氣候變化下烏江流域蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系變化及成因辨識(shí)

趙玲玲,陳 喜,夏 軍,郭鳳睿

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;2.河南省濮陽市水利局,河南 濮陽 457000;3.中國科學(xué)院研究生院,北京 100101;4.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;5.海河水利委員會(huì)衛(wèi)河河務(wù)局,河南濮陽 457000)

蒸散發(fā)既是地表能量平衡的重要組成部分,又是水量平衡的組成部分,而地表熱量、水分收支狀況在很大程度上決定著天氣、氣候的變化,進(jìn)而決定著地理環(huán)境的形成和演變[1].此外,蒸散發(fā)也是水文循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因此蒸散發(fā)一直是地學(xué)、農(nóng)學(xué)、生物學(xué)界的研究熱點(diǎn)問題之一.蒸散發(fā)量取決于氣象條件及下墊面特征,很難通過儀器測量區(qū)域蒸散發(fā)量,因此間接估算的方法應(yīng)用較為廣泛.

近年來蒸散發(fā)估算方法得到很大發(fā)展,主要方法有水量平衡法、互補(bǔ)相關(guān)理論、SPAC理論和參考作物蒸發(fā)方法、定量遙感估算方法等[2-4].因氣象因子具有長期觀測資料,所以基于氣象資料的蒸散發(fā)估算方法得到廣泛重視.1963年Bouchet[5]提出:在1～10km2大而均一的表面,外界能量保持不變,當(dāng)水分充足時(shí),表面上的實(shí)際蒸散發(fā)量Ea與潛在蒸散發(fā)量Ep相等.若供水不充分時(shí),則實(shí)際蒸散發(fā)量減少,其減少率等于潛在蒸散發(fā)量的增加率,它們之間的互補(bǔ)關(guān)系為

式中Ew為濕潤環(huán)境蒸散發(fā)量(Ew定義為無平流條件下,凈輻射能量保持不變,下墊面供水充分時(shí)的蒸散發(fā)總量).在Bouchet提出的實(shí)際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系基礎(chǔ)上,根據(jù)基于該原理估算蒸散發(fā)量的模型有:AA模型(the advection-aridity model)[6]、CRAE模型(the complementary relationship areal evapotranspiration model)[7];GG(granger and gray)模型[8].近幾十年,許多學(xué)者利用該類模型估算實(shí)際蒸散發(fā)量[9-11].

本文以貴州省內(nèi)烏江思南以上流域?yàn)檠芯繀^(qū),首先驗(yàn)證了研究區(qū)存在蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系模型結(jié)合水量平衡驗(yàn)證估算實(shí)際蒸散發(fā)量,并對(duì)1961—2007年實(shí)際蒸散發(fā)和蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的變化趨勢及其影響因素進(jìn)行分析.

1 研究區(qū)域及資料

貴州省內(nèi)烏江思南以上流域位于東經(jīng)104°～109°、北緯26°～29°之間,貴州省西部,氣候溫暖濕潤,屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,雨日較多,且降水集中,夏季降水占全年的45%以上,冬季僅占6%左右.該區(qū)域?yàn)楦咴降氐匦?海拔在2000m以上,巖溶發(fā)育復(fù)雜,是分布面積最大的東亞巖溶區(qū)域中心,研究區(qū)總面積50791km2,流域內(nèi)喀斯特面積占70%以上.流域多年降水量1169mm,多年平均徑流深615mm,多年蒸散發(fā)量554mm.

本文采用的數(shù)據(jù)包括:88個(gè)雨量站1973—1983年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù);26個(gè)蒸發(fā)觀測站?80蒸發(fā)皿平均年蒸散發(fā)量,思南水文站的徑流資料及8個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2007年的氣象資料.氣象站點(diǎn)實(shí)測資料包括日最高最低氣溫、平均氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù).各個(gè)站點(diǎn)的位置分布情況見圖1.

