河北省水面蒸发特性分析

河北省水面蒸发特性分析
摘要：利用河北省46个水面蒸发站1951（或建站）～2010年60年的蒸发资料，按不同器皿逐月点绘了折算系数分区图，将全省划分为六个分区，分析了20 cm口径蒸发皿与E601型蒸发器水面蒸发折算系数。

把不同类型的蒸发器资料均换算成E601型蒸发器资料，从地区分布、时程分配等方面阐述了全省水面蒸发量的特点；蒸发量呈南部大于北部，平原大于山区的地区分布特征；年蒸发量呈下降趋势，年际变化较为明显,60年代蒸发量最大，减少的变异年份出现在1983年。

关键词：水面蒸发量；折算系数；地区分布；时程分配；河北省
0 引言
蒸发量是水平衡计算中的主要支出项。

各种蒸发损失量的计算都是以水面蒸发观测资料为依据，先通过蒸发折算系数，将不同口径蒸发量观测值折算成国家规定标准蒸发器或天然水体的蒸发量，然后再进行陆面蒸发、潜水蒸发等项计算，由此可知水面蒸发的观测和规律分析就显得非常重要。

河北省水文系统开展水面蒸发量的观测已有60多年的历史，建国前水面蒸发观测点有24处，建国后发展到现有蒸发站近50处。

水面蒸发是水循环过程中的一个重要环节，随着国民经济的不断发展，人为活动影响环境较大，水资源的开发、利用急剧增长，水面蒸发也发生了变化。

1 研究区域自然环境概况
河北省处于首都北京和天津的周围，地理位置在北纬36°03′—42°40′，东径113°27′—119°50′之间。

地处华北，漳河以北，东临渤海北京周边，西为太行山地，北为燕山山地，燕山以北为张北高原，其余为河北平原，全省面积18.77万平方公里。

河北省背山面海，地势呈西、北高，东、南低、燕山与太行山自河北省的东北部起，逐渐经北部与西部，一直延伸到省的南端，呈弧形环抱平原，将全省分为两个截然不同的地貌区。

即：弧状山脉的北部和西部为山地、高原和山间盆地；弧状山脉的南部和东部为平原和滨海。

根据地貌成因及形态特征分为：坝上高原，山地，山间盆地，平原。

河北省属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，四季分明。

冬季寒冷干燥、雨雪稀少；春季冷暖多变，干旱多风；夏季炎热潮湿、雨量集中；秋季风和日丽，凉爽少雨。

河北省光照资源丰富，年总辐射量为4854～5981兆焦/平方米，年日照时数2319～3077小时；南北热量差异较大，年平均气温为 1.8～14.2℃。

全省平均气温由北往南，由坝上、山地向平原逐渐增高，北部坝上高原年平均气温低于4℃，南部平原地带年平均气温在12℃以上。

年无霜冻期81～204天。

全省风速以太行山、燕山山地和山前区为最小，多年平均风速为2～3米每秒，滨海和坝上区为最大，多年平均风速为4～5米每秒；其他地区介于两都之间。

相对湿度分布以太行山山地和燕山背风区为最小，多年平均相对湿度50%～55%；坝上和滨海为最大，多年平均相对湿度为60%～65%。

降水分布不均，年降水量为215～745毫米，总的趋势是东南部多于西北部，6～9月份的降水量约占全年总降水量的80%左右[1]。

2 资料来源及冬季观测方法
本文所用资料为河北省46个水文站自1951年（或建站）至2010年的2700站年水面蒸发资料，平均4080平方公里一站。

其中海河流域选用站42处，平均4085平方公里一站；内陆河流域4处，平均2914平方公里一站；辽河流域无水面蒸发站。

选用的蒸发站资料质量较好，面上分布均匀，蒸发站使用的仪器主要为20cm口径蒸发皿和E601型蒸发器。

全省蒸发器皿演变过程：1950年前全省蒸发站24处，口径全部为20cm蒸发皿(承德地区为铜质，其它地区全部为铁质)；五十年代末到六十年代初非冰期用口径80cm蒸发器；从1963年开始使
用E601型蒸发器；1981年后绝大部分站改为冰期用20cm铜蒸发皿，非冰期用E601型蒸发器[2]。

