一次蒸發“異常”的成因分析

.武平縣氣象局 .長汀縣氣象局 邱光敏羅 荻

一次蒸發“異常”的成因分析

1.武平縣氣象局 2.長汀縣氣象局 邱光敏1羅 荻2

2014年8月29日下午，長汀觀測站15～17時三個時次蒸發量因強對流天氣出現“異常”，當班觀測員認為這是由于下雨造成，故將該三個時次的蒸發量按缺測處理。事后，我們對降水、氣溫、地溫、濕度、氣壓、日照和風速等氣象要素進行綜合分析，認為該三個時次的蒸發量偏大，主要由氣溫下降導致空氣中的飽和水汽壓小于蒸發桶內水面的飽和水汽壓造成，應按正常處理。

蒸發 異常 飽和水汽壓 風速 成因分析

0 引言

根據上級業務部門要求，當小時蒸發量因降水等原因大于0.7mm時，該時次的蒸發量按缺測處理。2014年8月29日下午，長汀觀測站15～17時三個時次的自動站蒸發量因強對流天氣過后出現“異常”，三個時次的蒸發量分別為0.8、1.0、0.8mm，均大于規定缺測的處理值。該三個時次蒸發量與本站月統計值（經統計，除該三個時次外，本月平均時蒸發量為0.13mm，最大時蒸發量為0.6mm）比較，也明顯偏大。當班觀測員認為這是由于降水造成，故將該三個時次的蒸發量按缺測處理，因此造成日蒸發量也缺測。事后我們經過認真分析，發現該三個時次的蒸發量雖然偏大，貌似異常，但仍屬正常。

1 氣象實況

2014年8月29日下午，長汀縣區域上空500hPa受副高控制，低層有弱輻合，長汀觀測站出現了強雷電、短時強降水和大風等強對流天氣。13：14開始出現雷暴；13：29分起開始下陣雨至18時10分，14～18時五個時次降水量分別達13.7、1.0、0.7、0.7和4.8mm，其中從13：41～14：00的20min內降水量達13.5mm，最大分鐘降水量達2.1mm，出現在13：43；強對流天氣出現時，瞬時風速突增、風向突變，13：51瞬時極大風速達16.6m/s（備份站極大風速達22.5m/s，風向為西，也是出現在13：51），風向則由出現瞬時極大風速前的東北風突變為西南風，后又轉為東北風，其他氣象要素也發生了劇烈變化。

如圖1所示，氣溫從當日13：18開始，在50min內下降了10.4℃；相對濕度從13：18開始，在50min內上升了36%（相對濕度增大主要是氣溫下降，飽和水汽壓小了以及空中較冷的雨滴降到熱烘烘的地面后產生蒸發引起的）；氣壓從13：42開始，2h17min降低了2.0hPa；地表溫度（0cm地溫）從13：13開始，在40min內降低了19.7 ℃；5～15cm淺層地溫也有一定程度的降溫，離地面越深，降溫出現的時間越滯后，降溫幅度越小。

圖1 2014年8月29日13～15時氣溫、地表溫度、相對濕度變化

2 蒸發“異常”的成因

表1揭示較強降水出現在當日13～14時內，而14時蒸發量只有0.5mm，說明13～14時的短時強降水對13～14時的蒸發量影響（大雨滴擊打蒸發桶水面造成蒸發桶內水濺出）不大[1]，而15～17時三個時次的降水量不大，僅為1.0、0.7 和0.7mm，且強度不強，最大每分鐘降水量只有0.1 mm（圖2）。

表1 14～18時蒸發、降水、日照時數

圖2 2014年8月29日13～17時逐時分鐘降水量

因此，該三個時次蒸發量偏大并非由短時強降水引起。而該三個時次的日照也僅為0.4、0.0和0.0h，排除了該三個時次蒸發量偏大由強日照引起的可能性。經檢查也未發現動物和人為等其他因素影響和蒸發桶出現破損造成漏水而導致蒸發量偏大的情況，該三個時次蒸發量偏大究竟是如何產生的？

根據馬格努斯經驗公式（1）和道爾頓蒸發公式（2）：

式中E為水面飽和水汽壓；E0為溫度為0℃時飽和水汽壓；t為水面攝氏溫度；

式中，W為水面蒸發速率；（E-e）為空氣的飽和差，其中E為水面溫度下的飽和水汽壓，e為水面上空氣實際水汽壓；P為氣壓；C為與風速有關的比例系數。

由式（1）和式（2）可知，E值隨t的升高而增大。在其他條件相同的情況下，P與W呈反比關系，P越小，W越大；C大時（也即風速大時），W大； W與（E-e）呈正比關系，當P與C一定時，（E-e）越大，則W越大；而當P、C和E三者一定時，e越小，則W越大；P、C和e三者一定時，E越大，則W越大。

