基于KNN-TCN模型的蒸发皿蒸发量预测研究

蒸发量的精确预测对合理开发利用水资源、旱涝变化趋势研究和农作物灌溉用水量的估算具有十分重要的意义。选取我国北方地区14个地面国际交换站观测的7项气象数据,以时间卷积网络(TCN)模型为基础模型,运用K-近邻(KNN)算法对蒸发皿蒸发量的空间因素进行筛选,构建KNN-TCN蒸发皿蒸发量预测模型,并利用平均绝对误差、均方根误差和判定系数3项指标对目标站点的蒸发量预测精度进行评价。结果表明:1)KNN-TCN模型预测结果明显优于LSTM模型;2)相比基础TCN模型,KNN-TCN模型预测结果的判定系数提升了2.52%,平均绝对误差、均方根误差分别降低了23.97%、13.06%。

伊犁地区水文站蒸发皿蒸发变化成因分析

结合伊犁地区两处水文站1980—2020年蒸发皿观测资料,统计分析了其蒸发皿蒸发影响的主要成因。结果表明:各水文站蒸发皿蒸发总体均呈现递增变化,递增线性倾向率分别为20.5 mm/10 a和16.9 mm/10 a,递增趋势不明显。各季节中夏季蒸发递增趋势最为明显,冬季蒸发呈现弱递减变化,平均气温是其蒸发皿变化的主因,其对各站蒸发皿蒸发影响相对贡献率均高于50%。

阿勒泰地区水文站E-601型与Φ20型蒸发皿蒸发转换系数分析

为保证阿勒泰地区蒸发观测资料的一致性,对阿勒泰地区两处水文站不同型号蒸发皿进行转换系数分析。结果表明:两处水文站冰期(11月-次年3月)蒸发皿转换系数分别为0.66和0.68,非冰期(4-10月)转换系数分别为0.63和0.65,年蒸发皿转换系数分别为0.64和0.66。研究成果对于阿勒泰地区蒸发量变化特征研究及水资源分析具有参考价值。

太行山南麓蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子——以济源站为例

蒸发皿蒸发量(PE)是估算陆地蒸发量及农业水资源管理的重要参数之一。太行山南麓是我国黄河重点生态区的重要组分,研究该区域蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子对我国林业生态工程建设及维护我国黄河流域生态安全具有重要意义。依托河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站、黄河小浪底森林生态系统定位研究站,以太行山南麓济源市为研究区,基于近34 a逐日气象资料,分析该地区气象要素及蒸发皿蒸发量的变化特征,通过多元回归分析蒸发皿蒸发量的影响因子。结果表明:济源市气候变化趋势整体为趋于暖湿化,升温变化率为-1.966 mm/a春夏季增温幅度高于秋冬季。该地区蒸发皿蒸发量存在明显的“蒸发悖论”现象,整体变化呈下降趋势,变化率为0.041℃/a。春季PE为增加趋势,其余季节为下降趋势,并且秋冬季PE下降趋势比夏季显著。PE在2002—2003年左右发生显著性的突变,发生突变年份前后2个时段PE均表现为在冬季略有下降,从全年尺度来看突变前后2个时段PE均表现为增加趋势,且发生突变后增加速率高于发生突变前。气温日较差减小是近34 a济源PE下降的主要原因。蒸发的能量供给(温度条件)是济源蒸发主要的限制性因素,在冬春季节水汽输送条件(饱和差、风速、日照时间等)也对蒸发有协同影响。