为探求不同蒸发器皿对E601蒸发器的折算系数，1982年河北省设对比观测站12个（山区、平原各6个），各站共设20cm铜皿12个与E601蒸发器对比观测。

在北方地区，冬季水面蒸发的对比观测受冰冻影响，为了取得结冰期和消冰期的对比观测资料，需要加强冰期的对比观测。

具体做法是：（1）在结冰初期和融冰后期，蒸发器内的冰体处于自由漂浮状态，不论冰体多少，均按非冰期的要求每天定时观测蒸发量。

（2）在初冰期尽量延长观测时间，当8时蒸发器内结有完整薄冰盖或部分冰层连结在器壁上时，用冰钻或斧头轻轻砸离器壁，使水面呈自由漂浮状，仍按非冰期的要求进行观测。

（3）从进入稳定封冻期到消冰之日，有的站观测封冻期的总蒸发量，然后按总日数平均分配，可得到封冻期的月蒸发量；有的站用称重法每日观测（如崇礼站）；有的站每隔一定时间用冰钻打开冰层观测一次总蒸发量（如峪门口、土门楼、朱庄等站）。

（4）从结冰期开始，采取适当措施防止仪器冻裂。

3 水面蒸发量的折算系数分析
河北省水文部门自五十年代以来曾先后使用过20cm口径蒸发皿、80cm口径蒸发皿、E601型蒸发器来测定水面蒸发量。

为此，必须推求不同器皿所观测的水面蒸发量对标准蒸发器的折算系数。

E601型蒸发器是可以代表天然水体水面蒸发量的标准仪器[3]。

根据12个对比站水面蒸发资料分析的多年平均的月、年蒸发折算系数，按不同器皿逐月点绘折算系数分区图，从分区情况看，同月不同器皿的分区情况不太一致，根据各对比站位置，参照气象要素的地理分布，对全省进行折算系数分区；大致将全省划分为六个区：长城以北、蓟运河以西、蓟运河东滦河西、滦河以东、大清河水系、子牙南运河水系。

然后根据计算结果和分区情况确定各分区不同水面蒸发器皿对E601蒸发器的月、年折算系数[4]。

20cm口径铜蒸发皿与E601型蒸发器的水面蒸发量折算系数见表1。

图1 各区20cm口径铜蒸发皿与E601型蒸发器水面蒸发量逐月折算系数
Fig.1 The 20cm copper evaporating dish and E601 type evaporator of water surface evaporation in
monthly conversion coefficient
从图1来看20 cm口径蒸发皿与E601型蒸发器水面蒸发量折算系数，蓟运河及滦河西、长城以北呈单峰线，滦河以东、大清河水系、子牙南运河水系、全省平均呈双峰线。

年内变化秋季高于春季，地区分布为由南向北递减，平原区的折算系数大于山区，大体为以蓟运河以西与长城以北为包围带状。

年折算系数是长城以北采用0.61，蓟运河以西采用0.63，其他分区采用0.65。

长城以北、大清河水系折算系数没有变化，蓟运河及滦河西折算系数变大，滦河以东、子牙南运河水系折算系数变小。

4 水面蒸发特性分析
4.1 资料系列代表性分析
本文选用均匀分布在全省、蒸发场地较规范、实测系列大于35年且连续的22个水面蒸发站，从建站到2010年共1203站年的实测资料。

采用水文频率计算、累积平均值计算、滑动平均值计算、长短系列对比计算等方法[5]，确定了河北省水面蒸发计算分析合适的系列长度为1981-2010年。

4.2 蒸发量地区分布情况
对水面蒸发站20cm口径蒸发皿的资料折算为E601型蒸发器观测值，用软件surfer8.0绘制出河北省多年平均（1981～2010年）水面蒸发量等值线图（见图2）。

图2 多年平均水面蒸发量等值线图
Fig.2 The average years of evaporation from water surface contour map
由该图看出，河北省多年平均年水面蒸发量呈现南部大于北部，平原大于山区的地区分布特征。

北部多年平均蒸发量一般在800～900毫米左右，而南部达到1100～1200毫米。

滦河上游的小滦河以东与伊逊河以西之间，年平均水面蒸发量小于900毫米，山区在1000毫米左右，其下游的平原地区在1000毫米以上；永定河、潮白河流域内年平均水面蒸发量在800-1000毫米之间，下游的固安、永清、霸州一带大于1000毫米；大清河及其以南地区年平均水面蒸发量在1100毫米左右，但拒马河上游至蔚县一带小于900毫米。

滏阳河以东，南运河以西的阜城、枣强、南宫、巨鹿、广宗一带大于1130毫米，是全省年平均蒸发量的高区。

北部的高值区在滦河、潮白蓟运河的下游燕山迎风地带，年蒸发量在1100mm左右。

从各年代蒸发量空间分布的空间变化来看，高值区逐渐缩小，低值区先缩小后扩大的趋势。

自50年代至90年代，蒸发量在1100mm以上的高值区由平原中南部大部地区逐渐缩小为局部地区，中心最大值也由1333mm减小为998mm。

各流域分区多年平均水面蒸发量见表1。

表2 各流域分区多年平均水面蒸发量
Table 2 The river basin the average years of water surface evaporation
4.3 年内分配
河北省地处北温带半干旱半湿润气候区，受季风的影响，四季分明。

