新疆塔额盆地各气象要素对水面蒸发影响的敏感性分析

魏光辉，马亮

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

新疆塔额盆地各气象要素对水面蒸发影响的敏感性分析

魏光辉，马亮*

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

水面蒸发敏感因素的判断,对于干旱区水资源的规划与利用具有重要指导意义。文章以新疆塔额盆地内的塔城市气象站1981—2010年资料为例,采用敏感系数法对研究区多年月均水面蒸发影响因素进行敏感性分析,并与关联分析法分析的结果对比。结果表明:在塔额盆地内,温度与水汽压二因素对水面蒸发影响最为敏感；基于敏感系数法的敏感因素研究结果与关联分析的结果基本一致,尤其在主要影响因子的判定上。

水面蒸发；敏感因素；敏感系数；关联分析；塔额盆地

陆面蒸散发是陆面水循环与水量平衡计算的重要组成部分，也是地球水循环系统中最活跃的因素之一[1]。一般而言，陆面蒸散发过程与植物生理过程、土壤环境及微气象条件密切相关。陆面蒸散量的调整和变化是干旱和沙尘暴等气象灾害发生和发展的主导因素之一[2]，其对作物需水量的计算、农田灌溉管理和区域水量平衡计算等也有重要影响[3，4]。

目前，国内外对蒸散发的计算问题做了大量研究[5]，如利用彭曼法、蒸发皿观测法、涡动观测法、蒸渗计观测法及卫星遥感法来测量或估算陆面蒸散量。与此同时，对于干旱区影响水面蒸发的敏感因素研究则很少。由于陆面蒸散发对农田灌溉管理、作物需水量估算以及资料稀缺地区的水量平衡计算有着重要影响，故分析其对气象因素的敏感性有助于当地的农业水资源优化配置和气候变化对水资源的影响研究。

国内外关于系统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]、偏相关系数法[8]、偏导数法[9]等，上述这些方法不仅要求大样本，而且要求样本具有典型的概率分布，在实际中很难实现。鉴于此，本文以新疆塔额盆地内的塔城市1981—2010年多年月均水面蒸发观测数据为例，以气象因素（温度、风速、相对湿度与日照时数等因素）为研究对象，将其引入到敏感系数法中，分析各气象因素对水面蒸发的敏感性，并采用关联分析法对影响因素进行排序，最后将两种模型所得结果进行相互比较验证，得到了一些有价值的结果。

1 系统敏感性分析方法

1.1 敏感系数法

在蒸发[10]以及水文学[11]、生态学[12]的研究中，学者根据不同目的定义了多种敏感系数。一种简单可行的方法是，把因变量变化与自变量变化的比值绘成曲线来描述敏感系数的特征，即敏感曲线[13，14]。对于多变量模型来说，由于各自变量的维数和取值范围不同，很难通过偏导数比较敏感性，这里将偏导数转化成无维的形式[15]：

式中：SVi

表示敏感系数，无量纲；Vi表示第i个自变量（气象因子）；E表示因变量，本文中为水面蒸发量。敏感系数为正值，表明蒸发量随着气候变量的增加而增加，反之亦然；其绝对值越大则气候变量对蒸发量的影响越大，反之越小。敏感系数表现在图形上就是敏感曲线的原点切线，所以，原点处一定线性范围内的敏感系数足够精确，可以代替敏感曲线的斜率。这一范围的大小取决于曲线的非线性，曲线为线性，则敏感系数可以描述气候变量扰动引起的蒸发量变化；曲线呈明显非线性，则敏感系数应用局限于较小的气候变量扰动[9]。

1.2 关联分析法

灰色理论[16]是邓聚龙教授在20世纪80年代提出的。关联分析是灰色理论的一个重要组成，其基本思想是一种相对性的排序分析[16]，通常通过对原始数据采用标准化的方法来进行变换，计算关联系数和关联度。

设参考数列为X0（k），比较数列为Xi（k），i=1，2，3，…，m，序列长度为N。

关联系数为：

2 模型应用

本文以新疆塔城市气象站1981—2010年多年月平均气象资料为例，分别采用敏感系数法与关联分析法对研究区水面蒸发敏感因素（本文所指敏感因素主要指气象因素，下同）进行分析。选取月均气温（x1，℃）、月均相对湿度（x2，%）、月均水汽压（x3，hPa）、月均日照时数（x4，h）与月均风速（x5，m/s）这5种气象因素为影响因素，月均水面蒸发量（E601蒸发器）为评价对象。考虑到塔城市水面蒸发资料在1981—1984年期间为小型蒸发器观测（φ20蒸发器），1985—2001年非结冰期（4—9月）采用大型蒸发器（E601蒸发器）、小型蒸发器（φ20蒸发器）同时对比观测，2002年起，非结冰期（4—9月）采用E601蒸发器，而10月至次年3月为φ20蒸发器。因此，本文将小型蒸发器（φ20蒸发器）观测数据统一折算为大型蒸发器（E601蒸发器）观测数据。

