瀾滄江流域不同蒸發(fā)皿實(shí)測水面蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

劉翠善， 李海川， 王國慶， 王樂揚(yáng)， 萬思成

(1.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，江蘇 南京210029; 2.南京水利科學(xué)研究院 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; 3.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098; 4.寧海中學(xué)，江蘇 南京 210026)

瀾滄江流域不同蒸發(fā)皿實(shí)測水面蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

劉翠善1,2， 李海川1,3， 王國慶1,2， 王樂揚(yáng)4， 萬思成1,3

(1.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，江蘇 南京210029; 2.南京水利科學(xué)研究院 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; 3.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098; 4.寧海中學(xué)，江蘇 南京 210026)

水面蒸發(fā)的同化處理是分析水面蒸發(fā)時(shí)空變化規(guī)律的前提和基礎(chǔ)工作?；跒憸娼饔虻湫驼军c(diǎn)的水面蒸發(fā)同步觀測資料，分析了不同蒸發(fā)皿實(shí)測水面蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。結(jié)果表明：①瀾滄江流域不同站點(diǎn)的蒸發(fā)折減系數(shù)存在一定的差異，中上游站點(diǎn)的蒸發(fā)折減系數(shù)小于下游站點(diǎn)；蒸發(fā)折減系數(shù)在春季較小，在冬季相對(duì)較大；②不同蒸發(fā)皿觀測值之間具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上；③不同蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系能夠有效地進(jìn)行瀾滄江流域水面蒸發(fā)的同化處理，水面蒸發(fā)量的計(jì)算值與實(shí)測值非常接近，能夠滿足水面蒸發(fā)計(jì)算的精度要求。

水面蒸發(fā)；蒸發(fā)折減系數(shù)；轉(zhuǎn)換關(guān)系；瀾滄江流域

蒸發(fā)是陸地水文循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是流域水量損失的重要途徑，陸地上約60%以上的降水消耗于蒸散發(fā)[1]。由于目前尚缺少對(duì)流域蒸散發(fā)觀測的有效手段，所以主要采用不同的蒸發(fā)皿進(jìn)行水面蒸發(fā)觀測，進(jìn)而分析蒸發(fā)能力變化及其影響因素[2-3]。中國對(duì)水面蒸發(fā)的觀測先后采用的蒸發(fā)皿主要包括20、80 cm口徑蒸發(fā)皿和E601型蒸發(fā)皿。由于不同蒸發(fā)皿觀測的水面蒸發(fā)量存在一定的差異，因此，很難直接采用不同蒸發(fā)皿的實(shí)測值進(jìn)行蒸發(fā)能力的演變規(guī)律分析。相比而言，E601型蒸發(fā)皿所測得的蒸發(fā)量最接近代表天然水體的蒸發(fā)量，小型蒸發(fā)皿的實(shí)測值約為E601型量測值的1.3～1.8倍[4]。研究不同蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，對(duì)保障資料序列的一致性，科學(xué)認(rèn)知蒸發(fā)演變規(guī)律和開展陸地水文循環(huán)研究具有重要意義。

在20世紀(jì)70、80年代前后，中國在一些氣象站、水文站利用不同蒸發(fā)皿進(jìn)行了不定時(shí)間長度的蒸發(fā)同期觀測，以期建立不同蒸發(fā)皿量測值之間的折算關(guān)系。目前，大多數(shù)研究以E601型蒸發(fā)皿的量測值為基礎(chǔ)，采用比值系數(shù)折減法對(duì)其他不同器皿量測的蒸發(fā)量進(jìn)行統(tǒng)一折減到E601量測的水平[5]。一些水文、氣象工作者先后對(duì)不同站點(diǎn)的同期觀測資料進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了不同區(qū)域的蒸發(fā)折減系數(shù)[4-8]。劉小寧等研究發(fā)現(xiàn)，不同蒸發(fā)皿之間的蒸發(fā)折減系數(shù)存在較大的區(qū)域性差異[6]；楊允凌等分析認(rèn)為，折減系數(shù)在年內(nèi)分配和年際間的變化也較大[7]；崔鳳梅初步分析了不同蒸發(fā)皿量測差異的原因，認(rèn)為除了儀器本身的性能和安裝位置的影響之外，氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣壓和降水等都可對(duì)蒸發(fā)量測值產(chǎn)生一定的影響[8]。因此，一個(gè)區(qū)域的研究成果很難直接移植用到其他區(qū)域。本文在系統(tǒng)整理瀾滄江流域同期水面蒸發(fā)觀測資料的基礎(chǔ)上，建立了不同蒸發(fā)皿觀測值之間的定量關(guān)系，對(duì)比分析了不同蒸發(fā)皿觀測值之間的轉(zhuǎn)換方法在資料同化處理中的有效性。

