阿克蘇流域可能蒸發(fā)量的計(jì)算

霍 文，楊 青，李 楊，秦 賀

（1.中國(guó)氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，烏魯木齊 830002）

蒸發(fā)是生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)與水量平衡的重要組成部分，直接關(guān)系著地表能量平衡和水量平衡［1］。氣候變化影響水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)，除通過降水和氣溫變化影響流域徑流的時(shí)空變化外，同時(shí)通過不同的方式對(duì)蒸發(fā)能力產(chǎn)生影響［2］。流域總蒸發(fā)又是水量平衡的組成要素。因流域內(nèi)氣象條件與下墊面情況組合極為復(fù)雜，大面積范圍內(nèi)無法準(zhǔn)確獲得各單項(xiàng)蒸散發(fā)量，故目前多從綜合角度估算推求流域總蒸發(fā)量。較普遍的是采用水量平衡法，即根據(jù)降水、徑流、流域蓄水量的變化等資料估算；也有利用太陽輻射、降水、氣溫等氣象要素，建立經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。流域總蒸發(fā)的計(jì)量單位，以時(shí)段內(nèi)單位面積蒸發(fā)的水層深度（mm）表示。大范圍內(nèi)的流域蒸發(fā)，一般用等值線圖表示其分布和變化規(guī)律。其大小受流域的熱狀況、水分供應(yīng)條件及下墊面組成要素狀況的影響。中國(guó)冬季流域蒸發(fā)量小，夏季7－9月是全年蒸發(fā)量最大的月份。就蒸發(fā)而言計(jì)算方法很多，計(jì)算公式可歸納為5類:（1）空氣動(dòng)力學(xué)法。空氣絕熱狀態(tài)下，且下墊面（如土壤和植物等表面）條件均勻一致時(shí)，水汽的水平通量為零，根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，研究蒸發(fā)面與空氣層之間的熱量和水汽的亂流交換，由亂流交換系數(shù)和濕度梯度可計(jì)算出垂直水汽通量即蒸發(fā)量。（2）能量平衡法。該法是通過太陽輻射平衡計(jì)算，根據(jù)能量守恒原理求出供給蒸發(fā)的能量來確定蒸發(fā)的。上述的兩種方法﹐均屬于微氣象學(xué)方法［2］。（3）綜合方法。包括各種利用氣象要素的方法，如英國(guó)彭曼法和前蘇聯(lián)布德克法等。目前國(guó)際上比較常用的是彭曼法。該法是從英國(guó)的自然地理?xiàng)l件出發(fā)提出的一種計(jì)算模型﹐考慮不同蒸發(fā)面的性質(zhì)用不同的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)﹐可以得到比較接近實(shí)際的結(jié)果。（4）溫度公式。是以氣溫作為蒸發(fā)計(jì)算的主要素，實(shí)際是一種純經(jīng)驗(yàn)的方法，其計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，適用性差。（5）水量平衡法?；谒科胶獾亩喾N因子。如降水﹑徑流﹑土壤濕度等平衡要素的計(jì)算。此法分為流域水文資料計(jì)算和高空氣象計(jì)算兩種。近年來國(guó)際上流域蒸發(fā)量計(jì)算方法發(fā)展很快，對(duì)能量和大氣湍流交換進(jìn)行數(shù)值模擬和利用遙感信息計(jì)算蒸發(fā)量的方法，均是極有前景的新方向?？赡苷舭l(fā)是蒸發(fā)計(jì)算中應(yīng)用廣泛的一個(gè)參數(shù)，同時(shí)可能蒸發(fā)是計(jì)算實(shí)際蒸發(fā)量的基礎(chǔ)，可能蒸發(fā)量的準(zhǔn)確性，直接影響實(shí)際蒸發(fā)、蒸散的結(jié)果。而可能蒸發(fā)的概念也是20世紀(jì)40年代由Thornthwaite和penman提出來的，而彭曼公式計(jì)算可能蒸發(fā)時(shí)所需要的氣象資料都是常規(guī)觀測(cè)資料，比較容易得到，便于使用，對(duì)蒸發(fā)能力計(jì)算方法的評(píng)估時(shí)，也認(rèn)為彭曼法可用于計(jì)算各種時(shí)段的蒸發(fā)能力，且有較高精度［2］。20世紀(jì)90年代，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）將Penman－Monteith公式確定為計(jì)算參考作物蒸散量（RET）的標(biāo)準(zhǔn)方法［4］。因此，本文首先采用彭曼－蒙特斯方法計(jì)算阿克蘇流域氣象單站的可能蒸發(fā)量，其次通過插值計(jì)算阿克蘇流域可能蒸發(fā)量。客觀地分析阿克蘇流域可能蒸發(fā)量，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和改善及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)，對(duì)研究干旱區(qū)綠洲氣候變化有參考價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 資料