圖1 研究區(qū)站點(diǎn)分布Fig.1 Gauging station distribution in study area

2 蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的驗(yàn)證

邱新法等[1]采用?80蒸發(fā)皿年蒸散發(fā)量作為年潛在蒸散發(fā)量指標(biāo),用流域年降水量與流域年徑流深之差代表流域年實(shí)際蒸散發(fā)量,以流域年降水量代表流域歷年的濕潤狀況,驗(yàn)證了淮河流域、松花江流域、烏江流域及淮河流域蒸散發(fā)存在互補(bǔ)關(guān)系.本文采用流域內(nèi) 88個(gè)雨量站1973—1983年的降水量均值作為流域面平均降水量,采用26個(gè)蒸發(fā)觀測站?80蒸發(fā)皿平均年蒸散發(fā)量代表流域潛在蒸散發(fā)量;運(yùn)用兩參數(shù)月水量平衡模型[12]估算流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量,以模型效率系數(shù)和水量平衡綜合最優(yōu)為目標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,其中兩參數(shù)取值為:C=0.8;SC=576.1973—1983年兩參數(shù)月水量平衡模型水量平衡系數(shù)為0.98,模型效率系數(shù)為0.9.用年降水量反映流域濕潤情況,得到研究區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量和潛在蒸散發(fā)量之間的關(guān)系如圖2所示.

由圖2可以看出,研究區(qū)潛在蒸散發(fā)量和實(shí)際蒸散發(fā)量的互補(bǔ)關(guān)系明顯.事實(shí)上,圖2表現(xiàn)出的是在一定干濕程度下蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的部分片段,如果在研究時(shí)段內(nèi),研究區(qū)的干濕程度變化幅度足夠大,能夠覆蓋從極端干燥到充分濕潤的所有情形,則蒸散發(fā)的互補(bǔ)關(guān)系可以在一個(gè)流域內(nèi)得到完整體現(xiàn)[1].

圖2 研究區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量和潛在蒸散發(fā)量互補(bǔ)關(guān)系Fig.2 Complementary relationship between Eaand Epin study area

3 實(shí)際蒸散發(fā)量估算方法與估算結(jié)果

3.1 基于蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的AA模型

如果蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系式(1)中采用Penman公式計(jì)算Ep,Priestley-Taylor公式計(jì)算Ew,則得到計(jì)算實(shí)際蒸散發(fā)量計(jì)算模型(AA模型):

式中:Δ——溫度-飽和水氣壓曲線斜率,kPa/℃;γ——溫度計(jì)常數(shù),kPa/℃;λ——熱通量,W/m2;ea——空氣干燥力,mm/d;Rn——地面凈輻射能,MJ/(m2?d);α——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),Priestley和Taylor根據(jù)海洋和大范圍飽和陸面的觀測資料,推薦α值為1.26,即認(rèn)為海面或飽和陸面大尺度平流在蒸散發(fā)影響因素中占26%.

3.2 模型參數(shù)修正及實(shí)際蒸散發(fā)量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)許崇育等[9-11]的研究結(jié)果,參數(shù)α與區(qū)域特征有關(guān),可利用水量平衡原理進(jìn)一步加以率定.由流域內(nèi)1973—1983年88個(gè)雨量站的降水資料和思南水文站實(shí)測徑流資料,運(yùn)用水量平衡方程得到該流域多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量為554mm,在流域中取11年水量平衡閉合差為0時(shí)的α值為最優(yōu)值,此時(shí)思南以上烏江流域AA模型參數(shù) α取1.096.

為了檢驗(yàn)AA模型估算的實(shí)際蒸散發(fā)量的可靠性,將AA模型估算的實(shí)際蒸散發(fā)量與兩參數(shù)月水量平衡模型[12]估算的實(shí)際蒸散發(fā)量進(jìn)行比較.分析顯示:兩模型估算實(shí)際蒸散發(fā)量的月相關(guān)系數(shù)為0.92;以兩參數(shù)月水量平衡模型估算的實(shí)際蒸散發(fā)量為基準(zhǔn)值,AA模型估算的年實(shí)際蒸散發(fā)量在1973—1983年期間的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi).所以AA模型估算的實(shí)際蒸散發(fā)量是合理可靠的.

