浙江省東溪口站不同蒸發(fā)皿蒸發(fā)量比較分析

泮蘇莉，朱冠天，高 超，趙智超，許月萍

(1.浙江大學(xué)水文與水資源工程研究所，杭州 310058；2. 浙江省水文局，杭州 310009)

蒸發(fā)量是水量平衡和能量平衡重要組成部分，在水文氣象學(xué)和農(nóng)業(yè)灌溉等多方面有至關(guān)重要的作用。此外精確的測量蒸發(fā)量對水文模擬尤其是分布式水文模型等，有重大意義。蒸發(fā)觀測儀器主要包括φ20 cm、φ80 cm、TTN-3000、E601型蒸發(fā)皿和20 m2大型蒸發(fā)池等，蒸發(fā)場分為陸上蒸發(fā)場和漂浮蒸發(fā)場。蒸發(fā)觀測前期主要使用φ20 cm和φ80 cm小型蒸發(fā)皿，后期較多使用E601型蒸發(fā)皿，所以通過折算系數(shù)利用小型蒸發(fā)皿的觀測數(shù)據(jù)，并通過相關(guān)系數(shù)保證換算結(jié)果的可靠度。眾多學(xué)者對φ20 cm和E601型蒸發(fā)皿的換算進(jìn)行了研究[1-5]，但是并未驗證E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在其研究區(qū)域的準(zhǔn)確性。雖然 E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量被普遍認(rèn)為最接近真實值，但是不同地區(qū)的準(zhǔn)確度應(yīng)具體考證。此外，本文將漂浮蒸發(fā)場上觀測得到的蒸發(fā)量進(jìn)行比較分析，增強了對漂浮蒸發(fā)場上不同蒸發(fā)皿觀測得到的蒸發(fā)量差別的認(rèn)識,同時將相同蒸發(fā)皿在不同蒸發(fā)場的蒸發(fā)量進(jìn)行簡單比較。

1 研究區(qū)域概況

東溪口站位于浙江省淳安縣青溪區(qū)，東經(jīng)118°59′，北緯29°36′，是新安江水庫蒸發(fā)站，設(shè)站時間是1962年，該站作為測試站，運用多種蒸發(fā)皿監(jiān)測全面的蒸發(fā)數(shù)據(jù)。新安江水庫處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，四季分明，雨量充沛。全年平均氣溫為17.8 ℃，平均相對濕度為70.3%，年降水量為1 454 mm；日照豐富，年日照時數(shù)1 765 h。

2 數(shù)據(jù)和方法

東溪口站使用兩種蒸發(fā)場，即陸上蒸發(fā)場(簡稱陸上)和漂浮蒸發(fā)場(簡稱漂浮)，在陸上蒸發(fā)場上使用φ20 cm、φ80 cm、E601型蒸發(fā)皿和20 m2大型蒸發(fā)池，在漂浮蒸發(fā)場運用φ20 cm、 TTN-3000和E601型蒸發(fā)皿。蒸發(fā)數(shù)據(jù)來源于錢塘江水文年鑒，均為日尺度，具體數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 東溪口站數(shù)據(jù)情況Tab.1 Data of pan evaporation at Dongxikou Station

研究方法主要通過相關(guān)分析和折算系數(shù)，E601型蒸發(fā)皿和φ20 cm蒸發(fā)皿同時段蒸發(fā)量的折算系數(shù)K值的計算公式為：

K=E601/E20

(1)

式中：K為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量折算系數(shù)；E601為E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，mm；E20為φ20 cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，mm。

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)相關(guān)原理，對不同蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量運用二元一次線性回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)分析。一元一次線性方程一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y=kx+b

(2)

式中：y為應(yīng)變量；x為自變量；k為斜率；b為截距。

3 結(jié)果與分析

3.1 驗證E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(陸上蒸發(fā)場)的準(zhǔn)確性

