流量只占全国的2 ，居全国七 大江河的第四位( 小于长江、珠江、松花江) ；流域内人均水量5 4 3 立方 米，为全国人均占有河川径流量的2 5 ；耕地亩均水量3 0 7 立方米，仅 占全国亩均水量的1 7 。扣除调往外流域的1 0 0 多亿立方米水量，流域 内人均和亩均水量则更少。黄河作为我国北方地区最大的供水水源，以其 有限水资源承担着本流域和下游引黄灌区占全国1 5 的耕地面积和1 2 前言 人口及5 0 多座大中城市的供水任务，同时还担负着向流域外部分地区远 距离调水的任务。 ( 二) 、黄河流域水资源研究的现状及本文研究的意义 1 、国内外研究现状 随着黄河流域水资源问题的日益突出，研究人员开展了大量针对性的 研究。研究涉及水分循环的各个层面。刘昌明( 2 0 0 3 ) 分析了1 9 5 2 1 9 9 7 年的黄河流域水循环要素变化趋势，研究认为对于花园口控制断面而言， 天然径流、地表径流和地下径流减少趋势显著，而降水、蒸散量也都呈减 少趋势，但变化并不突出。一些学者也单独对降水、实际蒸散及径流量做 了研究李春晖( 2 0 0 4 ) 认为近2 0 年来，黄河流域大多数地区的天然径流 量都有不同程度的减少。邱新法( 2 0 0 3 ) 认为，黄河流域上游和下游蒸发 皿蒸发量呈下降趋势，中游地区基本上持平，略有上升趋势。水循环各要 素的变化对流域水分平衡的影响如何? 在多大程度上影响到我们的工农 业生产? 最近几年有那些新的变化? 这些都需要我们做更深入的研究。 实际蒸散很难通过仪器测量出准确数据，目前有蒸散观测的站点也很 少，因此主要通过经验公式来求算。国内外对于估算实际蒸散的方法很多， 常用的实际蒸散模型分为两类，一类是实际蒸散模型，另一类是参考蒸散的 修正模型。参考蒸散修正模型是以潜在蒸散模型作为水分充足条件下大气 环境对蒸散影响的参照标准，在此基础上采用经验模型修正到实际水分状 况下的蒸散，而实际蒸散模型则从蒸散的机理出发建立在蒸散的物理过程 基础之上。相对而言，实际蒸散模型理论推导严密，但因涉及的参数繁多， 在实际观测中难于应用；参考蒸散修正模型仅涉及常规气象要素便于应 用。参考蒸散模型中较为常用的是p e n m a n 模式和p r i e s t l e y t a y l o r 模式。 对于流域尺度上采用流域蒸散互补相关模型和平流模型较多，m i c h a e lt h o b b i n s ，j o r g ea r a m i r e z ，t h o m a sc b r o w n ( 2 0 0 0 ) 等利用区域蒸散互 沈阳农业大学硕士学位论文 补关系模型研究美国的几个流域的实际蒸散，取得了很好的效果：邱新法、 曾燕等利用蒸散互补相关模型估算我国9 大流域实际蒸散误差小于1 0 。对这些模型的应用首先要有较准确的净辐射的估算。于贵瑞，刘新安 等采用p e n m a n 修正式估算的净辐射，效果不错。 国内对水文要素时空分布及变化趋势的研究很多，方法以单站点和多 站点的时间变化或空间变异为主。而降水和蒸散是兼具时空属性的大气物 理过程，为了系统地分析其在时空场中的变化情况我们需要将时空变化 联系起来进行研究。g i s 与时空趋势分析方法的结合是目前解决这一问题 的重要手段，可以实现水文要素时空属性的综合反映。 对于降水空间化，国外研究得比较早，国内近年进展也很快。于贵瑞 等人( 2 0 0 4 ) 的“中国陆地生态系统空间化信息图集( 气候要素分卷) ” 实现了l k m i k m 全国降水量的空间化。蒸散的空间化研究比较少，但 其对于生态模型却有重要的价值，因此十分有必要进行研究。国内2 0 0 4 年实现了参考作物蒸散量的空间化( 于贵瑞、何洪林、刘新安等，2 0 0 4 ) ， 刘昌明等( 2 0 0 4 ) 出版了黄河流域的包括蒸发皿蒸散、实际蒸散的空间化 圈集。 目前很多生态模型、水循环等研究都需要气象栅格数据的支持。随着 研究的深入，对空间化数据的精度和分辨率要求也越来越高，因此需要尽 量增加插值站点的密度，并根据要素特点及地理特性选择合适的插值方 法。降水和蒸散的插值方法主要有反距离权重法( i d w ) 、梯度加反距离 平方法( g i d s ) ，光滑薄面样条插值法( t h i np l a t es m o o t h i n gs p l i n e ) ，克 里金插值法( k r i g i n g ) 等。d a v i dt p r i c e 等对这几种方法做了比较，研 究发现光滑薄面样条法对降水插值的效果明显优于其他方法。