1960—2017年扬州地区参考蒸发蒸腾量变化特征研究

吴 灏，陶雨欣，卞朝阳

扬州大学 水利科学与工程学院, 江苏扬州 225009

温室气体增加造成全球气候变暖对生态系统和人类赖以生存的环境产生重大影响。地面观测资料显示20世纪全球地表平均温度增加了0.74℃，其中50年代后期上升趋势明显[1-2]。气温增加将导致气压、风速及饱和水汽压等要素发生改变，进而影响水循环中降水、蒸发蒸腾量、水汽输送等环节[3]。

扬州地区位于长江北岸、江淮平原南端，属于亚热带季风气候，四季分明，日照充足，雨量丰沛[4]。参考蒸发蒸腾量(ET0)变化将对该地区农业、生态环境等产生重要影响。研究不同时间尺度ET0的变化规律，对制定科学减灾战略至关重要。基于此，本研究利用扬州气象台站1960—2017年日气象资料和FAO Penman-Monteith方法计算ET0值，分析扬州地区ET0年内、年际变化及周期性变化特征，以期为农田水管理提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究采用的气象数据来自中国国家气象数据共享中心(www. nmic.gov.cn)，包括日最高气温、日最低气温、相对湿度、风速、日照时数，时间序列为1960—2017年。将每年的12月—翌年2月划分为冬季、3 —5月划分为春季、6—8月划分为夏季、9—11月划分为秋季。绘制时间序列图，通过目视判断的方法查询可能存在的错误数据，其中错误和缺失的数据通过使用相一致的长时间序列的均值进行插补[5]。

1.2 分析方法

1.2.1 参考蒸发蒸腾量(ET0)采用FAO Penman-Monteith公式计算ET0[6]。FAO Penman-Monteith 公式为：

式（1）中，ET0为参考作物蒸散量(mm/d)；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/℃)；Rn为作物冠层表面的净辐射［(MJ/( m2·d) )］；G为土壤热通量［(MJ/( m2·d)］，在逐日估算时取G=0；T为日平均气温(℃)，按最高气温(Tmax)和最低气温(Tmin)的算术平均值计算；u2为2 m高度处的风速(m/s)；ea为饱和水汽压(kPa)；ed为实际水汽压(kPa)；ea－ed为饱和水汽压差(kPa)；r为干湿表常数(kPa/℃)。

1.2.2 趋势分析线性回归分析被广泛应用于水文气象数据的时间变化趋势分析[7]。本研究采用线性回归分析对ET0的变化趋势进行分析。计算公式为：

式(2)中，a为线性趋势项，即趋势系数；b为常数项；趋势系数为正(负)表示极端降水指标在所统计的时间内具有线性增加(减少)的变化趋势。再利用t检验对其线性变化趋势进行置信度水平检验。若趋势系数通过置信度较高的显著性检验，则变化趋势显著。

1.2.3 小波分析小波分析( wavelet analysis) 能够解析和推断气象和水文时间序列中存在的周期性的变化特征[8]。使用 Morlet小波分析ET0的周期性变化特征。对于时间序列，小波变换为：

式(3)中，a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为平移因子，反映时间上的平移。对于给定的能量有限信号，离散小波变换形式为：

通过对小波方差进行计算可以实现对时间序列主周期数值的确定，其中该数据的积分形式可以通过下式表示：

2 结果与分析

2.1 参考蒸发蒸腾量的年内变化

扬州地区多年平均ET0的年内变化见图1，可以看出扬州地区ET0年内分布不均。在月尺度上，1—12月呈现出先增加后减小的趋势。多年平均月ET0最大值为138.1 mm，出现在7月，约占全年总量的14.0%；最小值为31.3 mm，出现在12月，约占全年总量的3.2%。在季节尺度，夏季ET0最大，其次为春季、秋季、冬季；其值分别为394.4、280.1、211.6和103.2 mm，约占全年降水量的39.9%、28.4%、21.4%及10.4%。

图1 扬州地区ET0的年内变化特征

2.2 参考蒸发蒸腾量的年际变化

扬州地区ET0的年际变化见图2、图3。在季节尺度，春季ET0表现为显著增加的趋势，最大值为361.5 mm，出现在2011年，最小值为217.8 mm, 出现在1963年。夏季ET0表现为不显著减小的趋势，最大值为473.3 mm，出现在1978年，最小值为315.1 mm, 出现在1980年。秋季ET0表现为不显著增加的趋势，最大值为268.8 mm，出现在1967年，最小值为179.9 mm, 出现在1985年。冬季ET0表现为不显著增加的趋势，最大值为128.1 mm，出现在2001年，最小值为84.9 mm, 出现在2001年。对于年尺度，ET0表现为显著增加的趋势，最大值为1 110.0 mm，出现在2004年；最小值为878.1 mm, 出现在1991年。

图2 扬州地区不同季节ET0的年际变化

图3 扬州地区ET0的年际变化

2.3 参考蒸发蒸腾量周期性变化

小波分析显示扬州地区不同时间尺度ET0存在多种尺度的周期变化规律(图4、图5)。在季节尺度，春季、夏季、秋季及冬季ET0存在20～28、29～42、43～64年 变 化 周 期，其 中29～42、43～64年变化周期具有全局性。在年尺度，年ET0同样存在20～28、、29～42、43～64年 变 化 周 期，其 中29～42、43～64年的变化周期具有全局性。

图4 扬州地区不同季节ET0小波实部等值线图

图5 扬州地区年ET0的小波实部等值线图

3 结论

本研究通过使用扬州地区1960—2017年日最高气温、日最低气温、相对湿度、风速及日照时数等气象数据计算了不同时间尺度ET0，采用趋势分析和小波分析研究了不同时间尺度ET0的变化特征及周期性变化规律。得到以下结论：

(1)在月尺度，1—12月表现为先增加后减小的趋势。在季节尺度上，夏季ET0最大，ET0值为394.4 mm，其次为春季、秋季、冬季，ET0值分别为280.1、211.6和103.2 mm。

(2)春季ET0表现为显著增加的趋势，夏季ET0表现为不显著减小的趋势，秋季ET0表现为不显著增加的趋势，冬季ET0表现为不显著增加的趋势。年ET0表现为显著增加的趋势。

(3)在季节及年尺度，扬州地区ET0存在20～28、29～42、43～64年变化周期。29～42年和43～64年的变化周期具有全局性，周期变化最明显，其他时间尺度的周期性变化较小。