青藏高原不同下垫面蒸散量及其与气象因子的相关性

张亚春，马耀明,3，马伟强，王宾宾，王玉阳

(1.青藏高原环境变化与地表过程重点实验室,中国科学院青藏高原研究所，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心，北京 100101)

引 言

青藏高原素有“世界屋脊”和“第三极”之称[1]，约占中国陆地面积的四分之一，平均海拔4000 m以上，是世界上平均海拔最高，地形最复杂的高原。其巨大的动力和热力作用对中国、东亚、南亚甚至全球气候和灾害性天气的形成都有极其重要的影响[2-4]。在气候变暖背景下，高原水资源呈现持续减少趋势，并影响高原及其周边环境的热量和水分平衡[5-8]。蒸散发是全球能量平衡和水循环的重要组成部分，是地表和植被向大气输送水汽的重要过程[9-13]，目前陆地表面吸收的太阳辐射有一半以上用于水分蒸发[14]。研究青藏高原蒸散发的变化，对改善水资源管理，检测气候变化等都有重要意义[15-16]。

描述蒸散发的量有参考蒸散发、蒸发皿蒸发和实际蒸散发等[16-18]。参考蒸散发是指理想化的草丛作物地(作物高度0.12 m，反射率0.23，表面阻力为70 s·m-1)蒸散发。蒸发皿蒸发是指观测仪器(一般直径为20 cm的蒸发皿，高10 cm，安装在距地面70 cm)在水分充足条件下的蒸发，为潜在蒸散发。计算实际蒸散发量的方法有涡度相关法、波文比能量平衡法和总体输送法等。其中涡动相关法是一种通过测量高频温度、湿度和三维风速的湍流脉动量而直接观测蒸散发量的方法，测量精度较高，且对数据有一套标准的处理流程，适合蒸散发量的长期观测[19-20]。波文比能量平衡法是基于能量平衡方程通过常规气象观测资料和辐射资料推算蒸散发的方法，但当波文比接近-1时，计算结果不稳定，且青藏高原不同下垫面也存在能量不闭合的情况。总体输送法是基于廓线通量法并结合风速和湿度计算实际蒸散发的半经验方法，但不同区域总体输送系数有一定的差异且存在日变化和季节变化，从而影响蒸散发量的计算[21-22]。

研究表明青藏高原半干旱高寒草甸地区雨季的蒸散发量较大，占全年蒸散发量的70%左右[8]，且净辐射是影响高寒草甸蒸散发的主要因素[23]；1966—2003年高原上的潜在蒸散发、参考蒸散发和蒸发皿蒸发都有下降趋势，且蒸发皿蒸发下降的趋势最大，这可能与风速减小有关[24]。前期有关青藏高原蒸散发的研究主要针对某一站点，结合气象数据和彭曼公式研究高原参考蒸散发的变化[25]，而基于涡动相关仪观测到的潜热数据直接计算高原不同下垫面实际蒸散发量的研究还相对较少。下垫面是影响地气间能量和水分交换的关键因素，研究不同下垫面实际蒸散发的变化可以评估模式模拟和卫星遥感观测的蒸散发量精度。本文利用涡动相关仪观测的潜热数据计算青藏高原不同下垫面5个观测站点的实际蒸散发量，并对比分析不同观测站点的气象因子对实际蒸散发量的影响。

1 资料与方法

1.1 站点及资料

所用资料为中国科学院阿里荒漠环境综合观测研究站(简称“阿里站”)、中国科学院慕士塔格西风带环境综合观测研究站(简称“慕士塔格站”)、中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称“那曲站”)、中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称“珠峰站”)、中国科学院西北生态环境资源研究院阿柔冻融观测站(简称“阿柔站”)2013年涡动相关仪的潜热通量数据，根据潜热通量计算不同站点的蒸散发量。表1列出各站点的地理位置、仪器安装架设情况和下垫面类型，其中阿里站、慕士塔格站和珠峰站的下垫面相似，均为荒漠、碎石和稀疏短草，那曲站和阿柔站的下垫面分别为高寒草甸和高寒草原，各站的仪器均架设在下垫面较为平坦的地方。阿里站位于西藏自治区阿里区日土县西3 km左右219国道南侧的马嘎草场；慕士塔格站位于新疆维吾尔族自治区阿克陶县布伦口乡境内，紧邻慕士塔格山和卡拉库里湖，是典型的西风带气候影响区，也是青藏高原地表过程与环境变化观测研究平台建设规划中唯一一个全年处于西风带控制区的观测台站；那曲站在西藏自治区那曲县罗马镇距那曲县城25 km处，试验场地平坦，四周开阔，为高原地气相互作用、高海拔地区边界层结构和能量与水循环研究提供重要的观测资料；珠峰站位于定日县扎西宗乡，距拉萨约650 km，且观测站点位于山谷地带；阿柔站位于青海省祁连县阿柔乡的黑河上游支流八宝河南侧河谷高地处，试验场地平坦且四周开阔[26]。

