毛乌素沙地不同水面蒸发器折算系数研究

杨亮彦，孟婷婷，武 丹

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安710021；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，西安710021；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安710075）

0 引 言

蒸散发是地球表面水量和热量平衡的重要组成部分，在全球水循环和能量循环中扮演重要的角色[1]。蒸散发不仅影响着农作物的生长发育与产量，而且具有调节气候[2]、监测农业旱情[3]的作用，被广泛应用于土壤学、水文学、气候学、生态学和环境科学等领域[4-8]。因此陆面蒸散发的研究对研究区内的气候变化、水资源合理配置、生态环境建设以及农业林业的发展具有重要的指导意义[9]。

水面蒸发量是反映蒸散发最直接的资料，也是遥感反演地表蒸散发最主要的地面验证数据。目前我国的水面蒸发量是通过气象站不同蒸发器进行监测，以获取近似于站点附近自然水体蒸发量的数据。我国主流的蒸发器有20 cm 口径小型蒸发器和E-601 型蒸发器。其中20 cm 口径小型蒸发器的资料开始于20 世纪50年代，具有资料连续性好、分布广泛等优势，是我国气候研究的重要基础资料[10]。但20 cm 口径小型蒸发器因自身结构的缺陷，不能代表气象站的实际蒸发量，部分地区逐渐被E-601型蒸发器所替代。E-601型蒸发器所测数据更加接近实际蒸发量，但其时间连续性较短，且无法在北部地区的冬季进行测量，缺少冬季及全年蒸发总量数据[11]。由于受温湿度和风速等气候因子、季节、观测场周围的地形、地物、蒸发器的几何尺寸、结构、安装方式和材料等因素的影响，各种仪器的实测水面蒸发值相差悬殊，为了得到长时间序列的水面蒸发量，需要确定各种仪器的水面蒸发量折算系数[12,13]。

我国已有不少学者对不同类型蒸发器的折算系数进行了研究，任芝花等利用E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器3年平行对比观测数据探究了全国区域内两种蒸发器的折算系数，并得出北方小，南方大，山地比平原略大的结论[14]。胡顺军等利用塔里木河流域1982-1987年和2000-2002年同步观测蒸发资料估算了小型蒸发器对20 m2水面蒸发池的水面蒸发折算系数，并得出了水面蒸发折算系数年际变化较小但呈逐年下降趋势的结论[13]。柴小辉利用E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器1987-2012年观测资料，分析了草坝水文站两种蒸发器间的相互关系及折算系数[15]。此外，还有诸多学者[16-20]均对E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器的折算系数进行了研究。但以上研究，存在时间跨度短、数据来自单一站点、研究结果区域推广精度不足等不同的问题，无法满足毛乌素沙地遥感反演地表蒸散发、水文调查等科学研究需求。

毛乌素沙地气候干旱，是我国荒漠草原—草原—森林草原的过渡地带，生态环境十分脆弱，是国内外学者研究地表蒸散发的热点区域[21]。但是地表验证数据的缺失成为遥感反演地表蒸散发的一大障碍，气象站水面蒸发量监测数据成为遥感反演地表蒸散发地面验证数据的最好补充，但同时气象站水面蒸发器的异构型导致监测数据存在较大的差异性，因此，针对以上存在的问题，明确毛乌素沙地不同蒸发器之间的折算系数十分有必要。本文基于1990-2017年毛乌素沙地气象站蒸发量数据，分析研究区内各气象站水面蒸发器不同月份的折算系数，获取研究区近28年连续的水面蒸发量数据，并探究在全球气候变化和人类活动下研究区水面年蒸发量的时间和空间变化，为毛乌素沙地遥感反演地表蒸散发研究提供数据支持。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

毛乌素沙地位于榆林市北部、鄂尔多斯市南部及盐池县东北部（37.45°～39.37°N，107.67°～110.67°E）（图1），其平均海拔为1 300 m 左右，由东到西逐渐递增，南部最高达1 900 m。毛乌素沙地处于干旱、半干旱过渡区，是我国典型的农牧交错带，西北主要为牧业区、东南向农业区过渡、东部向矿区过渡[22]。其年均温7 ℃左右，年降水量250～440 mm，由西向东南方向递增，毛乌素沙地水体分布不均，西北部干旱缺水，东南部地表水与地下水都较为充足，河流众多，其中无定河、秃尾河、窟野河等河流贯穿沙地的东南部。

