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水面蒸发量的预测.doc

水面蒸发量的预测

热舞春夏
2017-11-02 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《水面蒸发量的预测doc》,可适用于学术研究领域

水面蒸发量的预测《水资源研究》第卷第期(总第期)年月水面蒸发量的预测闵骞(江西省水利厅鄱阳湖水文分局江西星子摘要:提出以气象预报为水面蒸发预测的先决条件利用中长期气候预报提供的有关气候因子的预报值作为计算水面蒸发量预测值的依据。根据中长期预报内容建立了一个包含气温和相对湿度两个因子的水面蒸发量气候学预测模型。使用全国不同气候区个水库湖库漂浮水面蒸发实验站资料确定模型参数并作模型拟合误差检验。采用站水、陆对比观测资料建立预测模型因子水、陆转换关系。应用所建模型预测江西省都昌县小东湖,年逐月、旬水面蒸发量用以说明模型的应用步骤和作模型预测误差检验。结果表明所建模型的空间适应性良好预测精度较高具有一定的推广价值。关键词:〖HT”K〗水面蒸发量预测气候模型气温相对湿度水面蒸发是江河湖库塘渠等自然水体水量损失的主要形式之一尤其在干旱地区和干旱季节由水面蒸发损失的水量所占比例较大对水资源及其利用造成明显的影响是水资源水面蒸发量的预测是江河湖库塘渠水量损失估计的重要依据是水资源预测的重要组成部分。毫无疑问这项工作对于有计划地合理配置、高效利用水资源、提高水资源管理水近几年来随着我国水资源重视程度和管理要求的不断提高尤其是南水北调工程的开始实施水面蒸发量预测越来越受到重视。但在水面蒸发量预测预报方面所做的研究仍然很少可供引用的成果更是凤毛麟角与国家对水资源管理要求日益提高的形势不相适应因本文在水面蒸发量预测方法的研究上做了一些新的尝试通过对道尔顿公式的分解和简化及对影响水面蒸发主要气象因子之间关系的概化导出了一个新的水面蒸发模型作为模型的推导与分析模型的推导水面蒸发计算方法的研究是水面蒸发预测方法研究的先驱和基础。对于水面蒸发量计算方法的研究已有漫长的历史(至今近a)取得了众多的成果如湍流理论、平流理论、相似理论及能量平衡理论和质量平衡理论均在水面蒸发计算中得到应用提出了大批较成熟的理论模型其中较著名、应用较广泛的有道尔顿公式、彭曼公式和质量转移公式在我国以道尔顿公式的应用最为广泛。而水面蒸发量预测方法研究的历史则较短大约始自世纪年代是随着水资源工程学和水资源规划学的诞生而兴起的所得成果较少且多不够成熟难以在生产上直接引用。因而就目前所处的探索阶段而言水面蒸发量的预测宜以理论上成熟、应用上广泛的水面蒸发计算模型为基础以气象预报为先决条件从中长期气候预报中获得模型因子的预报值用以代入已建模型估算水面蒸发量的预测值。一般来说对于水面蒸发量计算模型的建立应尽可能考虑使用较多的相互独立或半独立的水面蒸发主要影响因子以增加模型的信息容量达到尽量提高水面蒸发量计算精度的目的。但对于水面蒸发量预测模型的建立则需要考虑使用较少的气象因子以减少气象因子预报结果的不确定性对水面蒸发量预测精度的影响。鉴于此本文选择线性风速函数的道尔顿公式(又称Stelling公式)作为推导水面蒸发量预测模型的基础并依据中长期气候预报内容(发布的气候因子种类)Stelling公式的表达式为:()E,,e(ABW)式中E为单位时间内的水面蒸发量Δe为水面饱和水汽压差W为水面平均风速A、B为将式()进行展开为:()E,A,,eB,,e,W在式()中Δe为前、后两项公有的温、湿综合因子中长期气候预报中虽然不发布Δe的预报值但发布气温预报值W只在后项中独有而且中长期气候预报中是不发布风速W的预报值的故对于建立在中长期气候预报基础上(以中长期气候预报为前提条件)的水面蒸发量的预测应从式()中删去因子W保留因子Δe。最简单的办法是剔除式()的后项E=AΔe()国内外众多研究表明采用式()模拟水面蒸发量与气象要素的关系虽然其拟合精度不如式()但差异不大模拟效果仍较理想。究其原因主要有两个方面:Δe综合反映了水面附近空气中温、湿度及其梯度的特征是影响水面蒸发最主要的复合气象因子表现为任何一个站点的E,Δe相关点群均呈直线型带状分布W虽然为影响水面蒸发的重要气象因子之一但W对E影响的数值模拟极为困难表现在E,W根据定义Δe=ee其中e为表面水温t对应的饱和水汽压e为水面以上Z高度处ZZ的空气实际水汽压(绝对湿度或露点温度对应的饱和水汽压)而e=rer为水面以上ZZT高度处空气相对湿度e为水面以上Z高度处(一般取Z=cmcm)气温T对应TeLtT,e,e,re,e(,r)e,exp(,)的饱和水汽压故。