气候变暖影响下黄河源区潜在蒸发量预测不确定性研究

蒸发是连接地表能量平衡和水量平衡的重要纽带,高寒区蒸发量对气候变暖尤为敏感。然而,高寒区蒸发预测存在大量不确定因素,其造成流域水文循环变化规律分析、水资源管理面临严峻挑战。因此,以属于高寒区的黄河源区为例,利用5种物理机制不同的蒸发计算模型(P-M、Har、J-H、Mak和P-T)理清模型不确定性对流域潜在蒸发量预测结果的影响;通过耦合蒸发计算模型、GCMs模型、RCPs模型,探究多源不确定性对未来不同时期(近期、中期和远期)潜在蒸发量预测结果不确定性的影响,并利用方差分析方法量化评估各因素独立及交互作用对潜在蒸发量预测结果不确定性的贡献。结果表明:基于太阳辐射和气温的潜在蒸发量模型获得的潜在蒸发量明显大于基于物理机制P-M模型获得的潜在蒸发量,其差值约为150 mm;RCPs不确定性是导致蒸发预测结果不确定性的主导因素,占比高达65%,且多种不确定性因素的交互作用对蒸发预测结果不确定性的贡献在春、冬季节尤为突出。

青藏高原潜在蒸发时空变化的南北分异特征

分析潜在蒸发时空变化对准确认识青藏高原实际蒸发和水量平衡变化规律具有重要意义,虽然多项水文气候和环境要素变化具有明显的空间分异,但目前对潜在蒸发变化空间分异的认识并不清晰。本文采用Penman公式,利用青藏高原及其缓冲区内312个气象站数据计算和分析了1980—2015年潜在蒸发量及其辐射项和空气动力学项时空变化的规律,揭示了其具有南北差异的非单调变化的时空特征。青藏高原及其附近地区多年平均潜在蒸发量以32°30′N为界与纬度呈“V”型非单调变化,在南部随纬度升高而减小,在北部随纬度升高而增大;南北部年潜在蒸发及其辐射项和空气动力学项都以1999年为转折点呈现差异性非单调变化特征,反映了印度季风与西风两大环流在青藏高原影响的空间分异。

FAO-PM法估算季节性冰冻地区路基土潜在蒸发蒸腾量

为准确估算东北东部山地润湿冻区(Ⅱ_(1)区)路基土平衡湿度,引入联合国粮农组织Penman-Monteith法(FAO-PM)估算气候因素控制型路基土潜在蒸发蒸腾量,以解决Thornthwaite法在负温时潜在蒸发蒸腾量计算值为0的问题。详细阐述了FAO-PM模型中5个气候因素的具体含义,并给出算例说明计算流程;根据Ⅱ_(1)区内6个气象台站月均气象数据计算得到各地路基土潜在蒸发蒸腾量;分析主要气候因素对路基土潜在蒸发蒸腾量的影响规律与程度。研究表明:Ⅱ_(1)区各地路基土全年潜在蒸发蒸腾总量为71.14~87.37 cm,负温时该值为8.27~12.39 cm,占全年总量的9.8%~15.7%;潜在蒸发蒸腾量与各地平均气温的显著正相关关系可在一定程度上削弱与其他气候因素的负相关关系;负温条件下,路基的潜在蒸发蒸腾量与平均气温、平均风速和平均日照时数呈正比,与平均相对湿度呈反比;FAO-PM法估算的逐月潜在蒸发蒸腾量与气象站实测数据的误差范围为0.47~13.22 cm,负温时误差范围为0.47~4.31 cm。因此,FAO-PM法适用于估算公路自然区划Ⅱ_(1)区路基土潜在蒸发蒸腾量,且具有可接受的估算误差。

祁连山及河西走廊潜在蒸发量的时空变化

利用20个气象站1960-2006年的逐日气象资料,应用FAO Penman-Monteith模型,分析了祁连山及河西走廊潜在蒸发量的变化趋势,并在ArcGIS环境下通过Spline插值法分析了潜在蒸发量变化的空间分异,此外运用多元回归分析法对影响潜在蒸发量变化的主导因素进行了探讨。结果表明:祁连山及河西走廊的年潜在蒸发量在20世纪80年代之前偏高,之后偏低,在1967年之前呈减小趋势,之后呈增加趋势,1974年之后又呈减小趋势,1993年之后又呈增加趋势;年潜在蒸发量的年际变化率为-1.67 mm,表明潜在蒸发量总体上呈减小趋势;从季节来看,秋季的潜在蒸发量呈增加趋势,其它季节呈减小趋势,其中春季的减小幅度最大;风速是影响潜在蒸发量变化的主导因素,影响秋季潜在蒸发量变化的主导因素是气温。

