阿克蘇流域可能蒸發量的計算

霍 文，楊 青，李 楊，秦 賀

（1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區氣象臺，烏魯木齊 830002）

蒸發是生態系統水分循環與水量平衡的重要組成部分，直接關系著地表能量平衡和水量平衡［1］。氣候變化影響水循環的各個環節，除通過降水和氣溫變化影響流域徑流的時空變化外，同時通過不同的方式對蒸發能力產生影響［2］。流域總蒸發又是水量平衡的組成要素。因流域內氣象條件與下墊面情況組合極為復雜，大面積范圍內無法準確獲得各單項蒸散發量，故目前多從綜合角度估算推求流域總蒸發量。較普遍的是采用水量平衡法，即根據降水、徑流、流域蓄水量的變化等資料估算；也有利用太陽輻射、降水、氣溫等氣象要素，建立經驗、半經驗公式進行估算。流域總蒸發的計量單位，以時段內單位面積蒸發的水層深度（mm）表示。大范圍內的流域蒸發，一般用等值線圖表示其分布和變化規律。其大小受流域的熱狀況、水分供應條件及下墊面組成要素狀況的影響。中國冬季流域蒸發量小，夏季7－9月是全年蒸發量最大的月份。就蒸發而言計算方法很多，計算公式可歸納為5類:（1）空氣動力學法。空氣絕熱狀態下，且下墊面（如土壤和植物等表面）條件均勻一致時，水汽的水平通量為零，根據分子運動理論，研究蒸發面與空氣層之間的熱量和水汽的亂流交換，由亂流交換系數和濕度梯度可計算出垂直水汽通量即蒸發量。（2）能量平衡法。該法是通過太陽輻射平衡計算，根據能量守恒原理求出供給蒸發的能量來確定蒸發的。上述的兩種方法﹐均屬于微氣象學方法［2］。（3）綜合方法。包括各種利用氣象要素的方法，如英國彭曼法和前蘇聯布德克法等。目前國際上比較常用的是彭曼法。該法是從英國的自然地理條件出發提出的一種計算模型﹐考慮不同蒸發面的性質用不同的經驗系數﹐可以得到比較接近實際的結果。（4）溫度公式。是以氣溫作為蒸發計算的主要素，實際是一種純經驗的方法，其計算比較簡單，但經驗性強，適用性差。（5）水量平衡法。基于水量平衡的多種因子。如降水﹑徑流﹑土壤濕度等平衡要素的計算。此法分為流域水文資料計算和高空氣象計算兩種。近年來國際上流域蒸發量計算方法發展很快，對能量和大氣湍流交換進行數值模擬和利用遙感信息計算蒸發量的方法，均是極有前景的新方向。可能蒸發是蒸發計算中應用廣泛的一個參數，同時可能蒸發是計算實際蒸發量的基礎，可能蒸發量的準確性，直接影響實際蒸發、蒸散的結果。而可能蒸發的概念也是20世紀40年代由Thornthwaite和penman提出來的，而彭曼公式計算可能蒸發時所需要的氣象資料都是常規觀測資料，比較容易得到，便于使用，對蒸發能力計算方法的評估時，也認為彭曼法可用于計算各種時段的蒸發能力，且有較高精度［2］。20世紀90年代，聯合國糧農組織（FAO）將Penman－Monteith公式確定為計算參考作物蒸散量（RET）的標準方法［4］。因此，本文首先采用彭曼－蒙特斯方法計算阿克蘇流域氣象單站的可能蒸發量，其次通過插值計算阿克蘇流域可能蒸發量。客觀地分析阿克蘇流域可能蒸發量，可為區域生態環境治理和改善及農業可持續發展提供理論依據，對研究干旱區綠洲氣候變化有參考價值。

1 資料與方法

1.1 資料

阿克蘇流域內氣象站較為稀少，分布也非網格狀，且不均勻，為了提高計算的精確度及穩定性，我們選取阿克蘇河流域及其周邊站點烏什、阿克蘇、溫宿、拜城、新和、沙雅、庫車、柯坪、阿瓦提等9個氣象站。1961－2000年最高溫度、最低溫度、風速等氣象要素日資料計算出單站日可能蒸發量，通過插值計算阿克蘇流域的年平均可能蒸發量。

1.2 氣象單站的可能蒸發量計算方法及其計算流域可能蒸發量插值方法

1.2.1 彭曼－蒙特斯公式的基本形式 其一般形式可表示為

式中:Er——熱力或能量過程產生的蒸發；Ea——動力作用產生的蒸發；γ——常數（0.067）；Δ——飽和水汽壓曲線的斜率，而溫度為t℃時的飽和水汽壓可以按馬格奴斯經驗公式推求（近似地，不分水面與冰面，在下式中可統一取a＝17.27，b＝237.3），則其一般形式又可表示為

