新疆塔額盆地各氣象要素對水面蒸發影響的敏感性分析

魏光輝，馬亮

（新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

新疆塔額盆地各氣象要素對水面蒸發影響的敏感性分析

魏光輝，馬亮*

（新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

水面蒸發敏感因素的判斷,對于干旱區水資源的規劃與利用具有重要指導意義。文章以新疆塔額盆地內的塔城市氣象站1981—2010年資料為例,采用敏感系數法對研究區多年月均水面蒸發影響因素進行敏感性分析,并與關聯分析法分析的結果對比。結果表明:在塔額盆地內,溫度與水汽壓二因素對水面蒸發影響最為敏感；基于敏感系數法的敏感因素研究結果與關聯分析的結果基本一致,尤其在主要影響因子的判定上。

水面蒸發；敏感因素；敏感系數；關聯分析；塔額盆地

陸面蒸散發是陸面水循環與水量平衡計算的重要組成部分，也是地球水循環系統中最活躍的因素之一[1]。一般而言，陸面蒸散發過程與植物生理過程、土壤環境及微氣象條件密切相關。陸面蒸散量的調整和變化是干旱和沙塵暴等氣象災害發生和發展的主導因素之一[2]，其對作物需水量的計算、農田灌溉管理和區域水量平衡計算等也有重要影響[3，4]。

目前，國內外對蒸散發的計算問題做了大量研究[5]，如利用彭曼法、蒸發皿觀測法、渦動觀測法、蒸滲計觀測法及衛星遙感法來測量或估算陸面蒸散量。與此同時，對于干旱區影響水面蒸發的敏感因素研究則很少。由于陸面蒸散發對農田灌溉管理、作物需水量估算以及資料稀缺地區的水量平衡計算有著重要影響，故分析其對氣象因素的敏感性有助于當地的農業水資源優化配置和氣候變化對水資源的影響研究。

國內外關于系統敏感因素的判定方法主要有方差分析法[6]、主成分分析法[7]、偏相關系數法[8]、偏導數法[9]等，上述這些方法不僅要求大樣本，而且要求樣本具有典型的概率分布，在實際中很難實現。鑒于此，本文以新疆塔額盆地內的塔城市1981—2010年多年月均水面蒸發觀測數據為例，以氣象因素（溫度、風速、相對濕度與日照時數等因素）為研究對象，將其引入到敏感系數法中，分析各氣象因素對水面蒸發的敏感性，并采用關聯分析法對影響因素進行排序，最后將兩種模型所得結果進行相互比較驗證，得到了一些有價值的結果。

1 系統敏感性分析方法

1.1 敏感系數法

在蒸發[10]以及水文學[11]、生態學[12]的研究中，學者根據不同目的定義了多種敏感系數。一種簡單可行的方法是，把因變量變化與自變量變化的比值繪成曲線來描述敏感系數的特征，即敏感曲線[13，14]。對于多變量模型來說，由于各自變量的維數和取值范圍不同，很難通過偏導數比較敏感性，這里將偏導數轉化成無維的形式[15]：

式中：SVi

表示敏感系數，無量綱；Vi表示第i個自變量（氣象因子）；E表示因變量，本文中為水面蒸發量。敏感系數為正值，表明蒸發量隨著氣候變量的增加而增加，反之亦然；其絕對值越大則氣候變量對蒸發量的影響越大，反之越小。敏感系數表現在圖形上就是敏感曲線的原點切線，所以，原點處一定線性范圍內的敏感系數足夠精確，可以代替敏感曲線的斜率。這一范圍的大小取決于曲線的非線性，曲線為線性，則敏感系數可以描述氣候變量擾動引起的蒸發量變化；曲線呈明顯非線性，則敏感系數應用局限于較小的氣候變量擾動[9]。

1.2 關聯分析法

灰色理論[16]是鄧聚龍教授在20世紀80年代提出的。關聯分析是灰色理論的一個重要組成，其基本思想是一種相對性的排序分析[16]，通常通過對原始數據采用標準化的方法來進行變換，計算關聯系數和關聯度。