1.2 数据来源

气象数据来源于中国气象数据网（https：//data.cma.cn/），研究区内共有7个国家气象站点，分别为横山站（53740）、靖边站（53735）、定边站（53725）、盐池站（53723）、神木站（53651）、榆林站（53646）、鄂托克旗站（53529），选取各气象站点1990-2017年每日蒸发数据进行整理分析发现，各站资料虽然数据准确，可靠性良好，但各气象站均存在两种不同水面蒸发器监测数据受限制的问题，导致E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器均有部分蒸发量数据缺失。20 cm 口径小型蒸发器主要缺失2002年后5-9月数据，E-601 型蒸发器主要缺失1-3月和10-12月数据。

2 结果分析

2.1 不同蒸发器折算系数研究

E-601 型和20 cm 口径小型水面蒸发器在仪器结构、设置方案、观测方法等存在差异，见表1[23]。因此为了保持各站资料的连续性和一致性，需探究两种水面蒸发器的折算系数，进行数据统一化。计算公式为：

式中：EE-601为E-601 水面蒸发器监测的水面蒸发量；E20为20 cm 口径小型蒸发器监测的水面蒸发量；K为E-601 型蒸发器和20 cm 口径小型蒸发器的折算系数。对收集时段部分站点存在个别资料缺失的，采用临近内插法进行填充。

表1 E-601型和20 cm口径小型蒸发器的装置参数Tab.1 Device parameters of E-601 and 20 cm caliber small evaporators

通过对横山、定边、盐池、榆林和鄂托克旗5个气象站点（靖边和神木缺失两种水面蒸发器同时期数据）同时期20 cm口径小型水面蒸发器和E-601 型水面蒸发器的数据进行分析，结果见表2。横山、定边、盐池、榆林和鄂托克旗的E-601 型和20 cm口径小型蒸散发器的折算系数分别为0.600 3、0.642 1、0.658 2、0.664 9 和0.561 6，平均折算系数为0.632 4。5 个气象站蒸发器监测数据的相关系数分别为0.983 1、0.950 8、0.976 7、0.937 8 和0.961 9，综合统计5 个气象站点两种水面蒸发量的相关系数为0.952 9，均超过0.9。表明E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器的数据合理、准确，且具有较好的可靠性和一致性，能够利用折算系数进行相互转化。

表2 毛乌素沙地部分气象站点非结冰期水面蒸发折算系数Tab.2 Conversion coefficient of water surface evaporation during non-freezing period at some meteorological stations in Mu Us Sandy Land

但考虑到E-601 型和20cm 口径小型水面蒸发器的折算系数受环境影响较大，因此需分析不同月份的两种水面蒸发器的折算系数。综合考虑样本数量，选取样本数较多的定边站和榆林站进行非冻冰期的5-9月折算系数研究，结果见表3 和表4。定边站5-9月的水面蒸发量折算系数为0.625 7～0.666 2，榆林站的水面蒸发量折算系数为0.634 8～0.694 2。且两个站点均出现折算系数逐月渐增大的现象，其可能的原因是小型蒸发器距离地面70 cm，而E-601 水面蒸发器嵌入地面，5-9月气温开始大幅度上升，地表温度上升速度较快，此时地表温度对水面蒸发量的影响贡献增大，导致E-601 型蒸发器监测的值相对于小型蒸发器逐渐变大，从而引起两种蒸发器折算系数逐月增大的现象。

表3 定边站5-9月E-601型和小型蒸发器折算系数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型和小型蒸发器折算系数Tab.4 Conversion coefficient of E-601 and small evaporator in Yulin station from May to September

通过毛乌素沙地不同站点的蒸发量折算系数分析，毛乌素沙地E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器折算系数在0.561 6～0.664 9 之间，全流域采用平均折算系数0.632 4。不同月份折算系数存在差异，定边站5-9月折算系数为0.625 7～0.666 2，平均折算系数0.646 9；榆林站5-9月折算系数为0.634 8～0.694 2，平均折算系数0.669 7。

