蒸發(fā)計(jì)算方法綜述

1、蒸發(fā)計(jì)算方法綜述摘要：蒸發(fā)是地球表面水量和能量平衡中的重要分量，對(duì)于區(qū)域氣候、旱澇變化趨勢(shì)，水資源形成 及變化規(guī)律，水資源評(píng)價(jià)等方面的研究有著重要作用。本文列舉了常用的幾種蒸發(fā)計(jì)算方法，對(duì)每 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概括，并提出了未來(lái)蒸發(fā)計(jì)算方法的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：蒸發(fā)計(jì)算方法1關(guān)于蒸發(fā)的幾個(gè)概念蒸發(fā)（Evaporation）是水循環(huán)和水平衡的基本要素之一。水分從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的 過(guò)程稱為蒸發(fā)。它涉及地球表層中能量循環(huán)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化最為強(qiáng)烈的活動(dòng)層土壤-植 物-大氣系統(tǒng)（SPAC），常受下墊面條件（如地形、土壤質(zhì)地、土壤水分狀況等）、植物生 理特性（如植物種類、生長(zhǎng)過(guò)程等）和氣象因素（如太陽(yáng)輻射、溫

2、度、濕度、風(fēng)速等等諸 多因素的影響。因此，蒸發(fā)蒸騰問(wèn)題成為水文學(xué)、氣象學(xué)、農(nóng)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)注 焦點(diǎn)。發(fā)生在海洋、江河、湖庫(kù)等水體表面的蒸發(fā)，稱為水面蒸發(fā)，它僅受太陽(yáng)輻射等氣 象因素的熱能條件制約，故又可稱為蒸發(fā)能力。發(fā)生在土壤表面或巖體表面的蒸發(fā)，通 常稱為土壤蒸發(fā)。發(fā)生在植物表面的蒸發(fā)，稱為植物蒸騰或植物蒸散發(fā)。發(fā)生在一個(gè)流 域或區(qū)域內(nèi)的水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的總和稱為流域蒸散發(fā)或陸地蒸發(fā)。陸地 蒸發(fā)不僅取決于熱能條件，還取決于可以供應(yīng)蒸發(fā)的水分條件，即供水條件。蒸發(fā)蒸騰（Evaportranspiration，簡(jiǎn)稱ET ）包括土壤蒸發(fā)和植被蒸騰，在全球水 文循環(huán)中起著重要的作用

3、。參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET。）：為一種假想?yún)⒖甲魑锏恼舭l(fā)蒸騰速率。假想作物的 高度為0.12m，固定的葉面阻力為70s/m，反射率為，非常類似于表面開(kāi)闊、高度一致、 生長(zhǎng)旺盛、完全覆蓋地面且不缺水的綠色草地蒸發(fā)蒸騰量。ET0的計(jì)量單位以水深表示， 單位為mm ；或用一定時(shí)段內(nèi)的日平均值表示，單位為mm/d。2直接測(cè)定法蒸發(fā)皿測(cè)定法1687年英國(guó)天文學(xué)家Halley使用蒸發(fā)器測(cè)定蒸發(fā)量揭開(kāi)了水面蒸發(fā)觀測(cè)的序幕。蒸 發(fā)皿測(cè)定法主要包括大型蒸發(fā)池和小型蒸發(fā)器。大型蒸發(fā)池（E20面積20m2或E100面積 100m2）的蒸發(fā)資料雖然能夠代表大水體的實(shí)際水面蒸發(fā)，但由于造價(jià)太高，不可能所有 蒸發(fā)站網(wǎng)都推

4、廣使用；而小型蒸發(fā)器具有代表性（與自然水體蒸發(fā)量接近、穩(wěn)定性（偶 然誤差小）和實(shí)用性（經(jīng)濟(jì)實(shí)用易于推廣）的特點(diǎn)。建國(guó)前我國(guó)曾廣泛采用80型有套盆 及無(wú)套盆蒸發(fā)器和20型小型稱重式蒸發(fā)器。20世紀(jì)60年代，在前蘇聯(lián)rrN 3000型蒸 發(fā)器的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，研制出E601型（61.8 cm）蒸發(fā)器在全國(guó)水文部門(mén) 統(tǒng)一采用。不同直徑的蒸發(fā)皿觀測(cè)的蒸發(fā)量與天然水面蒸發(fā)量是有差別的，因此，在計(jì) 算水面蒸發(fā)損失時(shí)，應(yīng)根據(jù)蒸發(fā)折算系數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律和各地對(duì)比觀測(cè)資料的分析成 果，乘以水面蒸發(fā)折算系數(shù)使用。蒸滲儀法蒸滲儀法是一種基于水量平衡原理發(fā)展起來(lái)的植物蒸發(fā)蒸騰量測(cè)定方法。所謂蒸滲 儀法，就