設參考數列為X0（k），比較數列為Xi（k），i=1，2，3，…，m，序列長度為N。

關聯系數為：

2 模型應用

本文以新疆塔城市氣象站1981—2010年多年月平均氣象資料為例，分別采用敏感系數法與關聯分析法對研究區水面蒸發敏感因素（本文所指敏感因素主要指氣象因素，下同）進行分析。選取月均氣溫（x1，℃）、月均相對濕度（x2，%）、月均水汽壓（x3，hPa）、月均日照時數（x4，h）與月均風速（x5，m/s）這5種氣象因素為影響因素，月均水面蒸發量（E601蒸發器）為評價對象。考慮到塔城市水面蒸發資料在1981—1984年期間為小型蒸發器觀測（φ20蒸發器），1985—2001年非結冰期（4—9月）采用大型蒸發器（E601蒸發器）、小型蒸發器（φ20蒸發器）同時對比觀測，2002年起，非結冰期（4—9月）采用E601蒸發器，而10月至次年3月為φ20蒸發器。因此，本文將小型蒸發器（φ20蒸發器）觀測數據統一折算為大型蒸發器（E601蒸發器）觀測數據。

塔城市氣象站多年平均各氣象要素統計值見表1。

表1 塔城市多年平均氣象要素統計

2.1 研究區概況

塔城市位于新疆西北部，塔額盆地西北部，塔爾巴哈臺山南麓。東鄰額敏縣，南連裕民縣，北部、西部與哈薩克斯坦接壤。地勢北高南低，由東北向西南傾斜。塔爾巴哈臺山橫亙于北，巴克圖山縱貫于西，額敏河自東向西橫貫于南。地形分為北部山地，中部丘陵、洪積扇平原，中部洪積扇扇緣平原和南部沖積扇平原。喀浪古爾河、阿不都拉河、錫伯圖河、烏拉斯臺河由北向南縱貫市境，注入額敏河后由東向西出境。塔城市屬中溫帶大陸性干旱氣候，冬季漫長寒冷，夏季短促炎熱，春季氣溫回升快，秋季降溫迅速，多年平均氣溫6.2℃，極端最高氣溫41.3℃，極端最低氣溫-39.2℃。多年平均降水量291 mm，多年平均蒸發量986.3 mm（E601蒸發器），日照時數2 915.1 h，氣候相對較濕潤，且冬季多雪，無霜期160 d左右。

塔城市氣象站地理坐標為46°44＇N，83°00＇E，觀測場海拔高程為536.6 m。該氣象站于1953年建站至今，未發生搬遷變化，氣象站擁有近60年的基礎資料，氣象資料的可靠性、一致性及代表性都是可信的。

2.2 敏感系數法計算過程

2.2.1 水面蒸發與各氣象因素的相關性分析

根據表1數據，利用SPSS13軟件計算水面蒸發與各氣象因素的相關性，計算結果見表2。除風速因素外，其余各氣象因素與水面蒸發的相關性均達到了極顯著水平，且除影響因子x2（相對濕度）外，其余因子均為正指標，這表明隨著月均氣溫、月均水汽壓與月均日照時數的升高（或增加），水面蒸發量會增大；隨著月均相對濕度的降低，水面蒸發量也會增加。

表2 水面蒸發影響因素相關性分析

2.2.2 敏感系數的計算及排序

敏感系數計算過程中的偏導數計算通過Matlab軟件中的symbolic calculation命令實現，其他運算通過numerical calculation命令實現。

經計算得到各影響因素的敏感系數及排序（表3）。

表3 敏感系數的計算及排序

由敏感系數絕對值的大小可以判定，水面蒸發影響因素的敏感性排序為：x1＞x3＞x4＞x5＞x2。同時，也可以看出敏感系數的正負性與相關系數的正負性是一致的。

2.3 關聯分析法計算過程

根據關聯分析的計算步驟，首先將塔城市多年平均氣象統計數據（即表1中數據）進行標準化處理，之后根據式（2），求得各氣象因素的關聯系數。對關聯系數求平均值即得到關聯度及影響因子排序（表4）。