中国天山山区潜在蒸发量的时空变化

利用24个气象站1960-2006年的逐日气象资料,应用FAO Penman-Monteith模型,分析了天山山区潜在蒸发量的变化趋势,并在ArcGIS环境下通过IDW插值法分析了潜在蒸发量变化的空间分异,此外运用多元回归分析法对影响潜在蒸发量变化的主导因素进行了探讨。结果表明:年潜在蒸发量自60年代以来呈波状减小趋势,1986年之后减小趋势更加明显,2000年以后呈增加趋势。年潜在蒸发量的年际变化倾向率为-2.48mm/a,表明潜在蒸发量总体上呈减小趋势;从季节来看,秋季的潜在蒸发量呈增加趋势,其它季节呈减小趋势,其中春季的减小幅度最大;风速是影响潜在蒸发量变化的主导因素,影响秋季潜在蒸发量变化的主导因素是气温。

秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系

基于秦岭南北地区1960—2011年的气象观测资料,分别利用绝对湿度计算公式和Penman-Monteith公式估算大气绝对湿度和潜在蒸发量,并进一步分析了绝对湿度的空间分布规律、时空变化特征及其与潜在蒸发量变化的响应关系。结果表明:(1)秦岭南北地区绝对湿度由南向北顺次递减,具有较好的海拔地带性和纬度地带性。季节平均湿度以夏季为最大,冬季最小。(2)近52年绝对湿度除巴巫谷地表现出不显著下降趋势外,其它子区均呈现出增加趋势。1986年和1998年是湿度变化的转折点,1960—1986年以微弱下降为主,此后直至1998年震荡上升,1998年以后呈下降趋势。(3)年尺度和春、秋两季,除巴巫谷地外,湿度和潜在蒸发量均表现出显著的负相关关系;而在夏季和冬季,除汉水流域和巴巫谷地不显著正相关以外,其它区域也均为负相关。年度和春、秋两季两个指标负相关的紧密程度随着区域的南移而逐渐减弱。1960—2011年间,年度和季节尺度潜在蒸发和绝对湿度呈反向变化趋势;而在1960—1989年间,两者同向变化;1990—2011年间,年度和春、冬两季潜在蒸发上升,而同期的绝对湿度则是先上升再下降。(4)实际蒸发量的增加导致空气中水汽含量(湿度)增加,反过来抑制了水面蒸发(潜在蒸发量)。秦岭以北、秦岭南坡、汉水流域和巴巫谷地部分地区绝对湿度和潜在蒸发量为互补关系,由北向南随着水分限制作用的不断减弱两者逐渐转化为不显著的正相关关系。

长江流域潜在蒸发量和实际蒸发量的关系

针对"蒸发悖论"科学问题,从长江流域实际蒸发量变化的原因着手,探讨实际蒸发量与潜在蒸发量之间的关系。研究结果表明:一般情况下当干燥度指数R<0.8时,实际蒸发量与潜在蒸发量为明显的正相关关系,当0.8<R<1.0时,实际蒸发量与潜在蒸发量主要表现为不确定关系,当R>1.0时,实际蒸发量与潜在蒸发量为明显的互补关系。

渭河流域关中段潜在蒸发量时空变化特征

根据渭河流域关中段11个主要代表气象站点1955~2012年逐日气象数据,以FAOPenman-Monteith公式得出潜在蒸发量,分析渭河流域关中段潜在蒸发量的时空变化特征。结果表明:1渭河流域关中段年平均潜在蒸发量在1 073.9~1 284.1 mm,流域内多年平均蒸发量随着海拔的降低逐渐增高。2夏季潜在蒸发量在327.6~547.2mm,占全年的34%~42%,变化趋势与全年潜在蒸发量变化趋势高度一致。3渭河关中段随气温上升,潜在蒸发量减少。4年均潜在蒸发量与日较差、平均气温、平均风速、日照时数呈正相关,与相对湿度和水汽压呈负相关。

