《S省夏季云下二次蒸發(fā)效應(yīng)探析》6700字（論文）

緒論雨滴的形成是因為大氣中的水汽在一定溫度下的凝結(jié)，當(dāng)雨滴從云底落到地面時，有時會出現(xiàn)云下二次蒸發(fā)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象使得在降落過程中雨滴中較輕的同位素優(yōu)先蒸發(fā)，最終造成地表水中富集了很多較重的同位素。二次蒸發(fā)會導(dǎo)致高空水汽中氫氧穩(wěn)定同位素的值與地面降水存在很大的差異。氫和氧的穩(wěn)定同位素D(2H)和18O容易受環(huán)境的影響，在氣候和水文研究中常用作指示劑[1-4]。地面越干燥，越容易產(chǎn)生云下二次蒸發(fā)現(xiàn)象，對降水同位素的影響也更為顯著，因此弱降雨會比強降雨和降雪更容易發(fā)生強烈的蒸發(fā)效應(yīng)。云下二次蒸發(fā)在干旱和半干旱地區(qū)容易造成降水中同位素含量的減少和18O和2H同位素的增加[5-9]，因此，這一特征常常被用來進行二次蒸發(fā)現(xiàn)象強度的研究。但因為受監(jiān)測條件的限制，那時的研究只保留在定性分析的層面。多年來，隨著Stewart雨滴模型的不斷改進、優(yōu)化，對于云下二次蒸發(fā)的研究也越來越豐富，不同條件下(主要有相對濕度、氣溫、和雨滴直徑)定量評估雨滴在下落過程中的二次蒸發(fā)對降水同位素的影響已然成為當(dāng)前研究的重點。為了深化研究，有必要將以前簡單的定性描述發(fā)展到更準(zhǔn)確的定量研究方向。對Stewart雨滴模型參數(shù)的優(yōu)化，對影響云下二次蒸發(fā)的因素進行的綜合分析，有助于讓結(jié)果更加準(zhǔn)確[10]。監(jiān)測全球降水同位素的網(wǎng)絡(luò)(GlobalNetworkforIsotopesinPrecipitation，GNIP)叢1961年開通以來一直在進行檢測，其臺站分布在世界幾乎所有地區(qū)。在全球降水同位素網(wǎng)絡(luò)(GNIP)中，人們發(fā)現(xiàn)云下二次蒸發(fā)在水循環(huán)中是非常重要的一環(huán)[11]，很多學(xué)者也一直在驗證它的存在[12-16]。隨著Stewart改進模型的出現(xiàn)，人們進行了大量的定量研究[17-21]，隨即研究出了云下二次蒸發(fā)隨季節(jié)和地區(qū)變化的規(guī)律和差異。Dansgard提出的Rayleigh分餾模型[22]后來逐漸應(yīng)用于研究區(qū)域水循環(huán)[23]。Rayleigh分餾模式有以下兩個假設(shè):1.同位素值不隨雨滴的降落而改變，2.氣團運動全程都不會有外來水汽的補給。研究發(fā)現(xiàn)云下二次蒸發(fā)量會隨氣象條件的變化而變化[24-26]。但Rayleigh分餾模型沒有考慮到二次蒸發(fā)現(xiàn)象，而它也是導(dǎo)致降水中同位素值變化的重要因素，區(qū)域大氣水線的斜率和截距也會因此而改變[12,27]]。Froehlich等就高山降水中云下二次蒸發(fā)對氘盈余（D-excess=δ2H-8δ18O）的影響進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)雨滴的蒸發(fā)剩余比和氘盈余之間存在顯著的線性關(guān)系，每當(dāng)氘盈余增加百分之一，蒸發(fā)剩余比相應(yīng)下降百分之一[9]?；谶@種線性關(guān)系，PENG等人得出了中國臺灣地區(qū)D-excess與雨滴蒸發(fā)率的關(guān)系[28]。CHEN等人[29]和靳曉剛等人[30]也使用PENG等人[31]簡化的公式計算了其他地區(qū)云層下的二次蒸發(fā)程度。Stewart的雨滴模型由于涉及到很多氣象參數(shù)，所以在實際計算中很復(fù)雜，不僅要考慮雨滴降落時的相對濕度、溫度、大氣壓等常規(guī)氣象參數(shù)，還要考慮雨滴在下降過程中的直徑、雨滴從開始降落到最終到達地面過程的高度、雨滴的密度等重要參數(shù)。