DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2024.03.003

摘要：三峽水庫(kù)是中國(guó)最大的人工水資源調(diào)蓄中心，其庫(kù)區(qū)蒸發(fā)深刻影響著地表生態(tài)水文過(guò)程，研究三峽庫(kù)區(qū)漂浮水面蒸發(fā)和陸上水面蒸發(fā)變化差異及其原因，對(duì)于理解區(qū)域水文循環(huán)和氣候變化具有重要意義。基于三峽庫(kù)區(qū)巴東水面漂浮站和相鄰陸面站的多年蒸發(fā)觀測(cè)資料，分析庫(kù)區(qū)水陸水面蒸發(fā)的季節(jié)差異;結(jié)合ERA5輻射資料，分析水陸水面蒸發(fā)能量平衡的各組分季節(jié)變化特征，探究水陸水面蒸發(fā)差異的主控因子。結(jié)果表明：① 水陸水面蒸發(fā)存在顯著的季節(jié)變化差異，其中陸面站水面蒸發(fā)峰值通常出現(xiàn)在8月，而漂浮站水面蒸發(fā)峰值通常出現(xiàn)在12月;② 能量平衡分析表明，三峽庫(kù)區(qū)水體在夏半年蓄熱，在冬半年則釋放熱量顯著增加表層水體可利用能量，進(jìn)而增加潛熱效能，導(dǎo)致漂浮站蒸發(fā)峰值出現(xiàn)的時(shí)間較陸面站平均滯后約4個(gè)月;③ 主控因素分析表明，水陸水面蒸發(fā)及熱力性質(zhì)差異受多種微氣象因素非線性綜合影響，其中在水體蓄熱階段（3—9月），主控因素為氣溫和飽和水汽壓，在水體放熱階段（10月至翌年2月），主控因素為水溫和水氣溫差。

關(guān)鍵詞：水面蒸發(fā);水陸蒸發(fā)差異;微氣象因素;季節(jié)變異;三峽水庫(kù)

中圖分類號(hào)：P339

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2024）03-0387-13

收稿日期：2023-10-09;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2024-03-02

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20240229.1008.002

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2021YFC3200301）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U2340213）

作者簡(jiǎn)介：程海云（1964—），男，湖北天門人，正高級(jí)工程師，博士，主要從事水文水資源研究。

E-mail：chenghy@cjh.com.cn

通信作者：張俊，E-mail：zhangjun@cjh.com.cn

水庫(kù)水面蒸發(fā)是自然界陸-氣物質(zhì)交換和能量平衡的重要組成部分，對(duì)于局地小氣候變化研究、水文氣象模擬預(yù)報(bào)、水資源利用評(píng)價(jià)等具有重要的作用，直接關(guān)系著水資源高效利用、水庫(kù)綜合效益等方面［1-2］。三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)長(zhǎng)約663 km，按正常蓄水位175 m計(jì)算，水域覆蓋面積達(dá)到1 084 km2，總庫(kù)容為393億m3［3］，作為長(zhǎng)江流域水利調(diào)控工程的骨干工程，在防洪、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)保護(hù)和水資源利用等方面均發(fā)揮著重要的作用。水庫(kù)的蓄水運(yùn)行顯著改變了地表的水分和能量分布情況，在微氣象環(huán)境差異影響下，庫(kù)區(qū)水面與陸面的蒸發(fā)能力也呈現(xiàn)出不同的變化特征，進(jìn)而通過(guò)陸氣交換過(guò)程影響區(qū)域氣候［4］。因此，研究三峽庫(kù)區(qū)水、陸水面蒸發(fā)差異特征及其控制因素，對(duì)于理解區(qū)域水文循環(huán)和氣候變化具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。

有關(guān)水體水面蒸發(fā)和陸上水面蒸發(fā)微氣象影響因素的研究已有較多，研究表明太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、氣溫、水溫等對(duì)蒸發(fā)有著直接影響［4-8］，水體和大氣之間的濕度差和溫度差對(duì)蒸發(fā)的作用同樣極為關(guān)鍵［9-10］。施成熙等［11］、杜嶼［12］建立了水汽壓差和風(fēng)速的蒸發(fā)模型，陳惠泉等［13］、濮培民［14］、閔騫等［15］在傳統(tǒng)蒸發(fā)模型中引入了“水氣溫差”因子，均顯著提升了模型的估算精度。對(duì)于三峽水庫(kù)，王玉濤等［16-17］分析了巴東陸上與漂浮站水面蒸發(fā)的變化規(guī)律，對(duì)比了二者的差異，并提出造成差異的主要影響因子為江水水溫。但上述研究主要對(duì)比了不同氣象因子與相應(yīng)的水陸蒸發(fā)站水面蒸發(fā)的關(guān)聯(lián)度，而未能考慮不同能量分配情況下該差異產(chǎn)生的原因。實(shí)際上，水面蒸發(fā)速率取決于水體熱能的狀態(tài)和近水面紊流擴(kuò)散條件，同時(shí)受地表微氣象因素、水分和可利用能量的綜合影響［4］。對(duì)于飽和蒸發(fā)面，蒸發(fā)主要受能量限制，對(duì)于湖泊和大型水庫(kù)等具有較大蓄熱能力的大型水體，由于其垂直分層結(jié)構(gòu)和年熱力循環(huán)特性，儲(chǔ)熱量與氣溫（輻射）的季節(jié)性波動(dòng)并不同步，許多湖泊、水庫(kù)的水面蒸發(fā)表現(xiàn)為比輻射和陸面蒸發(fā)峰值滯后的季節(jié)變化［18-24］，隨著水深增加，這種滯后越明顯，如美國(guó)的五大湖，中國(guó)的太湖、色林錯(cuò)湖、佩枯錯(cuò)湖等均存在這種現(xiàn)象，青藏高原的佩枯錯(cuò)湖滯后約5個(gè)月［18］，北美大湖滯后達(dá)到6個(gè)月［19］。三峽水庫(kù)建成蓄水以來(lái)，庫(kù)水位每年從汛前防洪限制水位145 m到汛后正常蓄水位175 m變動(dòng)，水面面積在541～950 km2范圍變化，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)微觀氣象條件發(fā)生變化，加之上游水庫(kù)群運(yùn)行對(duì)水量和能量輸入的調(diào)節(jié)，一定程度上使得三峽庫(kù)區(qū)的水面蒸發(fā)具備獨(dú)特個(gè)性。但已有研究多聚焦于三峽建庫(kù)前后的因子變化特征和水面蒸發(fā)時(shí)空變化規(guī)律，忽略了可利用能量對(duì)于蒸發(fā)的限制，且水陸蒸發(fā)差異控制機(jī)制不明，亟需針對(duì)此方面開(kāi)展進(jìn)一步研究。

