新舊兩種探測技術對蒸發(fā)差異性分析

羅永祥，王 祥，龍正菊

(貴州省福泉市氣象局，貴州 福泉 550500)

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新舊兩種探測技術對蒸發(fā)差異性分析

羅永祥，王 祥，龍正菊

(貴州省福泉市氣象局，貴州 福泉 550500)

利用福泉國家氣象觀測站新30 a資料(1981—2010年)的小型蒸發(fā)觀測資料與2014年、2015年自動大型蒸發(fā)傳感器觀測資料進行比較，統(tǒng)計分析了影響蒸發(fā)的主要因素。結果表明：新舊兩種探測技術蒸發(fā)量差異比較大，新探測年、月、日蒸發(fā)量明顯小，夏秋季差異大、冬春季差異較小。重點分析了兩種探測手段對實際蒸發(fā)量的影響因素及提高蒸發(fā)觀測值的方法，認為自動大型蒸發(fā)傳感器數(shù)據(jù)更準確，更接近真實值。

探測；蒸發(fā)；傳感器；差異

1 引言

蒸發(fā)是國務院氣象主管機構規(guī)定開展的觀測項目。氣象站測定的蒸發(fā)量是水面(含結冰時)蒸發(fā)量，它是指一定口徑的蒸發(fā)器中，在一定時間間隔內(nèi)因蒸發(fā)而失去的水層深度，以毫米(mm)為單位，取1位小數(shù)[1]。影響蒸發(fā)量的主要因素有空氣溫度、濕度及流動速度(也就是風)。

隨著大氣探測技術的發(fā)展，目前多采用了自動傳感技術取代了以前的人工器測項目，蒸發(fā)也不例外。以前對蒸發(fā)方面的研究多為影響因子的研究或應用研究，而針對兩種不同探測技術差異性研究則不多，差異性這么大也未引起業(yè)務管理部門的足夠重視，而其他要素的自動探測儀器與人工觀測值相差不大，如氣溫、氣壓等。因此，分析一地區(qū)因探測技術的改變而對蒸發(fā)的影響，對于我們利用蒸發(fā)資料開展氣候影響評估、制作服務材料或?qū)ν忾_展服務具有重要的指導意義。不要一比較就說蒸發(fā)偏少多少，兩種不同的探測技術，不具可比性，或至少需要訂正說明。

2 資料與方法

本文使用福泉國家氣象觀測站新30 a資料(1981—2010年)的小型蒸發(fā)觀測資料與2014年、2015年自動大型蒸發(fā)傳感器觀測資料對蒸發(fā)的年、月、日值對比分析。

通過統(tǒng)計對比，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)的年、月值及日極值與相應天氣要素值密切相關，蒸發(fā)量與環(huán)境空氣溫度、濕度、風速有關。一般認為空氣溫度越高、濕度越小、風速越大，則水汽蒸發(fā)越快，蒸發(fā)量越大。蒸發(fā)量還與日照和降水有關。這也說明為什么蒸發(fā)月、日最大值出現(xiàn)在炎熱的夏季，年極大值出現(xiàn)在氣溫偏高、日照充沛、降水偏少的年份。

3 結果與分析

3.1 蒸發(fā)的年變化分析

選取福泉國家氣象觀測站30 a蒸發(fā)量最大的2 a、最小的2 a與新探測技術后的2014年、2015年蒸發(fā)量以及當年的年氣溫、降水、相對濕度、日照等氣象因子進行比較，詳見表1，得出蒸發(fā)的年際變化很大，蒸發(fā)與年平均氣溫、日照等呈正相關，與年降水量、相對濕度等呈負相關，新探測技術探測值明顯小，僅2 a就雙雙打破30 a蒸發(fā)的最低極值。

表1 年蒸發(fā)量及氣溫、降水、相當濕度、日照氣象資料

3.1.1 30 a蒸發(fā)量最大的2 a分析 蒸發(fā)量的最大年極值出現(xiàn)在2011年，年蒸發(fā)量為1 377.2 mm，該年出現(xiàn)歷史罕見的夏秋冬春連旱，年降水量僅為868.4 mm，為1981年以來歷史第2低值，只多于1989年的793.5 mm；該年的年平均相對濕度為歷史最低值，為71%，比歷年平均相對濕度低了10個百分點。次值出現(xiàn)在1998年，年蒸發(fā)量為1 320.7 mm，而該年的日照為1 383.5 h，為1981年以來日照最充沛年；年均溫為15.8 ℃，也為1981年以來福泉氣溫的第2高值，僅低于2013年的15.9 ℃。可以看出氣溫高，日照充沛，相對濕度低，降水量偏少，則蒸發(fā)量大。

