50年来水面蒸发量减少的原因外文翻译资料

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50年来水面蒸发量减少的原因

Michael L. Roderick， Graham D. Farquhar

摘要：全球水循环的变化可能会造成重大的环境和社会经济影响。随着全球平均气温的升高，人们普遍预计空气将变得越来越干燥，而陆地水体的蒸发量将会增加。矛盾的是，过去50年的地面观测表明了相反的情况。在这里，我们表明，蒸发量的减少与所观察到的大小以及云层覆盖率和气溶胶浓度增加导致的阳光普遍减少相一致。现在已经确定地球表面在过去的50年里平均温度升高了约0.15°C（1）。这种变暖的一个预期结果是地表附近的空气应该更干燥，这会导致陆地开放水体的蒸发速率增加。然而，尽管观测到的平均气温有所上升，但北半球的观测结果显示，过去50年来开放式水面的蒸发速率一直在稳步下降（2）。这种趋势是普遍的（3，4），但不是普遍的（5）。期望与观察之间的对比被称为水面蒸发悖论。理解为什么尽管平均气温上升，水面蒸发量减少的原因很重要，以便对未来水文循环变化做出更加有力的预测。

有两项关于水面蒸发量下降的提议已经提出：第一项调用了水面湿度变化（6），而第二项调用了由更多云和/或气溶胶产生的太阳辐射减少（5，7），并且这与独立的建议相一致，即增加污染会削弱水文循环（8）。第一个建议是水面的蒸发量减少了，因为水面周围的蒸发量增加了（6）。其解释是，在限水环境中，当来自相邻环境的蒸发较高时，水面内的空气趋于较凉且较潮湿，从而减少水面的蒸发。随后对前苏联和美国的限制水环境的降雨和溪流数据进行分析，显然表明环境蒸发量增加（9，10）。然而，由于两个原因，减少水面蒸发的这种解释不令人满意。首先，它只能预测限水环境下水面内蒸发量的变化。问题在于有些地区没有限水，在潮湿的环境中，水面和周围环境的蒸发量都有所下降（9）。此外，如果提出的机制是重要的机制，那么蒸汽压力不足应该减少。然而，美国的数据显示，在过去的50年里，其平均值几乎保持不变（10）。这意味着应该进一步研究基于太阳辐照度下降的第二项。

对水面蒸发量减少的任何解释都必须包含以下内容：（i）在干燥和潮湿的环境中均发生水面蒸发量的减少，（ii）尽管平均温度增加，但平均蒸汽压（D，以Pa为单位）亏损仍然或多或少保持不变。太阳辐射的减少与（i）一致，在这里我们具体说明第二项。

关键问题是：平均气温上升，D怎么可能几乎保持不变？我们注意到D被定义为

，（1）

其中e_s（以Pa测量）表示空气的温度（T）和露点（T_d）处的饱和蒸气压。为了一阶，D的变化由下式给出

，（2）

其中s和s_d分别是T和T_d处饱和蒸汽压力-温度关系的斜率。T大于T_d，s大于s_d。如果delta;T_d/delta;T等于s / s_d，则delta;D将为零。平均一天，s / s_d取决于平均温度T和日温度范围（DTR）。在DTR较大的晴天，这个比例通常略大于2，但在DTR较低的阴天，略小于2（表1）。以s / s_d的典型值为2（表1），如果delta;T_d是两倍的delta;T，则delta;D将为零。这一点很重要，因为过去50年来全球平均测量结果显示，虽然平均温度T一直在增加（每十年增加约0.15°C），平均最小温度值T（每十年增加约0.2°C）一般比平均最大温度值T（每十年增加约0.1°C）增加快两倍（1）。当高于冰点时，露点通常将最小温度值设定为下限。因此，观察到的最小温度值T的增加意味着露点也必须比平均温度值T增加更快。

表1.假设三个不同的Td，比值s/s_d与T的函数关系(T_d=5°,15°, 25°C).

这一结论与美国的数据一致，这些数据表明，平均露点通常比平均温度T值增加得快得多（平均露点在美国的一些地区每十年大约增加0.3°C或稍大一些）（11,12）。因此，至少在美国，delta;D应该非常接近零，因为delta;T_d/delta;T与s/s_d大致相同。这可以解释为什么在过去的50年里，美国的平均D值几乎保持不变。更普遍的是，广泛观察到的DTR下降（13,14）与上述分析相结合表明D在许多地方的变化应该非常小。

水面蒸发通常对净辐照度和D变化比对风速变化敏感得多（15-17）。因此，在delta;D较小的情况下，水面蒸发量的变化必须由净辐照度的变化引起。为了估计太阳辐射变化导致的这种变化的幅度，我们使用