因為簡化的雨滴蒸發(fā)模型存在誤差，因此要在簡化模型的基礎(chǔ)上對Stewart模型進行優(yōu)化。Kong[32]和Crawford等[33]在研究中對雨滴的直徑進行統(tǒng)一化處理，但是，隨著研究的不斷深入發(fā)現(xiàn)，雨滴直徑的計算是很復(fù)雜的，要通過分層計算，通過動態(tài)的大氣壓數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，不能簡單的對它的數(shù)值進行統(tǒng)一的理想化處理。由于雨滴的直徑和高度得不同，一些研究[31-32]設(shè)定850hPa(海拔1500m左右)為云底高度，地面高度與云底高度之間的距離是雨滴下落要經(jīng)過的過程。但對于低海拔地區(qū)，計算直接忽略地面海拔，代入1500m。研究證明，大氣條件的建立對Stewart模型應(yīng)用的改進具有重要的作用，對于大氣條件現(xiàn)在主要用分層和均質(zhì)假設(shè)來設(shè)定。計算中只代入地面參數(shù)，雨滴降落時的空氣視為各向同性，這是一個齊次假設(shè)。分層假設(shè)是基于均勻性假設(shè)，根據(jù)等壓表面，在雨滴降落過程中進行層流操作，以及高度和表面參數(shù)被計算的假設(shè)。Crawford等[32]根據(jù)分析數(shù)據(jù)對澳大利亞麥夸里沼澤進行了云下二次蒸發(fā)的研究，Wang等[25]在Stewart模型參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，計算了新疆中部云下二次蒸發(fā)率。結(jié)果表明，雨滴下落時，同位素隨即而異。任雯等[16]人使用西北地區(qū)根據(jù)GNIP的數(shù)據(jù)，分析了其時間特征和發(fā)生規(guī)律，對二次蒸發(fā)產(chǎn)生的條件、云下二次蒸發(fā)的強弱效應(yīng)的主要影響因素進行了研究與探討。結(jié)果表明，云下二次蒸發(fā)必須滿足水汽壓>0.52kpa的條件。云下蒸發(fā)對西北地區(qū)的降水同位素也同樣有影響，但是如何影響目前仍然缺少相關(guān)研究。Wang等[26]改進了雨滴直徑和高度的計算，直接用常規(guī)氣象參數(shù)代替，雖然算法中依舊采用了齊次假設(shè)，但是計算結(jié)果更加準(zhǔn)確了。Crawford等[32]進行了云下二次蒸發(fā)的分層假設(shè)的詳細(xì)研究，Stewart模型得到了進一步優(yōu)化，但雨滴直徑的依舊是固定值。Chen等[29]利用西北地區(qū)420個降水樣本并結(jié)合相關(guān)氣象參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著降雨強度的增大，云下二次蒸發(fā)現(xiàn)象越難以被捕捉到，這也意味著，云下二次蒸發(fā)現(xiàn)象在降水強度弱的時候?qū)τ谒械耐凰赜绊懜鼮轱@著，夏季二次蒸發(fā)強度較高，空間差異較明顯，雨滴降落強度、溫度、蒸氣壓和相對濕度是影響云下二次蒸發(fā)的主要因素。劉潔遙等[10]發(fā)現(xiàn)，在冬季風(fēng)期間，云層下的二次蒸發(fā)相對較弱，而在夏季風(fēng)中，云層下的二次蒸發(fā)相對較強。而一個地區(qū)的氘盈余值會反映該地區(qū)水汽來源是否穩(wěn)定，若一個地區(qū)一段時間內(nèi)氘盈余值相對穩(wěn)定，則表明該地區(qū)水汽來源穩(wěn)定，若氘盈余變化差值較大，則表明該地區(qū)水汽來源相對復(fù)雜，且在不同范圍內(nèi)，各主要因素對云下二次蒸發(fā)的影響各不相同。2數(shù)據(jù)與方法2.1研究區(qū)概況陜西省位于北緯31°42'~39°35'和東經(jīng)105°29'~111°15'之間，常年干濕分明，南北地域狹長，跨越多個氣候帶，南北氣候差異非常明顯，屬于我國氣候高度敏感區(qū)域。