2.2 水面蒸发量时空分布特征

2.2.1 水面蒸发量年内变化

通过对毛乌素沙地区域内7个气象站的气温资料进行统计分析，毛乌素沙地四季分明，春夏秋冬季分别为3-5月、6-8月、9-11月和12月-次年2月份。分析毛乌素沙地7 个气象站1990-2017年逐月平均水面蒸发量见图2。由图2可知，7个气象站监测的月水面蒸发量变化规律一致，呈周期性变化，月水面蒸发量最大值在6月份，最小值在1月份。但月水面蒸发量和气温的变化规律出现差异性，气温的最高值在7月份，月水面蒸发量的最高值与气温存在1个月的差异性，可能的原因是7-9月为毛乌素沙地的雨季，除气温外，水温、水汽压和日照时数等因素对水面蒸发量也有一定的影响。毛乌素沙地水面蒸发量年内分布不均，其中5-7月份的3 个月的蒸发量占全年的44.5%。

2.2.2 水面蒸发量年际变化

统计毛乌素沙地7 个气象站监测的年水面蒸发量见图3 和表5。由图3 和表5 可知，毛乌素沙地各站点多年水面蒸发量变化规律一致，平均年水面蒸发量为2 038.1 mm。从历年总蒸发量变化过程分析，毛乌素沙地水面蒸发量逐年变化呈波动性，且水面蒸发量年际变化有显著逐渐下降的趋势，平均每10年减少了64.3 mm。各气象站监测的水面蒸发量年际变化较大，从毛乌素沙地西南到西北呈逐渐变大的总体趋势，蒸发量相差在400 mm 以上，极差为465.7～788.1 mm，极差比为1.28～1.45。

表5 毛乌素沙地各气象站年水面蒸发量Tab.5 Annual water surface evaporation of meteorological stations in Mu Us Sandy Land

3 结论与讨论

基于收集和整理的1990-2017年气象站水面蒸发量数据，探究了毛乌素沙地E-601 型和20 cm 口径小型水面蒸发器的折算系数，分析了水面蒸发量的时空特征。得到如下结论：

（1）毛乌素沙地E-601 型与20 cm 口径小型蒸发器的折算系数在0.561 6～0.664 9 之间，全流域采用平均折算系数0.632 4，其中不同气象站的折算系数受环境和气候的影响，存在一定的差异性，且两种蒸发器的水面蒸发量折算系数在5-9月逐月增大。

（2）毛乌素沙地7个气象站监测的水面蒸发量在年内变化规律一致，呈周期性变化，水面蒸发量最大值在6月份，最小值在1月份。但年内水面蒸发量与气温的变化规律出现差异性，气温的最高值在7月份，年内水面蒸发量最大值与气温相比存在1个月的差异性。

（3）毛乌素沙地水面蒸发量逐年变化呈波动性，年蒸发量在变化过程中有显著逐渐下降的趋势，平均每10年减少了64.3 mm。在空间分布上，从西南到西北呈逐渐变大的总体趋势，蒸发量相差在400 mm 以上，极差为465.7～788.1 mm，极差比为1.28～1.45。

中国蒸发器的材质、型号和规格对测定水面蒸发量影响显著[7]。E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器作为我国主流的水面蒸发器，在气象站监测数据中能够相互补充，但同时两者的折算系数在不同区域存在差异性。本研究利用7个气象站监测数据，探究了毛乌素沙地区E-601 型和20cm 口径小型蒸发器的折算系数在0.561 6～0.664 9 之间，与盛琼[10]的研究结果基本一致。中国西南地区多年平均月折算系数变化范围为0.65～0.85，多年平均折算系数为0.75[18]，远大于毛乌素沙地区，表明E-601 型和20 cm 口径小型蒸发器的折算系数存在北方小，南方大，湿润区大于干旱区的特点。毛乌素沙地各气象站5-9月的折算系数逐月增大，春季小，秋季大，与任芝花[14]的研究结果一致。毛乌素沙地水面蒸发量年内最大值与气温存在一定的差异性，表明风速、饱和水汽压及日照数等环境也是影响水面蒸发量的主要因素，与金林[16]的研究成果相符。在全球气候变暖的背景下，年际蒸发量不断下降，其原因可能是毛乌素沙地在退耕还林还草、植树造林等生态工程的治理下，研究区生态环境得到有效恢复，空气湿度有所上升。因此需继续坚持生态工程的实施，提高毛乌素沙地的生态环境质量。

影响毛乌素沙地水面蒸发量变化的因素较多，本研究仅发现了其与气温的差异性，并未定量化分析其他因素对水面蒸发量的贡献度，这是日后研究的重点和难点。由于数据量的匮乏，文中未详细分析每个气象站每月的折算系数，在后期的研究中需在研究区建立水面蒸发量监测站，收集长时间序列的两种蒸发器资料，为深入研究折算系数K值提供数据支撑。