青藏高原不同下墊面蒸散量及其與氣象因子的相關性

張亞春，馬耀明,3，馬偉強，王賓賓，王玉陽

(1.青藏高原環(huán)境變化與地表過程重點實驗室,中國科學院青藏高原研究所，北京 100101；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心，北京 100101)

引 言

青藏高原素有“世界屋脊”和“第三極”之稱[1]，約占中國陸地面積的四分之一，平均海拔4000 m以上，是世界上平均海拔最高，地形最復雜的高原。其巨大的動力和熱力作用對中國、東亞、南亞甚至全球氣候和災害性天氣的形成都有極其重要的影響[2-4]。在氣候變暖背景下，高原水資源呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢，并影響高原及其周邊環(huán)境的熱量和水分平衡[5-8]。蒸散發(fā)是全球能量平衡和水循環(huán)的重要組成部分，是地表和植被向大氣輸送水汽的重要過程[9-13]，目前陸地表面吸收的太陽輻射有一半以上用于水分蒸發(fā)[14]。研究青藏高原蒸散發(fā)的變化，對改善水資源管理，檢測氣候變化等都有重要意義[15-16]。

描述蒸散發(fā)的量有參考蒸散發(fā)、蒸發(fā)皿蒸發(fā)和實際蒸散發(fā)等[16-18]。參考蒸散發(fā)是指理想化的草叢作物地(作物高度0.12 m，反射率0.23，表面阻力為70 s·m-1)蒸散發(fā)。蒸發(fā)皿蒸發(fā)是指觀測儀器(一般直徑為20 cm的蒸發(fā)皿，高10 cm，安裝在距地面70 cm)在水分充足條件下的蒸發(fā)，為潛在蒸散發(fā)。計算實際蒸散發(fā)量的方法有渦度相關法、波文比能量平衡法和總體輸送法等。其中渦動相關法是一種通過測量高頻溫度、濕度和三維風速的湍流脈動量而直接觀測蒸散發(fā)量的方法，測量精度較高，且對數(shù)據(jù)有一套標準的處理流程，適合蒸散發(fā)量的長期觀測[19-20]。波文比能量平衡法是基于能量平衡方程通過常規(guī)氣象觀測資料和輻射資料推算蒸散發(fā)的方法，但當波文比接近-1時，計算結果不穩(wěn)定，且青藏高原不同下墊面也存在能量不閉合的情況?？傮w輸送法是基于廓線通量法并結合風速和濕度計算實際蒸散發(fā)的半經(jīng)驗方法，但不同區(qū)域總體輸送系數(shù)有一定的差異且存在日變化和季節(jié)變化，從而影響蒸散發(fā)量的計算[21-22]。

研究表明青藏高原半干旱高寒草甸地區(qū)雨季的蒸散發(fā)量較大，占全年蒸散發(fā)量的70%左右[8]，且凈輻射是影響高寒草甸蒸散發(fā)的主要因素[23]；1966—2003年高原上的潛在蒸散發(fā)、參考蒸散發(fā)和蒸發(fā)皿蒸發(fā)都有下降趨勢，且蒸發(fā)皿蒸發(fā)下降的趨勢最大，這可能與風速減小有關[24]。前期有關青藏高原蒸散發(fā)的研究主要針對某一站點，結合氣象數(shù)據(jù)和彭曼公式研究高原參考蒸散發(fā)的變化[25]，而基于渦動相關儀觀測到的潛熱數(shù)據(jù)直接計算高原不同下墊面實際蒸散發(fā)量的研究還相對較少。下墊面是影響地氣間能量和水分交換的關鍵因素，研究不同下墊面實際蒸散發(fā)的變化可以評估模式模擬和衛(wèi)星遙感觀測的蒸散發(fā)量精度。本文利用渦動相關儀觀測的潛熱數(shù)據(jù)計算青藏高原不同下墊面5個觀測站點的實際蒸散發(fā)量，并對比分析不同觀測站點的氣象因子對實際蒸散發(fā)量的影響。