5、是將蒸滲儀（裝有土壤和植物的容器）埋設(shè)于土壤中，并對(duì)土壤水分進(jìn)行調(diào)控， 有效地反映實(shí)際的蒸發(fā)蒸騰過(guò)程；再通過(guò)對(duì)蒸滲儀的稱量，就可以得到蒸發(fā)蒸騰量。目 前，常用的蒸滲儀主要有稱重型和滲漏型兩種。蒸滲儀法是一種直接測(cè)定的方法，其誤差來(lái)源較多。蒸滲儀內(nèi)外土壤的空間變異性、 植物種類及其密度分布差異直接影響蒸滲儀法的精度。蒸滲儀法的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就在于 它能直接測(cè)定蒸發(fā)蒸騰耗水量。3蒸發(fā)計(jì)算公式Dalton公式1802年，英國(guó)的道爾頓（Dalton）根據(jù)亂流擴(kuò)散理論，綜合考慮風(fēng)速、空氣溫度、 濕度對(duì)蒸發(fā)量的影響，提出了道爾頓模型，該模型對(duì)近代蒸發(fā)理論的創(chuàng)立起到了決定性 的作用。E =（e1 - e2 ）

6、*（ ）（1）式中：E 7水面蒸發(fā)量；e1 7水面水汽壓；e 2 地面一定高度處水汽壓；nW ） 風(fēng)速函數(shù)。（1）式說(shuō)明：水汽壓力差反映了蒸發(fā)面的濕度和一定高度上的濕度梯度。又 因溫度的層結(jié)作用直接影響到濕度梯度，所以（e1 - e2）綜合反映了濕、溫兩項(xiàng)要素的作 用。nW）反映渦旋的動(dòng)力作用和水汽交換的強(qiáng)弱。應(yīng)用道爾頓這個(gè)模式，可以根據(jù)各 地大型蒸發(fā)池的觀測(cè)結(jié)果求出各地水面蒸發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式。水量平衡法水量平衡法是計(jì)算陸面蒸發(fā)的最基本方法，在一個(gè)閉合流域內(nèi)，如不考慮相鄰區(qū)域 的水量調(diào)入與調(diào)出，其水量平衡方程可以寫(xiě)作：E = P - R + NW（2）式中：E 一陸面蒸發(fā)量；P 一降雨量；R 一徑

7、流量；AW 蓄水變量。對(duì)于多年平 均情況 AW = 0，則：E = P R（3）因此，只要知道多年平均降水量和徑流量，就可以求得多年平均陸面蒸發(fā)量。由于 降水量和徑流量都可以實(shí)測(cè)，所以這是計(jì)算區(qū)域多年平均陸面蒸發(fā)量較為可靠的方法。水量平衡法常用來(lái)對(duì)其他測(cè)定或估算方法進(jìn)行檢驗(yàn)或校核。它可以適用于非均勻下 墊面條件和各種天氣條件，不受微氣象學(xué)法中許多條件的制約。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 充分考慮了水量平衡各個(gè)要素間的相互關(guān)系，遵循物質(zhì)不滅原則，可以宏觀地控制各要 素的計(jì)算，計(jì)算誤差較小。這種方法也存在一些不足之處，它要求水量平衡方程中各分量的測(cè)定值足夠精確， 且要弄清計(jì)算區(qū)域邊界范圍內(nèi)外的水分交換量，

