氣象要素變化對區(qū)域潛在蒸散發(fā)時空分布特征影響的定量分析

孫 玥

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

氣象要素變化對區(qū)域潛在蒸散發(fā)時空分布特征影響的定量分析

孫 玥

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

結(jié)合遼寧西部地區(qū)兩個氣象站1954～2015年氣象要素變化數(shù)據(jù)，基于M-K模型統(tǒng)計分析了區(qū)域氣象要素的變化趨勢，并采用雙層蒸發(fā)模型的對區(qū)域潛在蒸散發(fā)進(jìn)行時空特征的計算，定量分析氣象要素變化趨勢對區(qū)域潛在蒸散發(fā)時空分布特征的影響。研究結(jié)果表明：在年尺度上，區(qū)域氣溫上升明顯，而日照時數(shù)和風(fēng)速下降趨勢較為明顯。區(qū)域潛在蒸散發(fā)和氣溫、風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均值達(dá)到0.617，而與相對濕度和日照時數(shù)存在負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)系數(shù)均值達(dá)到0.3932。氣溫和風(fēng)速較大的區(qū)域，其潛在蒸發(fā)較大，而相對濕度較大的區(qū)域，蒸散發(fā)分布較小。

M-K模型；雙層蒸發(fā)模型；氣象要素變化；時空特征分析

潛在蒸散發(fā)是水文循環(huán)的重要部分，在區(qū)域水資源平衡中占據(jù)較為重要的比重?？梢?，氣候變化對區(qū)域水資源循環(huán)影響較大，而氣候要素變化主要影響區(qū)域水資源的降水和蒸發(fā)兩個重要要素。對于氣候要素變化對降水的定量影響，國內(nèi)外學(xué)者展開許多研究，并取得一定的研究成果［1-6］，而對于區(qū)域氣候要素變化對潛在蒸發(fā)的定量影響研究較少，特別是在遼寧西部地區(qū)，遼寧西部地區(qū)處于干旱半干旱區(qū)域，區(qū)域蒸發(fā)量相對較大，區(qū)域水循環(huán)受到蒸發(fā)影響較大，而區(qū)域近些年來氣候要素變化較為顯著。為此本文以遼寧西部某區(qū)域為研究實例，基于區(qū)域內(nèi)氣象站點1954～2015年氣象要素變化數(shù)據(jù)，采用M-K方法［7-8］對區(qū)域內(nèi)氣象要素的變化趨勢進(jìn)行了分析，并采用雙層蒸發(fā)模型［9-10］對區(qū)域潛在蒸發(fā)進(jìn)行了計算，并結(jié)合氣象要素分析了氣象要素和潛在蒸發(fā)的相關(guān)性。此外，結(jié)合氣象要素采用空間插值計算了區(qū)域潛在蒸發(fā)的空間分布。

1 研究方法

本文采用M-K模型對區(qū)域的氣象要素特征進(jìn)行趨勢分析，并采用雙層蒸發(fā)模型進(jìn)行區(qū)域潛在蒸發(fā)的計算，并分析潛在蒸發(fā)和氣象要素之間的相關(guān)性。此外本文還采用地理空間插值的方法，對區(qū)域的氣象要素進(jìn)行空間插值，采用雙層蒸發(fā)模型計算潛在蒸發(fā)的空間分布。

1.1 M-K模型分析原理

M-K模型計算分析指標(biāo)時間變化的特征趨勢，其計算原理為：

（1）對計算的樣本數(shù)據(jù)序列｛xt｝，t=1，2，…，m（m≤n），構(gòu)建統(tǒng)計分析序列組合：

式中，dm為模型的統(tǒng)計變量，計算長度為m的樣本序列x1，…，xm按照大小進(jìn)行排位的樣本個數(shù)，也可稱為模型順序統(tǒng)計變量。n表示為樣本序列的總的個數(shù)。

