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标题 汉江流域参照蒸散发和实际蒸散发计算及影响因素分析
范文 刘凡+陈华+许崇育+史培军



摘要：根据汉江流域1961年-2012年间的逐日气象资料，分别采用Penman-Monteith模型和GG模型计算参照蒸散发和实际蒸散发，分析了其时空变化趋势，并结合主要气候因子的变化趋势讨论了蒸散发变化的影响因素。结果表明：汉江流域参照蒸散发和实际蒸散发在过去的52年内均呈下降趋势，空间上呈东南向西北减少的分布；采用Mann-Kendall检验法发现在显著性水平0.05上，上游的参照蒸散发和中下游的实际蒸散发下降趋势显著；太阳辐射的减少是引起汉江流域参照蒸散发和实际蒸散发下降的最主要原因。
关键词：参照蒸散发；实际蒸散发；影响因素；汉江流域
中图分类号：P333文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0004-04
The calculation of reference evapotranspiration and actual evapotranspiration and the analysis of climatic factors on them in Hanjiang basin
LIU Fan1，2，CHEN Hua2，3，XU Chong-yu2，3，SHI Pei-jun1
（1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；
2 State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；
3 Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security，Wuhan 430072，China）
Abstract：In this paper，the Penman-Monteith method and GG model were used to calculate the reference evapotranspiration and actual evapotranspiration based on the daily meteorological data in Hanjiang basin from 1961 to 2012An analysis of the spatial distribution and temporal trend of those two evapotranspiration was carried out，and the impact of the climatic factors were also discussed combined with their changing trendsThe result indicated that there was a downward trend in both reference evapotranspiration and actual evapotranspiration during the past 52 years，and the spatial distribution of those two kinds of evapotranspiration presented a decreasing trend from southeast to northwestAs for reference evapotranspiration，the decreasing trend was significant in the upper regions，while actual evapotranspiration decreased significantly in the middle and lower regions at the 0.05 significance levelAnd according to the analysis，it was found that the decrease of net radiation was the main cause of the decrease of the reference evapotranspiration and actual evapotranspiration in Hanjiang basin.
