毛烏素沙地不同水面蒸發(fā)器折算系數(shù)研究

楊亮彥，孟婷婷，武 丹

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安710021；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安710021；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安710075）

0 引 言

蒸散發(fā)是地球表面水量和熱量平衡的重要組成部分，在全球水循環(huán)和能量循環(huán)中扮演重要的角色[1]。蒸散發(fā)不僅影響著農(nóng)作物的生長發(fā)育與產(chǎn)量，而且具有調(diào)節(jié)氣候[2]、監(jiān)測農(nóng)業(yè)旱情[3]的作用，被廣泛應(yīng)用于土壤學(xué)、水文學(xué)、氣候?qū)W、生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域[4-8]。因此陸面蒸散發(fā)的研究對研究區(qū)內(nèi)的氣候變化、水資源合理配置、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及農(nóng)業(yè)林業(yè)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義[9]。

水面蒸發(fā)量是反映蒸散發(fā)最直接的資料，也是遙感反演地表蒸散發(fā)最主要的地面驗證數(shù)據(jù)。目前我國的水面蒸發(fā)量是通過氣象站不同蒸發(fā)器進(jìn)行監(jiān)測，以獲取近似于站點附近自然水體蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)。我國主流的蒸發(fā)器有20 cm 口徑小型蒸發(fā)器和E-601 型蒸發(fā)器。其中20 cm 口徑小型蒸發(fā)器的資料開始于20 世紀(jì)50年代，具有資料連續(xù)性好、分布廣泛等優(yōu)勢，是我國氣候研究的重要基礎(chǔ)資料[10]。但20 cm 口徑小型蒸發(fā)器因自身結(jié)構(gòu)的缺陷，不能代表氣象站的實際蒸發(fā)量，部分地區(qū)逐漸被E-601型蒸發(fā)器所替代。E-601型蒸發(fā)器所測數(shù)據(jù)更加接近實際蒸發(fā)量，但其時間連續(xù)性較短，且無法在北部地區(qū)的冬季進(jìn)行測量，缺少冬季及全年蒸發(fā)總量數(shù)據(jù)[11]。由于受溫濕度和風(fēng)速等氣候因子、季節(jié)、觀測場周圍的地形、地物、蒸發(fā)器的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)、安裝方式和材料等因素的影響，各種儀器的實測水面蒸發(fā)值相差懸殊，為了得到長時間序列的水面蒸發(fā)量，需要確定各種儀器的水面蒸發(fā)量折算系數(shù)[12,13]。

我國已有不少學(xué)者對不同類型蒸發(fā)器的折算系數(shù)進(jìn)行了研究，任芝花等利用E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器3年平行對比觀測數(shù)據(jù)探究了全國區(qū)域內(nèi)兩種蒸發(fā)器的折算系數(shù)，并得出北方小，南方大，山地比平原略大的結(jié)論[14]。胡順軍等利用塔里木河流域1982-1987年和2000-2002年同步觀測蒸發(fā)資料估算了小型蒸發(fā)器對20 m2水面蒸發(fā)池的水面蒸發(fā)折算系數(shù)，并得出了水面蒸發(fā)折算系數(shù)年際變化較小但呈逐年下降趨勢的結(jié)論[13]。柴小輝利用E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器1987-2012年觀測資料，分析了草壩水文站兩種蒸發(fā)器間的相互關(guān)系及折算系數(shù)[15]。此外，還有諸多學(xué)者[16-20]均對E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器的折算系數(shù)進(jìn)行了研究。但以上研究，存在時間跨度短、數(shù)據(jù)來自單一站點、研究結(jié)果區(qū)域推廣精度不足等不同的問題，無法滿足毛烏素沙地遙感反演地表蒸散發(fā)、水文調(diào)查等科學(xué)研究需求。