1 資料與方法

1.1 研究流域及資料

瀾滄江位于湄公河上游，是我國西南地區(qū)的國際跨境河流之一。流域地處東經(jīng)94°～102°和北緯21°～34°之間，上下寬廣、中間纖細(xì)，呈現(xiàn)西北—東南走向的紡錘形狀，如圖1所示。瀾滄江干流全長約2 130 km，允景洪站以上控制流域141 380 km2。流域海拔從500 m左右到6 000 m以上，高差懸殊，覆蓋寒帶、寒溫帶、溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶等多種氣候帶；具有復(fù)雜的地形和水熱分布差異。

瀾滄江流域同步水面蒸發(fā)資料較少，僅在香達(dá)、塘上、煉城、江橋、光明、允景洪6個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了1～3 a的同期水面蒸發(fā)觀測，觀測站點(diǎn)分布如圖1所示。

表1給出了同步觀測站點(diǎn)及同步水面蒸發(fā)觀測資料的基本信息。由表1可以看出：①香達(dá)、塘上和光明站只進(jìn)行了1 a的同期觀測，江橋站觀測年份相對(duì)較多，進(jìn)行了3 a的同期觀測；②在所有站點(diǎn)的多數(shù)觀測年份中，只進(jìn)行了2種類型蒸發(fā)皿的同期觀測，僅江橋站在1985年進(jìn)行了3種蒸發(fā)皿的同期觀測。

圖1 瀾滄江流域水系及水面蒸發(fā)同步觀測站點(diǎn)位置示意圖

編號(hào)站名東經(jīng)北緯同步觀測年份蒸發(fā)皿1香達(dá)96.57°32.13°197020、80cm口徑蒸發(fā)皿(5—9月觀測)2塘上99.32°27.15°1985E601型蒸發(fā)皿、80cm口徑蒸發(fā)皿3光明101.02°22.58°1987E601型蒸發(fā)皿、20cm口徑蒸發(fā)皿4煉城100.00°26.10°1966、1970E601型蒸發(fā)皿、80cm口徑蒸發(fā)皿198220cm口徑蒸發(fā)皿(6—12月觀測)、80cm口徑蒸發(fā)皿(7—12月觀測)5江橋100.17°23.55°1985E601型蒸發(fā)皿,20、80cm口徑蒸發(fā)皿198720、80cm口徑蒸發(fā)皿6允景洪100.78°22.03°1982E601型蒸發(fā)皿(9—12月觀測)、80cm口徑蒸發(fā)皿198520、80cm口徑蒸發(fā)皿

1.2 研究方法

采用系數(shù)折減方法研究不同蒸發(fā)皿觀測值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，E601型蒸發(fā)皿與20、80 cm口徑蒸發(fā)皿同期蒸發(fā)量之間的折減系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：K20、K80分別為口徑20 cm和80 cm蒸發(fā)皿觀測值的折減系數(shù)；E601、E20和E80分別為E601型蒸發(fā)皿與20、80 cm口徑蒸發(fā)皿(D20、D80)在相同時(shí)段內(nèi)的觀測值。

此外，通過點(diǎn)繪E601型蒸發(fā)皿觀測值與20、80 cm口徑蒸發(fā)皿的觀測值之間的相關(guān)性散點(diǎn)圖，分析二者之間的相關(guān)性，進(jìn)而構(gòu)建其線性或非線性轉(zhuǎn)換關(guān)系。即：

E601=f(E20)，

(3)

E601=g(E80)。

(4)

式中：f(E20)和g(E80)分別為20、80 cm口徑蒸發(fā)皿的觀測值向E601型蒸發(fā)皿觀測值的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

