河北省潜在蒸发量计算与变化趋势分析

张可慧,刘剑锋,刘芳圆,肖嗣荣

(河北省科学院地理科学研究所,河北石家庄 050011）

河北省潜在蒸发量计算与变化趋势分析

张可慧,刘剑锋,刘芳圆,肖嗣荣

(河北省科学院地理科学研究所,河北石家庄 050011）

选取积温法、蒸发皿蒸发量估算法及彭曼—蒙特斯(Penman-Monteith,P-M）公式法对河北省潜在蒸发量进行估算,通过与大型蒸发池实测蒸发量比较分析,表明P-M公式法能较准确地估算河北省的潜在蒸发量。对PM公式法所得的潜在蒸发量序列进行变化趋势分析,结果表明:河北省年潜在蒸发量呈波动下降趋势,1960s达到最大,其后并没有随升温继续增大,相反呈明显下降趋势;各季节潜在蒸发量也呈下降趋势,其中夏季潜在蒸发量与年值的变化趋势一致,且降幅较大,每10年减少8.61 mm,秋、春季次之,每10年分别减少2.47 mm、3.32 mm,冬季变化较平缓,每10年减少约0.13 mm,并对其原因进行了分析。空间分布上,河北省大部分地区均为减少趋势,减少速率最大的区域主要分布在河北东南部平原的东部,而只有丰宁、蔚县等个别站潜在蒸发量呈微弱上升趋势。

潜在蒸发量;变化趋势;时空特征;河北省

0 引言

近年来,由于人类活动的加剧,特别是无序开发和化石燃料的大量使用,造成大气中温室气体浓度明显升高,气候变化速度加快,全球气候变暖日益突出。河北省是我国气候变化最敏感的区域之一,对全球变暖具有显著的正响应,又是水资源严重匮乏的区域,气候变化使水资源量日益减少,进而影响到该区生态环境和社会经济的可持续发展。蒸散(发）既是地表热量平衡和水量平衡的组成部分,又是水分循环研究中的重要内容[1]。因此,蒸散(发）量的可靠估算对于促进该区水资源的合理利用,深入了解其气候变化规律及原因具有重要意义。

蒸散(发）研究,尤其是非均匀陆面实际蒸散(发）的研究是一个范围广泛的课题,它发生于土壤-植被-大气系统内,是一个复杂的连续过程[2]。潜在蒸发量反映了大气的蒸发能力,是蒸发量计算中应用最广泛的一个参数,它是计算实际蒸发量的基础[3]。但在实际应用中,很难通过仪器监测区域潜在蒸发量,往往采用不同的计算方法估算区域潜在蒸发量。Priestly等[4]在无平流的假设条件下,建立了潜在蒸发量与净辐射能量之间的经验关系; Penman[5]假设在对非饱和陆面供水并使之充分湿润的过程中,非饱和陆面的净辐射能量、近地层大气温度和水汽压均保持不变,通过联立能量平衡方程和水汽传输方程,求解潜在蒸发量;Van Bavel[6]假设在对非饱和陆面供水并使之充分湿润的过程中,近地层大气温度和水汽压及蒸发面温度均保持不变,通过道尔顿方程计算潜在蒸发量。而在实际计算中,积温法、蒸发皿蒸发量估算法以其计算方法简单、资料易收集等优势,也被广泛应用于潜在蒸发量的估算[1]。近年来潜在蒸散方面的研究很多,洪嘉琏等[7]对山东南四湖的蒸发量进行了研究,发现蒸发量有减少的规律;李林等[8]对黄河流域蒸散量进行了分析,结果表明黄河流域上游地区蒸散量以3.25 mm/a的速度上升;荣艳淑等[9]对天津地区的潜在蒸发量季节及年际演变特征进行了分析等。而我国多数研究中缺乏对潜在蒸发量计算方法的检验,且对河北地区潜在蒸发量的计算方法分析鲜有报道。本文利用大型蒸发池蒸发量对积温法、蒸发皿蒸发量估算法和P-M公式法进行检验分析,确定河北省潜在蒸发量的估算方法,并对该区潜在蒸发量变化的时空特征进行了分析。

1 研究区概况及资料分析

河北省地处中纬度欧亚大陆东岸,地理位置为北纬36°03′～42°40′,东经113°27′～119°50′,属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候,大部分地区四季分明、雨量集中、日照充足、干湿期明显,年均降水量536 mm,降水季节分配不均,主要集中在夏季,空间分布也极不均匀,降水变率大。受气候温湿变化、东亚季风年代际变化、海温异常、太阳辐射变化等影响,近50年来全省气候具有暖干化的变化趋势[10]。在此背景下,河北省潜在蒸发量发生着显著的变化。

