长丰河成县水文站两种蒸发器蒸发量和折算系数变化分析

周文庆

(甘肃省陇南水文水资源勘测局，甘肃 陇南 742500)

蒸发是海洋和陆地水分进入大气的唯一途径，是地球水循环的主要环节，也是水量平衡研究及水利工程规划设计中不可忽视的重要影响因素。自然界中蒸发现象颇为复杂，不仅受气象条件的影响，而且还受地理环境的影响。蒸发分为水面蒸发和土壤表面蒸发。水面蒸发属于饱和蒸发面，对于一个水平的自由水面，进入水体的热能增加了水分子的动能，使一些水分子所获得动能大于水分子之间的内聚力时，就能突破水面而跃入空中，另一方面，也会有一些水分子从空中返回水面；从水面跃出的水分子与返回水面的水分子数量之差，就是蒸发量，当汽化速度与凝结速度相等时蒸发停止，水面上的水汽含量达到饱和。之所以开展水面蒸发观测工作，就是为了探索自然水体的蒸发在不同时空上的分布变化规律。

1 地理气候概况

甘肃省成县位于西秦岭余脉，徽成盆地，处在东南部的陇南山区。东北与徽县接壤，西与西和县相邻，南以西汉水为界与康县相望，东南与陕西省略阳县毗邻。

成县境内多高山峡谷，地势西北高，东南低，海拔750～2 377 m之间。地貌特征南北为山地，中部为丘陵。青泥河及其他支流切割形成的谷地贯穿其中，形成特殊的地形地貌。青泥河是嘉陵江一级支流，又名长丰河，成县县城以上亦称东河，位于嘉陵江西岸，是嘉陵江中游在陇南境内仅次于白龙江和西汉水的第三大支流。长丰河设有成县水文站，位于东经105°54′，北纬33°31′，集水面积1 502 km2。始建于1958年10月，属省级重要站、中央报汛站、区域代表站。

成县属南北过渡性暖温带半湿润气候区，四季分明，冷暖适度，年平均气温11.9℃，最热7月平均气温23.3℃，最冷1月平均气温-0.8℃，极端最高气温37.3℃，极端最低气温-15.0℃。平均无霜期210 d，年日照时数1 795 h，日照百分率为41%，最多可达1 976 h。年均降雨量680 mm，年均蒸发量610 mm，相对湿度75%，盛行东南风。

成县四季气温特点：春季气温回升快，时有寒潮降温影响，并伴西北风，偶有倒春寒。终霜期结束迟早不定，雨量常偏少，有春旱，偶有春涝，季末为雷阵雨发生之始。夏季无酷热，伏期易旱，多雷阵雨和局地暴雨，时伴冰雹和大风，夏收期间偶有“芽麦雨”。秋季多连阴雨，降温比春季回升速度快，雨量趋于减少，偶有秋旱，秋末早霜来临。冬季少严寒，晴朗干燥，雨雪稀少。

2 20cm口径蒸发器和E601型蒸发器的蒸发量和影响因素分析

成县水文站主要是用20 cm口径蒸发器和E601型蒸发器进行同步观测。20 cm口径蒸发器安装观测方便。但因暴露在空气中，又是金属质地且体积小，受太阳辐射的影响很大，所以代表性和稳定性很差。E601型蒸发器埋入地下，仪器内水体和土壤之间有热交换，并设有水圈有助于减轻溅水对蒸发的影响，同时起到了增大面积的作用，蒸发更加接近自然水体的情况，所以代表性和稳定性较好。

2.1 水面蒸发的影响因素

水面蒸发受到许多气象和自然地理因素的影响，气象因素有：温度、湿度、风、气压、降水；自然地理因素有：水质、水深、水面的情况和面积。

蒸发量仅与饱和差有关，饱和差是指在一定温度下，饱和水汽压与实际水汽压之差，指示水的蒸发能力。蒸发速度的大小，是由水体热能的大小和近水层空气乱流扩散条件来决定的。也就是温度梯度、湿度梯度和风速大小决定的，这些因素直接或间接改变水面饱和差的大小，影响蒸发速度。