為評(píng)估不同蒸發(fā)皿觀測值之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的有效性，采用納什效率系數(shù)NSE和相對(duì)誤差RE來評(píng)估不同蒸發(fā)皿實(shí)測值與計(jì)算值之間的擬合程度[9]。如果NSE越接近1，同時(shí)RE越接近0，則說明二者擬合效果越好，不同蒸發(fā)皿觀測值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系也更加有效。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸發(fā)折減系數(shù)的年內(nèi)變化

蒸發(fā)折減系數(shù)是最為直接和簡便的一種水面蒸發(fā)同化處理途徑，基于不同蒸發(fā)皿的逐月觀測資料，圖2給出了瀾滄江流域不同氣象站點(diǎn)D80和D20蒸發(fā)皿折減系數(shù)的年內(nèi)變化。

由圖2可以看出：

1)不同站點(diǎn)的蒸發(fā)折減系數(shù)不同：如塘上站K80相對(duì)較小，平均為0.67；煉城站和江橋站的K80均值均為0.76，相對(duì)較高；江橋站K20均值為0.68，而光明站為0.79?？傮w來看，上游站點(diǎn)海拔較高，蒸發(fā)折減系數(shù)較小，下游站點(diǎn)海拔相對(duì)較低，蒸發(fā)折減系數(shù)相對(duì)較大；不同站點(diǎn)之間的蒸發(fā)折減系數(shù)的差異一般在15%以上。

2)蒸發(fā)折減系數(shù)具有一定的季節(jié)性差異：江橋站K80的季節(jié)性差異表現(xiàn)得尤其突出，該站K80在9—12月份較大，超過0.8，其余月份相對(duì)較小，不到0.7；允景洪站只有4個(gè)月份的同期觀測資料，此站點(diǎn)K80變化與江橋站的接近，與其他站的差異較大，這可能與其地理位置有一定關(guān)系，江橋站和允景洪站均位于瀾滄江下游，氣候、地貌、植被等自然條件接近，而與其他站點(diǎn)自然條件差別相對(duì)較大。

3)就所有站的平均狀況而言，K80在0.74左右變化，其中，1—8月份較小，為0.68～0.73；9—12月份相對(duì)較大；后期的3個(gè)月份超過0.8，這主要是受到江橋站、允景洪站在該時(shí)期高值的影響。K20總體略小于K80，在0.72左右變化，從1—12月份，K20有總體增加的趨勢。

4)煉城站具有2 a(1966年和1970年)采用E601和D80蒸發(fā)皿進(jìn)行同期觀測瀾滄江流域水面蒸發(fā)量的資料，由這些資料可以看出，盡管不同月份蒸發(fā)折減系數(shù)K80存在差異，但2 a的K80變化態(tài)勢較為穩(wěn)定且表現(xiàn)一致。

因此，對(duì)于同一站點(diǎn)來說，如果有不同蒸發(fā)皿的同期觀測資料，則可以采用月折減系數(shù)進(jìn)行蒸發(fā)的同化處理；對(duì)于不同區(qū)域的站點(diǎn)來說，若采用統(tǒng)一的蒸發(fā)折減系數(shù)進(jìn)行同化處理，將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

圖2 瀾滄江流域典型氣象站點(diǎn)K80與K20的年內(nèi)變化

2.2 不同蒸發(fā)皿觀測值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

構(gòu)建不同蒸發(fā)皿實(shí)測值之間的定量關(guān)系是實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)同化處理的另外一種重要途徑。根據(jù)同期觀測的月水面蒸發(fā)資料，點(diǎn)繪了瀾滄江流域不同站點(diǎn)的E601蒸發(fā)皿實(shí)測月水面蒸發(fā)量與同期D80和D20蒸發(fā)皿的該實(shí)測值之間的相關(guān)性散點(diǎn)圖，如圖3所示。

從圖3可以看出：

1)所有的點(diǎn)群均在1∶1線之下，說明E601蒸發(fā)皿觀測值小于D80和D20蒸發(fā)皿的觀測值。

2)盡管不同站點(diǎn)和月份的E601蒸發(fā)皿觀測值與其他兩種蒸發(fā)皿觀測值之間的比值差別較大，但二者具有很好的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，E601蒸發(fā)皿觀測值與D80和D20蒸發(fā)皿觀測值之間的線性相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。

基于E601與D80、D20蒸發(fā)皿觀測值之間的相關(guān)性分析，構(gòu)建二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

E601=0.576 2E20+18.87，r=0.95；

(5)