地形復(fù)雜，氣候多樣。從北到南，地貌單元依次為高原、平原、山地丘陵；氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候、暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量和年平均氣溫由南向北遞減[22]。圖1陜西省氣象站點空間分布Figure1SpatialdistributionofmeteorologicalstationsinShanxiProvince2.2數(shù)據(jù)來源本文采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（）地面氣象站逐小時觀測情況，對陜西省2019年夏季（6月—8月）的88個氣象站點數(shù)據(jù)選取測量結(jié)果穩(wěn)定且相關(guān)性較強的溫度、雨滴降落強度、雨滴下降時的相對濕度等參數(shù)，而且采集了2019年陜西及其周邊的夏季（6月—8月）雨滴降落強度（共有降水樣品335個）雨滴下降時的相對濕度、溫度和露點溫度等參數(shù)（http：//）?？紤]到春半年少降水，冬半年多降雪，云下蒸發(fā)有限，本文主要模擬6—8月的云下二次蒸發(fā)現(xiàn)象。在日、月平均數(shù)據(jù)分析中，用降水量做加權(quán)平均。2.3研究方法Δd=(2γ2α)(f2β?1)-8(1-18其中，Δd為云底雨滴和地面雨滴中的d-excess之差。地面雨滴和云底雨滴中的δD（δ18O）之差用ΔδD（Δδ18O）來表示：ΔδD=(2γ2α)(fΔδ18O=(18γ18式中：f為雨滴剩余比，也就是雨滴經(jīng)歷下降過程中的蒸發(fā)現(xiàn)象后所降落到地面的質(zhì)量和初始下落時的質(zhì)量之比；Stewart[27]對參數(shù)2γ、18γ、2β和18β進行了全面的說明；2α和18α為平衡分餾系數(shù)；本文采用分層假設(shè)法，不僅計算了地面雨滴直徑（D50），而且計算了高山雨滴直徑（DC）。具體計算公式如下：D50=n0.69ADc=6(其中，參數(shù)n=2.25、A=1.30和p=0.232均取定值[33]；I為降水強度（mm·h-1）；mend為雨滴落地時的質(zhì)量（g）；mev為蒸發(fā)的質(zhì)量（g）；ρ為水的密度（g/cm3）。其中蒸發(fā)剩余比f的計算方法是:f=mmend=4式中:mend是雨滴經(jīng)歷蒸發(fā)現(xiàn)象后最終降落到地面的質(zhì)量(g)；mev是雨滴在經(jīng)歷蒸發(fā)現(xiàn)象時被蒸發(fā)掉的質(zhì)量(g)；r為是雨滴在最終降落到地面后的半徑（mm）；ρ為雨滴密度kg/m3，參數(shù)mev的計算方法是:mev=revt（8）式中:rev為雨滴蒸發(fā)速率；t表示雨滴從云底開始降落最終到達地面的時間參數(shù)rev的計算方法是:rev=Q1Q2（9）其中:Q1是雨滴在最終降落到地面后的直徑和溫度的函數(shù)關(guān)系；Q2是溫度與相對濕度的函數(shù)。表1陜西省各區(qū)域逐月蒸發(fā)速率變化Table1MonthlyEvaporationRatesinShanxiProvince月份陜北關(guān)中陜南60.039~7.2350.026~7.4980.062~5.12970.065~8.6530.062~7.3650.102~6.87280.042~6.1260.039~6.2110.083~6.960月(年)平均值是由月(年)降水量加權(quán)得出3結(jié)果分析3.1相對濕度、蒸發(fā)剩余比的月小時變化從圖2和圖3可知，整體而言三個月份從小時變化規(guī)律上較為一致，其中蒸發(fā)速率在7月達到最大值，蒸發(fā)剩余比和相對濕度的平均值在8月達到最大值，相對濕度和蒸發(fā)剩余比在6—8月呈上升趨勢，蒸發(fā)剩余比f逐時變化各不相同，f值越大，表示蒸發(fā)作用相對較?。