黄河流域水文站和气象站蒸发皿蒸发量时空变化及其差异

黄河流域蒸发皿蒸发量的变化趋势、时空特征及其影响因子,对深入理解黄河流域气候变化影响下的水循环过程具有重要的科学意义。目前大多研究将气象站蒸发皿蒸发量作为基础,以此反映黄河流域的蒸发格局及其变化规律,忽略了水文站蒸发皿蒸发量的重要参考价值。基于黄河流域51个水文站及其邻近55个气象站1975—2018年蒸发皿蒸发量观测资料,采用Mann-Kendall趋势检验分析黄河流域及其8个二级水资源分区水文站和气象站蒸发皿蒸发量的差异、变化趋势与空间格局,并通过Spearman秩相关方法分析影响蒸发皿蒸发量变化的主控气象因子。结果表明:黄河流域水文站蒸发皿蒸发量普遍低于相邻的气象站,水文站多年平均蒸发皿蒸发量为866.2 mm,气象站为1 021.0 mm,水文站蒸发皿蒸发量比气象站平均低15.2%。黄河流域整体年均蒸发皿蒸发量呈显著下降趋势,水文站、气象站蒸发皿蒸发量的变化率分别为-1.2、-1.9 mm/a。水文站和气象站蒸发皿蒸发量在空间格局上变化相对一致,“蒸发悖论”主要存在于流域中下游,在流域上游龙羊峡以上区间、龙羊峡至兰州区间主要呈上升趋势,流域中下游主要呈下降趋势。驱动黄河流域蒸发皿蒸发量变化的主控因素不同,气温的上升和相对湿度的下降是流域上游龙羊峡以上区间、龙羊峡至兰州区间蒸发皿蒸发量上升的主要原因,而日照时数的减少和风速的下降是流域中下游蒸发皿蒸发量下降的主要原因。

基于均一化数据的1960—2021年中国蒸发皿蒸发量时空变化特征

基于序列均一性多元分析(MASH)和Climatol均一化方法,对1960—2021年中国573个气象站逐月蒸发皿蒸发量(PE)观测数据进行非均一化检验与订正,通过对比两种方法检测到的非均一性台站数、断点数、订正幅度等,定量评估均一化结果的不确定性。基于等权重集合均一化逐月蒸发皿蒸发量序列数据集揭示了近60年中国年、季节蒸发皿蒸发量的时、空演变特征。结果表明:MASH和Climatol均能有效检测出逐月序列中的非均一性断点,前者检测到的非均一性台站数较少、断点数较多但订正幅度较小。集合均一化序列表明:1960—2021年中国平均的冬、秋季蒸发皿蒸发量增大速率分别为0.27和1.10 mm/(10 a),春、夏季和全年的下降速率分别为8.38、9.83和16.83 mm/(10 a)。订正后蒸发皿蒸发量在春、夏季和全年大部分观测站呈下降趋势,分别占81.7%、80.8%和80.3%,冬、秋季多呈上升趋势,分别占57.1%和60.4%。冬季在东北、青藏高原东部、华南、西南(云南除外)地区呈上升趋势;春季除华东沿海、陕西南部、川渝北部及湖北西部等地区外,其他大部分地区均呈下降趋势;夏季大部分地区呈下降趋势,特别是华北以南的东部地区;秋季除东北西北部、新疆西北部、内蒙古中部延伸至青藏高原东部一带呈下降趋势外,其他地区呈上升趋势;全年在新疆西北部、内蒙古中部、山东、河北南部及河南、云南中部等地区呈下降趋势。与订正前相比,冬、夏季变化趋弱,春、秋季和全年变化趋强;季节、年变化趋势范围均缩小,下降速率小于10 mm/(10 a)或上升速率大于30 mm/(10 a)的站数均减少,大尺度变化趋势的空间一致性趋好。春、秋、冬季及全年蒸发皿蒸发量分别在1977、2018和2020、2020及1972年存在突变,夏季不存在突变。

