李小琴, 冉 宸, 張曉霞, 冉新民
(1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅蘭州 730050;2.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院),浙江杭州 310000;3.舟曲縣城關(guān)九年制學(xué)校,甘肅舟曲 746300;4.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,甘肅蘭州 730000)
蒸發(fā)是水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是流域或區(qū)域水量平衡的重要組成部分[1],尤其對于干旱區(qū)大型水體,如水庫、湖泊等[2-3]。近年來,隨著我國干旱區(qū)水資源供需矛盾進一步加劇,水面蒸發(fā)的計算越來越受到水文氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、水資源評價、涉水工程規(guī)劃等領(lǐng)域的關(guān)注[4]。因此,分析水面蒸發(fā)的時空變化特征及其影響因素具有十分重要的意義。
目前,水面蒸發(fā)觀測最常用的方法是蒸發(fā)皿,該方法通常在水體之上或周邊設(shè)立水文站,通過觀測蒸發(fā)皿蒸發(fā)估算水面蒸發(fā)數(shù)值[5]。在實際應(yīng)用中,受部分地區(qū)無觀測資料或觀測資料序列較短等限制,采用模型估算水面蒸發(fā)成為主要的選擇[6-9]。由于蒸發(fā)皿側(cè)壁引起的邊際效應(yīng)及蒸發(fā)皿本身與周圍環(huán)境的異質(zhì)性引起的綠洲效應(yīng),使得蒸發(fā)皿蒸發(fā)往往不同于水面蒸發(fā)[10]。因此,Rotstayn等[11]通過耦合影響蒸發(fā)的輻射組分[10]和空氣動力學(xué)組分[12]拓展了精確模擬Class-A 型蒸發(fā)皿蒸發(fā)的物理模型,以下簡稱“PenPan 模型”。該模型被成功應(yīng)用于美國[13]和澳大利亞[14-15]等Class-A 型和中國φ20 cm 型[16-17]蒸發(fā)皿蒸發(fā)模擬,但很少被應(yīng)用于E-601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)估算。Yu 等[18]將之應(yīng)用于極端干旱區(qū)平原湖泊E-601 型蒸發(fā)皿蒸發(fā)模擬,通過對凈輻射計算方法的改進,顯著提高了該模型的模擬效果;孫繼成等[19]在此基礎(chǔ)上采用改進的模型有效地模擬了石羊河流域上游山區(qū)水庫的水面蒸發(fā),但該模型在整個流域內(nèi)不同環(huán)境條件下的蒸發(fā)量估算鮮見報道。
石羊河流域位于我國西北地區(qū)中段,甘肅省河西走廊東部,是河西走廊第三大內(nèi)陸河。自20世紀(jì)50 年代以來,隨著氣候變化及人類活動的影響,流域內(nèi)水資源開發(fā)利用矛盾異常凸顯,生態(tài)環(huán)境不斷惡化[20-21],因此,石羊河流域水資源的高效利用成為流域管理長期關(guān)注的研究課題,而作為水資源消耗主要路徑的蒸發(fā)估算成為基礎(chǔ)性科學(xué)問題。本文以石羊河流域內(nèi)的4 個氣象站1958—2017 年蒸發(fā)皿蒸發(fā)為觀測資料,結(jié)合其他氣象要素和改進的PenPan模型模擬蒸發(fā)量變化,并分析引起蒸發(fā)量變化的原因,以拓展該模型在干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水面蒸發(fā)估算中的應(yīng)用。