，（3）

公式3的右边是众所周知的，湿表面蒸发的Priestley-Taylor表达式（18），并且我们使用通常的系数（0.7）来解释蒸发面具有比传质更大的能量传递表面积（17）。在等式 3中，lambda;（~2.4 MJ kg^-1）为水汽化潜热；E_pan（kg m^-2 s^-1）为水面蒸发；R_n（Jm^-2s^-1）为净辐照度；gamma;（~67 Pa K^-1）为湿度常数。比值s /（s gamma;）在平均值T处计算，并且从5°C时的0.48变化到35°C时的0.82。忽略由平均温度观察到的非常小的变化导致的该比率的变化，由净辐照度变化引起的水面蒸发量的变化可近似为：

，（4）

对于一个蒸发面，R_n与全球太阳辐照度（R_s，Jm^-2s^-1）几乎成线性关系，因此在微分形式中我们有

，（5）

其中c约为0.8（16，17）。因此，由全球太阳辐射变化引起的水面蒸发量的变化可近似为：

，（6）

一般来说，全球太阳辐照度的测量结果不像水面蒸发测量那样容易得到。然而，大部分报道水面蒸发量减少的原始作品来自前苏联西北部（49°至67°N）（2，9），幸运的是世界上为数不多的地区性测量区域之一可用于同一时期（19）。在这里，我们使用这些数据和等式6计算30年期间（1960年至1990年）年平均蒸发量的预期变化，然后与观测到的变化进行比较。在感兴趣的地区，从1960年到1990年，R_s每十年下降2％至4％，该地区典型年度总R_s为3000-4000 MJ m^-2 a^-1（19 ）。假设R_s为3500 MJ m^-2 a^-1，并且在30年期间内以每10年3％的速度下降，则delta;R_s将为-315 MJ m^-2 a^-1。当s /（s gamma;）在0.48到0.82范围内时，潜热损失的减少将在217到372 MJ m^-2 a^-1范围内（~1.44times;0.48times;315到1.44times;0.82times;315），相当于年蒸发量减少约90~155 mm a^-1。观测到的该地区七个地点的水面蒸发显示从1.5mm a^-2减少到6.7mm a^-2，平均减速率为3.7mm a^-2（9）。在30年的利益期内，这相当于每年平均蒸发量减少110毫米，与我们估计的每年约90-155毫米相一致。

我们对全球太阳辐照度的大幅下降感到非常怀疑。问题在于，大多数气候模型尚未包括在过去50年中许多地方观察到的10％至20％的减少（7，20）。但是，我们有进一步的独立检查。由于云层覆盖率或气溶胶浓度增加，全球太阳辐照度的大幅下降应导致DTR降低，因为云层或气溶胶的增加会通过减少入射的阳光来减弱日变化周期，并且还会减少夜间地表长波辐射净损失（8，21）。最近，从2001年9月11日至9月14日美国部分地区的DTR显著增加（飞机停飞时）强调了这一点。因此，DTR广泛的长期减少（1，13，14）与全球太阳辐射普遍观测到的减少量（7，20）在性质上一致。量化这一点，我们使用大气中的太阳辐射传输与DTR之间的近似关系估计了DTR的预期下降（23）。在前苏联的同一地区，由观测到的太阳辐照度变化计算得出的DTR变化约为每十年下降0.2°C（见SOM文本），并且与在DTR中观测到的每十年约下降0.1°至0.3°C相一致（1，14）。

我们的结论是，观察到的水面蒸发减少毕竟不是一个悖论。相反，考虑到太阳辐照度的下降以及观测到的DTR和蒸汽压力不足的变化，水面蒸发预计会减少。此外，观察到的DTR减少本身在质量和数量上与观察到的全球太阳辐照度的减少一致。这些结果突出了评估由温室强迫造成的地表能量平衡变化的方向和大小的重要性，而不是由气溶胶负荷引起的变化的方向和大小（8）。当估计气候变化对生物和生态的影响时，这种评估也很重要，因为云和气溶胶会散射光线，从而减少植被冠层内的阴影，明显影响陆地植被的结构和生产力（24，25）。这里强调的全球太阳辐照度，昼夜温度范围和水面蒸发之间的相互作用都与太阳辐射通过大气传播的变化有关，并且似乎是气候和气候植被系统的非常普遍的特征。

参考文献和注释

1. C. K. Folland et al., inClimate Change 2001: The Scientific Basis, J. T. Houghton et al., Eds. (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2001), pp. 99–181.
2. T. C. Peterson, V. S. Golubev, P. Y. Groisman, Nature 377, 687 (1995).
3. N. Chattopadhyay, M. Hulme, Agric. For. Meteorol. 87, 55 (1997).
4. A. Thomas, Int. J. Clim. 20, 381 (2000).
5. S. Cohen, A. Ianetz, G. Stanhill, Agric. For. Meteorol. 111, 83 (2002).
6. W. Brutsaert, M. B. Parlange, Nature 396, 30 (1998).
7. G. Stanhill, S. Cohen, Agric. For. Meteorol. 107, 255 (2001).
8. V. Ramanathan, P. J. Crutzen, J. T. Kiehl, D. Rosenfeld, Science 294, 2119 (2001).
9. V. S. Golubev et al., Ge

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