基于日尺度的非冰期水面蒸發(fā)影響因素對比分析
——以新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣及塔里木盆地北緣為例

魏光輝，姜振盈

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

蒸發(fā)是計算水量平衡的重要內(nèi)容，其中：水面蒸發(fā)是水庫、湖泊等水體水量損失的主要組成.正確認(rèn)識水面蒸發(fā)與各氣象因素之間的關(guān)系，對于干旱區(qū)水資源高效利用、農(nóng)田灌溉管理具有重要意義[1].

準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地是我國的極端干旱區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強烈，當(dāng)?shù)厝祟惢顒又饕性谏衬吘壍木G洲內(nèi).平原水庫作為綠洲灌區(qū)內(nèi)重要的調(diào)節(jié)水源，為綠洲工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有效保障.但由于平原水庫水深淺、水面面積大、非冰期蒸發(fā)損失大，因此如何通過科學(xué)合理的調(diào)度管理減少平原水庫水面無效蒸發(fā)，節(jié)約寶貴的水資源，這將是解決極端干旱區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的一項重要途徑.趙成義[2]等人以阿克蘇綠洲為例，分析了近30年不同口徑蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量的變化趨勢，表明研究區(qū)蒸發(fā)量呈下降趨勢，水面蒸發(fā)量與水汽壓差、氣溫、和風(fēng)速有較好的相關(guān)關(guān)系，其中影響水面蒸發(fā)的主要因子是水汽壓差；魏光輝[3-6]等人以塔里木河下游鐵干里克氣象站2005年資料為例，采用熵值法對水面蒸發(fā)影響因素進行敏感性分析，結(jié)果表明溫度與風(fēng)速對水面蒸發(fā)影響最為敏感；李萬義[7]以水汽壓力、風(fēng)速和相對濕度為主要影響因素，建立了3因子水面蒸發(fā)預(yù)測模型.

由于水面蒸發(fā)影響機理復(fù)雜，受觀測方法精細(xì)程度、氣候環(huán)境變化、觀測場地下墊面植被高度與海拔等因素影響，各區(qū)域的計算分析結(jié)論存在著不同.為探索準(zhǔn)噶爾盆地與塔里木盆地綠洲區(qū)水面蒸發(fā)的主要影響因素，進而為建立區(qū)域水面蒸發(fā)預(yù)測模型提供技術(shù)支持.本文以研究區(qū)內(nèi)的尉犁縣、石河子市非冰期日水面蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對比分析了上述地區(qū)氣象要素對水面蒸發(fā)的影響程度，取得了一些有價值的結(jié)果.

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石河子市地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，北臨古爾班通古特大沙漠，行政區(qū)域460 km2.平均海拔350～600 m左右，屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，年均氣溫7.5～8.2 ℃，日照時數(shù)2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，多年平均降水量213 mm，多年平均蒸發(fā)量1 537 mm.研究區(qū)水資源較為豐富，境內(nèi)有瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝河、巴音溝河等五條河流，年總徑流量15.3億m3，地下水可采量3億m3.建有大中小型水庫11座，蓄水總量4.33億m3.

尉犁縣地處天山南麓，塔里木盆地北緣，行政隸屬于巴音郭楞蒙古自治州，行政區(qū)域59 234.5 km2，平均海拔750～950 m左右，為暖溫帶大陸性荒漠氣侯，多年平均降水量55.7 mm，平均蒸發(fā)量2 526 mm，年均氣溫11.5 ℃.全年日照時間長，年日照時數(shù)3 036.2 h，適宜種植棉花、瓜果等作物.

1.2 數(shù)據(jù)資料

本文選取新疆石河子市氣象站(44°19′N，86°03′E，海拔442.9 m)與尉犁縣氣象站(41°45′N，86°08′E，海拔931.5 m)2017年4月至9月非冰期日均氣溫、日均相對濕度、日均風(fēng)速、日照時數(shù)、日均大氣壓、日均水汽壓以及日蒸發(fā)量(20 cm小型蒸發(fā)器)7個基本氣象要素.

1.3 關(guān)聯(lián)分析法

運用關(guān)聯(lián)分析法[8]，設(shè)有一母因素數(shù)列，記作X0(k)=(X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n))，同時有一系列子因素數(shù)列，依次記作Xi(k)，i=1，2，3，…，m，序列長度為N.

X1=(X1(1)，X1(2)，X1(3)，…，X1(n))；

X2=(X2(1)，X2(2)，X2(3)，…，X2(n))；

… … …

Xm=(Xm(1)，Xm(2)，Xm(3)，…，Xm(n)).