2.1 氣象要素變化影響

2.1.1 氣溫變化影響及與地溫溫差

根據氣溫與地溫溫差變化（圖3）分析（雖然桶內水體與氣溫的溫差因水體的熱容量大和亂流作用而比土壤與氣溫的溫差要小，因無水面及水下不同深度處的水溫觀測資料，故利用土壤溫度與氣溫的溫差做為參考分析），受強對流天氣的下沉氣流帶來的高空強冷空氣和短時強降水影響，自13：18開始，氣溫急劇下降，到了13：58，氣溫不但小于地表溫度，同時小于深度為5～40cm的地溫，溫差基本在3～6℃之間，氣溫小于0cm地溫的最大值達到7.3℃，出現在14： 37。當蒸發桶內水面因氣溫下降和降水導致溫度也下降時，因水體的熱容量大（約為土壤熱容量的2倍）、水的導熱率比周邊土壤小[2]和亂流作用等原因，使得水面溫度下降滯后于氣溫，降幅也小于氣溫，因而水面溫度比周邊溫度和氣溫要高。在其他條件相同情況下，當氣溫（t）下降了，相應的空氣中的飽和水汽壓（E'）也小了，而蒸發桶內水面上的飽和水汽壓（E）因水溫變化滯后于氣溫，降幅也小于氣溫，其溫度要高于氣溫，因而水面飽和水汽壓（E）大于空氣的飽和水汽壓（E'），這樣就會產生蒸發。在一定時間內，氣溫降幅越大，溫差越大，水面上的飽和水汽壓（E）與空氣中的飽和水汽壓（E'）的差就越大，蒸發速率就大，蒸發就多[3]。

圖3 2014年8月29日13～17時地溫與氣溫溫差變化

2.1.2 氣壓影響

從當日13～17時水汽壓、本站氣壓變化曲線（圖4）看，自13: 19以后，氣壓由977.4 hPa開始上升，到13: 42上升到了979.2hPa后又開始緩慢下行，到15: 59則降到977.2hPa，后一直在977.2hPa上下小幅度波動。在其他條件相同的情況下，本站氣壓減小，則蒸發速率增大，蒸發就多，但本次氣壓變化不大，因此對蒸發速率的影響不大。

圖4 2014年8月29日13～17時水汽壓、本站氣壓變化

2.1.3 水汽壓影響

當日從13：33以后，空氣中實際水汽壓（e）由28.8 hPa開始減小，13：45減小到21.5hPa， 12分鐘內減小了7.3hPa，后雖有上升，但基本在25～27hPa之間，一直到17時以后（見圖4）。e是空氣中離地面1.5m高度處的實際水汽壓，而不是水面上的實際水汽壓。在其他條件相同的情況下，水汽壓減小，則蒸發速率增大，蒸發就多。

2.1.4 風速影響

當日從13：21起，風速開始加大到3級以上，13：51瞬時極大風速達16.6m/s，到15: 08風速才降到2級以下，維持在1級左右（見圖5）。蒸發量與風速成正比，在一定的風速范圍內，風速越大，蒸發量越大。

圖5 2014年8月29日13～17時二分鐘風速變化

2.2 蒸發桶內的水收縮影響

蒸發桶內的水因受較冷降水和氣溫下降后持續維持的影響，整個桶內的水會出現收縮現象，導致蒸發桶內水面的高度降低，造成蒸發量“偏大”。但相對而言，該蒸發桶內水溫下降幅度不大，水體收縮不多，水面高度降低的幅度小，因此這種影響不大。

3 結論

根據上述分析，雖然29日15～17時三個時次的蒸發量看似偏大，超出了上級業務部門規定的正常范圍，但其屬于自然蒸發，應按正常處理。此所謂的偏大與強降水時大雨滴擊打蒸發桶內水面造成蒸發桶內水濺出而使水位降低是有本質的區別，其偏大主要是氣溫下降導致空氣中的飽和水汽壓小于蒸發桶內水面的飽和水汽壓造成的。上級業務部門規定的是一般情況下的處理，在實際工作中，要具體情況具體分析，不能生搬硬套。當出現蒸發量異常時，應進行認真細致的分析，結合氣壓、氣溫、地溫、水汽壓和風速等變化情況，必要時查看監控探頭，排除動物和人為等其他因素影響，并檢查蒸發桶是否出現破損造成漏水等，進行綜合判斷，不能簡單處理了事，從而保證對記錄進行客觀、實事求是的記載，真實反映當時的蒸發實況，確保氣象數據完整，提高數據可用率。

[1] 韋華紅.影響蒸發量的主要氣象因子及蒸發量觀測異常值成因初探[J].氣象研究與應用，2011，32（增刊Ⅱ）：149-152.

[2] 鄔平生，龔潛江，吳樹立.等.氣象學[M].北京：農業出版社，1979.

[3] 沈冰，黃紅虎. 水文學原理[M].北京：中國水利水電出版社,2008.