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半干旱地区蒸发量及有效降水的研究

王文玉  
【摘要】:水循环是联系地球“地圈-生物圈-大气圈”系统的纽带,是全球变化的核心问题之一。北方干旱半干旱地区耕地多而水资源少,生态环境脆弱,该地区水分循环问题是十分值得关注的。本文首先比较了青海湖和鄱阳湖地区近50年潜在蒸散的时空变化规律,分析了不同气候因子对潜在蒸散的影响;然后利用黄土高原典型半干旱气候区定西气象站的近50年常规气象观测资料及2008-2012年大型蒸渗仪测量的实际蒸散资料,分析该地区蒸发皿蒸发量的变化特征和原因,并通过蒸发皿蒸发量与实际蒸散量的关系,探讨气候变暖背景下实际蒸散量的变化趋势及气候因子的影响;地表实际蒸散一方面影响着土壤湿度,同时又受土壤湿度条件的制约,小量级的降水由于蒸发、截留等因素不能渗入土壤,缓解旱情,因此本文还利用榆中sacol站近5年的土壤湿度及降水资料,分别计算由每一次降水引起的土壤含水量变化,从而确定半干旱气候区不同深度土壤层以及不同时间的最小有效降水量;最后利用中国干旱半干旱区实验观测协同与集成研究项目观测站点之一的通榆基准观测站2008年7-9月的土壤湿度、辐射通量、感热通量、潜热通量等资料讨论在半干旱地区土壤湿度对地表能量收支的影响。主要结论如下: (1)在气候变暖背景下,地处南方湿润环境的环鄱阳湖地区和西北半干旱环境的环青海湖地区潜在蒸散年总量在空间和时间变化上具有明显差异。鄱阳湖地区平均温度远高于青海湖地区是造成环鄱阳湖地区潜在蒸散远高于环青海湖地区的主要环境原因。鄱阳湖地区潜在蒸散年总量多年平均值呈现逐年减少的变化趋势,青海湖地区蒸散量减少趋势缓慢。通过回归分析发现,在影响潜在蒸散的各主要气象因素中,日照时数、温度、风速与潜在蒸散呈正相关关系,水汽压与潜在蒸散表现为负相关关系。两地区潜在蒸散下降是由于日照时数、平均风速呈下降趋势、水汽压呈上升趋势所造成的。尽管环青海湖地区水汽压上升趋势更大,但环鄱阳湖地区日照时数、平均风速下降更加明显,这些可能是造成环鄱阳湖地区潜在蒸散下降趋势较环青海湖地区更加明显的主要原因。 (2)黄土高原半干旱区蒸发皿蒸发量的变化趋势与全球大多数地区不同,呈上升趋势。影响蒸发皿蒸发量的气候因子变化趋势除温度外,降水量、低云量、日照时数和风速均基本与全球大多数地区相反,相对湿度要比全球大多数地区减小的更加明显。用多因子拟合方法得到的蒸发皿蒸发量与温度、相对湿度、风速和低云量的关系式能够较好反映不同气候因子对蒸发皿蒸发量的综合影响机制,依此关系式进行的单气候因子影响模拟实验表明,近50年来仅温度、相对湿度、风速和低云量变化分别对蒸发皿蒸发量增加的贡献率分别为17.1%、53.7%、1.9%和27.3%。相对湿度和低云量共同的贡献占主导地位,明显超过温度的贡献。与蒸发皿蒸发量不同的是,通过估算得到的实际蒸散量量级较蒸发皿蒸散量小的多,与当年地降水量较为一致,但没有明显的上升趋势,这可能与当地的降水减少,土壤湿度减小有关。 (3)土壤特质、温度、植被是影响有效降水的重要因素。就全年来看5、10、20cm层土壤最小有效降水量分别为4、5、8mm。受温度和植被的影响夏季的最小有效降水量最大,分别为5、6、10mm。高温年各深度层的最小有效降水量均比低温年的值要高,生长季各深度土壤层的最小有效降水量均比非生长季的值要高,且随着土壤深度的增加,高温年和低温年的最小有效降水量之差的相对大小减小。降水进入土壤后,浅层的土壤能含蓄更多的水分,当浅层土壤饱和后,水分下渗进入深层土壤,但是水分进入深层土壤的频次较浅层少。就0-20cm层土壤柱来讲,降水量级较小时,只有10%—20%的降水最终转化为土壤水分,随着降水量级增大,水分损失所占的比重减小,转化率能达到70%。 (4)通过比较分析半干旱通榆地区草地和农田两种不同的植被下垫面土壤湿度对地表能量收支的影响发现:土壤干湿变化对下垫面的辐射和地表能量分配过程有重要影响。土壤湿度较高时,净辐射高于土壤干燥条件下的值,土壤热通量则略低,同时潜热通量增大,感热通量减小,蒸发比值增大。由于植被的涵蓄降水、调控水土流失的作用,不同植被下垫面土壤湿度对降水响应程度不同,农田土壤水分较草地高,且蒸散量也较高。随着土壤湿度的增大,农田和草地的有效能量呈现不同的趋势,这可能是由于农田站土壤水分较高,植被蒸腾量也较大,导致潜热通量随土壤湿度增大更明显。净辐射随土壤湿度呈指数增加趋势。土壤湿度影响地表反射率,对地表总能量的获取和分配产生影响,随着土壤湿度的增大,地表反射率减小,且在夏季草地反射率高于农田,表明植被本身对地表反射率有影响,并可以通过土壤湿度间接影响地表反射率的大小


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