河北省潛在蒸發量計算與變化趨勢分析

張可慧,劉劍鋒,劉芳圓,肖嗣榮

(河北省科學院地理科學研究所,河北石家莊 050011）

河北省潛在蒸發量計算與變化趨勢分析

張可慧,劉劍鋒,劉芳圓,肖嗣榮

(河北省科學院地理科學研究所,河北石家莊 050011）

選取積溫法、蒸發皿蒸發量估算法及彭曼—蒙特斯(Penman-Monteith,P-M）公式法對河北省潛在蒸發量進行估算,通過與大型蒸發池實測蒸發量比較分析,表明P-M公式法能較準確地估算河北省的潛在蒸發量。對PM公式法所得的潛在蒸發量序列進行變化趨勢分析,結果表明:河北省年潛在蒸發量呈波動下降趨勢,1960s達到最大,其后并沒有隨升溫繼續增大,相反呈明顯下降趨勢;各季節潛在蒸發量也呈下降趨勢,其中夏季潛在蒸發量與年值的變化趨勢一致,且降幅較大,每10年減少8.61 mm,秋、春季次之,每10年分別減少2.47 mm、3.32 mm,冬季變化較平緩,每10年減少約0.13 mm,并對其原因進行了分析。空間分布上,河北省大部分地區均為減少趨勢,減少速率最大的區域主要分布在河北東南部平原的東部,而只有豐寧、蔚縣等個別站潛在蒸發量呈微弱上升趨勢。

潛在蒸發量;變化趨勢;時空特征;河北省

0 引言

近年來,由于人類活動的加劇,特別是無序開發和化石燃料的大量使用,造成大氣中溫室氣體濃度明顯升高,氣候變化速度加快,全球氣候變暖日益突出。河北省是我國氣候變化最敏感的區域之一,對全球變暖具有顯著的正響應,又是水資源嚴重匱乏的區域,氣候變化使水資源量日益減少,進而影響到該區生態環境和社會經濟的可持續發展。蒸散(發）既是地表熱量平衡和水量平衡的組成部分,又是水分循環研究中的重要內容[1]。因此,蒸散(發）量的可靠估算對于促進該區水資源的合理利用,深入了解其氣候變化規律及原因具有重要意義。

蒸散(發）研究,尤其是非均勻陸面實際蒸散(發）的研究是一個范圍廣泛的課題,它發生于土壤-植被-大氣系統內,是一個復雜的連續過程[2]。潛在蒸發量反映了大氣的蒸發能力,是蒸發量計算中應用最廣泛的一個參數,它是計算實際蒸發量的基礎[3]。但在實際應用中,很難通過儀器監測區域潛在蒸發量,往往采用不同的計算方法估算區域潛在蒸發量。Priestly等[4]在無平流的假設條件下,建立了潛在蒸發量與凈輻射能量之間的經驗關系; Penman[5]假設在對非飽和陸面供水并使之充分濕潤的過程中,非飽和陸面的凈輻射能量、近地層大氣溫度和水汽壓均保持不變,通過聯立能量平衡方程和水汽傳輸方程,求解潛在蒸發量;Van Bavel[6]假設在對非飽和陸面供水并使之充分濕潤的過程中,近地層大氣溫度和水汽壓及蒸發面溫度均保持不變,通過道爾頓方程計算潛在蒸發量。而在實際計算中,積溫法、蒸發皿蒸發量估算法以其計算方法簡單、資料易收集等優勢,也被廣泛應用于潛在蒸發量的估算[1]。近年來潛在蒸散方面的研究很多,洪嘉璉等[7]對山東南四湖的蒸發量進行了研究,發現蒸發量有減少的規律;李林等[8]對黃河流域蒸散量進行了分析,結果表明黃河流域上游地區蒸散量以3.25 mm/a的速度上升;榮艷淑等[9]對天津地區的潛在蒸發量季節及年際演變特征進行了分析等。而我國多數研究中缺乏對潛在蒸發量計算方法的檢驗,且對河北地區潛在蒸發量的計算方法分析鮮有報道。本文利用大型蒸發池蒸發量對積溫法、蒸發皿蒸發量估算法和P-M公式法進行檢驗分析,確定河北省潛在蒸發量的估算方法,并對該區潛在蒸發量變化的時空特征進行了分析。