在气象学中TeRtV公式中的L和R分别为水的蒸发潜热和水汽的比气体常数对于水库湖泊等自然水体表V面水温t一般与水面以上的气温T呈线性关系故Δe的计算公式可以概化为eeTT,e,,(,r)exp(mT),k令并代入式()得到本文使用的水面蒸发简化eeE=S(kr)exp(mT)()其中S、k、m为模型的在式()中模型因子有两个:分别是相对湿度r和气温T。其中气温T是中长期气候预报中的预报对象即中长期气候预报直接发布T的预报值而r不是中长期气候预报中的预报对象也即中长期气候预报不直接发布r国内外均有学者对一定时段内的平均相对湿度与各级降水天数的关系进行过详细的分析研究表明两者之间存在着较好的经验相关关系在我国东部地区月、旬平均相对湿度与月或旬内中雨(或雪)以上降水天数(日降水量超过mm的天数)呈较密切的正相关关系。由此可见虽然中长期气候预报中不直接发布相对湿度r的预报值但可以通过中长期气候预报中发布的中雨(或雪)以上降水天数的预报值间接确定未来月或旬的平均相对湿度值因此未来时段(月或旬)的r、T值均可通过气象部门发布的中长期气候预报获取并可用以代入式()估算未来时段内水面蒸发量的预测值说明式()可用于水面蒸发量预测的实际作首先讨论参数k的率定。从前面的推导中可见L(T,t)k,ee,exp说明k是由气温T和水、气温差tT共同决定的TR(T)V但k,T和k,(tT)相关点群分布均很散乱表明难以建立k=F(TtT)形式的经验公式用以参数kk与T、tT的关系主要受季节变化的影响如果分月统计多站、多年k值则可以获得较稳定的数值(站与站之间和年与年之间同月份的k值差异较小)所以可采用分月综合k值的办法解决参数k的率定问题。利用江西省都昌小东湖、福建省古田溪水库、广东省磨刀坑水库、浙江省新安江水库、北京市官厅水库、辽宁省大伙房水库、新疆自治区猛进水库共个水库湖泊漂浮蒸发实验站个站月逐月统计资料和江西省上犹江水库、湖北省武汉东湖等个水库湖泊漂浮蒸发实验站个站月多年月平均统计资料(共计站站月资料)确定的k值(先计算各站月的ee值再分月进行多站、多T年平均值统计)见表k值确定之后可用E′=E(kr)计算各站月(也为站站月)的ElnE′,T辗转相关分析求出式()中的另两个参数S和m的数值分别为S=m=ˆE,N(,kr)exp(T)()ˆE式中(mm)N为被预测月或旬的天数r为水面(月或旬)平均相对湿度以小数计T为水面(月或旬)平均气温k为变动系数在表中查利用式()计算前面提到的江西省都昌小东湖等站站月的水面蒸发量与实际值e(指漂浮蒸发器测发量的修正值修正公式为其中e和E分别为漂浮E,,EppPep蒸发器的饱和水汽压差和蒸发量e和E分别为漂浮蒸发器外水库湖泊自然水体的饱和水汽压差和蒸发量公式来源见参考文献,,)进行比较统计出式()的拟合误差见表。(略)表中绝对误差总和仅占个站月日平均水面蒸发量总和的‰说明式()在拟合计算无明显的系统性编差平均相对误差小于且相对误差在以内的合格率超过达到良好等级表明拟合误差很小拟合精度很高。总的来说式()用以多站、多年水面蒸发量时、空变化规律模拟的效果良好说明式()此外利用同样的资料(站站月资料)建立的Stelling公式(A=B=)的绝对误差均方差为mmd平均相对误差为相对误差在、、以内的合格率分别为、和W后仅使用道尔顿公式的前项模拟水面蒸发量的时、空变化规律仍可获得较好的拟合效果说明本文推导出来的E=S(kr)exp(mT)模型不仅可用以水面蒸发量的预测也可用以水面蒸发量的计算(一般来说水面蒸发量计算要求高于预测要求)。用W与不用W计算E的精度虽有明显差异但差异不大再次说明风是影响水面蒸发的重要气象因子之一但风对水面蒸发影响的数值模拟具有很大的实际困难(这一结论已得到国内外许多专家、学者的公认)。同时也从此案例(本文站站月水面蒸发量与主要气象因子关系的模拟)中得到一个非常有趣的结论:道尔顿公式不仅是水面蒸发量计算的极好模型而且无论是单独使用其前项(E=AΔe)还是后项(E=BΔeW实际上为质量转移公式)模型的应用与讨论式()中的两个因子(r和T)均为水面气象因子而中长期气候预报中发布的是地面气象因子的预报值故应进行水、陆气象因子转换将式()转化为与中长期气候预报相匹配的实分析前述站站月水面(漂浮筏上)与陆地(岸边地面)平均相对湿度的差异表明水面对湿度r一般小于地面相对湿度r′其差值Δr=r′r不仅随季节更替而变化还与水域面积密切相关。