青海湖流域典型下垫面潜在蒸散量变化特征及影响因素分析

雷珂 刘芷含 黄媛 曾潇 严慧玲

刘丽凡 杨媛媛 张乐乐*

（青海师范大学地理科学学院，西宁810008）

摘要：以2020年青海湖流域高寒草甸、亚高山灌丛、温性芨芨草草原下垫面的气象站点逐日的气温、相对湿度、风速和净辐射观测数据，利用Penman-Monteith公式，计算了下垫面潜在蒸散量，并分析了其季节变化的影响因素。结果表明：在2020年，青海湖流域的高寒草甸、亚高山灌丛、温性芨芨草草原下垫面的潜在蒸散量均呈现出先上升后下降的趋势。三种下垫面的潜在蒸散量均于7月出现最大值，分别为10.1mm/d、5.4mm/d、8.1mm/d；均于1月出现最小值，分别为0.3mm/d、0.2mm/d、0.3mm/d。在四季中，三种下垫面的潜在蒸散量的值均表现为夏季在年内潜在蒸散量中占比最大，冬季占比最小。相关分析表明，在研究区内潜在蒸散量所受气候因子的影响有区域差异。影响研究区潜在蒸散量的主要气象要素为净辐射、最高气温和风速，其中净辐射为最主要影响因素。

关键词：青海湖流域；下垫面；Penman-Monteith公式；潜在蒸散量 中图分类号:P332.2

文献标识码:A  文章编号:1005-9393(2022)02-0025-08

作者简介:雷珂(1998-),男,本科,主要从事自然地理相关研究。

*通讯作者:张乐乐(1986-),男,博士,副教授,主要从事寒区水文与地表过程方面研究。E-mail:zhang1986lele@163.com。

基金项目:青海省自然科学基金青年项目“高时空分辨率数据在青海湖流域植被生态需水量估算中的应用”(2021-ZJ-947Q);青海师范大学大学生科技创新项目“青海湖流域沼泽草甸需水量研究”(qhnuxskj2021041)。

1引言

作为水文循环过程中重要组成部分，蒸散发（Evapotranspiration,ET）是水量平衡的关键环节，同时也影响着地表水量和能量平衡过程^[1]。包括灌水需求估算、水平衡研究、干湿评估等科学问题均以蒸散发为基础^[2]。因此，针对蒸散发的研究，一直是国内外多学科多领域研究的热点问题之一^[3-4]。潜在蒸散量(PotentialEvapotranspiration,ET₀)是下垫面在供水充足条件下的最大蒸发能力，受大气-植被-地表系统多组分相互作用，众多因素相互影响ET₀变化，使ET₀与气象因子及各气象要素间形成复杂的交互作用关系系统^[5]。近几十年在全球气候变暖背景下，ET₀具有明显的区域特征，且变化更显著^[6-7]，探究ET₀的变化特征及分析其影响因素，对评价气候干湿程度^[8]、植物耗水量^[9]、生产潜力^[10]及水资源供需平衡^[11]均具有重要意义。

近年来，我国对ET₀进行了大量的研究，在黄河源区^[12]、鄱阳湖流域^[13]、渭河流域^[14]、黔中地区^[15]、延河流域^[16]、拉萨河流域^[17]和淮北平原^[18]等地已经取得了不少研究成果。如阴晓伟等^[19]利用Sobol全局敏感性方法分析西北旱区ET₀的气候敏感因子，得出净辐射、风速、相对湿度在1993年前影响较大，而在1993年后风速、相对湿度影响较大。童瑞等^[20]利用黄河流域的格网数据，应用可变下渗能力模型VIC-3L计算了1961年~2012年黄河流域内的实际蒸散量与潜在蒸散量，并分析得出20世纪80年代以来黄河流域实际蒸散量减小趋势明显。秦晓晨等^[21]在鄱阳湖流域内，基于鄱阳湖流域的74个气象站点逐日数据，采用P-M方程式计算了鄱阳湖流域的潜在蒸散量，认为1981年~2019年鄱阳湖流域年尺度ET₀具有先降后升的特点。