本文以巴東站為代表站，從點(diǎn)尺度聚焦三峽庫(kù)區(qū)的水陸水面蒸發(fā)變異特征及其主控因素，在分析水面蒸發(fā)變異特征和規(guī)律的基礎(chǔ)上，基于水體能量平衡分析揭示漂浮站水面蒸發(fā)變異性的原因，并采用相關(guān)、回歸等方法辨識(shí)影響水陸水面蒸發(fā)差異的關(guān)鍵因子，以期為后續(xù)開(kāi)展三峽庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)公式推導(dǎo)和精準(zhǔn)計(jì)算提供支撐。

1" 數(shù)據(jù)與方法

1.1" 研究區(qū)概況

三峽庫(kù)區(qū)位于湖北省西部和重慶市中部，東起湖北宜昌，西至重慶江津，控制長(zhǎng)江上游約100萬(wàn)km2的面積，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量豐沛且暴雨較為頻繁，年平均降水量為1 000～1 600 mm，降雨多集中于7月、8月，年氣溫均值為16.5 ℃，季節(jié)上表現(xiàn)為明顯的冬季溫和、夏季炎熱的特征［25-26］。2013年8月起，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局在距三峽大壩71 km的庫(kù)區(qū)巴東河段設(shè)立了三峽庫(kù)區(qū)首個(gè)漂浮蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站，也是當(dāng)前三峽庫(kù)區(qū)唯一具有較長(zhǎng)時(shí)間序列的漂浮蒸發(fā)站。由于巴東站地勢(shì)和氣候變化相對(duì)平緩，且在三峽水庫(kù)運(yùn)行后庫(kù)區(qū)水溫已不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象［27-28］，因此其蒸發(fā)資料具有代表性。巴東站設(shè)有陸上蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)和漂浮蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)。漂浮蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)位于長(zhǎng)江干流航道右側(cè)（110°22′E，31°03′N），采用底邊18 m、高30 m的等腰三角形鋼質(zhì)水文浮筏，觀測(cè)蒸發(fā)皿為E601B型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器，其口徑為618 mm，器高687 mm，蒸發(fā)器入水深度約0.5 m，器口離水面大約15 cm；陸上蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)位于長(zhǎng)江干流右岸，平均高出水面20 m以上，與水面觀測(cè)場(chǎng)水平距離接近80 m，觀測(cè)項(xiàng)目同漂浮站，同樣采用E601B型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器。研究區(qū)位置及站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

1.2" 數(shù)據(jù)來(lái)源

（1） 觀測(cè)數(shù)據(jù)。包括水陸蒸發(fā)量、氣溫、濕度、飽和水汽壓、水汽壓、風(fēng)速風(fēng)向、水溫，時(shí)間尺度均為日尺度，來(lái)源于巴東水上漂浮水面觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)（簡(jiǎn)稱漂浮站）和巴東陸上水面蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)（簡(jiǎn)稱陸面站）。資料系列為2014年1月至2021年12月，其中2014年8—9月由于漂浮站浮筏改造，漂浮蒸發(fā)量暫停觀測(cè)，導(dǎo)致資料缺測(cè)（實(shí)際處理時(shí)，缺測(cè)數(shù)據(jù)剔除不納入計(jì)算，同時(shí)在歸因分析時(shí)對(duì)于其他因子同樣裁剪掉相應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)，以保持各因子數(shù)據(jù)的一致性），其余所用數(shù)據(jù)均為整編數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局的可靠性、一致性和代表性審查。

（2） 能量平衡計(jì)算數(shù)據(jù)。太陽(yáng)短波輻射采用ERA5的逐月再分析資料，資料系列同樣為2014年1月至2021年12月;大氣下行長(zhǎng)波輻射、水體反射短波輻射、水體向上長(zhǎng)波輻射、感熱通量采用水溫、氣溫、水汽壓等數(shù)據(jù)計(jì)算，潛熱通量采用蒸發(fā)皿觀測(cè)蒸發(fā)量轉(zhuǎn)換為汽化潛熱計(jì)算。