圖3為AA模型計(jì)算的研究區(qū)1961—2007年實(shí)際蒸散發(fā)量變化曲線,區(qū)域年蒸散發(fā)量擬合的趨勢線通過了 0.01顯著性水平檢驗(yàn),呈現(xiàn)顯著的下降趨勢,烏江流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量的減少變化率為1.65mm/a.

從季節(jié)性變化來看(圖4),春季、夏季、秋季蒸散發(fā)量呈現(xiàn)減少趨勢和冬季呈現(xiàn)增加趨勢,夏季和秋季區(qū)域蒸散發(fā)量下降趨勢顯著(通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)),變化率分別為1.08mm/a和0.37mm/a.冬季增加趨勢顯著.春季區(qū)域蒸散發(fā)量減少趨勢不顯著(未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)).

圖3 研究區(qū)年實(shí)際蒸散發(fā)量變化曲線Fig.3 Change curve of annual Eain study area

圖4 研究區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量季節(jié)變化曲線Fig.4 Seasonal change curves of Eain study area

4 蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系變化及成因分析

4.1 蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系變化趨勢

從圖5可以看出,由于研究區(qū)1961—2007年期間潛在蒸散發(fā)量、濕潤環(huán)境蒸散發(fā)量和實(shí)際蒸散發(fā)量呈下降趨勢,下降速率分別為0.43mm/a,1.05mm/a和1.65mm/a.由于潛在蒸散發(fā)量和實(shí)際蒸散發(fā)量的減少,導(dǎo)致該區(qū)域蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系在1961—2007年期間呈現(xiàn)明顯下降趨勢,這種趨勢和當(dāng)下的蒸發(fā)悖論理論相一致.根據(jù)蒸散發(fā)的互補(bǔ)關(guān)系,在外界能量保持不變的情況下,隨著實(shí)際蒸散發(fā)量的減少,富余的能量使得潛在蒸散發(fā)量增加,從以上3種蒸散發(fā)量的變化趨勢可以看出:實(shí)際蒸散發(fā)量減少速率大于潛在蒸散發(fā)量的減少速率,這一結(jié)果表明:潛在蒸散發(fā)量相對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)量是在增加,但增加的速率沒有減少的快,所以表現(xiàn)為較實(shí)際蒸散發(fā)量較少的減少.

圖5 研究區(qū)蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系變化趨勢Fig.5 Change trend of complementary relationship of evapotranspiration in study area

蒸散發(fā)量取決于3個(gè)條件:供水條件、能量及水氣輸送的速度(動(dòng)力條件)[13].Budyko[14]發(fā)現(xiàn)陸面長期平均蒸散發(fā)量主要由大氣對(duì)陸面的供給(降水量)和需求(凈輻射量或潛在蒸散發(fā)量)之間的平衡決定,提出了Budyko假設(shè).Yang等[15-16]基于Budyko假設(shè),提出了蒸散發(fā)正比與蒸散發(fā)互補(bǔ)的統(tǒng)一解釋,即在水分控制條件下存在互補(bǔ)關(guān)系,在能量控制條件下存在正比關(guān)系.所以研究區(qū)蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的下降趨勢主要是由于該區(qū)域濕潤環(huán)境蒸散發(fā)量和潛在蒸散發(fā)量的減少造成的.

