基于雙源蒸發模型的遼寧東部山丘區潛在蒸散發計算的適用性分析

鄭曉霞

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

潛在蒸散發是區域水循環研究的重要內容，和區域植被以及氣候條件密切相關[1]。相關研究表明：陸面降水中約為65%的比例通過蒸散發的形式進入大氣中，而對于干旱地區而言該比例將超過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的降溫影響所平衡，從而使得地表溫度趨于穩定變化的范圍[3]。因此，對于區域潛在蒸散發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量定義為潛在蒸散發，而潛在蒸散發的大小和區域氣候條件以及下墊面特征密切相關。傳統蒸散發經驗估算模型如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的影響，未考慮土壤蒸發。莫興國等[4]在前人研究基礎上，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模型，并對模型進行了改進，經過在國內一些區域的應用后[5-7]，潛在蒸散發計算精度均較傳統經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應用。遼寧東部山區植被覆蓋率較高，區域多年蒸發量均值約為700mm，近些年來，遼東地區水生態受氣候變化和人類活動影響逐步加大，為對區域水生態變化進行評估，亟須對區域潛在蒸散發進行分析。為提高計算精度，本文采用雙源蒸發模型，并對遼東山丘區潛在蒸發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水生態變化具有重要的支撐作用。

1 模型原理

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

圖1 雙源蒸發模型計算框

植被冠層截留蒸發Ei計算方程：

(1)

植被蒸騰能力EPC計算方程：

(2)

土壤蒸發能力EPS計算方程：

(3)

2 模型應用

2.1 區域概況

遼寧東部主要包括丹東和本溪市，為遼寧省典型的山丘區，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域，旱地作為農業用地占比在13.46%～22.87%之間。遼東地區蒸發總體變化較小，多年蒸發量均值為700mm左右，夏季降水量較大，蒸發也較大，夏季蒸發量占全年蒸發量的70%以上，進入秋季和冬季后，隨著植被覆蓋度的減少，區域蒸發量逐步下降，秋季和冬季蒸發量占全年蒸發量的10%左右。春季隨著植被覆蓋度和氣溫的升高，蒸發量逐步增大，春季蒸發量占全年蒸發量的20%左右。

表1 遼寧東部山丘區不同年份土地利用類型占比統計 單位：%

2.2 模型輸入數據及植被參數

雙源蒸發模型需要下墊面特征和氣象要素數據作為模型的輸入，參數主要為植被覆蓋度相關參數，模型所需要輸入的數據見表2。結合相關研究成果對遼東山丘區不同植被類型的相關參數進行確定[8]，植被相關參數見表3。

表2 模型輸入數據

表3 不同植被參數

2.3 年尺度潛在蒸散發計算精度分析

分別采用傳統單源蒸發和雙源蒸發模型，結合區域實測蒸發數據，對比分析兩種計算模型在遼東山丘區年尺度潛在蒸散發的計算精度，見圖2。

圖2 兩種模型潛在蒸散發與實測蒸發的相關性分析

從圖2中可看出，雙源蒸發模型計算的潛在蒸發值和實測蒸發值在年尺度上相關系數可達到0.62，而傳統單源蒸發模型的相關系數為0.41，相比于傳統單源蒸發，雙源蒸發在年尺度潛在蒸散發計算的相關系數提高0.21，這主要是因為遼東地區植被覆蓋度較高，單一考慮氣候條件對蒸發的影響，而忽略植被蒸騰的影響，具有較大局限性，而雙源蒸發模型可綜合考慮氣象、下墊面特征的影響，使得潛在蒸發量的計算更符合區域實際的氣候、植被蒸發的特征，更接近實測值。

2.4 季節尺度潛在蒸發計算精度分析

對比遼東地區兩種蒸發模型在不同季節的潛在蒸發計算值和實測蒸發值的相關性，見圖3、圖4。

圖3 傳統單源蒸發模型計算的不同季節潛在蒸發值和實測值相關性分析結果

圖4 雙源蒸發模型計算的不同季節潛在蒸發值和實測值相關性分析結果

從兩種模型計算的各季節潛在蒸發和實測蒸發的相關性分析可看出，夏季兩種模型的計算值和實測值的相關系數最高，傳統單源蒸發模型考慮氣象條件對蒸發的影響，夏季遼東山丘區氣溫高且降水量較為充分，因此蒸發量大，其他因素對蒸發的影響程度較小，使得其和實測值相關性最高。而雙源蒸發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和實測蒸發的相關性都有所降低。從兩種模型潛在蒸發計算精度可看出，在不同季節雙源蒸發模型的計算精度均好于傳統單一蒸發模型。

2.5 月尺度潛在蒸發計算精度分析結果

分別對比兩種蒸發模型在遼東山丘區月尺度蒸發的計算精度，對比結果見表4，并對各月份蒸發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各月蒸發計算值和實測值的對比

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

3 結 論

經過對比兩種模型計算的潛在蒸散發結果得出的結論總體如下：

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