水面蒸发影响因素及蒸发悖论研究综述

蒸发是水文循环的重要组成部分,同时也是地面热平衡与水分平衡的重要组成部分。随着全球气温不断上升,蒸发量的变化却并没有与领域内学者们的研究预期相一致,存在着蒸发悖论现象。在此背景下,系统梳理了水面蒸发的影响因素,概述了蒸发悖论的成因及影响因子,并提出了水面蒸发研究中存在的问题及需要加强研究的重点方向。

“蒸发悖论”在中国的规律分析

利用全国353个气象站1956-2005年的气象资料,系统分析了过去50年间蒸发皿蒸发量、气温及降水的变化趋势,重点对"蒸发悖论"在中国的规律进行分析,并研究了蒸发皿蒸发量与降水的长期变化趋势的关系。研究结果表明:(1)过去50年间,全国范围内气温增加显著、蒸发皿蒸发量呈下降趋势,总体上存在"蒸发悖论";(2)"蒸发悖论"具有空间上和时间上的不一致,表现在:随着气温增加,东北地区蒸发皿蒸发量呈上升趋势,20世纪80年代中期以后全国范围蒸发皿蒸发量呈上升趋势;(3)过去50年间,降水量变化趋势不明显,降水量与蒸发皿蒸发量变化趋势在空间分布上大体呈逆向关系。

Angstrom公式参数对ET0的影响及FAO建议值适用性评价

作为计算太阳总辐射(Rs)的主要公式,Angstrom公式参数(a、b)的合理取值是计算参照腾发量(ET0)的重要前提。针对FAO所提出的a、b建议值(a=0.25、b=0.5)在中国无辐射观测资料地区被大量使用,而其合理性尚未得到系统评价的情况,基于中国104个地面站的观测数据,在逐月时间尺度上,讨论了a、b变化对ET0的影响,分析了a、b的地区分布规律,评价了FAO建议值所导致的ET0计算误差,进而阐明了该建议值在中国7个区域的适用性。提出了无辐射资料情况下a、b的地区综合取值方法。主要研究结论是:①参数a、b偏差对ET0的计算有重要影响,在中国无资料地区采用FAO建议值将导致较大的太阳总辐射(Rs)和ET0计算误差。②大多数站点,a的率定值较FAO建议值明显偏小,而b的率定值明显偏大。新疆地区和华南地区a、b率定值分布比较集中,而在其它区域比较分散。③FAO建议参数值在东北、西北和新疆3个区域计算ET0的适用性较好,而在西南和华南两个区域的适用性很差,计算的ET0偏高较大。④提出的地区综合取值方法,能使Rs和ET0的计算精度较FAO建议值显著提高。

中国北方近45年蒸发变化的特征及与环境的关系

对整个中国北方及东北、华北、西北区东部和西北区西部四个子区域蒸发皿蒸发时间序列的分析发现,近45年(1960—2004年)中国北方蒸发皿蒸发的下降趋势明显,并且在空间上从东北向西北的下降趋势逐渐增大。同时结合降水、相对湿度、日较差及日照等环境因子对过去45年的变化特征及与蒸发皿蒸发之间的关系进行了分析,结果表明:在中国北方,无论是在半湿润的东北区还是干旱的西北区,气温日较差和风速都是影响蒸发皿蒸发的最重要的因子,这可能是导致蒸发皿蒸发下降的主要原因;而降水、相对湿度、日照等的作用也不可忽视。

农业活动对中国区域“蒸发悖论”规律的影响

1960-2001年间,中国范围内气温增加显著、蒸发皿蒸发量呈下降趋势,存在"蒸发悖论"现象。该文根据中国土地利用数据划分的251个受农业活动影响较小地区和165个受农业活动影响显著地区气象站的气象数据,计算了1960-2001年两类站点蒸发皿蒸发量和气温的变化趋势,分析了不同农业活动影响地区"蒸发悖论"规律的差异及影响因素。结果显示受农业活动影响显著地区的气象站气温升高的站点比例和平均趋势弱于受农业活动影响较小地区的气象站点,而蒸发皿蒸发量下降的站点比例和平均趋势明显强于受农业活动影响较小地区的气象站点,且在比较干旱的北方地区差异更为显著。由此可以推断灌溉等农业活动对区域"蒸发悖论"规律具有显著影响。