澳大利亚国 立大学基于这种原理开发了插值软件a n u s p l i n ，现已在澳大利亚和欧 荚广泛使用。国内对样条法插值的应用也逐渐增多。并取得了不错的效果。 前言 趋势分析的方法主要有平均值法，线性趋势法，m a n n k e n d a l l 非参 数统计法( 简称m k 法) 。平均值法和线性法都是气候趋势分析的常用方 法从定量的角度讲两者各有特点，但都缺乏显著性检验。m k 法的优 点在于能定性地给出变化趋势并能对结果进行显著性检验。正因为如此， 近年m k 法被广泛应用于气象要素时间变化趋势的分析。 2 、研究目的及实际意义 在气候变化和人类活动的共同影响下，黄河流域水资源状况正目趋恶 化，下游频繁发生断流，流域生态环境的安全和社会经济的可持续发展受 到很大的威胁。缓解黄河流域水资源危机的科学依据在于对流域水循环过 程的认识和把握。水资源的开发利用是人类对天然水循环过程的干预，天 然水循环特征必然因人类活动而改变，并反过来影响水资源的开发利用。 因此，只有在认识水循环规律的基础上，水资源的开发利用才有可能趋于 合理和高效，从而实现水资源的可持续利用。探索黄河流域水循环的演化 规律，分析水循环各要素对人类活动、气候变化以及土地利用和土地覆被 变化的响应，对于寻找协调黄河流域人水关系的适应性对策，维系黄河流 域社会经济的可持续发展，顺利实簏我国西部大开发战略具有重大意义。 降水是黄河流域水资源的主要来源，其时空分布与变化直接关系到水 资源的合理开发与利用：蒸散是水资源的主要支出项，也是水循环中不确 定性最大的一个要素，因此对实际蒸散量的模拟是水资源研究中重要的一 环。准确地测量和估算降水和蒸散量是进步研究水循环的关键。 黄河流域水循环在宏观尺度上的研究已取得了长足的进步，但随着 3 s 技术的快速发展和应用，社会生活与环境变化对我们提出了新的要求。 水循环模型研究、现代生态学和全球变化科学( g l o b a lc h a n g es c i e n c e ) 的 发展迫切需要空间栅格化的气象，气候数据，并且所要求的时空分辨率也 越来越高。然而现阶段全球的地面气象台站还难以提供所要求的时、空尺 4 沈阳农业大学硕士学位论文 度分辨率较高的数据，因此对水文气象要素进行空间化的研究势在必行。 空间化的水文气象数据库，由于地域单元小，边界明确，数据规范， 精度较高并且便于计算机处理等优点，应用十分广泛。首先，它为生态学、 地学、农学、资源与环境科学的发展提供重要的基础数据和研究平台，植 被生产力的计算、各种类型的区划很容易在其基础山实现。其次，可以用 于资源与环境评价，进行作物生育和产量的预测、新技术和新品种适宜推 广地区的判断和气象灾害易发地的确定等。 资料和技术流程 二、资料和技术流程 ( 一) 资料来源： 1 、水文气象资料 黄河流域的年平均气温，平均最高气温，平均最低气温，实际水气压， 实际日照时数，积雪天数。平均风速的资料均来自于中国气象局，记录年代 为1 9 7 1 2 0 0 0 年。为了减少插值可能会产生的边缘误差，我们把插值的区域 扩展到9 4 0 n 1 2 0 0 n ，3 1 5 0 e 4 2 5 。e 范围内。有完整记录的站点有2 1 5 个， 有些站点记录长度不够或记录的要素不完整，我们都予以剔除。本研究所用 的降水资料主要有两个来源，一是国家气象局在黄河流域设立的气象台站8 8 个，记录年代为1 9 7 1 2 0 0 0 年；另一个是黄河水利委员会设立的水文站点， 有完整记录的站点5 4 个，记录年代为1 9 7 1 1 9 9 7 年。另外，为了消除插值 可能会产生的边缘误差，将插值的区域扩展到9 4 0 n 1 2 0 。n ，3 1 5 。e , - , - 4 2 5 0 e 范围内，因此增加了流域外1 2 7 个气象站点的数据。参加插值的总共2 6 9 个 站点，其分布如图1 。 本文中净辐射、平均降水、总辐射等的空间化资料均来自中国科学院地 理科学与资源研究所生态系统研究网络综合中心研制开发的生态系统空间 化信息数据库。生态系统空间化信息数据库是基于g i s 技术、计算机模拟技 术和数据库技术生成的国家尺度l k m x l k m 网格的各种气候要素的数值图 像，包括辐射、温度、降水、湿度等要素的空间信息。 