（2）令方程（1）中的m=1，2，…，n，計算模型的統(tǒng)計變量U（dm），計算方程為：

（3）將樣本序列｛xt｝，反向構(gòu)建樣本序列｛x′t｝，重復(fù)（1）和（2）的計算步驟，得到新的統(tǒng)計變量U′（dm），其中令：

式（5）中m′=n-m+1。

1.2 雙層蒸發(fā)模型原理

雙層蒸發(fā)模型植被葉面截留水量和植被根系的蒸騰計算方程為：

雙層蒸發(fā)模型考慮植被蒸騰量計算外，還考慮了土壤蒸發(fā)計算，計算方程為：

式中，Rnc表示為植被葉面受太陽輻射量；rc表示植被葉面氣孔總的阻抗，sm-1；ras為植被葉面與土壤之間的空間動力學(xué)的阻抗，sm-1；λ為大氣蒸發(fā)的潛熱常數(shù)，MJkg-1；ρ為大氣空氣密度常數(shù)，kgm-3；CP為大氣的比熱常數(shù)，1.013×10-3kJkg-1℃-1；Wfr表示為植被葉面冠層截留水量，mm；D0表示植被冠層處大氣壓差值，kPa；表示為飽和的水氣壓差值，kPa；G表示為土壤熱交換通量，Wm-2；γ表示為空氣中濕度的常數(shù)值，kPa℃-1；rs表示為土壤表層的空氣動力學(xué)阻抗，sm-1。

2 區(qū)域氣象要素對潛在蒸發(fā)定量影響分析

2.1 區(qū)域概況

本文以遼寧西部某區(qū)域為研究區(qū)域，該區(qū)域多年平均氣溫10.5℃，該區(qū)域地處干旱半干旱區(qū)域，年降水量偏少，而多年平均蒸發(fā)量達(dá)到400～450mm，區(qū)域內(nèi)有兩個氣象站點，氣象要素數(shù)據(jù)系列長度為1954-2015年，氣象觀測系列較長，且具有代表性，本文結(jié)合氣象站數(shù)據(jù)，分析其氣象要素的變化趨勢，并定量分析其氣象要素變化趨勢對區(qū)域潛在蒸發(fā)時空分布特征的影響，

2.2 區(qū)域氣象要素變化特征分析

結(jié)合氣象站1954～2015年氣象要素變化數(shù)據(jù)，運用M-K方法分析其氣象要素季節(jié)尺度變化的趨勢值，并繪制了各氣象站1954～2015年各氣象要素年變化過程，計算和分析結(jié)果見表1和圖1。

表1 遼寧西部地區(qū)氣象要素年尺度M-K統(tǒng)計值

表2 遼寧西部地區(qū)氣象要素季尺度M-K統(tǒng)計值

表1為區(qū)域兩個氣象站年氣象要素變化M-K統(tǒng)計結(jié)果，從表中可以看出，1#氣象站點氣溫和相對濕度的M-K統(tǒng)計值均大于2.0，可通過M-K模型置信度為95%的檢驗值，表明1#氣象站點氣溫和相對濕度均上升趨勢較為明顯，這一點也可從圖1中1#氣象站點氣溫和相對濕度變化過程可以看出。1#氣象站點的風(fēng)速和日照時數(shù)的M-K統(tǒng)計值在-1.0-1.0之間，表明風(fēng)速和日照時數(shù)在1954～2015年變化趨勢不明顯，這一點也可以從圖1中看出。2#氣象站點年氣象要素M-K統(tǒng)計值結(jié)果可以看出，2#氣象站點各個氣象要素變化趨勢均為通過M-K的置信度檢驗，變化趨勢均不顯著，圖1中2#氣象站點各氣象要素的變化過程也驗證了MK值的統(tǒng)計結(jié)果。

從表2中可以看出1#氣象站點氣溫在春季變化較為明顯，而2#氣象站氣溫變化顯著點在夏季。1 #和2#氣象站點的風(fēng)速均在夏季出現(xiàn)較為明顯的下降趨勢。1#氣象站點在冬季日照時數(shù)變化趨勢較為明顯，而2#氣象站點在各個季節(jié)變化趨勢較為不明顯。2#氣象站點在夏季相對濕度變化明顯，而1 #氣象站點的季節(jié)相對濕度和年尺度相對濕度變化趨勢一致，均未出現(xiàn)明顯的變化趨勢。