(1)温度 太阳辐射是影响蒸发的主要因素，它会影响气温和水温的大小。气温反映了获得太阳辐射热能的大小，水温反映了水分子运动能量的大小。饱和差与水温和气温有关，但蒸发与水温的关系更为密切。

(2)湿度 空气中湿度的大小，是决定蒸发强度的重要因素之一。空气的湿度与气温有关，通过改变饱和差间接影响蒸发。气温降低时相对湿度增加，蒸发减小，所以天气冷时，蒸发小。

(3)风速 促进水汽交换和转移，使水面饱和差变薄并保持强大输送率。风对蒸发的影响有一定限度，超过限度时水分子随时被风完全吹走，风速再加大时也不会再影响蒸发强度，相反地，冷空气会减少蒸发而导致凝结。

2.2 蒸发量年内和年际变化分析

因为E601型蒸发器1980年之前的观测数据不完整也不连续，所以只选取1980年以后的观测数据。依据成县水文站1980-2019年两种蒸发器观测的蒸发量资料统计计算两种蒸发器的逐月多年平均蒸发量和差值，以及历年年蒸发量。并绘制柱状图和过程线图进行对比分析，详见表1、图1、图2。

表1 成县站两种蒸发器逐月多年平均蒸发量统计表

图1 成县站逐月多年平均蒸发量对比图

从表1和图1可以看出，两种蒸发器的蒸发量年内变化非常大，在升温期1-7月是逐月增大的；7月达到最大值，而且两种蒸发器的蒸发量差值越来越大，7月份差值甚至达到48.1。在降温期8-11月蒸发量减小速度较快，9月蒸发和差值都出现跳跃式减小；8月和9月20 cm口径蒸发器蒸发量相差56.8 mm，E601型蒸发器蒸发量相差37.2 mm，差值比较相差19.6。9月以后蒸发和差值都趋缓。以上情况符合本区域秋季降温速度比春季升温速度快的气候特点；12月(或1月)蒸发达到最小值。绝大数情况下，20 cm口径蒸发器比E601型蒸发器的蒸发量大，原因是20 cm口径蒸发器是铜制器材，体积小，并完全暴露在空气中，对气温敏感吸热快，对蒸发影响显著。但是，在阴雨天气，会出现E601蒸发器的蒸发量接近或大于20 cm口径蒸发器的蒸发量情况。原因主要是气温下降，相对湿度增大，水面饱和差减小，20 cm口径蒸发器水温也明显下降，而E601型蒸发器埋入土中，和土壤有热交换，土壤温度比气温高，而且土壤温度相对比较稳定，水面受冷热影响，会产生对流作用，使整个水体水温变化缓慢，落后于气温时间比较长，因而E601型蒸发器比20 cm口径蒸发器的水温高，水面饱和差也大，蒸发量也大。还有一种情况就是湿度非常大时，20 cm口径蒸发器的水面凝结量大于蒸发量时，蒸发量甚至会出现负值的情况，不过这种现象出现次数很少，在月蒸发量中占比很小，可以忽略，不会影响两种蒸发器月蒸发量和折算系数的比较分析。

从图2可以看出，20 cm口径蒸发器和E601型蒸发器的蒸发量年际变化不大，过程相互对应。从趋势线可以看出，20 cm口径蒸发器历年蒸发量稍微有点增大的趋势。E601型蒸发器历年蒸发量趋势接近水平，E601蒸发器蒸发过程和蒸发量更接近自然水体的情况，所以也反映出成县的历年蒸发基本稳定，变化很小。