毛烏素沙地氣候干旱，是我國荒漠草原—草原—森林草原的過渡地帶，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，是國內(nèi)外學(xué)者研究地表蒸散發(fā)的熱點區(qū)域[21]。但是地表驗證數(shù)據(jù)的缺失成為遙感反演地表蒸散發(fā)的一大障礙，氣象站水面蒸發(fā)量監(jiān)測數(shù)據(jù)成為遙感反演地表蒸散發(fā)地面驗證數(shù)據(jù)的最好補充，但同時氣象站水面蒸發(fā)器的異構(gòu)型導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大的差異性，因此，針對以上存在的問題，明確毛烏素沙地不同蒸發(fā)器之間的折算系數(shù)十分有必要。本文基于1990-2017年毛烏素沙地氣象站蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)內(nèi)各氣象站水面蒸發(fā)器不同月份的折算系數(shù)，獲取研究區(qū)近28年連續(xù)的水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，并探究在全球氣候變化和人類活動下研究區(qū)水面年蒸發(fā)量的時間和空間變化，為毛烏素沙地遙感反演地表蒸散發(fā)研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地位于榆林市北部、鄂爾多斯市南部及鹽池縣東北部（37.45°～39.37°N，107.67°～110.67°E）（圖1），其平均海拔為1 300 m 左右，由東到西逐漸遞增，南部最高達(dá)1 900 m。毛烏素沙地處于干旱、半干旱過渡區(qū)，是我國典型的農(nóng)牧交錯帶，西北主要為牧業(yè)區(qū)、東南向農(nóng)業(yè)區(qū)過渡、東部向礦區(qū)過渡[22]。其年均溫7 ℃左右，年降水量250～440 mm，由西向東南方向遞增，毛烏素沙地水體分布不均，西北部干旱缺水，東南部地表水與地下水都較為充足，河流眾多，其中無定河、禿尾河、窟野河等河流貫穿沙地的東南部。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https：//data.cma.cn/），研究區(qū)內(nèi)共有7個國家氣象站點，分別為橫山站（53740）、靖邊站（53735）、定邊站（53725）、鹽池站（53723）、神木站（53651）、榆林站（53646）、鄂托克旗站（53529），選取各氣象站點1990-2017年每日蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析發(fā)現(xiàn)，各站資料雖然數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠性良好，但各氣象站均存在兩種不同水面蒸發(fā)器監(jiān)測數(shù)據(jù)受限制的問題，導(dǎo)致E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器均有部分蒸發(fā)量數(shù)據(jù)缺失。20 cm 口徑小型蒸發(fā)器主要缺失2002年后5-9月數(shù)據(jù)，E-601 型蒸發(fā)器主要缺失1-3月和10-12月數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同蒸發(fā)器折算系數(shù)研究

E-601 型和20 cm 口徑小型水面蒸發(fā)器在儀器結(jié)構(gòu)、設(shè)置方案、觀測方法等存在差異，見表1[23]。因此為了保持各站資料的連續(xù)性和一致性，需探究兩種水面蒸發(fā)器的折算系數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一化。計算公式為：

式中：EE-601為E-601 水面蒸發(fā)器監(jiān)測的水面蒸發(fā)量；E20為20 cm 口徑小型蒸發(fā)器監(jiān)測的水面蒸發(fā)量；K為E-601 型蒸發(fā)器和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器的折算系數(shù)。對收集時段部分站點存在個別資料缺失的，采用臨近內(nèi)插法進(jìn)行填充。

表1 E-601型和20 cm口徑小型蒸發(fā)器的裝置參數(shù)Tab.1 Device parameters of E-601 and 20 cm caliber small evaporators

通過對橫山、定邊、鹽池、榆林和鄂托克旗5個氣象站點（靖邊和神木缺失兩種水面蒸發(fā)器同時期數(shù)據(jù)）同時期20 cm口徑小型水面蒸發(fā)器和E-601 型水面蒸發(fā)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。橫山、定邊、鹽池、榆林和鄂托克旗的E-601 型和20 cm口徑小型蒸散發(fā)器的折算系數(shù)分別為0.600 3、0.642 1、0.658 2、0.664 9 和0.561 6，平均折算系數(shù)為0.632 4。5 個氣象站蒸發(fā)器監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.983 1、0.950 8、0.976 7、0.937 8 和0.961 9，綜合統(tǒng)計5 個氣象站點兩種水面蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)為0.952 9，均超過0.9。表明E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器的數(shù)據(jù)合理、準(zhǔn)確，且具有較好的可靠性和一致性，能夠利用折算系數(shù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。