干旱区气象因子对蒸发皿蒸发量的影响

根据20 cm蒸发皿的几何尺寸和架设特征,对Penman蒸发公式中的辐射项Rn和储热项S进行修改,建立了20 cm蒸发皿蒸发模型。利用古浪非均匀近地层观测试验(GHUSLE)中连续14天观测的20 cm蒸发皿逐时蒸发数据对该模型进行验证。结果表明,该模型能够成功地模拟蒸发皿蒸发的日变化过程,模拟的日蒸发量均方根误差和平均相对误差分别为0.72 mm·d-1和6.7%。20 cm蒸发皿蒸发过程中太阳辐射项的贡献约占蒸发皿总体蒸发的1/3,空气动力项的贡献约占2/3。常规气象因子影响蒸发皿蒸发的敏感性试验表明,风速、空气湿度、太阳辐射和气温对蒸发皿蒸发的影响强度依次递减,其蒸发量随这4种气象因子的变化率分别为0.602,-0.590,0.528和0.370。

小型与E-601型蒸发皿蒸发量对比分析及其折算系数——以江苏省为例

本文基于江苏省16个台站小型和E-601型蒸发皿同步对比观测资料,以南京站为例,采用比值法和多元线性回归法对长时间序列小型蒸发皿蒸发量进行估算及效果检验,结果表明:通过比值法计算得到的月折算系数介于0.490～0.609之间,年折算系数介于0.476～0.621之间,二者平均折算系数相同,均为0.537,两种蒸发皿月蒸发量相关系数高达0.952 4,年蒸发量相关系数仅0.496 2,表明在利用比值法进行计算时,月折算系数较为合理,具有较好适用性;基于各气象因子和E-601型蒸发量建立的各月小型蒸发皿蒸发量多元线性回归方程,决定系数介于0.809～0.940,效果较理想;比值法和多元线性回归法模拟检验中,比值法年平均误差为7.9%,多元线性回归法年平均误差仅2.5%,比值法预测结果决定系数为0.861 9,回归模型决定系数高达0.953 4,可见回归模型效果更为理想。总结研究结果后,本文详细给出江苏省各台站小型及E-601型蒸发皿折算系数,为有效完整利用江苏省各台站长时间序列小型蒸发皿资料提供合理依据。

近50年中国蒸发皿蒸发量变化趋势及原因

采用Mann-Kendall趋势检验方法、完全相关系数法及多元线性回归模型分析了中国全域及其各气候区近50年的蒸发皿蒸发量变化趋势及原因。结果表明,中国蒸发皿蒸发量存在减少趋势,区域平均减少速率为17.2mm/10a;其中湿润区减少速率最大,为29.7mm/10a;半干旱半湿润区次之,为17.6mm/10a;干旱区最小,为5.5mm/10a。四季中,夏季减少速率最大,全国平均减少速率为16.2mm/10a,其次为春季,为9.7mm/10a,秋冬两季减少速率较小。中国蒸发皿蒸发量存在显著减少趋势的地区主要分布在湿润区的长江中下游地区、华南地区和云贵两省,半干旱半湿润区的黄淮海地区、山东半岛和藏东地区,以及干旱区的新疆、甘肃中部和青海省等。完全相关系数法分析表明,气温日较差和平均风速的减小与蒸发皿蒸发量的减少具有最显著的相关性,是蒸发皿蒸发量减少的影响因子。气温日较差的减小主要由云量和人类活动所引起的气溶胶及其他污染物的增加引起,这导致到达地面的太阳辐射强度减弱;而平均风速的减小则主要与全球变暖背景下亚洲冬季风和夏季风减弱导致我国平均风速的减小有关。

1960-2000年中国蒸发皿蒸发量的气候变化特征

利用中国664个气象站1960-2000年20 cm口径蒸发皿资料,借助地理信息系统ArcGIS,分析了中国蒸发皿蒸发量的气候变化趋势。结果表明,就中国平均而言,1960-2000年中国蒸发皿蒸发量呈明显下降趋势,年蒸发皿蒸发量在20世纪80～90年代较60～70年代下降了99.8 mm,下降幅度为5.8%;不同季节对照发现,蒸发皿蒸发量的下降主要表现在春季、夏季和冬季,秋季不明显;对蒸发皿蒸发量气候变化的空间分析表明,年蒸发皿蒸发量的下降主要表现在华东和中南地区;对蒸发皿蒸发量下降的原因分析表明,日照百分率下降从而导致太阳总辐射的下降可能是近年来蒸发皿蒸发量下降的主要原因。

