柵格蒸散發(fā)模型在區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)空分布模擬中的應(yīng)用研究

王 東

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

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柵格蒸散發(fā)模型在區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)空分布模擬中的應(yīng)用研究

王 東

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

摘要：文章應(yīng)用地理信息技術(shù)結(jié)合區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)，將區(qū)域離散成1km×1km的單元網(wǎng)格，應(yīng)用雙源蒸散發(fā)模型構(gòu)建基于柵格尺度的蒸散發(fā)模型，進(jìn)行區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)空模擬研究，并和區(qū)域內(nèi)的實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明：柵格蒸散發(fā)模型和實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)年相關(guān)系數(shù)為0.6575，在春季相關(guān)性最高，在夏季相關(guān)性最低。柵格蒸散發(fā)模型可應(yīng)用于區(qū)域的蒸散發(fā)計(jì)算。蒸散發(fā)空間分布主要受到區(qū)域高程的影響，和高程分布較為一致。研究成果對于區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)空模擬以及無資料地區(qū)的蒸散發(fā)計(jì)算提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：柵格蒸散發(fā)模型；雙源蒸散發(fā)模型；蒸散發(fā)空間模擬；蒸散發(fā)計(jì)算

0 引言

流域蒸散發(fā)空間分布的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題，早期，由于技術(shù)條件的限制，常常以點(diǎn)蒸發(fā)皿蒸發(fā)來代替區(qū)域面蒸發(fā)，但區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)站點(diǎn)較少，很難以點(diǎn)代面，且這種以點(diǎn)代面的計(jì)算方法，沒有考慮流域自然地理?xiàng)l件（土地利用、數(shù)字高程）空間上的差異性對流域潛在蒸散發(fā)的影響。其次，在無資料地區(qū)暴雨洪水計(jì)算時(shí)，由于缺少實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)資料，需要運(yùn)用蒸散發(fā)模型來計(jì)算區(qū)域的蒸散發(fā)。為此，當(dāng)前構(gòu)建基于柵格的蒸散發(fā)模型來模擬計(jì)算區(qū)域面蒸散發(fā)，成為許多學(xué)者研究和計(jì)算區(qū)域蒸散發(fā)的有效途徑，并取得一定的研究成果［1-5］。這些研究大都基于P-M公式進(jìn)行的柵格蒸散發(fā)計(jì)算研究，而雙源蒸散發(fā)模型由于可獨(dú)立考慮植被和土壤的蒸散發(fā)，被許多學(xué)者應(yīng)用于區(qū)域的蒸散發(fā)模擬計(jì)算中，也取得一定的研究成果［6-8］，但構(gòu)建基于柵格尺度的雙源蒸散發(fā)模型的研究相對較少，為此，本文基于柵格尺度的雙源蒸散發(fā)模型，進(jìn)行區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)空模擬研究，并和區(qū)域內(nèi)的實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)進(jìn)行對比分析，研究成果對于區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)空模擬以及無資料地區(qū)的蒸散發(fā)計(jì)算提供參考價(jià)值。

1 柵格蒸散發(fā)模型原理

基于地理信息技術(shù)，結(jié)合研究區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)，將區(qū)域空間離散成1km×1km的單元網(wǎng)格，結(jié)合雙源蒸散發(fā)模型，構(gòu)建基于柵格的蒸散發(fā)模型。

1.1 雙源蒸散發(fā)模型單獨(dú)計(jì)算植被和土壤的潛在蒸散發(fā)計(jì)算

（1）植物葉面氣孔蒸散發(fā)計(jì)算。

式中：Rnc為植物葉面冠層能夠吸收到的太陽的輻射量，Wm-2；ρ為空氣的平均密度，kgm-3；Cp為空氣的比熱常數(shù)值，1.013×10-3KJkg-1℃-1；D0為植物葉面冠層與蒸發(fā)源之間的水汽壓的壓強(qiáng)差，kPa1；rac為植物葉面冠層邊界總的氣孔阻抗，sm-1；λ為區(qū)域蒸發(fā)的潛熱值，MJkg-1；Δ為水汽壓的飽和梯度值，kPa℃-1；γ為空氣濕度的一個常數(shù)，kPa℃-1；Wft為植物冠層潮濕的比例。