Key words：reference evapotranspiration；actual evapotranspiration；impact factors；Hanjiang basin
蒸散发作为同时在水量平衡方程和陆地表面能量方程中出现的唯一变量，是联系水循环和能量平衡的重要枢纽[1]。研究气候因子对蒸散发的影响有助于深入认识水文过程对气候变化的响应。Xu等[2]分析了长江流域1960年-2000年参照蒸散发的时空变化规律及其影响因素，发现太阳辐射和风速是造成汉江流域参照蒸散发下降的主要原因；朱非林等[3]进行了1961年-2011年间汉江流域实际蒸散发时空演变规律及成因分析的讨论，得出实际蒸散发呈下降趋势，且太阳辐射和风速的显著下降是导致实际蒸散发减少的主要原因。
汉江是长江流域最大的支流，流域生态良好，两岸文化底蕴深厚，是我国重要的生态走廊和民族文化发源地，也是中西部地区重要的经济发展轴线。同时，汉江作为南水北调中线工程水源地，在有效缓解中国北方部分地区的缺水问题上发挥重要作用。因此，研究气候变化对汉江流域蒸散发的影响有助于进一步理解气候变化对汉江流域水文水资源的影响，为流域水资源配置和开发利用提供理论依据。
本文基于Penman-Monteith模型和GG模型分别计算出汉江流域内14个气象站点在1961年-2012年间的实际蒸散发和参照蒸散发，分析了其时空变化趋势，并讨论了影响其变化的气候因素。
1研究区域概况及研究方法
1.1研究流域和资料概况
汉江流域发源于陕西省秦岭南麓，干流全长1 577 km，流域面积约15.9万km2。流域处于东亚副热带季风区，是我国南北气候过渡带，流域内气候较温和，多年平均气温为12 ℃～16 ℃，雨量充沛，四季变化明显。
取用的资料有汉江流域内14个气象站点（图1）的逐日常规气象资料和石泉、皇庄两个水文站的径流量资料。气象资料来自中国气象局气象信息中心，包括1961年至2012年 14个气象站的逐日平均气温、最高气温、最低气温、日降水量、气压、相对湿度、10 m高的风速以及日照时数。水文资料为1987年至2003年的逐月径流系列。
图1汉江流域及气象站点分布
1.2研究方法
1.2.1参照蒸散发模型
Penman-Monteith模型综合考虑了植物的生理学特性和空气动力学特性，反映了蒸发必须具备的条件和各气候要素的综合影响，它被认为是最能准确估算参照蒸散发的模型，也是世界粮农组织（FAO- Food and Agriculture Organization of the United Nations）推荐使用的参照蒸散发方法[4]。
1.2.2实际蒸散发模型
（1）AA模型。
Brutsaert等[5]依据Bouchet的互补相关原理，用Penman公式计算潜在蒸散，用Priestley-Taylor公式计算湿润表面蒸散，提出了平流-干旱模型：
EAAA=2αΔΔ+γ（Rn-G）-[ΔΔ+γ（Rn-G）+ΔΔ+γEa] （1）
式中：α为经验系数，实际上反映了平流的变化情况，其推荐取值为1.26；Δ为饱和水汽压曲线斜率（kPa/℃）；Rn为净辐射（MJ/（m2·day））；G为土壤热通量（MJ/（m2·day））；γ为干湿表常数（kPa/℃）；Ea是干燥力（mm/d）。
（2）GG模型。
Granger等[6]选择表面饱和、大气参量和表面温度不变时的蒸散量为潜在蒸散，选择表面饱和、大气参量和能量不变时的蒸散为湿润环境蒸散，运用道尔顿的蒸发定律导出实际蒸散和潜在蒸散的定量互补关系，并进一步引进相对蒸散的概念，得出估算实际蒸散量EAGG的方程：
EAGG=ΔGΔG+γRnλ+γGΔG+γEa（2）
式中：G表示相对蒸散发，即G=EA/EP，其他参数与公式（1）中含义一样。
定义相对干燥力D=Ea/（Ea+Rn），G与D之间存在以下关系：
G=1a+bexp（4.902D）+0.006D（3）
式中：经验系数a和b的推荐取值分别为0.793和0.20。
1.2.3Mann-Kendall检验
采用Mann-Kendall秩次相关检验法进行参照蒸散发和实际蒸散发的变化趋势判别及显著性检验。Mann-Kendall趋势检验方法的优点在于不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，是世界气象组织广泛推荐的非参数检验方法[7]。
2结果分析与讨论
2.1参照蒸散发时空变化特征