藏北高原蒸发皿蒸发量及其影响因素的变化特征

采用气候倾向率方法,对藏北高原1971-2006年6个气象站年、季小型蒸发皿蒸发量及其影响气候因子的变化趋势进行了分析。结果表明:近36年藏北高原年蒸发皿蒸发量各站点均呈现显著的减少趋势,平均减少61.7mm/10a(通过99%显著性检验),以夏季减幅最明显。就地域分布而言,蒸发皿蒸发量的下降主要表现在藏北高原的中西部。蒸发量减少幅度随经度的增加减小,随海拔高度的升高而加大。影响蒸发皿蒸发量的主要气候因子日照时数、平均风速呈现显著下降趋势,平均相对湿度、降水量表现为显著增加,平均气温显著升高,平均最低气温的升温速率(0.54℃/10a)明显比平均最高气温的升温速率(0.17℃/10a)大,导致气温日较差的减小(-0.37℃/10a)。藏北高原平均气温日较差和日照时数的显著减小,以及平均相对湿度的明显增加可能是蒸发皿蒸发量显著下降的主要原因,降水量的增加和平均风速的明显减小在蒸发量减少趋势中的作用也不可忽视。

基于蒸发皿水面蒸发量制定冬小麦喷灌计划

该研究拟利用直径为20cm的标准蒸发皿,制定简单易行的喷灌冬小麦灌溉计划。试验于2005-2006年和2006-2007年冬小麦生长季节,在中国科学院通州农田水循环和节水灌溉试验基地进行。以布置在冠层上20cm直径蒸发皿水面蒸发量(E)为基础,研究了不同水面蒸发量倍数(分别为0.25、0.50、0.75、1.00和1.25倍,以及不灌水对照处理)灌溉水量条件下,喷灌水量对土壤水分、冬小麦生长、产量、耗水量和水分利用效率的影响,分析了利用水面蒸发量制定喷灌灌溉计划的可行性。试验结果显示,喷灌条件下土壤水分主要在0～60cm土层内变化。当灌溉水量小于0.25E时,冬小麦叶面积指数和生物量较小,而大于1.00E也会抑制冬小麦生长。喷灌条件下冬小麦单个生育期内的耗水量在312～508mm内变化,耗水量随着灌水量的增加而增加。喷灌0.50E～0.75E时,冬小麦产量和水分利用效率最高或者接近于最高;灌水量较小(≤0.25E)和较大(≥1.00E)时均会降低产量。建议在北京地区冬小麦返青后,喷灌水量可采用0.50～0.75倍的20cm蒸发皿水面蒸发量,灌水间隔可采用5～7d。

西北地区小型蒸发皿资料估算参考作物蒸散

参考作物蒸散是水文循环的重要参量,它的准确估算对于农业水资源的合理规划和利用尤为关键。本文利用西北干旱半干旱地区123个气象台站1971-2000年的逐日气象观测资料,以FAO推荐的Penman-Monteith公式确定的参考作物蒸散为标准,建立了基于相对湿度与10m高度处风速的由20cm小型蒸发皿换算参考作物蒸散的Kp模型。结果表明:西北地区参考作物蒸散ETref与蒸发皿蒸发Epan的相关系数达到0.967,两者之间存在明显的线性相关关系。与单站模型和全区模型相比,分区域Kp模型的精度介于两者之间,同时具有一定的推广价值,建议使用。

