基于不同時(shí)間尺度的伊犁河谷水面蒸發(fā)影響因素分析

貢麗潔

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局,新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

陸面蒸散發(fā)是陸面水循環(huán)與水量平衡計(jì)算的重要組成部分[1].目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者圍繞蒸散發(fā)計(jì)算開(kāi)展了大量工作，也取得了一些成果[2]，主要可以歸納為PM法、蒸發(fā)皿法、渦度法和蒸滲儀法及遙感法.與此同時(shí)，關(guān)于水面蒸發(fā)敏感因素的研究則很少.由于蒸散發(fā)對(duì)農(nóng)田灌溉管理、作物需水量計(jì)算以及區(qū)域水量平衡分析有著重要意義，故研究其對(duì)氣象因素的敏感性有助于當(dāng)?shù)厮Y源優(yōu)化配置和氣候變化對(duì)水資源的響應(yīng)分析.

國(guó)內(nèi)外關(guān)于系統(tǒng)敏感因素的評(píng)價(jià)方法主要有方差分析法[3]、主成分法[4]、敏感系數(shù)法[5]、偏導(dǎo)數(shù)法[6-7]等，但上述方法不僅要求大樣本，而且要求樣本具有典型概率分布，這在實(shí)際中很難滿足條件.鑒于此，本文以新疆伊犁河谷內(nèi)的霍城縣氣象站1981-2008年多年月均水面蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，以氣象因素(溫度、風(fēng)速、水汽壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)及降水量等)為研究對(duì)象，采用關(guān)聯(lián)分析法與偏相關(guān)系數(shù)法對(duì)不同時(shí)間尺度下(年、季、月)各氣象因素與水面蒸發(fā)之間的敏感性進(jìn)行研究，得到了一些有價(jià)值的結(jié)果.

1 關(guān)聯(lián)分析法

灰色理論[8-9]是鄧聚龍教授在20世紀(jì)80年代提出的，關(guān)聯(lián)分析法是灰色理論的重要組成，其基本思想是一種相對(duì)性的排序分析[10]，通常用關(guān)聯(lián)度來(lái)表征不同數(shù)據(jù)間的相關(guān)性.

為消除不同數(shù)據(jù)間量綱不統(tǒng)一的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，如下：

(1)

式中：Xi(k)—第i個(gè)要素初值；

Xi—第i個(gè)要素均值；

Si—第i個(gè)要素標(biāo)準(zhǔn)差；

σi(k)—標(biāo)準(zhǔn)化值.

對(duì)于Xi對(duì)X0在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)用ζi(k)來(lái)表示，表達(dá)式如下：

(2)

2 模型應(yīng)用

本文以新疆霍城縣氣象站(44°03′N,80°52′E，海拔641.5 m)1981-2008年28年月均氣象資料為例，分別采用敏感系數(shù)法與偏相關(guān)系數(shù)法對(duì)研究區(qū)不同時(shí)間尺度下(年、季節(jié))的水面蒸發(fā)敏感因素進(jìn)行分析.選取月均氣溫(x1，℃)、月均水汽壓(x2，hPa)、月均風(fēng)速(x3，m/s)、月日照時(shí)數(shù)(x4，h)、月均相對(duì)濕度(x5，%)與月降水量(x6，%)這6個(gè)因素為影響因素，月水面蒸發(fā)量(直徑20 cm小型蒸發(fā)器)為評(píng)價(jià)對(duì)象.霍城縣氣象站歷年(1981-2008年)各氣象要素統(tǒng)計(jì)值(見(jiàn)表1).

表1 新疆霍城縣氣象站歷年主要?dú)庀笠亟y(tǒng)計(jì)(1981-2008年)

2.1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于新疆西部的伊犁哈薩克自治州境內(nèi)，行政區(qū)域包括伊寧市、尼勒克縣、新源縣等七縣一市.河谷東西長(zhǎng)360 km、南北寬275 km，地理坐標(biāo)介于80°09′～84°56′E，42°14′～44°50′N之間，總面積約5.64萬(wàn)km2.伊犁河谷氣候溫和濕潤(rùn)，屬于溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.1 ℃，日照時(shí)數(shù)2 870 h，年均降水量417.6 mm.河谷平原地帶為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了良好條件，素有“塞外江南”的美譽(yù).

2.2 關(guān)聯(lián)分析法

由于不同時(shí)間尺度下(年、季、月)，水面蒸發(fā)影響因素的主次排序可能存在一定的差別(尤其是冬季)，故本文通過(guò)3種時(shí)間尺度來(lái)計(jì)算不同時(shí)段的水面蒸發(fā)影響因子關(guān)聯(lián)度及排序.

經(jīng)計(jì)算得到不同時(shí)間尺度下的各影響因素的關(guān)聯(lián)度及排序(見(jiàn)表2).

表2 關(guān)聯(lián)度計(jì)算值及排序

由關(guān)聯(lián)度的大小可以判定，在年時(shí)間尺度下，水面蒸發(fā)影響因素的大小排序?yàn)椋簒4>x1>x2>x3>x6>x5，即日照時(shí)數(shù)與月均氣溫是影響水面蒸發(fā)的主要因素，而降水量與相對(duì)濕度對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱，水汽壓與風(fēng)速對(duì)水面蒸發(fā)的影響介于上述因素之間.

在季時(shí)間尺度下，春季表現(xiàn)為日照時(shí)數(shù)與月均氣溫是影響水面蒸發(fā)的主要因素，而降水量與相對(duì)濕度對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱，這與年尺度的計(jì)算結(jié)果基本相同.夏、秋時(shí)間尺度下，月均氣溫與日照時(shí)數(shù)均是影響水面蒸發(fā)的主要因素，而相對(duì)濕度對(duì)水面蒸發(fā)的影響則是最弱.在冬季，月均水汽壓與月均氣溫為影響水面蒸發(fā)的主要因素，而降水量與相對(duì)濕度則表現(xiàn)為對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱.