应用Penman-Monteith公式计算出汉江流域14个站点的日参照蒸散发量，并统计出年尺度的参照蒸散发值，计算结果如图2所示。图2给出了1961年-2012年间汉江流域上游和中下游的参照蒸散发变化情况。采用简单线性回归得到，过去52年间汉江流域参照蒸散发都呈下降趋势，上游的下降斜率为-1017 6 mm/a，中下游的下降斜率为-0964 6 mm/a。
图2汉江流域参照蒸散发年际变化趋势
利用Mann-Kendall检验对汉江流域1961年-2012年的参照蒸散发进行了趋势分析，统计值Z值的空间分布见图3。从图3中可以看出，在95%的置信区间内（统计值Z值的上下限为±1.96），除镇安站呈上升趋势外，其他13个站点均呈现下降趋势，其中有8个站点下降趋势显著，主要分布在流域上游。
图3参照蒸散发统计值Z值空间分布
利用反距离加权插值法得到汉江流域1961年-2012年平均参照蒸散发的空间分布，如图4所示。从图4中可以看出，汉江流域中下游的多年平均参照蒸散发大于上游多年平均参照蒸散发，整体上呈现自东南向西北减少的趋势。
2.2实际蒸散发
2.2.1模型经验系数率定
计算实际蒸散发的AA模型和GG模型中都含有经验
图4多年平均参照蒸散发空间分布
系数，为了得到适用于汉江流域的经验系数，选取石泉站（流域控制面积23 805 km2）、皇庄站（流域控制面积142 000 km2）分别作为上游和中下游的参数率定区域。
根据1987年-2003年间石泉站和皇庄站的同期降雨径流资料分别求得两站的多年平均降雨量P0和多年平均径流深R0，利用多年水量平衡方程E0=P0-R0得到多年平均实际蒸散发，计算结果见表1。
表1水量平衡法和GG模型计算实际蒸散发结果
站点多年平均降雨/mm多年平均径流/mm多年平均实际蒸散/mmGG模型估算的实际蒸散发/mm与水量平衡结果相对误差（%）
石泉站839.5371.4468.1468.60.08
皇庄站834.7332.1502.6503.20.13
通过不断调整两种模型中的3个经验系数，使模型估算的实际蒸散发值与水量平衡方法计算值的相对误差最小，最终选取经验系数率定后的GG模型作为汉江流域实际蒸散发估算模型。
2.2.2实际蒸散发时空变化特征
采用GG模型计算出汉江流域14个站点的日实际蒸散发量，并统计出年尺度的实际蒸散发值。图5给出了1961年-2012年间汉江流域实际蒸散发的年际变化情况。通过简单线性回归可知，流域上游的实际蒸散发下降趋势微弱，其下降斜率为-0090 8 mm/a；流域中下游的实际蒸散发明显下降，其下降斜率为-1033 6 mm/a。
图5汉江流域实际蒸散发年际变化趋势
Mann-Kendall检验的统计值Z值的空间分布如图6所示。可以看出，在95%的置信区间内，除安康站（Z值为077）和镇安站（Z值为462）呈上升趋势外，其他12个站点均为下降趋势，其中有8个站点下降趋势显著，主要分布在中下游。
图6实际蒸散发统计值Z值空间分布
图7是1961年-2012年间汉江流域多年平均实际蒸散发的空间分布图，可以看出汉江流域多年平均实际蒸散发总体上呈现自东南向西北减少的趋势。
图7多年平均实际蒸散发空间分布
2.3蒸散发变化的影响因素分析
已有的研究表明，气候因子变化是造成湿润地区蒸散发时空波动的主要原因[8]。为了分析汉江流域蒸散发时空变化的影响因素，对汉江流域的主要气象要素进行了时空变化趋势分析。
2.3.1汉江流域气候因子变化趋势
根据各个气象站点的逐日常规气象资料，统计得到汉江流域上游和中下游不同气候因子的年尺度变化情况。表2中给出了Mann-Kendall检验计算出的统计值Z值，可知在95%的置信区间内，各气候因子均表现出显著的变化趋势。汉江流域的太阳辐射和平均风速呈下降趋势，平均温度为上升趋势，平均相对湿度在流域上游为上升趋势，中下游为下降趋势。
表2主要气候因子统计值Z值
统计值Z平均风速平均温度年总太阳辐射平均相对湿度
上游-3.373.91-2.362.63
中下游-7.194.28-6.07-2.96
通过分析可以发现，除平均相对湿度以外，太阳辐射、平均温度和平均风速的空间分布基本与蒸散发的空间分布一致，总体呈现自东南向西北逐渐减少的趋势。
2.3.2蒸散发影响因素分析
为了便于找出影响汉江流域蒸散发的主要因素，对主要气候因子进行还原，去掉其变化趋势后再分别计算参照蒸散发和实际蒸散发，并与原始计算值进行比较。图8和图9分别比较了汉江流域上游和中下游剔除变化趋势后的平均温度、相对湿度、平均风速、太阳辐射，计算出来的参照蒸散发与原始计算值之间的差异与变化。从图8和图9中看出，剔除平均温度变化趋势后计算的参照蒸散发相对原始计算值的差别最大，太阳辐射居于第二位。同时由于中下游各气候因子的变化幅度更大，去趋势前后中下游参照散发的改变也相对较大。