石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部(圖1),烏鞘嶺以西,祁連山北麓,地理位置為101°41′~104°16′E,36°29′~39°27′N 之間。地勢從西南向東北傾斜,海拔1182~5214 m。流域總面積4.16×104km2,包括8條支流,從東到西依次為:大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河和西大河。石羊河流域從南到北涵蓋了3 個氣候區(qū),南部祁連山區(qū)為高寒半干旱半濕潤區(qū),海拔2000~5000 m,年平均氣溫2~6 ℃,年降水量為300~600 mm,年蒸發(fā)量為700~1200 mm,干旱指數(shù)(降水/蒸發(fā))為0.25~1;中部走廊平原為干旱區(qū),海拔1500~2000 m,年平均氣溫6~8 ℃,年降水量為150~300 mm,年蒸發(fā)量為1300~2000 mm,干旱指數(shù)為0.07~0.25;北部為極端干旱區(qū),海拔1200~1500 m,年平均氣溫大于8 ℃,年降水量低于150 mm,年蒸發(fā)量為2000~2600 mm,干旱指數(shù)為0.04~0.07。其中,最北部的民勤綠洲年降水量不足50 mm,年降水季節(jié)分配不均,90%的降水集中在5—10月[20-21,26]。
圖1 研究區(qū)位置及氣象站點分布Fig.1 Location of study area and meteorological stations
石羊河流域內(nèi)共有4 個國家氣象站,自南向北沿海拔梯度遞減為:烏鞘嶺站、永昌站、武威站和民勤站(表1)。另外,由于流域內(nèi)水文站的時間序列相對較短,很難分析長時間序列的變化趨勢??紤]到數(shù)據(jù)序列的完整性和一致性,選擇1958—2017年連續(xù)60 a的氣象資料作為分析數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心:http://data.cma.cn。
表1 石羊河流域主要氣象站點信息Tab.1 Information of major meteorological stations in the Shiyang River Basin
水面蒸發(fā)觀測依據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》(SL 630—2013):非冰期(4—9 月)采用E-601 型蒸發(fā)皿觀測,冰期(10月—次年4月)采用φ20 cm型蒸發(fā)皿觀測,1998—2001 年結(jié)冰前(9 月)、融冰后(5 月)采用2 種儀器同時觀測,據(jù)此計算φ20 cm 型蒸發(fā)皿與E-601 型蒸發(fā)皿之間的折算系數(shù)。在資料整編時,將1—4 月的小型蒸發(fā)資料按5 月的實測折算系數(shù)換算為E-601型蒸發(fā)皿的觀測資料;10—12月資料用9月實測折算系數(shù)換算[19]。
Rotstayn 等[11]提出的Class-A 型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(EPenPan,mm·d-1)計算公式為:
式中:Δ為氣溫Ta的水汽壓曲線斜率,kPa·℃-1;γ為干濕表常數(shù),kPa·℃-1;ap為表征蒸發(fā)皿側(cè)壁的額外熱量交換常數(shù),通常取2.4;Rn,Pan為蒸發(fā)皿上的凈輻射,MJ·m-2·d-1;λ為水的汽化潛熱,MJ·kg-1;es-ea為水汽壓差,kPa;f(u)為2 m高度處風(fēng)速(u2)的函數(shù)[20],m·s-1。f(u)可表示為:
由式(1)可見,PenPan模型將蒸發(fā)分為兩部分,前面部分為輻射項,主要受凈輻射影響;后面部分為空氣動力學(xué)項,主要受到風(fēng)速和水氣壓差影響。
該模型中,Rn,Pan的計算是最關(guān)鍵的,其表達式為:
式中:αA為Class-A 型蒸發(fā)皿水體反照率,取常數(shù)0.14;Rs,Pan為蒸發(fā)皿接收的總短波輻射,MJ·m-2·d-1;αss為蒸發(fā)皿周圍地面的反照率;Rs和Rnl分別為總輻射和凈長波輻射,MJ·m-2·d-1;fdir為直接輻射Rs的占比。fdir可表示為:
式中:Ra為地外輻射,MJ·m-2·d-1。
Prad為蒸發(fā)皿輻射因子,表示為:
式中:lat為緯度絕對值,(°)。
以上公式中Δ、γ、λ、es-ea、Rs、Ra、Rnl計算參見文獻[22]。