關(guān)聯(lián)系數(shù)為

ζi(K)=

(1)

2 模型應(yīng)用

以石河子氣象站與尉犁縣氣象站2017年4月至9月非冰期日氣象資料為基礎(chǔ)，采用關(guān)聯(lián)分析法對影響研究區(qū)水面蒸發(fā)的主要因素進行分析.選取日均氣溫(x1，℃)、日均相對濕度(x2，%)、日均風(fēng)速(x3，m/s)、日照時數(shù)(x4，h)、日均大氣壓(x5，hPa)與日均水汽壓(x6，hPa)這6個氣象因素為影響因素，日水面蒸發(fā)量(φ20 cm小型蒸發(fā)器觀測)為評價目標(biāo).

2.1 水面蒸發(fā)與各氣象因素的相關(guān)性分析

利用SPSS軟件分別計算上述兩站日水面蒸發(fā)與氣象因素的相關(guān)性，結(jié)果(見表1與表2).由表1可知，除日均風(fēng)速x3與日均水汽壓x6這兩個因素外，其它因素與水面蒸發(fā)的相關(guān)性均達到極顯著水平，且日均氣溫x1與日照時數(shù)x4為正指標(biāo)，日均相對濕度x2與日均大氣壓x5為負(fù)指標(biāo).

表1 影響因子相關(guān)性分析(石河子市)

表2 影響因子相關(guān)性分析(尉犁縣)

由表2可知，除日均水汽壓x6因素外，其它因素與水面蒸發(fā)的相關(guān)性均達到了極顯著水平，且日均氣溫x1、日均風(fēng)速x3及日照時數(shù)x4為正指標(biāo)，日均相對濕度x2與日均大氣壓x5為負(fù)指標(biāo).

2.2 關(guān)聯(lián)分析法計算過程

根據(jù)關(guān)聯(lián)分析的計算步驟，首先將石河子氣象站與尉犁氣象站2017年4月至9月的日氣象資料進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，之后計算關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度(見表3，表4).

表3 關(guān)聯(lián)度計算及排序(石河子)

表4 關(guān)聯(lián)度計算及排序(尉犁)

由表3可知，在石河子地區(qū)，影響水面蒸發(fā)的氣象因素由大到小排序為：x4>x1>x3>x6>x2>x5.

由表4可知，在尉犁地區(qū)，影響水面蒸發(fā)的氣象因素由大到小排序為：x1>x3>x4>x6>x2>x5.

根據(jù)關(guān)聯(lián)分析的計算結(jié)果可以知道，研究區(qū)在水面蒸發(fā)次要因素分析上的結(jié)果完全相一致，但在主要因素的判定上存在較大差異.

3 討 論

(1)由于水面蒸發(fā)對于微氣象條件的影響較敏感(如氣象站所處海拔、經(jīng)緯度等)，這可能是研究區(qū)水面蒸發(fā)因素判定結(jié)果存在一定差異的原因.

(2)相關(guān)系數(shù)法計算結(jié)果(因素相關(guān)性排序)與關(guān)聯(lián)分析法結(jié)果(關(guān)聯(lián)度排序)存在較大差別，分析其原因：水面蒸發(fā)是多氣象因素共同作用的結(jié)果，相關(guān)系數(shù)法反映的往往是非本質(zhì)的聯(lián)系，要準(zhǔn)確地反映單個氣象要素與蒸發(fā)之間的內(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)采用別的數(shù)學(xué)方法來解決(如偏相關(guān)系數(shù)法等).

(3)水面蒸發(fā)影響因素的計算尺度不一樣(如采用日、旬、月、年尺度)，也會導(dǎo)致分析結(jié)果隨著計算尺度的變化而變化.其計算結(jié)果在一定程度上還會受數(shù)據(jù)計算尺度的影響.

4 結(jié) 論

(1)在非冰期，關(guān)聯(lián)分析法的分析結(jié)果表明：在石河子地區(qū)，水面蒸發(fā)主要受日照時數(shù)與溫度這2因素影響；在尉犁地區(qū)，水面蒸發(fā)主要受溫度與風(fēng)速這2因素影響.

(2)在上述研究區(qū)水面蒸發(fā)分析結(jié)果中，溫度均表現(xiàn)為是影響水面蒸發(fā)的主要因素，這一結(jié)果與周金龍[10]及胡順軍[11]的研究相一致，也說明了溫度對水面蒸發(fā)的影響較為穩(wěn)定.

(3)在今后研究區(qū)的平原水庫優(yōu)化調(diào)度中，應(yīng)當(dāng)充分考慮氣象因素對水資源利用的影響，合理優(yōu)化水資源調(diào)度方案.