毛烏素沙地不同水面蒸發器折算系數研究

楊亮彥，孟婷婷，武 丹

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，西安710021；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安710021；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，西安710075）

0 引 言

蒸散發是地球表面水量和熱量平衡的重要組成部分，在全球水循環和能量循環中扮演重要的角色[1]。蒸散發不僅影響著農作物的生長發育與產量，而且具有調節氣候[2]、監測農業旱情[3]的作用，被廣泛應用于土壤學、水文學、氣候學、生態學和環境科學等領域[4-8]。因此陸面蒸散發的研究對研究區內的氣候變化、水資源合理配置、生態環境建設以及農業林業的發展具有重要的指導意義[9]。

水面蒸發量是反映蒸散發最直接的資料，也是遙感反演地表蒸散發最主要的地面驗證數據。目前我國的水面蒸發量是通過氣象站不同蒸發器進行監測，以獲取近似于站點附近自然水體蒸發量的數據。我國主流的蒸發器有20 cm 口徑小型蒸發器和E-601 型蒸發器。其中20 cm 口徑小型蒸發器的資料開始于20 世紀50年代，具有資料連續性好、分布廣泛等優勢，是我國氣候研究的重要基礎資料[10]。但20 cm 口徑小型蒸發器因自身結構的缺陷，不能代表氣象站的實際蒸發量，部分地區逐漸被E-601型蒸發器所替代。E-601型蒸發器所測數據更加接近實際蒸發量，但其時間連續性較短，且無法在北部地區的冬季進行測量，缺少冬季及全年蒸發總量數據[11]。由于受溫濕度和風速等氣候因子、季節、觀測場周圍的地形、地物、蒸發器的幾何尺寸、結構、安裝方式和材料等因素的影響，各種儀器的實測水面蒸發值相差懸殊，為了得到長時間序列的水面蒸發量，需要確定各種儀器的水面蒸發量折算系數[12,13]。

我國已有不少學者對不同類型蒸發器的折算系數進行了研究，任芝花等利用E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器3年平行對比觀測數據探究了全國區域內兩種蒸發器的折算系數，并得出北方小，南方大，山地比平原略大的結論[14]。胡順軍等利用塔里木河流域1982-1987年和2000-2002年同步觀測蒸發資料估算了小型蒸發器對20 m2水面蒸發池的水面蒸發折算系數，并得出了水面蒸發折算系數年際變化較小但呈逐年下降趨勢的結論[13]。柴小輝利用E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器1987-2012年觀測資料，分析了草壩水文站兩種蒸發器間的相互關系及折算系數[15]。此外，還有諸多學者[16-20]均對E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器的折算系數進行了研究。但以上研究，存在時間跨度短、數據來自單一站點、研究結果區域推廣精度不足等不同的問題，無法滿足毛烏素沙地遙感反演地表蒸散發、水文調查等科學研究需求。

毛烏素沙地氣候干旱，是我國荒漠草原—草原—森林草原的過渡地帶，生態環境十分脆弱，是國內外學者研究地表蒸散發的熱點區域[21]。但是地表驗證數據的缺失成為遙感反演地表蒸散發的一大障礙，氣象站水面蒸發量監測數據成為遙感反演地表蒸散發地面驗證數據的最好補充，但同時氣象站水面蒸發器的異構型導致監測數據存在較大的差異性，因此，針對以上存在的問題，明確毛烏素沙地不同蒸發器之間的折算系數十分有必要。本文基于1990-2017年毛烏素沙地氣象站蒸發量數據，分析研究區內各氣象站水面蒸發器不同月份的折算系數，獲取研究區近28年連續的水面蒸發量數據，并探究在全球氣候變化和人類活動下研究區水面年蒸發量的時間和空間變化，為毛烏素沙地遙感反演地表蒸散發研究提供數據支持。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

毛烏素沙地位于榆林市北部、鄂爾多斯市南部及鹽池縣東北部（37.45°～39.37°N，107.67°～110.67°E）（圖1），其平均海拔為1 300 m 左右，由東到西逐漸遞增，南部最高達1 900 m。毛烏素沙地處于干旱、半干旱過渡區，是我國典型的農牧交錯帶，西北主要為牧業區、東南向農業區過渡、東部向礦區過渡[22]。其年均溫7 ℃左右，年降水量250～440 mm，由西向東南方向遞增，毛烏素沙地水體分布不均，西北部干旱缺水，東南部地表水與地下水都較為充足，河流眾多，其中無定河、禿尾河、窟野河等河流貫穿沙地的東南部。

