新疆塔額盆地各氣象要素對水面蒸發(fā)影響的敏感性分析

魏光輝，馬亮

（新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

新疆塔額盆地各氣象要素對水面蒸發(fā)影響的敏感性分析

魏光輝，馬亮*

（新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

水面蒸發(fā)敏感因素的判斷,對于干旱區(qū)水資源的規(guī)劃與利用具有重要指導意義。文章以新疆塔額盆地內(nèi)的塔城市氣象站1981—2010年資料為例,采用敏感系數(shù)法對研究區(qū)多年月均水面蒸發(fā)影響因素進行敏感性分析,并與關聯(lián)分析法分析的結果對比。結果表明:在塔額盆地內(nèi),溫度與水汽壓二因素對水面蒸發(fā)影響最為敏感；基于敏感系數(shù)法的敏感因素研究結果與關聯(lián)分析的結果基本一致,尤其在主要影響因子的判定上。

水面蒸發(fā)；敏感因素；敏感系數(shù)；關聯(lián)分析；塔額盆地

陸面蒸散發(fā)是陸面水循環(huán)與水量平衡計算的重要組成部分，也是地球水循環(huán)系統(tǒng)中最活躍的因素之一[1]。一般而言，陸面蒸散發(fā)過程與植物生理過程、土壤環(huán)境及微氣象條件密切相關。陸面蒸散量的調(diào)整和變化是干旱和沙塵暴等氣象災害發(fā)生和發(fā)展的主導因素之一[2]，其對作物需水量的計算、農(nóng)田灌溉管理和區(qū)域水量平衡計算等也有重要影響[3，4]。

目前，國內(nèi)外對蒸散發(fā)的計算問題做了大量研究[5]，如利用彭曼法、蒸發(fā)皿觀測法、渦動觀測法、蒸滲計觀測法及衛(wèi)星遙感法來測量或估算陸面蒸散量。與此同時，對于干旱區(qū)影響水面蒸發(fā)的敏感因素研究則很少。由于陸面蒸散發(fā)對農(nóng)田灌溉管理、作物需水量估算以及資料稀缺地區(qū)的水量平衡計算有著重要影響，故分析其對氣象因素的敏感性有助于當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置和氣候變化對水資源的影響研究。

國內(nèi)外關于系統(tǒng)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]、偏相關系數(shù)法[8]、偏導數(shù)法[9]等，上述這些方法不僅要求大樣本，而且要求樣本具有典型的概率分布，在實際中很難實現(xiàn)。鑒于此，本文以新疆塔額盆地內(nèi)的塔城市1981—2010年多年月均水面蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)為例，以氣象因素（溫度、風速、相對濕度與日照時數(shù)等因素）為研究對象，將其引入到敏感系數(shù)法中，分析各氣象因素對水面蒸發(fā)的敏感性，并采用關聯(lián)分析法對影響因素進行排序，最后將兩種模型所得結果進行相互比較驗證，得到了一些有價值的結果。

1 系統(tǒng)敏感性分析方法

1.1 敏感系數(shù)法

在蒸發(fā)[10]以及水文學[11]、生態(tài)學[12]的研究中，學者根據(jù)不同目的定義了多種敏感系數(shù)。一種簡單可行的方法是，把因變量變化與自變量變化的比值繪成曲線來描述敏感系數(shù)的特征，即敏感曲線[13，14]。對于多變量模型來說，由于各自變量的維數(shù)和取值范圍不同，很難通過偏導數(shù)比較敏感性，這里將偏導數(shù)轉(zhuǎn)化成無維的形式[15]：

式中：SVi

表示敏感系數(shù)，無量綱；Vi表示第i個自變量（氣象因子）；E表示因變量，本文中為水面蒸發(fā)量。敏感系數(shù)為正值，表明蒸發(fā)量隨著氣候變量的增加而增加，反之亦然；其絕對值越大則氣候變量對蒸發(fā)量的影響越大，反之越小。敏感系數(shù)表現(xiàn)在圖形上就是敏感曲線的原點切線，所以，原點處一定線性范圍內(nèi)的敏感系數(shù)足夠精確，可以代替敏感曲線的斜率。這一范圍的大小取決于曲線的非線性，曲線為線性，則敏感系數(shù)可以描述氣候變量擾動引起的蒸發(fā)量變化；曲線呈明顯非線性，則敏感系數(shù)應用局限于較小的氣候變量擾動[9]。

