周文慶

(甘肅省隴南水文水資源勘測局，甘肅 隴南 742500)

蒸發(fā)是海洋和陸地水分進入大氣的唯一途徑，是地球水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，也是水量平衡研究及水利工程規(guī)劃設計中不可忽視的重要影響因素。自然界中蒸發(fā)現(xiàn)象頗為復雜，不僅受氣象條件的影響，而且還受地理環(huán)境的影響。蒸發(fā)分為水面蒸發(fā)和土壤表面蒸發(fā)。水面蒸發(fā)屬于飽和蒸發(fā)面，對于一個水平的自由水面，進入水體的熱能增加了水分子的動能，使一些水分子所獲得動能大于水分子之間的內(nèi)聚力時，就能突破水面而躍入空中，另一方面，也會有一些水分子從空中返回水面；從水面躍出的水分子與返回水面的水分子數(shù)量之差，就是蒸發(fā)量，當汽化速度與凝結(jié)速度相等時蒸發(fā)停止，水面上的水汽含量達到飽和。之所以開展水面蒸發(fā)觀測工作，就是為了探索自然水體的蒸發(fā)在不同時空上的分布變化規(guī)律。

1 地理氣候概況

甘肅省成縣位于西秦嶺余脈，徽成盆地，處在東南部的隴南山區(qū)。東北與徽縣接壤，西與西和縣相鄰，南以西漢水為界與康縣相望，東南與陜西省略陽縣毗鄰。

成縣境內(nèi)多高山峽谷，地勢西北高，東南低，海拔750～2 377 m之間。地貌特征南北為山地，中部為丘陵。青泥河及其他支流切割形成的谷地貫穿其中，形成特殊的地形地貌。青泥河是嘉陵江一級支流，又名長豐河，成縣縣城以上亦稱東河，位于嘉陵江西岸，是嘉陵江中游在隴南境內(nèi)僅次于白龍江和西漢水的第三大支流。長豐河設有成縣水文站，位于東經(jīng)105°54′，北緯33°31′，集水面積1 502 km2。始建于1958年10月，屬省級重要站、中央報汛站、區(qū)域代表站。

成縣屬南北過渡性暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，四季分明，冷暖適度，年平均氣溫11.9℃，最熱7月平均氣溫23.3℃，最冷1月平均氣溫-0.8℃，極端最高氣溫37.3℃，極端最低氣溫-15.0℃。平均無霜期210 d，年日照時數(shù)1 795 h，日照百分率為41%，最多可達1 976 h。年均降雨量680 mm，年均蒸發(fā)量610 mm，相對濕度75%，盛行東南風。

成縣四季氣溫特點：春季氣溫回升快，時有寒潮降溫影響，并伴西北風，偶有倒春寒。終霜期結(jié)束遲早不定，雨量常偏少，有春旱，偶有春澇，季末為雷陣雨發(fā)生之始。夏季無酷熱，伏期易旱，多雷陣雨和局地暴雨，時伴冰雹和大風，夏收期間偶有“芽麥雨”。秋季多連陰雨，降溫比春季回升速度快，雨量趨于減少，偶有秋旱，秋末早霜來臨。冬季少嚴寒，晴朗干燥，雨雪稀少。

2 20cm口徑蒸發(fā)器和E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量和影響因素分析

成縣水文站主要是用20 cm口徑蒸發(fā)器和E601型蒸發(fā)器進行同步觀測。20 cm口徑蒸發(fā)器安裝觀測方便。但因暴露在空氣中，又是金屬質(zhì)地且體積小，受太陽輻射的影響很大，所以代表性和穩(wěn)定性很差。E601型蒸發(fā)器埋入地下，儀器內(nèi)水體和土壤之間有熱交換，并設有水圈有助于減輕濺水對蒸發(fā)的影響，同時起到了增大面積的作用，蒸發(fā)更加接近自然水體的情況，所以代表性和穩(wěn)定性較好。

2.1 水面蒸發(fā)的影響因素

水面蒸發(fā)受到許多氣象和自然地理因素的影響，氣象因素有：溫度、濕度、風、氣壓、降水；自然地理因素有：水質(zhì)、水深、水面的情況和面積。

蒸發(fā)量僅與飽和差有關，飽和差是指在一定溫度下，飽和水汽壓與實際水汽壓之差，指示水的蒸發(fā)能力。蒸發(fā)速度的大小，是由水體熱能的大小和近水層空氣亂流擴散條件來決定的。也就是溫度梯度、濕度梯度和風速大小決定的，這些因素直接或間接改變水面飽和差的大小，影響蒸發(fā)速度。

(1)溫度 太陽輻射是影響蒸發(fā)的主要因素，它會影響氣溫和水溫的大小。氣溫反映了獲得太陽輻射熱能的大小，水溫反映了水分子運動能量的大小。飽和差與水溫和氣溫有關，但蒸發(fā)與水溫的關系更為密切。