1 資料與方法

1.1 站點及資料

所用資料為中國科學院阿里荒漠環(huán)境綜合觀測研究站(簡稱“阿里站”)、中國科學院慕士塔格西風帶環(huán)境綜合觀測研究站(簡稱“慕士塔格站”)、中國科學院那曲高寒氣候環(huán)境觀測研究站(簡稱“那曲站”)、中國科學院珠穆朗瑪大氣與環(huán)境綜合觀測研究站(簡稱“珠峰站”)、中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院阿柔凍融觀測站(簡稱“阿柔站”)2013年渦動相關儀的潛熱通量數(shù)據(jù)，根據(jù)潛熱通量計算不同站點的蒸散發(fā)量。表1列出各站點的地理位置、儀器安裝架設情況和下墊面類型，其中阿里站、慕士塔格站和珠峰站的下墊面相似，均為荒漠、碎石和稀疏短草，那曲站和阿柔站的下墊面分別為高寒草甸和高寒草原，各站的儀器均架設在下墊面較為平坦的地方。阿里站位于西藏自治區(qū)阿里區(qū)日土縣西3 km左右219國道南側的馬嘎草場；慕士塔格站位于新疆維吾爾族自治區(qū)阿克陶縣布倫口鄉(xiāng)境內，緊鄰慕士塔格山和卡拉庫里湖，是典型的西風帶氣候影響區(qū)，也是青藏高原地表過程與環(huán)境變化觀測研究平臺建設規(guī)劃中唯一一個全年處于西風帶控制區(qū)的觀測臺站；那曲站在西藏自治區(qū)那曲縣羅馬鎮(zhèn)距那曲縣城25 km處，試驗場地平坦，四周開闊，為高原地氣相互作用、高海拔地區(qū)邊界層結構和能量與水循環(huán)研究提供重要的觀測資料；珠峰站位于定日縣扎西宗鄉(xiāng)，距拉薩約650 km，且觀測站點位于山谷地帶；阿柔站位于青海省祁連縣阿柔鄉(xiāng)的黑河上游支流八寶河南側河谷高地處，試驗場地平坦且四周開闊[26]。

表1 青藏高原5個觀測站點信息及其主要儀器情況Tab.1 Information of 5 observation stations and instruments in Tibetan plateau

對青藏高原5個觀測站點渦動相關儀觀測的2013年潛熱數(shù)據(jù)進行處理，部分觀測站點2013年的數(shù)據(jù)有缺失，其中阿里站10月數(shù)據(jù)、阿柔站11月部分數(shù)據(jù)和12月數(shù)據(jù)、慕士塔格站1月數(shù)據(jù)和2月大部分數(shù)據(jù)、那曲站3月數(shù)據(jù)、4月部分數(shù)據(jù)和12月數(shù)據(jù)缺失，篩選出潛熱通量數(shù)據(jù)質量在1～5之間的數(shù)據(jù)，然后剔除一天內觀測數(shù)據(jù)集中在日間或者夜間的數(shù)據(jù)，其時間分辨率為30 min。實際蒸散發(fā)量由潛熱和氣溫計算得到，并以此為基礎計算實際日蒸散發(fā)量和實際月蒸散發(fā)量。

青藏高原5個觀測站點2013年土壤溫濕度、四分量輻射、風速、氣溫和相對濕度，時間分辨率均為30 min，其中阿柔站、慕士塔格站、那曲站和珠峰站的土壤溫濕度為地下10 cm處觀測值，阿里站為地下20 cm處觀測值。阿里站和那曲站的氣溫、濕度和風速為1.5 m處觀測值，其他3個站點選取2 m處觀測值。凈輻射由四分量輻射(向上和向下的短波輻射與長波輻射)計算得到，相對濕度和氣溫用于計算飽和水汽壓差。由于測量溫度、四分量輻射和風速的儀器高度存在一定差異，對比觀測結果時也會出現(xiàn)一定的誤差，故這里對氣象因子的分析主要以趨勢分析為主。

1.2 方 法

實際蒸散發(fā)量由溫度和渦動相關儀測得的潛熱通量計算得到，公式如下[27]：

(1)