4.2 蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系變化原因分析

為了查明研究區(qū)各種蒸散發(fā)量的變化原因,首先采用統(tǒng)計(jì)的方法分析影響該區(qū)域各種蒸散發(fā)量的主要?dú)庀笠蜃?然后對(duì)主要的氣象因子的變化趨勢進(jìn)行分析,從而辨析該區(qū)域蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系的變化原因.由于蒸散發(fā)的動(dòng)力條件受氣溫、濕度、風(fēng)速、飽和差等多種要素的影響,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)影響蒸散發(fā)的氣象因子(降水量、相對(duì)濕度、高溫、低溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù))與各種蒸散發(fā)量(實(shí)際蒸散發(fā)量Ea、濕潤環(huán)境蒸散發(fā)量Ew和潛在蒸散發(fā)量Ep)的相關(guān)性進(jìn)行分析,確定影響該地區(qū)蒸散發(fā)量的主要?dú)庀笠蜃?

由逐月資料分析的氣象因子和蒸散發(fā)的相關(guān)性見表1,可以看出,降水、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)是影響蒸散發(fā)的主要?dú)庀笠蜃?

表1 氣象因子與蒸散發(fā)量簡單相關(guān)、偏相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients and partial correlation coefficients between climatic variables and evapotranspiration

用t檢驗(yàn)方法對(duì)影響蒸散發(fā)的主要?dú)庀笠蜃拥淖兓厔葸M(jìn)行檢驗(yàn),貴州省處于濕潤地區(qū),供水條件充足,年雨量略有下降趨勢(圖6).以日照時(shí)數(shù)反映太陽總輻射的變化,圖6中1961—2007年日照時(shí)數(shù)呈明顯下降趨勢,t檢驗(yàn)p值為-5.88,顯著性水平0.01的臨界值為2.67,所以日照時(shí)數(shù)下降趨勢顯著.對(duì)影響水汽輸送速度的主要影響因素風(fēng)速進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)風(fēng)速變化不顯著(未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)).所以該區(qū)域各種蒸散發(fā)量的減少趨勢是由于日照時(shí)數(shù)減少導(dǎo)致提供給蒸散發(fā)的能量減少,最終使區(qū)域蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系呈現(xiàn)下降趨勢.

圖6 降水量、風(fēng)速、濕潤環(huán)境蒸散發(fā)量和日照時(shí)數(shù)變化曲線Fig.6 Change curves of precipitation,wind speed,wet environment evapotranspiration,and insolation duration

5 結(jié) 論

a.實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明,研究區(qū)蒸散發(fā)存在顯著互補(bǔ)關(guān)系;采用蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系模型估算實(shí)際蒸散發(fā)量與兩參數(shù)月水量平衡模型估算量誤差在10%以內(nèi),月相關(guān)系數(shù)為0.92,表明蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系模型在該區(qū)域估算量合理可靠.

b.1961—2007年期間,由于濕潤環(huán)境蒸散發(fā)量和潛在蒸散發(fā)量呈現(xiàn)顯著下降趨勢致使研究區(qū)蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系表現(xiàn)為帶有下降趨勢的互補(bǔ)關(guān)系.

c.對(duì)影響蒸散發(fā)的氣象因子與蒸散發(fā)的相關(guān)關(guān)系分析表明,降水、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)與各蒸散發(fā)量的關(guān)系無論是簡單相關(guān)還是偏相關(guān)都表現(xiàn)出較高的相關(guān)性,所以這3個(gè)因子是影響蒸散發(fā)的主要?dú)庀笠蜃?

d.采用t檢驗(yàn)法對(duì)降水、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的變化趨勢分析顯示,降水和風(fēng)速下降趨勢不顯著,而日照時(shí)數(shù)下降趨勢通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn),表明提供蒸散發(fā)能量的日照時(shí)數(shù)減少趨勢明顯,所以該區(qū)域帶有下降趨勢的蒸散發(fā)互補(bǔ)關(guān)系可能是日照時(shí)數(shù)減少的結(jié)果.

