新舊兩種探測技術對蒸發差異性分析

羅永祥，王 祥，龍正菊

(貴州省福泉市氣象局，貴州 福泉 550500)

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新舊兩種探測技術對蒸發差異性分析

羅永祥，王 祥，龍正菊

(貴州省福泉市氣象局，貴州 福泉 550500)

利用福泉國家氣象觀測站新30 a資料(1981—2010年)的小型蒸發觀測資料與2014年、2015年自動大型蒸發傳感器觀測資料進行比較，統計分析了影響蒸發的主要因素。結果表明：新舊兩種探測技術蒸發量差異比較大，新探測年、月、日蒸發量明顯小，夏秋季差異大、冬春季差異較小。重點分析了兩種探測手段對實際蒸發量的影響因素及提高蒸發觀測值的方法，認為自動大型蒸發傳感器數據更準確，更接近真實值。

探測；蒸發；傳感器；差異

1 引言

蒸發是國務院氣象主管機構規定開展的觀測項目。氣象站測定的蒸發量是水面(含結冰時)蒸發量，它是指一定口徑的蒸發器中，在一定時間間隔內因蒸發而失去的水層深度，以毫米(mm)為單位，取1位小數[1]。影響蒸發量的主要因素有空氣溫度、濕度及流動速度(也就是風)。

隨著大氣探測技術的發展，目前多采用了自動傳感技術取代了以前的人工器測項目，蒸發也不例外。以前對蒸發方面的研究多為影響因子的研究或應用研究，而針對兩種不同探測技術差異性研究則不多，差異性這么大也未引起業務管理部門的足夠重視，而其他要素的自動探測儀器與人工觀測值相差不大，如氣溫、氣壓等。因此，分析一地區因探測技術的改變而對蒸發的影響，對于我們利用蒸發資料開展氣候影響評估、制作服務材料或對外開展服務具有重要的指導意義。不要一比較就說蒸發偏少多少，兩種不同的探測技術，不具可比性，或至少需要訂正說明。

2 資料與方法

本文使用福泉國家氣象觀測站新30 a資料(1981—2010年)的小型蒸發觀測資料與2014年、2015年自動大型蒸發傳感器觀測資料對蒸發的年、月、日值對比分析。

通過統計對比，發現蒸發的年、月值及日極值與相應天氣要素值密切相關，蒸發量與環境空氣溫度、濕度、風速有關。一般認為空氣溫度越高、濕度越小、風速越大，則水汽蒸發越快，蒸發量越大。蒸發量還與日照和降水有關。這也說明為什么蒸發月、日最大值出現在炎熱的夏季，年極大值出現在氣溫偏高、日照充沛、降水偏少的年份。

3 結果與分析

3.1 蒸發的年變化分析

選取福泉國家氣象觀測站30 a蒸發量最大的2 a、最小的2 a與新探測技術后的2014年、2015年蒸發量以及當年的年氣溫、降水、相對濕度、日照等氣象因子進行比較，詳見表1，得出蒸發的年際變化很大，蒸發與年平均氣溫、日照等呈正相關，與年降水量、相對濕度等呈負相關，新探測技術探測值明顯小，僅2 a就雙雙打破30 a蒸發的最低極值。

表1 年蒸發量及氣溫、降水、相當濕度、日照氣象資料

3.1.1 30 a蒸發量最大的2 a分析 蒸發量的最大年極值出現在2011年，年蒸發量為1 377.2 mm，該年出現歷史罕見的夏秋冬春連旱，年降水量僅為868.4 mm，為1981年以來歷史第2低值，只多于1989年的793.5 mm；該年的年平均相對濕度為歷史最低值，為71%，比歷年平均相對濕度低了10個百分點。次值出現在1998年，年蒸發量為1 320.7 mm，而該年的日照為1 383.5 h，為1981年以來日照最充沛年；年均溫為15.8 ℃，也為1981年以來福泉氣溫的第2高值，僅低于2013年的15.9 ℃。可以看出氣溫高，日照充沛，相對濕度低，降水量偏少，則蒸發量大。

3.1.2 30 a蒸發量最小的2 a分析 蒸發的最小年極值出現在1982年，年蒸發量為1 020.5 mm，該年年平均氣溫14.6 ℃，較常年平均偏低；年降水量1 379.0 mm，降水日數203 d，雨日明顯偏多，年總降水量為1981年以來第3多年，僅少于2002年的1 498.3 mm和1999年的1 448.1 mm。次值出現在2012年，年蒸發量為1 025.9 mm，該年年平均氣溫14.2 ℃，較常年平均明顯偏低，是自1981年以來福泉平均年氣溫第2低年，僅高于1984年的13.8 ℃；年降水量1 208.2 mm，而日照僅為773.1 h，為30 a來日照最寡之年。可以看出氣溫低，日照寡，降水量偏大、雨日多，則蒸發量小。