籪值越小，結(jié)果表明，蒸發(fā)量較大，f的最小值出現(xiàn)在每天早上2:00到下午15:00，即在這段時間之間云下二次蒸發(fā)效應(yīng)越強。也就是說，在整個夏季，蒸發(fā)效應(yīng)在早上2:00到下午15:00最為明顯，而在下午15:00到早上2:00較為低靡，陜西省相對濕度的夏季平均值為74.80%，6、7、8月相對濕度分別為73.22%、82.12%和84.05%。陜西省蒸發(fā)剩余比月平均值為78.69%。與整個夏季相比，6月份不論是相對濕度還是蒸發(fā)量都是整個夏季水平的底部，而8月均高于夏季平均值處于最高點，7月介于6月和8月之間。由此可知，陜西省夏季的蒸發(fā)速率與相對濕度和蒸發(fā)殘差比的變化是一致的。圖26、7、8月蒸發(fā)剩余比24小時變化Figure2June、July、AugustEvaporationSurplusRatio24-hourChange圖36、7、8月24小時相對濕度變化Figure3June、July、August24hoursrelativehumiditychange3.2蒸發(fā)剩余比、相對濕度、蒸發(fā)速率與氘盈余的月變化關(guān)系從圖可以看出，3個月份相對濕度與Δd的相關(guān)性都比較好，6、7、8月的Ｒ2分別是0.92、0.93和0.93，當(dāng)這三個月相對濕度超過70%時，相對濕度與Δd的線性關(guān)系很好；當(dāng)相對濕度低于70%時，它們逐漸偏離線性關(guān)系，但依舊有相對強烈的線性關(guān)系；3個月份蒸發(fā)剩余比與Δd的相關(guān)性非常好，Ｒ2均在0.94以上，斜率分別為2.96、2.41、2.03，當(dāng)三個月內(nèi)蒸發(fā)剩余比大于80%時，蒸發(fā)剩余比與Δd的線性關(guān)系較好，小于70%時，它們逐漸偏離線性關(guān)系，但依舊有相對強烈的線性關(guān)系；在蒸發(fā)速率與Δd的關(guān)系上，3大區(qū)域的Ｒ2分別是0.93、0.88和0.84，二者不太相關(guān)，可能是因為雨滴直徑的輸入數(shù)據(jù)在某種程度上與一天的天氣數(shù)據(jù)不一致，并且雨滴直徑可能不是按月尺度的正常分布。總體而言，3個月的相對濕度、蒸發(fā)剩余比與Δd的相關(guān)性比較好。在相對濕度與Δd的相關(guān)性中，當(dāng)RH大于50%時，線性關(guān)系較好；當(dāng)RH小于40%時，二者線性關(guān)系較弱。在剩余蒸發(fā)率與Δd的線性關(guān)系中，當(dāng)f大于70%時，線性關(guān)系較好，當(dāng)f小于70%時，二者逐漸偏離線性關(guān)系。蒸發(fā)強度與Δd由于不同日子雨滴直徑差異較大，因此相關(guān)性較低。

圖42019年陜西省6月蒸發(fā)剩余比與Δd的關(guān)系Figure4RelationshipbetweenΔdinShanxiinJune2019圖52019年陜西省7月蒸發(fā)剩余比與Δd的關(guān)系Figure5RelationshipbetweenΔdinShanxiinJuly2019圖62019年陜西省8月蒸發(fā)剩余比與Δd的關(guān)系Figure6RelationshipbetweenΔdinShanxiinAugust2019圖72019年陜西省6月相對濕度與Δd的關(guān)系Figure7RelationshipbetweenRelativeHumidityandΔdinShanxiinJune2019圖82019年陜西省7月相對濕度與Δd的關(guān)系Figure8RelationshipbetweenRelativeHumidityandΔdinShanxiinJuly2019圖92019年陜西省8月相對濕度與Δd的關(guān)系Figure9RelationshipbetweenRelativeHumidityandΔdinShanxiinAugust2019圖102019年陜西省6月蒸