淮河流域潛在蒸散量的變化特征及其與氣候因子的關(guān)系分析
——以蚌埠市為例

姜 敏， 高 磊

(1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇南京 210013)

?

淮河流域潛在蒸散量的變化特征及其與氣候因子的關(guān)系分析
——以蚌埠市為例

姜 敏1， 高 磊2

(1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇南京 210013)

[目的]探明淮河流域水分盈虧與氣候的內(nèi)在聯(lián)系。[方法]以蚌埠市為例，利用FAO推薦的Penman-Monteith方法計(jì)算該地區(qū)2006—2015年逐日潛在蒸散量，分析潛在蒸散的年均、月均變化特征，以及與風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)、氣溫等氣候因子旬平均值的關(guān)系。[結(jié)果]近10年蚌埠市潛在蒸散發(fā)接近多年平均降雨量，總體呈下降趨勢(shì)，但近3年起伏較大；蒸散量年內(nèi)分布不均，呈單峰型，夏季多、冬季少，與降雨期基本同步；氣溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)潛在蒸散的影響最大，降雨量對(duì)其間接產(chǎn)生影響，而風(fēng)速對(duì)其影響不大。[結(jié)論]該研究可為該地區(qū)緩解水資源供需矛盾、合理制定用水計(jì)劃提供參考。

淮河流域；潛在蒸散量；變化特征；氣候因子；相關(guān)關(guān)系

淮河流域尤其是安徽蚌埠等沿淮地區(qū)由于地處氣候過(guò)渡區(qū)，受季風(fēng)氣候作用，氣象要素的時(shí)空分布常發(fā)生變異，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害頻繁[1]。對(duì)于水資源平衡而言，其中不僅有氣溫和降水變化的影響，蒸散也發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。蒸散是土壤、水面蒸發(fā)和植被蒸騰過(guò)程的總和，是聯(lián)系熱量平衡與水分平衡的紐帶，也是水文循環(huán)的主要支出項(xiàng)，與降水、徑流一起決定著一個(gè)地區(qū)的水量平衡，其作為全球水循環(huán)的重要成分和影響氣候變化的主要因素一直倍受關(guān)注。蒸散是地表能量平衡與水量平衡的基本參數(shù)，對(duì)于區(qū)域小氣候研究和水資源管理具有重要指示意義?；春恿饔蛴绕涫前霾旱妊鼗闯鞘谐Ｓ泻禎硽夂?yàn)?zāi)害發(fā)生，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有較大影響，因此研究該地區(qū)的蒸散規(guī)律以掌握水分收支狀況顯得極為迫切。筆者以蚌埠市為例，基于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)最新推薦的Penman-Monteith方法[2]，利用蚌埠氣象臺(tái)站2006—2015年逐日氣象觀測(cè)資料，估算該地區(qū)近10年來(lái)潛在蒸散量狀況，分析了潛在蒸散的年際、年內(nèi)變化趨勢(shì)，并初步探討了氣溫、日照、風(fēng)速等氣候因子對(duì)其的影響，以期為以后研究該地區(qū)的氣候規(guī)律、緩解水資源供需矛盾、合理制定用水計(jì)劃等提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 蚌埠地處淮河流域中部，位于皖北黃淮平原與江南丘陵的過(guò)渡區(qū)，平原面積占總面積的84%，年平均氣溫15.1 ℃，年平均降水量905.4 mm，屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候與南溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)的過(guò)渡帶，冷暖氣團(tuán)活動(dòng)交鋒頻繁，常發(fā)生旱澇氣候?yàn)?zāi)害，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很大影響[3]。