1.3" 能量平衡計(jì)算

從能量平衡角度對(duì)蒸發(fā)差異進(jìn)行分析，水體能量平衡綜合表達(dá)式如下：

Rn-ΔQ=H+L+ΔQB+ΔQF+ΔQP（1）

式中：Rn為凈輻射通量;ΔQ為水庫(kù)水體熱儲(chǔ)量變化量;H為感熱通量;L為潛熱通量，是蒸發(fā)的能量表征形式;ΔQB為水庫(kù)底沉積物熱通量;ΔQF為水庫(kù)出入庫(kù)攜帶熱量;ΔQP為降雨引起的熱儲(chǔ)量變化;各通量單位均為W/m2。對(duì)于漂浮站，以往研究表明，ΔQB、ΔQF和ΔQP的量級(jí)較小，在能量平衡計(jì)算中可忽略不計(jì)［21］;對(duì)于陸面站，由于其下邊界為固定的蒸發(fā)皿水面，ΔQF為0，ΔQB和ΔQP的量級(jí)同樣很小可忽略，故二者的能量平衡方程簡(jiǎn)化為

Rn-ΔQ=H+L（2）

凈輻射又分為4個(gè)分量，分別為太陽(yáng)向下短波輻射（F↓SW）、水表向上反射短波輻射（F↑SW）、大氣下行長(zhǎng)波輻射（F↓LW）和水體向上發(fā)射長(zhǎng)波輻射（F↑LW），通過(guò)計(jì)算4種輻射數(shù)據(jù)之和可得到凈輻射數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下：

Rn=F↓SW+F↓LW-F↑SW-F↑LW（3）

實(shí)際分析時(shí)，對(duì)于太陽(yáng)短波輻射數(shù)據(jù)，采用ERA5的再分析資料;對(duì)于水表反射短波輻射，按照反射率0.06進(jìn)行計(jì)算［21］;對(duì)于大氣下行長(zhǎng)波輻射，采用如下公式表達(dá)［29］：

F↓LW=aeaTab×σT4a（4）

式中：aeaTab為晴空大氣發(fā)射率，其參數(shù)取值分別為a=0.576，b=0.202，Ta為近地面空氣溫度，K;ea為近地面水汽壓，hPa;σ為玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8 W/（m2·K4）。

水體向上發(fā)射長(zhǎng)波輻射可用如下公式進(jìn)行表達(dá)［30］：

F↑LW=εσT4s（5）

式中：ε為水體的比輻射率，其值取0.99;Ts為水體的表面溫度。

水體表面感熱通量計(jì)算公式如下［22-23］：

H=ρa(bǔ)CpCHUZ（Ts-Ta）（6）

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，文中取值為1.293 kg/m3;Cp為空氣定壓比熱容，取值為1 005 J/（kg·K）;CH為水熱交換系數(shù)，取值為1.02×10-3;UZ為高度Z處的風(fēng)速，這里為2 m風(fēng)速。

水體表面的潛熱通量來(lái)?yè)Q算，即將蒸發(fā)的水量值轉(zhuǎn)換為熱量值，具體計(jì)算如下［24］：

L=ρslve（7）

式中：ρs為水體的密度，取值為1×103 kg/m3;lv為汽化潛熱，取值為2.5 MJ/kg;e為蒸發(fā)量，mm/d。

上述公式的參數(shù)取值主要參考太湖和千島湖的輻射參數(shù)取值，由于三峽庫(kù)區(qū)和太湖及千島湖的緯度相近，地形地勢(shì)差異相對(duì)較小，且同屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，因此參數(shù)取值適用于三峽庫(kù)區(qū)。

1.4" 分析方法

基于巴東漂浮站和陸面站的觀測(cè)資料，分析庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)的規(guī)律和變異特征及其能量平衡特征;利用皮爾遜相關(guān)分析確定庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)的主要影響因子，包括常規(guī)影響因子（風(fēng)速、氣溫、水溫、水氣溫差、氣壓、濕度等）;基于水陸之間的氣象要素對(duì)比和水陸蒸發(fā)差異關(guān)鍵影響因子相關(guān)性分析，進(jìn)一步論證庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)變異原因。

（1） 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)。采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r）分析影響因子與水面蒸發(fā)的相關(guān)程度，并利用統(tǒng)計(jì)量t檢驗(yàn)相關(guān)的顯著性，t統(tǒng)計(jì)量的構(gòu)造方法見(jiàn)式（8）。一般來(lái)說(shuō)，|r|≥0.5時(shí)，為顯著相關(guān);0.3≤|r|lt;0.5時(shí)，為低度相關(guān);0.1≤|r|lt;0.3時(shí)，為弱相關(guān);|r|lt;0.09時(shí)，無(wú)相關(guān)［31］。

r=∑ni=1（xi-x）（yi-y）∑ni=1（xi-x）2∑ni=1（yi-y）2，t=rn-21-r2（8）

式中：xi和yi為相應(yīng)序列的第i個(gè)影響因子;x和y為相應(yīng)序列的均值;n為樣本數(shù)量。

（2） 多元回歸。采用多元回歸分析多驅(qū)動(dòng)變量對(duì)水陸蒸發(fā)差異的綜合影響，采用各氣象因子水陸差異值與水陸蒸發(fā)差異值建立回歸方程，具體如下：

