淮河流域潛在蒸散量的變化特征及其與氣候因子的關系分析
——以蚌埠市為例

姜 敏， 高 磊

(1.南京大學環境規劃設計研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

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淮河流域潛在蒸散量的變化特征及其與氣候因子的關系分析
——以蚌埠市為例

姜 敏1， 高 磊2

(1.南京大學環境規劃設計研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

[目的]探明淮河流域水分盈虧與氣候的內在聯系。[方法]以蚌埠市為例，利用FAO推薦的Penman-Monteith方法計算該地區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，以及與風速、降水量、日照時數、氣溫等氣候因子旬平均值的關系。[結果]近10年蚌埠市潛在蒸散發接近多年平均降雨量，總體呈下降趨勢，但近3年起伏較大；蒸散量年內分布不均，呈單峰型，夏季多、冬季少，與降雨期基本同步；氣溫和日照時數對潛在蒸散的影響最大，降雨量對其間接產生影響，而風速對其影響不大。[結論]該研究可為該地區緩解水資源供需矛盾、合理制定用水計劃提供參考。

淮河流域；潛在蒸散量；變化特征；氣候因子；相關關系

淮河流域尤其是安徽蚌埠等沿淮地區由于地處氣候過渡區，受季風氣候作用，氣象要素的時空分布常發生變異，導致旱澇災害頻繁[1]。對于水資源平衡而言，其中不僅有氣溫和降水變化的影響，蒸散也發揮著相當重要的作用。蒸散是土壤、水面蒸發和植被蒸騰過程的總和，是聯系熱量平衡與水分平衡的紐帶，也是水文循環的主要支出項，與降水、徑流一起決定著一個地區的水量平衡，其作為全球水循環的重要成分和影響氣候變化的主要因素一直倍受關注。蒸散是地表能量平衡與水量平衡的基本參數，對于區域小氣候研究和水資源管理具有重要指示意義。淮河流域尤其是蚌埠等沿淮城市常有旱澇氣候災害發生，對農業生產有較大影響，因此研究該地區的蒸散規律以掌握水分收支狀況顯得極為迫切。筆者以蚌埠市為例，基于聯合國糧農組織(FAO)最新推薦的Penman-Monteith方法[2]，利用蚌埠氣象臺站2006—2015年逐日氣象觀測資料，估算該地區近10年來潛在蒸散量狀況，分析了潛在蒸散的年際、年內變化趨勢，并初步探討了氣溫、日照、風速等氣候因子對其的影響，以期為以后研究該地區的氣候規律、緩解水資源供需矛盾、合理制定用水計劃等提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況 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渡區，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，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候與南溫帶半濕潤季風氣候區的過渡帶，冷暖氣團活動交鋒頻繁，常發生旱澇氣候災害，對農業生產有很大影響[3]。

1.2 潛在蒸散量及其計算 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，也是計算實際蒸散量的基礎,已被廣泛應用于氣候[4-5]、水資源[6]等研究中。在農業生產上，一般是通過計算其與作物系數的乘積來確定某種作物的需水量[7]。因此，精確地估算潛在蒸散量，對于指導農業生產、制定地區水利規劃具有重要的現實意義。但潛在蒸散受眾多因素的影響，在較大區域范圍內實際測定難以實現，所以通常采用模型進行估算。計算潛在蒸散量的方法很多,歸納起來大致可分為經驗公式法、水分平衡法、能量平衡法和綜合法等[8-10]。各國研究者對這些計算方法進行應用、比較，認為Penman-Monteith法是目前計算ET0最可靠的手段[11-13]。該方法以能量平衡和水汽擴散理論為基礎，既含有提供蒸散發熱量來源的輻射項和蒸散發驅動力來源的空氣動力學項，又涉及作物的生理特征，同時計算結果僅取決于當地氣候條件，與作物種類、土壤類型等因素無關，較好地反映了該氣候條件下大氣對水分的需求狀況，因此成為FAO唯一認可并推薦的標準蒸散量估算模型，其公式如下：

1.3 資料來源 收集了蚌埠氣象臺站2006—2015年逐日氣象觀測資料，主要包括日輻射量、降水量、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫，平均風速、相對濕度、日照時數等，采用上述的Penman-Monteith公式計算得到該地區近10年的逐日潛在蒸散量。

2 結果與分析

2.1 蚌埠地區潛在蒸散量的變化特征

2.1.1 年際動態變化。從圖1可以看出，近10年來蚌埠地區年潛在蒸散量均在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年內潛在蒸散量差值最大可達168 mm。前5年變化趨勢總體上呈現下降趨勢，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年出現次低點，為962 mm，由此繼續逐年上升，至2013年達次高點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暴雨和洪水，導致局地氣候濕潤，地表蒸發力較往年同期減小。