位于青藏高原东北部的青海湖流域，是青藏高原生物多样性保护和生态环境建设重点区域，多年来一直是国内外诸多学者的关注热点^[22]，该地区关于ET₀的研究也受到高度重视。如白爱娟等^[23]认为，近37年来青海湖流域年ET₀逐渐减小,夏季减小趋势最为显著,而秋冬季年ET₀存在弱增加的趋势；李岳坦等^[24]在利用Hargreaves公式计算青海湖流域ET₀时发现其变化趋势是从1月份开始逐月升高，7月份到达峰值后开始逐渐下降；王文玉等^[25]发现，在近50年环青海湖高寒地区ET₀年总量未出现明显的变化特征，与ET₀呈正相关系数的是日照时数、温度及风速。目前，有关青海湖流域ET₀的变化特征及影响因素的研究年份较早，且由于观测站点稀少导致缺少ET₀及影响因素空间差异性方面的认识。但ET₀的时空分布特征和主要影响因素与区域气候特征联系密切，空间差异明显。截至目前，对影响ET₀的时空变化因素尚未有能被普遍接受的统一说法^[26]。如高歌等^[6]认为日照时数和风速是ET₀变化的主要原因；史继清等^[27]认为平均风速和相对湿度是影响ET₀的主要因素。因此，为探究气候变化对流域水文循环的作用，本文以青海湖流域三种典型下垫面为研究对象，利用Penman-Monteith公式，计算ET₀并分析其时空变化特征，针对气象因子影响方面进行研究，确定不同下垫面对ET₀变化的主导气象因子，以期为提高流域水资源利用效率和缓解水资源供需矛盾提供科学依据。

2资料与方法

2.1研究区概况

本文研究的青海湖流域位于青藏高原东北部。经度在东经97.56°与101.45°之间，纬度在北纬36.17°与38.42°之间^[28]。该流域行政范围包括青海省的天峻县、刚察县、共和县以及海晏县等地区，流域面积为29664km^2[29]。青海湖流域四面环山，分别是大通山、日月山、青海南山、橡皮山。该流域以河流补给为主，主要河流为布哈河、沙柳河。主要植被类型以草原和草甸为主，河岸分布有少量的灌丛^[30]。

2.2资料来源

本研究选取青海湖流域三个气象站点2020年1月1日至2020年12月31日的不同高度处风速、3m处气温、3m处相对湿度、净辐射资料，均来源于国家青藏高原科学数据中心^[31-33]（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/），三个站点下垫面分别是温性芨芨草草原、亚高山灌丛、高寒草甸。各站点地理位置如图1所示。

图1青海湖流域各气象站点示意图

DEM数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/home），青海湖流域行政边界矢量数据由国家青藏高原科学数据中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）提供。

2.3研究方法

2.3.1ET₀计算方法

本研究基于FAO-56Penman-Monteith（FAO-56PM）模型计算潜在蒸散量（ET₀）,该方法是当前被推荐的唯一定义和计算潜在蒸散量的标准方法^[34]。具体计算方法如下：

式中，ET₀为潜在蒸散量(mm·d^-1)；R_n为输入冠层的净辐射(W·m^-2·d^-1)；G为土壤热通量(W·m^-2·d^-1)；γ为干湿常数(kPa·℃^-1)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa·℃^-1)；U₂为2m高处的风速(m·s^-1)；e_s为饱和水汽压(kPa)；e_a为实际水汽压(kPa)；T为平均气温(℃)。

式中，T为日平均气温（℃）；exp（x）为底数是2.7183的指数函数。土壤热通量G在逐日尺度下值较小，故可视为0^[35]。

式中，T_max为日最高气温（℃）；Tmin为日最低气温（℃）；RH为日平均相对湿度（%）。

式中，u₂为地表两米的风速（m/s）；u_s为地表以上s米处的风速（m/s）。

2.3.2统计方法

本研究利用SPSS软件对研究对象进行描述性分析、相关性分析和偏相关分析并检验，以分析不同气象要素与潜在蒸散量的关联性。

2.3.3缺失值插补方法

各站点日均值数据均由现有数据获得。各季度ET₀值由季度内ET₀日均值累计得出，由于高寒草甸下垫面站点2020年10月19日至11月10日所有气象数据缺失，研究中高寒草甸下垫面的10月和11月的ET₀月累计值由如下公式得出：

式中，ET_0m为潜在蒸散量月累计值（mm）；ET₀为潜在蒸散量月平均值（mm/月）；ET_0i为该月第i天潜在蒸散量日均值（mm/天）；n为该月有效数据的天数；N为该月实际天数。

3结果分析

3.1气象因子变化

青海湖流域内月平均风速在高寒草甸、亚高山灌丛、温性芨芨草草原下垫面内的差异较大（图2）。高寒草甸下垫面月平均风速最大和最小分别为2月4.5m/s和8月3.2m/s；亚高山灌丛下垫面月平均风速最大和最小分别为12月2.6m/s和1月1.4m/s；温性芨芨草草原下垫面月平均风速最大和最小分别为5月2.9m/s和1月1.8m/s。