（2）植被根系含水經(jīng)過葉面氣孔蒸發(fā)的計(jì)算。

式中：Rns為土壤表面上能吸收到的太陽的輻射量，Wm-2；rcp為土壤含水量達(dá)到田間持水量后土壤表層所產(chǎn)生的阻抗，sm-1。

（3）區(qū)域土壤表層的水分蒸發(fā)量計(jì)算。

式中：G為通過土壤表層的熱能通量，Wm-2；ras為土壤表層與植物葉面冠層之間高度所產(chǎn)生的空間動力阻抗值，sm-1；

1.2 流域水面的蒸發(fā)計(jì)算

在雙源蒸散發(fā)計(jì)算流域蒸散發(fā)能力的基礎(chǔ)上考慮流域水面的蒸發(fā)計(jì)算，蒸發(fā)計(jì)算公式如下：

式中：Rn為水面所獲得的凈輻射量，Wm-2；G為水體的熱通量，Wm-2；U2為2m處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓強(qiáng)，kPa；ea為實(shí)際水汽壓強(qiáng)，kPa。

3 模型數(shù)據(jù)

模型需要輸入的數(shù)據(jù)有土地利用數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及蒸發(fā)、氣象數(shù)據(jù)，其中土地利用數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)下載來源見參考文獻(xiàn)［9-10］，土地利用數(shù)據(jù)、及數(shù)字高程數(shù)據(jù)下載后結(jié)合流域邊界獲取研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見圖1。蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)采用區(qū)域內(nèi)3處蒸發(fā)站（1#蒸發(fā)站、2#蒸發(fā)站、3#蒸發(fā)站），其中1#蒸發(fā)站位于上游、2#蒸發(fā)站位于下游，1#蒸發(fā)站位于中游區(qū)域。氣象數(shù)據(jù)采用附近區(qū)域氣象站2001～2010年氣象數(shù)據(jù)。

4 模型應(yīng)用

4.1 年尺度模擬

為對比柵格蒸散發(fā)模擬的適用性，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)3個實(shí)測蒸發(fā)站2000～2010年實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對比柵格蒸散發(fā)模擬的適用性，并結(jié)合假設(shè)檢驗(yàn)的方法對柵格蒸散發(fā)模型計(jì)算的蒸散發(fā)和柵格蒸發(fā)皿蒸發(fā)進(jìn)行了相關(guān)性分析。分析結(jié)果見圖1、圖2及表1。

表1 柵格蒸散發(fā)計(jì)算與實(shí)測蒸發(fā)皿線性回歸分析結(jié)果

圖1 柵格蒸散發(fā)模型和實(shí)測蒸發(fā)皿過程對比圖

圖2 柵格蒸散發(fā)模型和實(shí)測蒸發(fā)皿過程相關(guān)圖

表1為區(qū)域柵格蒸散發(fā)模型計(jì)算的蒸散發(fā)和3個蒸散發(fā)站實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)相關(guān)分析結(jié)果，從表中可以看出，3個蒸發(fā)站的蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)和計(jì)算的蒸發(fā)均通過了顯著性a=0.01的假設(shè)檢驗(yàn)分析。從表中可以看出相關(guān)系數(shù)為正數(shù)，則表示計(jì)算的蒸散發(fā)和實(shí)測蒸散發(fā)在年尺度是正相關(guān)性。從表中的回歸方程斜率和截距可看出，3個站點(diǎn)的回歸方程具有一定的相似性，但也有一定的差異性，這主要是由于各站點(diǎn)所在的不同的植被類型所造成的，1#蒸發(fā)站的植被覆蓋為林地，2#蒸發(fā)站的植被覆蓋為草地，而3#蒸發(fā)站的植被類型為耕地，從表中可以看出植被為林地的1#蒸發(fā)站站斜率和截距都大于其他2站，其次是植被類型為草地的2#蒸發(fā)站，植被類型為耕地的2#蒸發(fā)站的斜率和截距都小于其他2站，由此也可以看出，就蒸發(fā)能力而言，林地的年蒸發(fā)能力最大，其次是草地，耕地年蒸發(fā)能力最小。以3#蒸發(fā)站為列，本文繪制了3#蒸發(fā)站2000～2010年年計(jì)算蒸發(fā)能力與年實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)散點(diǎn)的相關(guān)圖及其回歸分析。從圖2中可以看出，3#蒸發(fā)站2000～2010年年計(jì)算蒸發(fā)能力與年實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)散點(diǎn)的相關(guān)達(dá)到了0.6575，相關(guān)系數(shù)較高。

