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，高原水資源呈現持續減少趨勢，并影響高原及其周邊環境的熱量和水分平衡[5-8]。蒸散發是全球能量平衡和水循環的重要組成部分，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[14]。研究青藏高原蒸散發的變化，對改善水資源管理，檢測氣候變化等都有重要意義[15-16]。

描述蒸散發的量有參考蒸散發、蒸發皿蒸發和實際蒸散發等[16-18]。參考蒸散發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。蒸發皿蒸發是指觀測儀器(一般直徑為20 cm的蒸發皿，高10 cm，安裝在距地面70 cm)在水分充足條件下的蒸發，為潛在蒸散發。計算實際蒸散發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量的方法，測量精度較高，且對數據有一套標準的處理流程，適合蒸散發量的長期觀測[19-20]。波文比能量平衡法是基于能量平衡方程通過常規氣象觀測資料和輻射資料推算蒸散發的方法，但當波文比接近-1時，計算結果不穩定，且青藏高原不同下墊面也存在能量不閉合的情況。總體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的半經驗方法，但不同區域總體輸送系數有一定的差異且存在日變化和季節變化，從而影響蒸散發量的計算[21-22]。

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

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境觀測研究站(簡稱“那曲站”)、中國科學院珠穆朗瑪大氣與環境綜合觀測研究站(簡稱“珠峰站”)、中國科學院西北生態環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據，根據潛熱通量計算不同站點的蒸散發量。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阿里區日土縣西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阿克陶縣布倫口鄉境內，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，也是青藏高原地表過程與環境變化觀測研究平臺建設規劃中唯一一個全年處于西風帶控制區的觀測臺站；那曲站在西藏自治區那曲縣羅馬鎮距那曲縣城25 km處，試驗場地平坦，四周開闊，為高原地氣相互作用、高海拔地區邊界層結構和能量與水循環研究提供重要的觀測資料；珠峰站位于定日縣扎西宗鄉，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年潛熱數據進行處理，部分觀測站點2013年的數據有缺失，其中阿里站10月數據、阿柔站11月部分數據和12月數據、慕士塔格站1月數據和2月大部分數據、那曲站3月數據、4月部分數據和12月數據缺失，篩選出潛熱通量數據質量在1～5之間的數據，然后剔除一天內觀測數據集中在日間或者夜間的數據，其時間分辨率為30 min。實際蒸散發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量和實際月蒸散發量。

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)為實際蒸散發量；LE(W·m-2)為渦動相關儀測量后經過處理的潛熱通量數據；λ(J·kg-1)為蒸發潛熱；T(℃)為溫度；由公式(1)得出30 min的實際蒸散量(ET30)為

(2)

實際日蒸散發量由一日內逐30 min的實際蒸散發量累積得出，數據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量時，當一日內的數據缺失超過三分之一或者實際蒸散發量的數據分布不均勻(如主要集中在日間或者夜間)，剔除該天的實際日蒸散發量。處理后的青藏高原5個觀測站實際日蒸散發量數據的完整度如表2所示，經過處理后珠峰站實際日蒸散發量數據的完整度最高，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據的完整度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量與氣象因子之間的相關系數，分析實際蒸散發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量日變化。可以看出，5個站點的實際日蒸散發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月的實際日蒸散發量相差不大；慕士塔格站實際日蒸散發量的波動較大，6—9月實際日蒸散發量較其他月份偏大，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量1—2月較為穩定，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量波動較大，8月起那曲站的實際日蒸散發量有下降趨勢，但依舊不穩定；珠峰站實際日蒸散發量從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量為3.46 mm，而后開始下降，至10月底實際日蒸散發量開始趨于穩定。

圖1 2013年青藏高原5個觀測站實際蒸散發量的日變化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量的月變化。可以看出，5個站點的實際蒸散發量基本都呈單峰型，但也有一定差異。1—3月各觀測站的實際蒸散發量均偏小且比較穩定，5—7月5個觀測站的實際蒸散發量都有不同程度增加，7月那曲站實際蒸散發量達最大(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量最大值出現在8月，分別為64.16、106.71、97.77、71.01 mm。總體上，阿柔站實際月蒸散發量大于其他4個站點，慕士塔格站和那曲站的實際月蒸散發量最大值相差不大，慕士塔格站出現在8月，那曲站出現在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量變化趨勢和變化范圍都大致相同，且最大值均出現在8月。

圖2 2013年青藏高原5個觀測站實際蒸散發量的月變化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量發生頻率分布，用來表述一年之內實際日蒸散發量變化范圍。各觀測站點的實際日蒸散發量變化范圍有一定差異，但實際日蒸散發量主要集中在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量在0～0.50mm區間的發生頻率占各自樣本總數的55.07%、25.00%、26.33%、24.65%和58.11%。阿柔站實際日蒸散發量在不同區間的分布較為均勻，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量發生頻率分布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量的變化趨勢大致相同，均表現出先增加后減小趨勢，但不同下墊面實際日蒸散發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，但其實際日蒸散發量和實際月蒸散發量卻顯著偏高，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量增大。高原夏季風一般在6月來臨，7—9月持續，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量增加。但受地理位置影響，季風對不同地區的影響程度不一。

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。可以看出，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。總體而言，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。可以看出，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量與不同氣象因子的相關性。可以看出，青藏高原5個觀測站的實際日蒸散發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量與地氣溫差呈顯著負相關，但相關系數較小，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量與地氣溫差均呈正相關，但那曲站的相關系數并沒有通過顯著性檢驗。各觀測站點的實際日蒸散發量與風速的相關性不明顯，其中那曲站的實際日蒸散發量與風速的相關性最大為-0.35，且相關系數通過α=0.01的顯著性檢驗，阿柔站和慕士塔格站實際日蒸散發量與風速的相關性不顯著。而用蒸發皿測量日最大蒸散發量時，日最大蒸散發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量的熱力因子，土壤含水量作為影響實際日蒸散發量的水分條件，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量的因素沒有較大差異，即熱力因子為影響實際日蒸散發量的主要因素，其次是水分條件，動力因素對實際日蒸散發量的影響不大。

3 結 論

(1)2013年青藏高原不同下墊面的實際日蒸散發量均呈先增大后減小趨勢，且實際日蒸散發量普遍在0～0.50 mm之間。高寒草原下墊面的實際日蒸散發量波動較大，實際日蒸散發量和實際月蒸散發量較高，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量波動較小，實際日蒸散發量和實際月蒸散發量也較低。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量均呈現較好的相關性，其次是飽和水汽壓差，風速與實際日蒸散發量的相關性較小。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量影響較大。

DOI:10.1038/454393a.

DOI:10.1029/2011JD017037.

DOI:10.1002/eco.1925.

DOI:10.1029/2006JD008161.