3.1.2 30 a蒸發(fā)量最小的2 a分析 蒸發(fā)的最小年極值出現(xiàn)在1982年，年蒸發(fā)量為1 020.5 mm，該年年平均氣溫14.6 ℃，較常年平均偏低；年降水量1 379.0 mm，降水日數(shù)203 d，雨日明顯偏多，年總降水量為1981年以來第3多年，僅少于2002年的1 498.3 mm和1999年的1 448.1 mm。次值出現(xiàn)在2012年，年蒸發(fā)量為1 025.9 mm，該年年平均氣溫14.2 ℃，較常年平均明顯偏低，是自1981年以來福泉平均年氣溫第2低年，僅高于1984年的13.8 ℃；年降水量1 208.2 mm，而日照僅為773.1 h，為30 a來日照最寡之年?？梢钥闯鰵鉁氐?，日照寡，降水量偏大、雨日多，則蒸發(fā)量小。

3.1.3 2014年、2015年蒸發(fā)量分析 新探測技術2014年蒸發(fā)量為736.9 mm，2015年蒸發(fā)量為712.6 mm，比30 a平均值1 193.2 mm偏少了近4成，比歷史最低極值也低了近3成，蒸發(fā)歷史最低極值瞬間被打破。氣象要素極值被打破，除非出現(xiàn)極端天氣，而從表1看2014年、2015年的氣象資料，顯然不成立。2 a的氣溫較常年偏高，雖降水略偏多，日照偏少較多，但如果是老的探測技術，年蒸發(fā)量至少也在1 000 mm以上。說明新探測技術蒸發(fā)值比老探測技術明顯偏小。

3.2 蒸發(fā)的月變化分析

選取福泉國家氣象觀測站30 a平均及2005年、2010年小型蒸發(fā)觀測資料與2014年、2015年自動大型蒸發(fā)傳感器觀測資料的月值進行比較，詳見表2，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)月值明顯呈偏小趨勢，幅度達 3成以上，7月、8月、9月差異更大。從圖1可以看出，采用自動大型蒸發(fā)傳感器觀測后，2 a時間只有2014年1月和12月蒸發(fā)量值在30 a平均值之上，其余月份均遠低于平均水平。2015年7月蒸發(fā)值91.3 mm，比30 a 7月蒸發(fā)平均值156.6 mm偏少65.3 mm，比2005年7月203.3 mm偏少112 mm。經(jīng)統(tǒng)計，2015年7月91.3 mm的月蒸發(fā)量比1981—2010年30 a間7月蒸發(fā)量的最低值115.7 mm(出現(xiàn)在1999年)低了不小，可以說歷史最低極值瞬間被打破。8月、9月差值也很大，情況也差不多，歷史最低極值瞬間被破。和年蒸發(fā)量一致，月蒸發(fā)量大小與氣溫、降水、相對濕度、日照等氣象因子緊密相關，蒸發(fā)的月際變化很大，夏季大，冬春季小。新探測技術蒸發(fā)月值明顯偏小，夏秋季較冬春季差異更明顯。

表2 福泉國家氣象觀測站蒸發(fā)月值 (單位：mm)

圖1 福泉國家氣象觀測站蒸發(fā)月值變化曲線Fig.1 The mutative curve of monthly evaporation value in Fuquan National Meteorological Observation station

3.3 蒸發(fā)的日值變化分析

同樣統(tǒng)計蒸發(fā)的日值，日蒸發(fā)一般晴天值大，陰雨天值小，夏秋季值大，冬春季值小。新探測技術日最大值較老探測技術明顯偏小，經(jīng)統(tǒng)計2014年、2015年日蒸發(fā)資料，發(fā)現(xiàn)日蒸發(fā)值很少超過6 mm，即便是炎熱的夏天。全年90%以上的日蒸發(fā)量在1.5～5.0 mm之間，最大為2015年6月28日的5.1 mm，該日日照充沛，為10.6 h，氣溫較高，日均溫28.3 ℃，平均風速4.1 m/s，平均相對濕度72%。而統(tǒng)計30 a日蒸發(fā)值，最大值為12.5 mm，出現(xiàn)在2011年8月15日，該日日均氣溫28.5 ℃，日照12.2 h，平均相對濕度52%，平均風速3.6 m/s。通過比較發(fā)現(xiàn)，在天氣差異不大的情況下，新舊兩種探測技術測得的日蒸發(fā)量相差1倍以上。夏秋季晴熱少雨時段的小型日蒸發(fā)值多在6～9 mm之間，遇高溫晴熱天氣日蒸發(fā)量往往超過10 mm。