阿克蘇流域內(nèi)氣象站較為稀少，分布也非網(wǎng)格狀，且不均勻，為了提高計(jì)算的精確度及穩(wěn)定性，我們選取阿克蘇河流域及其周邊站點(diǎn)烏什、阿克蘇、溫宿、拜城、新和、沙雅、庫(kù)車、柯坪、阿瓦提等9個(gè)氣象站。1961－2000年最高溫度、最低溫度、風(fēng)速等氣象要素日資料計(jì)算出單站日可能蒸發(fā)量，通過插值計(jì)算阿克蘇流域的年平均可能蒸發(fā)量。

1.2 氣象單站的可能蒸發(fā)量計(jì)算方法及其計(jì)算流域可能蒸發(fā)量插值方法

1.2.1 彭曼－蒙特斯公式的基本形式 其一般形式可表示為

式中:Er——熱力或能量過程產(chǎn)生的蒸發(fā)；Ea——?jiǎng)恿ψ饔卯a(chǎn)生的蒸發(fā)；γ——常數(shù)（0.067）；Δ——飽和水汽壓曲線的斜率，而溫度為t℃時(shí)的飽和水汽壓可以按馬格奴斯經(jīng)驗(yàn)公式推求（近似地，不分水面與冰面，在下式中可統(tǒng)一取a＝17.27，b＝237.3），則其一般形式又可表示為

可能蒸發(fā)量或蒸發(fā)能力的計(jì)算，是在上式的基礎(chǔ)上修訂而得到的。太陽輻射是對(duì)ET0影響最大的氣象要素。在沒有太陽輻射及日照觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用下列方法補(bǔ)差:用本氣象站的最高和最低氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算太陽輻射。日最高氣溫和最低氣溫之差與當(dāng)天的天空云量有關(guān)，而天空云量是影響太陽輻射的主要因素。Hard graves首先提出最高氣溫和最低氣溫之差與太陽輻射的關(guān)系，Allen等人修正了Hard graves方程，得到下列關(guān)系式［2］:

式中:RS——補(bǔ)差的太陽輻射［MJ／（m2·d）］；Ra——外空輻射［MJ／（m2·d）］；Tmax——最高溫度（℃）；Tmin——最低溫度（℃）；Kr——調(diào)節(jié)系數(shù)（℃－1／2）；對(duì)內(nèi)陸地區(qū)通常取0.17，而對(duì)沿海地區(qū)為0.19。

Ra可由下式計(jì)算:

式中:dr——計(jì)算日的日地相對(duì)距離值:地球距離太陽的遠(yuǎn)點(diǎn)距離為1.52×108km，近點(diǎn)距離為1.47×108km，平均為1.5×108km；ws——太陽時(shí)角；f——測(cè)站的緯度（北半球?yàn)檎?，弧度）；d——日傾角（弧角）。ws和d分別由下式計(jì)算:

假定補(bǔ)差輻射即為可用于蒸發(fā)的能量，根據(jù)已有的氣象理論公式，可推得可能蒸發(fā)量的計(jì)算公式:

式中:λ——常數(shù)2.501；U2——2m 高的風(fēng)速；D——飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差；Rs——補(bǔ)差的太陽輻射。

1.2.2 其他參數(shù)假定

（1）按對(duì)數(shù)律［2］近似得到2m高的風(fēng)速計(jì)算公式:

式中:U10——10～12m高度的氣象站的實(shí)測(cè)風(fēng)速［5］。

（2）相對(duì)濕度用來計(jì)算實(shí)際水汽壓（ed）當(dāng)濕度缺測(cè)或數(shù)據(jù)可靠性有問題時(shí)，實(shí)際水汽壓可用最低氣溫（Tmin）近似計(jì)算［2］。

該式的基本假定條件是日最低氣溫（Tmin）近似等于露點(diǎn)溫度（Tmin），即當(dāng)夜間氣溫降至最低時(shí)，空氣濕度接近飽和（RH≈100%），這對(duì)地表有草覆蓋的氣象站，大多數(shù)時(shí)期內(nèi)是能夠滿足的。