本研究选取中国气象局国家气象信息中心提供的在河北(包括京津）均匀分布的23个气象站点数据,气象要素有气温、降水、大气压、相对湿度、平均风速、日照时数等。对各站点数据进行插补后,将研究时段统一为1956-2007年。1956-2003年20 cm蒸发皿年蒸发量资料由河北省气象局提供,1985-2006年衡水站实际水面蒸发量来自衡水实验站(河北平原水资源实验研究站）20 m2大型蒸发池监测数据。采用FORTRAN编程软件进行数据计算及统计分析,采用A rcGIS软件进行空间分析。

2 河北省潜在蒸发量计算方法的确定

2.1 几种潜在蒸发量的计算方法

潜在蒸散量系指高度一致(8～15 cm）、生长旺盛、水分充足、完全覆盖地面的绿色草丛植被(禾草或苜蓿）的蒸散量[11]。由于不同地区、不同气候条件下,同一种草的表面形态特征也有差异,为了统一和标准化,FAO用一种假想的参照冠层代替实际的参照作物,给出了潜在蒸散量的新定义[12]:它为一种假想的参照作物冠层的蒸散速率,假设作物高度为12 cm,固定的叶面阻力为70 s/m,反射率为0.23,类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地的蒸散量。本文选取积温法、蒸发皿蒸发量估算法以及P-M公式法3种目前较为常用的估算潜在蒸发量的方法进行研究对比。

2.1.1 积温法 积温法常用于气候区划中年蒸发量的估算,其计算方便,仅依赖于温度的变化;但它存在明显的缺陷,即没有考虑风速、日照时数、相对湿度等气候要素变化对蒸发量的影响,导致蒸发量计算值随着升温而显著增大,这可能夸大了气温变化的作用。积温法计算潜在蒸发量公式[13]:

式中:E为潜在蒸发量,T为≥10℃的气温,β为修正系数。

2.1.2 蒸发皿蒸发量估量法 我国各气象台站用蒸发皿测定实际蒸发量,用小型蒸发皿观测的蒸发量是气象台站常规资料,其累积序列长,可比性较好,与潜在蒸发量之间存在较好的相关性。但由于小型蒸发皿中的水体小,致使水体温度与自由水面有很大差异,同时日晒和风吹会使蒸发量观测值比真实水面的蒸发量显著偏大。故常采用回归分析法或比例系数法等经验公式表征潜在蒸发量和蒸发皿蒸发量之间的关系,其表达式为:

式中:E为潜在蒸发量;E0为蒸发皿蒸发量;f为其间的函数关系。

本文采用比例系数法计算饶阳气象站的潜在蒸发量,经反复验算,饶阳站潜在蒸发量与蒸发皿蒸发量间的比例系数选取0.65。

2.1.3 P-M公式法 决定蒸发的气象因子包括为蒸发提供能量的因子和将蒸发表面的水蒸气分子转移的因子,主要包括太阳总辐射、气温、空气湿度、风速。Penman公式法综合考虑能量平衡项和空气动力项的作用,能较好地表征实际蒸发的状况。尽管Penman公式物理意义明确,但因为其不是纯理论公式,仍包含一些经验系数,因此在研究过程中推导了各种修正的 Penman公式。为了得到潜在蒸发量, Penman用计算的水面蒸发量乘以经验系数,并给出了计算水面蒸发的Penman公式[14]以及转换为潜在蒸发量的经验系数;Monteith进而提出了以能量平衡和水汽扩散理论为基础的潜在蒸发量,即P-M模型;联合国粮农组织(FAO）对此模型进一步修正,作为计算潜在蒸散量的标准方法加以推广。本文运用修正后的FAO P-M公式计算河北省的潜在蒸发量。其表达式如下:

式中:ET0为潜在蒸发量(mm/d）,Rn为地表净辐射(MJ/(m2·d））,G为土壤热通量浓度(MJ/(m2·d））, T为2 m处日平均气温(℃）,U2为2 m处风速(m/ s）,es为饱和水汽压(kpa）,ea为实际水汽压(kpa）,Δ为水汽压曲线的斜率 (kpa/℃）,γ为湿度常数(kpa/℃）。

2.2 3种计算结果的评估

在饶阳气象站附近的衡水实验站内设有河北省唯一的20m2大型蒸发池,基本代表了天然水体,由其测量的蒸发量基本可代表当地的水面蒸发量;而潜在蒸发量与水面蒸发量具有较好的相关性,故该大型蒸发池测定的蒸发量可作为饶阳潜在蒸发量的参考值,对3种潜在蒸发量计算方法的效果进行评估。