表2 毛烏素沙地部分氣象站點非結(jié)冰期水面蒸發(fā)折算系數(shù)Tab.2 Conversion coefficient of water surface evaporation during non-freezing period at some meteorological stations in Mu Us Sandy Land

但考慮到E-601 型和20cm 口徑小型水面蒸發(fā)器的折算系數(shù)受環(huán)境影響較大，因此需分析不同月份的兩種水面蒸發(fā)器的折算系數(shù)。綜合考慮樣本數(shù)量，選取樣本數(shù)較多的定邊站和榆林站進(jìn)行非凍冰期的5-9月折算系數(shù)研究，結(jié)果見表3 和表4。定邊站5-9月的水面蒸發(fā)量折算系數(shù)為0.625 7～0.666 2，榆林站的水面蒸發(fā)量折算系數(shù)為0.634 8～0.694 2。且兩個站點均出現(xiàn)折算系數(shù)逐月漸增大的現(xiàn)象，其可能的原因是小型蒸發(fā)器距離地面70 cm，而E-601 水面蒸發(fā)器嵌入地面，5-9月氣溫開始大幅度上升，地表溫度上升速度較快，此時地表溫度對水面蒸發(fā)量的影響貢獻(xiàn)增大，導(dǎo)致E-601 型蒸發(fā)器監(jiān)測的值相對于小型蒸發(fā)器逐漸變大，從而引起兩種蒸發(fā)器折算系數(shù)逐月增大的現(xiàn)象。

表3 定邊站5-9月E-601型和小型蒸發(fā)器折算系數(shù)Tab.3 Conversion coefficient of E-601 and small evaporator in Dingbian station from May to September

表4 榆林站5-9月E-601型和小型蒸發(fā)器折算系數(shù)Tab.4 Conversion coefficient of E-601 and small evaporator in Yulin station from May to September

通過毛烏素沙地不同站點的蒸發(fā)量折算系數(shù)分析，毛烏素沙地E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器折算系數(shù)在0.561 6～0.664 9 之間，全流域采用平均折算系數(shù)0.632 4。不同月份折算系數(shù)存在差異，定邊站5-9月折算系數(shù)為0.625 7～0.666 2，平均折算系數(shù)0.646 9；榆林站5-9月折算系數(shù)為0.634 8～0.694 2，平均折算系數(shù)0.669 7。

2.2 水面蒸發(fā)量時空分布特征

2.2.1 水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化

通過對毛烏素沙地區(qū)域內(nèi)7個氣象站的氣溫資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，毛烏素沙地四季分明，春夏秋冬季分別為3-5月、6-8月、9-11月和12月-次年2月份。分析毛烏素沙地7 個氣象站1990-2017年逐月平均水面蒸發(fā)量見圖2。由圖2可知，7個氣象站監(jiān)測的月水面蒸發(fā)量變化規(guī)律一致，呈周期性變化，月水面蒸發(fā)量最大值在6月份，最小值在1月份。但月水面蒸發(fā)量和氣溫的變化規(guī)律出現(xiàn)差異性，氣溫的最高值在7月份，月水面蒸發(fā)量的最高值與氣溫存在1個月的差異性，可能的原因是7-9月為毛烏素沙地的雨季，除氣溫外，水溫、水汽壓和日照時數(shù)等因素對水面蒸發(fā)量也有一定的影響。毛烏素沙地水面蒸發(fā)量年內(nèi)分布不均，其中5-7月份的3 個月的蒸發(fā)量占全年的44.5%。

2.2.2 水面蒸發(fā)量年際變化

統(tǒng)計毛烏素沙地7 個氣象站監(jiān)測的年水面蒸發(fā)量見圖3 和表5。由圖3 和表5 可知，毛烏素沙地各站點多年水面蒸發(fā)量變化規(guī)律一致，平均年水面蒸發(fā)量為2 038.1 mm。從歷年總蒸發(fā)量變化過程分析，毛烏素沙地水面蒸發(fā)量逐年變化呈波動性，且水面蒸發(fā)量年際變化有顯著逐漸下降的趨勢，平均每10年減少了64.3 mm。各氣象站監(jiān)測的水面蒸發(fā)量年際變化較大，從毛烏素沙地西南到西北呈逐漸變大的總體趨勢，蒸發(fā)量相差在400 mm 以上，極差為465.7～788.1 mm，極差比為1.28～1.45。