1.2 潛在蒸散量及其計(jì)算 潛在蒸散(ET0)也稱參考作物蒸散，是特定氣候條件下的最大可能蒸散量，也是計(jì)算實(shí)際蒸散量的基礎(chǔ),已被廣泛應(yīng)用于氣候[4-5]、水資源[6]等研究中。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，一般是通過(guò)計(jì)算其與作物系數(shù)的乘積來(lái)確定某種作物的需水量[7]。因此，精確地估算潛在蒸散量，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、制定地區(qū)水利規(guī)劃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但潛在蒸散受眾多因素的影響，在較大區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)際測(cè)定難以實(shí)現(xiàn)，所以通常采用模型進(jìn)行估算。計(jì)算潛在蒸散量的方法很多,歸納起來(lái)大致可分為經(jīng)驗(yàn)公式法、水分平衡法、能量平衡法和綜合法等[8-10]。各國(guó)研究者對(duì)這些計(jì)算方法進(jìn)行應(yīng)用、比較，認(rèn)為Penman-Monteith法是目前計(jì)算ET0最可靠的手段[11-13]。該方法以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，既含有提供蒸散發(fā)熱量來(lái)源的輻射項(xiàng)和蒸散發(fā)驅(qū)動(dòng)力來(lái)源的空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)，又涉及作物的生理特征，同時(shí)計(jì)算結(jié)果僅取決于當(dāng)?shù)貧夂驐l件，與作物種類、土壤類型等因素?zé)o關(guān)，較好地反映了該氣候條件下大氣對(duì)水分的需求狀況，因此成為FAO唯一認(rèn)可并推薦的標(biāo)準(zhǔn)蒸散量估算模型，其公式如下：

1.3 資料來(lái)源 收集了蚌埠氣象臺(tái)站2006—2015年逐日氣象觀測(cè)資料，主要包括日輻射量、降水量、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫，平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等，采用上述的Penman-Monteith公式計(jì)算得到該地區(qū)近10年的逐日潛在蒸散量。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚌埠地區(qū)潛在蒸散量的變化特征

2.1.1 年際動(dòng)態(tài)變化。從圖1可以看出，近10年來(lái)蚌埠地區(qū)年潛在蒸散量均在900 m以上，最大值為1 091 mm(2007年)，最小值為923 mm(2014年)，平均年蒸散量為1 010 mm，10年內(nèi)潛在蒸散量差值最大可達(dá)168 mm。前5年變化趨勢(shì)總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，除2007年較2006年略有增加外，此后開始逐年減少，降幅在5%左右；2010年出現(xiàn)次低點(diǎn)，為962 mm，由此繼續(xù)逐年上升，至2013年達(dá)次高點(diǎn)1 063 mm，2014年陡降至923 mm，2015年又驟然回升至1 006 mm，可見近3年波動(dòng)起伏較大。2010、2014年的潛在蒸散量分別比10年平均值減少4.7%和8.6%，具體原因可能由于這2年夏季淮河流域多發(fā)暴雨和洪水，導(dǎo)致局地氣候濕潤(rùn)，地表蒸發(fā)力較往年同期減小。

圖1 2006—2015年蚌埠市潛在蒸散量年變化Fig.1 The change of annual potential evapotranspiration in Bengbu City during 2006-2015

2.1.2 年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化。由圖2可見，蚌埠地區(qū)月潛在蒸散量變化幅度基本上為50～200 mm，呈“金字塔”形：1—2月水分蒸散量很低，一方面是因?yàn)槭苊晒爬涓邏嚎刂?，氣候寒冷干燥，水分?lái)源不足，另一方面由于冬季植被稀疏，土壤表層水分凍結(jié)，導(dǎo)致蒸發(fā)蒸騰量均很少；春季，隨著蚌埠上空北方冷高壓逐漸衰退，南方太平洋副熱帶暖高壓不斷增強(qiáng)，氣溫回升迅速，雨水趨多，土壤解凍，蒸散量逐漸上升，一般3—5月增幅較大；夏季受到東南海洋暖濕氣流影響，降水增多，尤其6月末進(jìn)入梅雨期，降水極為充沛，地表蒸發(fā)水源充足，7月出梅入伏后，天氣高溫干旱，日照足，蒸散量達(dá)全年最高峰；秋季，由于降溫迅速，雨水減少，水分蒸散量隨之減少，至年底降至最低點(diǎn)。