y=a1x1+a2x2+…+aixi+ε" （i=1，2，…）（9）

式中：y為擬合值;xi為第i個(gè)影響因子;ai為變量xi的回歸系數(shù);ε為計(jì)算殘差。

（3） 標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)。為了定量分析不同氣象因子對(duì)水陸蒸發(fā)差異的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)表示自變量在因變量上的影響程度，即將自變量和因變量減去其均值并除以標(biāo)準(zhǔn)差后得到的多元回歸模型擬合系數(shù)。由于數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后消除了量綱、數(shù)量級(jí)等差異的影響，使得不同變量之間具有可比性，因此可以用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)來(lái)比較不同自變量對(duì)因變量的作用大?。?2］。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

z=（x-μ）/σ（10）

式中：z為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值;x為原始數(shù)據(jù);μ為原始數(shù)據(jù)的均值;σ為原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 水陸蒸發(fā)差異特征

圖2對(duì)比了2014—2021年巴東漂浮站和陸面站多年平均逐月水面蒸發(fā)量變化。由圖2可知，從年蒸發(fā)總量來(lái)看，漂浮站年蒸發(fā)總量為878.8 mm，陸面站為848.3 mm，漂浮站蒸發(fā)總量略高出陸面站。從逐月蒸發(fā)量數(shù)值來(lái)看，3—9月，陸面站蒸發(fā)大于漂浮站，二者差值從3月起逐步增大，最大差值在8月份，相差40.0 mm，9月差值快速減少，相差僅6.5 mm；10月開(kāi)始，陸面站蒸發(fā)小于漂浮站，12月份差值最大（-57.5 mm），2月份差值最?。?14.5 mm）。

從二者的季節(jié)分布來(lái)看，陸面站多年平均月蒸發(fā)量在季節(jié)分配上呈明顯的夏半年偏高、冬半年偏低的特征，蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)在8月，為132.7 mm，占全年的16%，低谷在1月，為34.7 mm，占全年的4%，8月與1月蒸發(fā)總量相差98.0 mm。漂浮站多年平均月蒸發(fā)量呈現(xiàn)冬半年的蒸發(fā)量總體高于夏半年的特征，但其在夏季和冬季出現(xiàn)2個(gè)最大值，呈雙峰特征，夏季最大值在8月（92.7 mm），占全年10.5%，為次峰，冬季最大值在12月（96.5 mm），占全年11%，為主峰，低谷出現(xiàn)在3月，平均蒸發(fā)量為51.2 mm。

從歷年數(shù)據(jù)來(lái)看，巴東陸面蒸發(fā)站的季節(jié)波動(dòng)性較為穩(wěn)定，每年均呈現(xiàn)出以7月或8月為峰值的顯著單峰特征。漂浮站各年的峰值形態(tài)總體差異較大（圖3），如對(duì)于2014年、2015年、2018年，漂浮站水面蒸發(fā)均表現(xiàn)為明顯的夏冬雙峰結(jié)構(gòu)，其冬季峰值出現(xiàn)時(shí)間較陸面站相差4～5個(gè)月;對(duì)于2016年、2019年，漂浮站夏季水面蒸發(fā)峰值明顯高于冬季，其中2016年漂浮站水面蒸發(fā)的峰值出現(xiàn)月份較陸面站相差約1個(gè)月，2019年則基本同步;對(duì)于2017年、2020年、2021年，漂浮站的水面蒸發(fā)峰值出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，較陸面站峰值相差3～4個(gè)月?？傮w而言，歷年漂浮站水面蒸發(fā)均呈現(xiàn)冬半年高于陸面站、夏半年低于陸面站的特征，漂浮站蒸發(fā)峰值較陸面站峰值出現(xiàn)時(shí)間相差1～5個(gè)月，其中以相差4個(gè)月情況最多。

