基于雙源蒸發(fā)模型的遼寧東部山丘區(qū)潛在蒸散發(fā)計算的適用性分析

鄭曉霞

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

潛在蒸散發(fā)是區(qū)域水循環(huán)研究的重要內(nèi)容，和區(qū)域植被以及氣候條件密切相關(guān)[1]。相關(guān)研究表明：陸面降水中約為65%的比例通過蒸散發(fā)的形式進入大氣中，而對于干旱地區(qū)而言該比例將超過90%[2]。此外，地表吸收太陽和大氣輻射的增溫影響將被地表水分蒸發(fā)的降溫影響所平衡，從而使得地表溫度趨于穩(wěn)定變化的范圍[3]。因此，對于區(qū)域潛在蒸散發(fā)進行合理估算研究意義重大。

下墊面充分供水條件下的蒸發(fā)量定義為潛在蒸散發(fā)，而潛在蒸散發(fā)的大小和區(qū)域氣候條件以及下墊面特征密切相關(guān)。傳統(tǒng)蒸散發(fā)經(jīng)驗估算模型如Hargreaves模型和Priestley-Taylor模型大都僅考慮氣候條件對潛在蒸散發(fā)的影響，而對植被蒸騰影響有所忽略。具有物理機制的P-M模型只考慮了植被蒸發(fā)的影響，未考慮土壤蒸發(fā)。莫興國等[4]在前人研究基礎(chǔ)上，提出了可綜合考慮土壤和植被兩個相對獨立源匯項的雙源蒸發(fā)模型，并對模型進行了改進，經(jīng)過在國內(nèi)一些區(qū)域的應用后[5-7]，潛在蒸散發(fā)計算精度均較傳統(tǒng)經(jīng)驗和物理機制的模型有所改善，但在遼寧東部還未進行相關(guān)應用。遼寧東部山區(qū)植被覆蓋率較高，區(qū)域多年蒸發(fā)量均值約為700mm，近些年來，遼東地區(qū)水生態(tài)受氣候變化和人類活動影響逐步加大，為對區(qū)域水生態(tài)變化進行評估，亟須對區(qū)域潛在蒸散發(fā)進行分析。為提高計算精度，本文采用雙源蒸發(fā)模型，并對遼東山丘區(qū)潛在蒸發(fā)的計算進行了適用性分析，研究成果對于準確評估遼東山丘區(qū)水生態(tài)變化具有重要的支撐作用。

1 模型原理

土壤蒸發(fā)和植被蒸騰作為相互獨立的源匯項，在雙源蒸發(fā)模型中分別進行能量平衡計算，模型結(jié)構(gòu)見圖1。兩個獨立源匯項計算方程如下。

圖1 雙源蒸發(fā)模型計算框

植被冠層截留蒸發(fā)Ei計算方程：

(1)

植被蒸騰能力EPC計算方程：

(2)

土壤蒸發(fā)能力EPS計算方程：

(3)

2 模型應用

2.1 區(qū)域概況

遼寧東部主要包括丹東和本溪市，為遼寧省典型的山丘區(qū)，由表1可見，遼寧東部不同年份土地利用變化類型中林地占比可達到70%以上，屬于植被覆蓋率較高的區(qū)域，旱地作為農(nóng)業(yè)用地占比在13.46%～22.87%之間。遼東地區(qū)蒸發(fā)總體變化較小，多年蒸發(fā)量均值為700mm左右，夏季降水量較大，蒸發(fā)也較大，夏季蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的70%以上，進入秋季和冬季后，隨著植被覆蓋度的減少，區(qū)域蒸發(fā)量逐步下降，秋季和冬季蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的10%左右。春季隨著植被覆蓋度和氣溫的升高，蒸發(fā)量逐步增大，春季蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的20%左右。

表1 遼寧東部山丘區(qū)不同年份土地利用類型占比統(tǒng)計 單位：%

2.2 模型輸入數(shù)據(jù)及植被參數(shù)

雙源蒸發(fā)模型需要下墊面特征和氣象要素數(shù)據(jù)作為模型的輸入，參數(shù)主要為植被覆蓋度相關(guān)參數(shù)，模型所需要輸入的數(shù)據(jù)見表2。結(jié)合相關(guān)研究成果對遼東山丘區(qū)不同植被類型的相關(guān)參數(shù)進行確定[8]，植被相關(guān)參數(shù)見表3。

表2 模型輸入數(shù)據(jù)

表3 不同植被參數(shù)

2.3 年尺度潛在蒸散發(fā)計算精度分析

分別采用傳統(tǒng)單源蒸發(fā)和雙源蒸發(fā)模型，結(jié)合區(qū)域?qū)崪y蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對比分析兩種計算模型在遼東山丘區(qū)年尺度潛在蒸散發(fā)的計算精度，見圖2。