蒸发皿中水面蒸发氢氧同位素分馏的实验研究

气象要素与蒸发密切相关,通过室内外不同气象条件下的器皿水蒸发实验,获得了水面蒸发氢氧稳定同位素分馏因子与气象要素的关系。实验结果表明,随着蒸发的进行,剩余水体中逐渐富集重同位素;自由水体蒸发同位素分馏在垂线上有分层现象,表层水体同位素值比垂线平均的同位素值略富集;不同温度条件下的室内蒸发实验中,温度越高,液-气间分馏系数越小,相应于同一剩余水体体积比,剩余水体稳定同位素值则越低。室外器皿水自由蒸发实验中得出的蒸发线方程斜率较大地偏离了当地降水线,表明实验期间水体蒸发分馏作用较明显。该研究为进一步揭示水体蒸发分馏规律提供了可靠的实验依据。

20cm蒸发皿蒸发量的数学物理模型研究

本文以能量守恒原理和边界层梯度输送理论为基础,应用Monin-Obukhov相似函数计算蒸发皿水面感、潜热通量,参数化蒸发皿侧壁热传输能量,建立了一个单层的20cm蒸发皿蒸发模型.之后利用"古浪非均匀近地层观测试验"中连续14天观测的每小时20cm蒸发皿数据对所建模型进行检验.研究分析结果表明:模型能够很好地反映蒸发皿水面与地表之间所形成的非均匀性,合理地概括蒸发皿与周围环境之间的相互作用和蒸发皿蒸发的物理过程.另外,模型成功模拟了蒸发皿蒸发的日变化过程,模拟的日蒸发量均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRER)分别为0.44mm.d-1和3.7%,日蒸发量观测值与模拟值的相关系数为0.998.

基于蒸发皿水面蒸发量的甘蔗滴灌栽培灌溉量研究

【目的】研究不同灌溉量对甘蔗生长的影响,为制定简单易行的甘蔗滴灌栽培灌溉计划提供参考。【方法】采用单因素随机区组设计进行田间试验,灌溉方式为地下滴灌。设3个不同灌溉量处理(A、B、C),灌溉量分别为甘蔗冠层顶部水面蒸发量的1.25、1.00和0.75倍,以不灌溉处理作对照(CK)。在甘蔗生长过程调查萌芽率、分蘖率、生长速度;收获期调查株高、茎径、有效茎数,分析甘蔗品质,验收产量;甘蔗生育期统计降水量、蒸发量和灌溉量,研究不同灌溉量对甘蔗农艺性状、产量、品质、含糖量及灌溉利用效率的影响。【结果】处理A的萌芽率最高,达73.50%;处理B的分蘖率最高,达27.55%。甘蔗伸长期,各处理株高生长速度先快后慢,滴灌处理的株高生长量均显著高于对照。茎径方面表现为CK>A>C>B,各处理之间无显著差异。处理A、B、C的实收产量均显著高于对照,分别比对照增产46.25%,40.75%和27.29%。处理C蔗糖分最高,达15.20%,处理B次之,CK最低;含糖量方面,处理B最高,为13163kg/ha,处理A次之,为13136kg/ha。处理B的灌溉利用效率和农田总供水利用效率均高于处理A和处理C,分别为49.32和56.60kg/ha·mm,处理B比处理A的灌溉量减少19.89%。【结论】综合考虑甘蔗产量、品质、含糖量和灌溉利用效率,在相似气候地理环境条件下,建议选择以甘蔗冠层顶部水面蒸发量的1.00倍作为甘蔗滴灌栽培的灌溉量。