因作者手中只有水库湖泊开阔水域静止水面对比观测资料而无江河狭窄流动水面对比资料因而本文只能提供水库湖泊多站、多年平均Δr值(见表)。至于江河渠狭长水体水、陆Δr的确定有待收集资料做进一步的工作江河塘渠水面蒸发量预测中可考虑借用表(略)面积小于kmΔr值(或)Δr相类似水面平均气温T也高于地面平均气温T′其差值ΔT=TT′既与T′有关也随季节而变化且受水域面积大小的影响但仅从站月已有资料中尚难以确定ΔT与水域面积的关系。令ΔTT′=α则ΔT=αT′T=(α)T′根据站站月水、陆气温同步比测资料统计出多站、多年平均α值(见表)供水面蒸发量预测时引用(如何根据水域面积修正表(略)中的α值目前限于资料难以进行有待今后做深入的工作)Δr与α确定之后即可将式()转化成能直接利用地面气象要素预报值推求水面蒸发量E=N,k(r′Δr),exp,(α)T′,()ˆE式中r′与T′分别为地面(月或旬)平均相对湿度和平均气温为自然水体的水面蒸发量。模型的应用与预测检验在我国各地的所有气象台站(省、市气象台和县、区气象站)现在均发布未来一个月(每个月的下旬发布下月及上、中、下各旬、每月上、中旬后期发布下旬)气候趋势预报内容有月、旬最高、最低、平均气温和高、低温天数月、旬降水量和各等级降水天数。对于未来月、旬的平均相对湿度是不作预报的但分析表明月或旬平均相对湿度与月或旬内各级降水(如小雨、中雨、大雨、大到暴雨)的出现天数有较好的相关关系。因作者尚未收集到上述站逐日降水资料故无法综合多站、多年平均相对湿度降水天数关系下面仅以江西省都昌(小东湖)蒸发实验站,年资料为例说明利用式()进行水面蒸发量预测的都昌蒸发实验站西北km处设有都昌县气象站每月、旬都发布该站未来月、旬气候趋势预报(以文告的形势向社会有偿发布)为该县城东南面小东湖(由鄱阳湖港汊堵坝而成三面环山相当于一座丘陵水库湖面积约km都昌蒸发实验站在该湖中央和岸边分别设置漂浮水面观测场和岸边地面观测场进行E蒸发量及主要气象因子的同步对比观测)水面蒸发量预测提供了先决条件。令都昌蒸发站和都昌县气象站地面月或旬平均相对湿度为′各月或旬内中雨(或雪)以上降水天数为N′r′,N′关系随季节而变化如果分月进行统计则可以获得较稳定的结果见表、表。但表、表中的数据与文献,,中给出的太湖流域的数据有明显的差异说明不同地区的r′,N′差异显著不可通用应利用所预报水域附近气象台站资料综合出在当地适用的r′,N′关系供本地水面蒸发量预测时使利用都昌县气象站,T′、N,表和式()计算都昌县小东湖,年逐月、旬水面蒸发量预测值与都昌蒸发站实际值比较得到式()的单站预测误差见表。其中旬水面蒸发量预测误差稍小于月水面蒸发量预测误差是由于旬气候预报的准确性较月气候预报高而造成的说明利用本文所建模型预测水面蒸发量的精度主要受气候预报准确性的影响。都昌县小东湖,年月、旬水面蒸发量预测误差均较小表明本文提出的式()在水资源管理中具有较好的实用价值和推一点讨论()作进一步减少模型因子的试验以避开r′,N′关系建立与使用上的困难即直接采用E=Sexp(mT)采用上面站站月资料建立的只包含气温T的单因子水面蒸发量预测模型为'ˆE,Nexp(,)T,年逐月水面蒸发量预测(操作过程与前面相同)与实际月水面蒸发量对比的误差见表与双因子模型(式())相比绝对误差均方差、平均相对误差分别偏大mmd和相对湿度在和说明割去相对湿度因子后模型的预测应用误差大幅增大效果大为降低且达不到生产上一般的精度要求(平均相对误差小于且相对误差在以内的合格率大于)表明本文建立式()、()是较理想的水面蒸发量预测模型其因子数量(两个)结水面蒸发量预测精度虽然主要取决于中长期气候预报的准确性但所采用的预测模型对其也有重大影响故建立适当的气候(数学)模型是水面蒸发量预测的主要工作之一。本文通过对著名的道尔顿公式的简化及对饱和水汽压差与温、湿度关系的概化提出了一种全新的水面蒸发模型目前在国内外均未见于报道利用全国不同气候区个水库湖泊漂浮蒸发实验站资料确定了模型的参数由于水面蒸发量的预测在国内外目前均处于试探性研究阶段故本文建立的水面蒸发量预测模型极可能存在许多不足之处希望水文水资源学术界同仁批评指正更盼望本文能起抛砖引玉作用使更多的专家、学者投身到水面蒸发量预测方法研究的队伍之中以推动水参考文献:(略)

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