Yu等[18]提出在模擬E-601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)時,直接采用Rn代替Rn,Pan(以下簡稱“改進的PenPan 模型”)使得模型更簡單,應(yīng)用更方便,精度更高。其中:Rn計算需要站點的經(jīng)緯度、海拔和日照時數(shù),詳細計算方法參見文獻[23]。
本文選擇驗證水文模型模擬效果優(yōu)劣常用的決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)和納什效率系數(shù)(NSE)進行模型評價,其表達式分別為:
式中:Xi為蒸發(fā)量的觀測值;Yi為蒸發(fā)量的模擬值;和分別為蒸發(fā)量觀測值和模擬值的平均值。NSE越接近于1,表示模擬效果好,模型可信度高。
以上所有統(tǒng)計分析、參數(shù)計算采用SPSS 19.0(IBM SPSS Statistics, Inc, USA)完成,制圖采用SigmaPlot 14.0(Systat Software,Inc,USA)完成。
由圖2可見,隨著海拔升高,年蒸發(fā)量呈遞減趨勢,下游平原的民勤站年蒸發(fā)量最大,為1530.7 mm,上游山區(qū)的烏鞘嶺站年蒸發(fā)量最小,為892.7 mm,中部的永昌站和武威站年蒸發(fā)量適中,約為1174.5 mm。需要說明的是,中部的武威站和永昌站蒸發(fā)量相差不大,但武威站的海拔要低于永昌站,約500 m;武威站蒸發(fā)量低可能與該氣象站位于城市內(nèi)部,風(fēng)速較低,空氣動力組分不足有關(guān)。若不考慮武威站,其他3 個站點的年蒸發(fā)量與海拔變化呈顯著的負線性關(guān)系(R2=0.96,P<0.001),遞減率為38 mm·(100m)-1,即海拔每升高100 m,蒸發(fā)量降低38 mm。就蒸發(fā)的海拔效應(yīng)而言,王金葉等[24]研究表明:祁連山林區(qū)(φ20 cm 蒸發(fā)皿)蒸發(fā)量隨海拔(1680~3800 m)每升高100 m 遞減48. 41 mm,選取張掖站2 種蒸發(fā)皿折算系數(shù)為0.6118[25],則遞減率為29.6 mm·(100m)-1,低于本研究結(jié)果,原因是本研究區(qū)的海拔梯度大于山區(qū)。海拔通過影響溫濕度間接地影響著蒸發(fā)的時空變化,另外,包括氣象站點所在位置、人類活動等(如武威站蒸發(fā)量略低)。
圖2 石羊河流域年蒸發(fā)量隨海拔的變化Fig.2 Changes of yearly evaporation along with altitudinal gradients for the Shiyang River Basin
石羊河流域沿海拔梯度遞減的4個氣象站日平均蒸發(fā)量分別為2.44±0.16 mm·d-1、3.20±0.16 mm·d-1、3.21±0.14 mm·d-1和4.19±0.19 mm·d-1,蒸發(fā)量自南向北逐漸增大。各氣象站蒸發(fā)量年內(nèi)變化趨勢一致,大致從3 月開始增大,在5—7 月達到最大值,8月后開始減小,直至冬季(圖3a);就累積年變化而言,3月之前各氣象站蒸發(fā)量基本一致,之后差距逐漸增加,10 月之后增速變緩。同樣地,各氣象站月平均蒸發(fā)量亦呈自南向北遞增趨勢,月蒸發(fā)量以6月或7 月最高,12 月或1 月最低,不同季節(jié)表現(xiàn)為:冬季低、夏季高、春秋季居中的特點(表2)。
表2 石羊河流域1958—2017年蒸發(fā)量月變化Tab.2 Monthly variation of evaporation in 1958-2017 for the Shiyang River Basin/mm
圖3 石羊河流域年內(nèi)日蒸發(fā)量(a)和累積蒸發(fā)量(b)變化Fig.3 Changes of daily evaporation within the year(a)and accumulated in one year(b)for the Shiyang River Basin
