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干旱区气象因子对蒸发皿蒸发量影响的观测及数值研究

王明星  
【摘要】:本文通过设计野外观测试验,在同一环境(荒漠下垫面)中对三种蒸发皿蒸发量同时进行观测,结合蒸发皿的结构特点及近地面气象观测资料,利用统计方法,对比分析了四种主要气象要素(风速、空气温度、空气湿度和太阳辐射)对蒸发皿蒸发过程的影响,并定量估算了单个气象因子对蒸发皿蒸发量的贡献率和敏感性。之后,以能量守恒原理为基础,应用下垫面通量观测数据确定蒸发皿水面感热通量,对20cm和Class A型蒸发皿侧壁和底部热量传输过程进行参数化,为三种常用蒸发皿建立了蒸发模型,诊断分析了蒸发皿蒸发的微物理过程。主要结论归纳如下: (1)三种蒸发皿在反映所处环境的蒸发潜力时,具有相似的变化趋势,但是在数值上有很大差异,日蒸发量统计分析结果表明:20cm最大,Class A次之,E601B最小。日变化过程中,三种蒸发皿蒸发量在不同时段有着不同的大小关系,不同蒸发皿对外界环境的响应时间不同,20cm最快,E601B最慢,Class A居中。所以,选用不同的蒸发皿来反映地表蒸发潜力的日变化过程时,可能会得到不同的指示结果。 (2)假设其它气象因子保持不变的情况下,日平均风速增加1m/s,20cm、ClassA、E601B三种蒸发皿日蒸发量将分别增加1.87mm、1.93mm、1.17mm;日平均气温增加1℃,20cm、Class A、E601B日蒸发量将分别增加0.32mm、0.30mm、0.16mm;日平均空气湿度增加1%,20cm、Class A、E601B日蒸发量将分别减少0.11mm、0.10mm、0.13mm;日平均太阳辐射增加1W/m2,20cm、Class A、E601B日蒸发量将分别增加0.022mm、0.014mm、0.012mm。 (3)风速、气温、空气湿度和太阳辐射对20cm蒸发皿蒸发影响的敏感性因子依次为0.54、0.58、-0.42和0.49;对Class A蒸发皿蒸发影响的敏感性因子依次为0.67、0.65、-0.49和0.38;对E601B蒸发皿蒸发影响的敏感性因子依次为0.55、0.48、-0.84和0.46,其中蒸发量与空气湿度负相关,与其余三个气象因子均为正相关。 (4)以能量守恒原理和边界层梯度输送理论为基础,应用下垫面湍流观测数据确定蒸发皿水面感热通量,参数化20cm和Class A蒸发皿侧壁和底部与周围环境之间的热量传输过程,为三种常用蒸发皿建立了蒸发模型。三种蒸发皿侧壁和底部热量传递(Hat)的日变化过程显示,E601B的变化相位正好与20cm和Class A相反,而且数值显示正负交替,围绕在0值轴线附近震荡,20cm和Class A均为正值。日积分总量显示,20cm蒸发皿侧壁和底部从外界获取的热量最大,ClassA其次,E601B最小,并从物理角度分析讨论了造成以上结果的原因。 (5)蒸发模型模拟结果表明,模型成功模拟了三种蒸发皿蒸发的日变化过程,20cm蒸发皿观测值与模拟值的均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRER)分别为0.09(mm/h)和27.1%,相关系数的平方(R2)为0.88;ClassA蒸发皿的RMSE和MRER分别为0.02(mm/h)和25.8%,R2为0.87;E601B蒸发皿的RMSE和MRER分别为0.019(mm/h)和27.4%,R2为0.82,均通过0.01的置信度检验。模拟的三种蒸发皿日蒸发量值与观测值相关系数均在0.9以上,20cm蒸发皿观测值与模拟值的均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRER)分别为1.42(mm/d)和10.0%; ClassA蒸发皿的RMSE和MRER分别为1.37(mm/d)和13.1%;E601B蒸发皿的RMSE和MRER分别为1.22(mm/d)和16.6%。为三种常用蒸发皿建立的蒸发模型均能够对各种天气变化对蒸发皿蒸发的影响有很好的反映,在不同天气条件下都有很好的适用性。 (6)在干燥下垫面下,蒸发皿水面与周围环境之间构成的非均性远大于湿润下垫面,这种非均匀性越强烈,它们之间的热量传递就越明显,热量传递的大小直接影响蒸发皿蒸发量的大小,蒸发皿在干旱区蒸发量远远大于湿润区的主要原因就是蒸发皿与周围环境构成的非均匀性大小不同。


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