1.2 關聯(lián)分析法

灰色理論[16]是鄧聚龍教授在20世紀80年代提出的。關聯(lián)分析是灰色理論的一個重要組成，其基本思想是一種相對性的排序分析[16]，通常通過對原始數(shù)據(jù)采用標準化的方法來進行變換，計算關聯(lián)系數(shù)和關聯(lián)度。

設參考數(shù)列為X0（k），比較數(shù)列為Xi（k），i=1，2，3，…，m，序列長度為N。

關聯(lián)系數(shù)為：

2 模型應用

本文以新疆塔城市氣象站1981—2010年多年月平均氣象資料為例，分別采用敏感系數(shù)法與關聯(lián)分析法對研究區(qū)水面蒸發(fā)敏感因素（本文所指敏感因素主要指氣象因素，下同）進行分析。選取月均氣溫（x1，℃）、月均相對濕度（x2，%）、月均水汽壓（x3，hPa）、月均日照時數(shù)（x4，h）與月均風速（x5，m/s）這5種氣象因素為影響因素，月均水面蒸發(fā)量（E601蒸發(fā)器）為評價對象?？紤]到塔城市水面蒸發(fā)資料在1981—1984年期間為小型蒸發(fā)器觀測（φ20蒸發(fā)器），1985—2001年非結冰期（4—9月）采用大型蒸發(fā)器（E601蒸發(fā)器）、小型蒸發(fā)器（φ20蒸發(fā)器）同時對比觀測，2002年起，非結冰期（4—9月）采用E601蒸發(fā)器，而10月至次年3月為φ20蒸發(fā)器。因此，本文將小型蒸發(fā)器（φ20蒸發(fā)器）觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一折算為大型蒸發(fā)器（E601蒸發(fā)器）觀測數(shù)據(jù)。

塔城市氣象站多年平均各氣象要素統(tǒng)計值見表1。

表1 塔城市多年平均氣象要素統(tǒng)計

2.1 研究區(qū)概況

塔城市位于新疆西北部，塔額盆地西北部，塔爾巴哈臺山南麓。東鄰額敏縣，南連裕民縣，北部、西部與哈薩克斯坦接壤。地勢北高南低，由東北向西南傾斜。塔爾巴哈臺山橫亙于北，巴克圖山縱貫于西，額敏河自東向西橫貫于南。地形分為北部山地，中部丘陵、洪積扇平原，中部洪積扇扇緣平原和南部沖積扇平原?？斯艩柡?、阿不都拉河、錫伯圖河、烏拉斯臺河由北向南縱貫市境，注入額敏河后由東向西出境。塔城市屬中溫帶大陸性干旱氣候，冬季漫長寒冷，夏季短促炎熱，春季氣溫回升快，秋季降溫迅速，多年平均氣溫6.2℃，極端最高氣溫41.3℃，極端最低氣溫-39.2℃。多年平均降水量291 mm，多年平均蒸發(fā)量986.3 mm（E601蒸發(fā)器），日照時數(shù)2 915.1 h，氣候相對較濕潤，且冬季多雪，無霜期160 d左右。

塔城市氣象站地理坐標為46°44＇N，83°00＇E，觀測場海拔高程為536.6 m。該氣象站于1953年建站至今，未發(fā)生搬遷變化，氣象站擁有近60年的基礎資料，氣象資料的可靠性、一致性及代表性都是可信的。

2.2 敏感系數(shù)法計算過程

2.2.1 水面蒸發(fā)與各氣象因素的相關性分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用SPSS13軟件計算水面蒸發(fā)與各氣象因素的相關性，計算結果見表2。除風速因素外，其余各氣象因素與水面蒸發(fā)的相關性均達到了極顯著水平，且除影響因子x2（相對濕度）外，其余因子均為正指標，這表明隨著月均氣溫、月均水汽壓與月均日照時數(shù)的升高（或增加），水面蒸發(fā)量會增大；隨著月均相對濕度的降低，水面蒸發(fā)量也會增加。

表2 水面蒸發(fā)影響因素相關性分析

2.2.2 敏感系數(shù)的計算及排序

敏感系數(shù)計算過程中的偏導數(shù)計算通過Matlab軟件中的symbolic calculation命令實現(xiàn)，其他運算通過numerical calculation命令實現(xiàn)。