图2 成县站两种蒸发器历年年蒸发量变化过程对比图

3 20cm口径蒸发器和E601型蒸发器折算系数的变化规律

折算系数(K)是衡量蒸发器性能(代表性、稳定性)好坏的重要标志，是各种不同类型蒸发器观测的蒸发量相互折算以及换算成自然水体蒸发量的重要依据。折算系数的大小决定因素有蒸发器的尺寸、型式、安装方式以及气象因子、水文因子的变化过程。K值越稳定或越接近于1，变幅小、变差系数(Cvk)小，其性能越好，反之则越差。

具体情况可以依据成县水文站1980-2019年40 a的两种蒸发器观测的蒸发量资料统计计算多年平均月折算系数和多年年折算系数，并绘制过程线进行分析。详见表2、图3、图4。

3.1 折算系数的年内变化

从表2和图3可以看出，全年折算系数变化较大，范围在0.57～0.76之间。冬季1-2月和12月的折算系数较小，其中1月最小(0.57)，秋季8-11月的折算系数较大，其中10月最大(0.76)；3月、7月折算系数和年均折算系数一致(0.66)。春夏季3-7月变差系数(Cvk)最小且基本一致(0.08或0.09)，变幅也小(0.02～0.06)，说明春夏季两种蒸发器折算系数的相关性最稳定，在分析计算春夏季3-7月的蒸发量时，可以采用均值0.65比较方便。冬季和秋季折算系数相差较大的原因分析如下：

图3 成县站多年平均月折算系数过程线

表2 成县站两种蒸发器多年平均月折算系数计算成果表

(1)在冬季，E601型蒸发器埋入土中，蒸发量和地温的关系非常密切，冬季地面冰冻，水面结冰，温度常处于稳定的低温状态，日平均冰面温度低于日平均气温，尤其低于白天的气温(白天气温决定了蒸发量的大部分)，因而蒸发量比较稳定或者减小。20 cm口径蒸发器暴露在离地面0.7 m的空气中，冬季降水稀少，晴天多，日照较强，气温对蒸发的影响相对比较敏感，所以蒸发量增大，最后导致折算系数变小。

(2)在秋季，太阳辐射开始减弱，多连阴雨天气，相对湿度很大，气温甚至可能低于地温，所以会出现20 cm口径蒸发器蒸发量接近于或小于E601型蒸发量，所以折算系数大。

3.2 折算系数的年际变化

从表2、图4可以看出，两种蒸发器的年折算系数较小为0.66，用变差系数(Cvk)分析发现，年Cvk很小，只有0.06，比逐月Cvk(0.08～0.32)都小，说明年折算系数离散程度很小，变化比较稳定，折算系数年际变化远比年内变化小。所以只需分析计算年蒸发量时，可以采用年折算系数，即方便，又不会影响精度。

图4 成县站两种蒸发器多年年折算系数过程线

两种蒸发器折算系数在甘肃省比较稳定，并且在地区分布上，也没有太明显的地域性差别，在将20 cm口径蒸发器蒸发资料换算成E601型蒸发量时，全省一般统一采用0.65的年平均折算系数，如果要把E601型蒸发器蒸发资料换算成自然水体的蒸发量时，依据全国有关蒸发的实验资料，应该再乘以0.90～0.93的系数。

4 结语

(1)两种蒸发器的蒸发量年内变化很大，最大值出现在气温最高的7月份，最小值出现在最冷的1月或者12月份。年际变化不大，历年蒸发基本稳定。

(2)折算系数年内变化较大，最小值0.57出现在1月份，最大值0.76出现在10月份。折算系数年际变化不大，变差系数很小，年平均折算系数0.66，

(3)影响蒸发的因素很多，过程也很复杂，主要因素是温度、湿度、风速等动态因素，太阳辐射是改变这些因素的最主要能源，这些因素获得热能不断发生变化，从而改变水面饱和差的大小，最终影响蒸发量和折算系数的大小。因成县水文站是区域代表站，所以通过分析成县水文站蒸发量和折算系数的变化规律，可以为该区域的水文水利计算提供参考依据。