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%。

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。

衡水湖水面蒸发量变化特征分析

中国常用观测水面蒸发仪器有E601型、20 m^(2)和20 cm口径蒸发皿等,实验资料显示,大水体水面蒸发皿观测数据与天然水体蒸发量相比误差较小,可忽略不计。利用衡水水文实验站20 m^(2)蒸发皿观测数据,同步计算出衡水湖水面蒸发量,分析其变化特征,得出衡水湖多年平均水面蒸发量为3 187万m^(3),极值差572.1万m^(3),极值比1.20,变差系数0.06。水面蒸发量是水量平衡计算的重要组成部分,利用大水体蒸发皿观测数据计算分析水面蒸发量,对水平衡计算及水资源规划等工作具有重要意义。

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。

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。

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。

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.

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.

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.

安徽地区近45年蒸发皿蒸发量变化特征及影响因素初探

利用线性倾向性估计和Mann—Kendal检验方法，研究了过去的45年（1963～2007年）安徽地区32个代表站20cm口径蒸发皿蒸发量的变化特征。结果表明：（1）安徽地区蒸发皿蒸发量呈现明显下降趋势（-65．3mm／10a，信度0．01），年蒸发总量在1976年发生突变，1982年显著减少，夏季突变最为明显；（2）32个代表台站中24个台站蒸发皿蒸发量表现为显著下降趋势，仅1个表现为上升趋势（信度0．05），在空间上减少趋势基本呈现“北多南少”的态势。结合其它气候要素研究发现：气温显著升高，蒸发量明显减少，即安徽地区存在“蒸发悖论”规律，但气温与蒸发量之间相关性不明显；日照，日较差和风速存在显著减少趋势，相关性分析表明它们是影响蒸发皿蒸发量减少的最重要因子；低云量，降水量和相对湿度等要素本身没有明显变化趋势但对蒸发皿蒸发量的减少作用也不可忽视。

参考作物腾发量与蒸发皿蒸发量的变化特征及变化原因分析

利用东江流域1961～2003年的气象资料，对参考作物腾发量和蒸发皿蒸发量的变化特征及变化原因进行分析．结果表明：参考作物腾发量与蒸发皿蒸发量都有减少的趋势，参考作物腾发量减少的趋势不显著．蒸发皿蒸发量减少的趋势显著．蒸发皿系数有显著增加的趋势；参考作物腾发量、蒸发皿蒸发量在全流域的空间分布相似，都是南部大北部小，蒸发皿系数的空间分布是北部大南部小；平均温度、日照时数、风速与参考作物腾发量、蒸发皿蒸发量的偏相关系数都为正一目对湿度都为负；日照时数对参考作物腾发量、蒸发皿蒸发量的影响程度都最大，且远大于其它因子．这种效应在夏季表现更突出．温度对参考作物腾发量的影响程度比蒸发皿蒸发量大；参考作物腾发量与蒸发皿蒸发量都有减少趋势的原因首先是日照时数的减小，再是风速的减小；参考作物腾发量与蒸发皿蒸的趋势显著性有差异的原因是温度的增加对参考作物腾发量的影响程度比蒸发Ⅲ蒸发量大。

利用Penman-Monteith法和蒸发皿法计算农田蒸散量的研究

根据西北农林科技大学灌溉试验站1998～2000年实测数据,用Penman-Monteith法计算了参考作物日蒸散量(ET0),用大型称重式蒸渗仪测量作物逐日实际蒸散量(ET),计算了作物系数(KC),用蒸发皿法估算了农田蒸散量。对耗水量进行误差分析表明,冬小麦估算耗水最大偏差为13%,夏玉米估算耗水最大偏差为18%,这表明简易的蒸发皿方法估算作物耗水量是有效可行的。

淮河流域蒸发皿蒸发量变化分析

在气候变化背景下,许多地区蒸发皿蒸发量出现持续减少现象。淮河流域是中国南北方气候分界线,研究蒸发问题对认识淮河流域水分循环和水资源状况有重要作用。利用淮河流域实测蒸发皿蒸发量、气温、降水等7种气象要素、英国CRU月平均云量资料和NCEP/NCAR的再分析资料,分析了淮河流域近50年来蒸发皿蒸发量的变化及其原因。结果表明,淮河流域蒸发皿蒸发量存在显著的下降趋势。在一年的四季中,春夏季节蒸发量最大,下降趋势最强;淮河流域北部和西部蒸发量最大,下降趋势最强。究其原因,蒸发皿蒸发量下降与下垫面风速和日照时数减少、相对湿度和降水量增多有关;大气对流层相对湿度和比湿的增加致使地面相对湿度增大,天空云量和降水量增多,从而减弱了太阳辐射的强度,缩短了日照时间,结果使蒸发皿蒸发量下降。

1971—2006年珠穆朗玛峰地区蒸发皿蒸发量的变化及其影响因素

采用气候倾向率方法,分析了珠穆朗玛峰地区1971-2006年小型蒸发皿蒸发量年、季的变化趋势,并讨论了影响蒸发皿蒸发量变化的气候因子.结果表明:近36 a来珠穆朗玛峰地区年蒸发皿蒸发量大部分站点均呈现不显著的减少趋势,平均以-15.6 mm.(10a)-1的速度减少,明显低于中国东部平原、西北北部和南部地区;减幅春季最大、夏季最小.年蒸发皿蒸发量20世纪90年代最大,80年代最小.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,平均相对湿度表现为显著增加,平均气温显著升高,平均最低气温的升温率略高于平均最高气温的升温率.珠峰地区日照时数和平均风速的显著下降,以及相对湿度的明显增加可能是蒸发皿蒸发量下降的主要原因.

湘江流域蒸发皿蒸发量的变化趋势及原因分析

利用1960—2006年湘江流域内44个气象观测站蒸发皿观测资料,采用气候倾向率、相关系数分析法,以及反距离权重插值来分析湘江流域蒸发皿蒸发量的时空变化特征及其影响因子。结果表明:湘江流域年蒸发皿蒸发量在47年间以21.29 mm/10a速率显著减少,通过了90%信度检验;且有75%的站点蒸发皿蒸发量下降趋势显著。从季节变化来看,蒸发皿蒸发量的下降趋势主要在夏季,以15.58 mm/10a的速率显著下降,并通过了99%信度检验。从空间分布来看,湘江流域蒸发皿蒸发量自西南向东北逐渐减少,且下游地区减少趋势最显著。流域饱和差的减小及风速的显著下降导致大部分站点蒸发皿蒸发量呈下降趋势。