1 研究區概況及資料分析

河北省地處中緯度歐亞大陸東岸,地理位置為北緯36°03′～42°40′,東經113°27′～119°50′,屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候,大部分地區四季分明、雨量集中、日照充足、干濕期明顯,年均降水量536 mm,降水季節分配不均,主要集中在夏季,空間分布也極不均勻,降水變率大。受氣候溫濕變化、東亞季風年代際變化、海溫異常、太陽輻射變化等影響,近50年來全省氣候具有暖干化的變化趨勢[10]。在此背景下,河北省潛在蒸發量發生著顯著的變化。

本研究選取中國氣象局國家氣象信息中心提供的在河北(包括京津）均勻分布的23個氣象站點數據,氣象要素有氣溫、降水、大氣壓、相對濕度、平均風速、日照時數等。對各站點數據進行插補后,將研究時段統一為1956-2007年。1956-2003年20 cm蒸發皿年蒸發量資料由河北省氣象局提供,1985-2006年衡水站實際水面蒸發量來自衡水實驗站(河北平原水資源實驗研究站）20 m2大型蒸發池監測數據。采用FORTRAN編程軟件進行數據計算及統計分析,采用A rcGIS軟件進行空間分析。

2 河北省潛在蒸發量計算方法的確定

2.1 幾種潛在蒸發量的計算方法

潛在蒸散量系指高度一致(8～15 cm）、生長旺盛、水分充足、完全覆蓋地面的綠色草叢植被(禾草或苜蓿）的蒸散量[11]。由于不同地區、不同氣候條件下,同一種草的表面形態特征也有差異,為了統一和標準化,FAO用一種假想的參照冠層代替實際的參照作物,給出了潛在蒸散量的新定義[12]:它為一種假想的參照作物冠層的蒸散速率,假設作物高度為12 cm,固定的葉面阻力為70 s/m,反射率為0.23,類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸散量。本文選取積溫法、蒸發皿蒸發量估算法以及P-M公式法3種目前較為常用的估算潛在蒸發量的方法進行研究對比。

2.1.1 積溫法 積溫法常用于氣候區劃中年蒸發量的估算,其計算方便,僅依賴于溫度的變化;但它存在明顯的缺陷,即沒有考慮風速、日照時數、相對濕度等氣候要素變化對蒸發量的影響,導致蒸發量計算值隨著升溫而顯著增大,這可能夸大了氣溫變化的作用。積溫法計算潛在蒸發量公式[13]:

式中:E為潛在蒸發量,T為≥10℃的氣溫,β為修正系數。

2.1.2 蒸發皿蒸發量估量法 我國各氣象臺站用蒸發皿測定實際蒸發量,用小型蒸發皿觀測的蒸發量是氣象臺站常規資料,其累積序列長,可比性較好,與潛在蒸發量之間存在較好的相關性。但由于小型蒸發皿中的水體小,致使水體溫度與自由水面有很大差異,同時日曬和風吹會使蒸發量觀測值比真實水面的蒸發量顯著偏大。故常采用回歸分析法或比例系數法等經驗公式表征潛在蒸發量和蒸發皿蒸發量之間的關系,其表達式為:

式中:E為潛在蒸發量;E0為蒸發皿蒸發量;f為其間的函數關系。

本文采用比例系數法計算饒陽氣象站的潛在蒸發量,經反復驗算,饒陽站潛在蒸發量與蒸發皿蒸發量間的比例系數選取0.65。

2.1.3 P-M公式法 決定蒸發的氣象因子包括為蒸發提供能量的因子和將蒸發表面的水蒸氣分子轉移的因子,主要包括太陽總輻射、氣溫、空氣濕度、風速。Penman公式法綜合考慮能量平衡項和空氣動力項的作用,能較好地表征實際蒸發的狀況。盡管Penman公式物理意義明確,但因為其不是純理論公式,仍包含一些經驗系數,因此在研究過程中推導了各種修正的 Penman公式。為了得到潛在蒸發量, Penman用計算的水面蒸發量乘以經驗系數,并給出了計算水面蒸發的Penman公式[14]以及轉換為潛在蒸發量的經驗系數;Monteith進而提出了以能量平衡和水汽擴散理論為基礎的潛在蒸發量,即P-M模型;聯合國糧農組織(FAO）對此模型進一步修正,作為計算潛在蒸散量的標準方法加以推廣。本文運用修正后的FAO P-M公式計算河北省的潛在蒸發量。其表達式如下:

式中:ET0為潛在蒸發量(mm/d）,Rn為地表凈輻射(MJ/(m2·d））,G為土壤熱通量濃度(MJ/(m2·d））, T為2 m處日平均氣溫(℃）,U2為2 m處風速(m/ s）,es為飽和水汽壓(kpa）,ea為實際水汽壓(kpa）,Δ為水汽壓曲線的斜率 (kpa/℃）,γ為濕度常數(kpa/℃）。

2.2 3種計算結果的評估

在饒陽氣象站附近的衡水實驗站內設有河北省唯一的20m2大型蒸發池,基本代表了天然水體,由其測量的蒸發量基本可代表當地的水面蒸發量;而潛在蒸發量與水面蒸發量具有較好的相關性,故該大型蒸發池測定的蒸發量可作為饒陽潛在蒸發量的參考值,對3種潛在蒸發量計算方法的效果進行評估。

將采用積溫法、蒸發皿蒸發量估算法以及修正的P-M公式計算得到的1985-2006年饒陽站的潛在蒸發量分別與衡水實驗站20m2蒸發池的蒸發量進行統計分析。通過F檢驗可知,除積溫法外,蒸發皿蒸發量法和P-M公式法計算所得的潛在蒸發量與蒸發池的蒸發量的相關性均達到0.01的顯著性水平,其相關系數分別為0.629和0.745。饒陽站1985-2003年蒸發皿估算的潛在蒸發量總體上以89.78 mm/10 a的速度遞減(圖1）,而利用P-M公式計算出的饒陽站逐年潛在蒸發量在1985-2006年(圖1）的氣候傾向率為-12.88 mm/10 a,蒸發量減小幅度比蒸發皿估算的潛在蒸發量小得多。積溫法由于受溫度升高的影響,其估算的潛在蒸發量呈上升趨勢,約以28.02 mm/10 a的速度增加。而對1985-2006年衡水實驗站蒸發池的蒸發量分析表明,其氣候傾向率為-45.12 mm/10 a,呈下降趨勢。由此可知,P-M公式法估算的潛在蒸發量無論在相關性還是在變化趨勢上與衡水實驗站20 m2蒸發池的蒸發量最為接近,表明該方法能較好地表征該區的潛在蒸發量,所以選用P-M公式法計算河北省各站的潛在蒸發量。

圖1 3種潛在蒸發量計算方法估算值與衡水實驗站數據對比Fig.1 Comparison of potential evaporation computed by threemethods

3 河北省潛在蒸發量的演變分析

3.1 潛在蒸發量的時間變化

圖2和圖3給出河北省潛在蒸發量的年際變化和年代距平變化。從圖中可見,河北省年潛在蒸發量呈波動下降趨勢,20世紀60年代達到最大,其后并沒有隨著升溫而繼續增大,相反呈明顯下降趨勢,每10年減少14.53 mm,2001-2007年平均年距平值達-31.43 mm。各季節潛在蒸發量也呈下降趨勢,其中夏季潛在蒸發量波動較大,其下降趨勢最為明顯,每10年減少8.61 mm,秋、春季次之,每10年分別減少2.47 mm、3.32 mm,冬季變化較平緩,每10年減少約0.13 mm。年代距平變化中夏季潛在蒸發量的變化與年值的變化一致,且變化幅度較大。

潛在蒸發量并沒有隨著氣溫升高而增大,反而呈減少趨勢,因為蒸發量是一個很敏感的要素,其變化受多種因素的影響。利用逐步回歸方法計算河北省各站蒸發皿蒸發量與各氣候因子之間的相關系數,可知蒸發量與日照時數、平均風速、氣溫日較差、氣溫呈顯著的正相關,與相對濕度呈負相關。近50年來,日照時數、平均風速和氣溫日較差恰好呈顯著下降趨勢,其可能是影響蒸發量的主要因子。