6 沈阳农业人学硕士学位论文 图l 、参加插值的气象局( ) 和黄委会观测站点( ) 图 f i g 1c l i m a t es t a t i o n so f c h i n am e t e o r o l o g i c a la d m i n i s t r a t i o na n dy e l l o w r i v e rc o n s e r v a n c yc o m m i s s i o n 2 、地理信息系统软件与地理信息资料 ( 1 ) 数据处理软件 利用地理信息系统软件a r c g i s a r c l n f o ，a r c v i e w 作为处理数据的主要 工具，结合a n u s p l i n 插值软件，实现降水，蒸教量的插值和图片处理。 利用s p s s 统计软件实现要素的相关性分析。在数据准备与处理方面，主要 利用v i s u a lf o r t r a n 语言和v i s u a lf o x b a s e 软件进行，并用到v b a 分析工 具。在图层处理上主要借助与a r c l n f o 的宏语言来实现土层运算。a r c g i s 在 图的加工处理方面优势明显，可以很好把各种图层结合在一起并生成新的 图像。 ( 2 ) 地理信息资料 地理信息资料来自于全国l ：2 5 0 0 0 0 地形图生成5 0 0 m 5 0 0 mdem 高 程数据，从全国的dem 图中切割出黄河流域，通过线性插值方法重采样， 塑型塑垫查鎏堡 生成流域内1 0 k m * 1 0 k m 的d e m 数据地图，作为构建黄河流域的网格专题 数字地图的基础地理数据。全国5 0 0 m 5 0 0 m de m 图以及黄河流域各气象 站点空间数据均来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据中 心。各水文站点的空间数据来自黄河水利委员会。 空间数据主要采用了以下两种投影标准。表1 为中国高程数据库标准。 表2 为中国省界矢量数据库标准，均为公罩网格数据库格式。 表i 、5 0 0 m * 5 0 0 m 高程数据库标准 t a b l e i 、t h es t a n d a r d so f t h e5 0 0 m * 5 0 0 me l e v a t i o nd a t a b 8 s e 地理参考：投影方式：等积圆锥投影( a l b e r t ) 覆盖范围 大地基准 高程基准 比例尺： 格式： 椭球体：c l a r k e l 8 6 6 椭球体 地理坐标：大地坐标系 第一标准线：北纬2 5 。纬线 第二标准线：北纬4 7 。纬线 中央经线：东经1 0 5 。经线 黄河流域，四至分别为 最高纬度：北纬4 2 。 最低纬度：北纬3 2 。 展高经度：东经1 1 9 4 最低经度：东经9 5 。 1 9 8 0 西安坐标系 1 9 8 5 国家高程基准 i ：4 0 0 0 0 0 0 a r c i n f og r i d 格式 沈阳农业大学硕十学位论文 表2 、中国省界数据库标准 ，t a b l e 2 , t h es t a n d a r d so f t h ep r o v i n c eb o u n d a r yd a t a b a s e 地理参考：投影方式：等积圆锥投影( a l b e r t ) 覆盖范围 大地基准： 高程基准： 比例尺： 格式： 椭球体：k r a s o v s k y 椭球体 地理坐标：经纬网坐标系 第一标准线：北纬2 5 。纬线 第二标准线：北纬4 7 。纬线 中央经线：东经1 1 0 。经线 黄河流域四至分别为 展高纬度：北纬4 2 。 最低纬度：北纬3 2 。 最高经度：东经1 1 9 。 最低经度：东经9 5 1 9 8 0 西安坐标系 1 9 8 5 国家高程基准 】：4 0 0 0 0 0 0 a r c i n f oe 0 0 格式 图2 为黄河流域概况图，我们以黄河流域的两个重要水文站兰州和花园 口为划分点，把黄河流域分为上、中、下游来讨论。 图2 、黄河流域概况及其上、中、下游的分布 f i g 2 t h es i t e o f y e l l o w r i v e r b a s i na n d t h e d i s t r i b u t i o n o f i t s u p p e r b a s i n 、m i d d l e b a s i n a n d l o w e rb a s i n 9 赁科干口技术流程 ( 二) 数据处理流程图 1 、数据的整理： 首先分析各要素的数据，剔除无效数据，利用v i s u a lf o x b a s e 实现与空 间信息经度、纬度、高程的匹配。