1.2 數據來源

氣象數據來源于中國氣象數據網（https：//data.cma.cn/），研究區內共有7個國家氣象站點，分別為橫山站（53740）、靖邊站（53735）、定邊站（53725）、鹽池站（53723）、神木站（53651）、榆林站（53646）、鄂托克旗站（53529），選取各氣象站點1990-2017年每日蒸發數據進行整理分析發現，各站資料雖然數據準確，可靠性良好，但各氣象站均存在兩種不同水面蒸發器監測數據受限制的問題，導致E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器均有部分蒸發量數據缺失。20 cm 口徑小型蒸發器主要缺失2002年后5-9月數據，E-601 型蒸發器主要缺失1-3月和10-12月數據。

2 結果分析

2.1 不同蒸發器折算系數研究

E-601 型和20 cm 口徑小型水面蒸發器在儀器結構、設置方案、觀測方法等存在差異，見表1[23]。因此為了保持各站資料的連續性和一致性，需探究兩種水面蒸發器的折算系數，進行數據統一化。計算公式為：

式中：EE-601為E-601 水面蒸發器監測的水面蒸發量；E20為20 cm 口徑小型蒸發器監測的水面蒸發量；K為E-601 型蒸發器和20 cm 口徑小型蒸發器的折算系數。對收集時段部分站點存在個別資料缺失的，采用臨近內插法進行填充。

表1 E-601型和20 cm口徑小型蒸發器的裝置參數Tab.1 Device parameters of E-601 and 20 cm caliber small evaporators

通過對橫山、定邊、鹽池、榆林和鄂托克旗5個氣象站點（靖邊和神木缺失兩種水面蒸發器同時期數據）同時期20 cm口徑小型水面蒸發器和E-601 型水面蒸發器的數據進行分析，結果見表2。橫山、定邊、鹽池、榆林和鄂托克旗的E-601 型和20 cm口徑小型蒸散發器的折算系數分別為0.600 3、0.642 1、0.658 2、0.664 9 和0.561 6，平均折算系數為0.632 4。5 個氣象站蒸發器監測數據的相關系數分別為0.983 1、0.950 8、0.976 7、0.937 8 和0.961 9，綜合統計5 個氣象站點兩種水面蒸發量的相關系數為0.952 9，均超過0.9。表明E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器的數據合理、準確，且具有較好的可靠性和一致性，能夠利用折算系數進行相互轉化。

表2 毛烏素沙地部分氣象站點非結冰期水面蒸發折算系數Tab.2 Conversion coefficient of water surface evaporation during non-freezing period at some meteorological stations in Mu Us Sandy Land

但考慮到E-601 型和20cm 口徑小型水面蒸發器的折算系數受環境影響較大，因此需分析不同月份的兩種水面蒸發器的折算系數。綜合考慮樣本數量，選取樣本數較多的定邊站和榆林站進行非凍冰期的5-9月折算系數研究，結果見表3 和表4。定邊站5-9月的水面蒸發量折算系數為0.625 7～0.666 2，榆林站的水面蒸發量折算系數為0.634 8～0.694 2。且兩個站點均出現折算系數逐月漸增大的現象，其可能的原因是小型蒸發器距離地面70 cm，而E-601 水面蒸發器嵌入地面，5-9月氣溫開始大幅度上升，地表溫度上升速度較快，此時地表溫度對水面蒸發量的影響貢獻增大，導致E-601 型蒸發器監測的值相對于小型蒸發器逐漸變大，從而引起兩種蒸發器折算系數逐月增大的現象。

表3 定邊站5-9月E-601型和小型蒸發器折算系數Tab.3 Conversion coefficient of E-601 and small evaporator in Dingbian station from May to September

表4 榆林站5-9月E-601型和小型蒸發器折算系數Tab.4 Conversion coefficient of E-601 and small evaporator in Yulin station from May to September

通過毛烏素沙地不同站點的蒸發量折算系數分析，毛烏素沙地E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器折算系數在0.561 6～0.664 9 之間，全流域采用平均折算系數0.632 4。不同月份折算系數存在差異，定邊站5-9月折算系數為0.625 7～0.666 2，平均折算系數0.646 9；榆林站5-9月折算系數為0.634 8～0.694 2，平均折算系數0.669 7。