8、而這些又往往難以做到很精確。這種方 法用于測(cè)定一小塊地或一個(gè)小流域時(shí)精度較高；但當(dāng)流域較大時(shí)，計(jì)算的區(qū)域邊界很難 確定，流域內(nèi)雨量站分布不均等容易導(dǎo)致計(jì)算精度降低。另外，這種方法得到的只是一 個(gè)時(shí)段內(nèi)（通常一周以上）流域總的蒸發(fā)蒸騰量，因而不能反映蒸發(fā)蒸騰量的動(dòng)態(tài)變化過(guò) 程。水熱平衡法水熱平衡法是綜合考慮水量和熱量計(jì)算蒸發(fā)量的一種方法。決定陸面蒸發(fā)的主要因 索是水分供應(yīng)條件或蒸發(fā)面的濕潤(rùn)程度及蒸發(fā)能力，降水量是反映陸面水分供應(yīng)條件的 指標(biāo)，輻射平衡是代表可能供應(yīng)蒸發(fā)的潛在熱能，可以近似地反映蒸發(fā)能力的大小，這 是水熱平衡法的基本思路。代表性的公式有：斯拉伯公式、奧里杰科普公式和 布德科公式等。

9、微氣象學(xué)方法隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和氣象科學(xué)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理系統(tǒng)日益先進(jìn)，在此基礎(chǔ)之上，微氣象學(xué)方法已發(fā)展成為常見(jiàn)的蒸發(fā)蒸騰測(cè)量測(cè)定方法。微氣象學(xué)方法主要包括波文比-能量平衡法、渦度相關(guān)法、空氣動(dòng)力學(xué)法等。3.4.1波文比-能量平衡法1926年Bowen從能量平衡方程出發(fā)，提出了計(jì)算水面蒸發(fā)的波文比-能量平衡模型。該方法的兩大理論支柱是能量平衡原理和邊界層擴(kuò)散理論。假定植物和土壤是一個(gè)蒸發(fā)界面，水分子可以從此界面逸出而進(jìn)入大氣，那么，對(duì)于這個(gè)面的垂直方向上的能量收支平衡可用下式描述:R - G = H + 人 ET（4）式中：R 太陽(yáng)凈輻射；G 土壤熱通量；H 一感熱通量；人.ET 一

10、潛熱通量，人水汽化潛熱，ET 植物蒸發(fā)蒸騰量。波文比定義為（5）綜合式（4）和（5）可得:人.ET = Rn - G1 +P（6）式（6）即為用波文比-能量平衡法估算植物蒸發(fā)蒸騰量的公式，其關(guān)鍵在于波文比p的確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，感熱通量、潛熱通量可表示為:人.et = paCk 隹Y v dz（7）（8）式中：P 一空氣密度；C一空氣定壓比熱；k 一感熱交換系數(shù)；k 一潛熱交換系aPhv數(shù)；Y 一濕度計(jì)常數(shù)。根據(jù)雷諾相似原理，假定感熱和潛熱的交換系數(shù)相等，即k廣七,合并式(5)、式(7) 和式(8)可得：立=丫笠(9)de / dzAe利用波文比系統(tǒng)測(cè)得氣，G，A和Ae后，就能夠計(jì)算出該區(qū)域的

11、潛熱通量和相應(yīng) 的植物蒸發(fā)蒸騰量。波文比-能量平衡法素以物理概念明確、計(jì)算方法簡(jiǎn)單而著稱，且對(duì)大氣層沒(méi)有特 別的要求和限制。該法只需要兩個(gè)高度的要素觀測(cè)值，不用求湍流交換系數(shù)，而且精度 較高，可作為其他蒸發(fā)蒸騰量測(cè)定方法的準(zhǔn)判別標(biāo)準(zhǔn)。但是，使用波文比系統(tǒng)觀測(cè)的區(qū) 域要具有開(kāi)闊、均一的下墊面，且天氣平穩(wěn)少變，輻射和風(fēng)速都沒(méi)有過(guò)于劇烈的變化。 該模型長(zhǎng)期以來(lái)得到了較好的應(yīng)用，但在下墊面極為潮濕或平流逆溫條件下，計(jì)算結(jié)果 偏低，精度下降。3.4.2渦度相關(guān)法渦度相關(guān)法建立在澳大利亞微氣象學(xué)家Swinbank在1951年提出的渦度相關(guān)理論的 基礎(chǔ)之上，是一種通過(guò)直接測(cè)定和計(jì)算下墊面感熱和潛熱的湍流脈動(dòng)