2.2" 水陸能量平衡變化特征

圖4給出了巴東漂浮站和陸面站水體能量平衡各分量的季節(jié)變化特征，其中凈輻射通量表示水體從外界吸收的輻射能量?jī)糁担袩嵬勘硎舅w與大氣之間由于溫度梯度而存在的熱量交換，潛熱通量是蒸發(fā)的能量表征形式，表征了水面蒸發(fā)過(guò)程中從大氣吸收的熱量，水體儲(chǔ)熱量變化量則表示水體與外界蓄放熱量特征。由圖4可知，巴東漂浮站和陸面站的凈輻射通量均表現(xiàn)為明顯的夏高冬低的特征，其中漂浮站凈輻射在冬半年為負(fù)值，這是由于三峽水庫(kù)上游為金沙江干熱河谷區(qū)［33］，來(lái)自上游的暖水輸送導(dǎo)致冬半年水溫偏高，向外釋放的長(zhǎng)波輻射量增加，從而導(dǎo)致凈輻射為負(fù)值;漂浮站和陸面站的感熱通量均表現(xiàn)為冬正夏負(fù)的季節(jié)分布，且冬半年漂浮站感熱通量明顯高于陸面站，這是由于水體熱容量高于大氣，導(dǎo)致其水氣溫差夏半年為負(fù)值冬半年為正值所致;從潛熱通量也就是蒸發(fā)變化來(lái)看，陸面站的潛熱通量季節(jié)變化與凈輻射變化基本一致，均表現(xiàn)為夏高冬低的季節(jié)分布，說(shuō)明陸面站蒸發(fā)的主要能量驅(qū)動(dòng)要素為凈輻射變化，漂浮站的潛熱通量則體現(xiàn)為夏半年相對(duì)偏低、冬半年相對(duì)偏高的分布，較凈輻射的季節(jié)變化有約4個(gè)月的滯后效應(yīng)，這與以往關(guān)于深水湖泊、水庫(kù)輻射能量滯后的研究結(jié)論較為一致［18-24］;從水體儲(chǔ)熱量變化量來(lái)看，漂浮站水體儲(chǔ)熱量變化量在夏半年為正值，在冬半年為負(fù)值，表明三峽庫(kù)區(qū)水體在夏半年吸收熱量，而在冬半年將吸收的熱量釋放出去，且由于感熱通量數(shù)值遠(yuǎn)小于潛熱通量，表明這種熱量釋放以潛熱形式為主，在12月達(dá)到峰值（約130 W/m2），與秋冬半年蒸發(fā)峰值出現(xiàn)的時(shí)間一致。陸面站蒸發(fā)皿的蓄熱量變化季節(jié)分布與漂浮站類似，但其各月的蓄熱量變化量幅度偏小（均在30 W/m2以下），表明由于蒸發(fā)皿所含水體較淺，其水體蓄熱能力遠(yuǎn)低于漂浮站對(duì)應(yīng)的庫(kù)區(qū)大型水體。值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)漂浮站蒸發(fā)在夏季8月同樣表現(xiàn)為1個(gè)較大的峰值，從能量分量可以看到，8月巴東漂浮站吸收的凈輻射能量達(dá)120 W/m2，但其熱儲(chǔ)量?jī)H不到50 W/m2，說(shuō)明8月水體的儲(chǔ)熱量已經(jīng)接近飽和，大量的吸收凈輻射能量以蒸發(fā)潛熱的形式向外界釋放，從而造成8月蒸發(fā)峰值。

圖5給出了巴東漂浮站水面蒸發(fā)與水體儲(chǔ)熱量變化的年際波動(dòng)分布，可以看到二者呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.57，特別是在峰谷值上對(duì)應(yīng)關(guān)系尤為明顯，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了水體蓄放熱效應(yīng)對(duì)漂浮站蒸發(fā)滯后效應(yīng)的影響。

2.3" 水陸蒸發(fā)差異歸因分析

分別選取陸面站和漂浮站的風(fēng)速、氣溫、水溫、水氣溫差、飽和水汽壓5類緊密聯(lián)系的氣象要素月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖6。結(jié)果表明，漂浮站和陸面站的氣溫、水溫、飽和水汽壓變化均呈現(xiàn)為夏高冬低的特征，這與陸面站的蒸發(fā)季節(jié)分布有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且各因子與陸上水面蒸發(fā)也有較強(qiáng)的相關(guān)性，表明上述因子可能是驅(qū)動(dòng)陸面站蒸發(fā)的重要因素。但這些因子的季節(jié)分布難以解釋漂浮站蒸發(fā)量冬高夏低的變化特征，圖6結(jié)果顯示漂浮站水氣溫差呈現(xiàn)明顯的冬高夏低特征，與其水面蒸發(fā)季節(jié)變化一致，且在冬半年二者相關(guān)性同樣較強(qiáng)，表明水氣溫差對(duì)于庫(kù)區(qū)漂浮站冬半年水面蒸發(fā)有著重要作用，但這種影響難以用傳統(tǒng)的水面蒸發(fā)計(jì)算公式來(lái)描述。

為進(jìn)一步分析造成這種水陸蒸發(fā)差異的原因，表1給出巴東漂浮站與陸面站水面蒸發(fā)的差值分別與漂浮站與陸面站各氣象要素差值的相關(guān)分析結(jié)果。由表1可知，在3—9月，飽和水汽壓、氣溫、水溫、水氣溫差4個(gè)因子的水陸差值均與水面蒸發(fā)差值存在較好的正相關(guān)性，即當(dāng)水陸氣象因子的差異越大時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)差異也越大。由于夏半年陸面站蒸發(fā)量高于漂浮站（圖2），且相應(yīng)的飽和水汽壓、氣溫、水溫、水氣溫差值陸面站也均高于漂浮站（圖3），說(shuō)明當(dāng)漂浮站的飽和水汽壓、氣溫、水溫、水氣溫差較陸面站越小時(shí)，水陸蒸發(fā)的差異值越大;在10—2月，水溫、水氣溫差和氣溫差值與蒸發(fā)差值的相關(guān)性較強(qiáng)，與3—9月類似，各因子差異均與蒸發(fā)差異呈正相關(guān)，其中氣溫、水溫、水氣溫差差異的相關(guān)性和擬合系數(shù)明顯高于3—9月，特別是水溫和水氣溫差差異與蒸發(fā)差異的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.68和0.67，擬合系數(shù)分別高達(dá)0.46和0.45，說(shuō)明水溫、水氣溫差水陸差值在10—2月對(duì)水陸蒸發(fā)差值的影響較夏半年更強(qiáng)。