2.2 水面蒸發量時空分布特征

2.2.1 水面蒸發量年內變化

通過對毛烏素沙地區域內7個氣象站的氣溫資料進行統計分析，毛烏素沙地四季分明，春夏秋冬季分別為3-5月、6-8月、9-11月和12月-次年2月份。分析毛烏素沙地7 個氣象站1990-2017年逐月平均水面蒸發量見圖2。由圖2可知，7個氣象站監測的月水面蒸發量變化規律一致，呈周期性變化，月水面蒸發量最大值在6月份，最小值在1月份。但月水面蒸發量和氣溫的變化規律出現差異性，氣溫的最高值在7月份，月水面蒸發量的最高值與氣溫存在1個月的差異性，可能的原因是7-9月為毛烏素沙地的雨季，除氣溫外，水溫、水汽壓和日照時數等因素對水面蒸發量也有一定的影響。毛烏素沙地水面蒸發量年內分布不均，其中5-7月份的3 個月的蒸發量占全年的44.5%。

2.2.2 水面蒸發量年際變化

統計毛烏素沙地7 個氣象站監測的年水面蒸發量見圖3 和表5。由圖3 和表5 可知，毛烏素沙地各站點多年水面蒸發量變化規律一致，平均年水面蒸發量為2 038.1 mm。從歷年總蒸發量變化過程分析，毛烏素沙地水面蒸發量逐年變化呈波動性，且水面蒸發量年際變化有顯著逐漸下降的趨勢，平均每10年減少了64.3 mm。各氣象站監測的水面蒸發量年際變化較大，從毛烏素沙地西南到西北呈逐漸變大的總體趨勢，蒸發量相差在400 mm 以上，極差為465.7～788.1 mm，極差比為1.28～1.45。

表5 毛烏素沙地各氣象站年水面蒸發量Tab.5 Annual water surface evaporation of meteorological stations in Mu Us Sandy Land

3 結論與討論

基于收集和整理的1990-2017年氣象站水面蒸發量數據，探究了毛烏素沙地E-601 型和20 cm 口徑小型水面蒸發器的折算系數，分析了水面蒸發量的時空特征。得到如下結論：

（1）毛烏素沙地E-601 型與20 cm 口徑小型蒸發器的折算系數在0.561 6～0.664 9 之間，全流域采用平均折算系數0.632 4，其中不同氣象站的折算系數受環境和氣候的影響，存在一定的差異性，且兩種蒸發器的水面蒸發量折算系數在5-9月逐月增大。

（2）毛烏素沙地7個氣象站監測的水面蒸發量在年內變化規律一致，呈周期性變化，水面蒸發量最大值在6月份，最小值在1月份。但年內水面蒸發量與氣溫的變化規律出現差異性，氣溫的最高值在7月份，年內水面蒸發量最大值與氣溫相比存在1個月的差異性。

（3）毛烏素沙地水面蒸發量逐年變化呈波動性，年蒸發量在變化過程中有顯著逐漸下降的趨勢，平均每10年減少了64.3 mm。在空間分布上，從西南到西北呈逐漸變大的總體趨勢，蒸發量相差在400 mm 以上，極差為465.7～788.1 mm，極差比為1.28～1.45。

中國蒸發器的材質、型號和規格對測定水面蒸發量影響顯著[7]。E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器作為我國主流的水面蒸發器，在氣象站監測數據中能夠相互補充，但同時兩者的折算系數在不同區域存在差異性。本研究利用7個氣象站監測數據，探究了毛烏素沙地區E-601 型和20cm 口徑小型蒸發器的折算系數在0.561 6～0.664 9 之間，與盛瓊[10]的研究結果基本一致。中國西南地區多年平均月折算系數變化范圍為0.65～0.85，多年平均折算系數為0.75[18]，遠大于毛烏素沙地區，表明E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發器的折算系數存在北方小，南方大，濕潤區大于干旱區的特點。毛烏素沙地各氣象站5-9月的折算系數逐月增大，春季小，秋季大，與任芝花[14]的研究結果一致。毛烏素沙地水面蒸發量年內最大值與氣溫存在一定的差異性，表明風速、飽和水汽壓及日照數等環境也是影響水面蒸發量的主要因素，與金林[16]的研究成果相符。在全球氣候變暖的背景下，年際蒸發量不斷下降，其原因可能是毛烏素沙地在退耕還林還草、植樹造林等生態工程的治理下，研究區生態環境得到有效恢復，空氣濕度有所上升。因此需繼續堅持生態工程的實施，提高毛烏素沙地的生態環境質量。

影響毛烏素沙地水面蒸發量變化的因素較多，本研究僅發現了其與氣溫的差異性，并未定量化分析其他因素對水面蒸發量的貢獻度，這是日后研究的重點和難點。由于數據量的匱乏，文中未詳細分析每個氣象站每月的折算系數，在后期的研究中需在研究區建立水面蒸發量監測站，收集長時間序列的兩種蒸發器資料，為深入研究折算系數K值提供數據支撐。