中国北方近50年潜在蒸发的变化

利用彭曼-蒙梯斯公式和常规气象资料计算中国北方地区潜在蒸发(也称蒸发力)变化,分析实测蒸发皿蒸发的变化,结果表明:自20世纪50年代以来,潜在蒸发和蒸发皿蒸发呈波动下降趋势。日照百分率、风速下降和湿度增加影响了潜在蒸散和蒸发皿蒸发量的变化。从能量观点来说,太阳总辐射的下降是潜在蒸发和蒸发皿蒸发减小的主要原因之一,大气湿度增加和人类对于能源消耗的增加导致到达地面的太阳总辐射下降。因太阳总辐射的下降引起潜在蒸发的减小量约占总潜在蒸发减小量的78%左右。

水面蒸发模拟研究

分析了我国水面蒸发模拟的现状,指出现在使用的水面蒸发模型存在的主要问题;通过扩充模型因子和改进模型结构,提出了一种水面蒸发新模型;利用不同气候区33个漂浮蒸发实验站462个站月的资料,确定模型参数.检验结果表明,该模型对水面蒸发时空变化规律的模拟误差较小,在大范围上具有较强的适应性.

水面蒸发系数公式探讨

本文认为在水面蒸发公式的散热系数中,不应包含水气温差,并应用对流散热和蒸发散热的基本公式来作证明,说明如果公式中包含了水气温差,将违反对流散热和蒸发散热基本公式。最后给出了笔者认为正确的蒸发散热系数公式形式。

拔海高度及饱和水汽压的线性化对彭曼蒸发力计算的影响

讨论了拔海高度对彭曼蒸发力的影响方式及其影响程度随辐射平衡、风速和空气饱和水汽压差等条件的变化情况。通过对饱和水汽压进行二阶Ｔａｙｌｏｒ级数展开。

1960～2005年中国蒸发皿蒸发量变化趋势及其影响因素分析

针对蒸发悖论这一科学问题,对1960-2005年的蒸发皿蒸发资料进行系统研究,全面分析中国蒸发皿蒸发量变化特征、探究中国各气候区蒸发皿蒸发变化的敏感因子及主要影响因素。研究表明：1利用模糊聚类FCM算法,将中国分成3个蒸发皿蒸发量变化差异区：东中南分区（中国南部、中部、西南部以及东部）;西北分区（中国西北部）和中国东北至西南的狭长分布带;2蒸发皿蒸发量变化趋势分布具有明显区域性：中国南部、东部、中部及西北部,蒸发皿蒸发量以显著下降趋势为主,其中显著上升站点零星分布于东南沿海、西南、洞庭湖及西北地区的西北部;中国东北部至西南狭长分布带中密集分布显著上升及无明显变化趋势的站点;3对蒸发皿蒸发量与4种气象要素进行敏感性分析,研究发现东南分区、西北分区和狭长分布带的敏感因子均为相对湿度。由此可知,相对湿度是影响中国蒸发皿蒸发量变化的关键因子。

1961~2013年中国蒸发皿蒸发量时空分布特征及其影响因素

分析了1961~2013年中国1302个台站的蒸发皿蒸发量(Pan Evaporation,PE)的时空分布特征并探讨了影响PE变化的主要气候因子。结果表明:站点平均PE在全年和四季都呈明显下降趋势,且在1978年发生了突变。PE在华北平原、新疆、广东、广西及海南等地呈现出显著的下降趋势,而在福建、浙江和贵州等地为显著上升的趋势。用年平均PE距平场经验正交函数做经验正交函数(EOF)分解得到:在第一模态(EOF1)中,1981年时间系数由负转正,EOF1的空间模态与PE的变化有较好的一致性;第二模态(EOF2)中PE距平呈南北反向分布,2002年以后PE在北方减小,在南方增大。通过计算PE与近地面5个气象因子(降水、气温、风速、湿度、日照时数)的偏相关系数后发现:除了降水外,其余4个因子都和PE有很好的相关性。风速与PE为显著正相关,且相关系数最大的区域与EOF1中PE变率最大的区域吻合;相对湿度与PE为显著负相关;PE与气温的相关系数都为正值,且相关系数最大的区域对应于PE显著增加的地区,而与日照时数的相关系数在除春季以外的其他季节都大于0.6。进一步分析发现,风速和日照时数与PE的关系受两个气象因子的线性趋势影响较大,以此推断出PE的下降趋势应该很大程度是受风速和日照时数减小的影响。此外,干旱发生时,PE明显偏大,降水、气温、湿度和日照时数的变化也都对PE增大有明显的贡献,PE对干旱有很好的指示作用。