式中：ET(mm)為實際蒸散發(fā)量；LE(W·m-2)為渦動相關儀測量后經(jīng)過處理的潛熱通量數(shù)據(jù)；λ(J·kg-1)為蒸發(fā)潛熱；T(℃)為溫度；由公式(1)得出30 min的實際蒸散量(ET30)為

(2)

實際日蒸散發(fā)量由一日內逐30 min的實際蒸散發(fā)量累積得出，數(shù)據(jù)缺少時用該月同時刻的歷史平均值進行插補，在計算實際日蒸散發(fā)量時，當一日內的數(shù)據(jù)缺失超過三分之一或者實際蒸散發(fā)量的數(shù)據(jù)分布不均勻(如主要集中在日間或者夜間)，剔除該天的實際日蒸散發(fā)量。處理后的青藏高原5個觀測站實際日蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)的完整度如表2所示，經(jīng)過處理后珠峰站實際日蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)的完整度最高，那曲站最低。

表2 2013年青藏高原5個觀測站點實際日蒸散量數(shù)據(jù)的完整度Tab.2 The integrity rate of daily actual evapotranspiration data from 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

使用Spearman等級相關分析計算不同下墊面實際日蒸散發(fā)量與氣象因子之間的相關系數(shù)，分析實際蒸散發(fā)量與氣象因子的相關性。

2 結果分析

2.1 實際蒸散量變化

圖1為2013年青藏高原5個觀測站點實際日蒸散發(fā)量日變化?？梢钥闯?，5個站點的實際日蒸散發(fā)量均呈先增大后減小趨勢。其中，阿里站5月底至9月中旬，實際日蒸散發(fā)量呈緩慢增大趨勢，最大值為2.93 mm，9月中旬開始，則呈逐步減小趨勢，3、4、5、11、12月的實際日蒸散發(fā)量相差不大；慕士塔格站實際日蒸散發(fā)量的波動較大，6—9月實際日蒸散發(fā)量較其他月份偏大，最大值為4.97 mm；阿柔站自4月開始實際日蒸散發(fā)量緩慢增大，5—9月在1.02～4.32 mm之間，10月開始呈波動減小趨勢；那曲站實際日蒸散發(fā)量1—2月較為穩(wěn)定，4月底至7月呈波動增大趨勢，最大值為4.64 mm，但相較于其他站點該時段實際日蒸散發(fā)量波動較大，8月起那曲站的實際日蒸散發(fā)量有下降趨勢，但依舊不穩(wěn)定；珠峰站實際日蒸散發(fā)量從5月底開始呈增大趨勢，但波動較大，至8月中旬最大實際蒸散發(fā)量為3.46 mm，而后開始下降，至10月底實際日蒸散發(fā)量開始趨于穩(wěn)定。

圖1 2013年青藏高原5個觀測站實際蒸散發(fā)量的日變化Fig.1 Daily variation of actual evaporation of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

圖2為2013年青藏高原5個觀測站點實際蒸散發(fā)量的月變化?？梢钥闯觯?個站點的實際蒸散發(fā)量基本都呈單峰型，但也有一定差異。1—3月各觀測站的實際蒸散發(fā)量均偏小且比較穩(wěn)定，5—7月5個觀測站的實際蒸散發(fā)量都有不同程度增加，7月那曲站實際蒸散發(fā)量達最大(98.88 mm)，阿里站、阿柔站、慕士塔格站和珠峰站的實際月蒸散發(fā)量最大值出現(xiàn)在8月，分別為64.16、106.71、97.77、71.01 mm?？傮w上，阿柔站實際月蒸散發(fā)量大于其他4個站點，慕士塔格站和那曲站的實際月蒸散發(fā)量最大值相差不大，慕士塔格站出現(xiàn)在8月，那曲站出現(xiàn)在7月，這與嚴曉強等[28]的計算結果相近。阿里站和珠峰站雖然地理位置不同，但兩個站的實際蒸散發(fā)量變化趨勢和變化范圍都大致相同，且最大值均出現(xiàn)在8月。