在月時(shí)間尺度下，冬季的三個(gè)月(12月、1月與2月)月均水汽壓與月均氣溫均表現(xiàn)為影響水面蒸發(fā)的主要因素，相對(duì)濕度則均表現(xiàn)為對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱，這與季尺度下的分析結(jié)果基本相同，但在風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)與降水量三因素的影響大小上存在個(gè)別差異；春、夏、秋季的8個(gè)月(3～10月)日照時(shí)數(shù)與月均氣溫均表現(xiàn)為影響水面蒸發(fā)的主要因素，相對(duì)濕度與降水量則均表現(xiàn)為對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱，這與季尺度下的分析結(jié)果基本相同.進(jìn)入11月時(shí)，該時(shí)間段屬于秋冬交替過(guò)渡階段，月均水汽壓與降水量成為影響水面蒸發(fā)的主要因素，而月均氣溫與相對(duì)濕度則對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱.

2.3 偏相關(guān)系數(shù)法

水面蒸發(fā)各氣象要素間的關(guān)系較為復(fù)雜，單個(gè)氣象要素與水面蒸發(fā)間存在不同程度的簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系，但是這種相關(guān)關(guān)系又包含有其他氣象要素的影響.因此，簡(jiǎn)單相關(guān)分析的計(jì)算結(jié)果具有一定的局限性，而只有消除了其他氣象要素的影響之后，研究單個(gè)氣象要素與水面蒸發(fā)間的相關(guān)性，才能真實(shí)地反映這兩個(gè)變量間的密切程度.偏相關(guān)分析就是固定其他變量不變，而研究某兩個(gè)變量間相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)分析方法，通常用偏相關(guān)系數(shù)(Partial Correlation Coefficient)來(lái)表示兩個(gè)相關(guān)變量偏相關(guān)的性質(zhì)與程度.

根據(jù)霍城縣氣象站1981-2008年多年逐月氣象資料(共計(jì)336組數(shù)據(jù))，對(duì)年時(shí)間尺度下的水面蒸發(fā)影響因素進(jìn)行偏相關(guān)分析，以便驗(yàn)證關(guān)聯(lián)分析法的準(zhǔn)確性，偏相關(guān)分析法計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表3).

表3 水面蒸發(fā)影響因素的偏相關(guān)分析(年尺度)

由表3可知，x1(月均氣溫)、x4(日照時(shí)數(shù))與x2(水汽壓)這3種氣象要素與水面蒸發(fā)的偏相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平；x3(風(fēng)速)與水面蒸發(fā)的偏相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，未達(dá)到極顯著水平；x5(相對(duì)濕度)與x6(降水量)這2種氣象要素與水面蒸發(fā)的偏相關(guān)性不顯著，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn).由偏相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的大小可以判定，水面蒸發(fā)影響因素的大小排序?yàn)椋簒1>x4>x2>x3>x6>x5，即x1(平均氣溫)、x4(日照時(shí)數(shù))與x2(水汽壓)這3種氣象要素是影響水面蒸發(fā)的主要因子，x5(相對(duì)濕度)與x6(降水量)這2種氣象要素對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱，這與本文關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算結(jié)果基本一致.

3 討 論

本文將關(guān)聯(lián)分析法與偏相關(guān)系數(shù)法應(yīng)用于水面蒸發(fā)影響因素分析中，得到了基本一致的結(jié)果.從水面蒸發(fā)的物理意義解釋來(lái)看，分析結(jié)果也是合理的.但還需要對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論:

(1)由于水面蒸發(fā)對(duì)于微氣象條件的影響較敏感，如氣象站所處地形、周邊環(huán)境及海拔等，這會(huì)造成本文的分析結(jié)果具有一定的區(qū)域性特征.因此，本文更傾向于為敏感因素的判定提供一種數(shù)學(xué)思路.

(2)在現(xiàn)實(shí)中，水面蒸發(fā)往往是多種氣象因素同時(shí)作用的結(jié)果，各氣象因素作用一致時(shí)對(duì)敏感性產(chǎn)生的疊加效應(yīng)遠(yuǎn)大于各自效應(yīng)之和，今后還需要加強(qiáng)多氣象因素共同擾動(dòng)情景下的水面蒸發(fā)研究.

4 結(jié) 論

本文以新疆伊犁河谷內(nèi)的霍城縣1981-2008年多年月均水面蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，采用關(guān)聯(lián)分析法與偏相關(guān)系數(shù)法對(duì)不同時(shí)間尺度下氣象因素與水面蒸發(fā)之間的敏感性進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1)關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算結(jié)果表明，在不同時(shí)間尺度下，溫度與日照時(shí)數(shù)這2因素均對(duì)水面蒸發(fā)最為敏感，相對(duì)濕度對(duì)水面蒸發(fā)的影響最弱；

(2)偏相關(guān)系數(shù)法計(jì)算結(jié)果表明，溫度與日照時(shí)數(shù)是影響水面蒸發(fā)的主要因素，其偏相關(guān)系數(shù)分別為0.430與0.346，通過(guò)了極顯著性檢驗(yàn)(置信度為0.01)，這與關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算結(jié)果一致，說(shuō)明上述方法可用于水面蒸發(fā)敏感性分析，同時(shí)也為類似問(wèn)題的分析提供了參考借鑒；

(3)由于溫度與日照時(shí)數(shù)是影響研究區(qū)水面蒸發(fā)的主要因素，在今后的水資源規(guī)劃與配置中，應(yīng)當(dāng)充分考慮這2因素的影響，以便實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的高效可持續(xù)利用.

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