(2)濕度 空氣中濕度的大小，是決定蒸發(fā)強度的重要因素之一。空氣的濕度與氣溫有關，通過改變飽和差間接影響蒸發(fā)。氣溫降低時相對濕度增加，蒸發(fā)減小，所以天氣冷時，蒸發(fā)小。

(3)風速 促進水汽交換和轉(zhuǎn)移，使水面飽和差變薄并保持強大輸送率。風對蒸發(fā)的影響有一定限度，超過限度時水分子隨時被風完全吹走，風速再加大時也不會再影響蒸發(fā)強度，相反地，冷空氣會減少蒸發(fā)而導致凝結(jié)。

2.2 蒸發(fā)量年內(nèi)和年際變化分析

因為E601型蒸發(fā)器1980年之前的觀測數(shù)據(jù)不完整也不連續(xù)，所以只選取1980年以后的觀測數(shù)據(jù)。依據(jù)成縣水文站1980-2019年兩種蒸發(fā)器觀測的蒸發(fā)量資料統(tǒng)計計算兩種蒸發(fā)器的逐月多年平均蒸發(fā)量和差值，以及歷年年蒸發(fā)量。并繪制柱狀圖和過程線圖進行對比分析，詳見表1、圖1、圖2。

表1 成縣站兩種蒸發(fā)器逐月多年平均蒸發(fā)量統(tǒng)計表

圖1 成縣站逐月多年平均蒸發(fā)量對比圖

從表1和圖1可以看出，兩種蒸發(fā)器的蒸發(fā)量年內(nèi)變化非常大，在升溫期1-7月是逐月增大的；7月達到最大值，而且兩種蒸發(fā)器的蒸發(fā)量差值越來越大，7月份差值甚至達到48.1。在降溫期8-11月蒸發(fā)量減小速度較快，9月蒸發(fā)和差值都出現(xiàn)跳躍式減?。?月和9月20 cm口徑蒸發(fā)器蒸發(fā)量相差56.8 mm，E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)量相差37.2 mm，差值比較相差19.6。9月以后蒸發(fā)和差值都趨緩。以上情況符合本區(qū)域秋季降溫速度比春季升溫速度快的氣候特點；12月(或1月)蒸發(fā)達到最小值。絕大數(shù)情況下，20 cm口徑蒸發(fā)器比E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量大，原因是20 cm口徑蒸發(fā)器是銅制器材，體積小，并完全暴露在空氣中，對氣溫敏感吸熱快，對蒸發(fā)影響顯著。但是，在陰雨天氣，會出現(xiàn)E601蒸發(fā)器的蒸發(fā)量接近或大于20 cm口徑蒸發(fā)器的蒸發(fā)量情況。原因主要是氣溫下降，相對濕度增大，水面飽和差減小，20 cm口徑蒸發(fā)器水溫也明顯下降，而E601型蒸發(fā)器埋入土中，和土壤有熱交換，土壤溫度比氣溫高，而且土壤溫度相對比較穩(wěn)定，水面受冷熱影響，會產(chǎn)生對流作用，使整個水體水溫變化緩慢，落后于氣溫時間比較長，因而E601型蒸發(fā)器比20 cm口徑蒸發(fā)器的水溫高，水面飽和差也大，蒸發(fā)量也大。還有一種情況就是濕度非常大時，20 cm口徑蒸發(fā)器的水面凝結(jié)量大于蒸發(fā)量時，蒸發(fā)量甚至會出現(xiàn)負值的情況，不過這種現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)很少，在月蒸發(fā)量中占比很小，可以忽略，不會影響兩種蒸發(fā)器月蒸發(fā)量和折算系數(shù)的比較分析。

從圖2可以看出，20 cm口徑蒸發(fā)器和E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量年際變化不大，過程相互對應。從趨勢線可以看出，20 cm口徑蒸發(fā)器歷年蒸發(fā)量稍微有點增大的趨勢。E601型蒸發(fā)器歷年蒸發(fā)量趨勢接近水平，E601蒸發(fā)器蒸發(fā)過程和蒸發(fā)量更接近自然水體的情況，所以也反映出成縣的歷年蒸發(fā)基本穩(wěn)定，變化很小。

圖2 成縣站兩種蒸發(fā)器歷年年蒸發(fā)量變化過程對比圖

3 20cm口徑蒸發(fā)器和E601型蒸發(fā)器折算系數(shù)的變化規(guī)律

折算系數(shù)(K)是衡量蒸發(fā)器性能(代表性、穩(wěn)定性)好壞的重要標志，是各種不同類型蒸發(fā)器觀測的蒸發(fā)量相互折算以及換算成自然水體蒸發(fā)量的重要依據(jù)。折算系數(shù)的大小決定因素有蒸發(fā)器的尺寸、型式、安裝方式以及氣象因子、水文因子的變化過程。K值越穩(wěn)定或越接近于1，變幅小、變差系數(shù)(Cvk)小，其性能越好，反之則越差。