借助v i s u a lf o a r a n 把数据处理成插值需要 的格式。对于需要建模的要素，整理成数据库格式文件，在s p s s 软件中进 行统计分析。对于图层的运算所需要的空间信息则主要借助a r c m a p a r c l n f o 软件从5 0 0 m 5 0 0 r ndem 图中提取。批量化的插值需要用到插值软件 a n u s p l i n 和a r c m a p 。 2 、数据处理过程 图3 为数据处理流程图，首先计算出黄河流域各个站点的天文辐射，饱 和水汽压、可照时数，结合月平均气温、月平均最高、最低气温、实际日照 时数等分别用不同模型估算净辐射，通过检验挑选最佳模型。利用净辐射， 实际水气压，平均气温，风速等资料估算实际蒸散，并进行检验。估算出实 际蒸散后，利用a n u s p l i n e 软件分别对各年的蒸散进行空间化，得到空间上 1 0 k m 1 0 k m 的蒸散图。同时对降水进行空问插值，得到1 0 k m 1 0 k r a 的降 水图。对两者进行统计求和分别得到整个黄河流域、流域上游、中游、下游 的降水及蒸散量。结合地表径流和外调水数据，我们分析了流域水分收支情 况。 3 、数据整理入库及出图 数据的后期处理主要包括将黄河流域各水文气象要素整理成数据库，把 主要信息输出为图像。大部分要素为l k m l k m 的栅格数据；降水和蒸散还 包括每年的1 0 k r a * 1 0 k m 的栅格数据。最后利用a r c m a p 处理各要素图象， 例如添加经纬度，分类等，最后输出图象。 沈阳农业大学硕士学位论文 图3 、水分收支估算流程图 f i g 3t h ef l o wc h a r tf o re s t i m a t i n gw a t e rb a l a n c e 计算方法畸检验 三、方法与结果检验 ( 一) 黄河流域蒸散估算方法 目前，在此领域研究非常广泛，争论也最多，但对于流域范围内而言， 主要方法包括流域尺度上的水平衡法，区域互补关系蒸散模型，平流模型等。 为了估算实际蒸散，首先要比较准确地估算出净辐射。目前净辐射的观测数 据很少，质量也不高，研究者大多采用模式估算法来计算。 1 、黄河流域净辐射的估算 ( 1 ) p e n m a n 修正式 该方法取自f a 0 1 9 7 9 年推荐的用于计算参考作物蒸散量的p e n m a n 修正 公式，公式如下： 也= 0 7 5 蹦以+ 阢旁一叫( o 5 6 0 0 7 9 厄) ( 叭+ 0 9 ( 1 ) 式中：r n 为地表净辐射( m j m 4 ) ：r a 为天文辐射( m j m - 2 ) ：o 为斯蒂芬 波尔兹曼常数( 4 9 0 3 1 0 。9 m j k - 4 1 1 1 五) ；t k 为平均气温( k ) ；e 。为实际水汽压 ( h p a ) ；盯实际日照时数( h ) ，可照时数( h ) ，其比值为日照百分率；a s 、 b s 为经验常数，本文取a s = o 1 8 , b s = 0 5 5 。 ( 2 ) p e n m a n - m o n t e i t h 公式： 该方法取自f a 0 1 9 9 8 年推荐用于计算参考作物蒸散量p e n m a n m o n t e i t h 公式，公式如下： 州l 刊e - - o ( 华) ( 0 3 4 - - 0 1 4 胁1 _ 3 5 鲁- 0 3 5 ) ( 2 ) 参数及详解见参考文献2 3 ( 3 ) c h a n gd e n - h u 修正式： 日本学者曾用c h a n gj e n - h u 公式计算地表净辐射，并制作l o k m l o k m 气候图( 清野豁等，1 9 8 8 ) 。公式如下： 1 2 沈阳农业大学硕士学位论文 r 叫= ( 1 一n ) s 一c r ( 艺，) 4 2 8 6 1 8 + 2 0 2 6 x b i 一( 4 5 2 4 + 1 0 9 2 x b ，) 玩，】 ( 3 ) 参数及详解见参考文献2 3 ( 4 ) 模型检验与结果分析 本文在实验的基础上，对比了p e n m a n 修正式、p e n m a n m o n t e i t h 公式、 和c h a n gj e n - h u 修正式三种估算方法。模型检验结果见表3 。 