E601=0.683 1E80+7.90，r=0.93。

(6)

由式(5)和式(6)可以推導(dǎo)出D80與D20蒸發(fā)皿實(shí)測水面蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

E80=0.843 5E20+10.97。

(7)

式中，E601、E20和E80分別為E601型蒸發(fā)皿與D20、D80蒸發(fā)皿觀測的月水面蒸發(fā)量。

圖3 瀾滄江流域逐月E601實(shí)測值與E80和E20實(shí)測值之間的相關(guān)圖

2.3 不同蒸發(fā)皿觀測值轉(zhuǎn)換關(guān)系的有效性分析

利用瀾滄江流域不同站點(diǎn)D20或D80蒸發(fā)皿的觀測資料，根據(jù)式(5)(6)(7)分別計(jì)算同期的E601和E80或E20，圖4和圖5分別給出了E601、E80的實(shí)測值和轉(zhuǎn)換計(jì)算值之間的對(duì)比情況。圖4和圖5中的“E601-80計(jì)算”、“E601-20計(jì)算”分別為根據(jù)D80、D20蒸發(fā)皿的實(shí)測值轉(zhuǎn)換計(jì)算的E601蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量，圖5中“E80-20計(jì)算”為根據(jù)D20蒸發(fā)皿實(shí)測值轉(zhuǎn)換計(jì)算的D80蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量。表2統(tǒng)計(jì)給出了水面蒸發(fā)量實(shí)測值與計(jì)算值的擬合效果。

圖4 瀾滄江流域不同站點(diǎn)E601蒸發(fā)皿實(shí)測值與轉(zhuǎn)換計(jì)算值對(duì)比

圖5 瀾滄江流域不同站點(diǎn)D80蒸發(fā)皿實(shí)測值與轉(zhuǎn)換計(jì)算值對(duì)比

站名E601水面蒸發(fā)量擬合效果NSE-80/%RE-80/%NSE-20/%RE-20/%D80水面蒸發(fā)量擬合效果NSE-20/%RE-20/%香達(dá)74.29.4塘上88.74.3光明95.3-3.5煉城97.6-3.2江橋91.41.594.81.789.34.3允景洪85.2-4.697.2-0.4

注：表中NSE-80、RE-80為根據(jù)D80蒸發(fā)皿實(shí)測值的擬合效果，NSE-20、RE-20為根據(jù)D20蒸發(fā)皿實(shí)測值的擬合效果。

由圖4、圖5和表2可以看出：

1)根據(jù)D20和D80蒸發(fā)皿實(shí)測值計(jì)算的E601蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量與實(shí)測值總體吻合，NSE均超過85%，其中，光明站和煉城站NSE高達(dá)95%以上，所有各站年水面蒸發(fā)量的計(jì)算誤差也較小，最大相對(duì)誤差為4.6%。

2)根據(jù)D20蒸發(fā)皿實(shí)測值計(jì)算的D80蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量,與其實(shí)測值擬合良好；香達(dá)、江橋和允景洪3個(gè)站點(diǎn)的NSE分別為74.2%、89.3%、97.2%；D80蒸發(fā)皿年水面蒸發(fā)量的計(jì)算相對(duì)誤差只有香達(dá)站較大，為9.4%；其次為江橋站，相對(duì)誤差為4.3%；允景洪站相對(duì)誤差最小，不到1.0%。

3)利用D20、D80蒸發(fā)皿實(shí)測值和不同蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量之間轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算的E601蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量，在位于中上游的塘上站有系統(tǒng)性偏大現(xiàn)象，而對(duì)位于下游的允景洪站存在系統(tǒng)性偏小情況；計(jì)算的D80蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量在位于上游的香達(dá)站也存在系統(tǒng)性偏大情況，這可能與測量誤差或地理位置有一定關(guān)系；但是，所有站點(diǎn)的水面蒸發(fā)計(jì)算值的相對(duì)誤差均在可接受的范圍內(nèi)。

由上述分析可以看出，根據(jù)不同蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行瀾滄江流域水面蒸發(fā)的同化處理，實(shí)測值與計(jì)算值具有很好的一致性，且計(jì)算誤差較小。因此，構(gòu)建的不同蒸發(fā)皿觀測值轉(zhuǎn)換關(guān)系是非常有效的。