在蒸發(fā)過(guò)程中，飽和水汽壓反映的是在一定溫度下空氣可容納的最大水汽含量，氣溫決定著空氣里的飽和水汽含量和水汽分子散播的速度，水溫直接影響水分子逸出水面的能力［11-12］，而水氣溫差形成水面空氣與上層空氣的密度差，是無(wú)風(fēng)或弱風(fēng)條件下水面蒸發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力［13-15］。夏半年3—9月，陸面站氣溫高于漂浮站，相應(yīng)的陸面站飽和水汽壓大于漂浮站，這意味著陸面站空氣的可容納蒸發(fā)量高于漂浮站，而兩站的測(cè)量對(duì)象均為水面蒸發(fā)且水溫足夠高，說(shuō)明下墊面用于蒸發(fā)的水體量是充分的，因此限制夏半年蒸發(fā)量的主要為空氣可容納水汽含量，此時(shí)的陸面站與漂浮站的氣溫差異越大，導(dǎo)致飽和水汽壓差異越大，對(duì)應(yīng)的水陸蒸發(fā)差異也越大。冬半年10—2月，兩站的氣溫、飽和水汽壓差異不大，但漂浮站的水氣溫差顯著高于陸面站，意味著其水面散熱的驅(qū)動(dòng)力更大，此時(shí)漂浮站與陸面站的水氣溫差差異越大，對(duì)應(yīng)的水陸蒸發(fā)差異越大。

表1的單因子擬合結(jié)果顯示，單獨(dú)的飽和水汽壓、氣溫、水溫、水氣溫差差值與水陸蒸發(fā)差值的擬合系數(shù)均較低，由此推斷水陸蒸發(fā)差異并不是簡(jiǎn)單的因子線性影響，而是多種因子復(fù)雜非線性影響的結(jié)果。為了驗(yàn)證多因子的影響作用，采用飽和水氣壓、氣溫、水溫、水汽溫差4種標(biāo)準(zhǔn)化后的影響因子對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化水陸水面蒸發(fā)差值進(jìn)行多元回歸擬合，分別給出3—9月和10—2月實(shí)際水陸水面蒸發(fā)差值與回歸差值的擬合分析（圖7（a）和圖7（b），圖中xp為飽和水汽壓、xta為氣溫、xtw為水溫、xtaw為水氣溫差，R2為擬合系數(shù)）。由圖7可知，在冬夏半年，采用多因子回歸擬合的相關(guān)性及擬合系數(shù)較單因子均有明顯提升，其中，3—9月的相關(guān)系數(shù)由原來(lái)單因子最高的0.51上升到0.59，擬合系數(shù)由0.26上升到0.35;10—2月的增加幅度相對(duì)較低，相關(guān)系數(shù)由單因子最高的0.68上升到0.71，擬合系數(shù)由0.46上升到0.51。采用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)定量評(píng)估飽和水汽壓、氣溫、水溫、水氣溫差差值對(duì)水陸水面蒸發(fā)差值的影響，表2結(jié)果顯示，在3—9月，氣溫差值對(duì)水陸水面蒸發(fā)差值的貢獻(xiàn)最大，其次為飽和水汽壓，標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.31和0.22；在10—2月，水氣溫差差值貢獻(xiàn)最大，其次為水溫，標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別達(dá)0.47和0.26。上述分析進(jìn)一步驗(yàn)證了三峽庫(kù)區(qū)水陸水面蒸發(fā)差異并不是簡(jiǎn)單的因子線性影響，而是多種因子復(fù)雜影響的結(jié)果，其中3—9月，氣溫和飽和水汽壓影響最大，10—2月，水氣溫差和水溫影響更大。