為驗證E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在東溪口站的準(zhǔn)確性，將其與20 m2大型蒸發(fā)池的蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。此外，由20 m2大型蒸發(fā)池觀測得到的蒸發(fā)量最接近實際情況[6]。二者的年蒸發(fā)量的折算系數(shù)為1.02，而且月蒸發(fā)量的折算系數(shù)均接近于1，說明月年尺度的E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的準(zhǔn)確性。圖1為20 m2大型蒸發(fā)池與E601型蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量比較，可以看出二者的月蒸發(fā)量非常接近。此外，二者月蒸發(fā)量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.985。E601型蒸發(fā)皿和20 m2大型蒸發(fā)池日尺度蒸發(fā)量折算系數(shù)為1.05，相關(guān)系數(shù)為0.91。所以，通過比較二者日、月、年尺度蒸發(fā)量，得出在東溪口站E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量是準(zhǔn)確可信的，僅有個別值存在略微偏高的情況。

圖1 20 m2大型蒸發(fā)池與E601型蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量比較Fig.1 Comparison of monthly pan evaporation measured by 20 m2 large evaporation pond with E601 pan

3.2 φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)、φ80 cm蒸發(fā)皿(陸上)與E601型蒸發(fā)皿(陸上)比較分析

為利用東溪口站前期φ20 cm蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)(陸上)，針對E601型蒸發(fā)皿(陸上)與φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)進(jìn)行比較分析。表2為東溪口站E601型蒸發(fā)皿(陸上)與φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)月和年尺度蒸發(fā)量折算系數(shù)。1月份的多年平均折算系數(shù)為0.89，表明φ20 cm蒸發(fā)皿1月份的觀測數(shù)據(jù)比E601型高，但是不同年份差別較大，比如1996年為0.75，而1969年為1.07。相同的情況也發(fā)生在11月和12月，11月的多年平均折算系數(shù)為0.97，而1973年為0.87，1967年為1.21；12月的多年平均折算系數(shù)為0.95，而1973年為0.83,1968年為1.17；但是其他的月份均不會特別偏離多年平均值。通過E601型蒸發(fā)皿(陸上)與φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)各月蒸發(fā)量的多年平均折算系數(shù)即可利用東溪口站前期φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)蒸發(fā)數(shù)據(jù)，獲得更長的蒸發(fā)時間序列。而且二者的高度相關(guān)性保證了換算結(jié)果的可靠性，二者月蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)大部分均大于0.9，最高為0.97；年蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)為0.93。

表2 東溪口站E601型蒸發(fā)皿(陸上)與φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)月蒸發(fā)量折算系數(shù)Tab.2 Monthly evaporation conversion coefficient for E601 pan (on land) to φ20 cm pan (on land) at Dongxikou Station

圖2為 E601型(陸上)和φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)月蒸發(fā)量比較，從圖2可以直觀的看出二者的區(qū)別?？偟膩碚f，大部分φ20 cm蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量與E601型比較時，存在偏高的情況。主要是因為φ20 cm蒸發(fā)皿由于容積小，器壁裸露于空氣中，受日照、氣溫等的影響較大，E601型蒸發(fā)皿器口面積大、居地面高度低，所測得的蒸發(fā)量受自然因素影響較小，導(dǎo)致觀測值偏高[7]。圖2中秋季和冬季二者的月蒸發(fā)量最相近，春季和夏季時φ20 cm蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量與E601型相比偏高較大。

圖2 E601型(陸上)和φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)月蒸發(fā)量Fig.2 Comparison of monthly pan evaporation measured by E601 pan (on land) with φ20cm pan (on land)

同樣的，為利用東溪口站前期φ80 cm蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)(陸上)，對E601型蒸發(fā)皿(陸上)與φ80 cm蒸發(fā)皿(陸上)進(jìn)行比較分析。表3為東溪口站E601型蒸發(fā)皿(陸上)與φ80 cm蒸發(fā)皿(陸上)月蒸發(fā)量折算系數(shù)表，二者的月蒸發(fā)量折算系數(shù)在不同月份差別較大，3-8月的折算系數(shù)大多小于1.0，而其他月份大部分大于1.0；但年蒸發(fā)量的折算系數(shù)一般都小于1.0。同一月份在不同年份的折算系數(shù)在9-2月差別較大，比如1月份最大值為1.86，最小值為1.09。相較于E601型(陸上)和φ20 cm蒸發(fā)皿(陸上)月蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)，E601型(陸上)和φ80 cm蒸發(fā)皿(陸上)的相關(guān)性表現(xiàn)稍差，但均在可接受范圍內(nèi)，且9月份的高達(dá)0.93。證明該計算結(jié)果可用于φ80 cm蒸發(fā)皿(陸上)換算成E601型(陸上)蒸發(fā)量。