為驗證日蒸發(fā)量大小，福泉地區(qū)晴熱的夏季日蒸發(fā)量能否達到10 mm左右，筆者于2016年7月26—30日連續(xù)做了5 d試驗：見圖2，用口徑不一的3個平底盆，在每日20 h正點觀測時次分別盛上10 mm深的水層，水平放置于觀測場外，次日20 h檢查剩余的水層深度，結果發(fā)現(xiàn)這5 d水盆的水層都沒有蒸發(fā)干掉，僅失去一半多，口徑小的水盆水層失去稍深一點。這5 d福泉均以晴間多云天氣為主，日蒸發(fā)值4～6 mm，試驗結果與自動大型蒸發(fā)值比較吻合。當然由于試驗的時間短，采用的水盆材質(zhì)不一，且沒有進行精確的測量比較，結果缺乏科學性。

圖2 在觀測場外用口徑不一的3個平底盆做日蒸發(fā)試驗Fig.2 Making daily evaporation test with three different flat bottomed basins outside the observatory

3.4 新舊兩種探測技術對蒸發(fā)值影響分析

3.4.1 探測方法不同 氣象上常用小型蒸發(fā)皿或大型蒸發(fā)器觀測蒸發(fā)量[2]，見圖3。小型蒸發(fā)器是為口徑20 cm，高約10 cm的金屬圓盆，口緣鑲有內(nèi)直外斜的刀刃形銅圈，為防止鳥獸飲水，器口附有一個上端向外張開成喇叭狀的金屬絲網(wǎng)圈。每日20 h正點人工觀測，測量前1 d 20 h注入的20 mm清水(即今日原量)經(jīng)24 h蒸發(fā)剩余的水量，倒掉后再重新量取20 mm清水注入蒸發(fā)器內(nèi)，作為次日的原量。蒸發(fā)量=原量+降水量-余量。

圖3 大、小(左)型蒸發(fā)觀測儀器Fig.3 Large and small evaporation observation instrument

自動大型蒸發(fā)傳感器一般采用超聲原量測距和連通器原量，通過計算水面高度得出單位時間內(nèi)的蒸發(fā)量。測量探頭通過檢測測量筒內(nèi)超聲波脈沖發(fā)射和返回的時間差來測量水位變化情況并轉(zhuǎn)化成電信號輸出。整套蒸發(fā)測量系統(tǒng)由水位測量探頭、測量筒、蒸發(fā)筒(由白色玻璃鋼制作，是一個器口面積為3 000 cm2，有圓錐底的圓柱形桶，器口正圓，口緣為內(nèi)直外斜的刀刃形)、連通器、水圈、小百葉箱等組成。測量筒和測量探頭置于小百葉箱內(nèi)，使用連通管和大型蒸發(fā)桶相連，大大降低水面波動對蒸發(fā)測量的影響，有效提高測量準確度和穩(wěn)定性。自動大型蒸發(fā)24 h連續(xù)觀測，每小時觀測一個小時蒸發(fā)值，24 h的小時蒸發(fā)值累加，即為該日的日蒸發(fā)量。

3.4.2 新舊兩種探測技術可能誤差分析 小型蒸發(fā)人工觀測誤差不容忽視，每個觀測員由于觀測習慣、工作責任心、觀測時機等，會造成一定誤差。小型蒸發(fā)皿及測量雨量杯附著的水量也會造成誤差。小型蒸發(fā)受降水影響更是不得不提，為防止雨水濺入，業(yè)務要求下雨了要及時取下金屬絲網(wǎng)圈，以防雨水濺入，或雨下大了要防止水溢出，要求同時對小型蒸發(fā)皿和蒸發(fā)雨量筒加蓋，因時機和同步問題會造成不小的蒸發(fā)誤差。還有小型蒸發(fā)安裝的高度要高，不同高度的氣象要素會不同，也會影響蒸發(fā)的速度。