3" 討" 論

（1） 本文研究特色。由于現(xiàn)有的水面蒸發(fā)計(jì)算公式均是針對(duì)陸面站蒸發(fā)皿試驗(yàn)擬合的，以往對(duì)三峽庫(kù)區(qū)漂浮站蒸發(fā)多采用陸面站水面蒸發(fā)乘以折算系數(shù)的方法來(lái)計(jì)算［17］。然而，本文分析表明陸面站和漂浮站水面蒸發(fā)在不同時(shí)間段變化并不一致，采用折算系數(shù)的方法難以精確體現(xiàn)漂浮站水面蒸發(fā)數(shù)值。長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局于2013年8月在巴東河段設(shè)立了三峽庫(kù)區(qū)首個(gè)也是唯一一個(gè)具有代表性的漂浮蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站，經(jīng)過(guò)多年的觀測(cè)資料積累后，有必要分析三峽庫(kù)區(qū)巴東站水陸水面蒸發(fā)的變化差異及其成因，從而為后續(xù)進(jìn)一步推導(dǎo)適用于漂浮站水面蒸發(fā)的計(jì)算公式提供基礎(chǔ)。在三峽庫(kù)區(qū)水陸蒸發(fā)差異方面，王玉濤等［16］采用灰色相關(guān)方法對(duì)比了巴東水陸水面蒸發(fā)與影響因子的相關(guān)性，但并未從水陸蒸發(fā)量差異的角度分析造成這種蒸發(fā)差異的氣象因子具體有哪些。且以往對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水陸蒸發(fā)差異的研究?jī)H分析了氣象因子的作用，實(shí)質(zhì)上由于庫(kù)區(qū)水體強(qiáng)大的蓄熱效應(yīng)，許多湖泊、水庫(kù)的水面蒸發(fā)表現(xiàn)為比輻射和陸面蒸發(fā)峰值滯后的季節(jié)變化，如果不從能量平衡的角度去分析，很難解釋清楚2種蒸發(fā)的季節(jié)變化和總量的差異。此外，需要說(shuō)明的是，王玉濤等［17］對(duì)三峽水庫(kù)不同蓄水階段的庫(kù)區(qū)總蒸發(fā)量變化進(jìn)行了分析，由于三峽水庫(kù)從死水位145 m到正常高水位175 m有30 m的可變幅度，不同水位的庫(kù)區(qū)水面面積有著巨大差異，因此，相應(yīng)的庫(kù)區(qū)總蒸發(fā)量在不同階段的差異十分顯著，但本文關(guān)注的是三峽庫(kù)區(qū)巴東站水陸蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)的差異，即單點(diǎn)的蒸發(fā)變化，因此水庫(kù)水面積的變化對(duì)于單點(diǎn)的蒸發(fā)影響相對(duì)較小。分析了巴東站水位分別與漂浮站水面蒸發(fā)、陸面站水面蒸發(fā)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明3—9月巴東站水位與漂浮站和陸面站水面蒸發(fā)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.21和-0.32，10—2月的相關(guān)系數(shù)分別為0.33和-0.15，其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較飽和水汽壓、氣溫、水溫、水氣溫差等明顯偏低，這說(shuō)明巴東站水位變化對(duì)蒸發(fā)具有一定的影響，但這種影響程度相較主導(dǎo)微氣象因子相對(duì)較弱，并不是影響巴東站水陸蒸發(fā)的主要因素。

（2） 水陸水面蒸發(fā)差異機(jī)理。本文分析表明，三峽庫(kù)區(qū)漂浮站和陸面站的蒸發(fā)呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)分布差異，時(shí)間上漂浮站峰值較陸面站平均滯后約4個(gè)月。對(duì)于飽和蒸發(fā)面，蒸發(fā)主要受能量限制，對(duì)于湖泊和大型水庫(kù)等具有較大蓄熱能力的大型水體，由于其垂直分層結(jié)構(gòu)和年熱力循環(huán)特性，儲(chǔ)熱量與氣溫（輻射）的季節(jié)性波動(dòng)并不同步，許多湖泊、水庫(kù)的水面蒸發(fā)表現(xiàn)為比輻射和陸面蒸發(fā)峰值滯后的季節(jié)變化［18-24］，隨著水深增加，這種滯后越明顯，如美國(guó)的五大湖，中國(guó)的太湖、色林錯(cuò)湖、佩枯錯(cuò)湖等均存在這種現(xiàn)象，青藏高原的佩枯錯(cuò)湖滯后約5個(gè)月［18］，北美大湖滯后達(dá)到6個(gè)月［19］，這與以往的湖泊蒸發(fā)滯后效應(yīng)基本一致［18-24］。能量平衡分析結(jié)果表明，由于巴東陸面站水體很淺，熱容量很小，其潛熱通量的主導(dǎo)因素為凈輻射通量，隨凈輻射變化呈現(xiàn)出夏高冬低的季節(jié)分布。巴東漂浮站位于庫(kù)區(qū)深水處，水體熱容含量大，受其影響水體在夏半年吸收熱量并儲(chǔ)存起來(lái)，在冬半年以潛熱形式向外界釋放，從而導(dǎo)致了其蒸發(fā)峰值較陸面站滯后的現(xiàn)象。氣象主控因子分析表明，在夏半年，無(wú)論是漂浮站還是陸面站的氣溫和水溫整體遠(yuǎn)高于冬半年，說(shuō)明夏半年水面的可蒸發(fā)量是充足的，限制蒸發(fā)量的因素主要是大氣中可容納的水汽含量（即大氣飽和水汽壓）。大氣飽和水汽壓與大氣溫度密切相關(guān)，氣溫越高大氣可容納的水汽含量越多，由于夏半年陸面站的氣溫明顯高于漂浮站（圖6），從而造成陸面站的水面蒸發(fā)量大于漂浮站，圖6中7月、8月陸上水面蒸發(fā)量較漂浮蒸發(fā)量差值最大，且7月、8月水陸氣溫差值最高，也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。施成熙等［11］、杜嶼［12］的研究也表明飽和水汽壓對(duì)水面蒸發(fā)具有重要影響;對(duì)于冬半年，由于氣溫和水溫整體偏低，導(dǎo)致水面的可蒸發(fā)量相對(duì)偏低，大氣有足夠的能力容納所有蒸發(fā)的水汽量，且冬半年陸面站和漂浮站的氣溫十分接近，因此此時(shí)制約蒸發(fā)量的因素主要為水溫和水氣溫差。當(dāng)水氣溫差越大，水面散熱的驅(qū)動(dòng)能力越大，蒸發(fā)能力越強(qiáng)［13-15］，由于冬半年漂浮站的水氣溫差遠(yuǎn)高于陸面站（圖6），從而導(dǎo)致冬半年漂浮站的蒸發(fā)量高于陸面站，圖3中12月、1月漂浮蒸發(fā)量較陸上水面蒸發(fā)量差值最大且相應(yīng)地12月、1月二者的水氣溫差差值最高，同樣也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。綜合上述分析，本文認(rèn)為造成水陸水面蒸發(fā)差異的關(guān)鍵影響因素在夏半年是飽和水汽壓和氣溫，在冬半年則是水溫和水氣溫差，影響核心實(shí)質(zhì)是溫度的變化，同時(shí)水陸蒸發(fā)差異并不是簡(jiǎn)單的因子線性影響，而是多種因子復(fù)雜非線性影響的結(jié)果。需要指出的是，本文結(jié)論主要為基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得到的定性結(jié)果，尚需進(jìn)一步的物理試驗(yàn)論證和定量分析，筆者后續(xù)將針對(duì)此方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。同時(shí)，由于三峽水建成蓄水以來(lái)，庫(kù)水位每年從汛前防洪限制水位145 m到汛后正常蓄水位175 m變動(dòng)，水面面積在541.0 km2到950.1 km2之間變化，加之三峽水庫(kù)上游的金沙江干熱河谷氣候和高壩大庫(kù)建設(shè)運(yùn)行綜合作用下對(duì)水量和能量輸入的調(diào)節(jié)［33-35］，一定程度上使得三峽庫(kù)區(qū)的水面蒸發(fā)具備獨(dú)特個(gè)性，因此后期有必要針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)整體的水面蒸發(fā)，從垂向能量通量和上游水庫(kù)熱量輸送、下游熱量輸出的角度進(jìn)一步研究整個(gè)三峽庫(kù)區(qū)蒸發(fā)對(duì)應(yīng)的能量平衡機(jī)制。

