1960—2017年揚州地區(qū)參考蒸發(fā)蒸騰量變化特征研究

吳 灝，陶雨欣，卞朝陽

揚州大學 水利科學與工程學院, 江蘇揚州 225009

溫室氣體增加造成全球氣候變暖對生態(tài)系統(tǒng)和人類賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生重大影響。地面觀測資料顯示20世紀全球地表平均溫度增加了0.74℃，其中50年代后期上升趨勢明顯[1-2]。氣溫增加將導致氣壓、風速及飽和水汽壓等要素發(fā)生改變，進而影響水循環(huán)中降水、蒸發(fā)蒸騰量、水汽輸送等環(huán)節(jié)[3]。

揚州地區(qū)位于長江北岸、江淮平原南端，屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，日照充足，雨量豐沛[4]。參考蒸發(fā)蒸騰量(ET0)變化將對該地區(qū)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生重要影響。研究不同時間尺度ET0的變化規(guī)律，對制定科學減災戰(zhàn)略至關(guān)重要。基于此，本研究利用揚州氣象臺站1960—2017年日氣象資料和FAO Penman-Monteith方法計算ET0值，分析揚州地區(qū)ET0年內(nèi)、年際變化及周期性變化特征，以期為農(nóng)田水管理提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用的氣象數(shù)據(jù)來自中國國家氣象數(shù)據(jù)共享中心(www. nmic.gov.cn)，包括日最高氣溫、日最低氣溫、相對濕度、風速、日照時數(shù)，時間序列為1960—2017年。將每年的12月—翌年2月劃分為冬季、3 —5月劃分為春季、6—8月劃分為夏季、9—11月劃分為秋季。繪制時間序列圖，通過目視判斷的方法查詢可能存在的錯誤數(shù)據(jù)，其中錯誤和缺失的數(shù)據(jù)通過使用相一致的長時間序列的均值進行插補[5]。

1.2 分析方法

1.2.1 參考蒸發(fā)蒸騰量(ET0)采用FAO Penman-Monteith公式計算ET0[6]。FAO Penman-Monteith 公式為：

式（1）中，ET0為參考作物蒸散量(mm/d)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃)；Rn為作物冠層表面的凈輻射［(MJ/( m2·d) )］；G為土壤熱通量［(MJ/( m2·d)］，在逐日估算時取G=0；T為日平均氣溫(℃)，按最高氣溫(Tmax)和最低氣溫(Tmin)的算術(shù)平均值計算；u2為2 m高度處的風速(m/s)；ea為飽和水汽壓(kPa)；ed為實際水汽壓(kPa)；ea－ed為飽和水汽壓差(kPa)；r為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

1.2.2 趨勢分析線性回歸分析被廣泛應用于水文氣象數(shù)據(jù)的時間變化趨勢分析[7]。本研究采用線性回歸分析對ET0的變化趨勢進行分析。計算公式為：

式(2)中，a為線性趨勢項，即趨勢系數(shù)；b為常數(shù)項；趨勢系數(shù)為正(負)表示極端降水指標在所統(tǒng)計的時間內(nèi)具有線性增加(減少)的變化趨勢。再利用t檢驗對其線性變化趨勢進行置信度水平檢驗。若趨勢系數(shù)通過置信度較高的顯著性檢驗，則變化趨勢顯著。

1.2.3 小波分析小波分析( wavelet analysis) 能夠解析和推斷氣象和水文時間序列中存在的周期性的變化特征[8]。使用 Morlet小波分析ET0的周期性變化特征。對于時間序列，小波變換為：

式(3)中，a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反映時間上的平移。對于給定的能量有限信號，離散小波變換形式為：

通過對小波方差進行計算可以實現(xiàn)對時間序列主周期數(shù)值的確定，其中該數(shù)據(jù)的積分形式可以通過下式表示：

2 結(jié)果與分析

2.1 參考蒸發(fā)蒸騰量的年內(nèi)變化

揚州地區(qū)多年平均ET0的年內(nèi)變化見圖1，可以看出揚州地區(qū)ET0年內(nèi)分布不均。在月尺度上，1—12月呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。多年平均月ET0最大值為138.1 mm，出現(xiàn)在7月，約占全年總量的14.0%；最小值為31.3 mm，出現(xiàn)在12月，約占全年總量的3.2%。在季節(jié)尺度，夏季ET0最大，其次為春季、秋季、冬季；其值分別為394.4、280.1、211.6和103.2 mm，約占全年降水量的39.9%、28.4%、21.4%及10.4%。

圖1 揚州地區(qū)ET0的年內(nèi)變化特征

2.2 參考蒸發(fā)蒸騰量的年際變化

揚州地區(qū)ET0的年際變化見圖2、圖3。在季節(jié)尺度，春季ET0表現(xiàn)為顯著增加的趨勢，最大值為361.5 mm，出現(xiàn)在2011年，最小值為217.8 mm, 出現(xiàn)在1963年。夏季ET0表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢，最大值為473.3 mm，出現(xiàn)在1978年，最小值為315.1 mm, 出現(xiàn)在1980年。秋季ET0表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢，最大值為268.8 mm，出現(xiàn)在1967年，最小值為179.9 mm, 出現(xiàn)在1985年。冬季ET0表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢，最大值為128.1 mm，出現(xiàn)在2001年，最小值為84.9 mm, 出現(xiàn)在2001年。對于年尺度，ET0表現(xiàn)為顯著增加的趨勢，最大值為1 110.0 mm，出現(xiàn)在2004年；最小值為878.1 mm, 出現(xiàn)在1991年。

圖2 揚州地區(qū)不同季節(jié)ET0的年際變化

圖3 揚州地區(qū)ET0的年際變化

2.3 參考蒸發(fā)蒸騰量周期性變化

小波分析顯示揚州地區(qū)不同時間尺度ET0存在多種尺度的周期變化規(guī)律(圖4、圖5)。在季節(jié)尺度，春季、夏季、秋季及冬季ET0存在20～28、29～42、43～64年 變 化 周 期，其 中29～42、43～64年變化周期具有全局性。在年尺度，年ET0同樣存在20～28、、29～42、43～64年 變 化 周 期，其 中29～42、43～64年的變化周期具有全局性。

圖4 揚州地區(qū)不同季節(jié)ET0小波實部等值線圖

圖5 揚州地區(qū)年ET0的小波實部等值線圖

3 結(jié)論

本研究通過使用揚州地區(qū)1960—2017年日最高氣溫、日最低氣溫、相對濕度、風速及日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)計算了不同時間尺度ET0，采用趨勢分析和小波分析研究了不同時間尺度ET0的變化特征及周期性變化規(guī)律。得到以下結(jié)論：

(1)在月尺度，1—12月表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。在季節(jié)尺度上，夏季ET0最大，ET0值為394.4 mm，其次為春季、秋季、冬季，ET0值分別為280.1、211.6和103.2 mm。

(2)春季ET0表現(xiàn)為顯著增加的趨勢，夏季ET0表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢，秋季ET0表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢，冬季ET0表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢。年ET0表現(xiàn)為顯著增加的趨勢。

(3)在季節(jié)及年尺度，揚州地區(qū)ET0存在20～28、29～42、43～64年變化周期。29～42年和43～64年的變化周期具有全局性，周期變化最明顯，其他時間尺度的周期性變化較小。