據(jù)10年資料統(tǒng)計(jì)顯示，一年中蒸散量最多的月份集中在6、7、8月，總和約占全年總蒸散量的35%，因此這3個(gè)月的水分蒸散多寡對(duì)全年蒸散枯豐有很大影響。如2010、2014年，6—8月蒸散量均僅有歷史同期水平的80%，導(dǎo)致當(dāng)年總蒸散量較往年大幅減少。與10年月平均值相比，2010、2014年的月均蒸散量分別低5%和9%，年內(nèi)峰值差也比往年小，這與圖2反映的年總蒸散量的變化趨勢(shì)相符。2013年以后，蒸散的年內(nèi)分布規(guī)律更加復(fù)雜，不像往年隨降雨期有一定同步性。尤其2014年，有4個(gè)月的蒸散量比往年同期少20%甚至30%以上，而同期降水量也較往年略偏多，6—8月出現(xiàn)歷史罕見的“涼夏”天氣，較歷史同期偏低1.5 ℃，6、7月份降水偏少，8月份又異常偏多，蒸散量卻較往年同期減少32%。降水增多、蒸散減少這一事實(shí)反映出該地區(qū)的氣候呈現(xiàn)出更加暖濕的趨勢(shì)，降水更加集中，在年內(nèi)時(shí)段上分配不均，短時(shí)強(qiáng)度更大，對(duì)防洪和農(nóng)作物灌溉調(diào)水極為不利。

圖2 2006—2015年蚌埠市潛在蒸散量月變化Fig.2 The change of monthly potential evapotranspiration in Bengbu City during 2006-2015

2.2 影響潛在蒸散量的氣候因子分析 根據(jù)潛在蒸散量的計(jì)算公式可以看出，與蒸散有關(guān)的氣候因子主要有日輻射、氣溫、風(fēng)速等，其中日輻射又與日照時(shí)間有關(guān)，因此該研究將重點(diǎn)分析這些因素對(duì)蚌埠地區(qū)潛在蒸散的影響，考慮到降雨對(duì)地區(qū)氣候背景環(huán)境的效應(yīng)，也將其作為變量同時(shí)進(jìn)行分析。為了消除日變量的偶然性，又不失氣象參數(shù)對(duì)蒸散影響的敏感性，以旬為單位，計(jì)算了各變量10年平均值(圖3)，且通過(guò)計(jì)算潛在蒸散與各氣候因子的相關(guān)關(guān)系分析它們對(duì)蒸散的影響程度。

圖3 2006—2015年蚌埠市潛在蒸散量與和氣候因子的旬平均值Fig.3 Ten-day average of potential evapotranspiration and each climate factor in Bengbu City during 2006-2015

2.2.1 氣溫。從圖3可看出，蚌埠地區(qū)年內(nèi)氣溫的變化趨勢(shì)與潛在蒸散基本一致，呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的分布，它們的相關(guān)系數(shù)也最高，達(dá)0.98，在此基礎(chǔ)上，甚至可以探索用氣溫來(lái)評(píng)估該地區(qū)水分蒸散的狀況，可見其對(duì)蒸散發(fā)的影響明顯。

2.2.2 日照時(shí)數(shù)。由圖3可見，蚌埠地區(qū)旬平均日照時(shí)數(shù)總體上遵循夏半年多、冬半年少的規(guī)律，只是6、7月份(18—21旬)呈減少趨勢(shì)，原因是該時(shí)期陰雨天居多，天空云量覆蓋較大，蒸散在這段時(shí)間內(nèi)也略微呈減少或保持平穩(wěn)的狀態(tài)。日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量之間的相關(guān)系數(shù)為0.76，可見其對(duì)蒸發(fā)量的影響較為明顯。

2.2.3 風(fēng)速。風(fēng)速與潛在蒸散的相關(guān)系數(shù)僅為0.37，重要性明顯不及氣溫和日照時(shí)數(shù)，原因可能與該地區(qū)地勢(shì)平緩，常年風(fēng)速較為穩(wěn)定有關(guān)。3、4月(7—11旬)平均風(fēng)速最大時(shí)，蒸散固然同時(shí)增多，但并未同步達(dá)到最大值，可見水分蒸散除受風(fēng)速的影響外，更與地表水分供應(yīng)狀況等其他因素有關(guān)，是多氣候因子聯(lián)合作用的結(jié)果。

