張可慧,劉劍鋒,劉芳圓,肖嗣榮

(河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所,河北石家莊 050011）

河北省潛在蒸發(fā)量計(jì)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(xué)院地理科學(xué)研究所,河北石家莊 050011）

選取積溫法、蒸發(fā)皿蒸發(fā)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(fā)量進(jìn)行估算,通過與大型蒸發(fā)池實(shí)測蒸發(fā)量比較分析,表明P-M公式法能較準(zhǔn)確地估算河北省的潛在蒸發(fā)量。對PM公式法所得的潛在蒸發(fā)量序列進(jìn)行變化趨勢分析,結(jié)果表明:河北省年潛在蒸發(fā)量呈波動下降趨勢,1960s達(dá)到最大,其后并沒有隨升溫繼續(xù)增大,相反呈明顯下降趨勢;各季節(jié)潛在蒸發(fā)量也呈下降趨勢,其中夏季潛在蒸發(fā)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(jìn)行了分析?？臻g分布上,河北省大部分地區(qū)均為減少趨勢,減少速率最大的區(qū)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(gè)別站潛在蒸發(fā)量呈微弱上升趨勢。

潛在蒸發(fā)量;變化趨勢;時(shí)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(fā)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(qū)域之一,對全球變暖具有顯著的正響應(yīng),又是水資源嚴(yán)重匱乏的區(qū)域,氣候變化使水資源量日益減少,進(jìn)而影響到該區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。蒸散(發(fā)）既是地表熱量平衡和水量平衡的組成部分,又是水分循環(huán)研究中的重要內(nèi)容[1]。因此,蒸散(發(fā)）量的可靠估算對于促進(jìn)該區(qū)水資源的合理利用,深入了解其氣候變化規(guī)律及原因具有重要意義。

蒸散(發(fā)）研究,尤其是非均勻陸面實(shí)際蒸散(發(fā)）的研究是一個(gè)范圍廣泛的課題,它發(fā)生于土壤-植被-大氣系統(tǒng)內(nèi),是一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)過程[2]。潛在蒸發(fā)量反映了大氣的蒸發(fā)能力,是蒸發(fā)量計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)參數(shù),它是計(jì)算實(shí)際蒸發(fā)量的基礎(chǔ)[3]。但在實(shí)際應(yīng)用中,很難通過儀器監(jiān)測區(qū)域潛在蒸發(fā)量,往往采用不同的計(jì)算方法估算區(qū)域潛在蒸發(fā)量。Priestly等[4]在無平流的假設(shè)條件下,建立了潛在蒸發(fā)量與凈輻射能量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系; Penman[5]假設(shè)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(lián)立能量平衡方程和水汽傳輸方程,求解潛在蒸發(fā)量;Van Bavel[6]假設(shè)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(fā)面溫度均保持不變,通過道爾頓方程計(jì)算潛在蒸發(fā)量。而在實(shí)際計(jì)算中,積溫法、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量估算法以其計(jì)算方法簡單、資料易收集等優(yōu)勢,也被廣泛應(yīng)用于潛在蒸發(fā)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(fā)量進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)量有減少的規(guī)律;李林等[8]對黃河流域蒸散量進(jìn)行了分析,結(jié)果表明黃河流域上游地區(qū)蒸散量以3.25 mm/a的速度上升;榮艷淑等[9]對天津地區(qū)的潛在蒸發(fā)量季節(jié)及年際演變特征進(jìn)行了分析等。而我國多數(shù)研究中缺乏對潛在蒸發(fā)量計(jì)算方法的檢驗(yàn),且對河北地區(qū)潛在蒸發(fā)量的計(jì)算方法分析鮮有報(bào)道。本文利用大型蒸發(fā)池蒸發(fā)量對積溫法、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量估算法和P-M公式法進(jìn)行檢驗(yàn)分析,確定河北省潛在蒸發(fā)量的估算方法,并對該區(qū)潛在蒸發(fā)量變化的時(shí)空特征進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)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(jīng)113°27′～119°50′,屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候,大部分地區(qū)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(jié)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(fēng)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(fā)量發(fā)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(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù),氣象要素有氣溫、降水、大氣壓、相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等。對各站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)后,將研究時(shí)段統(tǒng)一為1956-2007年。1956-2003年20 cm蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量資料由河北省氣象局提供,1985-2006年衡水站實(shí)際水面蒸發(fā)量來自衡水實(shí)驗(yàn)站(河北平原水資源實(shí)驗(yàn)研究站）20 m2大型蒸發(fā)池監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用FORTRAN編程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析,采用A rcGIS軟件進(jìn)行空間分析。