塔城市气象站多年平均各气象要素统计值见表1。

表1 塔城市多年平均气象要素统计

2.1 研究区概况

塔城市位于新疆西北部，塔额盆地西北部，塔尔巴哈台山南麓。东邻额敏县，南连裕民县，北部、西部与哈萨克斯坦接壤。地势北高南低，由东北向西南倾斜。塔尔巴哈台山横亘于北，巴克图山纵贯于西，额敏河自东向西横贯于南。地形分为北部山地，中部丘陵、洪积扇平原，中部洪积扇扇缘平原和南部冲积扇平原。喀浪古尔河、阿不都拉河、锡伯图河、乌拉斯台河由北向南纵贯市境，注入额敏河后由东向西出境。塔城市属中温带大陆性干旱气候，冬季漫长寒冷，夏季短促炎热，春季气温回升快，秋季降温迅速，多年平均气温6.2℃，极端最高气温41.3℃，极端最低气温-39.2℃。多年平均降水量291 mm，多年平均蒸发量986.3 mm（E601蒸发器），日照时数2 915.1 h，气候相对较湿润，且冬季多雪，无霜期160 d左右。

塔城市气象站地理坐标为46°44＇N，83°00＇E，观测场海拔高程为536.6 m。该气象站于1953年建站至今，未发生搬迁变化，气象站拥有近60年的基础资料，气象资料的可靠性、一致性及代表性都是可信的。

2.2 敏感系数法计算过程

2.2.1 水面蒸发与各气象因素的相关性分析

根据表1数据，利用SPSS13软件计算水面蒸发与各气象因素的相关性，计算结果见表2。除风速因素外，其余各气象因素与水面蒸发的相关性均达到了极显著水平，且除影响因子x2（相对湿度）外，其余因子均为正指标，这表明随着月均气温、月均水汽压与月均日照时数的升高（或增加），水面蒸发量会增大；随着月均相对湿度的降低，水面蒸发量也会增加。

表2 水面蒸发影响因素相关性分析

2.2.2 敏感系数的计算及排序

敏感系数计算过程中的偏导数计算通过Matlab软件中的symbolic calculation命令实现，其他运算通过numerical calculation命令实现。

经计算得到各影响因素的敏感系数及排序（表3）。

表3 敏感系数的计算及排序

由敏感系数绝对值的大小可以判定，水面蒸发影响因素的敏感性排序为：x1＞x3＞x4＞x5＞x2。同时，也可以看出敏感系数的正负性与相关系数的正负性是一致的。

2.3 关联分析法计算过程

根据关联分析的计算步骤，首先将塔城市多年平均气象统计数据（即表1中数据）进行标准化处理，之后根据式（2），求得各气象因素的关联系数。对关联系数求平均值即得到关联度及影响因子排序（表4）。

表4 关联度计算及排序

由表4中计算的关联度可知，各影响因子对水面蒸发的关联度由大到小排序为：x1＞x3＞x4＞x5＞x2。

根据关联分析法的计算结果可知，它与采用敏感系数法的计算结果完全一致。这充分说明了敏感系数法在水面蒸发敏感因素判断上的可行性，也从另一个角度验证了关联分析法的正确性，大大提高了系统分析的准确度与可靠度。

3 讨论

本文将敏感系数法与关联分析法用于水面蒸发影响因素敏感性分析，得到了一些有价值的研究结果，但还需要对以下2个问题进行讨论：

（1）就水面蒸发影响因素的敏感性而言，文献[1]研究结果为“在塔里木河干流下游，在冰期与非冰期两种情况下，水面蒸发均表现为对温度与风速二因素最为敏感”；文献[2]研究结果为“在塔里木盆地北缘（尉犁县），日均风速、日均温度和日均水汽压是影响水面蒸发量的主要敏感因素”；本文研究结果为“在塔额盆地内，水面蒸发表现为对温度与水汽压这2因素最为敏感”。这三者结论之间存在一定的共同性，即温度均是影响研究区水面蒸发的主要敏感因素。此外，在新疆南疆地区，风速也表现为是影响水面蒸发的主要敏感因素（文献[1]与文献[2]研究结论一致）。那么，造成南北疆水面蒸发影响因素的差异原因是什么呢？是由于环境气候原因（文献[1]、[2]中研究区属于干旱区，本研究中塔额盆地为半干旱区）、蒸发观测场微气象条件差异，还是上述原因的叠加效果呢?这均需要在以后的研究中进行深入分析。

（2）由于非结冰期（4—9月）与结冰期（10月—次年3月）水面蒸发机理不同，本文在计算水面蒸发影响因素敏感性时，是将12个月的数据作为一个系统统一考虑的，没有进行分类分析，这可能会导致分析结果在不同时期（冰期与非冰期）的适用性方面存在一定局限性。

4 结论

（1）基于敏感系数法与关联分析法的水面蒸发敏感因素分析结果表明：水面蒸发均表现为对温度与水汽压这2因素最为敏感。

（2）敏感系数法分析结果与关联分析法的分析结果基本一致，尤其在主要敏感因素的判别上更是完全一致，这充分说明将上述两种方法应用于水面蒸发敏感性分析中是可行的。同时，该方法也为类似问题的解决提供了一种数学思路。

（3）本文得出研究区水面蒸发主要敏感因素为温度与水汽压这2种因素。在今后该区域的水资源优化配置中（如平原水库的建设与调度），应当充分考虑这2种气象因素对水资源配置的影响，合理优化水资源调度方案。

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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

新疆水利水电工程重点学科基金资助（XJSLGCIDXK20101202）。

魏光辉（1981-），男，高级工程师，主要从事干旱区水资源利用与环境保护研究。E-mail：xndwgh@sina.com

马亮（1980-），男，副教授，主要从事干旱区农业水资源利用研究。

魏光辉，马亮.新疆塔额盆地各气象要素对水面蒸发影响的敏感性分析[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（5）：44-47.