可能蒸發量或蒸發能力的計算，是在上式的基礎上修訂而得到的。太陽輻射是對ET0影響最大的氣象要素。在沒有太陽輻射及日照觀測數據時，可采用下列方法補差:用本氣象站的最高和最低氣溫觀測數據計算太陽輻射。日最高氣溫和最低氣溫之差與當天的天空云量有關，而天空云量是影響太陽輻射的主要因素。Hard graves首先提出最高氣溫和最低氣溫之差與太陽輻射的關系，Allen等人修正了Hard graves方程，得到下列關系式［2］:

式中:RS——補差的太陽輻射［MJ／（m2·d）］；Ra——外空輻射［MJ／（m2·d）］；Tmax——最高溫度（℃）；Tmin——最低溫度（℃）；Kr——調節系數（℃－1／2）；對內陸地區通常取0.17，而對沿海地區為0.19。

Ra可由下式計算:

式中:dr——計算日的日地相對距離值:地球距離太陽的遠點距離為1.52×108km，近點距離為1.47×108km，平均為1.5×108km；ws——太陽時角；f——測站的緯度（北半球為正值，弧度）；d——日傾角（弧角）。ws和d分別由下式計算:

假定補差輻射即為可用于蒸發的能量，根據已有的氣象理論公式，可推得可能蒸發量的計算公式:

式中:λ——常數2.501；U2——2m 高的風速；D——飽和水汽壓與實際水汽壓之差；Rs——補差的太陽輻射。

1.2.2 其他參數假定

（1）按對數律［2］近似得到2m高的風速計算公式:

式中:U10——10～12m高度的氣象站的實測風速［5］。

（2）相對濕度用來計算實際水汽壓（ed）當濕度缺測或數據可靠性有問題時，實際水汽壓可用最低氣溫（Tmin）近似計算［2］。

該式的基本假定條件是日最低氣溫（Tmin）近似等于露點溫度（Tmin），即當夜間氣溫降至最低時，空氣濕度接近飽和（RH≈100%），這對地表有草覆蓋的氣象站，大多數時期內是能夠滿足的。

Tetens公式（1930）

冰面與水面相比，水分子不易脫離，故冰面飽和水汽壓比水面低些，滿足下列經驗公式:

上述公式也稱為Magnus公式。在這里采用水面或者冰面公式來計算飽和水汽壓與實際水汽壓之差，判定條件為，當日平均溫度大于或者等于0℃時，計算采用公式（10）水面公式計算水汽壓差D；當日平均溫度小于0℃時，計算采用（11）水面公式計算水汽壓差D；

1980年Bolton給出了對Tetens公式的修正:

1.3 插值計算方法

以DEM數據為基礎，采用梯度距離平方反比法（GIDS）作為差值公式，計算區域內每個網格點l的蒸發值E:

式中:Xl、Xj和Yl、Yj分別為待估點l與氣象站點j的X、Y軸坐標值；Zl、Zj為待估點l與氣象站點j的海拔高度；dj——待估點l與第j個氣象站點的大圓距離；a0、a1、a2是蒸發量與X、Y 及海拔高度回歸系數，由下式可求出:

選定的參考點為（72°E，32°N），以求出氣象站點和各計算點的坐標值。計算可得每個網格點的可能蒸發量。

2 結果分析

2.1 單站可能蒸發量分析

新疆屬于典型的干旱區，在干旱區就普遍意義而言，可能蒸發量值很高，因為全年日照強烈，平均溫度較高，因此全年降水量較少，所以其實際蒸發量不具有這么大的值，即使在濕潤地區或者年降水量較大的地區也并不能時刻保證土壤有充足的水分供應條件，因此最大可能蒸發量ET只是大區域實際蒸發量的上限。

根據彭曼公式計算得到9個氣象站參考蒸散發量的變化特征如表1。從表中可以看出，各個氣象站1961－2000年平均可能蒸發量存在一定差別，烏什氣象站海拔最高1395 .8m，可能蒸發量年均值最小（1262 .8mm）；沙雅氣象站海拔最低980.4m，可能蒸發量年均值（1353 .5mm）；阿瓦提氣象站海拔最低1044 .3m，可能蒸發量年均值最大（1493 .3mm）阿克蘇、溫宿站所在的綠洲區的可能蒸發量在1340 mm左右。就阿克蘇流域單站而言，海拔高的站點可能蒸發量較小，海拔相對較低的站點可能蒸發量較大。氣溫隨海拔高度的增加而降低，相對濕度一般隨海拔高度增加而增大，所以蒸發量一般隨海拔的增高而減少。隨著時間序列的推移，各站的可能蒸發量年代際均值呈現遞減的趨勢，阿克蘇單站可能蒸發量40a遞減差值為34.5mm。據研究表明，從1960－2000年，由于灌溉引水的變化，阿克蘇綠洲耗水量顯著增大，同時綠洲年平均風速下降，年平均相對濕度增大，使綠洲年潛在蒸散發量呈顯著下降趨勢［2］。