基于年内尺度的中国大陆地区Angstrom公式参数校正与优选

联合国粮农组织(FAO)推荐Angstrom公式作为参考作物需水量计算过程中太阳总辐射(Rs)参数的建议算法,因此,该公式的as、bs参数取值对准确计算Rs至关重要。【目的】探讨Angstrom公式中2个经验系数as和bs在中国陆地范围内的空间分布特征,并给出各农业区的校正值。【方法】基于中国辐射月值数据集和中国地面气候资料月值数据集中共有的121个站点1957—2016年的逐月日平均太阳辐射和日照百分比有效观测记录,基于各站点1957—2010年的多年平均数据,利用最小二乘回归计算并统计得到中国38个农业区的年内统一as、bs系数,并以2011—2016年的Rs观测值为真值,比较了分别以as、bs系数回归值和FAO的建议值计算的Rs相对精度,筛选出了各农业区年内as、bs系数的优化取值。【结果】大部分站点的n/N与Rs/Ra的相关系数在0.8以上;以线性回归分析求得的Angstrom公式系数as在绝大部分区域维持在0.1~0.2之间,且空间分布稳定,而系数bs则波动性变幅较大,大部分区域在0.40~.8之间;以回归系数计算的Rs整体上要优于FAO推荐值计算的Rs,但在具体应用中则存在FAO推荐值计算的Rs优于回归系数计算的Rs的情况。【结论】在中国,基于n/N与Rs/Ra的相关关系,可以直接回归分析求取Angstrom公式的as、bs系数;各农业区回归求取的as、bs系数与FAO 56的建议值存在显著差别,且有各自的表现特征,但二者的相对大小也呈此消彼长的规律;现有数据和方法条件下,as、bs系数的回归值和建议值相结合推广使用是最佳方案。

1981-2019年鄱阳湖流域潜在蒸散变化特征及气候成因分析

为探明鄱阳湖流域潜在蒸散的变化特征,揭示不同季节潜在蒸散趋势差异及其气候成因,该研究基于1981-2019年鄱阳湖流域74个气象站点的逐日气象资料,利用Penman-monteith公式计算各站点逐日潜在蒸散量( ET_(0)),结合敏感性-贡献率法,分析了1981-2019年鄱阳湖流域 ET_(0)在年、季尺度上的变化趋势及其主导气候因子。结果表明:1)1981-2019年鄱阳湖流域年尺度 ET_(0)具有先降后升的特点,21世纪以前呈下降趋势,进入21世纪后下降趋势减弱,并在21世纪头10年后半段转为上升趋势。整体上,鄱阳湖流域 ET_(0)呈显著增加趋势(1.50 mm/a,P<0.05),其中春季增加速率最快(0.81 mm/a,P<0.05),秋季次之(0.64 mm/a,P<0.05),冬季和夏季分别呈不显著增加和下降趋势(P>0.05);2)最高气温升高是年均 ET_(0)和春、秋季 ET_(0)增加的主导因子,冬季 ET_(0)增加的主导因子为最低气温的升高,而辐射下降是夏季 ET_(0)下降的主导因子;3)不同气象要素贡献率的年代际变化分析表明,鄱阳湖流域年均 ET_(0)由降转升的原因是2000年以后气温增加的正贡献超过风速和辐射下降的负贡献。该研究对鄱阳湖流域农田水分管理和季节性干旱监测具有重要意义。

20世纪50年代以来陕甘宁地区旱情分析

采用陕甘宁地区41个县市1951-2000年的降水及气温资料,分析了20世纪50年代以来陕甘宁地区气温、降水的变化趋势及厄尔尼诺、拉尼娜事件与干旱的关系.结果显示,陕甘宁地区降水与气温存在明显的负相关性,厄尔尼诺和拉尼娜事件与干旱的发生有一定的相关性.