2.2.4 降雨量。盡管蒸散的計(jì)算公式中沒有直接涉及到降雨量，但其實(shí)降雨量的多少與云量相關(guān)，進(jìn)而通過(guò)影響氣溫、日照時(shí)數(shù)、空氣濕度等對(duì)蒸散造成間接影響。降雨量與潛在蒸散的相關(guān)系數(shù)為0.70，可見它們之間的關(guān)系較為密切(圖3)，只是降雨在個(gè)別時(shí)段尤其是初夏雨季的時(shí)候年際變化可能會(huì)很大，因此無(wú)法僅從其多少判斷出蒸散的大小。

2.3 氣候干濕狀況分析 為進(jìn)一步了解蚌埠地區(qū)的氣候干濕狀況，以最接近多年蒸散平均值(1 010 mm)的2008年(1 032 mm)和2015年(1 006 mm)為例，對(duì)各月潛在蒸散量與降雨量進(jìn)行比較。從表1可看出，蚌埠地區(qū)年潛在蒸散總量與年降水總量的比值約為0.9，說(shuō)明全年總降雨量與蒸散需求基本持平，區(qū)域總體上處于水分平衡狀態(tài)。一年中6、7、8月份的比值較低，有的甚至小于1，說(shuō)明當(dāng)年該月雨量較多，完全滿足了蒸散的需求。不過(guò)由于大氣降水出現(xiàn)的偶然性，個(gè)別數(shù)據(jù)也可能存在變異情況。

表1 蚌埠市典型年份各月潛在蒸散量(ET0)與降雨量(Pre.)的變化情況

Table 1 The change of monthly potential evapotranspiration (ET0)and precipitation (Pre.) in typical years in Bengbu City

月份Month2008年Et0Pre.Et0/Pre.2015年Et0Pre.Et0/Pre.119.867.40.343.79.34.7234.46.55.354.526.52.1374.323.13.266.274.60.9496.7155.10.687.551.21.75116.692.71.3101.2106.60.96136.969.12.0124.1378.90.37156.4306.30.5147.399.11.58122.7306.60.4113.8217.40.5998.634.32.996.130.93.11075.526.62.876.424.03.21162.813.24.854.366.20.81237.311.13.441.64.69.0合計(jì)1032.01112.00.91006.71089.30.9

3 結(jié)論

利用FAO Penman-Monteith方法計(jì)算了蚌埠地區(qū)近10年的潛在蒸散量，結(jié)果表明，該地區(qū)年均蒸散量約為1 010 mm，基本接近多年平均降雨量，潛在蒸散量總體呈下降趨勢(shì)，但近3年起伏較大，總體上水分為均衡狀態(tài)；蒸散量年內(nèi)分布不均，呈單峰型，夏季多、冬季少，與降雨期基本同步；與往年相比，2007和2014年年際變化增大，年內(nèi)的分配更加不均，蒸散與降雨出現(xiàn)時(shí)段不耦合。另外，通過(guò)分析各氣候因子與蒸散的相關(guān)性表明，決定該地區(qū)潛在蒸散量的主要因素是氣溫和日照時(shí)數(shù)，降雨量也間接產(chǎn)生影響，而風(fēng)速對(duì)潛在蒸散影響不大；2008和2015年2個(gè)典型年份的潛在蒸散和降雨量比較顯示，蚌埠地區(qū)一年中夏季多雨，全年大氣環(huán)境背景呈濕潤(rùn)狀態(tài)。從蒸散強(qiáng)度以及時(shí)間分布規(guī)律看，蚌埠地區(qū)區(qū)域性氣候波動(dòng)較大，天氣異?，F(xiàn)象(暴雨、干旱等)出現(xiàn)頻率增多，究其原因，除全球性的厄爾尼諾現(xiàn)象影響外，因地區(qū)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)、工業(yè)建設(shè)用地規(guī)模擴(kuò)大，熱島效應(yīng)越來(lái)越明顯，局地小氣候特征發(fā)生變化產(chǎn)生的影響也不可忽視。

[1] 陳小鳳，李瑞，胡軍.安徽省淮河流域旱災(zāi)成因分析及防治對(duì)策[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(8):3459-3462.

