前言

蒸散发是发生在具有水分子的物体表面上的一种分子运动现象，包括蒸发和散发。蒸发是指水由液态或固态转化为气态的过程，散发是指被植物根系吸收的水分经由植物的茎叶散逸到大气中的过程。

蒸散发是水量平衡和能量平衡的重要变量。全球陆地表面的降水有70％通过蒸散发作用回到大气中，在干旱区甚至能达到90％；同时，蒸散发过程是一个吸热过程，吸收的热量大约占地表可利用能量的59％，即能量平衡中由蒸散发引起的潜热通量占据大部分比例。

蒸散发过程是水文循环的重要过程，是地表大气和地表之间的“纽带”，同时也是大气系统相互作用的重要因素和动态水文循环系统中维持陆面水分平衡的重要组成部分，对大气循环系统中水汽含量、水汽输送及成云致雨有重要影响。

近年来人类活动和气候变化对水循环要素的影响显著，水文循环模拟是探求气候变化对水资源影响的重要手段，而其中的蒸散发估算是水文循环模拟的关键过程。基于水文循环模拟估算实际蒸散发量，考虑了水量和能量两个方面的影响，且时间和空间尺度相对灵活，能够满足水资源评价与水资源管理等的需求。而现有的水文模型中蒸散发估算方法种类繁多，对资料输入要求也不尽相同，对输出结果的准确性鲜有比较。

蒸散发作为潜热通量，是决定天气和气候条件的重要因子，在水循环和气候演变中具有重要作用，尽管对蒸散发问题的研究已有很长的历史，但由于其本身机理的复杂性，对蒸散发的研究相对水循环其他环节还很薄弱。

气候变化对水资源的影响是多方面的，比如水资源空间格局的改变、水文极端事件增加等，这进一步影响水资源安全和粮食安全等。而气候变化对水资源的影响主要通过蒸散发环节改变水文循环其他要素进而对水资源造成影响，为了弄清楚气候变化如何对水资源造成影响、造成什么样的影响，必须首先搞清楚蒸散发在水文循环中的响应机理。

本书首先对现有水文模型中常用蒸散发估算方法进行汇总分类，然后对常用水文模型的重要输入量——潜在蒸散发分析其对水文模型的适用性及其对气候变化的敏感性；在此基础上，对水文模型中常用的土壤可用水函数进行比较，构建新的土壤可用水函数，并将其嵌入到分布式水文模型DTVGM中，对其模拟效果进行分析；最后采用考虑CO2等环境因子胁迫的Jarvis方法，实现了DTVGM模型水碳耦合模拟。各章内容如下：

第1章对蒸散发研究进展、蒸散发观测和估算方法进行总结回顾。

第2章介绍基于水文循环模拟蒸散发估算中土壤可用水函数和潜在蒸散发，并根据水文循环模拟中蒸散发估算方法的机理刻画程度对其进行分类。

第3章将全国划分为不同的干湿区和温度带，对13种潜在蒸散发估算方法的适用性进行分析。结果表明，在全国范围内Penman-Monteith方法估算效果较好；基于能量的Doorenbos-Pruit方法、Makkink方法、Hargreaves方法在相关性、年际和年内空间分布、年际变化趋势以及参数调整范围四个方面均取得不错估算效果；基于温度的Kaharrafa方法和Blaney-criddle方法在多年均值和年际变化趋势上估算效果较好；基于空气动力学的Penman方法和Rower方法在多年均值和年内四季分布中表现较好。

第4章分析了潜在蒸散发估算方法的气候敏感性。结果显示，Penman-Monteith方法考虑了相对湿度、温度、太阳短波辐射和风速四个气候因子，其敏感性由强到弱依次为相对湿度、温度、太阳短波辐射和风速，该方法能综合反映气候变化对潜在蒸散发量变化的影响；基于能量的方法基本能反映主要气候因子变化对潜在蒸散发的影响，而基于温度和空气动力学的方法，由于考虑气象要素单一，仅能反映气候变化某一方面的影响。

第5章研究了水文循环模拟中常用蒸散发估算方法响应机理。根据其物理机理的强弱将其分为整体折算法和分类汇总法两类。整体折算法是以土壤可用水函数为核心，将潜在蒸散发进行折算；分类汇总法是以Penman-Monteith方法为基础，按不同下垫面进行汇总。在分析了整体折算法和分类汇总法应用现状和问题的基础上，预估它们分别朝着简单实用和复杂机理化两个方向发展。其中概念性集总式水文模型、系统模型、松散的分布式水文模型一般采用整体折算方法来估算流域蒸散发量。具有物理机制紧密耦合的分布式水文模型一般采用分类汇总法估算流域蒸散发量。比较分析水文循环模拟中常用的10种土壤可用水函数的曲线与实际蒸散发量随土壤可用水量变化的理论曲线对比关系；在此基础上，构建基于Logistic分布的土壤可用水函数。

第6章建立了基于DTVGM模型和环境因子响应的Jarvis冠层阻抗模型的水碳耦合模型。依据非线性水文模型“以简单方法解决复杂问题”的理念，选择既有一定机理和精度，又相对简单实用，且考虑环境因子的冠层阻抗模型Jarvis，以Penman-Monteith方法为链接，实现了DTVGM模型对水碳过程的耦合模拟。以实测的潜热通量、土壤水含量和径流变化过程为基准，对耦合模型的模拟效果在崇陵实验小区进行验证。结果表明，考虑CO2、温度等各种环境因子影响的Penman-Monteith方法能较为准确地描述蒸散发过程，提高蒸散发过程的模拟精度，能够有效改善模型土壤含水量的模拟精度。

基于水文循环估算流域蒸散发综合考虑了能量平衡和水量平衡，在未来将有长足的发展。但也面临一些挑战，潜在蒸散发作为水文循环模拟中的重要输入量，水文模型对潜在蒸散发的敏感性需要进一步分析，同时当前建立的考虑冠层阻抗的耦合模型仅在点尺度和小区尺度进行了验证，还需要在流域尺度上进一步验证，同时对耦合的不确定性需要分析确定。

笔者在研究分析和撰写本书的过程中，得到了夏军院士和许崇育院士的悉心指导，他们为本书的编写提供了许多宝贵建议；硕士研究生杨兴和伍海参与了书稿的文字校核工作，在此一并表示感谢。

本书得到了国家自然科学基金项目NO.41771044、NO.41571028，广东省水利厅水利科技创新项目NO.2016-14，广东省科学院发展专项资金项目NO.2019GDASYL-0104003，广东省科技计划专项项目NO.2018B030324002、NO.2018B030324001的资助，在此表示感谢。

限于时间和本人的学术水平，本书目前的分析只是初步成果，许多分析还有待进一步深入和完善，同时，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

作者

2019年4月