發(fā)速率與Δd的關(guān)系Figure10RelationshipbetweenEvaporationRateandΔdinShanxiinJune2019圖112019年陜西省7月蒸發(fā)速率與Δd的關(guān)系Figure11RelationshipbetweenEvaporationRateandΔdinShanxiinJuly2019圖122019年陜西省8月蒸發(fā)速率與Δd的關(guān)系Figure12RelationshipbetweenEvaporationRateandΔdinShanxiinAugust20193.3氣象要素對下落雨滴蒸發(fā)的影響為了探討各個氣象因素對陜西省夏季雨滴蒸發(fā)的影響的貢獻度大小，本文逐一比較了上述因素與雨滴蒸發(fā)率的關(guān)系。從結(jié)果可以看出，隨著溫度的上升，蒸發(fā)的比率也在逐漸的增大，但是溫度對于他的影響并非十分顯著，只是存在一個比較弱的關(guān)聯(lián)性，而隨著水滴直徑的增加雨滴的蒸發(fā)在慢慢減小，因為水滴表面的曲率將由于雨滴直徑的增加而減小，從而導(dǎo)致水分子越難從雨滴中逃逸。降雨量超過10%時，雨滴蒸發(fā)量不變；當(dāng)降雨量小于10毫米時，降雨量與雨滴蒸發(fā)成反比。雨滴的蒸發(fā)強度受溫度和相對濕度的影響大，但并不意味著雨滴蒸發(fā)直接取決于某一單一因素，而是降水量強度，相對濕度和雨滴直徑的綜合影響的結(jié)果。圖13雨滴蒸發(fā)比與氣溫（T）的關(guān)系Figure13Relationshipbetweenthedropletevaporationratioandairtemperature(T)圖14雨滴蒸發(fā)比與雨滴直徑（D）的關(guān)系Figure14Relationshipbetweenraindropevaporationratioandraindropdiameter(D)圖15雨滴蒸發(fā)比與相對濕度（RH）的關(guān)系Figure15RelationshipbetweenRaindropEvaporationRatioandRelativeHumidity(h)ofRaindrops圖16雨滴蒸發(fā)比與降水量（P）的關(guān)系Figure16RelationshipbetweenRaindropEvaporationRatioandPrecipitation4結(jié)語本文利用2019年夏季（6月—8月）的88個氣象站點數(shù)據(jù)選取測量結(jié)果穩(wěn)定且相關(guān)性較強的溫度、雨滴降落強度、雨滴下降時的相對濕度等參數(shù)，而且采集了2019年陜西及其周邊的夏季（6月—8月）雨滴降落強度（共有降水樣品335個）雨滴下降時的相對濕度、溫度和露點溫度等參數(shù)，基于改進的Stewart模型（分層假設(shè)）研究了用陜西省雨滴蒸發(fā)模式計算的高寒降水與地面降水的剩余蒸發(fā)率變化和氘盈余。結(jié)論如下：（1）從時間變化來看，陜西省夏季云下二次蒸發(fā)在6、7、8月存在顯著差異性。蒸發(fā)剩余比8月最大，6月最?。?月的小時變化幅度最大，Δd在早晨2：00至下午15：00這一時間段最小。（2）陜西的夏季，如果相對濕度超過50%，則它與Δd具有較好的線性關(guān)系；如果剩余蒸發(fā)率超過70%，則它與Δd的線性關(guān)系更好。（3）當(dāng)氣溫高、濕度低、雨滴直徑小時，蒸發(fā)強烈，反之則蒸發(fā)作用稍弱。5展望在水資源問題短缺的當(dāng)今社會，通過對云下二次蒸發(fā)現(xiàn)象的研究，可以明析地域水循環(huán)機理，提供解決水資源短缺的問題，且由于其對環(huán)境的敏感性，這對于當(dāng)?shù)厮Y源的來源及歸宿都有明確的追蹤作用，可在氣象災(zāi)害如暴雨、泥石流預(yù)警方面發(fā)揮重要的作用。

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