3.2 潛在蒸發量變化趨勢的空間分布

分析河北省1956-2007年潛在蒸發量的空間變化特征可知,除豐寧、蔚縣等個別站蒸發量呈微弱上升趨勢外,其余站均為下降趨勢(圖4）,降幅一般超過10 mm/10 a。全省蒸發量減少速率最大的區域分布在河北東南部平原的東部,尤以天津、滄州一帶蒸發量減少趨勢顯著,滄州降幅達39.24 mm/10 a。

4 結論

圖4 1956-2007年河北省年蒸發量變化速率空間分布Fig.4 Spatial distribution of variation rate of annual potential evaporation in Hebei Province from 1956 to 2007

本文選取積溫法、蒸發皿蒸發量估算法及修正的彭曼公式法3種目前較為常用的潛在蒸發量估算方法進行研究對比,并選定適合研究區的計算參數,結合河北省唯一的20 m2大型蒸發池實測蒸發量數據,對3種方法進行評估,表明修正的彭曼-蒙特斯公式法能較準確地估算河北省的潛在蒸發量。近50多年來,河北省年潛在蒸發量呈波動下降趨勢,20世紀60年代達到最大,其后并沒有隨著升溫而繼續增大,相反呈明顯下降趨勢;四季中夏季潛在蒸發量下降趨勢明顯,而冬季變化較平緩。河北省潛在蒸發量這種變化趨勢很可能是近50年來日照時數和風速顯著下降所致。空間分布上,全區大部分地區均為減少趨勢,降幅一般在10 mm/10 a以上;減少速率最大的區域主要分布在河北東南部平原的東部,而只有豐寧、蔚縣等個別站蒸發量呈微弱上升趨勢。

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Calculation of Potential Evaporation in Hebeiand Its Changing Trend Analysis

ZHANG Ke-hui,L IU Jian-feng,L IU Fang-yuan,XIAO Si-rong
(Institute of Geographical Sciences,Hebei Academ y of Sciences,Shijiazhuang 050011,China）

The po tential evapo ration is a measure of the evapo ration capacity of the atmosphere.Hebei Province has very poo r water resources and dry-and-warm weather.The study of the changing trend of the potential evaporation w ith time and space in this area is of great impo rtance to have p roper utilization of water resources,and to shed light on the change of climate.In this wo rk,the accumulative temperaturemethod,the evaporation reco rding by evapo rating dishes,and the Penman-Monteith fo rmalism has been used to estimated the po tential evapo ration,w hich are the three methods among the most w idely used ones these days.The comparison of results using these methods with the actual measured result by large-scale evaporating pool suggests that the Penman-Monteith method could reasonably p redict the potential evaporation in Hebei.The reason of this is then briefly discussed.The potential evapo ration in the w hole p rovince is calculated based on the Penman-Monteith method.It is found that the annual po tential evapo ration in Hebei has a trend to decrease overall w ith small fluctuations.It reached the maximum in 1960s,and decreased thereafter,instead of increasing with the continuing increasing temperature.The seasonal potential evaporations have also a trend to decrease over years.The change in summer po tential evapo ration is in good agreement w ith the annual change,w ith the largest decreasing magnitude of 8.61 mm per decade,w hile the change in sp ring and autumn potential evaporation is next to it,w ith a value of 3.32 mm and 2.47 mm per decade,respectively.The change in w inter potential evapo ration is the lease with a valueof 0.13mm per decade.Regarding the area distribution,most of the area hasa decreasing trend and the eastof the southeast p lain in Hebei has the largest decreasing rate.Only a few stations,like Fengning and Yuxian have slight increase in the evaporation.

potential evaporation;changing trend;spatial-tempo ral character;Hebei

P426.2

A

1672-0504(2010）06-0075-04

2010-08-03;

2010-10-12

河北省科學院科技計劃項目(10115、09927、07108）;河北省科技廳計劃項目(09276722）

張可慧(1973-）,女,碩士,高級工程師,主要研究方向為國土遙感與氣候環境。E-mail:zhkhui2002@yahoo.com.cn