2.3 區(qū)域氣象要素對區(qū)域蒸發(fā)的影響分析

圖1 各氣象站點1954～2015年氣象要素變化過程圖

在分析區(qū)域氣象要素變化特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙層蒸發(fā)模型計算區(qū)域潛在蒸發(fā)，并定量分析區(qū)域氣象要素對區(qū)域蒸發(fā)的影響，分析結(jié)果見圖2和表3。

圖2為兩個氣象站點點氣象要素和潛在蒸發(fā)相關(guān)圖，從圖中可以看出，區(qū)域潛在蒸散發(fā)和氣溫、風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均值達(dá)到0.617，而與相對濕度和日照時數(shù)存在負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)系數(shù)均值達(dá)到0.3932。且蒸發(fā)和氣溫和風(fēng)速的相關(guān)性均高于蒸發(fā)和相對濕度以及日照時數(shù)的相關(guān)性。表3為各氣象站點季節(jié)尺度氣象要素和潛在蒸發(fā)的相關(guān)關(guān)系結(jié)果，1#和2#氣象站點氣象要素均在夏季和潛在蒸發(fā)相關(guān)關(guān)系值較大，在冬季較低，看出夏季氣溫對潛在蒸發(fā)的影響較大。風(fēng)速均在夏季和潛在蒸發(fā)相關(guān)性高于其他季節(jié)。1#氣象站點的日照時數(shù)在夏季和蒸發(fā)的負(fù)相關(guān)最高，而2#氣象站點在春季和蒸發(fā)負(fù)相關(guān)最高。1#和2#氣象站點的相對濕度在四個季節(jié)和蒸發(fā)的負(fù)相關(guān)均較低。

圖2 各氣象站點氣象年要素變化與潛在蒸發(fā)相關(guān)圖

表3 各氣象站點季節(jié)尺度氣象要素與潛在蒸發(fā)相關(guān)關(guān)系結(jié)果

2.4 氣象要素對區(qū)域蒸發(fā)空間特征分布影響分析

本文結(jié)合氣象站點的氣象要素采用空間插值方法并結(jié)合雙層蒸發(fā)模型對區(qū)域1990年代和2000年代的蒸發(fā)進(jìn)行了空間分布的計算，計算分析結(jié)果見圖2。圖3為區(qū)域不同年代的蒸發(fā)時空分布計算結(jié)果，從圖中可以看出，不同年代區(qū)域其蒸發(fā)空間分布規(guī)律性不明顯，主要是因為空間的蒸發(fā)受到區(qū)域氣象要素影響較大，因此空間分布規(guī)律性較為不明顯，圖中蒸發(fā)量較大的區(qū)域，主要為氣溫較高且風(fēng)速較大的區(qū)域，而日照時數(shù)和相對濕度較大的區(qū)域，其蒸發(fā)相對較小。這和前面分析的氣溫和風(fēng)速對蒸發(fā)的影響分析較為一致，氣溫和風(fēng)速對區(qū)域蒸發(fā)影響為正相關(guān)，而相對濕度和日照時數(shù)與區(qū)域蒸發(fā)呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)性。從不同年代際的蒸發(fā)空間分布來看，相同區(qū)域，1990年代的蒸發(fā)大于2000年代的蒸發(fā)。區(qū)域蒸發(fā)從1990年代到2000年代，蒸發(fā)整體呈現(xiàn)下降變化趨勢。

圖3 區(qū)域不同年代際蒸發(fā)時空分布圖

3 結(jié)語

本文運用M-K模型和雙層蒸發(fā)模型，定量分析了氣象要素變化對區(qū)域蒸發(fā)時空變化特征的影響，研究取得以下結(jié)論：

（1）氣溫和風(fēng)速對區(qū)域蒸發(fā)影響較大，且風(fēng)速對蒸發(fā)的影響高于氣溫，相對濕度和日照時數(shù)對蒸發(fā)影響較弱，對蒸發(fā)影響較小；

（2）蒸發(fā)空間分布受氣象要素分布的影響，氣溫和風(fēng)速較大區(qū)域，蒸發(fā)較大，但蒸發(fā)空間總體受氣象要素分布影響的規(guī)律性不明顯。

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S161

A

1008-1305（2017）01-0104-05

2016-11-23

孫 玥（1980年—），女，工程師。