3.1.3 2014年、2015年蒸發量分析 新探測技術2014年蒸發量為736.9 mm，2015年蒸發量為712.6 mm，比30 a平均值1 193.2 mm偏少了近4成，比歷史最低極值也低了近3成，蒸發歷史最低極值瞬間被打破。氣象要素極值被打破，除非出現極端天氣，而從表1看2014年、2015年的氣象資料，顯然不成立。2 a的氣溫較常年偏高，雖降水略偏多，日照偏少較多，但如果是老的探測技術，年蒸發量至少也在1 000 mm以上。說明新探測技術蒸發值比老探測技術明顯偏小。

3.2 蒸發的月變化分析

選取福泉國家氣象觀測站30 a平均及2005年、2010年小型蒸發觀測資料與2014年、2015年自動大型蒸發傳感器觀測資料的月值進行比較，詳見表2，發現蒸發月值明顯呈偏小趨勢，幅度達 3成以上，7月、8月、9月差異更大。從圖1可以看出，采用自動大型蒸發傳感器觀測后，2 a時間只有2014年1月和12月蒸發量值在30 a平均值之上，其余月份均遠低于平均水平。2015年7月蒸發值91.3 mm，比30 a 7月蒸發平均值156.6 mm偏少65.3 mm，比2005年7月203.3 mm偏少112 mm。經統計，2015年7月91.3 mm的月蒸發量比1981—2010年30 a間7月蒸發量的最低值115.7 mm(出現在1999年)低了不小，可以說歷史最低極值瞬間被打破。8月、9月差值也很大，情況也差不多，歷史最低極值瞬間被破。和年蒸發量一致，月蒸發量大小與氣溫、降水、相對濕度、日照等氣象因子緊密相關，蒸發的月際變化很大，夏季大，冬春季小。新探測技術蒸發月值明顯偏小，夏秋季較冬春季差異更明顯。

表2 福泉國家氣象觀測站蒸發月值 (單位：mm)

圖1 福泉國家氣象觀測站蒸發月值變化曲線Fig.1 The mutative curve of monthly evaporation value in Fuquan National Meteorological Observation station

3.3 蒸發的日值變化分析

同樣統計蒸發的日值，日蒸發一般晴天值大，陰雨天值小，夏秋季值大，冬春季值小。新探測技術日最大值較老探測技術明顯偏小，經統計2014年、2015年日蒸發資料，發現日蒸發值很少超過6 mm，即便是炎熱的夏天。全年90%以上的日蒸發量在1.5～5.0 mm之間，最大為2015年6月28日的5.1 mm，該日日照充沛，為10.6 h，氣溫較高，日均溫28.3 ℃，平均風速4.1 m/s，平均相對濕度72%。而統計30 a日蒸發值，最大值為12.5 mm，出現在2011年8月15日，該日日均氣溫28.5 ℃，日照12.2 h，平均相對濕度52%，平均風速3.6 m/s。通過比較發現，在天氣差異不大的情況下，新舊兩種探測技術測得的日蒸發量相差1倍以上。夏秋季晴熱少雨時段的小型日蒸發值多在6～9 mm之間，遇高溫晴熱天氣日蒸發量往往超過10 mm。

為驗證日蒸發量大小，福泉地區晴熱的夏季日蒸發量能否達到10 mm左右，筆者于2016年7月26—30日連續做了5 d試驗：見圖2，用口徑不一的3個平底盆，在每日20 h正點觀測時次分別盛上10 mm深的水層，水平放置于觀測場外，次日20 h檢查剩余的水層深度，結果發現這5 d水盆的水層都沒有蒸發干掉，僅失去一半多，口徑小的水盆水層失去稍深一點。這5 d福泉均以晴間多云天氣為主，日蒸發值4～6 mm，試驗結果與自動大型蒸發值比較吻合。當然由于試驗的時間短，采用的水盆材質不一，且沒有進行精確的測量比較，結果缺乏科學性。

圖2 在觀測場外用口徑不一的3個平底盆做日蒸發試驗Fig.2 Making daily evaporation test with three different flat bottomed basins outside the observatory

3.4 新舊兩種探測技術對蒸發值影響分析

3.4.1 探測方法不同 氣象上常用小型蒸發皿或大型蒸發器觀測蒸發量[2]，見圖3。小型蒸發器是為口徑20 cm，高約10 cm的金屬圓盆，口緣鑲有內直外斜的刀刃形銅圈，為防止鳥獸飲水，器口附有一個上端向外張開成喇叭狀的金屬絲網圈。每日20 h正點人工觀測，測量前1 d 20 h注入的20 mm清水(即今日原量)經24 h蒸發剩余的水量，倒掉后再重新量取20 mm清水注入蒸發器內，作為次日的原量。蒸發量=原量+降水量-余量。

圖3 大、小(左)型蒸發觀測儀器Fig.3 Large and small evaporation observation instrument

自動大型蒸發傳感器一般采用超聲原量測距和連通器原量，通過計算水面高度得出單位時間內的蒸發量。測量探頭通過檢測測量筒內超聲波脈沖發射和返回的時間差來測量水位變化情況并轉化成電信號輸出。整套蒸發測量系統由水位測量探頭、測量筒、蒸發筒(由白色玻璃鋼制作，是一個器口面積為3 000 cm2，有圓錐底的圓柱形桶，器口正圓，口緣為內直外斜的刀刃形)、連通器、水圈、小百葉箱等組成。測量筒和測量探頭置于小百葉箱內，使用連通管和大型蒸發桶相連，大大降低水面波動對蒸發測量的影響，有效提高測量準確度和穩定性。自動大型蒸發24 h連續觀測，每小時觀測一個小時蒸發值，24 h的小時蒸發值累加，即為該日的日蒸發量。

