昆明翠湖水质变化特征及影响因素研究

昆明翠湖水质变化特征及影响因素研究

1.昆明翠湖水质变化特征及影响因素研究 篇一

本文以蒙阴县蒸发皿蒸发量观测数据为基础, 分析其气候变化特征, 对蒸发皿蒸发量的变化与气象因子的关系及造成蒸发皿蒸发量下降的可能原因开展进一步研究, 这些分析对实现区域水资源可持续利用具有重要的意义。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

本文选取蒙阴气象站1961—2010年的逐日气象观测资料, 包括蒸发量、降水量、相对湿度、气温、风速、日照时数、水汽压、本站气压等, 四季划分如下:12月至次年2月为冬季, 3—5月为春季, 6—8月为夏季, 9—11月为秋季。考虑到同期的相关性, 运用线性回归方法或差值法, 采用沂南站数据对缺测的数据资料进行差值补充, 从而生成完整的年、季序列。

1.2 研究方法

1.2.1 线性回归方法。

对蒙阴县多年平均蒸发量的变化趋势进行利用线性回归分析, 计算公式如下:

式 (1) 中, y为平均蒸发量, t为时间, a、b为回归系数, 其中的斜率a描述平均蒸发量的变化趋势, 并对该方程进行信度检验, a×10为平均蒸发量的气候倾向率。

1.2.2 九点二次平滑技术。

利用九点二次平滑技术来滤除要素序列的年代际变化[7], 具体计算式为:

1.2.3 墨西哥帽小波分析。

利用墨西哥帽小波分析方法对蒸发皿蒸发量的周期及突变情况进行分析。

2 结果与分析

2.1 蒸发量时间变化分析

2.1.1 年变化。

图1为近50年蒙阴蒸发皿蒸发量的变化曲线图, 为滤去蒸发异常的年际变化, 采用了九点二项式平滑滤波方法。由图1可以看出, 蒙阴近50年蒸发量在波动中下降趋势明显, 年均减少速率15.6 mm, 蒸发皿蒸发量变化趋势线的相关系数为-0.77, 通过99%信度检验。蒙阴蒸发皿蒸发量1960年代和1970年代下降迅速, 到了1980年代以后趋于平稳, 在1980年代初期发生了突变。蒸发皿蒸发量年代际变化很大, 最高值出现在1966年 (达2 678.1 mm) , 最低值出现在2003年 (仅1 426.7 mm) 。

2.1.2 季变化。

蒙阴1961—2010年年平均蒸发量为1 933.4mm, 其中春季为677.3 mm, 约占全年的35%;夏季为695.6mm, 约占全年的40%;秋季为389.1 mm, 约占全年的20.1%;冬季为169.4 mm, 约占全年的8.8%。由图2可以看出, 四季的蒸发量都呈下降趋势, 其中夏季降低最多, 春季次之, 冬季最少。春、夏、秋、冬四季蒸发量气候倾向率分别为-5.4、-5.9、-2.7、-1.4 mm/年, 变化趋势线的相关系数分别为-0.67、-0.70、-0.58、-0.56, 均通过了99%信度检验。由此可见, 年蒸发量的减少为四季蒸发量减少所致, 其中夏季贡献最大。

2.1.3月变化。

分析月平均蒸发量的月变化情况, 由表1可以看出, 5月最多, 为296.7 mm, 约占全年的15.3%;6月次之, 为285.4 mm, 约占全年的14.8%;1月最少, 为50.2 mm, 约占全年的2.6%。从1—5月逐渐增多, 从6—12月逐渐减少。分析各月蒸发量变化发现:各月蒸发量都是减少的, 其中以5月和6月的蒸发量减少最快, 其次是8月, 12月减少最少。9月蒸发量变化趋势线的相关系数通过了90%的信度检验, 其他月蒸发量变化趋势线的相关系数均通过了99%信度检验, 即月蒸发量均呈明显下降趋势。

