寧夏一般氣象站蒸發(fā)量估算方法研究

武萬里， 張瑞蘭， 高 燕

(1.中國氣象局 旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象服務(wù)中心,寧夏 銀川 750002； 3.吳忠市氣象局,寧夏 吳忠 751100； 4.寧夏氣象臺,寧夏 銀川 750002)

蒸發(fā)量既是大氣能量平衡的重要組成部分,又是水量平衡的重要組成部分,在全球水循環(huán)和氣候演變中有舉足輕重的作用.蒸發(fā)觀測是獲取觀測區(qū)域蒸發(fā)量最直接、有效的方法，且觀測資料在水文、農(nóng)業(yè)、氣象、生態(tài)、環(huán)境、工程設(shè)計等方面有重要的應(yīng)用價值[1].蒸發(fā)量觀測是寧夏氣象臺站常規(guī)觀測項目，始于1971年，全區(qū)25個氣象臺站均有此項觀測業(yè)務(wù).目前，廣泛使用的蒸發(fā)儀器有小型蒸發(fā)皿與E601B型蒸發(fā)器.2001年前，國家基準站和國家基本站均采用小型蒸發(fā)皿觀測，2002年后改用E601B型蒸發(fā)器 (非冰期) 觀測.國家一般站一直采用小型蒸發(fā)皿觀測.中國氣象局因觀測業(yè)務(wù)調(diào)整，2013年9月起，取消了國家一般氣象站的小型蒸發(fā)觀測，僅保留國家基準站和國家基本站采用E601B型蒸發(fā)器 (非冰期) 觀測，造成一般氣象站后續(xù)年代因觀測終止造成蒸發(fā)數(shù)據(jù)空缺.而國家基準站和國家基本站對重點區(qū)域的蒸發(fā)觀測能力又不足，這就影響了專業(yè)氣象服務(wù)工作的開展.蒸發(fā)的估算方法較多，例如彭曼半經(jīng)驗公式、道爾頓蒸發(fā)公式等，但就結(jié)果的有效性講，蒸發(fā)皿蒸發(fā)觀測是獲取蒸發(fā)量最直接、可靠的方法.文獻顯示，薛淑琴等基于一元及多元回歸方法,對蒸發(fā)皿蒸發(fā)觀測進行估算補缺[2—4];楊司琪等針對折算系數(shù)進行研究[5—8].基于寧夏現(xiàn)有的資料，結(jié)合文獻報道，筆者重點解決2個問題：一是基于小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)的估算方法；二是小型蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)與E601B 型蒸發(fā)器(非冰期)數(shù)據(jù)的折算估算方法.該研究的目的是統(tǒng)一數(shù)據(jù)，提高蒸發(fā)觀測資料的可用性，滿足專業(yè)氣象服務(wù)需求.

1 資料與方法

寧夏靈武、平羅、韋州等12個國家一般氣象站1971—2013年9月小型蒸發(fā)皿的月蒸發(fā)觀測資料及同期氣象觀測資料;國家基準站和國家基本站1984—2001年小型蒸發(fā)皿與E601B型蒸發(fā)器同步對比蒸發(fā)觀測資料.

影響蒸發(fā)的氣象因子可分為熱力因子、動力因子、水汽因子,主要包括氣溫、輻射、日照時間、相對濕度、水汽壓、降雨量、風(fēng)速等.由于蒸發(fā)量受多個因素的影響，需以多個影響因素作為自變量解釋因變量的變化(多重回歸).

設(shè)Y為因變量，x1,x2，…，xk為自變量，當(dāng)自變量與因變量之間為線性關(guān)系時，多元線性回歸模型:

Y=b0+b1x1+…+bkxk，

(1)

式中：b0為常數(shù)項；b1,b2，…，bk為回歸系數(shù).

多元回歸法是補缺觀測數(shù)據(jù)最常用的方法.文中選擇常見且易于獲得的月平均氣溫、月降雨量、月日照時間、月平均相對濕度、月平均風(fēng)速5個因子，分站、逐月建立多元回歸估算模型.通過DPS統(tǒng)計分析軟件，建立12個氣象站、1—12月，共計144個多元回歸模型.其中，1971—2010年的資料用于建模，2011—2013年的資料用于檢驗.

小型蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)與E601B 型蒸發(fā)器(非冰期)數(shù)據(jù)的折算系數(shù)確定，基于全區(qū)25個大監(jiān)測站1971—2001年小型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)觀測資料進行蒸發(fā)氣候分區(qū)，依據(jù)氣候相似理論、國家基準站和國家基本站1984—2001年小型蒸發(fā)皿與E601B型蒸發(fā)器同步對比蒸發(fā)觀測資料，分區(qū)確立非冰期(4—9月)基本折算系數(shù)動態(tài)訂正系數(shù)，進而建立國家一般氣象站基于E601B 型蒸發(fā)量(非冰期)觀測標準的數(shù)據(jù)集，以滿足業(yè)務(wù)服務(wù)需求.