东江流域实际蒸发量与蒸发皿蒸发量的对比分析

利用东江流域1956-2003年的水文、气象资料,用趋势线分析、集对分析和方差分析方法对年实际蒸发量和年蒸发皿蒸发量的变化特征及其与气象因子的关系进行对比分析,揭示其相同与相异之处。结果表明:实际蒸发量与蒸发皿蒸发量都有减少的趋势,但蒸发皿蒸发量减少的趋势显著,实际蒸发量减少的趋势不显著;两者都在20世纪90年代出现最小值;实际蒸发量与蒸发皿蒸发量存在不确定相关关系和弱的负相关关系。温度与实际蒸发量、蒸发皿蒸发量都为不确定相关关系;风速与蒸发皿蒸发量为正相关,与实际蒸发量为不确定相关关系;随降水量的变化,两种蒸发量的变化相反,即一个增加而另一个减小;随日照时数的变化,趋势线分析与集对分析都反映出两者有相反的变化,通过年景分析,随日照时数的增加,蒸发皿蒸发量增加,实际蒸发量先增加后减小。年日照时数偏多、降水量偏少时,蒸发皿蒸发量显著偏多;年日照时数为中等、降水量偏多时,实际蒸发量最大,但没有达到显著水平。

青海湖流域及周边地区蒸发皿蒸发量变化(1961-2007年)及趋势分析

采用单调趋势的非参数统计检验Mann-Kendall(M-K)法和灰色关联分析方法对青海湖流域及周边地区1961-2007年20cm小型蒸发皿蒸发量及其影响气候因子的变化趋势进行了分析.结果表明,近47a来青海湖流域及周边地区的蒸发皿蒸发量平均每年减少4.47mm,各季节的蒸发皿蒸发量除秋季变化不显著外,其它各季以0.55-1.83mm/a的速率减小,其中春季减幅最大,其次是夏季,冬季减幅最小;日照时数的减少导致了气温日较差变小和空气饱和差的减小,是造成该研究区域蒸发皿蒸发量减小的主要原因.

长江上游区域蒸发皿蒸发量变化及其对水分循环的影响

利用长江上游最近30年(66个测站)蒸发皿蒸发量和最近50年(90个测站)的7种气象要素,分析了蒸发皿蒸发量的区域变化趋势和影响蒸发皿蒸发量变化的因素;针对7个水文站的年径流量变化,探讨了蒸发皿蒸发量变化后对水分循环的影响.结果表明,长江上游蒸发皿蒸发量的变化可以划分为三个分区,研究区域东西两侧(青藏高原和大巴山一带)为显著减少区,分别命名为RⅠ和RⅡ,中间(云贵高原北部到黄土高原南缘以及由二者包围的四川盆地一带)为显著增大区,命名为RⅢ区.影响区域蒸发皿蒸发量变化的原因各有不同,青藏高原一带(RⅠ区)蒸发皿蒸发量减少的原因可归结于太阳辐射强度和风动力扰动减弱所致.大巴山一带(RⅡ区)减少原因是太阳辐射强度、风动力扰动强度、湿度条件都在显著下降所引起的.云贵高原到四川盆地一带(RⅢ区)蒸发皿蒸发量增加是环境气温强烈升高,导致其上空大气水汽含量显著减少,大气很干燥,引发蒸发过程加强所致.蒸发皿蒸发量发生变化的直接后果就是导致水分循环强弱发生变化,对于RⅠ区,尽管蒸发皿蒸发量减少,由于降水量和径流量增加的作用,这一区域的水分循环有所加强.在RⅡ区,降水量、径流量和蒸发量都在减少,因此RⅡ区水分循环显著减弱.在RⅢ区,降水量和径流量同时减少,而蒸发量增大,水量消耗增大,因此RⅢ区水分循环有减弱趋势.

贵州蒸发皿蒸发量变化趋势及影响因素分析

以贵州境内18个气象站1961-2001年逐日气象观测数据为基础,采用Mann-Kendal非参数检验方法、相关分析和主成分分析方法对贵州近41年来蒸发皿蒸发量及其主要影响因子(太阳净辐射、气温、相对湿度和风速等)进行了相关性及趋势性分析.结果表明:近41年来,贵州年平均蒸发皿蒸发量呈显著下降趋势,通过99%的置信度检验,蒸发量的下降主要表现在冬、春、夏三季.从区域分布来看,蒸发皿蒸发量整体上东部及西北部分地区显著减少,其他地区趋势变化不明显.蒸发皿蒸发量下降的主要原因是太阳净辐射的显著下降.