将采用积温法、蒸发皿蒸发量估算法以及修正的P-M公式计算得到的1985-2006年饶阳站的潜在蒸发量分别与衡水实验站20m2蒸发池的蒸发量进行统计分析。通过F检验可知,除积温法外,蒸发皿蒸发量法和P-M公式法计算所得的潜在蒸发量与蒸发池的蒸发量的相关性均达到0.01的显著性水平,其相关系数分别为0.629和0.745。饶阳站1985-2003年蒸发皿估算的潜在蒸发量总体上以89.78 mm/10 a的速度递减(图1）,而利用P-M公式计算出的饶阳站逐年潜在蒸发量在1985-2006年(图1）的气候倾向率为-12.88 mm/10 a,蒸发量减小幅度比蒸发皿估算的潜在蒸发量小得多。积温法由于受温度升高的影响,其估算的潜在蒸发量呈上升趋势,约以28.02 mm/10 a的速度增加。而对1985-2006年衡水实验站蒸发池的蒸发量分析表明,其气候倾向率为-45.12 mm/10 a,呈下降趋势。由此可知,P-M公式法估算的潜在蒸发量无论在相关性还是在变化趋势上与衡水实验站20 m2蒸发池的蒸发量最为接近,表明该方法能较好地表征该区的潜在蒸发量,所以选用P-M公式法计算河北省各站的潜在蒸发量。

图1 3种潜在蒸发量计算方法估算值与衡水实验站数据对比Fig.1 Comparison of potential evaporation computed by threemethods

3 河北省潜在蒸发量的演变分析

3.1 潜在蒸发量的时间变化

图2和图3给出河北省潜在蒸发量的年际变化和年代距平变化。从图中可见,河北省年潜在蒸发量呈波动下降趋势,20世纪60年代达到最大,其后并没有随着升温而继续增大,相反呈明显下降趋势,每10年减少14.53 mm,2001-2007年平均年距平值达-31.43 mm。各季节潜在蒸发量也呈下降趋势,其中夏季潜在蒸发量波动较大,其下降趋势最为明显,每10年减少8.61 mm,秋、春季次之,每10年分别减少2.47 mm、3.32 mm,冬季变化较平缓,每10年减少约0.13 mm。年代距平变化中夏季潜在蒸发量的变化与年值的变化一致,且变化幅度较大。

潜在蒸发量并没有随着气温升高而增大,反而呈减少趋势,因为蒸发量是一个很敏感的要素,其变化受多种因素的影响。利用逐步回归方法计算河北省各站蒸发皿蒸发量与各气候因子之间的相关系数,可知蒸发量与日照时数、平均风速、气温日较差、气温呈显著的正相关,与相对湿度呈负相关。近50年来,日照时数、平均风速和气温日较差恰好呈显著下降趋势,其可能是影响蒸发量的主要因子。

3.2 潜在蒸发量变化趋势的空间分布

分析河北省1956-2007年潜在蒸发量的空间变化特征可知,除丰宁、蔚县等个别站蒸发量呈微弱上升趋势外,其余站均为下降趋势(图4）,降幅一般超过10 mm/10 a。全省蒸发量减少速率最大的区域分布在河北东南部平原的东部,尤以天津、沧州一带蒸发量减少趋势显著,沧州降幅达39.24 mm/10 a。

4 结论

图4 1956-2007年河北省年蒸发量变化速率空间分布Fig.4 Spatial distribution of variation rate of annual potential evaporation in Hebei Province from 1956 to 2007

本文选取积温法、蒸发皿蒸发量估算法及修正的彭曼公式法3种目前较为常用的潜在蒸发量估算方法进行研究对比,并选定适合研究区的计算参数,结合河北省唯一的20 m2大型蒸发池实测蒸发量数据,对3种方法进行评估,表明修正的彭曼-蒙特斯公式法能较准确地估算河北省的潜在蒸发量。近50多年来,河北省年潜在蒸发量呈波动下降趋势,20世纪60年代达到最大,其后并没有随着升温而继续增大,相反呈明显下降趋势;四季中夏季潜在蒸发量下降趋势明显,而冬季变化较平缓。河北省潜在蒸发量这种变化趋势很可能是近50年来日照时数和风速显著下降所致。空间分布上,全区大部分地区均为减少趋势,降幅一般在10 mm/10 a以上;减少速率最大的区域主要分布在河北东南部平原的东部,而只有丰宁、蔚县等个别站蒸发量呈微弱上升趋势。

[1] 刘波.近四十年中国蒸发皿蒸发变化与气候变化的关系及潜在蒸散的估算[D].南京信息工程大学,2005.