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 年內動態變化。由圖2可見，蚌埠地區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，一方面是因為受蒙古冷高壓控制，氣候寒冷干燥，水分來源不足，另一方面由于冬季植被稀疏，土壤表層水分凍結，導致蒸發蒸騰量均很少；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，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月末進入梅雨期，降水極為充沛，地表蒸發水源充足，7月出梅入伏后，天氣高溫干旱，日照足，蒸散量達全年最高峰；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。

據10年資料統計顯示，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個月的水分蒸散多寡對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%，導致當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相符。2013年以后，蒸散的年內分布規律更加復雜，不像往年隨降雨期有一定同步性。尤其2014年，有4個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、蒸散減少這一事實反映出該地區的氣候呈現出更加暖濕的趨勢，降水更加集中，在年內時段上分配不均，短時強度更大，對防洪和農作物灌溉調水極為不利。

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 根據潛在蒸散量的計算公式可以看出，與蒸散有關的氣候因子主要有日輻射、氣溫、風速等，其中日輻射又與日照時間有關，因此該研究將重點分析這些因素對蚌埠地區潛在蒸散的影響，考慮到降雨對地區氣候背景環境的效應，也將其作為變量同時進行分析。為了消除日變量的偶然性，又不失氣象參數對蒸散影響的敏感性，以旬為單位，計算了各變量10年平均值(圖3)，且通過計算潛在蒸散與各氣候因子的相關關系分析它們對蒸散的影響程度。

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，蚌埠地區年內氣溫的變化趨勢與潛在蒸散基本一致，呈現“兩頭小，中間大”的分布，它們的相關系數也最高，達0.98，在此基礎上，甚至可以探索用氣溫來評估該地區水分蒸散的狀況，可見其對蒸散發的影響明顯。

2.2.2 日照時數。由圖3可見，蚌埠地區旬平均日照時數總體上遵循夏半年多、冬半年少的規律，只是6、7月份(18—21旬)呈減少趨勢，原因是該時期陰雨天居多，天空云量覆蓋較大，蒸散在這段時間內也略微呈減少或保持平穩的狀態。日照時數與蒸發量之間的相關系數為0.76，可見其對蒸發量的影響較為明顯。

2.2.3 風速。風速與潛在蒸散的相關系數僅為0.37，重要性明顯不及氣溫和日照時數，原因可能與該地區地勢平緩，常年風速較為穩定有關。3、4月(7—11旬)平均風速最大時，蒸散固然同時增多，但并未同步達到最大值，可見水分蒸散除受風速的影響外，更與地表水分供應狀況等其他因素有關，是多氣候因子聯合作用的結果。

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

2.3 氣候干濕狀況分析 為進一步了解蚌埠地區的氣候干濕狀況，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，對各月潛在蒸散量與降雨量進行比較。從表1可看出，蚌埠地區年潛在蒸散總量與年降水總量的比值約為0.9，說明全年總降雨量與蒸散需求基本持平，區域總體上處于水分平衡狀態。一年中6、7、8月份的比值較低，有的甚至小于1，說明當年該月雨量較多，完全滿足了蒸散的需求。不過由于大氣降水出現的偶然性，個別數據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1032.01112.00.91006.71089.30.9

3 結論

利用FAO Penman-Monteith方法計算了蚌埠地區近10年的潛在蒸散量，結果表明，該地區年均蒸散量約為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，但近3年起伏較大，總體上水分為均衡狀態；蒸散量年內分布不均，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，年內的分配更加不均，蒸散與降雨出現時段不耦合。另外，通過分析各氣候因子與蒸散的相關性表明，決定該地區潛在蒸散量的主要因素是氣溫和日照時數，降雨量也間接產生影響，而風速對潛在蒸散影響不大；2008和2015年2個典型年份的潛在蒸散和降雨量比較顯示，蚌埠地區一年中夏季多雨，全年大氣環境背景呈濕潤狀態。從蒸散強度以及時間分布規律看，蚌埠地區區域性氣候波動較大，天氣異常現象(暴雨、干旱等)出現頻率增多，究其原因，除全球性的厄爾尼諾現象影響外，因地區城市經濟發展，城鎮、工業建設用地規模擴大，熱島效應越來越明顯，局地小氣候特征發生變化產生的影響也不可忽視。

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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，從事生態環境影響分析與評價等研究。

2016-09-14

S 16

A

0517-6611(2016)29-0186-03