石羊河流域蒸發(fā)量年際變化如圖4所示。長期來看,近60 a蒸發(fā)量變化趨勢存在明顯空間差異,上游山區(qū)的烏鞘嶺站和下游的民勤站呈減少趨勢,遞減率分別為4.67 mm·(10a)-1和0.58 mm·(10a)-1,而中部的永昌站和武威站呈顯著的增加趨勢,增長率分別為17.86 mm·(10a)-1和13.95 mm·(10a)-1(圖4a)。但是,從累積距平(平均值-當(dāng)年值)曲線來看,年蒸發(fā)量存在明顯的突變點。永昌、武威和民勤的蒸發(fā)量變化大致分為2 個階段,1958—1969 年累積距平為負,即蒸發(fā)量逐年下降,1970—2017 年累積距平為正,即蒸發(fā)量逐年增加;而烏鞘嶺在1958—1990 年累積距平為負,呈下降趨勢,1990 年之后累積距平為正,蒸發(fā)量有所增加。這一結(jié)果與劉蕊蕊等[26]的研究結(jié)論是不一致的,本研究中石羊河流域20 世紀(jì)70 年代以前蒸發(fā)量顯著下降,但之后是顯著增加的,尤其是中下游地區(qū)。
圖4 石羊河流域年蒸發(fā)量(a)和(b)累積距平變化Fig.4 Changes of yearly evaporation(a)and accumulative anomaly(b)for the Shiyang River Basin
已有研究表明:改進的PenPan模型可以較好的模擬我國常用的E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)[18-19],本文的結(jié)果也證實了這一結(jié)論(圖5和圖6)。在日尺度上,改進的PenPan 模型估算的蒸發(fā)量與觀測值均呈顯著的線性關(guān)系,模型的R2>0.85,而RMSE≤1,NSE>0.3,但模型整體高估了蒸發(fā)量約10%~20%,尤其是在蒸發(fā)量較大時;另外,模型在平原區(qū)的模擬效果要優(yōu)于山區(qū),隨著海拔增加,模型模擬值則高于觀測值,如海拔最高的烏鞘嶺站模擬值較觀測值偏高20%(圖5a)。模型效果優(yōu)于孫繼成等[19]對石羊河流域上游水庫蒸發(fā)量的模擬。在月尺度上,模型的模擬效果要比日尺度上更優(yōu),模型的R2>0.94;但是,模型模擬值更加高于實際觀測值,尤其是對高海拔區(qū)的烏鞘嶺站模型高估了37%,NSE 甚至小于0(圖6),這可能主要受風(fēng)速影響,因風(fēng)速是隨著海拔升高而增加的。綜上所述,改進的PenPan模型能夠較好的模擬石羊河流域不同海拔站點的蒸發(fā)量,但模型還有待進一步修正,尤其是對風(fēng)速函數(shù)f(u),在不同地區(qū)應(yīng)用存在不同的表達形式[11-12,21]。
圖5 石羊河流域日蒸發(fā)量模擬值與觀測值關(guān)系Fig.5 Relationship between the simulated and observed daily evaporation for the Shiyang River Basin
圖6 石羊河流域月蒸發(fā)量模擬值與觀測值關(guān)系Fig.6 Relationship between the simulated and observed monthly evaporation for the Shiyang River Basin
影響水面蒸發(fā)的因素是多方面的[13,16,26],但總體上可分為兩大類,即輻射因子和空氣動力學(xué)因子[11]?;诟倪M的PenPan 模型計算的石羊河流域蒸發(fā)量的輻射組分和空氣動力學(xué)組分變化具有各異的特征,受凈輻射控制的輻射組分變化相對穩(wěn)定,但受飽和水氣壓差和風(fēng)速控制的空氣動力學(xué)組分波動較大(圖7)。高海拔區(qū)的烏鞘嶺站和永昌站輻射組分相對較低,且與空氣動力學(xué)組分大小相當(dāng);低海拔區(qū)的武威站和民勤站的輻射組分大致相當(dāng),但武威站的輻射組分明顯高于空氣動力學(xué)組分,民勤站則相反。對比圖4 與圖7 可見,引起蒸發(fā)量年際差異的主要原因是空氣動力學(xué)組分的變化。根據(jù)PenPan模型可知,影響空氣動力學(xué)組分變化的主要因素是水氣壓差和風(fēng)速。由圖8 可見,近60 a 水氣壓差變化也存在明顯的2個階段,20世紀(jì)70年代之前呈下降趨勢,之后緩慢變化,90 年代初開始迅速增加,風(fēng)速變化與之相反。這與Mann-Kendall 檢驗結(jié)果基本一致[26]。溫度與飽和水氣壓差變化趨勢基本一致,凈輻射除烏鞘嶺站外基本無變化。由此可見,引起石羊河流域平原區(qū)蒸發(fā)量變化的主要原因還是溫度,即隨著全球變暖,溫度升高,水氣壓差增加,蒸發(fā)量增加,溫度與蒸發(fā)量變化是一個正反饋過程。