具體情況可以依據(jù)成縣水文站1980-2019年40 a的兩種蒸發(fā)器觀測的蒸發(fā)量資料統(tǒng)計計算多年平均月折算系數(shù)和多年年折算系數(shù)，并繪制過程線進行分析。詳見表2、圖3、圖4。

3.1 折算系數(shù)的年內(nèi)變化

從表2和圖3可以看出，全年折算系數(shù)變化較大，范圍在0.57～0.76之間。冬季1-2月和12月的折算系數(shù)較小，其中1月最小(0.57)，秋季8-11月的折算系數(shù)較大，其中10月最大(0.76)；3月、7月折算系數(shù)和年均折算系數(shù)一致(0.66)。春夏季3-7月變差系數(shù)(Cvk)最小且基本一致(0.08或0.09)，變幅也小(0.02～0.06)，說明春夏季兩種蒸發(fā)器折算系數(shù)的相關性最穩(wěn)定，在分析計算春夏季3-7月的蒸發(fā)量時，可以采用均值0.65比較方便。冬季和秋季折算系數(shù)相差較大的原因分析如下：

圖3 成縣站多年平均月折算系數(shù)過程線

表2 成縣站兩種蒸發(fā)器多年平均月折算系數(shù)計算成果表

(1)在冬季，E601型蒸發(fā)器埋入土中，蒸發(fā)量和地溫的關系非常密切，冬季地面冰凍，水面結(jié)冰，溫度常處于穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，日平均冰面溫度低于日平均氣溫，尤其低于白天的氣溫(白天氣溫決定了蒸發(fā)量的大部分)，因而蒸發(fā)量比較穩(wěn)定或者減小。20 cm口徑蒸發(fā)器暴露在離地面0.7 m的空氣中，冬季降水稀少，晴天多，日照較強，氣溫對蒸發(fā)的影響相對比較敏感，所以蒸發(fā)量增大，最后導致折算系數(shù)變小。

(2)在秋季，太陽輻射開始減弱，多連陰雨天氣，相對濕度很大，氣溫甚至可能低于地溫，所以會出現(xiàn)20 cm口徑蒸發(fā)器蒸發(fā)量接近于或小于E601型蒸發(fā)量，所以折算系數(shù)大。

3.2 折算系數(shù)的年際變化

從表2、圖4可以看出，兩種蒸發(fā)器的年折算系數(shù)較小為0.66，用變差系數(shù)(Cvk)分析發(fā)現(xiàn)，年Cvk很小，只有0.06，比逐月Cvk(0.08～0.32)都小，說明年折算系數(shù)離散程度很小，變化比較穩(wěn)定，折算系數(shù)年際變化遠比年內(nèi)變化小。所以只需分析計算年蒸發(fā)量時，可以采用年折算系數(shù)，即方便，又不會影響精度。

圖4 成縣站兩種蒸發(fā)器多年年折算系數(shù)過程線

兩種蒸發(fā)器折算系數(shù)在甘肅省比較穩(wěn)定，并且在地區(qū)分布上，也沒有太明顯的地域性差別，在將20 cm口徑蒸發(fā)器蒸發(fā)資料換算成E601型蒸發(fā)量時，全省一般統(tǒng)一采用0.65的年平均折算系數(shù)，如果要把E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)資料換算成自然水體的蒸發(fā)量時，依據(jù)全國有關蒸發(fā)的實驗資料，應該再乘以0.90～0.93的系數(shù)。

4 結(jié)語

(1)兩種蒸發(fā)器的蒸發(fā)量年內(nèi)變化很大，最大值出現(xiàn)在氣溫最高的7月份，最小值出現(xiàn)在最冷的1月或者12月份。年際變化不大，歷年蒸發(fā)基本穩(wěn)定。

(2)折算系數(shù)年內(nèi)變化較大，最小值0.57出現(xiàn)在1月份，最大值0.76出現(xiàn)在10月份。折算系數(shù)年際變化不大，變差系數(shù)很小，年平均折算系數(shù)0.66，

(3)影響蒸發(fā)的因素很多，過程也很復雜，主要因素是溫度、濕度、風速等動態(tài)因素，太陽輻射是改變這些因素的最主要能源，這些因素獲得熱能不斷發(fā)生變化，從而改變水面飽和差的大小，最終影響蒸發(fā)量和折算系數(shù)的大小。因成縣水文站是區(qū)域代表站，所以通過分析成縣水文站蒸發(fā)量和折算系數(shù)的變化規(guī)律，可以為該區(qū)域的水文水利計算提供參考依據(jù)。