表3 、3 种模式估算净辐射的平均相对误差 t a b l e 3 、m e a r lr e l a t i v ee r r o r so f t h r e ee v a l u a t i n gm o d e l s 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月t0 月1 1 月i2 月年 模模式1 i3 406 8 0 2s0 i70 1 7 02 102 002 3 0 2 404714 718 1 o6 0 式模式28 6 26 0 520 212 81 0 409 30 8509 4 1 3 635 5 87 l91237 0 法模式3i 4 014 90 3 90 1 80i30i60 1 40 01 90 471 4314 606 3 综合来说，p e n m a n 修正式的估算结果最理想，但对于生长季节而言， c h a n gj e n h u 修正式估算会更好一些( 刘新安等，2 0 0 4 ) 。本文的侧重点在 于年变化尺度，因此本文采用p e n m a n 修正式来计算净辐射。 2 、黄河流域蒸散的估算 ( 1 ) 区域蒸散互补关系模型( t h ec o m p i e m e n t a r yr e i a t i o n s h i pa r e a i e v a p o t r a n s p ir a t i o nm o d e l ) b o u c h e t 提出：在1 l o k m 大而均匀的表面。当水分充足时，表面上的 实际蒸散与可能蒸散量相等，随着土壤水分减少，实际蒸散也将减少。原先 用于蒸散的能量过剩，使近地层空气温度、湿度、湍流强度等发生变化，导 致可能蒸散量增加。若无平流存在，辐射能量保持不变，实际蒸散的减少量 应与可能蒸散的增加量相等。即蒸散互补相关。实际蒸散量与可能蒸散量之 间的这种互补关系可表示为 d e f + d e 。= 0 ( 4 ) 计算方法与检验 式中，厶。为实际蒸散量，e 为可能蒸散量。对上式积分，并利用完全湿 润和完全干燥两种极端情况的边界条件，可得： e m + e ，= 2 e ( 5 ) 其关系可以见图4 所示 棼 甚 应 弋似诚“c v 哪m ”印i 一“w 。靠 、帆t v i m 彻i 么= j 讥e v a p o t r a n s p i t a l i o n , i n c r e a s i n gn l o l s t i , i 1 ca v a i l a b i l i t y 图4 、蒸散互补关系图( 假设能量持续供应) f i 9 4 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h ec o m p l e m e n t a r yr e l a t i o n s h i pi nr e g i o n a l e v a p o t r a n s p i r a t i o n ( a s s u m i n gc o n s t a n te n e r g ya v a i l a b i l i t y ) m o r t o n 、d a y i e s 和b r u t s a e r t 等的研究中采用p e n m a n 可能蒸散，作 为蒸散互补相关模型中可能蒸散e p 的估算式；采用p r i e s t l e y 和t a y l o r 的 无平流可能蒸散e ，作为蒸散互补相关模型中“湿润环境蒸散。”的估 算式，则蒸散互补模型可表示为 弛+ e 几p = 2 e p ， ( 6 ) 式中无平流可能蒸散e 。为无平流条件下，净辐射能量保持不变，非饱 和陆面水分得到充分供应时的蒸散总量。p e n m a n “可能蒸散”e 。为净辐射 能量和近地层大气条件保持不变，非饱和陆面水分得到充分供应时的蒸教总 量。两者的计算公式如下 ，2 专( g n - a ) + 南巴 ( 7 ) 沈阳农业大学硕士学位论文 广口击( r - v ) ( 8 ) 在年际时间尺度上，土壤热通量g o ，结果实际蒸散估算式如下： _ 1 2 5 1 鸯r , , - 1 5 2 2 南b ( 9 ) 式中为气温等于蒸发面温度时饱和水汽压一温度曲线斜率； y 为干 湿表方程中的常数；r n 为净辐射能量；g 为土壤热通量： e a 为干燥力， 为表述空气温度、湿度、风速等近地层大气物理量对蒸散影响的综合参数。 e 。= f ( u ：) ( p 。