圖2 2013年青藏高原5個觀測站實際蒸散發(fā)量的月變化Fig.2 Monthly variation of actual evaporation of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

圖3為2013年5個觀測站點不同實際日蒸散發(fā)量發(fā)生頻率分布，用來表述一年之內實際日蒸散發(fā)量變化范圍。各觀測站點的實際日蒸散發(fā)量變化范圍有一定差異，但實際日蒸散發(fā)量主要集中在0～0.50 mm，阿里站、阿柔站、慕士塔格站、那曲站、珠峰站實際日蒸散發(fā)量在0～0.50mm區(qū)間的發(fā)生頻率占各自樣本總數(shù)的55.07%、25.00%、26.33%、24.65%和58.11%。阿柔站實際日蒸散發(fā)量在不同區(qū)間的分布較為均勻，可能原因是阿柔站受季風影響時間較長。

圖3 2013年青藏高原5個站點不同實際日蒸散發(fā)量發(fā)生頻率分布Fig.3 Frequency distributions of the different diurnal actual evaporation of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

從下墊面類型來看，不同下墊面的實際日蒸散發(fā)量的變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)出先增加后減小趨勢，但不同下墊面實際日蒸散發(fā)量變化范圍有一定差異，高寒草原下墊面(阿柔站)變化范圍較大，其次是高寒草甸下墊面(那曲站)，以荒漠和稀疏短草為主的下墊面(阿里站和珠峰站)其變化范圍較小。但相似類型的下墊面也會受緯度、地形和季風等影響使蒸散發(fā)量的變化趨勢和變化范圍有所差異。慕士塔格站與阿里站、珠峰站下墊面類型相似，但其實際日蒸散發(fā)量和實際月蒸散發(fā)量卻顯著偏高，可能是由于海拔、緯度、季風和西風等因素的影響。除此以外，冰川融水增多和溫度升高也會導致實際蒸散發(fā)量增大。高原夏季風一般在6月來臨，7—9月持續(xù)，10月季風逐漸撤退[29]，季風會帶來降水增加和凈輻射增強，從而使高原實際蒸散發(fā)量增加。但受地理位置影響，季風對不同地區(qū)的影響程度不一。

2.2 氣象要素變化

圖4為青藏高原5個觀測站點2013年的不同氣象要素(地溫、土壤含水量、氣溫、凈輻射、風速、飽和水汽壓差和地氣溫差)的月變化?？梢钥闯?，1—6月不同下墊面的地溫緩慢上升，7月達最高，之后開始下降，且不同下墊面的地溫差異不大；各觀測站的土壤含水量變化趨勢有一定差異，其中阿柔站的土壤含水量較其他站點偏高且波動最大，阿柔站、阿里站和那曲站土壤含水量2月之后有增大趨勢，7月開始阿柔站土壤含水量呈減小趨勢，而阿里站和那曲站10月開始呈減小趨勢；各觀測站點的氣溫變化范圍均在-15～15 ℃，呈先升高后降低趨勢，即1—6月氣溫不斷升高，6—8月氣溫波動較小，8月后各觀測站的氣溫呈降低趨勢；各觀測站點的凈輻射變化范圍在0～150 W·m-2，也呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢；不同觀測站點的風速變化有一定差異，其中慕士塔格站和珠峰站波動范圍較大，其次是那曲站、阿里站和阿柔站；各觀測站點的飽和水汽壓差在5—8月較高，這可能是受季風影響?？傮w而言，不同下墊面氣溫、地溫和凈輻射等氣象因子變化趨勢大致相同，但土壤含水量、風速、飽和水汽壓差和地氣溫差等(圖略)有一定差異。

圖4 2013年青藏高原5個觀測站點不同氣象因子的月變化Fig.4 Monthly variation of different meteorological factors of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