圖7 石羊河流域蒸發(fā)量輻射和空氣動力學(xué)組分年際變化Fig.7 Yearly change of radiative and aerodynamic components of evaporation for the Shiyang River Basin
圖8 石羊河流域氣象因子距平年際變化Fig.8 Yearly change of anomalies of meteorological factors for the Shiyang River Basin
也有研究表明,20世紀(jì)70年代以來蒸發(fā)量是減少的。例如,Yang 等[16]對全國54 個站點1961—2001年蒸發(fā)量變化的分析表明,全國范圍內(nèi)蒸發(fā)量總體呈下降趨勢,遞減率為3.1 mm·a-1,輻射和風(fēng)速減弱是造成蒸發(fā)量下降的主要因素,但區(qū)域之間存在差異,尤其是在石羊河流域的4 個氣象站存在各異的結(jié)果:顯著增加、顯著減少和無顯著變化共存。Xie 等[17]研究表明:青藏高原1970—2012 年蒸發(fā)量呈遞減趨勢,遞減率為11.8 mm·a-1,風(fēng)速下降和輻射減弱是引起蒸發(fā)量下降的主要原因。本研究中,只有高海拔區(qū)的烏鞘嶺站蒸發(fā)量在1970年后呈下降趨勢,風(fēng)速亦然,但溫度增加。由此可見,蒸發(fā)量的變化及其原因存在明顯的區(qū)域差異,就石羊河流域而言,由于該區(qū)地處黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原的交匯過渡帶,氣候系統(tǒng)復(fù)雜,造成不同海拔區(qū)蒸發(fā)量年際變化各異的原因還有待進一步研究。
Yu等[8]對全國不同氣候帶178個氣象站蒸發(fā)量模擬研究表明,溫度驅(qū)動的模型在溫帶大陸性氣候區(qū)具有最優(yōu)的表現(xiàn),溫度是影響蒸發(fā)量變化最主要的因子。Celestin 等[9]對河西走廊蒸發(fā)量采用32 個簡單模型模擬效果的評價表明,僅考慮風(fēng)速和飽和水氣壓差的空氣動力學(xué)模型表現(xiàn)最優(yōu)。劉蕊蕊等[26]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析的結(jié)果表明,影響石羊河流域蒸發(fā)的主要因子是溫度和風(fēng)速。已有研究表明,未來石羊河流域氣溫仍將呈上升趨勢,這與全球尤其是北半球氣候變暖存在著某種程度的一致性[27]。溫度的上升必將引起流域蒸發(fā)量的增加,給未來水資源的可持續(xù)利用和管理帶來極大地不確定性。
水面蒸發(fā)的準(zhǔn)確量化對于水資源合理調(diào)度、水資源精細化管理等具有重要的實踐意義。本文以石羊河流域為例,采用改進的PenPan模型分析了流域蒸發(fā)量的時空變化及其原因,得出以下結(jié)論:
(1)石羊河流域蒸發(fā)量的空間變化存在海拔效應(yīng),即隨著海拔的增加蒸發(fā)量顯著減少,遞減率約為38 mm·(100m)-1;時間變化存在明顯的分段特征,1958—1970年是減少的,但20世紀(jì)70年代以后是增加的。
(2)改進的PenPan 模型能較好地模擬不同站點日尺度和月尺度的變化,但模型還有待進一步修正,尤其是對于風(fēng)速函數(shù)。
(3)基于改進的PenPan 模型的組分分析表明,引起20世紀(jì)70年代以后蒸發(fā)量增加的主要原因是空氣動力學(xué)組分的增加。其中,中下游地區(qū)的溫度與蒸發(fā)量變化是正反饋過程,而上游高山區(qū)與之相反。未來,石羊河流域氣溫可能將持續(xù)升高,進而引起蒸發(fā)量的增加。因此,建議在流域農(nóng)業(yè)灌溉、重大涉水工程(尤其是水庫)規(guī)劃、氣候變化應(yīng)對政策制定等應(yīng)用中全面綜合考慮蒸發(fā)的影響。