淮河流域潜在蒸散量的变化特征及其与气候因子的关系分析——以蚌埠市为例

姜 敏， 高 磊

(1.南京大学环境规划设计研究院有限公司，江苏南京 210093；2.江苏省测绘工程院，江苏南京 210013)



淮河流域潜在蒸散量的变化特征及其与气候因子的关系分析
——以蚌埠市为例

姜 敏1， 高 磊2

(1.南京大学环境规划设计研究院有限公司，江苏南京 210093；2.江苏省测绘工程院，江苏南京 210013)

[目的]探明淮河流域水分盈亏与气候的内在联系。[方法]以蚌埠市为例，利用FAO推荐的Penman-Monteith方法计算该地区2006—2015年逐日潜在蒸散量，分析潜在蒸散的年均、月均变化特征，以及与风速、降水量、日照时数、气温等气候因子旬平均值的关系。[结果]近10年蚌埠市潜在蒸散发接近多年平均降雨量，总体呈下降趋势，但近3年起伏较大；蒸散量年内分布不均，呈单峰型，夏季多、冬季少，与降雨期基本同步；气温和日照时数对潜在蒸散的影响最大，降雨量对其间接产生影响，而风速对其影响不大。[结论]该研究可为该地区缓解水资源供需矛盾、合理制定用水计划提供参考。

淮河流域；潜在蒸散量；变化特征；气候因子；相关关系

淮河流域尤其是安徽蚌埠等沿淮地区由于地处气候过渡区，受季风气候作用，气象要素的时空分布常发生变异，导致旱涝灾害频繁[1]。对于水资源平衡而言，其中不仅有气温和降水变化的影响，蒸散也发挥着相当重要的作用。蒸散是土壤、水面蒸发和植被蒸腾过程的总和，是联系热量平衡与水分平衡的纽带，也是水文循环的主要支出项，与降水、径流一起决定着一个地区的水量平衡，其作为全球水循环的重要成分和影响气候变化的主要因素一直倍受关注。蒸散是地表能量平衡与水量平衡的基本参数，对于区域小气候研究和水资源管理具有重要指示意义。淮河流域尤其是蚌埠等沿淮城市常有旱涝气候灾害发生，对农业生产有较大影响，因此研究该地区的蒸散规律以掌握水分收支状况显得极为迫切。笔者以蚌埠市为例，基于联合国粮农组织(FAO)最新推荐的Penman-Monteith方法[2]，利用蚌埠气象台站2006—2015年逐日气象观测资料，估算该地区近10年来潜在蒸散量状况，分析了潜在蒸散的年际、年内变化趋势，并初步探讨了气温、日照、风速等气候因子对其的影响，以期为以后研究该地区的气候规律、缓解水资源供需矛盾、合理制定用水计划等提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 蚌埠地处淮河流域中部，位于皖北黄淮平原与江南丘陵的过渡区，平原面积占总面积的84%，年平均气温15.1 ℃，年平均降水量905.4 mm，属于北亚热带湿润季风气候与南温带半湿润季风气候区的过渡带，冷暖气团活动交锋频繁，常发生旱涝气候灾害，对农业生产有很大影响[3]。

1.2 潜在蒸散量及其计算 潜在蒸散(ET0)也称参考作物蒸散，是特定气候条件下的最大可能蒸散量，也是计算实际蒸散量的基础,已被广泛应用于气候[4-5]、水资源[6]等研究中。在农业生产上，一般是通过计算其与作物系数的乘积来确定某种作物的需水量[7]。因此，精确地估算潜在蒸散量，对于指导农业生产、制定地区水利规划具有重要的现实意义。但潜在蒸散受众多因素的影响，在较大区域范围内实际测定难以实现，所以通常采用模型进行估算。计算潜在蒸散量的方法很多,归纳起来大致可分为经验公式法、水分平衡法、能量平衡法和综合法等[8-10]。各国研究者对这些计算方法进行应用、比较，认为Penman-Monteith法是目前计算ET0最可靠的手段[11-13]。该方法以能量平衡和水汽扩散理论为基础，既含有提供蒸散发热量来源的辐射项和蒸散发驱动力来源的空气动力学项，又涉及作物的生理特征，同时计算结果仅取决于当地气候条件，与作物种类、土壤类型等因素无关，较好地反映了该气候条件下大气对水分的需求状况，因此成为FAO唯一认可并推荐的标准蒸散量估算模型，其公式如下：