2 蒸發(fā)量多元回歸估算模型的建立

2.1 蒸發(fā)估算模型的因子分析

氣象因子中, 月平均氣溫、月日照時間屬于熱力因子項,與月蒸發(fā)量呈正相關(guān);月降雨量、月平均相對濕度屬于水汽因子項,與月蒸發(fā)量呈負相關(guān);月平均風(fēng)速屬于動力因子項, 與月蒸發(fā)量也呈正相關(guān).以韋州氣象站1981—2009年6月為例進行詳細分析：韋州站的蒸發(fā)量平均值為356.6 mm，最大值為498.1 mm，最小值為265.3 mm，其溫度、降雨量、日照時間、相對濕度、平均風(fēng)速的月平均值分別為21.3 ℃、34.9 mm、277.7 h、45.4%、3.2 m/s.分析上述因子與月蒸發(fā)量的關(guān)系(圖1～圖4)，發(fā)現(xiàn)月平均氣溫、月日照時間與月蒸發(fā)量呈正相關(guān)，月平均氣溫每升高1 ℃,月蒸發(fā)量增加60 mm,月日照時間每增加1 h, 月蒸發(fā)量增加2.3 mm ，反之亦然.月降雨量、月相對濕度與月蒸發(fā)量呈負相關(guān)，月降水量每增加1 mm, 月蒸發(fā)量減少3.6 mm，月相對濕度每增加1%，月蒸發(fā)量減少8.3 mm，反之亦然.統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，月平均風(fēng)速與月蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系不理想，可能是由于風(fēng)速觀測設(shè)備經(jīng)歷了3次換型，觀測值本身存在著顯著的系統(tǒng)誤差.因此對于1995—2005年的月風(fēng)速值進行減1的處理.

圖1 韋州站月蒸發(fā)量與月平均氣溫的相關(guān)分析

圖2 韋州站月蒸發(fā)量與月降雨量的相關(guān)分析

圖3 韋州站月蒸發(fā)量與月日照時間的相關(guān)分析

圖4 韋州站月蒸發(fā)量與月平均相對濕度的相關(guān)分析

2.2 蒸發(fā)估算多元回歸模型的建立

通過DPS統(tǒng)計分析軟件，選擇常見且易于獲得的月平均氣溫、月降雨量、月日照時間、月平均相對濕度、月平均風(fēng)速5個因子，建立12個氣象站、1—12月共計144個多元回歸模型.韋州站6月份的多元回歸估算模型：

Y=-85.861 55+0.184 0x1-2.039 45x2+

24.461 6x3-0.536 0x4-5.773 0x5，

式中：x1為月平均氣溫；x2為月降雨量；x3為月日照時間；x4為月平均相對濕度；x5為月平均風(fēng)速.

該模型的決定系數(shù)為0.94(P<0.01),回歸關(guān)系顯著(圖5).

圖5 韋州站多元回歸模型的擬合結(jié)果

綜合分析寧夏12個國家一般氣象站1—12月的多元回歸估算模型，決定系數(shù)R2=0.62～0.96，冬季好于夏季.表1為靈武、韋州、涇源站1—12月的多元回歸估算模型的決定系數(shù)R2，從表1中可以看出，回歸關(guān)系顯著(P<0.05).

表1 回歸模型決定系數(shù)(R2)

2.3 蒸發(fā)估算模型的檢驗分析

為進一步驗證估算模型的有效性，選取寧夏靈武、韋州、涇源等國家一般氣象站2011年1月至2013年9月小型蒸發(fā)皿的月蒸發(fā)觀測資料及同期氣象資料進行分析.結(jié)果表明,各站各月估算值與觀測值的總體平均相對誤差為5%～11%(圖6～圖8),表明該方法可行可靠.

圖6 靈武站月蒸發(fā)量估算模型的檢驗結(jié)果

圖7 韋州站月蒸發(fā)量估算模型的檢驗結(jié)果

圖8 涇源站月蒸發(fā)量估算模型的檢驗結(jié)果

3 一般氣象站折算系數(shù)的確定

3.1 寧夏蒸發(fā)量區(qū)域特征分析

統(tǒng)計全區(qū)25個氣象站1971—2001年小型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)觀測資料，發(fā)現(xiàn)全區(qū)各站年蒸發(fā)量為1 101.6～2 511.4 mm，可分5個蒸發(fā)氣候分區(qū)(圖9).

圖9 寧夏蒸發(fā)氣候分區(qū)

Ⅰ區(qū)：年蒸發(fā)量小于1 500 mm，位于寧夏的南部六盤山陰濕區(qū).

Ⅱ區(qū)：年蒸發(fā)量為1 500～1 750 mm，位于寧夏固原市的北部及銀川平原的中部核心區(qū)域.