表1 青藏高原5个观测站点信息及其主要仪器情况Tab.1 Information of 5 observation stations and instruments in Tibetan plateau

对青藏高原5个观测站点涡动相关仪观测的2013年潜热数据进行处理，部分观测站点2013年的数据有缺失，其中阿里站10月数据、阿柔站11月部分数据和12月数据、慕士塔格站1月数据和2月大部分数据、那曲站3月数据、4月部分数据和12月数据缺失，筛选出潜热通量数据质量在1～5之间的数据，然后剔除一天内观测数据集中在日间或者夜间的数据，其时间分辨率为30 min。实际蒸散发量由潜热和气温计算得到，并以此为基础计算实际日蒸散发量和实际月蒸散发量。

青藏高原5个观测站点2013年土壤温湿度、四分量辐射、风速、气温和相对湿度，时间分辨率均为30 min，其中阿柔站、慕士塔格站、那曲站和珠峰站的土壤温湿度为地下10 cm处观测值，阿里站为地下20 cm处观测值。阿里站和那曲站的气温、湿度和风速为1.5 m处观测值，其他3个站点选取2 m处观测值。净辐射由四分量辐射(向上和向下的短波辐射与长波辐射)计算得到，相对湿度和气温用于计算饱和水汽压差。由于测量温度、四分量辐射和风速的仪器高度存在一定差异，对比观测结果时也会出现一定的误差，故这里对气象因子的分析主要以趋势分析为主。

1.2 方 法

实际蒸散发量由温度和涡动相关仪测得的潜热通量计算得到，公式如下[27]：

(1)

式中：ET(mm)为实际蒸散发量；LE(W·m-2)为涡动相关仪测量后经过处理的潜热通量数据；λ(J·kg-1)为蒸发潜热；T(℃)为温度；由公式(1)得出30 min的实际蒸散量(ET30)为

(2)

实际日蒸散发量由一日内逐30 min的实际蒸散发量累积得出，数据缺少时用该月同时刻的历史平均值进行插补，在计算实际日蒸散发量时，当一日内的数据缺失超过三分之一或者实际蒸散发量的数据分布不均匀(如主要集中在日间或者夜间)，剔除该天的实际日蒸散发量。处理后的青藏高原5个观测站实际日蒸散发量数据的完整度如表2所示，经过处理后珠峰站实际日蒸散发量数据的完整度最高，那曲站最低。

表2 2013年青藏高原5个观测站点实际日蒸散量数据的完整度Tab.2 The integrity rate of daily actual evapotranspiration data from 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

使用Spearman等级相关分析计算不同下垫面实际日蒸散发量与气象因子之间的相关系数，分析实际蒸散发量与气象因子的相关性。

2 结果分析

2.1 实际蒸散量变化

图1为2013年青藏高原5个观测站点实际日蒸散发量日变化。可以看出，5个站点的实际日蒸散发量均呈先增大后减小趋势。其中，阿里站5月底至9月中旬，实际日蒸散发量呈缓慢增大趋势，最大值为2.93 mm，9月中旬开始，则呈逐步减小趋势，3、4、5、11、12月的实际日蒸散发量相差不大；慕士塔格站实际日蒸散发量的波动较大，6—9月实际日蒸散发量较其他月份偏大，最大值为4.97 mm；阿柔站自4月开始实际日蒸散发量缓慢增大，5—9月在1.02～4.32 mm之间，10月开始呈波动减小趋势；那曲站实际日蒸散发量1—2月较为稳定，4月底至7月呈波动增大趋势，最大值为4.64 mm，但相较于其他站点该时段实际日蒸散发量波动较大，8月起那曲站的实际日蒸散发量有下降趋势，但依旧不稳定；珠峰站实际日蒸散发量从5月底开始呈增大趋势，但波动较大，至8月中旬最大实际蒸散发量为3.46 mm，而后开始下降，至10月底实际日蒸散发量开始趋于稳定。