4" 結(jié)" 論

基于2014—2021年三峽庫(kù)區(qū)巴東漂浮水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站和陸上水面蒸發(fā)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)能量平衡分析、相關(guān)分析、回歸分析等方法，分析巴東站水陸水面蒸發(fā)的季節(jié)差異，對(duì)比蒸發(fā)對(duì)應(yīng)的能量平衡季節(jié)變化，并研究水陸水面蒸發(fā)差異的主控氣象因子。主要結(jié)論如下：

（1） 陸面站與漂浮站觀測(cè)水面蒸發(fā)過(guò)程具有明顯差別，陸面站水面蒸發(fā)峰值通常出現(xiàn)在8月，漂浮站水面蒸發(fā)峰值通常出現(xiàn)在12月，漂浮站蒸發(fā)峰值較陸面站平均滯后約4個(gè)月;3—9月，陸面站蒸發(fā)大于漂浮站，10月至次年2月，漂浮站蒸發(fā)大于陸面站。

（2） 三峽水庫(kù)在夏半年吸收大量的熱量，受水體蓄熱效應(yīng)的影響，這種熱量在秋冬半年以潛熱為主要形式向外界釋放，12月達(dá)到峰值，平均約130 W/m2，從而導(dǎo)致冬半年蒸發(fā)出現(xiàn)高值。

（3） 巴東站水陸蒸發(fā)差異是多種因子復(fù)雜非線性影響的結(jié)果，但其主要影響因素在冬半年是水溫和水氣溫差，影響實(shí)質(zhì)是水溫的變化；在夏半年則是氣溫和飽和水汽壓，影響實(shí)質(zhì)是氣溫的變化。

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Analysis of pan evaporation characteristics over land and water surfaces

in the Three Gorges Reservoir area

The study is financially supported by the National Key Ramp;D Program of China （No.2021YFC3200301） and the National Natural Science Foundation of China （No.U2340213）.

CHENG Haiyun1，F(xiàn)ENG Baofei1，ZHANG Jun1，WANG Le1，2，QIN Shujing2，

WANG Kun1，WANG Zhenghua1，3

（1. Bureau of Hydrology，ChangJiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China;

2. State Key Laboratory of

Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China;

3. Innovation Team for

Flood and Drought Disaster Prevention of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：The Three Gorges Reservoir （TGR） is the largest artificial water resources regulation and storage center in China.Thereby the evaporation in the reservoir area has profound impact on the regional eco-hydrological process.Analysis on the differences of pan evaporation characteristics between water surface and land surface is of great importance for understanding regional hydrological circulation and climate change.This work applied observations from both floating site and land site in Badong hydrometeorological station and the radiation data from ERA5 dataset，found the difference of seasonality characteristic of pan evaporation and energy budget between water surface and land surface，and preliminarily analyzed the reasons on the differences.The main results are as follows：① Significant difference of seasonal pan evaporation characteristics was detected between water surface and land surface，with high peak appeared in August over land surface while appeared in December over water surface;② The energy budget analysis indicating TGR area generally accumulated heat during summer season while released heat and significantly increased available energy in water during winter season，which resulted peak value appeared four months later in water site than that of the land site;③ The controlling factors analysis indicated that the difference of evaporation and thermal characteristics was controlled by nonlinear comprehensive influences from multi micrometeorological factors，which was dominated by air temperature and saturated water pressure deficit during accumulating heat period （March to September），while by water temperature and temperature difference between air temperature and water temperature during releasing heat period （October to February of next year）.

Key words：water surface evaporation;differences of evaporation between water and land;micro-meteorological factors;seasonal variation;Three Gorges Reservoir