表3 東溪口站E601型蒸發(fā)皿(陸上)與φ80 cm蒸發(fā)皿(陸上)月蒸發(fā)量折算系數(shù)Tab.3 Monthly evaporation conversion coefficient for E601 pan (on land) to φ80 cm pan (on land) at Dongxikou Station

3.3 同一尺寸蒸發(fā)皿在不同蒸發(fā)場上的比較

為了解相同蒸發(fā)皿在不同蒸發(fā)場上的差異，本文分析了E601型蒸發(fā)皿和φ20 cm蒸發(fā)皿在陸上蒸發(fā)場和漂浮蒸發(fā)場的月觀測數(shù)據(jù)。圖3為E601型蒸發(fā)皿在陸上蒸發(fā)場和漂浮蒸發(fā)場月蒸發(fā)量比較，從圖3可以看出漂浮蒸發(fā)場觀測的蒸發(fā)量偏低，而且存在一定的滯后性。這種現(xiàn)象的主要原因是漂浮蒸發(fā)場是在水庫水面上的，蒸發(fā)皿周圍的蒸發(fā)導(dǎo)致空氣中相對濕度增加，由于相對濕度對蒸發(fā)影響很大[8]，從而抑制了蒸發(fā)皿中的蒸發(fā)量，所以導(dǎo)致了滯后性。二者的相關(guān)性表現(xiàn)一般，僅當(dāng)夏季時相關(guān)系數(shù)能達(dá)到0.8。

圖3 E601型蒸發(fā)皿在陸上蒸發(fā)場和漂浮蒸發(fā)場月蒸發(fā)量比較Fig.3 Comparison of monthly pan evaporation measured by E601 pan on land with on water

圖4為φ20 cm蒸發(fā)皿在陸上蒸發(fā)場和漂浮蒸發(fā)場月蒸發(fā)量比較，與E601型不同的是漂浮蒸發(fā)場上φ20 cm蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量與陸上蒸發(fā)場相比，存在明顯的偏高現(xiàn)象，從而導(dǎo)致二者的折算系數(shù)基本上都小于1.0。 而且二者的相關(guān)性非常好，大部分相關(guān)系數(shù)都大于0.9， 最高值可達(dá)到0.99。造成E601型蒸發(fā)皿與φ20 cm蒸發(fā)皿這種差別的原因，主要是因為兩種蒸發(fā)皿構(gòu)造和設(shè)置的不同。

圖4 φ20 cm蒸發(fā)皿在陸上蒸發(fā)場和漂浮蒸發(fā)場月蒸發(fā)量比較Fig.4 Comparison of monthly pan evaporation measured by φ20 cm pan on land with on water

3.4 漂浮蒸發(fā)場上不同蒸發(fā)皿的比較

為利用東溪口站前期φ20 cm蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)(漂浮)，對E601型蒸發(fā)皿(漂浮)與φ20 cm蒸發(fā)皿(漂浮)進(jìn)行比較分析。表4為東溪口站漂浮蒸發(fā)場上E601型與φ20 cm蒸發(fā)皿月年蒸發(fā)量折算系數(shù)和相關(guān)系數(shù)，可以看出二者各月相關(guān)系數(shù)差異大，最高為0.94，最低僅為0.23，不能完全滿足蒸發(fā)換算的相關(guān)性要求。針對相關(guān)系數(shù)較高的月份，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)負(fù)Q算運用。