[1]邱新法,曾燕,謬啟龍,等.用常規(guī)氣象資料計(jì)算陸面年實(shí)際蒸散量[J].中國科學(xué):D輯,2003,33(3):281-288.(QIU Xin-fa,ZEN Yan,MIU Qi-long,et al.Calculated the actual land surface evapotranspiration with conventional meteorological data[J].Science in China:Series D,2003,33(3):281-288.(in Chinese))

[2]張瑞美,彭世彰,徐俊增,等.不同ea計(jì)算方法對(duì)Penman-Monteith公式的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,34(6):660-663.(ZHANG Rui-mei,PENG Shi-zhang,XU Jun-zeng,et al.Influence ofeaon calculation of reference crop evapotranspirationwith Penman-Monteith formula[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2006,34(6):660-663.(in Chinese))

[3]劉曉帆,任立良,袁飛,等.雙源蒸散發(fā)能力計(jì)算模型在半干旱區(qū)的適用性[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(2):138-142.(LIU Xia-fan,REN Li-ling,YUAN Fei,et al.Applicability of two source potential evapotranspiration model in semiarid areas[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2009,37(2):138-142.(in Chinese))

[4]鄧世贊,張友靜,張子衡,等.基于IDL的MODIS影像地表蒸散發(fā)參數(shù)反演系統(tǒng)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(4):447-451.(DENG Shi-zan,ZHANG You-jing,ZHANG Zi-heng,et al.Inversion system of surface evapotranspiration parameters for MODIS data based on IDL[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2010,38(4):447-451.(in Chinese))

[5]BOUCHET R J.Evapotranspiration reele et potentielle,signification climatique[J].GeneralAssembly Berkeley,Int Ass SciHydrol,1963,62:134-142.

[6]BRUTSAERT W,STRICKER H.An advection-aridity approach to estimate actual regional evapotranspiration[J].Water Resource Research,1979,15(2):443-449.

[7]NASH J E.Potential evaporation and the complementary relationship[J].Journal of Hydrology,1989,111:1-7.

[8]GR ANGER R J,GRAY D M.Evaporation from natural no-saturated surfaces[J].Journal of Hydrology,1989,111:21-29.

[9]XU Chong-yo,SINGH V P.Evaluation of complementary relationship evapotranspiration models by water balance approach to estimateactual regional evapotranspiration in different climatic regions[J].Journal of Hydrology,2005,308:105-121.

[10]劉紹民,孫睿,孫中平,等.基于互補(bǔ)相關(guān)原理的區(qū)域蒸散量估算模型比較[J].地理學(xué)報(bào),2004,59(3):331-340.(LIU Shaomin,SUN Rui,SUN Zhong-ping,et al.Comparison of different complementary relationship models for regional evapotranspiration estimation[J].Acta Geographica Sinca,2004,59(3):331-340.(in Chinese))

[11]尚松浩,孫麗艷,郝增超.互補(bǔ)相關(guān)原理在綠洲月蒸發(fā)量估算中的應(yīng)用[J].水文,2008,28(3):67-69.(SHANG Song-hao,SUN Li-yan,HAO Zeng-chao.Using Complementary relationship to estimate monthly evapotranspiration in arid oasis[J].Journal of China Hydrology,2008,28(3):67-69.(in Chinese))

[12]胡慶芳,王銀堂,劉克琳,等.基于改進(jìn)的兩參數(shù)月水量平衡模型的月徑流模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35(6):638-642.(HU Qing-fang,WANG Yin-tang,LIU Ke-lin,et al.Monthly runoff simulation based on improved two-parameter monthly water volume balance model[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2007,35(6):638-642.(in Chinese))

[13]芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京:中國水利水電出版社,2004:104-105.

[14]BUDYKO M I.Evaporation under Natural Conditions[M].Jerusalem:English Translation by Isr Program for Sci Transl,1963.

[15]YANG Da-wen,SUN Fu-bao,LIU Zhi-yu,et al.Interpreting the complementary relationship in non-humid environments based on the Budyko and Penman hypotheses[J].Geophysical Research Letters,2006,33(18):L18402.

[16]YANG Da-wen,SUN Fu-bao,LIU Zhi-yu,et al.Analyzing spatial and temporal variability of annual water-energy balance in non-humid regions of China using the Budyko hypothesis[J].Water Resources Research,2007,43(4):W04426.