Ⅲ區(qū)：年蒸發(fā)量為1 750～2 000 mm，位于銀川平原的周邊、衛(wèi)寧平原及固原北部的過渡帶.

Ⅳ區(qū)：年蒸發(fā)量為 2 000～2 250 mm，位于寧夏中部的干旱帶大部及銀川平原的北部干旱區(qū)域.

Ⅴ區(qū)：年蒸發(fā)量大于2 250 mm，位于寧夏的中部干旱帶極度干旱區(qū)域和寧夏平原的北部極度干旱區(qū)域.

從蒸發(fā)量分區(qū)看，分區(qū)結(jié)果與寧夏的自然狀況、水熱分布基本一致.

3.2 區(qū)域折算系數(shù)的確定

蒸發(fā)量折算系數(shù)(K)可定義為 E601B 所測的蒸發(fā)量與小型蒸發(fā)器所測蒸發(fā)量的比值.受地區(qū)、季節(jié)等的影響，不同氣象站點的各月折算系數(shù)不盡相同(0.50～0.80).蒸發(fā)量折算系數(shù)與小型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量距平呈負相關(guān).具體年份的折算系數(shù)分為基本折算系數(shù)Ki,p和訂正折算系數(shù)Ki,d，其折算系數(shù)Ki的計算方法：

Ki=Ki,p+Ki,d.

基本折算系數(shù)的確定,依據(jù)氣候相似理論、國家基本站1984—2001年小型蒸發(fā)皿與E601B型蒸發(fā)器同步對比蒸發(fā)觀測資料，進行分區(qū)并求平均值，確立各分區(qū)非冰期的基本折算系數(shù)(表2).

表2 分區(qū)基本折算系數(shù)(Ki,p)統(tǒng)計

訂正折算系數(shù)的確定，依據(jù)1984—2001年小型蒸發(fā)皿與E601B型蒸發(fā)器同步對比蒸發(fā)觀測資料、氣候相似理論，統(tǒng)計分析蒸發(fā)距平與折算系數(shù)的關(guān)系，分區(qū)確立非冰期(4—9月)的動態(tài)訂正系數(shù)(表3).具體應(yīng)用時，統(tǒng)計一般氣象站具體年份的蒸發(fā)距平，并根據(jù)表3確定訂正折算系數(shù)Ki,d

表3 分區(qū)動態(tài)折算系數(shù)(Ki,d)統(tǒng)計

3.3 折算系數(shù)的檢驗

由于國家一般站未開展E601B 型蒸發(fā)器(非冰期)的觀測及同步對比觀測，其折算系數(shù)無法直接檢驗.抽取寧夏中寧、西吉2個國家站1998—2001年同步對比觀測資料，按文中分區(qū)折算系數(shù)法進行檢驗.結(jié)果表明，該方法比傳統(tǒng)折算系數(shù)法的折算效果好,同時，也反映出不同年份天氣因素對折算系數(shù)的影響.

4 結(jié)論與討論

1)基于寧夏12個國家一般氣象站1971—2013年9月小型蒸發(fā)皿的月蒸發(fā)觀測資料,同期氣溫、降水、日照時間、相對濕度、風(fēng)速的月氣象觀測資料，建立逐站、逐月蒸發(fā)量的多元回歸估算模型，彌補一般氣象站后續(xù)年代蒸發(fā)數(shù)據(jù)的空缺.結(jié)果表明，估算值與觀測值的平均相對誤差為5%～11%，總體效果好，該方法可行.

2)月平均氣溫、月日照時間與月蒸發(fā)量呈正相關(guān)，月平均氣溫每升高 1℃,月蒸發(fā)量增加60 mm,月日照時間每增加1 h, 月蒸發(fā)量增加2.3 mm.月降雨量、月相對濕度與月蒸發(fā)量呈負相關(guān)，月降水量每增加1 mm,月蒸發(fā)量減少3.6 mm，月相對濕度每增加1%，月蒸發(fā)量減少8.3 mm.

3)基于全區(qū)25個監(jiān)測站1971—2001年小型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)觀測資料進行蒸發(fā)氣候分區(qū).依據(jù)氣候相似理論，分區(qū)確立基本折算系數(shù)和動態(tài)折算訂正系數(shù)，進而建立基于E601B 型蒸發(fā)量(非冰期)觀測的標準數(shù)據(jù)集，可應(yīng)用于實際工作中.

4)蒸發(fā)量與氣象要素之間為顯著的非線性關(guān)系，關(guān)系較為復(fù)雜，而多元回歸估算法只是簡便、快速的方法.另外，由于數(shù)據(jù)系列較長，在建模時應(yīng)對氣象站點的歷史沿革、對所使用的儀器進行分析與質(zhì)控，從而提高模型的實用性.