高寒草甸下垫面与温性芨芨草草原下垫面的净辐射月均值最大分别为156.7w/m²、151.1w/m²，均为7月月均值。亚高山灌丛下垫面的净辐射月均值最大是5月139.7w/m²。上述三种下垫面的净辐射月均值最小值分别是1月、12月、1月，值分别为-9.3w/m²、26.3w/m²、21.1w/m²。

三种下垫面的月平均相对湿度和月平均气温差异不大。高寒草甸和亚高山灌丛下垫面月平均相对湿度最大值分别为75.1％、71.9％，均为7月。温性芨芨草草原下垫面月平均相对湿度最大为8月的69.9％。上述三种下垫面月平均相对湿度最小值分别为36.9％、36.3％、40.1％，均为2月。三种下垫面的月平均气温最大值分别为13.8℃、9.7℃、11.9℃，均为7月。月平均气温最小值均为2月，值分别为-10.2℃、-13.3℃、-11.8℃。

图2 风速、相对湿度、平均气温和净辐射月变化

3.2潜在蒸散量变化特征

如图3所示，2020年青海湖流域高寒草甸下垫面、温性芨芨草草原下垫面及亚高山灌丛下垫面的ET₀全年呈现先缓慢上升后下降的趋势。三种下垫面的ET₀在春季（3月~5月）的初期变化不明显，但在季节内整体变化仍呈现缓慢升高趋势。在夏季（6月~8月）ET₀均出现峰值，峰值出现的时间节点有所不同。进入夏季，亚高山灌丛下垫面的峰值出现在7月上旬，为5.4mm/d；其后是温性芨芨草草原下垫面，峰值为8.1mm/d，在7月中旬出现；最后7月下旬高寒草甸下垫面出现峰值，为10.1mm/d。在秋季（9月~11月）ET₀呈现出弱回升再逐渐下降的变化趋势。在冬季（12月~1月）ET₀变化波动不大，较秋季持续下降至全年最低，但减小趋势已趋于平稳。三种下垫面全年ET₀最小值均出现在冬季，高寒草甸下垫面ET₀最小值为0.3mm/d，亚高山灌丛下垫面ET₀最小值为0.2mm/d，温性芨芨草草原下垫面ET₀最小值为0.3mm/d。

图3 2020年青海湖流域三种不同下垫面变化趋势

从季节看，高寒草甸下垫面、亚高山灌丛下垫面、温性芨芨草草原下垫面ET₀春季占年ET₀总量分别为25.05%、28.32%、26.98%；夏季ET₀占年ET₀总量分别为38.01%、38.21%、39.53%；秋季ET₀占年ET₀总量分别为25.83%、22.27%、22.36%；冬季ET₀占年ET₀总量分别为11.11%、11.20%、11.13%。除个别时刻站点数据外，ET₀季在三种不同下垫面间均表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季（表1）。

表1 2020年不同下垫面潜在蒸散量季节变化表（单位：mm）

3.3潜在蒸散量影响因素分析

潜在蒸散量的变化主要受气温、风速、相对湿度、日照时数等诸多气象要素影响，不同因素之间也相互影响，所以ET₀的变化成因十分复杂^[36]。因此，本文选取平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、净辐射、风速共6个气象要素对青海湖流域的高寒草甸、亚高山灌丛、温性芨芨草草原三种下垫面的年内ET₀进行相关分析（表2）。结果表明，青海湖流域的高寒草甸下垫面、亚高山灌丛下垫面、温性芨芨草草原下垫面三个研究区内的ET₀主要与净辐射、最高气温呈显著正相关。其中，高寒草甸下垫面的ET₀的主控因子为净辐射，其次为最高气温，相关系数分别为0.925、0.805。亚高山灌丛下垫面的ET₀的主控因子为净辐射，其次为最高气温，相关系数分别为0.954、0.840。温性芨芨草草原下垫面的ET₀的主控因子为净辐射，其次仍为最高气温，相关系数分别为0.925、0.817。以上结果表明净辐射是众多影响青海湖流域ET₀的气候影响因子中较为重要的因子。

表2 2020年青海湖流域不同下垫面ET₀与各气象因子相关关系

注：*表示通过了0.05的显著性检验，**表示通过了0.01的显著性检验。下表同。

为了进一步讨论气象因子对ET₀的影响，现对从青海湖流域三种不同下垫面，即高寒草甸下垫面、亚高山灌丛下垫面、温性芨芨草草原下垫面获取并计算得到的ET₀分别与6个气象要素进行偏相关分析。结果表明，上述的三种不同下垫面的ET₀主要与净辐射、风速、最高气温呈显著的正相关关系（表3），且三种下垫面的ET₀的主控气候因子都是净辐射，其偏相关系数介于0.932~0.944之间（α=0.001）。净辐射越高，ET₀越大。