+ 一p 。) ；u z 为参考高度z 处的风速：e a 为大气温度下的饱和 水汽压：e a 为大气实际水汽压：f ( u z ) 为风速的函数；e a * 为蒸发面温度下的 饱和水汽压。 ( 2 ) 平流模型( a d v e c t i o n - a r i d i t ym o d e is ) 平流模型是b r u t s a e r t 和s t r i e k e r ( 1 9 7 9 ) 为计算实际蒸发量而发展起 来的。模型如下： k = 1 5 2 刍( r - g ) 一南0 3 5 ( 0 5 + 0 5 4 u 。i 啪( 1 0 ) 式中e 。为估计的实际地表蒸散量，= d e 。刃：，即饱和水汽压随温度 的变化率，y 为千湿表常数，可表示为，= c ，a - p o 6 2 2 ，c ，为空气定压比 热， 为蒸发潜热( j g ) ，p 为大气压，r 。为地表净辐射，g 为地表与下 层土壤间的热量交换，p 。为空气的实际水汽压，e 。为空气的饱和水汽压，u 为2 m 处风速。 ( 3 ) 模型估算结果与误差分析 采用c r a e ( c o m p l e m e n t a r yr e l a t i o n s h i pa r e a le v a p o t r a n s p i r a t i o n m o d e l ) 和从( h d v e c t i o n a r i d i t ym o d e l ) 两种模型分别估算了流域各站点 的实际蒸散量。由于适应不同的尺度时，模型精度不一样，所以计算时应调 整到最佳的计算尺度。例如，根据经验，用c r a e 计算年实际蒸散时，最佳 计算方法与检验 尺度应是3 4 天，所以本文采用先把公式数据转换成小尺度数据，然后再 扩展到年尺度上。由于采用的是平均值所以尺度仍然是全年尺度，满足g = o 的条件。最后利用水分平衡法估算的黄河流域蒸散量作为实际蒸散量，分别 检验这两种模型的模拟效果。 结果如表4 所示： 表4 、两种估算实际蒸散模型的平均相对误差 t a b l e 4m e a nr e l a t i v ee r r o r so f t w om e t h o d so f a c t u a le v a p o t r a n s p i r a t i o n 从表中可以看出，c r a e 模型要优于从模型，因此我们采用前者估算实 际蒸散。 ( 二) 黄河流域降水及蒸散的插值方法 年及各月平均降水量的插值采用局部光滑薄面样条法。原理如下： ：，= f ( x ，) + 日( i = 1 ，n ) ( 1 1 ) 式中：z ，为第i 个降水观测值，一为多维样条独立变量的矢量；f 是x i 未 知的连续光滑函数，占是以0 为均值的随机误差，代表测量误差和s p l i n e 模型的误差，由一个协方差矩阵v a 2 计算，这里v 是已知的j f ! 聆矩阵， 仃2 是未知的。厂通过最小化以下式子得到： ( z 一，) 7 v 。( ：一) + p ，。( ，) ( 1 2 ) 其中z = ( 2 1 ，z 。) ；f = ( 工，：| ) ，t 为矩阵转置，z = f ( x 小j 。( ，) 代表样条函数，的粗糙程度，取厂的m 阶偏导数；正数p 是光滑参数。当广 义交叉验证( g c v ) 达到最小值时求得样条函数的参数。从而以经度，纬度， 高程为自变量拟合样条函数曲面。 沈阳农业大学硕上学位论文 ( 三) 黄河流域降水，水分收支的趋势分析方法 1 、定性趋势分析方法：m a n n k e n d ai | 趋势分析法 为研究降水在近三十年的变化，采用世界气象组织推荐的m a n n k e n d a l 1 非参数统计方法，由于这种方法更适合于水文气象等非正态分布的数据。 k e n d a l l 统计量r ，方差o 。2 和标准化变量m 的计算式分别为： =f仃，仁旦n(n-1)m，盯端高( 1 3 ) = f 仃r ，r 2 一1 ，盯；2i 湍( 1 3 ) 式中，s 为降水系列所有对偶观测值( x i ，x j ，i m 。= 1 6 5 。m 值为正，表明具有上升或增加的趋势，m 值为 负，则意味着下降或减小的趋势。 2 、定量趋势分析方法： 线性趋势法：把气候要素写成时间t 的线性函数y = a t + b ，其中a 、 b 为经验常数。用最小二乘法通过实际资料计算出a 和b ，其中a 表示线性 函数的斜率，也就是气候要素的线性趋势。