2.2 蒸发量周期及突变分析

应用墨西哥帽小波分析及小波方差分析, 求取年、四季蒸发量的小波变换系数图及小波方差图 (图3~图7) 。小波系数正值表示处于多蒸发时期, 反之处于少蒸发时期。

从分析结果看, 年、四季蒸发量的小波变换系数和方差分析结果较为一致, 均存在1~2年和8~32年的主要特征时间尺度。在1~2年短时间尺度上, 多蒸发时期和少蒸发时期之间的转换频繁, 蒸发量的周期性特征不明显;在8~32年时间尺度上, 蒸发量经历了多→少交替振荡, 它们分别是20世纪80年代初期以前的偏多期;20世纪80年代中期以来的偏少期。

注:a—小波系数, b—小波方差。下同。

根据墨西哥帽小波变换系数对某一尺度过0点的位置, 是对应于该时间尺度下的可能气候突变点, 可以诊断出不同尺度上气候变化突变点位置, 得出不同尺度上气候的变化规律。1~2年短时间尺度上, 春季蒸发量变化特征比较明显, 经历了多→少→…→多13次突变, 秋季蒸发量经历了少→多→…→少13次突变, 年、夏、冬季的变化特征不明显;8~32年时间尺度上, 年和各季节的变化特征基本一致, 主要经历了由蒸发量较多到相对较少的突变, 突变发生在20世纪80年代初期。

小波方差反映了波动能量随时间尺度的分布, 可以用来定量分析时间序列中的各种时间尺度扰动的相对强度, 对应峰值的尺度称为该时间序列的主要时间尺度。近50年除春季蒸发量存在2个峰值, 对应1.5、21.1年的时间尺度外, 年、夏、秋、冬季均只有1个峰值, 对应21.1年的时间尺度, 说明蒸发量变化具有21.1年时间尺度的周期性变化。

在a=21时2005—2010年处小波系数出现了最小值, 表明近年来蒸发量处于偏少期, 有由偏少转向逐渐增多的趋势。

2.3影响蒸发量变化的原因分析

左洪超等[12]研究认为:蒸发皿观测的蒸发量实质上是有限水面蒸发量, 它并不代表地表实际的蒸发量, 它表征本站地表蒸发潜力, 是各气象要素之间相互作用的综合效应, 它包括热力因子 (气温、气温日较差、日照时数、低云量等) 、湿度因子 (平均相对湿度、降水量、水汽压等) 、动力因子 (平均风速、气压等) 。由于低云量、降水量及气压与蒸发皿蒸发量的相关系数未通过显著性检验, 故本文选择了气温、气温日较差、日照时数、平均相对湿度、水汽压、风速6个气象要素, 对蒸发皿蒸发量与各种气象因子的相关性进行研究[14,15]。

由表2可以看出, 年平均气温和春季、秋季、气温与蒸发皿蒸发量均呈负相关, 只有年平均气温与年蒸发皿蒸发量相关系数通过了0.10的信度检验;年平均气温日较差、日照时数和平均风速与蒸发皿蒸发量的相关系数年平均及各个季节均较大, 一年四季均在0.56以上, 通过了0.001的信度检验;相对湿度和水汽压与蒸发皿蒸发量均呈显著负相关。

注:*、**、***和****分别表示通过R0.10、R0.05、R0.01和R0.001检验。下同。

由表3可以看出, 近50年来蒙阴气温上升明显, 尤其是年平均及春、秋、冬季上升明显, 夏季几乎无变化;气温日较差呈现减少趋势, 年平均气温日较差和春季气温日较差呈显著减少趋势;日照时数四季和年平均均呈减少趋势, 春季、秋季和年平均日照时数的减少通过了显著性检验;相对湿度均呈减少趋势, 但都不显著;水汽压呈增加趋势, 冬季及年平均呈显著增加趋势;四季及年平均风速呈明显减少趋势, 并且均通过了0.001的信度检验[16]。