12、值而求得植物蒸發(fā) 蒸騰量的方法。計(jì)算公式如下：h = p C WT(10)X. ET = rkpWqi(11)式中：X 7水汽化潛熱；H 感熱通量；X - ET 潛熱通量；p 空氣密度；Cp 空氣的定壓比熱；t，討，q 一垂直溫度、風(fēng)速和濕度脈動(dòng)值。渦度相關(guān)法的誤差可能來(lái)源于理論假設(shè)與客觀實(shí)際的偏差，也可能由儀器設(shè)備本身 或使用不當(dāng)造成。由于感應(yīng)頭、記錄儀的頻率響應(yīng)特性限制及有限的觀測(cè)時(shí)間，不可能 觀測(cè)到對(duì)垂直通量起作用的整個(gè)湍流頻率范圍，主要表現(xiàn)在對(duì)高頻部分的截?cái)?，其高頻 損失程度還與儀器架設(shè)高度、大氣穩(wěn)定度有關(guān)。另外，測(cè)量垂直風(fēng)速脈動(dòng)量時(shí)，儀器安 裝傾斜也可能導(dǎo)致誤差。與其他方法相比，渦度

13、相關(guān)法不是建立在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系基礎(chǔ)之上的，而是嚴(yán)格依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)而來(lái)，其物理學(xué)基礎(chǔ)最為完備。它通過(guò)直接測(cè)量各種物理屬性的湍流脈 動(dòng)值來(lái)確定交換量，不受平流限制，具有較高的精度和良好的穩(wěn)定性。它只需要在一個(gè) 高度上進(jìn)行觀測(cè)，作業(yè)非常靈活，而且儀器的可移動(dòng)性強(qiáng)，在森林等高桿植物或高粗糙 度地表安裝很方便，使其應(yīng)用更加廣泛。但是，由于是一種直接測(cè)定技術(shù)，所以不能解 釋植物蒸發(fā)蒸騰的物理過(guò)程和影響機(jī)制。另外，對(duì)干旱缺水地區(qū)，因空氣中水汽含量較 少，測(cè)出的植物蒸發(fā)蒸騰量往往誤差較大。3.4.3空氣動(dòng)力學(xué)法空氣動(dòng)力學(xué)法（紊流擴(kuò)散法或質(zhì)量遷移法）是基于地面邊界層梯度擴(kuò)散理論，由 Holzman和Thorn

14、thwais e于1939年首次提出。它認(rèn)為：近地面層溫度、水氣壓和風(fēng)速等 各種物理屬性的垂直梯度受大氣傳導(dǎo)性制約，可根據(jù)溫度、濕度和風(fēng)速的梯度及廓線方 程，求解出潛熱和熱通量。該方法的假定只在均勻下墊面條件下成立，且需要能夠正確地測(cè)定植物上方不同高 度處的氣壓，對(duì)下墊面及空氣穩(wěn)定度要求嚴(yán)格，否則誤差較大；在測(cè)定范圍上受到極大 的限制，不適宜大面積的應(yīng)用。但該方法對(duì)于了解蒸發(fā)的物理過(guò)程、機(jī)制以及蒸發(fā)的動(dòng) 態(tài)變化過(guò)程有深遠(yuǎn)影響。Penman-Monteith 方法1948 Penman1948 Penman法是依據(jù)能量平衡和紊流擴(kuò)散原理導(dǎo)出的計(jì)算參考作物騰發(fā)量的方法。目前該方法仍為濕潤(rùn)下墊面蒸散

15、計(jì)算的主要方法。該方法需要?dú)鉁?、相?duì)濕度、日照時(shí) 數(shù)、風(fēng)速等資料計(jì)算參考作物騰發(fā)量，具體計(jì)算公式為：ET =0(R -G)+ 6.43+ 0.537旦2)C -e )A+y(12)a式中：R 凈輻射，MJ2 .）；G 土壤熱通量，MJm2 .）；e ， e 氣溫 為T(mén)時(shí)的水汽壓和飽和水汽壓，kp.；七一高度2m處的風(fēng)速，m / s ； X 一水的汽化潛熱,MJ / kg。3.5.2 FAO-24 PenmanFAO-24 Penman法是1948 Penman方程的一修正式，它包含了 一更敏感的風(fēng)函數(shù), 需要資料與1948 Penman法相同，具體計(jì)算公式如下：ET = A (R - G)+

