宁夏一般气象站蒸发量估算方法研究

武万里， 张瑞兰， 高 燕

(1.中国气象局 旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象服务中心,宁夏 银川 750002； 3.吴忠市气象局,宁夏 吴忠 751100； 4.宁夏气象台,宁夏 银川 750002)

蒸发量既是大气能量平衡的重要组成部分,又是水量平衡的重要组成部分,在全球水循环和气候演变中有举足轻重的作用.蒸发观测是获取观测区域蒸发量最直接、有效的方法，且观测资料在水文、农业、气象、生态、环境、工程设计等方面有重要的应用价值[1].蒸发量观测是宁夏气象台站常规观测项目，始于1971年，全区25个气象台站均有此项观测业务.目前，广泛使用的蒸发仪器有小型蒸发皿与E601B型蒸发器.2001年前，国家基准站和国家基本站均采用小型蒸发皿观测，2002年后改用E601B型蒸发器 (非冰期) 观测.国家一般站一直采用小型蒸发皿观测.中国气象局因观测业务调整，2013年9月起，取消了国家一般气象站的小型蒸发观测，仅保留国家基准站和国家基本站采用E601B型蒸发器 (非冰期) 观测，造成一般气象站后续年代因观测终止造成蒸发数据空缺.而国家基准站和国家基本站对重点区域的蒸发观测能力又不足，这就影响了专业气象服务工作的开展.蒸发的估算方法较多，例如彭曼半经验公式、道尔顿蒸发公式等，但就结果的有效性讲，蒸发皿蒸发观测是获取蒸发量最直接、可靠的方法.文献显示，薛淑琴等基于一元及多元回归方法,对蒸发皿蒸发观测进行估算补缺[2—4];杨司琪等针对折算系数进行研究[5—8].基于宁夏现有的资料，结合文献报道，笔者重点解决2个问题：一是基于小型蒸发皿蒸发观测数据的估算方法；二是小型蒸发皿数据与E601B 型蒸发器(非冰期)数据的折算估算方法.该研究的目的是统一数据，提高蒸发观测资料的可用性，满足专业气象服务需求.

1 资料与方法

宁夏灵武、平罗、韦州等12个国家一般气象站1971—2013年9月小型蒸发皿的月蒸发观测资料及同期气象观测资料;国家基准站和国家基本站1984—2001年小型蒸发皿与E601B型蒸发器同步对比蒸发观测资料.

影响蒸发的气象因子可分为热力因子、动力因子、水汽因子,主要包括气温、辐射、日照时间、相对湿度、水汽压、降雨量、风速等.由于蒸发量受多个因素的影响，需以多个影响因素作为自变量解释因变量的变化(多重回归).

设Y为因变量，x1,x2，…，xk为自变量，当自变量与因变量之间为线性关系时，多元线性回归模型:

Y=b0+b1x1+…+bkxk，

(1)

式中：b0为常数项；b1,b2，…，bk为回归系数.

多元回归法是补缺观测数据最常用的方法.文中选择常见且易于获得的月平均气温、月降雨量、月日照时间、月平均相对湿度、月平均风速5个因子，分站、逐月建立多元回归估算模型.通过DPS统计分析软件，建立12个气象站、1—12月，共计144个多元回归模型.其中，1971—2010年的资料用于建模，2011—2013年的资料用于检验.

小型蒸发皿数据与E601B 型蒸发器(非冰期)数据的折算系数确定，基于全区25个大监测站1971—2001年小型蒸发皿的蒸发观测资料进行蒸发气候分区，依据气候相似理论、国家基准站和国家基本站1984—2001年小型蒸发皿与E601B型蒸发器同步对比蒸发观测资料，分区确立非冰期(4—9月)基本折算系数动态订正系数，进而建立国家一般气象站基于E601B 型蒸发量(非冰期)观测标准的数据集，以满足业务服务需求.

2 蒸发量多元回归估算模型的建立

2.1 蒸发估算模型的因子分析

气象因子中, 月平均气温、月日照时间属于热力因子项,与月蒸发量呈正相关;月降雨量、月平均相对湿度属于水汽因子项,与月蒸发量呈负相关;月平均风速属于动力因子项, 与月蒸发量也呈正相关.以韦州气象站1981—2009年6月为例进行详细分析：韦州站的蒸发量平均值为356.6 mm，最大值为498.1 mm，最小值为265.3 mm，其温度、降雨量、日照时间、相对湿度、平均风速的月平均值分别为21.3 ℃、34.9 mm、277.7 h、45.4%、3.2 m/s.分析上述因子与月蒸发量的关系(图1～图4)，发现月平均气温、月日照时间与月蒸发量呈正相关，月平均气温每升高1 ℃,月蒸发量增加60 mm,月日照时间每增加1 h, 月蒸发量增加2.3 mm ，反之亦然.月降雨量、月相对湿度与月蒸发量呈负相关，月降水量每增加1 mm, 月蒸发量减少3.6 mm，月相对湿度每增加1%，月蒸发量减少8.3 mm，反之亦然.统计发现，月平均风速与月蒸发量的相关关系不理想，可能是由于风速观测设备经历了3次换型，观测值本身存在着显著的系统误差.因此对于1995—2005年的月风速值进行减1的处理.