經(jīng)計算得到各影響因素的敏感系數(shù)及排序（表3）。

表3 敏感系數(shù)的計算及排序

由敏感系數(shù)絕對值的大小可以判定，水面蒸發(fā)影響因素的敏感性排序為：x1＞x3＞x4＞x5＞x2。同時，也可以看出敏感系數(shù)的正負性與相關系數(shù)的正負性是一致的。

2.3 關聯(lián)分析法計算過程

根據(jù)關聯(lián)分析的計算步驟，首先將塔城市多年平均氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)（即表1中數(shù)據(jù)）進行標準化處理，之后根據(jù)式（2），求得各氣象因素的關聯(lián)系數(shù)。對關聯(lián)系數(shù)求平均值即得到關聯(lián)度及影響因子排序（表4）。

表4 關聯(lián)度計算及排序

由表4中計算的關聯(lián)度可知，各影響因子對水面蒸發(fā)的關聯(lián)度由大到小排序為：x1＞x3＞x4＞x5＞x2。

根據(jù)關聯(lián)分析法的計算結果可知，它與采用敏感系數(shù)法的計算結果完全一致。這充分說明了敏感系數(shù)法在水面蒸發(fā)敏感因素判斷上的可行性，也從另一個角度驗證了關聯(lián)分析法的正確性，大大提高了系統(tǒng)分析的準確度與可靠度。

3 討論

本文將敏感系數(shù)法與關聯(lián)分析法用于水面蒸發(fā)影響因素敏感性分析，得到了一些有價值的研究結果，但還需要對以下2個問題進行討論：

（1）就水面蒸發(fā)影響因素的敏感性而言，文獻[1]研究結果為“在塔里木河干流下游，在冰期與非冰期兩種情況下，水面蒸發(fā)均表現(xiàn)為對溫度與風速二因素最為敏感”；文獻[2]研究結果為“在塔里木盆地北緣（尉犁縣），日均風速、日均溫度和日均水汽壓是影響水面蒸發(fā)量的主要敏感因素”；本文研究結果為“在塔額盆地內(nèi)，水面蒸發(fā)表現(xiàn)為對溫度與水汽壓這2因素最為敏感”。這三者結論之間存在一定的共同性，即溫度均是影響研究區(qū)水面蒸發(fā)的主要敏感因素。此外，在新疆南疆地區(qū)，風速也表現(xiàn)為是影響水面蒸發(fā)的主要敏感因素（文獻[1]與文獻[2]研究結論一致）。那么，造成南北疆水面蒸發(fā)影響因素的差異原因是什么呢？是由于環(huán)境氣候原因（文獻[1]、[2]中研究區(qū)屬于干旱區(qū)，本研究中塔額盆地為半干旱區(qū)）、蒸發(fā)觀測場微氣象條件差異，還是上述原因的疊加效果呢?這均需要在以后的研究中進行深入分析。

（2）由于非結冰期（4—9月）與結冰期（10月—次年3月）水面蒸發(fā)機理不同，本文在計算水面蒸發(fā)影響因素敏感性時，是將12個月的數(shù)據(jù)作為一個系統(tǒng)統(tǒng)一考慮的，沒有進行分類分析，這可能會導致分析結果在不同時期（冰期與非冰期）的適用性方面存在一定局限性。

4 結論

（1）基于敏感系數(shù)法與關聯(lián)分析法的水面蒸發(fā)敏感因素分析結果表明：水面蒸發(fā)均表現(xiàn)為對溫度與水汽壓這2因素最為敏感。

（2）敏感系數(shù)法分析結果與關聯(lián)分析法的分析結果基本一致，尤其在主要敏感因素的判別上更是完全一致，這充分說明將上述兩種方法應用于水面蒸發(fā)敏感性分析中是可行的。同時，該方法也為類似問題的解決提供了一種數(shù)學思路。

（3）本文得出研究區(qū)水面蒸發(fā)主要敏感因素為溫度與水汽壓這2種因素。在今后該區(qū)域的水資源優(yōu)化配置中（如平原水庫的建設與調(diào)度），應當充分考慮這2種氣象因素對水資源配置的影響，合理優(yōu)化水資源調(diào)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

新疆水利水電工程重點學科基金資助（XJSLGCIDXK20101202）。

魏光輝（1981-），男，高級工程師，主要從事干旱區(qū)水資源利用與環(huán)境保護研究。E-mail：xndwgh@sina.com

馬亮（1980-），男，副教授，主要從事干旱區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用研究。

魏光輝，馬亮.新疆塔額盆地各氣象要素對水面蒸發(fā)影響的敏感性分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：44-47.