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。

1981-2010年西藏怒江流域潜在蒸发量的时空变化

利用1981—2010年怒江流域9个站月平均最高气温、最低气温、降水量、风速、相对湿度、日照时数等资料,应用Penman-Monteith模型,采用气候倾向率、R/S等方法分析了潜在蒸发量变化的趋势性和持续性,并探讨了影响潜在蒸发量的气象因子。结果表明:近30年怒江流域四季潜在蒸发量趋于减少,年潜在蒸发量以18.4 mm.(10a)-1的速率显著减少。夏、秋、冬季和年潜在蒸发量具有持续性,未来将持续减少,尤其是冬季。在年代际尺度上,四季潜在蒸发量1980年代为正距平,1990和2000年代均为负距平。风速减小是四季潜在蒸发量减少的主要因素,不过春季潜在蒸发量的减少与降水量的显著增加也有关,且夏季气温日较差的显著变小对潜在蒸发量减少的作用不可忽视。

河北省潜在蒸发量计算与变化趋势分析

选取积温法、蒸发皿蒸发量估算法及彭曼—蒙特斯(Penman-Monteith,P-M)公式法对河北省潜在蒸发量进行估算,通过与大型蒸发池实测蒸发量比较分析,表明P-M公式法能较准确地估算河北省的潜在蒸发量。对P-M公式法所得的潜在蒸发量序列进行变化趋势分析,结果表明:河北省年潜在蒸发量呈波动下降趋势,1960s达到最大,其后并没有随升温继续增大,相反呈明显下降趋势;各季节潜在蒸发量也呈下降趋势,其中夏季潜在蒸发量与年值的变化趋势一致,且降幅较大,每10年减少8.61 mm,秋、春季次之,每10年分别减少2.47 mm、3.32 mm,冬季变化较平缓,每10年减少约0.13 mm,并对其原因进行了分析。空间分布上,河北省大部分地区均为减少趋势,减少速率最大的区域主要分布在河北东南部平原的东部,而只有丰宁、蔚县等个别站潜在蒸发量呈微弱上升趋势。

陕西省多年月潜在蒸发量和降水量的随机特性

通过对陕西省部分县 (市 )的 2 0 a～ 40 a的潜在蒸发量和降水量的分析 ,研究了他们在时间上的相关性和随机特性 ,结果认为潜在蒸发量无论是均值还是方差都在时间上具有很高的相关性 ,而降水量的均值在时间上具有分段相关性 ,而方差不具相关性 ,通过进一步检验 ,潜在蒸发量在时间上属于 AR( 1 )模型。

天山北坡潜在蒸发量时空分布特征

利用研究区10个气象站1960—2010年的逐日气象资料,采用FAO Penmarr Monteith模型计算研究区潜在蒸发量,运用气候倾向率和统计学原理分析了研究区潜在蒸发量的时间变化趋势,并在ArcGIS环境下通过Spline插值法分析了潜在蒸发量变化的空间分异,最后运用多元回归分析法对影响潜在蒸发量变化的主导因素进行了探讨,结果表明:近50年研究区年潜在蒸发量总体呈增加趋势,其年际变化倾向率为1.291 mm/10a;年潜在蒸发量自20世纪60年代逐渐减少,80年代减少到最低,90年代以后逐渐增加,且增加幅度较大;从季节来看,夏季的潜在蒸发量呈减小的趋势,其他季节呈增加的趋势,其中秋季的增加幅度最大(1.635mm/10a);空间分布来看,东、西部地区潜在蒸发量低于中部地区;最低气温和平均风速是影响研究区潜在蒸发量变化的主要因素。

内陆干旱区潜在蒸发量的计算

利用新疆地矿局昌吉地下水均衡试验场 1 991～ 1 997年气象观测资料 ,应用修正的彭曼公式计算了新疆天山北麓平原区的日、月、年潜在蒸发量 ,分析了潜在蒸发量的年变化、季节性变化和日变化特征 ,确定了潜在蒸发量与 2 0 cm蒸发器水面蒸发量间的相关方程 ,为计算潜在蒸发量提供了

近50 a黄河三角洲潜在蒸发变化特征分析

以黄河三角洲地区5个气象站1961—2008年逐日实测数据为基础,利用彭曼-蒙特斯公式估算黄河三角洲地区潜在蒸发量,并选用统计分析、MK非参数检验和反距离权重空间插值等方法分析近50 a来黄河三角洲地区潜在蒸发的时空变化特征。结果表明:近50 a黄河三角洲地区潜在蒸发量呈下降趋势,下降速率为15.9 mm/10 a,并在1984年左右发生突变,之后下降速度明显;从空间分布看,潜在蒸发量从东部沿海逐步向西部内陆递减,而突变前后的蒸发减少量由东北地区向西南地区逐步增大。