4.2 季節(jié)尺度模擬

基于柵格蒸散發(fā)模型，計(jì)算了月尺度的蒸散發(fā)，并和3個蒸發(fā)皿所在柵格計(jì)算的蒸散發(fā)進(jìn)行月尺度回歸分析，分析結(jié)果見表2。

表2 柵格蒸散發(fā)模型和實(shí)測蒸發(fā)皿季相關(guān)性分析

表2為區(qū)域3個蒸發(fā)站實(shí)測蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)和柵格蒸散發(fā)模型在季節(jié)尺度的相關(guān)性分析結(jié)果，從表中可以看出，不同季節(jié)實(shí)測蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)和柵格蒸散發(fā)模型在季節(jié)尺度的相關(guān)性分析有所差異，其中，在春季，由于植被開始生長，區(qū)域的潛在蒸散發(fā)受植被蒸散發(fā)影響較小，主要受到氣象條件的影響。因此和蒸發(fā)皿蒸發(fā)的相關(guān)性都好于其他3個季節(jié)。進(jìn)入夏季后，植物處于生長最為旺盛的時(shí)期，植物蒸散發(fā)占據(jù)區(qū)域蒸散發(fā)的比重較大。使得在夏季，柵格蒸散發(fā)模型計(jì)算的潛在蒸散發(fā)和實(shí)測蒸發(fā)皿的蒸散相關(guān)系數(shù)較低。進(jìn)入秋季以后，植被開始凋落，區(qū)域潛在蒸散發(fā)量受到植被蒸散發(fā)影響減弱，和蒸發(fā)皿蒸發(fā)的相關(guān)性加大。進(jìn)入冬季后，植物開始凋零，柵格蒸散發(fā)模型計(jì)算的潛在蒸散發(fā)和實(shí)測蒸發(fā)皿的相關(guān)系數(shù)大于秋季的相關(guān)系數(shù)。

4.3 蒸散發(fā)空間模擬

利用構(gòu)建的柵格蒸散發(fā)模型，計(jì)算了區(qū)域2000～2010年蒸散發(fā)的時(shí)空分布。從計(jì)算結(jié)果可以看出，區(qū)域多年平均蒸散發(fā)整體呈現(xiàn)北大南小的趨勢，這主要是因?yàn)閰^(qū)域蒸散發(fā)很大程度上受到區(qū)域高程的影響，區(qū)域高程高值主要分布在北邊，南北區(qū)域?qū)儆诤０屋^低的區(qū)域。對于高程較高的區(qū)域，蒸發(fā)量受高程影響一般較小，而在南邊海拔較低的區(qū)域，受到高程影響，蒸發(fā)量較低。

5 結(jié)論

本文建立柵格蒸散發(fā)模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)空模擬，并結(jié)合實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)進(jìn)行相關(guān)性分析，研究取得以下結(jié)論：

（1）柵格蒸散發(fā)模型可考慮下墊面條件差異對蒸散發(fā)的影響，和實(shí)測蒸散發(fā)相關(guān)系數(shù)在年尺度的相關(guān)系數(shù)好于月尺度上的相關(guān)系數(shù)；

（2）蒸散發(fā)空間分布主要受高程影響，海拔較低的區(qū)域，蒸散發(fā)量一般加大，反之，海拔較高的區(qū)域，蒸散發(fā)量較小。

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［10］DEM數(shù)據(jù)：http：//srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp.

中圖分類號：P333

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0053-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.023

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：王 東（1983年—），男，工程師。