表3 2020年青海湖流域各下垫面ET₀与各气象因子偏相关系数

各个季节的潜在蒸散量与气象因子的相关性有所差异（表4）。在夏季，高寒草甸、亚高山灌丛、温性芨芨草草原三种下垫面ET₀与净辐射的偏相关系数均大于相应下垫面在春季、秋季、冬季的ET₀与净辐射的偏相关系数，偏相关系数分别为0.758、0.918、0.925。除净辐射外，最高气温对三种下垫面ET₀影响最大，且均表现为在冬季相关性最高，其偏相关系数分别为0.655、0.647、0.727。与相关分析不同的是，在偏相关分析中，风速与三种下垫面ET₀出现了不同程度的相关性。风速对三种下垫面的ET₀影响最大出现在冬季，偏相关系数分别为0.818、0.811、0.846，甚至高于最高气温对上述三种下垫面ET₀的影响。在秋季，风速与高寒草甸、温性芨芨草草原下垫面的ET₀的偏相关系数高于最高气温与上述两种下垫面的ET₀的偏相关系数，且在该季节亚高山灌丛下垫面ET₀与最高气温相关性不显著。在夏季，风速对亚高山灌丛下垫面ET₀的影响也大于最高气温对亚高山灌丛下垫面ET₀的影响。由以上分析可得，影响青海湖流域不同下垫面在不同季节的气候主控因子有所不同，分别为净辐射、最高气温、风速。

表4 2020年青海湖流域不同下垫面潜在蒸散量

与各气象要素的偏相关系数

4讨论

在对各气象要素与ET₀相关和偏相关分析中，净辐射始终是与ET₀相关性最高的气象要素。然而，三种下垫面的ET₀年平均值大小关系为：高寒草甸下垫面>温性芨芨草草原下垫面>亚高山灌丛下垫面；三种下垫面净辐射值大小关系为：温性芨芨草草原下垫面>亚高山灌丛下垫面>高寒草甸下垫面。ET₀年均最大值与净辐射年均最大值出现在不同下垫面，导致这种现象的原因可能与高寒草甸下垫面气象站点距离青海湖最远、相对湿度低有关。这同时也表明ET₀受多种气象要素综合影响^[37]。

流域内三种典型下垫面ET₀季节特征明显，夏季潜在蒸散量最大，冬季最小，这与陈怡璇等^[12]在黄河源区的研究结果一致。有研究发现^[38-39]，当ET₀变化最为显著时，由云量变化引起的辐射量、季风等变化也十分显著，这进一步佐证了青海湖流域典型下垫面变化的主要原因是净辐射、风速及最高温度。这与目前较为普遍的观点相同^[40-41]。流域内相同气候条件的环境背景下，不同下垫面各气象要素对ET₀的影响是不同的。当空气中水汽较为充足时，阻碍了地表水分蒸发，因此此时潜在蒸散量较小；而当净辐射、温度较大时，促进了地表水的蒸发，从而使ET₀增大。风速的增大有利于空气中水汽的蒸发，因此也促进ET₀的增大^[25]。在秋冬季节，青海湖流域温度变化明显，温度会影响下垫面水汽的蒸发，进而影响下垫面的潜在蒸散量。另外本文就气候要素对ET₀的影响进行初步的探究，并未进行定量分析。其他气象要素以及土地开发、人为扰动、大气污染等对ET₀的影响尚需进一步分析。

5结论

（1）2020年，青海湖流域典型的三种下垫面高寒草甸下垫面、亚高山灌丛下垫面、温性芨芨草草原下垫面的ET₀年内均呈现先缓慢上升后下降的趋势。三种下垫面的ET₀年内峰值均出现在夏季，但出现的时间点不同。亚高山灌丛下垫面峰值出现最早在7月7日，值为5.4mm/d；温性芨芨草草原下垫面出现在7月14日，值为8.1mm/d；高寒草甸下垫面峰值出现最晚，在7月25日，值为10.1mm/d。

（2）三种下垫面的ET₀具有明显的季节特征，总体表现为：夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（3）ET₀与6个气象要素的相关分析表明，青海湖流域不同下垫面的ET₀都主要受净辐射、最高气温、风速的影响。研究区内不同下垫面最主要的影响因素都是净辐射，其与ET₀的相关性最显著，其相关系数介于0.925~0.954之间。最高气温和风速在不同季节对不同下垫面的影响有所差异。

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