a 为正( 负) 表示增加( 减小) 趋 势，零表示无变化趋势。 平均值法和线性法是气候趋势分析的常用方法，平均值法和线性法从定 量的角度讲各有特点。平均值法主要考虑时段的平均值，所以个别极值点的 值对总体平均值的影响不大：而极值点对线性法的影响较大。但两种方法都 缺乏趋势检验。采用两种方法的目的就是为了定性地分析变化趋势的季节性 差异。m k 法是用来进行显著性检验，只有这样，前两种方法的结果才可 信。本文的结果说明，三种方法所得到的结果基本一致。m k 法的优点在于 能定性地给出变化趋势并能对结果进行显著性检验。 黄河流域降水、实际蒸散和水分收支的时空分布特征 四、黄河流域降水、实际蒸散和水分收支的时空分布特征 ( 一) 黄河流域降水时空分布特征 1 、黄河流域降水空间分布特征 图5 显示的是黄河流域3 0 年平均年降水量的空间分布。我们可以看出， 黄河流域的降水总体呈现西北低，东南高的态势，界限很明显。内蒙古的河 套地区到宁夏银川一线的西北部分降水不足2 0 0 m m ，属于干旱地区。呼和浩 特一兰州一线以北的大部分地区降水在2 0 0 4 0 0 哪，但宁夏北部地区比较复 杂，部分地区的降水在4 0 0 6 0 0 m m ，都属于半干旱地区。流域内山西，青海 以及西安一天水以北的陕甘地区降水在4 0 0 6 0 0 m m ，这些地区属于半干旱气 候区。此线以南降水在6 0 0 8 0 0 m m ，属于半湿润地区。西安以南、属于黄河 流域内的秦岭地区部分降水超过8 0 0 m m ，面积很小，也是唯一黄河流域达到 湿润水平的地区。另外，从生成的各月降水量栅格图来看，也都具有基本相 似的分布特征，6 月降水分布见图6 。 图5 、3 0 年平均年降水量空间分布图图6 、3 0 年平均6 月降水量空间分布图 f i g 5s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f a n n u a lm e a nf i g 6s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f p r e c i p i t a t i o n p r e c i p i t a t i o ni n3 0y e a r s i nj u n eo f 3 0y e a r s 2 、黄河流域降水3 0 年的变化趋势 根据黄河流域及其周围地区的2 6 9 个站点的年降水资料，分别对2 7 年进 沈阳农业大掌硕士学位论文 行空间插值，分辨率为1 0 k m * 1 0 k m 。在此基础上，对每年所有栅格的值加和 求平均，即得到整个流域的年平均降水量。年平均降水量随时问变化见图7 。 从总的趋势来看，流域内总降水量稍有下降趋势，用线形回归分析发现2 7 年降水量减少了4 5 m m 。但对于流域内部，降水变化在空间上的分布有很大的 差异。 图8 是用m - k 方法生成的年降水量变化趋势图，图层值是m k 统计量m ， 代表这2 7 年降水的增减趋势。其中负值表示有减少趋势，正值表示增加，0 表示没有变化，数值绝对值越大，变化趋势可信度越高。统计显示负面积占 总面积的5 6 8 0 ，正面积占4 3 2 0 ，但两者达到较高置信水平的地区很少。 说明对整个流域而言，有下降趋势的地区比增加趋势的地区多一些。空间上， 变化趋势分布基本分成南北两部分，北面为正值区，南面大部分为负值区， 南方小面积地区降水减少达到显著水平。 图7 、2 7 年平均降水量变化趋势图图8 、2 7 年年降水变化趋势图 f i g 7t h et e n d e n c yo f a n n u a lp r e c i p i t a t i o nf i g 8t h ec h a n g i n gt r e n do f p r e c i p i t a t i o n i n2 7 y e s i n2 7 ) c a r s 不同月份，降水量变化趋势差异明显。总的规律是：冬半年降水主要呈 减少趋势，9 月，1 0 月1 1 月，1 2 月，1 月为下降十分明显的月份。以1 2 月为例，由表5 可以看出降水减少区占8 5 3 3 其中置信度 1 9 5 的降水减 少区占1 8 5 3 ， 1 9 0 占总面积的3 1 2 8 ：有增加趋势的区域只有1 4 6 7 ， 且都没有达到显著水平。所以1 2 月份降水有明显的减少趋势，降水显著减 1 9 薹塑堕些竖查：壅堕鲞墼塑查坌坚塞壁盟至坌塑堡堡 少的地区分布在宁夏中南部、甘肃中部、陕西北部以及山西的西部，见图9 。 