图1 韦州站月蒸发量与月平均气温的相关分析

图2 韦州站月蒸发量与月降雨量的相关分析

图3 韦州站月蒸发量与月日照时间的相关分析

图4 韦州站月蒸发量与月平均相对湿度的相关分析

2.2 蒸发估算多元回归模型的建立

通过DPS统计分析软件，选择常见且易于获得的月平均气温、月降雨量、月日照时间、月平均相对湿度、月平均风速5个因子，建立12个气象站、1—12月共计144个多元回归模型.韦州站6月份的多元回归估算模型：

Y=-85.861 55+0.184 0x1-2.039 45x2+

24.461 6x3-0.536 0x4-5.773 0x5，

式中：x1为月平均气温；x2为月降雨量；x3为月日照时间；x4为月平均相对湿度；x5为月平均风速.

该模型的决定系数为0.94(P<0.01),回归关系显著(图5).

图5 韦州站多元回归模型的拟合结果

综合分析宁夏12个国家一般气象站1—12月的多元回归估算模型，决定系数R2=0.62～0.96，冬季好于夏季.表1为灵武、韦州、泾源站1—12月的多元回归估算模型的决定系数R2，从表1中可以看出，回归关系显著(P<0.05).

表1 回归模型决定系数(R2)

2.3 蒸发估算模型的检验分析

为进一步验证估算模型的有效性，选取宁夏灵武、韦州、泾源等国家一般气象站2011年1月至2013年9月小型蒸发皿的月蒸发观测资料及同期气象资料进行分析.结果表明,各站各月估算值与观测值的总体平均相对误差为5%～11%(图6～图8),表明该方法可行可靠.

图6 灵武站月蒸发量估算模型的检验结果

图7 韦州站月蒸发量估算模型的检验结果

图8 泾源站月蒸发量估算模型的检验结果

3 一般气象站折算系数的确定

3.1 宁夏蒸发量区域特征分析

统计全区25个气象站1971—2001年小型蒸发皿的蒸发观测资料，发现全区各站年蒸发量为1 101.6～2 511.4 mm，可分5个蒸发气候分区(图9).

图9 宁夏蒸发气候分区

Ⅰ区：年蒸发量小于1 500 mm，位于宁夏的南部六盘山阴湿区.

Ⅱ区：年蒸发量为1 500～1 750 mm，位于宁夏固原市的北部及银川平原的中部核心区域.

Ⅲ区：年蒸发量为1 750～2 000 mm，位于银川平原的周边、卫宁平原及固原北部的过渡带.

Ⅳ区：年蒸发量为 2 000～2 250 mm，位于宁夏中部的干旱带大部及银川平原的北部干旱区域.

Ⅴ区：年蒸发量大于2 250 mm，位于宁夏的中部干旱带极度干旱区域和宁夏平原的北部极度干旱区域.

从蒸发量分区看，分区结果与宁夏的自然状况、水热分布基本一致.

3.2 区域折算系数的确定

蒸发量折算系数(K)可定义为 E601B 所测的蒸发量与小型蒸发器所测蒸发量的比值.受地区、季节等的影响，不同气象站点的各月折算系数不尽相同(0.50～0.80).蒸发量折算系数与小型蒸发皿的蒸发量距平呈负相关.具体年份的折算系数分为基本折算系数Ki,p和订正折算系数Ki,d，其折算系数Ki的计算方法：

Ki=Ki,p+Ki,d.

基本折算系数的确定,依据气候相似理论、国家基本站1984—2001年小型蒸发皿与E601B型蒸发器同步对比蒸发观测资料，进行分区并求平均值，确立各分区非冰期的基本折算系数(表2).

表2 分区基本折算系数(Ki,p)统计

订正折算系数的确定，依据1984—2001年小型蒸发皿与E601B型蒸发器同步对比蒸发观测资料、气候相似理论，统计分析蒸发距平与折算系数的关系，分区确立非冰期(4—9月)的动态订正系数(表3).具体应用时，统计一般气象站具体年份的蒸发距平，并根据表3确定订正折算系数Ki,d

表3 分区动态折算系数(Ki,d)统计

3.3 折算系数的检验

由于国家一般站未开展E601B 型蒸发器(非冰期)的观测及同步对比观测，其折算系数无法直接检验.抽取宁夏中宁、西吉2个国家站1998—2001年同步对比观测资料，按文中分区折算系数法进行检验.结果表明，该方法比传统折算系数法的折算效果好,同时，也反映出不同年份天气因素对折算系数的影响.

4 结论与讨论

1)基于宁夏12个国家一般气象站1971—2013年9月小型蒸发皿的月蒸发观测资料,同期气温、降水、日照时间、相对湿度、风速的月气象观测资料，建立逐站、逐月蒸发量的多元回归估算模型，弥补一般气象站后续年代蒸发数据的空缺.结果表明，估算值与观测值的平均相对误差为5%～11%，总体效果好，该方法可行.

2)月平均气温、月日照时间与月蒸发量呈正相关，月平均气温每升高 1℃,月蒸发量增加60 mm,月日照时间每增加1 h, 月蒸发量增加2.3 mm.月降雨量、月相对湿度与月蒸发量呈负相关，月降水量每增加1 mm,月蒸发量减少3.6 mm，月相对湿度每增加1%，月蒸发量减少8.3 mm.

3)基于全区25个监测站1971—2001年小型蒸发皿的蒸发观测资料进行蒸发气候分区.依据气候相似理论，分区确立基本折算系数和动态折算订正系数，进而建立基于E601B 型蒸发量(非冰期)观测的标准数据集，可应用于实际工作中.

4)蒸发量与气象要素之间为显著的非线性关系，关系较为复杂，而多元回归估算法只是简便、快速的方法.另外，由于数据系列较长，在建模时应对气象站点的历史沿革、对所使用的仪器进行分析与质控，从而提高模型的实用性.