Tetens公式（1930）

冰面與水面相比，水分子不易脫離，故冰面飽和水汽壓比水面低些，滿足下列經(jīng)驗(yàn)公式:

上述公式也稱為Magnus公式。在這里采用水面或者冰面公式來計(jì)算飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差，判定條件為，當(dāng)日平均溫度大于或者等于0℃時(shí)，計(jì)算采用公式（10）水面公式計(jì)算水汽壓差D；當(dāng)日平均溫度小于0℃時(shí)，計(jì)算采用（11）水面公式計(jì)算水汽壓差D；

1980年Bolton給出了對(duì)Tetens公式的修正:

1.3 插值計(jì)算方法

以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用梯度距離平方反比法（GIDS）作為差值公式，計(jì)算區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)l的蒸發(fā)值E:

式中:Xl、Xj和Yl、Yj分別為待估點(diǎn)l與氣象站點(diǎn)j的X、Y軸坐標(biāo)值；Zl、Zj為待估點(diǎn)l與氣象站點(diǎn)j的海拔高度；dj——待估點(diǎn)l與第j個(gè)氣象站點(diǎn)的大圓距離；a0、a1、a2是蒸發(fā)量與X、Y 及海拔高度回歸系數(shù)，由下式可求出:

選定的參考點(diǎn)為（72°E，32°N），以求出氣象站點(diǎn)和各計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)值。計(jì)算可得每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的可能蒸發(fā)量。

2 結(jié)果分析

2.1 單站可能蒸發(fā)量分析

新疆屬于典型的干旱區(qū)，在干旱區(qū)就普遍意義而言，可能蒸發(fā)量值很高，因?yàn)槿耆照諒?qiáng)烈，平均溫度較高，因此全年降水量較少，所以其實(shí)際蒸發(fā)量不具有這么大的值，即使在濕潤(rùn)地區(qū)或者年降水量較大的地區(qū)也并不能時(shí)刻保證土壤有充足的水分供應(yīng)條件，因此最大可能蒸發(fā)量ET只是大區(qū)域?qū)嶋H蒸發(fā)量的上限。

根據(jù)彭曼公式計(jì)算得到9個(gè)氣象站參考蒸散發(fā)量的變化特征如表1。從表中可以看出，各個(gè)氣象站1961－2000年平均可能蒸發(fā)量存在一定差別，烏什氣象站海拔最高1395 .8m，可能蒸發(fā)量年均值最?。?262 .8mm）；沙雅氣象站海拔最低980.4m，可能蒸發(fā)量年均值（1353 .5mm）；阿瓦提氣象站海拔最低1044 .3m，可能蒸發(fā)量年均值最大（1493 .3mm）阿克蘇、溫宿站所在的綠洲區(qū)的可能蒸發(fā)量在1340 mm左右。就阿克蘇流域單站而言，海拔高的站點(diǎn)可能蒸發(fā)量較小，海拔相對(duì)較低的站點(diǎn)可能蒸發(fā)量較大。氣溫隨海拔高度的增加而降低，相對(duì)濕度一般隨海拔高度增加而增大，所以蒸發(fā)量一般隨海拔的增高而減少。隨著時(shí)間序列的推移，各站的可能蒸發(fā)量年代際均值呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，阿克蘇單站可能蒸發(fā)量40a遞減差值為34.5mm。據(jù)研究表明，從1960－2000年，由于灌溉引水的變化，阿克蘇綠洲耗水量顯著增大，同時(shí)綠洲年平均風(fēng)速下降，年平均相對(duì)濕度增大，使綠洲年潛在蒸散發(fā)量呈顯著下降趨勢(shì)［2］。