2 河北省潛在蒸發(fā)量計(jì)算方法的確定

2.1 幾種潛在蒸發(fā)量的計(jì)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(qū)、不同氣候條件下,同一種草的表面形態(tài)特征也有差異,為了統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化,FAO用一種假想的參照冠層代替實(shí)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(shè)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(fā)皿蒸發(fā)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(fā)量的方法進(jìn)行研究對比。

2.1.1 積溫法 積溫法常用于氣候區(qū)劃中年蒸發(fā)量的估算,其計(jì)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(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對濕度等氣候要素變化對蒸發(fā)量的影響,導(dǎo)致蒸發(fā)量計(jì)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(jì)算潛在蒸發(fā)量公式[13]:

式中:E為潛在蒸發(fā)量,T為≥10℃的氣溫,β為修正系數(shù)。

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

式中:E為潛在蒸發(fā)量;E0為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量;f為其間的函數(shù)關(guān)系。

本文采用比例系數(shù)法計(jì)算饒陽氣象站的潛在蒸發(fā)量,經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算,饒陽站潛在蒸發(fā)量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量間的比例系數(shù)選取0.65。

2.1.3 P-M公式法 決定蒸發(fā)的氣象因子包括為蒸發(fā)提供能量的因子和將蒸發(fā)表面的水蒸氣分子轉(zhuǎn)移的因子,主要包括太陽總輻射、氣溫、空氣濕度、風(fēng)速。Penman公式法綜合考慮能量平衡項(xiàng)和空氣動力項(xiàng)的作用,能較好地表征實(shí)際蒸發(fā)的狀況。盡管Penman公式物理意義明確,但因?yàn)槠洳皇羌兝碚摴?仍包含一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù),因此在研究過程中推導(dǎo)了各種修正的 Penman公式。為了得到潛在蒸發(fā)量, Penman用計(jì)算的水面蒸發(fā)量乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù),并給出了計(jì)算水面蒸發(fā)的Penman公式[14]以及轉(zhuǎn)換為潛在蒸發(fā)量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù);Monteith進(jìn)而提出了以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的潛在蒸發(fā)量,即P-M模型;聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO）對此模型進(jìn)一步修正,作為計(jì)算潛在蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法加以推廣。本文運(yùn)用修正后的FAO P-M公式計(jì)算河北省的潛在蒸發(fā)量。其表達(dá)式如下:

式中:ET0為潛在蒸發(fā)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(fēng)速(m/ s）,es為飽和水汽壓(kpa）,ea為實(shí)際水汽壓(kpa）,Δ為水汽壓曲線的斜率 (kpa/℃）,γ為濕度常數(shù)(kpa/℃）。

2.2 3種計(jì)算結(jié)果的評估

在饒陽氣象站附近的衡水實(shí)驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有河北省唯一的20m2大型蒸發(fā)池,基本代表了天然水體,由其測量的蒸發(fā)量基本可代表當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)量;而潛在蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量具有較好的相關(guān)性,故該大型蒸發(fā)池測定的蒸發(fā)量可作為饒陽潛在蒸發(fā)量的參考值,對3種潛在蒸發(fā)量計(jì)算方法的效果進(jìn)行評估。