同樣地，為利用東溪口站前期TTN-3000蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)(漂浮)，對E601型蒸發(fā)皿(漂浮)與φ20 cm蒸發(fā)皿(漂浮)進(jìn)行比較分析。表5為東溪口站漂浮蒸發(fā)場上E601型與TTN-3000蒸發(fā)皿月年蒸發(fā)量折算系數(shù)和相關(guān)系數(shù)，二者各月相關(guān)性的表現(xiàn)與E601型和φ20 cm類似，不同月份差異較大，相關(guān)性較好時其系數(shù)可達(dá)到0.95，反之，最小為0.23。但表現(xiàn)差的月份僅為少數(shù)，其他月份可以進(jìn)行相應(yīng)的換算。

將漂浮蒸發(fā)場上E601型、φ20 cm和TTN-3000多年(1966-1970)平均月蒸發(fā)量進(jìn)行比較分析,如圖5所示?？梢钥闯觯?-8月φ20 cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量是三者中最大的，而且特別突出；然而9-2月TTN-3000蒸發(fā)皿蒸發(fā)量最大。E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在12個月中基本上都處于最小值，并與φ20 cm相比存在一定的滯后性，這與3.3節(jié)中得出的結(jié)果相符合；但是TTN-3000卻不存在滯后性。

4 結(jié) 語

本文比較了20 m2大型蒸發(fā)池、E601型、φ20 cm和φ80 cm蒸發(fā)皿在陸上蒸發(fā)場的折算系數(shù)和相關(guān)性，對同一蒸發(fā)皿在陸上和漂浮蒸發(fā)場的蒸發(fā)量進(jìn)行了對比分析，此外，對漂浮蒸發(fā)場不同蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量也進(jìn)行了分析。得到的結(jié)論如下：①20 m2大型蒸發(fā)池與E601型蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量折算系數(shù)均接近1.0，且相關(guān)性很高，證明了東溪口站E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的準(zhǔn)確性；②計算得出E601型和φ20 cm蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量的折算系數(shù)，且二者相關(guān)系數(shù)基本上大于0.9，將φ20 cm型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量換算后可以得到可靠度很高的E601型觀測數(shù)據(jù)；③計算得出E601型和φ80 cm蒸發(fā)皿月蒸發(fā)量的折算系數(shù)，且二者相關(guān)系數(shù)都在可接受的范圍內(nèi)，將φ80 cm型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量換算后可以得到可靠度較高的E601型觀測數(shù)據(jù)；④E601型蒸發(fā)皿在漂浮蒸發(fā)場上的觀測量與陸上蒸發(fā)場上相比，存在一定的滯后性，二者相關(guān)性一般；而φ20 cm蒸發(fā)皿在兩個蒸發(fā)場上得到的蒸發(fā)量相關(guān)性很好，但漂浮蒸發(fā)場上的觀測量稍高；⑤漂浮蒸發(fā)場上，E601型、φ20 cm和TTN-3000觀測的蒸發(fā)量在每月的相關(guān)性差異較大，相互換算的結(jié)果可靠度不夠。本文中僅比較了東溪口站不同蒸發(fā)皿和不同蒸發(fā)場的蒸發(fā)，但相同氣候條件下折算系數(shù)差別不大，可以推廣使用。

表4 東溪口站E601型蒸發(fā)皿(漂浮)與φ20 cm蒸發(fā)皿(漂浮)月蒸發(fā)量折算系數(shù)Tab.4 Monthly evaporation conversion coefficient for E601 pan (on water) to φ20 cm pan (on water) at Dongxikou Station

表5 東溪口站E601型蒸發(fā)皿(漂浮)與TTN-3000蒸發(fā)皿(漂浮)月蒸發(fā)量折算系數(shù)Tab.5 Monthly evaporation conversion coefficient for E601 pan (on water) to TTN-3000 pan (on water) at Dongxikou Station

圖5 E601型、φ20 cm和TTN-3000蒸發(fā)皿多年平均月蒸發(fā)量比較Fig.5 Comparison of Monthly pan evaporation measured by E601, φ20 cm and TTN-3000 pans

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