3.4.2 新舊兩種探測技術可能誤差分析 小型蒸發人工觀測誤差不容忽視，每個觀測員由于觀測習慣、工作責任心、觀測時機等，會造成一定誤差。小型蒸發皿及測量雨量杯附著的水量也會造成誤差。小型蒸發受降水影響更是不得不提，為防止雨水濺入，業務要求下雨了要及時取下金屬絲網圈，以防雨水濺入，或雨下大了要防止水溢出，要求同時對小型蒸發皿和蒸發雨量筒加蓋，因時機和同步問題會造成不小的蒸發誤差。還有小型蒸發安裝的高度要高，不同高度的氣象要素會不同，也會影響蒸發的速度。

自動大型蒸發傳感器則受儀器性能，周邊環境及維護保養等因素影響。測量儀器本身存在儀器誤差；蒸發桶和連通管深埋于地下，蒸發桶會與土層產生熱交換，是否有滲漏等，對蒸發值也有一定影響；大型蒸發桶周邊草高、水層深度、水質清潔度等都會對蒸發量有影響。大型蒸發不可能做到每天換水，業務上要求一般每月換一次水，而實際上要根據環境、季節等靈活掌握，如果水層深度低于一定的界限值，則會嚴重影響蒸發觀測。福泉局一般每旬到半個月得換水一次，夏秋季由于水溫高，水體微生物多則換水需更勤。水的清潔度較小型蒸發要差很多，保持合適水層深度很重要，同時大型蒸發換水維護期間系統是暫停蒸發，期間蒸發值按0.0處理，顯然維護頻次、維護時機及維護時間長短都會對蒸發有不小的影響。

當然降水對大型蒸發的影響會小很多，加之大型蒸發測量水面遠大于小型蒸發，一般認為面積越大，越接近實際蒸發。超聲波蒸發傳感器運行穩定，測量數據準確，測量分辨率為0.1 mm，因而可以認為自動大型蒸發傳感器數據更準確，更接近真實值。

3.4.3 提高蒸發觀測值的方法 加強儀器維護，按時年檢，校正，勤換水，按規范操作，保持適當的水位等。觀測業務是氣象工作的基礎，只有通過儀器的改進、人為的努力維護，盡可能使觀測要素值接近真實值，才能更好的為預報、服務、科研等提供第一手的氣象資料。

3.4.4 需要改進或說明之處 由于本文只用了福泉國家氣象觀測站1個站的氣象資料進行分析，結果代表性不夠。為此，專門詢問了周邊幾個縣局，普遍反映大型蒸發值偏小較多，總的趨勢與文中分析的一致。

4 結論

通過以上分析得出以下結論：

①新舊兩種探測技術測得的蒸發值差異很大，新探測技術測得的蒸發年、月、日值都明顯的偏小，夏秋季和晴熱天氣兩者差異更大，甚至差值達1倍以上。其他要素的自動探測儀測值與人工觀測值差異不大，唯蒸發是例外，望引起業務主管部門的重視。

②蒸發存在較大的年際、月際和日變化。年(月)氣溫偏高、日照充沛、降水量偏少之年(月)，蒸發量大；年(月)氣溫偏低、日照偏寡、降水量偏多之年(月)，蒸發量小；一般夏秋季蒸發量大，冬春季蒸發量小。晴熱之日蒸發量大，陰雨之日蒸發量小。

③新探測技術測得的蒸發值更穩定、更準確、更接近實際蒸發值。

[1] 中國氣象局編.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003.11.

[2] 黃思源，劉鈞.新型自動氣象站觀測業務技術[M].北京：氣象出版社，2014.12.

Difference analysis of evaporation with new and old detection techniques

LUO Yongxiang,WANG Xiang,LONG Zhengju

(Fuquan Municipal Meteorological Bureau of Guizhou Province, Fuquan 550500，China)

A comparison was made between observation data of small evaporation station of new 30A materials (1981—2010)of Fuquan National Meteorological Observation Station and the observation data of automatic large evaporation sensor in 2014 and 2015. The main factors affecting evaporation were statistically analyzed. The results show that the difference of evaporation amount between the new and old detection technologies is quite large，the new detection technology shows that the annual, monthly and daily evaporation detected by the new detection technology is obviously smaller than that of the old ones. The difference between summer and autumn is large, and the difference between winter and spring is small. This paper focuses on the analysis of the influence of two detection methods on the actual evaporation and the method for improving evaporation observation value. We believe that the automatic large evaporation sensor data is more accurate, closer to the true value.

detection; evaporation; sensors; difference

1003-6598(2016)06-0072-04

2016-11-23

羅永祥(1974—)，男，工程師，主要從事縣級綜合氣象業務管理工作，E-mail:1438977760@qq.com。

國家自然科學基金資助項目(41365008)。

P412

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