在全球變暖的大背景下，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究表明，很多區(qū)域的潛在蒸散發(fā)量具有顯著下降的趨勢(shì)［9－12］。而目前為止對(duì)潛在蒸散發(fā)下降的影響因素已有較多研究［12－14］，一方面認(rèn)為潛在蒸散發(fā)的下降主要受到輻射和風(fēng)速等自然因素變化的影響［14－15］，另一方面則認(rèn)為潛在蒸散發(fā)的下降是陸面實(shí)際蒸散發(fā)增大的結(jié)果，與區(qū)域水文循環(huán)的變化有著緊密聯(lián)系，且受到人類活動(dòng)的顯著影響。雖然潛在蒸散發(fā)量與本文所計(jì)算的可能蒸發(fā)量的概念有所區(qū)別，但是隨時(shí)間序列的變化趨勢(shì)大致相同，而影響蒸發(fā)的氣象要素主要是溫度、風(fēng)速、濕度、輻射的變化，我們計(jì)算的可能蒸發(fā)量更接近實(shí)際蒸發(fā)量，但并不是實(shí)際蒸發(fā)量，而是實(shí)際蒸發(fā)量的上限。而潛在蒸散發(fā)是各個(gè)氣象站蒸發(fā)皿觀測(cè)值，只是蒸發(fā)反映了單站或者區(qū)域的蒸發(fā)能力的大小，因此，本文計(jì)算的可能蒸發(fā)量更具有實(shí)際意義。通過單站40a潛在蒸散發(fā)的觀測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比，觀測(cè)值明顯大于計(jì)算值，差值區(qū)間為110～1255 mm，總體來看，其中海拔較低阿瓦提、溫宿、阿克蘇差值較小，海拔較高的烏什、庫(kù)車、柯平差值較大。說明計(jì)算值在海拔相對(duì)較低的區(qū)域精度較高，在海拔較高的區(qū)域差值相對(duì)較大。

表1 單站40a潛在蒸散發(fā)觀測(cè)均值和可能蒸發(fā)量年均值 mm

2.2 阿克蘇流域的年平均可能蒸發(fā)量分析

由圖1可知，阿克蘇流域可能蒸發(fā)量分布不均勻，整個(gè)流域靠近天山山脈的托木爾峰附近可能蒸發(fā)量最小，年均值約在600mm左右，阿拉爾以及阿瓦提一帶可能蒸發(fā)量最大，年均值約在1400 mm以上，最大地區(qū)可達(dá)1600 mm。流域的西南至東北一帶可能蒸發(fā)量較小約在1000 mm以下，流域東南部阿克蘇以及溫宿一帶年均值可能蒸發(fā)量也較大，約在1400 mm左右，流域中部阿合奇、烏什一帶可能蒸發(fā)量年均值也達(dá)到了1200 mm，整個(gè)流域西部可能蒸發(fā)量年均值在1000 mm左右，流域北部的可能蒸發(fā)量年均值分布比較均勻，約為800～1000 mm，靠近天山南坡的部分地區(qū)隨著海拔的上升，平均溫度的下降，可能蒸發(fā)量的年均值達(dá)到700mm左右，整個(gè)流域天山山區(qū)附近一帶可能蒸發(fā)量要明顯小于流域以內(nèi)靠近塔里木盆地的天山南坡的山前沖積平原地區(qū)，可能蒸發(fā)量的總體變化趨勢(shì)是隨著海拔高度的降低而逐漸增大。計(jì)算整個(gè)阿克蘇流域年平均可能蒸發(fā)量約為848.3億 m3。

阿克蘇、溫宿至阿拉爾一帶可能蒸發(fā)量較大在1400 mm以上，阿克蘇流域北部山區(qū)可能蒸發(fā)量較小，特別是東北部的山區(qū)的可能蒸發(fā)量最小，基本上在800mm以下?？赡苷舭l(fā)量是溫度和風(fēng)速的函數(shù)，溫度是水汽傳播速度及水汽接納能力的影響要素，風(fēng)速的大小影響了對(duì)紊流擴(kuò)散的強(qiáng)度和干濕空氣的交換速度，山區(qū)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于阿克蘇流域西部及東南部阿克蘇－阿拉爾一帶。雖然阿克蘇流域天山山區(qū)一帶，早晚山谷風(fēng)較其他地區(qū)較大，但是干濕空氣之間的差異很小，這取決于新疆本身的地理因素。但應(yīng)指出，由于風(fēng)速是隨高度增加而增大的，因此蒸發(fā)量隨著海拔增加而遞減的速度便大大減小，此外，由于山區(qū)地形變化，也導(dǎo)致蒸發(fā)量隨著海拔增加而變小，但總的來說，這些都是次要或局部的因素，而主要是蒸發(fā)量隨海拔增高而遞減。所以在阿克蘇流域風(fēng)速對(duì)可能蒸發(fā)量的影響要小于海拔變化和溫度的影響。因此，在阿克蘇流域，海拔高差變化和溫、濕度是影響可能蒸發(fā)量大小的主要因素。