圖2 兩種模型潛在蒸散發(fā)與實測蒸發(fā)的相關(guān)性分析

從圖2中可看出，雙源蒸發(fā)模型計算的潛在蒸發(fā)值和實測蒸發(fā)值在年尺度上相關(guān)系數(shù)可達到0.62，而傳統(tǒng)單源蒸發(fā)模型的相關(guān)系數(shù)為0.41，相比于傳統(tǒng)單源蒸發(fā)，雙源蒸發(fā)在年尺度潛在蒸散發(fā)計算的相關(guān)系數(shù)提高0.21，這主要是因為遼東地區(qū)植被覆蓋度較高，單一考慮氣候條件對蒸發(fā)的影響，而忽略植被蒸騰的影響，具有較大局限性，而雙源蒸發(fā)模型可綜合考慮氣象、下墊面特征的影響，使得潛在蒸發(fā)量的計算更符合區(qū)域?qū)嶋H的氣候、植被蒸發(fā)的特征，更接近實測值。

2.4 季節(jié)尺度潛在蒸發(fā)計算精度分析

對比遼東地區(qū)兩種蒸發(fā)模型在不同季節(jié)的潛在蒸發(fā)計算值和實測蒸發(fā)值的相關(guān)性，見圖3、圖4。

圖3 傳統(tǒng)單源蒸發(fā)模型計算的不同季節(jié)潛在蒸發(fā)值和實測值相關(guān)性分析結(jié)果

圖4 雙源蒸發(fā)模型計算的不同季節(jié)潛在蒸發(fā)值和實測值相關(guān)性分析結(jié)果

從兩種模型計算的各季節(jié)潛在蒸發(fā)和實測蒸發(fā)的相關(guān)性分析可看出，夏季兩種模型的計算值和實測值的相關(guān)系數(shù)最高，傳統(tǒng)單源蒸發(fā)模型考慮氣象條件對蒸發(fā)的影響，夏季遼東山丘區(qū)氣溫高且降水量較為充分，因此蒸發(fā)量大，其他因素對蒸發(fā)的影響程度較小，使得其和實測值相關(guān)性最高。而雙源蒸發(fā)模型可綜合考慮氣象、下墊面特征，尤其是在夏季，植被覆蓋度最高，因此其夏季的相關(guān)性也最高。而在春季和冬季，由于氣溫低、植被覆蓋度低，使得兩種模型計算的潛在蒸發(fā)和實測蒸發(fā)的相關(guān)性都有所降低。從兩種模型潛在蒸發(fā)計算精度可看出，在不同季節(jié)雙源蒸發(fā)模型的計算精度均好于傳統(tǒng)單一蒸發(fā)模型。

2.5 月尺度潛在蒸發(fā)計算精度分析結(jié)果

分別對比兩種蒸發(fā)模型在遼東山丘區(qū)月尺度蒸發(fā)的計算精度，對比結(jié)果見表4，并對各月份蒸發(fā)變化過程的擬合度進行分析，見圖5。

表4 不同模型在遼東山丘區(qū)各月蒸發(fā)計算值和實測值的對比

從圖5分析結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)考慮氣象要素的單源蒸發(fā)模型，雙源蒸發(fā)模型在各月份的潛在蒸發(fā)計算值和實測蒸發(fā)數(shù)據(jù)吻合度更高，尤其是在夏季、秋季。這主要因為雙源蒸發(fā)模型可綜合考慮氣象、植被對潛在蒸發(fā)的影響，相比于單一考慮氣象要素的單源蒸發(fā)模型更符合遼東山丘區(qū)夏季和秋季潛在蒸發(fā)量較大的變化特征。潛在蒸發(fā)是在供水充分條件下的區(qū)域蒸發(fā)量，因此兩種蒸發(fā)模型計算的潛在蒸發(fā)量要高于蒸發(fā)皿觀測的水面蒸發(fā)量。

3 結(jié) 論

經(jīng)過對比兩種模型計算的潛在蒸散發(fā)結(jié)果得出的結(jié)論總體如下：

雙源蒸發(fā)模型可綜合考慮植被和氣象條件對潛在蒸散發(fā)的影響，更適合于植被覆蓋度較高區(qū)域的蒸散發(fā)計算，在不同時間尺度下雙源蒸發(fā)模型的計算精度都明顯好于傳統(tǒng)的單源蒸發(fā)模型。而秋、冬季節(jié)由于植被覆蓋度的降低，兩種模型計算的潛在蒸散發(fā)和觀測蒸發(fā)之間差異度減少。因此，對于植被覆蓋度較低的區(qū)域，采用兩種蒸發(fā)計算模型均可滿足精度要求。本文針對區(qū)域土壤蒸發(fā)的考慮還較少，在以后的研究中還需要分析雙源蒸發(fā)模型對裸土蒸發(fā)計算的適用性，尤其是平原地區(qū)的蒸發(fā)計算。