中國在20世紀(jì)70年代之前主要采用D20、D80蒸發(fā)皿進(jìn)行水面蒸發(fā)量觀測，后期采用E601蒸發(fā)皿進(jìn)行水面蒸發(fā)量觀測，由于不同蒸發(fā)皿之間的觀測值存在差異，很難形成長系列的觀測資料用于蒸發(fā)演變規(guī)律分析。因此，在20世紀(jì)70、80年代開展了不同蒸發(fā)皿的同步觀測，其目的就是尋求二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以便進(jìn)行資料的同化，進(jìn)而形成具有一致性的資料系列。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：在瀾滄江流域進(jìn)行水面蒸發(fā)同步監(jiān)測年份的氣候條件差異較大，如煉城站1966年的年降水量(1 114 mm)為歷史最大值，而1970年的年降水量只有734 mm，與多年均值基本相當(dāng)；在降水條件差異較大的條件下，盡管水面蒸發(fā)差異也較大，但不同蒸發(fā)皿實(shí)測的水面蒸發(fā)量保持了較好的相關(guān)性。由此說明，這種蒸發(fā)皿實(shí)測水面蒸發(fā)量的轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)不同的環(huán)境條件具有較好的穩(wěn)定性，可以用于過去或未來氣候變化條件下不同蒸發(fā)皿實(shí)測水面蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)語

1)瀾滄江流域不同站點(diǎn)的蒸發(fā)折減系數(shù)存在一定的差異。在地理分布上，海拔高的中、上游站點(diǎn)蒸發(fā)折減系數(shù)相對(duì)較小，下游站點(diǎn)蒸發(fā)折減系數(shù)相對(duì)較大；在年內(nèi)分配上，春、夏季節(jié)蒸發(fā)折減系數(shù)總體小于秋、冬季節(jié)。

2)E601型蒸發(fā)皿與口徑分別為20 cm和80 cm蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)量觀測值差異較大，口徑為20 cm蒸發(fā)皿的觀測值最大，E601的觀測值最小。但不同蒸發(fā)皿觀測值之間具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。

3)不同蒸發(fā)皿實(shí)測水面蒸發(fā)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系能夠有效地進(jìn)行瀾滄江流域水面蒸發(fā)的同化處理，計(jì)算的水面蒸發(fā)量與實(shí)測值非常接近，擬合的效率系數(shù)多在90%以上，計(jì)算的相對(duì)誤差也較小，能夠滿足水面蒸發(fā)計(jì)算的精度要求。

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ConversionalRelationshipbetweenDifferentPanEvaporationsfortheLancangRiverBasin

LIU Cuishan1,2， LI Haichuan1,3， WANG Guoqing1,2， WANG Yueyang4， WAN Sicheng1,3

(1.Research Center for Climate Change, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China； 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;3.Institute of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China；4.Ninghai Middle School, Nanjing 210026, China)

The assimilation of pan evaporations is a premise and basic work for analyzing spatial and temporal distribution of potential evaporation with long term data series. Based on the synchronous observation of pan evaporations measured by different evaporator of typical stations in the Lancang River Basin, the conversional relationships between different pan evaporations were investigated. The results show that: ① Conversion coefficients between pan evaporations exhibit regional difference with higher value occurring in the middle and upper reaches and lower value existing in the lower reaches. Meanwhile, conversion coefficients in spring are larger than that in the winter; ② Pan evaporation measured by E601 is highly correlated to that measured by pan evaporators of D80 and D20 with correlation coefficient of >0.95; ③ The established conversional relationships between different pan evaporations could be used for assimilation of pan evaporation in the Lancang River Basin. The recorded and simulated pan evaporations match well, indicating that the relationship could meet the requirement of accuracy for conversion of pan evaporations.

potential evaporation; conversion coefficient of pan evaporation; conversional relationship; the Lancang River Basin

喬翠平)

TV11

A

1002-5634(2017)06-0072-06

2017-06-14

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFA0601601，2016YFA0601501)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401026,41330854,41371063,41401024)。

劉翠善(1981—)，女，山東招遠(yuǎn)人，高級(jí)工程師，博士，從事氣候變化與水資源管理方面的研究。E-mail：csliu@nhri.cn。

王國慶(1971—)，男，山東成武人，教授，博士，從事氣候變化和水資源評(píng)價(jià)等方面的研究。E-mail：gqwang@nhri.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.011