將采用積溫法、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量估算法以及修正的P-M公式計(jì)算得到的1985-2006年饒陽站的潛在蒸發(fā)量分別與衡水實(shí)驗(yàn)站20m2蒸發(fā)池的蒸發(fā)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過F檢驗(yàn)可知,除積溫法外,蒸發(fā)皿蒸發(fā)量法和P-M公式法計(jì)算所得的潛在蒸發(fā)量與蒸發(fā)池的蒸發(fā)量的相關(guān)性均達(dá)到0.01的顯著性水平,其相關(guān)系數(shù)分別為0.629和0.745。饒陽站1985-2003年蒸發(fā)皿估算的潛在蒸發(fā)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(jì)算出的饒陽站逐年潛在蒸發(fā)量在1985-2006年(圖1）的氣候傾向率為-12.88 mm/10 a,蒸發(fā)量減小幅度比蒸發(fā)皿估算的潛在蒸發(fā)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(fā)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(shí)驗(yàn)站蒸發(fā)池的蒸發(fā)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(fā)量無論在相關(guān)性還是在變化趨勢上與衡水實(shí)驗(yàn)站20 m2蒸發(fā)池的蒸發(fā)量最為接近,表明該方法能較好地表征該區(qū)的潛在蒸發(fā)量,所以選用P-M公式法計(jì)算河北省各站的潛在蒸發(fā)量。

圖1 3種潛在蒸發(fā)量計(jì)算方法估算值與衡水實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison of potential evaporation computed by threemethods

3 河北省潛在蒸發(fā)量的演變分析

3.1 潛在蒸發(fā)量的時(shí)間變化

圖2和圖3給出河北省潛在蒸發(fā)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(fā)量呈波動下降趨勢,20世紀(jì)60年代達(dá)到最大,其后并沒有隨著升溫而繼續(xù)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(dá)-31.43 mm。各季節(jié)潛在蒸發(fā)量也呈下降趨勢,其中夏季潛在蒸發(fā)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(fā)量的變化與年值的變化一致,且變化幅度較大。

潛在蒸發(fā)量并沒有隨著氣溫升高而增大,反而呈減少趨勢,因?yàn)檎舭l(fā)量是一個(gè)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(jì)算河北省各站蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與各氣候因子之間的相關(guān)系數(shù),可知蒸發(fā)量與日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、氣溫日較差、氣溫呈顯著的正相關(guān),與相對濕度呈負(fù)相關(guān)。近50年來,日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和氣溫日較差恰好呈顯著下降趨勢,其可能是影響蒸發(fā)量的主要因子。

3.2 潛在蒸發(fā)量變化趨勢的空間分布

分析河北省1956-2007年潛在蒸發(fā)量的空間變化特征可知,除豐寧、蔚縣等個(gè)別站蒸發(fā)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(fā)量減少速率最大的區(qū)域分布在河北東南部平原的東部,尤以天津、滄州一帶蒸發(fā)量減少趨勢顯著,滄州降幅達(dá)39.24 mm/10 a。

4 結(jié)論

圖4 1956-2007年河北省年蒸發(fā)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(fā)皿蒸發(fā)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(fā)量估算方法進(jìn)行研究對比,并選定適合研究區(qū)的計(jì)算參數(shù),結(jié)合河北省唯一的20 m2大型蒸發(fā)池實(shí)測蒸發(fā)量數(shù)據(jù),對3種方法進(jìn)行評估,表明修正的彭曼-蒙特斯公式法能較準(zhǔn)確地估算河北省的潛在蒸發(fā)量。近50多年來,河北省年潛在蒸發(fā)量呈波動下降趨勢,20世紀(jì)60年代達(dá)到最大,其后并沒有隨著升溫而繼續(xù)增大,相反呈明顯下降趨勢;四季中夏季潛在蒸發(fā)量下降趨勢明顯,而冬季變化較平緩。河北省潛在蒸發(fā)量這種變化趨勢很可能是近50年來日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速顯著下降所致?？臻g分布上,全區(qū)大部分地區(qū)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(qū)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(gè)別站蒸發(fā)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(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目(10115、09927、07108）;河北省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(09276722）

張可慧(1973-）,女,碩士,高級工程師,主要研究方向?yàn)閲吝b感與氣候環(huán)境。E-mail:zhkhui2002@yahoo.com.cn