进一步分析实际蒸散发的影响因素，可发现剔除太阳辐射变化趋势引起实际蒸散发的变化量最大，其次是平均温度。
根据以上分析可知，虽然温度变化也会引起蒸散发的增加，但是太阳辐射和风速的显著下降对蒸散发的减少作用补偿了温度引起的增量，且太阳辐射的减少是造成参照蒸散发和实际蒸散发降低的最主要原因。
2.3.3蒸散发对气候因子的敏感性分析
为了进一步理解各气候因子对参照蒸散发和实际蒸散
图8剔除气候因子趋势前后上游参照蒸散发计算值比较
图9剔除气候因子趋势前后中下游参照蒸散发计算值比较
发的变化贡献量，进行了蒸散发对气候因子的敏感性分析。通过在各项气候因子原始值的基础上分别改变0、±10%、±20%、±30%，比较相应的蒸散发相对于原始值的变化程度。结果见图10和图11。图10和图11表明，除相对湿度以外，其他太阳辐射、风速和平均温度均与蒸散发呈正相关关系。参照蒸散发对太阳辐射的变化最敏感，其次是相对湿度；实际蒸散发也对太阳辐射的变化最敏感，其次是平均温度。
图10参照蒸散发对四种气候因子的敏感性
3结论
对汉江流域1961年-2012年间的参照蒸散发和实际蒸散发的时空变化趋势进行了分析，并结合主要气候因子的变化情况讨论了蒸散发变化的影响因素，得到以下结论。
（1）1961年-2012年间，汉江流域的参照蒸散发除镇安站以外，其他站均呈下降趋势，且上游下降趋势显著，空间上整体呈现自东南向西北减少的分布。
图11实际蒸散发对四种气候因子的敏感性
（2）1961年-2012年间，汉江流域实际蒸散发除安康站和镇安站以外，其他站均呈下降趋势，且中下游下降趋势显著，空间上整体呈现自东南向西北减少的分布。
（3）1961年-2012年间，汉江流域太阳辐射存在显著的下降趋势，且参照蒸散发和实际蒸散发均对太阳辐射的变化最敏感，因此太阳辐射的减少是导致汉江流域参照蒸散发和实际蒸散发降低的最主要原因。
参考文献：
[1]
Xu C Y，Singh V P.Evaluation of three complementary relationship evapotranspiration models by water balance approach to estimate actual regional evapotranspiration in different climatic regions [J].Journal of Hydrology，2005，308（1）：105-121.
[2]Xu C Y，Gong L，Jiang T，et al.Analysis of spatial distribution and temporal trend of reference evapotranspiration and pan evaporation in Changjiang （Yangtze River） catchment[J].Journal of Hydrology，2006，327（1）：81-93.
[3]朱非林，王卫光，孙一萌，等.汉江流域实际蒸散发的时空演变规律及成因分析[J].河海大学学报：自然科学版，2013，41（4）：300-306.
[4]Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 56.FAO，1998.
[5]BRUTSAERT W，STRICKER H.An advection-aridity approach to estimate actual regional evapotranspiration [J].Water Resource Research，1979，15（2）：443-450.
[6]GRANGER R J，GRAY D M.Evaporation from natural nonsaturated surfaces [J].Journal of Hydrology，1989，111：9-19.
[7]陈华，郭生练，郭海晋，等.汉江流域1951-2003年降水气温时空变化趋势分析[J].长江流域资源与环境，2006，15（3）：340-345.
[8]COHEN S，STANHILL G.Evaporative climate changes at Bet-Dagan，Israel，1964-1998[J].Agricultural and Forest Meteorology，2002，111（2）：83-91.
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更新时间：2024/12/23 6:47:38