气候变化下闽东山区蒸发量变化趋势及影响因素

区域蒸发量变化能够反映当地气候的变化情况,研究一个地区的蒸发量变化特征,对农业产业结构调整和水资源有效利用等具有重要意义.采集1980—2014年闽东4个山区县气象历史资料,应用线性倾向估计法、Mann-Kendall突变检验法和完全相关系数法等气候统计诊断方法,分析近35 a闽东山区蒸发量的变化特征及其主要影响因素.结果表明:每10 a闽东山区年蒸发量气候倾向率为28.5 mm,呈不显著增加趋势,出现了逆“蒸发悖论”现象.春、夏、秋三季蒸发量的变化趋势与年蒸发量变化趋势相同,而冬季蒸发量却相反,呈微弱减少趋势.年蒸发量在1994年发生气候突变,突变之后比突变之前平均增加了62.4 mm/a;四季中仅春季蒸发量在1995年发生气候突变.通过蒸发量与气温、降水、日照等影响因子的相关性分析,表明最高气温、平均气温、相对湿度3个因子与年蒸发量显著相关,热力因子与蒸发量呈正相关,水分因子和动力因子与蒸发量呈负相关,气温是影响闽东山区蒸发量变化的主要因子.通过年蒸发量与主要影响因子进行多元线性回归分析,建立的预测估算模型,模型相关系数R=0.6592,预测年蒸发量准确率可达87.4%.本研究为闽东山区建立气象预测与农业生产之间的预警机制提供了参考依据.

煤炭企业仓储管理机制探索和研究

为进一步探索和完善当前仓储管理机制,针对当前煤炭企业仓储管理工作中的不足,提出行之有效的管控对策,更好地优化煤炭企业的仓储管理活动,为煤炭企业的生产活动提供更加坚实、全面的保障支持。

西北地区降水稳定同位素的云下二次蒸发效应

利用GNIP提供的我国西北地区的8个站点和本研究的2个站点的降水同位素数据以及相应的气象数据,结合HYSPLIT模型和水滴蒸发模型,分析了我国西北地区降水δ^(18)O和d的时空分布,对该区二次蒸发效应进行了存在性判定与定量讨论,并探讨了二次蒸发效应的敏感因子.结果表明:夏季风期间,新疆地区δ^(18)O和d值由南向北均走低,陕甘宁地区由南向北,由东向西δ^(18)O值整体上升,d值呈现下降趋势;冬季风期间,西北地区由南到北,由东向西δ^(18)O值整体上逐渐减小,新疆地区d值由南向北升高,陕甘宁地区由南向北d值呈现下降趋势,由东向西有微弱的增大.我国西北地区夏季风时期的大气降水线的斜率、截距(6.80,-0.07)显著低于研究区全年的大气降水线方程的斜率、截距(7.27,3.37)和冬季风时期的大气降水线的斜率、截距(7.46,6.07),表明夏季风期间二次蒸发作用较强.研究区夏季风时期的蒸发比率均值为4.49%,高于冬季风时的3.65%,而黄土高原周边站点冬季风时期的蒸发比率高于夏季风时期,这与黄土高原近年来干旱加剧密不可分.另外,二次蒸发作用的强度随相对湿度、降水量和水汽压的增大而减弱,随温度(大于0℃)的升高而增强,但各因子在不同范围时对二次蒸发作用的影响有差异.

1960—2016年陕西省降水同位素的云下二次蒸发效应

基于陕西省1960—2016年逐日气象观测资料,利用改进后的Stewart模型,对陕西省36个气象站点的云底与地面雨滴中过量氘变化量(Δd)进行模拟,并分析了相对湿度、雨滴蒸发剩余比、蒸发速率与Δd的关系。结果表明:①从季节变化上看,陕北、关中和陕南3大区域Δd的最低值出现月份各不相同,但最高值均出现在9月。3大区域年平均Δd与陕西省多年平均Δd相比,陕北地区Δd低于全省,关中与陕南地区Δd均高于全省;近57 a来,陕北和关中地区年平均Δd呈线性递减趋势,陕南地区呈现略微上升趋势;通过Mann-Kendall检验,陕北、关中和陕南地区年平均Δd突变年份各不相同,分别是2011年、1972年和1977年。②无论在月尺度还是年尺度上,陕西省降水Δd都存在明显的空间差异。降水Δd、相对湿度和蒸发剩余比总体呈现由北向南递增的趋势,蒸发速率呈现由北向南递减的趋势。③在月尺度与年际尺度上,相对湿度、蒸发剩余比、蒸发速率与Δd均存在明显的相关性。