1 1 月显著减少区主要集中在兰州、西倾山及它们周围地区。1 月转移到 包头一银川一线的西北地区。 表5 、不同置信度下降水变化区的面积占总面积百分比( ) t a b l e 5 t h er a t i oo f c h a n g i n ga r e aa n dt o t a la r e ao nd i f f e r e n tc o n f i d e n c el e v e l s ( ) 图9 、1 2 月份降水变化趋势圈图1 0 、3 月份降水变化趋势图 f i g 9 t h ec h a n g i n g t r e n d o f p r e c i p i t a t i o nf i g 1 0 t h ec h a n g i n g t r e n do f p r e c i p i t a t i o n i n d e c i n m a t , 5 月、6 月、7 月为降水增加趋势占优势的月份，但仅有极少数地区达到 显著标准。以6 月为例，正值的面积占8 5 6 4 ，负值占1 4 3 6 。正值区达 到显著水平的不到1 ，且空间分布很不规律，负值区都不显著。 3 月为降水呈增加趋势最明显的月份( 见表5 ) ，正值区占9 3 5 ， ；0 1 时，正面积占7 5 7 ，= o 0 5 时，正面积占3 ；负值区仅占6 4 7 ，且都达不到显著水平。图1 0 显示的是3 月降水变化的空间分布情况。 可以看出大部分地区都是里增加趋势，减少趋势的地区很少，分布也不规律， 增加趋势达到显著的地区主要分布在兰州以西和西安周边地区。 沈阳农业太学硕士学位论文 其他的2 月、4 月和8 月，2 7 年月降水量基本上没有明显的变化。 由以上分析得知各月对年降水变化的贡献有很大的差异，图1 卜( a ) ， 1 l 一( b ) 显示的是 9 5 和9 0 的置信度下一年中各月降水减少区面积的变 化，春夏基本上变化不大，1 0 月也很小，大值基本集中在冬季，最大值出现 在1 2 月。图1 卜( c ) 和l l 一( d ) 分别表示的是9 5 和9 0 的置信度f 各月 降水增加区的面积。增加区在春夏季节较大，2 月和3 月最大，但绝对值都 较小，对总降水量的影响小得多。 ( a ) 兰9 5 一4 0 墨30 丑 彘2 0 血 聪l 0 喧0i一 一一。一：。i 1 ， 】234 5 6789j0 1 1 月份( 月) c o ) 兰9 0 月份( 月) ( c ) 9 5 ( d ) 9 0 图l l 、( a ) ( b ) 为不同置信度下降水减少区占总面积百分比 ( c ) ，( d ) 为不同置信度f 降水增加区占总面积百分比 f i g u ( a ) ，( b ) r e p r e s e n tt h ep e r c e n t a g eo f a r e a so f d e c r e a s ei nd i f f e r e n tc o n f i d e n c el e v e l sa n d t o t a la r e at ( c ) ，( d ) r e p r e s e n tt h ep e r c e n t a g eo f a r e a so fi n c r e a s ei nd i f f e r e n tc o n f i d e n c el e v e l s a n dt o t a la r e a 一 柚 一 ) r 一2l09 i 8- 7 1 0- 5 _ i，_： l 0 5 o 5 o ( v 丑采n 一 厂llllll111l 一 。 黄河流域降水、实际蒸散和水分收支的时空分布特征 ( 二) 黄河流域蒸散的时空分布特征 1 、近3 0 年平均实际蒸散的空间分布图 图1 2 可以看出，整个黄河流域实际蒸散大部分在2 0 0 6 0 0 m m 之问。其 分布主要呈现由北向南、由西向东逐渐增大的趋势。东部地区主要是河南东 部及山东地区的蒸散量最大，在5 0 0 r a m 以上；中部地区的情况比较复杂，西 安一太原一线的东南地区，实际蒸散量最大。在5 0 0 r a m 以上；随地理纬度增 大，蒸散量逐渐减小，在黄河最北部地区只有3 0 0 髓r l ；而兰州以西的地区， 蒸散也较小。而兰州一银川一线地区则是西部地区中实际蒸散量较大的区 域。 图j 2 、3 0 年平均实际蒸散 f i g 1