16、6.43 G + 0.862旦)C - e ) /X(13)0A + Y nA + Y2 s a /3.5.3 Penman-Monteith 方法Penman-Monteith法以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ),既考慮了空氣動(dòng)力學(xué)和輻 射項(xiàng)的作用，又涉及了作物的生理特征，彌補(bǔ)了 Penman法忽略土壤對(duì)水汽傳輸?shù)谋砻孀?力作用的缺點(diǎn)；同時(shí)也不用改變?nèi)魏螀?shù)即可適用于世界各個(gè)地區(qū)，估值精度較高且具 有較好的可比性，只是所需參數(shù)過(guò)多，需要專門(mén)的氣象站進(jìn)行觀測(cè)。1998年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng) 組織(FAO)推薦將其作為計(jì)算參考作物騰發(fā)量的唯一標(biāo)準(zhǔn)方法，該方法和1948 Penman法 需要相同的數(shù)據(jù)資料，具體

17、計(jì)算公式為：0.408A(R - G)+Y 900 日(e - e )ET =/ T + 273 2 s_七(14)0A + y(1 + 0.34)2紅外遙感法20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，利用遙感遙測(cè)技術(shù)計(jì)算植被蒸發(fā)蒸 騰量ET的紅外遙感法應(yīng)運(yùn)而生。遙感蒸發(fā)蒸騰量的估算主要是利用可見(jiàn)光、近紅外及 熱紅外波段的反射和輻射信息及其變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)地表參數(shù)(如地表反照率、植被指 數(shù)等)的反演后，結(jié)合近地層大氣的風(fēng)速、溫度和濕度等信息，建立模型進(jìn)行求取。目前所發(fā)表的模型主要?dú)w為統(tǒng)計(jì)模型和物理模型兩大類。各模型的共同點(diǎn)在于都需 要首先反演地表反照率和地表溫度，再求得地表可利用能量，然后

18、或者利用簡(jiǎn)單的參考 蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算公式計(jì)算，或者進(jìn)一步推算感熱通量，再利用能量平衡方程求得植被蒸 發(fā)蒸騰量。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展及遙感信息定量化研究的不斷深入，遙感技術(shù)在計(jì)算植被蒸發(fā) 蒸騰量，特別是大、中尺度范圍的ET時(shí)空分布中，其優(yōu)越性已日益彰顯。主要表現(xiàn)在:由于遙感技術(shù)可以不斷地提供不同時(shí)空尺度的地表特征信息，因而利用這些信息 可以將ET計(jì)算模型外推擴(kuò)展到缺乏詳盡氣象資料的區(qū)域尺度，反映出區(qū)域同一時(shí)刻的 ET分布。(2)由于它是通過(guò)植被的光譜特性、紅外信息結(jié)合微氣象參數(shù)來(lái)計(jì)算蒸發(fā)蒸 騰量，從而擺脫了微氣象學(xué)法因下墊面條件的非均一性而帶來(lái)的以“點(diǎn)”代“面”的局 限性，進(jìn)而為區(qū)域蒸發(fā)蒸騰計(jì)算開(kāi)辟

19、了新途徑。(3)相對(duì)于在地面布設(shè)一些稀疏點(diǎn)來(lái) 進(jìn)行觀測(cè)而言，應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行區(qū)域尺度植被蒸發(fā)蒸騰量的監(jiān)測(cè)計(jì)算較為經(jīng)濟(jì)和高 效。近些年來(lái)，雖然在非均勻及稀疏植被下墊面能量傳輸機(jī)制的研究方面取得了較大的 進(jìn)展,但在遙感信息與蒸發(fā)蒸騰機(jī)理模型的鏈接中仍存在一些問(wèn)題：地表溫度的反演問(wèn)題。熱紅外傳感器探測(cè)的是地表輻射溫度又稱為地球表面 的“皮膚”溫度(Skin Temperature)。然而，地表遠(yuǎn)非“皮膚”狀或均一的二維實(shí)體，各 樣的組分及其各異的幾何結(jié)構(gòu)均增加了地表真實(shí)溫度的反演難度。蒸發(fā)蒸騰模型中利用 遙感地表溫度或代替較難獲得的空氣動(dòng)力學(xué)溫度計(jì)算感熱通量，或進(jìn)行一些參數(shù)的計(jì)算 (如W D I )。因而,地表溫度的反演準(zhǔn)確度直接影響著蒸發(fā)蒸騰量估算的精確度。尺度問(wèn)題。包括時(shí)間延拓和空間延