表5 毛烏素沙地各氣象站年水面蒸發(fā)量Tab.5 Annual water surface evaporation of meteorological stations in Mu Us Sandy Land

3 結(jié)論與討論

基于收集和整理的1990-2017年氣象站水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，探究了毛烏素沙地E-601 型和20 cm 口徑小型水面蒸發(fā)器的折算系數(shù)，分析了水面蒸發(fā)量的時空特征。得到如下結(jié)論：

（1）毛烏素沙地E-601 型與20 cm 口徑小型蒸發(fā)器的折算系數(shù)在0.561 6～0.664 9 之間，全流域采用平均折算系數(shù)0.632 4，其中不同氣象站的折算系數(shù)受環(huán)境和氣候的影響，存在一定的差異性，且兩種蒸發(fā)器的水面蒸發(fā)量折算系數(shù)在5-9月逐月增大。

（2）毛烏素沙地7個氣象站監(jiān)測的水面蒸發(fā)量在年內(nèi)變化規(guī)律一致，呈周期性變化，水面蒸發(fā)量最大值在6月份，最小值在1月份。但年內(nèi)水面蒸發(fā)量與氣溫的變化規(guī)律出現(xiàn)差異性，氣溫的最高值在7月份，年內(nèi)水面蒸發(fā)量最大值與氣溫相比存在1個月的差異性。

（3）毛烏素沙地水面蒸發(fā)量逐年變化呈波動性，年蒸發(fā)量在變化過程中有顯著逐漸下降的趨勢，平均每10年減少了64.3 mm。在空間分布上，從西南到西北呈逐漸變大的總體趨勢，蒸發(fā)量相差在400 mm 以上，極差為465.7～788.1 mm，極差比為1.28～1.45。

中國蒸發(fā)器的材質(zhì)、型號和規(guī)格對測定水面蒸發(fā)量影響顯著[7]。E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器作為我國主流的水面蒸發(fā)器，在氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)中能夠相互補充，但同時兩者的折算系數(shù)在不同區(qū)域存在差異性。本研究利用7個氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究了毛烏素沙地區(qū)E-601 型和20cm 口徑小型蒸發(fā)器的折算系數(shù)在0.561 6～0.664 9 之間，與盛瓊[10]的研究結(jié)果基本一致。中國西南地區(qū)多年平均月折算系數(shù)變化范圍為0.65～0.85，多年平均折算系數(shù)為0.75[18]，遠(yuǎn)大于毛烏素沙地區(qū)，表明E-601 型和20 cm 口徑小型蒸發(fā)器的折算系數(shù)存在北方小，南方大，濕潤區(qū)大于干旱區(qū)的特點。毛烏素沙地各氣象站5-9月的折算系數(shù)逐月增大，春季小，秋季大，與任芝花[14]的研究結(jié)果一致。毛烏素沙地水面蒸發(fā)量年內(nèi)最大值與氣溫存在一定的差異性，表明風(fēng)速、飽和水汽壓及日照數(shù)等環(huán)境也是影響水面蒸發(fā)量的主要因素，與金林[16]的研究成果相符。在全球氣候變暖的背景下，年際蒸發(fā)量不斷下降，其原因可能是毛烏素沙地在退耕還林還草、植樹造林等生態(tài)工程的治理下，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境得到有效恢復(fù)，空氣濕度有所上升。因此需繼續(xù)堅持生態(tài)工程的實施，提高毛烏素沙地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

影響毛烏素沙地水面蒸發(fā)量變化的因素較多，本研究僅發(fā)現(xiàn)了其與氣溫的差異性，并未定量化分析其他因素對水面蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)度，這是日后研究的重點和難點。由于數(shù)據(jù)量的匱乏，文中未詳細(xì)分析每個氣象站每月的折算系數(shù)，在后期的研究中需在研究區(qū)建立水面蒸發(fā)量監(jiān)測站，收集長時間序列的兩種蒸發(fā)器資料，為深入研究折算系數(shù)K值提供數(shù)據(jù)支撐。