基于双源蒸发模型的辽宁东部山丘区潜在蒸散发计算的适用性分析

郑晓霞

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

潜在蒸散发是区域水循环研究的重要内容，和区域植被以及气候条件密切相关[1]。相关研究表明：陆面降水中约为65%的比例通过蒸散发的形式进入大气中，而对于干旱地区而言该比例将超过90%[2]。此外，地表吸收太阳和大气辐射的增温影响将被地表水分蒸发的降温影响所平衡，从而使得地表温度趋于稳定变化的范围[3]。因此，对于区域潜在蒸散发进行合理估算研究意义重大。

下垫面充分供水条件下的蒸发量定义为潜在蒸散发，而潜在蒸散发的大小和区域气候条件以及下垫面特征密切相关。传统蒸散发经验估算模型如Hargreaves模型和Priestley-Taylor模型大都仅考虑气候条件对潜在蒸散发的影响，而对植被蒸腾影响有所忽略。具有物理机制的P-M模型只考虑了植被蒸发的影响，未考虑土壤蒸发。莫兴国等[4]在前人研究基础上，提出了可综合考虑土壤和植被两个相对独立源汇项的双源蒸发模型，并对模型进行了改进，经过在国内一些区域的应用后[5-7]，潜在蒸散发计算精度均较传统经验和物理机制的模型有所改善，但在辽宁东部还未进行相关应用。辽宁东部山区植被覆盖率较高，区域多年蒸发量均值约为700mm，近些年来，辽东地区水生态受气候变化和人类活动影响逐步加大，为对区域水生态变化进行评估，亟须对区域潜在蒸散发进行分析。为提高计算精度，本文采用双源蒸发模型，并对辽东山丘区潜在蒸发的计算进行了适用性分析，研究成果对于准确评估辽东山丘区水生态变化具有重要的支撑作用。

1 模型原理

土壤蒸发和植被蒸腾作为相互独立的源汇项，在双源蒸发模型中分别进行能量平衡计算，模型结构见图1。两个独立源汇项计算方程如下。

图1 双源蒸发模型计算框

植被冠层截留蒸发Ei计算方程：

(1)

植被蒸腾能力EPC计算方程：

(2)

土壤蒸发能力EPS计算方程：

(3)

2 模型应用

2.1 区域概况

辽宁东部主要包括丹东和本溪市，为辽宁省典型的山丘区，由表1可见，辽宁东部不同年份土地利用变化类型中林地占比可达到70%以上，属于植被覆盖率较高的区域，旱地作为农业用地占比在13.46%～22.87%之间。辽东地区蒸发总体变化较小，多年蒸发量均值为700mm左右，夏季降水量较大，蒸发也较大，夏季蒸发量占全年蒸发量的70%以上，进入秋季和冬季后，随着植被覆盖度的减少，区域蒸发量逐步下降，秋季和冬季蒸发量占全年蒸发量的10%左右。春季随着植被覆盖度和气温的升高，蒸发量逐步增大，春季蒸发量占全年蒸发量的20%左右。

表1 辽宁东部山丘区不同年份土地利用类型占比统计 单位：%

2.2 模型输入数据及植被参数

双源蒸发模型需要下垫面特征和气象要素数据作为模型的输入，参数主要为植被覆盖度相关参数，模型所需要输入的数据见表2。结合相关研究成果对辽东山丘区不同植被类型的相关参数进行确定[8]，植被相关参数见表3。

表2 模型输入数据

表3 不同植被参数

2.3 年尺度潜在蒸散发计算精度分析

分别采用传统单源蒸发和双源蒸发模型，结合区域实测蒸发数据，对比分析两种计算模型在辽东山丘区年尺度潜在蒸散发的计算精度，见图2。

图2 两种模型潜在蒸散发与实测蒸发的相关性分析

从图2中可看出，双源蒸发模型计算的潜在蒸发值和实测蒸发值在年尺度上相关系数可达到0.62，而传统单源蒸发模型的相关系数为0.41，相比于传统单源蒸发，双源蒸发在年尺度潜在蒸散发计算的相关系数提高0.21，这主要是因为辽东地区植被覆盖度较高，单一考虑气候条件对蒸发的影响，而忽略植被蒸腾的影响，具有较大局限性，而双源蒸发模型可综合考虑气象、下垫面特征的影响，使得潜在蒸发量的计算更符合区域实际的气候、植被蒸发的特征，更接近实测值。

2.4 季节尺度潜在蒸发计算精度分析

对比辽东地区两种蒸发模型在不同季节的潜在蒸发计算值和实测蒸发值的相关性，见图3、图4。

图3 传统单源蒸发模型计算的不同季节潜在蒸发值和实测值相关性分析结果

图4 双源蒸发模型计算的不同季节潜在蒸发值和实测值相关性分析结果

从两种模型计算的各季节潜在蒸发和实测蒸发的相关性分析可看出，夏季两种模型的计算值和实测值的相关系数最高，传统单源蒸发模型考虑气象条件对蒸发的影响，夏季辽东山丘区气温高且降水量较为充分，因此蒸发量大，其他因素对蒸发的影响程度较小，使得其和实测值相关性最高。而双源蒸发模型可综合考虑气象、下垫面特征，尤其是在夏季，植被覆盖度最高，因此其夏季的相关性也最高。而在春季和冬季，由于气温低、植被覆盖度低，使得两种模型计算的潜在蒸发和实测蒸发的相关性都有所降低。从两种模型潜在蒸发计算精度可看出，在不同季节双源蒸发模型的计算精度均好于传统单一蒸发模型。

2.5 月尺度潜在蒸发计算精度分析结果

分别对比两种蒸发模型在辽东山丘区月尺度蒸发的计算精度，对比结果见表4，并对各月份蒸发变化过程的拟合度进行分析，见图5。

表4 不同模型在辽东山丘区各月蒸发计算值和实测值的对比

从图5分析结果可看出，相比于传统考虑气象要素的单源蒸发模型，双源蒸发模型在各月份的潜在蒸发计算值和实测蒸发数据吻合度更高，尤其是在夏季、秋季。这主要因为双源蒸发模型可综合考虑气象、植被对潜在蒸发的影响，相比于单一考虑气象要素的单源蒸发模型更符合辽东山丘区夏季和秋季潜在蒸发量较大的变化特征。潜在蒸发是在供水充分条件下的区域蒸发量，因此两种蒸发模型计算的潜在蒸发量要高于蒸发皿观测的水面蒸发量。

3 结 论

经过对比两种模型计算的潜在蒸散发结果得出的结论总体如下：

双源蒸发模型可综合考虑植被和气象条件对潜在蒸散发的影响，更适合于植被覆盖度较高区域的蒸散发计算，在不同时间尺度下双源蒸发模型的计算精度都明显好于传统的单源蒸发模型。而秋、冬季节由于植被覆盖度的降低，两种模型计算的潜在蒸散发和观测蒸发之间差异度减少。因此，对于植被覆盖度较低的区域，采用两种蒸发计算模型均可满足精度要求。本文针对区域土壤蒸发的考虑还较少，在以后的研究中还需要分析双源蒸发模型对裸土蒸发计算的适用性，尤其是平原地区的蒸发计算。