栅格蒸散发模型在区域蒸散发时空分布模拟中的应用研究

王 东

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）



栅格蒸散发模型在区域蒸散发时空分布模拟中的应用研究

王 东

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

摘要：文章应用地理信息技术结合区域数字高程数据，将区域离散成1km×1km的单元网格，应用双源蒸散发模型构建基于栅格尺度的蒸散发模型，进行区域蒸散发时空模拟研究，并和区域内的实测蒸发皿蒸发进行对比分析。研究结果表明：栅格蒸散发模型和实测蒸发皿蒸发年相关系数为0.6575，在春季相关性最高，在夏季相关性最低。栅格蒸散发模型可应用于区域的蒸散发计算。蒸散发空间分布主要受到区域高程的影响，和高程分布较为一致。研究成果对于区域蒸散发时空模拟以及无资料地区的蒸散发计算提供参考价值。

关键词：栅格蒸散发模型；双源蒸散发模型；蒸散发空间模拟；蒸散发计算

0 引言

流域蒸散发空间分布的研究一直是国内外学者研究的热点问题，早期，由于技术条件的限制，常常以点蒸发皿蒸发来代替区域面蒸发，但区域内蒸发站点较少，很难以点代面，且这种以点代面的计算方法，没有考虑流域自然地理条件（土地利用、数字高程）空间上的差异性对流域潜在蒸散发的影响。其次，在无资料地区暴雨洪水计算时，由于缺少实测蒸发皿蒸发资料，需要运用蒸散发模型来计算区域的蒸散发。为此，当前构建基于栅格的蒸散发模型来模拟计算区域面蒸散发，成为许多学者研究和计算区域蒸散发的有效途径，并取得一定的研究成果［1-5］。这些研究大都基于P-M公式进行的栅格蒸散发计算研究，而双源蒸散发模型由于可独立考虑植被和土壤的蒸散发，被许多学者应用于区域的蒸散发模拟计算中，也取得一定的研究成果［6-8］，但构建基于栅格尺度的双源蒸散发模型的研究相对较少，为此，本文基于栅格尺度的双源蒸散发模型，进行区域蒸散发时空模拟研究，并和区域内的实测蒸发皿蒸发进行对比分析，研究成果对于区域蒸散发时空模拟以及无资料地区的蒸散发计算提供参考价值。

1 栅格蒸散发模型原理

基于地理信息技术，结合研究区域数字高程数据，将区域空间离散成1km×1km的单元网格，结合双源蒸散发模型，构建基于栅格的蒸散发模型。

1.1 双源蒸散发模型单独计算植被和土壤的潜在蒸散发计算

（1）植物叶面气孔蒸散发计算。

式中：Rnc为植物叶面冠层能够吸收到的太阳的辐射量，Wm-2；ρ为空气的平均密度，kgm-3；Cp为空气的比热常数值，1.013×10-3KJkg-1℃-1；D0为植物叶面冠层与蒸发源之间的水汽压的压强差，kPa1；rac为植物叶面冠层边界总的气孔阻抗，sm-1；λ为区域蒸发的潜热值，MJkg-1；Δ为水汽压的饱和梯度值，kPa℃-1；γ为空气湿度的一个常数，kPa℃-1；Wft为植物冠层潮湿的比例。

（2）植被根系含水经过叶面气孔蒸发的计算。

式中：Rns为土壤表面上能吸收到的太阳的辐射量，Wm-2；rcp为土壤含水量达到田间持水量后土壤表层所产生的阻抗，sm-1。

（3）区域土壤表层的水分蒸发量计算。

式中：G为通过土壤表层的热能通量，Wm-2；ras为土壤表层与植物叶面冠层之间高度所产生的空间动力阻抗值，sm-1；

1.2 流域水面的蒸发计算

在双源蒸散发计算流域蒸散发能力的基础上考虑流域水面的蒸发计算，蒸发计算公式如下：

式中：Rn为水面所获得的净辐射量，Wm-2；G为水体的热通量，Wm-2；U2为2m处的风速，m/s；es为饱和水气压强，kPa；ea为实际水汽压强，kPa。

3 模型数据

模型需要输入的数据有土地利用数据、数字高程数据以及蒸发、气象数据，其中土地利用数据和土地利用数据下载来源见参考文献［9-10］，土地利用数据、及数字高程数据下载后结合流域边界获取研究区域的土地利用数据、数字高程数据，数据见图1。蒸发皿数据采用区域内3处蒸发站（1#蒸发站、2#蒸发站、3#蒸发站），其中1#蒸发站位于上游、2#蒸发站位于下游，1#蒸发站位于中游区域。气象数据采用附近区域气象站2001～2010年气象数据。