2.3.1 热力因子对蒸发皿蒸发量的影响。

(1) 日照时数及低云量对蒸发皿蒸发量的影响。日照时数对蒸发量的影响, 首先是通过影响太阳净辐射大小, 进而作用于蒸散过程的能量供给条件, 最终对蒸发量产生影响;一般来说, 日照时数越多, 太阳的净辐射值便越大, 蒸散过程的能量供给就越充分, 蒸发量也就随之加大[17]。蒙阴县1961—2010年年日照时数呈明显下降趋势, 尤其是春季和秋季及年日照时数下降十分明显, 春季和秋季日照时数变化趋势线的相关系数通过了99.9%信度检验, 年日照时数变化趋势线的相关系数通过了95%信度检验。日照时数与蒸发皿蒸发量之间相关显著, 因此日照时数的减少对蒸发皿蒸发量的下降影响十分明显。

(2) 气温和气温日较差对蒸发皿蒸发量的影响。气温是影响大气—土壤边界层上物质与能量交换的一个气候特征, 是蒸散过程中能量供给条件的影响因子之一, 气温越高, 太阳净辐射可转化为蒸散当量的数值就越高[17]。除夏季外, 蒙阴气温升温明显, 但是与蒸发皿蒸发量的相关系数都很小, 与蒸发皿蒸发量相关明显的夏季, 气温却几乎无变化, 因此气温对蒸发皿蒸发量的影响不具有统计意义。

气温日较差和蒸发皿蒸发量之间的相关性显著, 气温日较差的减少使蒸发皿蒸发量减少明显。

2.3.2 湿度因子对蒸发皿蒸发量的影响。

水汽压是影响蒸发过程中水汽转移条件的主要因子, 水汽压反映了在相同的条件下, 随着空气中水汽压的增大, 空气的饱和度增加, 蒸发量也会相应地减小[18]。蒙阴水汽压与蒸发皿蒸发量呈显著负相关, 近50年水汽压在冬季及年平均上升明显, 这是导致蒸发皿蒸发量减少的原因之一。

蒙阴的降水量和相对湿度与蒸发皿蒸发量的相关系数未通过显著性检验, 因而对蒸发皿蒸发量的减少影响不大。

2.3.3动力因子对蒸发皿蒸发量的影响。

气压越高, 空气分子越能抑制水汽分子的扩散运动, 蒸发速率越小, 单位时间内蒸发就越少, 反之越多, 故蒸发与气压成反比[18]。对蒙阴来讲, 平均气压与蒸发皿蒸发量的相关系数未通过显著性检验, 因而对蒸发皿蒸发量的减少影响不大。

风速是由于大气运动而产生的, 是影响蒸散过程因子之一, 风速大小变化影响大气的流动, 从而影响蒸发。蒙阴年平均风速与蒸发皿蒸发量的相关显著, 近50年来, 蒙阴平均风速明显减小, 因而风速减小使蒸发皿蒸发量减少明显。

3 结论

研究结果表明, 1961—2010年蒙阴县蒸发量呈波动式下降趋势, 年均减少速率3.5 mm, 减少趋势通过了95%的信度检验。四季的蒸发量除冬季略有增加外其他都呈下降趋势, 其中夏季降低最多, 春季次之, 秋季最少。只有夏季蒸发量呈明显下降趋势, 年蒸发量的减少主要是由夏季蒸发量减少所致。20世纪80年代初期蒸发皿蒸发量发生了由多到少的突变;蒸发皿蒸发量变化具有21.1年时间尺度的周期性变化。蒸发皿蒸发量减少的主要原因是日照时数、气温日较差和风速的显著减少以及水汽压的增加所致。

摘要：以蒙阴气象站1961—2010年逐日气象观测数据为基础, 采用相关分析和小波分析方法对蒙阴近50年来蒸发皿蒸发量及其主要影响因子 (日照、气温、气温日较差、相对湿度和风速等) 进行了相关性及趋势性分析。结果表明:近50年来, 蒙阴年平均蒸发皿蒸发量呈显著下降趋势, 通过99%的置信度检验, 蒸发皿蒸发量的下降主要表现在夏、春、秋3季, 夏季最为明显, 20世纪80年代初期蒸发皿蒸发量发生了由多到少的突变;蒸发皿蒸发量变化具有21.1年时间尺度的周期性变化;蒸发皿蒸发量减少的主要原因是日照时数、气温日较差和风速的显著减少以及水汽压的增加所致。