基于年尺度的新疆车尔臣河流域各气象要素对水面蒸发影响分析

邓丽娟，姜卉芳

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052;2.新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐830049)

蒸散发是水文循环中自降水到达地面后由液态或固态转化为水汽返回大气的阶段。陆地上一年的降水约66%通过蒸散发返回大气，由此可见蒸散发是水文循环的重要环节。干旱地区远离海洋、降水稀少、蒸发强烈，水面蒸发是地表水体如河流、湖泊、水库等水量损失的主要组成部分，因此水面蒸发在干旱区地表水体和水资源利用研究中占有显著的地位，也是研究土壤蒸发和潜水蒸发的基础［1］。

在水面蒸发中，许多因素及其内部之间的相互关系非常复杂。对于水面蒸发系统来说，系统的结构、系统的作用原理、系统因素及因素之间的关系往往是很不明确和很不清楚的，这样就不利于人们对其分析和进行正确有效的决策。揭示水面蒸发各要素间相互关系密切程度的传统方法主要是统计分析，如相关分析、回归分析和主成分分析。统计分析方法不仅需要大量的数据，而且还要求样本服从典型的概率分布，但是水面蒸发与各影响因素之间的关系较为复杂，具有很强的模糊性和灰色性，并不具备样本服从典型概率分布的条件，而且数据搜集也比较困难。灰色系统理论中的关联度分析克服了统计分析的缺陷，对样本量的大小没有太高要求，也不需要样本服从典型的概率分布，所以用灰色关联度来分析事物之间的相互关系，更具有广泛性和科学性［2］。

1 影响水面蒸发的主要因素

1.1 温度

温度在水面蒸发过程中太阳辐射是水汽化的主要能量，并通过气温和水温的增高来影响水面蒸发。气温决定着水汽扩散的快慢和接纳水汽多少的能力，大气温度的层结直接影响着湿度梯度，进而影响水面蒸发。气温高时，水面上的饱和水汽压大，饱和差大，易于蒸发。水面温度决定着水面水汽压的大小及水分子的活跃程度，水面温度高，水分子运动能量大，水面蒸发速率大。［3］

1.2 饱和水汽压差

饱和水汽压差是水面饱和水汽压与水面上某一高度空气中的水汽压之差。水面饱和水汽压是水面温度的函数，空气中的水汽压是气温和相对湿度的函数。因此，水温和气温对水面蒸发速率的影响，可以从饱和水汽压力差中得到反映。饱和水汽压差反映了蒸发面上的湿度和蒸发面上一定高度内的湿度梯度，是影响水面蒸发速率的主要因素之一。根据扩散理论，蒸发率与饱和水汽压差成正比变化，饱和水汽压差愈大，蒸发作用愈强，反之愈小。

1.3 空气饱和差

空气饱和差反映了蒸发水面以上空气中的湿度状况，但没有反映蒸发水面上的湿度大小。水面蒸发速率与空气饱和差成正比关系，空气饱和差愈大，蒸发作用愈强，反之愈小。

1.4 相对湿度

相对湿度是空气中的实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压的比值，它反映空气距饱和状态远近的程度。一般来说，水面的湿度大(接近饱和)，其上空及外围湿度小，存在着湿度差。因此，相对湿度的大小可以反映水面上的水汽向外扩散和交换的快慢。当相对湿度大时，水汽向外扩散和交换得慢，水面蒸发速率小;当相对湿度小时，水汽向外扩散和交换的快，水面蒸发速率大。

1.5 风速

风速的大小，表现在它对紊流扩散作用的强弱和干湿空气交换的快慢上，是影响水面蒸发速率的主要因素之一。无风时，水面上的水汽主要靠分子扩散，水汽压减少得慢，饱和差小，因而水面蒸发缓慢。有风时，湍流加强，水面上的水汽随风和湍流迅速扩散到广大的空间，水面上的水汽压很快减小，饱和差变大，水面蒸发加快。风速愈大，紊动愈强烈，干湿空气交换得越快，故水面蒸发也越大。

2 灰色关联方法介绍［4-6］

灰色关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。曲线越接近，相应序列之间关联度就越大，反之就越小。

设有一母因素数列，记作 X0=(X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n))，同时有一系列子因素数列，依次记作 X1，X2，X3，…，Xm。

由于关联度是两个序列关联性大小的度量。根据这一理论，其计算方法与步骤叙述如下:

2.1 数值的标准化处理

由于在实际应用中，常常会遇到数据的量纲和绝对值的大小不一样的情况，因此需要对原始数据采用标准化的方法来进行变换，经过变换后的原始数据列变为:

式中:i=1，2，3，……，n;k=1，2，3，……，n，X(k)为原始数据;Xi为该要素的平均值;Si为该要素的标准差;Xi(k)为标准化处理结果。

2.2 关联系数和关联度的计算

对于Xi对X0在k点的关联系数可以用来表示，的表达式为:

结合当前我国多地水利设施的建设以及使用情况来看，堤坝的渗水情况普遍存在，并且没有得到有效治理。堤坝的渗水严重影响了水利设施的正常使用，因此，堤坝防渗加固施工就非常的重要，但是要想获得良好的施工效果，必须要先了解堤坝渗水的具体原因以及类型，才能够有针对性地选择合适的施工方案，进行堤坝渗水加固的施工，本文就几类具体的堤坝渗水情况进行详细分析。

因为每一列的数据都有n个，所以计算出来的关联系数也有n个，这样信息就过于分散。如果把各点的关联系数取平均值，就可把各点关联系数集中为一个值，即为关联度。子因素数列的关联度大小代表了与母因素数列的关系密切情况，若大，则代表关系密切，从而该因素的影响就大。

3 各气象要素对水面蒸发量影响程度的关联分析

本文以新疆车尔臣河流域且末县气象站1956至2008年多年水面蒸发量(φ20小型蒸发皿)观测资料为基础，按照灰色关联度分析法，对水面蒸发量及其影响因素进行分析。设年水面蒸发量(φ20蒸发皿)为参考数列X0，年均气压、年均温度、年均水汽压、年均相对湿度、年均总云量、年均风速与年日照时数与分别为 X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7，各因素的年统计值由于篇幅所限，在此未列出。

3.1 研究区概况

车尔臣河发源于昆仑山北坡的木孜塔格峰，全长813 km，年径流量为6.8亿 m3，是巴州南部最大的河流。车尔臣河流域位于东经 83°30'～ 85°15'，北纬 36°30'～ 39°15'，南起昆仑山和阿尔金山山脉，北至塔克拉玛干沙漠与尉犁相望，西临且末县的喀拉米兰河流域，东北部在若羌县境内与塔里木河流域相连。流域地势从南向北依次分为:南部阿尔金-昆仑山区与山前平原地区、中部平原区、北部塔克拉玛干沙漠区。流域上游山区气温较低、降水相对较多，中下游地区由于受高山阻挡，暖湿气流难以到达，加之受北部沙漠下垫面和东北方向蒙古高压气团的影响，降水稀少，平均年降雨量仅18.6 mm，而蒸发量高达2 507 mm，蒸降比高达70，形成典型的干旱荒漠大陆性气候。

3.2 灰色关联分析

3.2.1 原始数列进行数据变换

将53年来的各气象数据根据公式(1)进行标准化处理。其中:X(k)为原始数据;Xi为同一气象要素的平均值;Si为同一气象要素的标准差;Xi(k)为标准化处理结果。

3.2.2 蒸发量(X0)和各气象要素(Xi)的绝对差值

3.2.3 关联系数的计算

3.2.4 关联度的计算

按照关联度公式，利用关联度计算模型可以得到车尔臣河流域近53年来各气象要素与水面蒸发量的关联度，结果 见表1。

表1 近53年蒸发量与各气象要素的关联度及排序

由表1可知，近53年来，影响研究区水面蒸发的主要气象因素为风速与日照时数两因素(取关联度大于0.82)。研究区该时期各气象要素影响排序为:日照时数＞风速＞气压＞气温＞总云量＞相对湿度＞水汽压。

4 结语

根据表1的计算结果，由于 0.821 9＞0.821 1＞0.803 2＞0.768 9＞0.744 6＞0.741 0＞0.735 7，可得出灰色关联度的排序为:X7＞X6＞X1＞X2＞X5＞X4＞X3。从此排序中可以看出，X7是与X0关系最为密切的因素，与X0的发展趋势最为接近，对X0的影响最大，而X3对X0的影响最弱，与X0的关系最不密切。

由灰色关联分析可以看出，本文利用灰色关联度分析法，把蒸发量和主要蒸发量构成因素(即相关气象要素)作为一个灰色系统进行分析，能够真实的反映各气象要素与蒸发量之间的关系。结果发现蒸发量主要构成因素中日照时数对蒸发量的影响最大，其次是风速、气压、气温、总云量、相对湿度，水汽压与蒸发量的关联度最小。因此，从气象因素的角度出发，在干旱半干旱区大中型平原水库的规划设计以及优化调度中，应当充分考虑日照时数与风速因素对水库水面蒸发的影响，合理规划、调度，减少水量损失。

［1］周金龙，姚斐.天山北坡平原区水面蒸发的实验研究［J］.干旱区研究.1999，16(1):41-43.

［2］邓聚龙.灰色系统基础方法［M］.武汉:华中理工大学出版社.1987.

［3］胡顺军，郭谨，王举林，等.塔里木盆地水面蒸发量的实验研究［J］.干旱区地理.2004，27(2):212-215.

［4］邓聚龙.灰色预测与决策［M］.武汉:华中工学院出版社.1985.

［5］刘法贵，张愿章，李湘露.灰色数学及其应用［M］.开封:河南大学出版社.2002.

［6］田民，刘思峰，卜志坤.灰色关联度算法模型的研究综述［J］.统计与决策.2008(1):24-27.