在全球變暖的大背景下，國內外很多學者研究表明，很多區域的潛在蒸散發量具有顯著下降的趨勢［9－12］。而目前為止對潛在蒸散發下降的影響因素已有較多研究［12－14］，一方面認為潛在蒸散發的下降主要受到輻射和風速等自然因素變化的影響［14－15］，另一方面則認為潛在蒸散發的下降是陸面實際蒸散發增大的結果，與區域水文循環的變化有著緊密聯系，且受到人類活動的顯著影響。雖然潛在蒸散發量與本文所計算的可能蒸發量的概念有所區別，但是隨時間序列的變化趨勢大致相同，而影響蒸發的氣象要素主要是溫度、風速、濕度、輻射的變化，我們計算的可能蒸發量更接近實際蒸發量，但并不是實際蒸發量，而是實際蒸發量的上限。而潛在蒸散發是各個氣象站蒸發皿觀測值，只是蒸發反映了單站或者區域的蒸發能力的大小，因此，本文計算的可能蒸發量更具有實際意義。通過單站40a潛在蒸散發的觀測值和計算值對比，觀測值明顯大于計算值，差值區間為110～1255 mm，總體來看，其中海拔較低阿瓦提、溫宿、阿克蘇差值較小，海拔較高的烏什、庫車、柯平差值較大。說明計算值在海拔相對較低的區域精度較高，在海拔較高的區域差值相對較大。

表1 單站40a潛在蒸散發觀測均值和可能蒸發量年均值 mm

2.2 阿克蘇流域的年平均可能蒸發量分析

由圖1可知，阿克蘇流域可能蒸發量分布不均勻，整個流域靠近天山山脈的托木爾峰附近可能蒸發量最小，年均值約在600mm左右，阿拉爾以及阿瓦提一帶可能蒸發量最大，年均值約在1400 mm以上，最大地區可達1600 mm。流域的西南至東北一帶可能蒸發量較小約在1000 mm以下，流域東南部阿克蘇以及溫宿一帶年均值可能蒸發量也較大，約在1400 mm左右，流域中部阿合奇、烏什一帶可能蒸發量年均值也達到了1200 mm，整個流域西部可能蒸發量年均值在1000 mm左右，流域北部的可能蒸發量年均值分布比較均勻，約為800～1000 mm，靠近天山南坡的部分地區隨著海拔的上升，平均溫度的下降，可能蒸發量的年均值達到700mm左右，整個流域天山山區附近一帶可能蒸發量要明顯小于流域以內靠近塔里木盆地的天山南坡的山前沖積平原地區，可能蒸發量的總體變化趨勢是隨著海拔高度的降低而逐漸增大。計算整個阿克蘇流域年平均可能蒸發量約為848.3億 m3。

阿克蘇、溫宿至阿拉爾一帶可能蒸發量較大在1400 mm以上，阿克蘇流域北部山區可能蒸發量較小，特別是東北部的山區的可能蒸發量最小，基本上在800mm以下。可能蒸發量是溫度和風速的函數，溫度是水汽傳播速度及水汽接納能力的影響要素，風速的大小影響了對紊流擴散的強度和干濕空氣的交換速度，山區溫度遠遠低于阿克蘇流域西部及東南部阿克蘇－阿拉爾一帶。雖然阿克蘇流域天山山區一帶，早晚山谷風較其他地區較大，但是干濕空氣之間的差異很小，這取決于新疆本身的地理因素。但應指出，由于風速是隨高度增加而增大的，因此蒸發量隨著海拔增加而遞減的速度便大大減小，此外，由于山區地形變化，也導致蒸發量隨著海拔增加而變小，但總的來說，這些都是次要或局部的因素，而主要是蒸發量隨海拔增高而遞減。所以在阿克蘇流域風速對可能蒸發量的影響要小于海拔變化和溫度的影響。因此，在阿克蘇流域，海拔高差變化和溫、濕度是影響可能蒸發量大小的主要因素。

圖1 阿克蘇流域可能蒸發量分布圖

3 結論

（1）阿克蘇流域年平均可能蒸發量約為848.3億m3，且分布不均勻，最大值達到1600 mm，最小值約為600mm。可能蒸發量的總體變化趨勢是隨著海拔高度的降低而逐漸增大，隨著平均溫度的增大而逐漸增大。就單站而言，海拔高的站點可能蒸發量較小，海拔相對較低的站點可能蒸發量較大。觀測值和計算值對比，海拔低的區域精度高，海拔高的區域精度低。

（2）雖然阿克蘇流域山谷風環流明顯，但是由于流域當地空氣中濕度差異不大，干濕空氣交換不如降水量充分的地區。因此，風速對可能蒸發量的影響要明顯小于溫度。在阿克蘇流域，海拔高差和溫、濕度的變化才是影響可能蒸發量大小的主要因素。

（3）整個阿克蘇流域的可能蒸發量很大，但是實際蒸發量的值卻很小，這主要取決于空氣中的水汽含量和下墊面的水分條件，雖然阿克蘇流域和天山南坡年降水量要大于南疆大部分地區，但是相對于蒸發能力而言，卻微乎其微。因此，可能蒸發量只是阿克蘇流域區域實際蒸發量的區間上限。

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