[2] ALLEN R G,PEREIRA L S，RAES D，et al.Crop evapotranspiration:Guidelines for computing crop water requirements[R].FAO Irrigation and Drainage,1998:56.

[3] 蚌埠市地方志編撰委員會(huì).蚌埠史志[M].北京:方志出版社，1995.

[4] 楊建平,丁永建,陳仁升,等.近50 年來(lái)中國(guó)干濕氣候界線的10年際波動(dòng)[J].地理學(xué)報(bào),2002,57(6):655-661.

[5] 王菱,謝賢群,李運(yùn)生,等.中國(guó)北方地區(qū)40 年來(lái)濕潤(rùn)指數(shù)和氣候干濕帶界線的變化[J].地理研究,2004 ,23(1):45-54.

[6] 康紹忠,劉曉明,熊運(yùn)章.土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸理論及其應(yīng)用[M].北京:水利電力出版社,1994.

[7] DOORENBOS J,PRUITTt W O.Guidelines for predicting crop water requirement[R].Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations,1977.

[8] PENMAN H L.Estimating evaporation[J].Eos Trans Am Geophys Union,1956,37(1):43-50.

[9] TURC L.Estimation of irrigation water requirements,potential evapotranspiration:A simple climatic formula evolved up to date[J].Ann Agron,1961,12(1):13-49.

[10] HARGREAVES G H,SAMANI Z.Reference crop evapotranspiration from temperature[J].Applied Eng Agric,1985,1(2):96-99.

[11] 毛飛,張光智，徐祥德.參考作物蒸散量的多種計(jì)算方法及其結(jié)果的比較[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2000,11(S1):128-136.

[12] 龔元石.Penman-Monteith公式與FAO-PPP-17 Penman修正式計(jì)算參考作物蒸散量的比較[J].北京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,21(1):68-75.

[13] WILSON K B,HANSON P J,MULHOLLAND P J，et al.A comparison of methods for determining forest evapotranspiration and its components:Sap-flow,soil water budget,eddy covariance and catchment water balance[J].Agricultural and forest meteorology,2001,106(2):153-168.

Variational Behavior of Potential Evapotranspiration in Huaihe River Basin and Its Relationship with Climate Factors—A Case Study in Bengbu City

JIANG Min1,GAO Lei2

(1.Institute of Environmental Planning & Design Co.Ltd,Nanjing University,Nanjing,Jiangsu 210093; 2.Survey Engineering Institute of Jiangsu Province,Nanjing,Jiangsu 210013)

[Objective] The aim was to explore the intrinsic link between moisture and climate in Huaihe River Basin.[Method] With Bengbu City as an example,daily potential evapotranspiration during 2006-2015 was calculated by Penman-Monteith method recommended by FAP.The annual,monthly variation features of potential evapotranspiration were analyzed,as well as its relationship with ten-day average of climate factors such as wind speed,precipitation,sunshine hours,temperature.[Result] The results showed that in recent 10 years,the potential evapotranspiration of Bengbu City was close to the average rainfall for many years,it had a downward trend in general but a big fluctuation in recent 3 years; the distribution of evapotranspiration was uneven within a year,indicating a single peak type,more in summer and less in winter; temperature and sunshine duration had the greatest influence on the potential evapotranspiration,rainfall had an indirect effect and wind speed had little effect on potential evapotranspiration.[Conclusion] The study can provide reference for alleviating the contradiction between water supply and demand,formulating appropriate water use plan.

Huaihe River Basin; Potential evapotranspiration; Variation characteristics; Climate factors; Correlation

姜敏(1983- )，女，山東臨沂人，工程師，碩士，從事生態(tài)環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)等研究。

2016-09-14

S 16

A

0517-6611(2016)29-0186-03