表4 關聯度計算及排序

由表4中計算的關聯度可知，各影響因子對水面蒸發的關聯度由大到小排序為：x1＞x3＞x4＞x5＞x2。

根據關聯分析法的計算結果可知，它與采用敏感系數法的計算結果完全一致。這充分說明了敏感系數法在水面蒸發敏感因素判斷上的可行性，也從另一個角度驗證了關聯分析法的正確性，大大提高了系統分析的準確度與可靠度。

3 討論

本文將敏感系數法與關聯分析法用于水面蒸發影響因素敏感性分析，得到了一些有價值的研究結果，但還需要對以下2個問題進行討論：

（1）就水面蒸發影響因素的敏感性而言，文獻[1]研究結果為“在塔里木河干流下游，在冰期與非冰期兩種情況下，水面蒸發均表現為對溫度與風速二因素最為敏感”；文獻[2]研究結果為“在塔里木盆地北緣（尉犁縣），日均風速、日均溫度和日均水汽壓是影響水面蒸發量的主要敏感因素”；本文研究結果為“在塔額盆地內，水面蒸發表現為對溫度與水汽壓這2因素最為敏感”。這三者結論之間存在一定的共同性，即溫度均是影響研究區水面蒸發的主要敏感因素。此外，在新疆南疆地區，風速也表現為是影響水面蒸發的主要敏感因素（文獻[1]與文獻[2]研究結論一致）。那么，造成南北疆水面蒸發影響因素的差異原因是什么呢？是由于環境氣候原因（文獻[1]、[2]中研究區屬于干旱區，本研究中塔額盆地為半干旱區）、蒸發觀測場微氣象條件差異，還是上述原因的疊加效果呢?這均需要在以后的研究中進行深入分析。

（2）由于非結冰期（4—9月）與結冰期（10月—次年3月）水面蒸發機理不同，本文在計算水面蒸發影響因素敏感性時，是將12個月的數據作為一個系統統一考慮的，沒有進行分類分析，這可能會導致分析結果在不同時期（冰期與非冰期）的適用性方面存在一定局限性。

4 結論

（1）基于敏感系數法與關聯分析法的水面蒸發敏感因素分析結果表明：水面蒸發均表現為對溫度與水汽壓這2因素最為敏感。

（2）敏感系數法分析結果與關聯分析法的分析結果基本一致，尤其在主要敏感因素的判別上更是完全一致，這充分說明將上述兩種方法應用于水面蒸發敏感性分析中是可行的。同時，該方法也為類似問題的解決提供了一種數學思路。

（3）本文得出研究區水面蒸發主要敏感因素為溫度與水汽壓這2種因素。在今后該區域的水資源優化配置中（如平原水庫的建設與調度），應當充分考慮這2種氣象因素對水資源配置的影響，合理優化水資源調度方案。

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Analysis on Sensitive Factors to Water Surface Evaporation in Ta’e Basin,Xinjiang

WEI Guanghui，MA Liang
（School of Water Resources and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

The judgment on sensitive factors to water surface evaporation is very important for water resources planning and utilization in arid areas.In this paper,taking Ta’e Basin as an example,using meteorological data of Tacheng city from 1981 to 2010,the influential factors for mean month water surface evaporation in study area are analyzed including the sensitivity of each meteorological factor by using sensitive coefficient method and using relational analysis method to verify it.The results show that the temperature and water vapor pressure are the most sensitive factors in the study area;the results of sensitive coefficient method and relational analysis method are the same,especially for the main influential factors.

water surface evaporation；sensitive factors；sensitive coefficient;relational analysis；Ta’e Basin

P332.2

B

1002-0799（2014）05-0044-04

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.008

2013-10-10；

2014-06-07

新疆水利水電工程重點學科基金資助（XJSLGCIDXK20101202）。

魏光輝（1981-），男，高級工程師，主要從事干旱區水資源利用與環境保護研究。E-mail：xndwgh@sina.com

馬亮（1980-），男，副教授，主要從事干旱區農業水資源利用研究。

魏光輝，馬亮.新疆塔額盆地各氣象要素對水面蒸發影響的敏感性分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：44-47.