1.3 资料来源 收集了蚌埠气象台站2006—2015年逐日气象观测资料，主要包括日辐射量、降水量、最高气温、最低气温、平均气温，平均风速、相对湿度、日照时数等，采用上述的Penman-Monteith公式计算得到该地区近10年的逐日潜在蒸散量。

2 结果与分析

2.1 蚌埠地区潜在蒸散量的变化特征

2.1.1 年际动态变化。从图1可以看出，近10年来蚌埠地区年潜在蒸散量均在900 m以上，最大值为1 091 mm(2007年)，最小值为923 mm(2014年)，平均年蒸散量为1 010 mm，10年内潜在蒸散量差值最大可达168 mm。前5年变化趋势总体上呈现下降趋势，除2007年较2006年略有增加外，此后开始逐年减少，降幅在5%左右；2010年出现次低点，为962 mm，由此继续逐年上升，至2013年达次高点1 063 mm，2014年陡降至923 mm，2015年又骤然回升至1 006 mm，可见近3年波动起伏较大。2010、2014年的潜在蒸散量分别比10年平均值减少4.7%和8.6%，具体原因可能由于这2年夏季淮河流域多发暴雨和洪水，导致局地气候湿润，地表蒸发力较往年同期减小。

图1 2006—2015年蚌埠市潜在蒸散量年变化Fig.1 The change of annual potential evapotranspiration in Bengbu City during 2006-2015

2.1.2 年内动态变化。由图2可见，蚌埠地区月潜在蒸散量变化幅度基本上为50～200 mm，呈“金字塔”形：1—2月水分蒸散量很低，一方面是因为受蒙古冷高压控制，气候寒冷干燥，水分来源不足，另一方面由于冬季植被稀疏，土壤表层水分冻结，导致蒸发蒸腾量均很少；春季，随着蚌埠上空北方冷高压逐渐衰退，南方太平洋副热带暖高压不断增强，气温回升迅速，雨水趋多，土壤解冻，蒸散量逐渐上升，一般3—5月增幅较大；夏季受到东南海洋暖湿气流影响，降水增多，尤其6月末进入梅雨期，降水极为充沛，地表蒸发水源充足，7月出梅入伏后，天气高温干旱，日照足，蒸散量达全年最高峰；秋季，由于降温迅速，雨水减少，水分蒸散量随之减少，至年底降至最低点。

据10年资料统计显示，一年中蒸散量最多的月份集中在6、7、8月，总和约占全年总蒸散量的35%，因此这3个月的水分蒸散多寡对全年蒸散枯丰有很大影响。如2010、2014年，6—8月蒸散量均仅有历史同期水平的80%，导致当年总蒸散量较往年大幅减少。与10年月平均值相比，2010、2014年的月均蒸散量分别低5%和9%，年内峰值差也比往年小，这与图2反映的年总蒸散量的变化趋势相符。2013年以后，蒸散的年内分布规律更加复杂，不像往年随降雨期有一定同步性。尤其2014年，有4个月的蒸散量比往年同期少20%甚至30%以上，而同期降水量也较往年略偏多，6—8月出现历史罕见的“凉夏”天气，较历史同期偏低1.5 ℃，6、7月份降水偏少，8月份又异常偏多，蒸散量却较往年同期减少32%。降水增多、蒸散减少这一事实反映出该地区的气候呈现出更加暖湿的趋势，降水更加集中，在年内时段上分配不均，短时强度更大，对防洪和农作物灌溉调水极为不利。

图2 2006—2015年蚌埠市潜在蒸散量月变化Fig.2 The change of monthly potential evapotranspiration in Bengbu City during 2006-2015

2.2 影响潜在蒸散量的气候因子分析 根据潜在蒸散量的计算公式可以看出，与蒸散有关的气候因子主要有日辐射、气温、风速等，其中日辐射又与日照时间有关，因此该研究将重点分析这些因素对蚌埠地区潜在蒸散的影响，考虑到降雨对地区气候背景环境的效应，也将其作为变量同时进行分析。为了消除日变量的偶然性，又不失气象参数对蒸散影响的敏感性，以旬为单位，计算了各变量10年平均值(图3)，且通过计算潜在蒸散与各气候因子的相关关系分析它们对蒸散的影响程度。