图1 2013年青藏高原5个观测站实际蒸散发量的日变化Fig.1 Daily variation of actual evaporation of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

图2为2013年青藏高原5个观测站点实际蒸散发量的月变化。可以看出，5个站点的实际蒸散发量基本都呈单峰型，但也有一定差异。1—3月各观测站的实际蒸散发量均偏小且比较稳定，5—7月5个观测站的实际蒸散发量都有不同程度增加，7月那曲站实际蒸散发量达最大(98.88 mm)，阿里站、阿柔站、慕士塔格站和珠峰站的实际月蒸散发量最大值出现在8月，分别为64.16、106.71、97.77、71.01 mm。总体上，阿柔站实际月蒸散发量大于其他4个站点，慕士塔格站和那曲站的实际月蒸散发量最大值相差不大，慕士塔格站出现在8月，那曲站出现在7月，这与严晓强等[28]的计算结果相近。阿里站和珠峰站虽然地理位置不同，但两个站的实际蒸散发量变化趋势和变化范围都大致相同，且最大值均出现在8月。

图2 2013年青藏高原5个观测站实际蒸散发量的月变化Fig.2 Monthly variation of actual evaporation of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

图3为2013年5个观测站点不同实际日蒸散发量发生频率分布，用来表述一年之内实际日蒸散发量变化范围。各观测站点的实际日蒸散发量变化范围有一定差异，但实际日蒸散发量主要集中在0～0.50 mm，阿里站、阿柔站、慕士塔格站、那曲站、珠峰站实际日蒸散发量在0～0.50mm区间的发生频率占各自样本总数的55.07%、25.00%、26.33%、24.65%和58.11%。阿柔站实际日蒸散发量在不同区间的分布较为均匀，可能原因是阿柔站受季风影响时间较长。

图3 2013年青藏高原5个站点不同实际日蒸散发量发生频率分布Fig.3 Frequency distributions of the different diurnal actual evaporation of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

从下垫面类型来看，不同下垫面的实际日蒸散发量的变化趋势大致相同，均表现出先增加后减小趋势，但不同下垫面实际日蒸散发量变化范围有一定差异，高寒草原下垫面(阿柔站)变化范围较大，其次是高寒草甸下垫面(那曲站)，以荒漠和稀疏短草为主的下垫面(阿里站和珠峰站)其变化范围较小。但相似类型的下垫面也会受纬度、地形和季风等影响使蒸散发量的变化趋势和变化范围有所差异。慕士塔格站与阿里站、珠峰站下垫面类型相似，但其实际日蒸散发量和实际月蒸散发量却显著偏高，可能是由于海拔、纬度、季风和西风等因素的影响。除此以外，冰川融水增多和温度升高也会导致实际蒸散发量增大。高原夏季风一般在6月来临，7—9月持续，10月季风逐渐撤退[29]，季风会带来降水增加和净辐射增强，从而使高原实际蒸散发量增加。但受地理位置影响，季风对不同地区的影响程度不一。

2.2 气象要素变化

图4为青藏高原5个观测站点2013年的不同气象要素(地温、土壤含水量、气温、净辐射、风速、饱和水汽压差和地气温差)的月变化。可以看出，1—6月不同下垫面的地温缓慢上升，7月达最高，之后开始下降，且不同下垫面的地温差异不大；各观测站的土壤含水量变化趋势有一定差异，其中阿柔站的土壤含水量较其他站点偏高且波动最大，阿柔站、阿里站和那曲站土壤含水量2月之后有增大趋势，7月开始阿柔站土壤含水量呈减小趋势，而阿里站和那曲站10月开始呈减小趋势；各观测站点的气温变化范围均在-15～15 ℃，呈先升高后降低趋势，即1—6月气温不断升高，6—8月气温波动较小，8月后各观测站的气温呈降低趋势；各观测站点的净辐射变化范围在0～150 W·m-2，也呈现出先增加后减小的趋势；不同观测站点的风速变化有一定差异，其中慕士塔格站和珠峰站波动范围较大，其次是那曲站、阿里站和阿柔站；各观测站点的饱和水汽压差在5—8月较高，这可能是受季风影响。总体而言，不同下垫面气温、地温和净辐射等气象因子变化趋势大致相同，但土壤含水量、风速、饱和水汽压差和地气温差等(图略)有一定差异。