土体水分潜在蒸发确定方法研究进展

以相关领域关于土体蒸发模型研究成果为基础,结合岩土工程蒸发过程的特点,对确定土体潜在蒸发量方法的发展及现状进行介绍,并对每种理论模型的适用条件及参数的确定等进行分析。结果显示:(1)特定的地区、气候条件下,通过多种理论模型对比分析,确定相对合适的理论模型估算潜在蒸发量是必要的。(2)气象参数的区域性很明显,即使是具有相似气候特征的小区域,不同气象站提供的气象资料反演的气象参数也不相同,故根据气象资料反演得到的气象参数要进行修正。(3)现有蒸发测量技术应用于岩土工程的蒸发测量中有待进一步深入研究发展。提出该课题在岩土工程领域今后的研究方向,包括土体稳定蒸发阶段蒸发机制、蒸发的滞后效应、夜间土体水分变化对蒸发的影响、通用蒸发模型的建立及实测蒸发量的尺度效应等。

哈巴河地区潜在蒸发变化特征及影响因素分析

基于新疆哈巴河气象站1958—2013年的日气象资料,采用线性倾向性估计法、M-K秩次相关检验法、多元回归分析、主成分分析法及相关统计学方法进行了年、季尺度下潜在蒸发与气象要素的变化特征分析,探究了影响哈巴河地区潜在蒸发变化的主导因素。结果表明:哈巴河地区年、季尺度下的潜在蒸发均呈不同程度的下降趋势,而各气象要素在不同时间尺度和不同季节下呈现不同的变化特征;哈巴河地区1958—2013年存在明显的"蒸发悖论";影响哈巴河地区年、季潜在蒸发变化的主要因素是风速与气温。

滇中地区昆明市潜在蒸发量的时空变化特征

基于昆明市12个气象站1970-2013年的气象资料,采用世界粮农组织(FAO)推荐的彭曼公式估算了12个气象站的潜在蒸发量(Potential Evapotranspiration,PET),采用空间内插统计得到昆明市区域平均气象因子和潜在蒸发量,分析了潜在蒸发量的时空变化特征及成因.研究结果表明,昆明市区域多年平均潜在蒸发量为1 150.5mm,年和季节空间分布相一致,总体呈北高中南部低、高值集中分布在金沙江干热河谷;1970-2013年期间区域年潜在蒸发量显著下降(α=0.05),下降幅度为16.3mm/10a;同期年平均气温、最高气温、最低气温显著增加(α=0.05),年平均风速、年相对湿度和年日照时数显著减少(α=0.05);区域存在"蒸发悖论"现象,体现在1970-2008年期间8个单站;区域年平均风速和年日照时数的减少是造成年潜在蒸发量减少的主要原因,同时区域气温的升高和年相对湿度的减少使得年潜在蒸发量减少的趋势有所减缓,但未改变其减少趋势.春、秋和冬季潜在蒸发量的减少主要受平均风速的影响,夏季潜在蒸发量的减少主要受日照时数的影响.

原始红松林与天然次生林潜在蒸发散对比

利用FAO-56推荐的彭曼-蒙特斯公式对比研究了帽儿山天然次生林(22a)和凉水国家自然保护区原始红松林(27a)的潜在蒸发散变化特征。结果表明:天然次生林和原始红松林各年潜在蒸发散具有明显的月季变化规律,第二和第三季度潜在蒸发散之和分别占全年总量的78%～87%、76%～84%。原始红松林多年潜在蒸发散的变化为上升趋势,年日照时数、年降水量、年均温和年蒸发量显著影响该地区潜在蒸发散。天然次生林潜在蒸发散呈下降趋势,显著影响潜在蒸发散的气象因子为年日照时数和年均相对湿度。主要气象因子对天然次生林和原始红松林潜在蒸发散变异贡献率分别为92%、64%。

黄河三角洲地区潜在蒸发的气候敏感性研究

利用黄河三角洲地区5个气象站1961—2007年逐日实测资料,采用Penman-Monteith公式,分析黄河三角洲潜在蒸发对太阳辐射、风速、平均气温和水汽压的敏感性。结果表明:年尺度上,潜在蒸发对水汽压最为敏感,其次为气温、太阳辐射和风速;季节尺度上,潜在蒸发在春、夏、秋3季对水汽压和气温最为敏感,在冬季对水汽压和风速最为敏感;年际变化上,潜在蒸发对太阳辐射、风速和水汽压的敏感系数均呈增大趋势,而对平均气温的敏感系数减小;空间分布上,潜在蒸发对太阳辐射和水汽压的敏感系数从该区西南部向东北部逐步减小,而对风速和平均气温的敏感系数则从西南部向东北部逐步增大。