圖1 阿克蘇流域可能蒸發(fā)量分布圖

3 結(jié)論

（1）阿克蘇流域年平均可能蒸發(fā)量約為848.3億m3，且分布不均勻，最大值達(dá)到1600 mm，最小值約為600mm。可能蒸發(fā)量的總體變化趨勢(shì)是隨著海拔高度的降低而逐漸增大，隨著平均溫度的增大而逐漸增大。就單站而言，海拔高的站點(diǎn)可能蒸發(fā)量較小，海拔相對(duì)較低的站點(diǎn)可能蒸發(fā)量較大。觀測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比，海拔低的區(qū)域精度高，海拔高的區(qū)域精度低。

（2）雖然阿克蘇流域山谷風(fēng)環(huán)流明顯，但是由于流域當(dāng)?shù)乜諝庵袧穸炔町惒淮?，干濕空氣交換不如降水量充分的地區(qū)。因此，風(fēng)速對(duì)可能蒸發(fā)量的影響要明顯小于溫度。在阿克蘇流域，海拔高差和溫、濕度的變化才是影響可能蒸發(fā)量大小的主要因素。

（3）整個(gè)阿克蘇流域的可能蒸發(fā)量很大，但是實(shí)際蒸發(fā)量的值卻很小，這主要取決于空氣中的水汽含量和下墊面的水分條件，雖然阿克蘇流域和天山南坡年降水量要大于南疆大部分地區(qū)，但是相對(duì)于蒸發(fā)能力而言，卻微乎其微。因此，可能蒸發(fā)量只是阿克蘇流域區(qū)域?qū)嶋H蒸發(fā)量的區(qū)間上限。

［1］劉小莽，鄭紅星，劉昌明，等.海河流域潛在蒸散發(fā)的氣候敏感性分析［J］.資源科學(xué)，2009，31（9）:1470－1476.

［2］Kundzewicz Z W，Somlyody L.Climatic Change Impact on Water Resources in a Systems Perspective［J］.Water Resour.Manage.，1997，11:407－435.

［3］布德科 M N.地表面熱量平衡［M］.李懷瑾，鄧進(jìn)上，譯.北京:科學(xué)出版社，1960.

［4］錢學(xué)偉，李秀珍.陸面蒸發(fā)計(jì)算方法述評(píng)［J］.水文，1996（6）:25－31.

［5］Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.Crop Evapotranspiration:Guidelines for Computing Crop Water Requirements［M］.Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations，1998.

［6］劉鈺，Pereira L S，Teixeira J L.參照騰發(fā)量的新定義及計(jì)算方法對(duì)比［J］.水利學(xué)報(bào)，1997，28（6）:27－33.

［7］傅抱璞，翁篤鳴，虞靜明，等.小氣候?qū)W［M］.北京:氣象出版社，1994:126－127.

［8］韓松俊，胡和平，楊大文，等.塔里木河流域山區(qū)和綠洲潛在蒸散發(fā)的不同變化及影響因素［J］.中國(guó)科學(xué):E輯，2009，39（8）:1375－1383.

［9］Gao G，Chen D L，Xu C Y，et al.Trend of estimated actual evapotranspiration over China during 1960－2002［J］.J.Geophys.Res.，2007，112，D11120［doi］.

［10］Ohmura A，Wild M.Is the hydrological cycle accelerating［J］.Science，2002，298（5597）:1345－1346.

［11］邱新法，劉昌明，曾燕.黃河流域近40年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的氣候變化特征［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2003，18（4）:437－442.

［12］左洪超，李棟梁，胡隱樵，等.近40年中國(guó)氣候變化趨勢(shì)及其同蒸發(fā)皿觀測(cè)的蒸發(fā)量變化的關(guān)系［J］.科學(xué)通報(bào)，2005，50（11）:1125－1130.

［13］Zhang Y Q，Li C M，Tang Y H，et al.Trends in pan evaporation and reference and actual evapotranspiration across the Tibetan Plateau［J］.J.Geophys.Res.，2007，112:D12110［doi］.

［14］Roderick M L，Rotstayn L D，F(xiàn)arquhar G D，et al.On the attribution of changing pan evaporation［J］.Geophys Res.Lett.，2007，34:L17403［doi］.

［15］Ozdogan M，Salvucci G D.Irrigation－induced changes in potential evapotranspiration in southeastern Turkey:Test and application of Bouchet＇s complementary hypothesis［J］.Water Resour Res.，2004，15:443－450.