表3列出2013年青藏高原5個觀測站的主要氣象要素年均值?？梢钥闯?，各觀測站點的年均氣溫差別不大，年均凈輻射也相差較小。相對濕度阿柔站最大(55.03%)，阿里站最小(32.48%)，慕士塔格站、那曲站和珠峰站的相對濕度相差不大。2013年阿柔站年降水量(392.50 mm)較其他3個觀測站點偏高，以碎石和稀疏短草為主的阿里站和慕士塔格站年降水量相差不大。

表3 2013年青藏高原5個觀測站氣象要素均值Tab.3 Annual mean of meteorological elements of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

2.3 實際日蒸散發(fā)量與氣象因子的相關性

表4為2013年青藏高原5個觀測站點實際日蒸散發(fā)量與不同氣象因子的相關性?？梢钥闯?，青藏高原5個觀測站的實際日蒸散發(fā)量與地氣溫差的相關性有一定差異，阿里站和阿柔站的實際日蒸散發(fā)量與地氣溫差呈顯著負相關，但相關系數(shù)較小，分別為-0.34、-0.30；慕士塔格站、那曲站和珠峰站的實際日蒸散發(fā)量與地氣溫差均呈正相關，但那曲站的相關系數(shù)并沒有通過顯著性檢驗。各觀測站點的實際日蒸散發(fā)量與風速的相關性不明顯，其中那曲站的實際日蒸散發(fā)量與風速的相關性最大為-0.35，且相關系數(shù)通過α=0.01的顯著性檢驗，阿柔站和慕士塔格站實際日蒸散發(fā)量與風速的相關性不顯著。而用蒸發(fā)皿測量日最大蒸散發(fā)量時，日最大蒸散發(fā)量與風速的相關性較好[30]。除此之外，5個觀測站的實際日蒸散量與氣溫、地溫、凈輻射和土壤含水量的相關系數(shù)較大，且均呈顯著正相關。

表4 2013年青藏高原5個觀測站點實際蒸散發(fā)量與不同氣象因子之間的相關性Tab.4 Correlation coefficients between daily actual evapotranspiration and different meteorological factors of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

從下墊面類型來看，高寒草原下墊面(阿柔站)實際日蒸散發(fā)量與各氣象因子的相關性最好，其次分別為高寒草甸下墊面(那曲站)和以荒漠、碎石和稀疏短草為主的下墊面(阿里站和珠峰站)。把氣溫、地溫和凈輻射作為影響實際日蒸散發(fā)量的熱力因子，土壤含水量作為影響實際日蒸散發(fā)量的水分條件，風速作為動力因素[31]，那么影響青藏高原不同下墊面實際日蒸散發(fā)量的因素沒有較大差異，即熱力因子為影響實際日蒸散發(fā)量的主要因素，其次是水分條件，動力因素對實際日蒸散發(fā)量的影響不大。

3 結 論

(1)2013年青藏高原不同下墊面的實際日蒸散發(fā)量均呈先增大后減小趨勢，且實際日蒸散發(fā)量普遍在0～0.50 mm之間。高寒草原下墊面的實際日蒸散發(fā)量波動較大，實際日蒸散發(fā)量和實際月蒸散發(fā)量較高，其次是高寒草甸下墊面，以荒漠和稀疏短草為主的下墊面實際日蒸散發(fā)量波動較小，實際日蒸散發(fā)量和實際月蒸散發(fā)量也較低。但由于受海拔高度、地形和季風等因素的影響，相同類型下墊面的實際日蒸散發(fā)變化趨勢和變化范圍也有差異。

(2)青藏高原不同下墊面的地溫、氣溫和凈輻射的變化趨勢大致相同，但土壤含水量、風速、飽和水氣壓差和地氣溫差等有一定差異。

(3)不同下墊面的地溫、氣溫、凈輻射和土壤含水量與實際日蒸散發(fā)量均呈現(xiàn)較好的相關性，其次是飽和水汽壓差，風速與實際日蒸散發(fā)量的相關性較小。熱力因素和水分條件對青藏高原不同下墊面的實際日蒸散發(fā)量影響較大。

DOI:10.1038/454393a.

DOI:10.1029/2011JD017037.

DOI:10.1002/eco.1925.

DOI:10.1029/2006JD008161.