图4 2013年青藏高原5个观测站点不同气象因子的月变化Fig.4 Monthly variation of different meteorological factors of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

表3列出2013年青藏高原5个观测站的主要气象要素年均值。可以看出，各观测站点的年均气温差别不大，年均净辐射也相差较小。相对湿度阿柔站最大(55.03%)，阿里站最小(32.48%)，慕士塔格站、那曲站和珠峰站的相对湿度相差不大。2013年阿柔站年降水量(392.50 mm)较其他3个观测站点偏高，以碎石和稀疏短草为主的阿里站和慕士塔格站年降水量相差不大。

表3 2013年青藏高原5个观测站气象要素均值Tab.3 Annual mean of meteorological elements of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

2.3 实际日蒸散发量与气象因子的相关性

表4为2013年青藏高原5个观测站点实际日蒸散发量与不同气象因子的相关性。可以看出，青藏高原5个观测站的实际日蒸散发量与地气温差的相关性有一定差异，阿里站和阿柔站的实际日蒸散发量与地气温差呈显著负相关，但相关系数较小，分别为-0.34、-0.30；慕士塔格站、那曲站和珠峰站的实际日蒸散发量与地气温差均呈正相关，但那曲站的相关系数并没有通过显著性检验。各观测站点的实际日蒸散发量与风速的相关性不明显，其中那曲站的实际日蒸散发量与风速的相关性最大为-0.35，且相关系数通过α=0.01的显著性检验，阿柔站和慕士塔格站实际日蒸散发量与风速的相关性不显著。而用蒸发皿测量日最大蒸散发量时，日最大蒸散发量与风速的相关性较好[30]。除此之外，5个观测站的实际日蒸散量与气温、地温、净辐射和土壤含水量的相关系数较大，且均呈显著正相关。

表4 2013年青藏高原5个观测站点实际蒸散发量与不同气象因子之间的相关性Tab.4 Correlation coefficients between daily actual evapotranspiration and different meteorological factors of 5 observation stations in the Tibetan plateau in 2013

从下垫面类型来看，高寒草原下垫面(阿柔站)实际日蒸散发量与各气象因子的相关性最好，其次分别为高寒草甸下垫面(那曲站)和以荒漠、碎石和稀疏短草为主的下垫面(阿里站和珠峰站)。把气温、地温和净辐射作为影响实际日蒸散发量的热力因子，土壤含水量作为影响实际日蒸散发量的水分条件，风速作为动力因素[31]，那么影响青藏高原不同下垫面实际日蒸散发量的因素没有较大差异，即热力因子为影响实际日蒸散发量的主要因素，其次是水分条件，动力因素对实际日蒸散发量的影响不大。

3 结 论

(1)2013年青藏高原不同下垫面的实际日蒸散发量均呈先增大后减小趋势，且实际日蒸散发量普遍在0～0.50 mm之间。高寒草原下垫面的实际日蒸散发量波动较大，实际日蒸散发量和实际月蒸散发量较高，其次是高寒草甸下垫面，以荒漠和稀疏短草为主的下垫面实际日蒸散发量波动较小，实际日蒸散发量和实际月蒸散发量也较低。但由于受海拔高度、地形和季风等因素的影响，相同类型下垫面的实际日蒸散发变化趋势和变化范围也有差异。

(2)青藏高原不同下垫面的地温、气温和净辐射的变化趋势大致相同，但土壤含水量、风速、饱和水气压差和地气温差等有一定差异。

(3)不同下垫面的地温、气温、净辐射和土壤含水量与实际日蒸散发量均呈现较好的相关性，其次是饱和水汽压差，风速与实际日蒸散发量的相关性较小。热力因素和水分条件对青藏高原不同下垫面的实际日蒸散发量影响较大。

DOI:10.1038/454393a.

DOI:10.1029/2011JD017037.

DOI:10.1002/eco.1925.

DOI:10.1029/2006JD008161.