图3 2006—2015年蚌埠市潜在蒸散量与和气候因子的旬平均值Fig.3 Ten-day average of potential evapotranspiration and each climate factor in Bengbu City during 2006-2015

2.2.1 气温。从图3可看出，蚌埠地区年内气温的变化趋势与潜在蒸散基本一致，呈现“两头小，中间大”的分布，它们的相关系数也最高，达0.98，在此基础上，甚至可以探索用气温来评估该地区水分蒸散的状况，可见其对蒸散发的影响明显。

2.2.2 日照时数。由图3可见，蚌埠地区旬平均日照时数总体上遵循夏半年多、冬半年少的规律，只是6、7月份(18—21旬)呈减少趋势，原因是该时期阴雨天居多，天空云量覆盖较大，蒸散在这段时间内也略微呈减少或保持平稳的状态。日照时数与蒸发量之间的相关系数为0.76，可见其对蒸发量的影响较为明显。

2.2.3 风速。风速与潜在蒸散的相关系数仅为0.37，重要性明显不及气温和日照时数，原因可能与该地区地势平缓，常年风速较为稳定有关。3、4月(7—11旬)平均风速最大时，蒸散固然同时增多，但并未同步达到最大值，可见水分蒸散除受风速的影响外，更与地表水分供应状况等其他因素有关，是多气候因子联合作用的结果。

2.2.4 降雨量。尽管蒸散的计算公式中没有直接涉及到降雨量，但其实降雨量的多少与云量相关，进而通过影响气温、日照时数、空气湿度等对蒸散造成间接影响。降雨量与潜在蒸散的相关系数为0.70，可见它们之间的关系较为密切(图3)，只是降雨在个别时段尤其是初夏雨季的时候年际变化可能会很大，因此无法仅从其多少判断出蒸散的大小。

2.3 气候干湿状况分析 为进一步了解蚌埠地区的气候干湿状况，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)为例，对各月潜在蒸散量与降雨量进行比较。从表1可看出，蚌埠地区年潜在蒸散总量与年降水总量的比值约为0.9，说明全年总降雨量与蒸散需求基本持平，区域总体上处于水分平衡状态。一年中6、7、8月份的比值较低，有的甚至小于1，说明当年该月雨量较多，完全满足了蒸散的需求。不过由于大气降水出现的偶然性，个别数据也可能存在变异情况。

表1 蚌埠市典型年份各月潜在蒸散量(ET0)与降雨量(Pre.)的变化情况

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合计1032.01112.00.91006.71089.30.9

3 结论

利用FAO Penman-Monteith方法计算了蚌埠地区近10年的潜在蒸散量，结果表明，该地区年均蒸散量约为1 010 mm，基本接近多年平均降雨量，潜在蒸散量总体呈下降趋势，但近3年起伏较大，总体上水分为均衡状态；蒸散量年内分布不均，呈单峰型，夏季多、冬季少，与降雨期基本同步；与往年相比，2007和2014年年际变化增大，年内的分配更加不均，蒸散与降雨出现时段不耦合。另外，通过分析各气候因子与蒸散的相关性表明，决定该地区潜在蒸散量的主要因素是气温和日照时数，降雨量也间接产生影响，而风速对潜在蒸散影响不大；2008和2015年2个典型年份的潜在蒸散和降雨量比较显示，蚌埠地区一年中夏季多雨，全年大气环境背景呈湿润状态。从蒸散强度以及时间分布规律看，蚌埠地区区域性气候波动较大，天气异常现象(暴雨、干旱等)出现频率增多，究其原因，除全球性的厄尔尼诺现象影响外，因地区城市经济发展，城镇、工业建设用地规模扩大，热岛效应越来越明显，局地小气候特征发生变化产生的影响也不可忽视。

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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，山东临沂人，工程师，硕士，从事生态环境影响分析与评价等研究。

2016-09-14

S 16

A

0517-6611(2016)29-0186-03