[2] 马耀明,王介民.非均匀陆面上区域蒸发(散）研究概况[J].高原气象,1997,16(4）:446-452.

[3] 周金龙,董新光.内陆干旱区潜在蒸发量的计算[J].灌溉排水, 2002,21(2）:21-24.

[4] PRIESTLY C H B,TA YLOR RJ.On the assessmentof surface heat flux and evaporation using large-scale parameters[J]. Monthly Weather Review,1972,100:81-92.

[5] PENMAN H L.Natural evaporation from open w ater,bare soil and grass[A].Proe.Roy.Soc.Ser.A[C].1948,193:120-146.

[6] VAN BAVEL C H M.Potential evaporation:The combination concept and its experimental verification[J].Water Resources Research,1966,2(3）:455-467.

[7] 洪嘉琏,傅国斌,郭早男.山东南四湖水面蒸发实验研究[J].地理研究,1996,15(3）:42-49.

[8] 李林,张国胜,汪青春.黄河上游流域蒸散量及其影响因子研究[J].气象,2000,26(12）:6-10.

[9] 荣艳淑,屠其璞.天津地区蒸发演变及对本地气候干旱化影响的研究[J].气候与环境研究,2004,9(4）:575-583.

[10] 刘剑锋,刘学锋,刘芳圆,等.河北省气候干湿状况变化特征分析[J].地理与地理信息科学,2007,23(2）:83-86.

[11] DOORENBOSJ,PRU ITT W O.Guidelines for p redicting cropwater requirements[A].Foodand O rganization United Nations,FAO Irrigationand D rainage Paper24[C].Rome,1977.

[12] ALLEN R G,SM ITH M,PERRIER A,et al.An update fo r the definition of reference evapotranspiration[J].ICID Bulletin,1994,143(2）:7.

[13] 布德科M N.地表面热量平衡[M].北京:科学出版社,1960.

[14] 童宏良.我国蒸发力计算的气候学方法[J].南京气象学院学报,1989,12(1）:20-33.

Calculation of Potential Evaporation in Hebeiand Its Changing Trend Analysis

ZHANG Ke-hui,L IU Jian-feng,L IU Fang-yuan,XIAO Si-rong
(Institute of Geographical Sciences,Hebei Academ y of Sciences,Shijiazhuang 050011,China）

The po tential evapo ration is a measure of the evapo ration capacity of the atmosphere.Hebei Province has very poo r water resources and dry-and-warm weather.The study of the changing trend of the potential evaporation w ith time and space in this area is of great impo rtance to have p roper utilization of water resources,and to shed light on the change of climate.In this wo rk,the accumulative temperaturemethod,the evaporation reco rding by evapo rating dishes,and the Penman-Monteith fo rmalism has been used to estimated the po tential evapo ration,w hich are the three methods among the most w idely used ones these days.The comparison of results using these methods with the actual measured result by large-scale evaporating pool suggests that the Penman-Monteith method could reasonably p redict the potential evaporation in Hebei.The reason of this is then briefly discussed.The potential evapo ration in the w hole p rovince is calculated based on the Penman-Monteith method.It is found that the annual po tential evapo ration in Hebei has a trend to decrease overall w ith small fluctuations.It reached the maximum in 1960s,and decreased thereafter,instead of increasing with the continuing increasing temperature.The seasonal potential evaporations have also a trend to decrease over years.The change in summer po tential evapo ration is in good agreement w ith the annual change,w ith the largest decreasing magnitude of 8.61 mm per decade,w hile the change in sp ring and autumn potential evaporation is next to it,w ith a value of 3.32 mm and 2.47 mm per decade,respectively.The change in w inter potential evapo ration is the lease with a valueof 0.13mm per decade.Regarding the area distribution,most of the area hasa decreasing trend and the eastof the southeast p lain in Hebei has the largest decreasing rate.Only a few stations,like Fengning and Yuxian have slight increase in the evaporation.

potential evaporation;changing trend;spatial-tempo ral character;Hebei

P426.2

A

1672-0504(2010）06-0075-04

2010-08-03;

2010-10-12

河北省科学院科技计划项目(10115、09927、07108）;河北省科技厅计划项目(09276722）

张可慧(1973-）,女,硕士,高级工程师,主要研究方向为国土遥感与气候环境。E-mail:zhkhui2002@yahoo.com.cn