水面蒸发受气象要素如气温、湿度、风速等综合影响，也有明显的季节变化。

由图3可知：全省水面蒸发量为单峰型分布，5、6月蒸发量最大，两个月水面蒸发量约占全年的三分之一；1、12月蒸发量最小，两个月的蒸发量仅占全年的5%左右。

这是因为春季多大风天气，干旱少雨，饱和差大，加上日照多，升温快，蒸发速度增加，而雨季一般在六月下旬才开始，有时推迟到七月，初夏气温高、干热，有利于蒸发；夏季月份虽然温度高，但阴雨天气多，蒸发量反而不如5、6月；冬季温度最低，蒸发量最少。

表3 各流域多年平均逐月水面蒸发量
Table 3 The basin multi-year average monthly evaporation
流域分区1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月滦河、河北沿海17.3 24.0 53.0 113.9 144.6 133.4 109.3 100.4 92.1 73.2 36.7 17.2
潮白河、蓟运河12.7 21.4 49.6 100.5 134.1 132.4 106.9 93.8 83.4 63.5 31.2 13.4 内陆河8.3 15.9 39.6 93.9 149.2 141.4 116.1 98.2 85.1 75.7 30.4 10.4
永定河11.5 18.8 45.3 94.4 131.7 132.9 115.7 99.3 84.1 65.2 32.7 12.1
大清河21.7 28.7 61.5 114.4 135.5 137.5 108.9 93.3 83.0 66.5 38.6 21.9
子牙河23.5 28.8 67.2 118.8 138.5 150.2 119.1 104.4 88.8 67.0 37.9 22.9
南运河23.1 30.8 69.7 123.9 149.1 159.7 128.3 109.6 101.7 76.8 39.0 22.2
全省18.1 24.9 56.1 111.7 140.1 137.9 112.0 99.4 88.6 69.5 36.2 18.1
图3 各流域多年平均逐月水面蒸发量
Fig.3 The basin multi-year average monthly evaporation
4.4 年际变化
河北省年平均蒸发量呈波动式下降趋势（见图4），这与我国大多数地区的变化趋势是一致的[6～10]。

1983年以前大部分年份高于平均值，1983年以后大多低于平均值[11]。

1965年蒸发量为近60年来最高值1227.0mm，超出平均值27%；最低值出现在2010年777.3mm；变化幅度达449.7mm,极值比为1.58。

月水面蒸发量越大，其年际变化也越大；7月份变幅最大，1月份变幅最小。

水面蒸发量逐渐减小的趋势在6、7月表现得最为突出。

图4 年平均水面蒸发量逐年变化曲线
Fig.4 The annual average evaporation amount year after year to change curve
4.5 年代际特征分析
表4 各年代年平均水面蒸发量
Table 4 The annual average evaporation
年代1951～1959 1960～1969 1970～1979 1980～1989 1990～1999 2000～2010 最大变幅平均蒸发量(mm) 985.2 1096.7 999.3 948.5 905.0 876.5 220.2
从表4可知，全省年蒸发量在60年代最大，而后逐渐下降，最大变幅为220.2mm。

由于平原区人类活动更为剧烈，故变异年份在平原区也相对提前。

平原区蒸发量减少的变点大多出现在1983年左右，但是有的站点在70年代初就出现了减少变点。

联合国政府间气候变化专门委员会第四次评估报告（IPCC AR4）指出，近100年（1906～2005年）地球表面气温上升了0.74℃（0.56～0.92℃），全球气候呈现以变暖为主要特征的显著变化[12～13]。

一些观点认为全球气候变暖可能会使大气变干、陆地水体蒸发量增大,加速全球水循环。

但目前通过对60年蒸发量变化的分析表明,气温上升不但没有使水面蒸发量增加,反而使其呈减小的趋势,特别是从上世纪60年代初期以后,减小趋势尤为明显。

5 结语
水面蒸发资料是水资源评价的一项基本资料。

利用1951～2010年实测资料分析近60年河北省水面蒸发量呈波动式持续下降的态势。

年代际特征明显，年蒸发量在60年代最大，而后逐渐下降。

蒸发量减少的变点年份出现在1983年左右。

全省水面蒸发量年内分配为单峰型分布，5、6月蒸发量最大；1、12月蒸发量最小。

区域差异显著，多年平均年水面蒸发量呈现南部大于北部，平原大于山区的地区分布特征。