4 模型应用

4.1 年尺度模拟

为对比栅格蒸散发模拟的适用性，结合研究区内3个实测蒸发站2000～2010年实测蒸发皿蒸发数据，对比栅格蒸散发模拟的适用性，并结合假设检验的方法对栅格蒸散发模型计算的蒸散发和栅格蒸发皿蒸发进行了相关性分析。分析结果见图1、图2及表1。

表1 栅格蒸散发计算与实测蒸发皿线性回归分析结果

图1 栅格蒸散发模型和实测蒸发皿过程对比图

图2 栅格蒸散发模型和实测蒸发皿过程相关图

表1为区域栅格蒸散发模型计算的蒸散发和3个蒸散发站实测蒸发皿蒸发相关分析结果，从表中可以看出，3个蒸发站的蒸发皿数据和计算的蒸发均通过了显著性a=0.01的假设检验分析。从表中可以看出相关系数为正数，则表示计算的蒸散发和实测蒸散发在年尺度是正相关性。从表中的回归方程斜率和截距可看出，3个站点的回归方程具有一定的相似性，但也有一定的差异性，这主要是由于各站点所在的不同的植被类型所造成的，1#蒸发站的植被覆盖为林地，2#蒸发站的植被覆盖为草地，而3#蒸发站的植被类型为耕地，从表中可以看出植被为林地的1#蒸发站站斜率和截距都大于其他2站，其次是植被类型为草地的2#蒸发站，植被类型为耕地的2#蒸发站的斜率和截距都小于其他2站，由此也可以看出，就蒸发能力而言，林地的年蒸发能力最大，其次是草地，耕地年蒸发能力最小。以3#蒸发站为列，本文绘制了3#蒸发站2000～2010年年计算蒸发能力与年实测蒸发皿蒸发散点的相关图及其回归分析。从图2中可以看出，3#蒸发站2000～2010年年计算蒸发能力与年实测蒸发皿蒸发散点的相关达到了0.6575，相关系数较高。

4.2 季节尺度模拟

基于栅格蒸散发模型，计算了月尺度的蒸散发，并和3个蒸发皿所在栅格计算的蒸散发进行月尺度回归分析，分析结果见表2。

表2 栅格蒸散发模型和实测蒸发皿季相关性分析

表2为区域3个蒸发站实测蒸发皿数据和栅格蒸散发模型在季节尺度的相关性分析结果，从表中可以看出，不同季节实测蒸发皿数据和栅格蒸散发模型在季节尺度的相关性分析有所差异，其中，在春季，由于植被开始生长，区域的潜在蒸散发受植被蒸散发影响较小，主要受到气象条件的影响。因此和蒸发皿蒸发的相关性都好于其他3个季节。进入夏季后，植物处于生长最为旺盛的时期，植物蒸散发占据区域蒸散发的比重较大。使得在夏季，栅格蒸散发模型计算的潜在蒸散发和实测蒸发皿的蒸散相关系数较低。进入秋季以后，植被开始凋落，区域潜在蒸散发量受到植被蒸散发影响减弱，和蒸发皿蒸发的相关性加大。进入冬季后，植物开始凋零，栅格蒸散发模型计算的潜在蒸散发和实测蒸发皿的相关系数大于秋季的相关系数。

4.3 蒸散发空间模拟

利用构建的栅格蒸散发模型，计算了区域2000～2010年蒸散发的时空分布。从计算结果可以看出，区域多年平均蒸散发整体呈现北大南小的趋势，这主要是因为区域蒸散发很大程度上受到区域高程的影响，区域高程高值主要分布在北边，南北区域属于海拔较低的区域。对于高程较高的区域，蒸发量受高程影响一般较小，而在南边海拔较低的区域，受到高程影响，蒸发量较低。

5 结论

本文建立栅格蒸散发模型，实现区域蒸散发时空模拟，并结合实测蒸发皿蒸发进行相关性分析，研究取得以下结论：

（1）栅格蒸散发模型可考虑下垫面条件差异对蒸散发的影响，和实测蒸散发相关系数在年尺度的相关系数好于月尺度上的相关系数；

（2）蒸散发空间分布主要受高程影响，海拔较低的区域，蒸散发量一般加大，反之，海拔较高的区域，蒸散发量较小。

参考文献

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［6］徐静，任立良，刘晓帆，等.基于双源蒸散与混合产流的Pa1mer旱度模式构建及应用［J］.水利学报，2012（05）：545-553.

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［8］刘晓帆，任立良，袁飞，等.双源蒸散发能力计算模型在半干旱区的适用性［J］.河海大学学报（自然科学版），2009（02）：138-142.

［9］土地利用数据：http：//westdc.westGIS.ac.cn/data/1cad1a63-ca8d-431a-b2b2-45d9916d860d/.

［10］DEM数据：http：//srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp.

中图分类号：P333

文献标识码：B

文章编号：1008-1305（2016）02-0053-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.023

收稿日期：2015-12-28

作者简介：王 东（1983年—），男，工程师。