自動大型蒸發(fā)傳感器則受儀器性能，周邊環(huán)境及維護保養(yǎng)等因素影響。測量儀器本身存在儀器誤差；蒸發(fā)桶和連通管深埋于地下，蒸發(fā)桶會與土層產(chǎn)生熱交換，是否有滲漏等，對蒸發(fā)值也有一定影響；大型蒸發(fā)桶周邊草高、水層深度、水質(zhì)清潔度等都會對蒸發(fā)量有影響。大型蒸發(fā)不可能做到每天換水，業(yè)務上要求一般每月?lián)Q一次水，而實際上要根據(jù)環(huán)境、季節(jié)等靈活掌握，如果水層深度低于一定的界限值，則會嚴重影響蒸發(fā)觀測。福泉局一般每旬到半個月得換水一次，夏秋季由于水溫高，水體微生物多則換水需更勤。水的清潔度較小型蒸發(fā)要差很多，保持合適水層深度很重要，同時大型蒸發(fā)換水維護期間系統(tǒng)是暫停蒸發(fā)，期間蒸發(fā)值按0.0處理，顯然維護頻次、維護時機及維護時間長短都會對蒸發(fā)有不小的影響。

當然降水對大型蒸發(fā)的影響會小很多，加之大型蒸發(fā)測量水面遠大于小型蒸發(fā)，一般認為面積越大，越接近實際蒸發(fā)。超聲波蒸發(fā)傳感器運行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準確，測量分辨率為0.1 mm，因而可以認為自動大型蒸發(fā)傳感器數(shù)據(jù)更準確，更接近真實值。

3.4.3 提高蒸發(fā)觀測值的方法 加強儀器維護，按時年檢，校正，勤換水，按規(guī)范操作，保持適當?shù)乃坏?。觀測業(yè)務是氣象工作的基礎，只有通過儀器的改進、人為的努力維護，盡可能使觀測要素值接近真實值，才能更好的為預報、服務、科研等提供第一手的氣象資料。

3.4.4 需要改進或說明之處 由于本文只用了福泉國家氣象觀測站1個站的氣象資料進行分析，結果代表性不夠。為此，專門詢問了周邊幾個縣局，普遍反映大型蒸發(fā)值偏小較多，總的趨勢與文中分析的一致。

4 結論

通過以上分析得出以下結論：

①新舊兩種探測技術測得的蒸發(fā)值差異很大，新探測技術測得的蒸發(fā)年、月、日值都明顯的偏小，夏秋季和晴熱天氣兩者差異更大，甚至差值達1倍以上。其他要素的自動探測儀測值與人工觀測值差異不大，唯蒸發(fā)是例外，望引起業(yè)務主管部門的重視。

②蒸發(fā)存在較大的年際、月際和日變化。年(月)氣溫偏高、日照充沛、降水量偏少之年(月)，蒸發(fā)量大；年(月)氣溫偏低、日照偏寡、降水量偏多之年(月)，蒸發(fā)量小；一般夏秋季蒸發(fā)量大，冬春季蒸發(fā)量小。晴熱之日蒸發(fā)量大，陰雨之日蒸發(fā)量小。

③新探測技術測得的蒸發(fā)值更穩(wěn)定、更準確、更接近實際蒸發(fā)值。

[1] 中國氣象局編.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.11.

[2] 黃思源，劉鈞.新型自動氣象站觀測業(yè)務技術[M].北京：氣象出版社，2014.12.

Difference analysis of evaporation with new and old detection techniques

LUO Yongxiang,WANG Xiang,LONG Zhengju

(Fuquan Municipal Meteorological Bureau of Guizhou Province, Fuquan 550500，China)

A comparison was made between observation data of small evaporation station of new 30A materials (1981—2010)of Fuquan National Meteorological Observation Station and the observation data of automatic large evaporation sensor in 2014 and 2015. The main factors affecting evaporation were statistically analyzed. The results show that the difference of evaporation amount between the new and old detection technologies is quite large，the new detection technology shows that the annual, monthly and daily evaporation detected by the new detection technology is obviously smaller than that of the old ones. The difference between summer and autumn is large, and the difference between winter and spring is small. This paper focuses on the analysis of the influence of two detection methods on the actual evaporation and the method for improving evaporation observation value. We believe that the automatic large evaporation sensor data is more accurate, closer to the true value.

detection; evaporation; sensors; difference

1003-6598(2016)06-0072-04

2016-11-23

羅永祥(1974—)，男，工程師，主要從事縣級綜合氣象業(yè)務管理工作，E-mail:1438977760@qq.com。

國家自然科學基金資助項目(41365008)。

P412

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