近40年丹江口庫區(qū)潛在蒸散量變化特征及影響因素

王鐵軍肖燁黃志剛姚倫廣常瑋王晨溪魏勝南

摘要：全球氣候變化背景下，丹江口庫區(qū)潛在蒸散量變化特征對于南水北調(diào)中線水源區(qū)水循環(huán)研究及水資源評估具有重要意義。應(yīng)用PenmanMonteith蒸散模型估算潛在蒸散量，分析近40年丹江口庫區(qū)潛在蒸散量和干燥度指數(shù)時(shí)間變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：（1）丹江口庫區(qū)年降水量呈波動減少趨勢，年均值839.9 mm，其中年降水量、雨季和旱季降水量分別以143 mm/（10a）、45 mm/（10a）和90 mm/（10a）的速率減少；（2）丹江口庫區(qū)年蒸散量呈波動增加趨勢，年均值8600 mm，其中年蒸散量、雨季和旱季蒸散量分別以122 mm/（10a）、102 mm/（10a）和29 mm/（10a）的速率增加；（3）丹江口庫區(qū)干燥度指數(shù)呈波動增加趨勢，年均值107，其中年干燥度指數(shù)、雨季和旱季干燥度指數(shù)分別以002/（10a）、007/（10a）和031/（10a）的速率增加；（4）潛在蒸散量與干燥度指數(shù)和相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)性，與平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)性，與溫度相關(guān)性不顯著。近40年來，由于降水量減少和蒸散量增加，丹江口庫區(qū)氣候有向干旱化演變的趨勢。

關(guān)鍵詞：潛在蒸散；干燥度指數(shù)；雨季和旱季；距平百分率

中圖分類號：P426文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2016）06005006

[JP2]Variation characteristics and influencing factors of potential evapotranspiration in Danjiangkou reservoir area

WANG Tiejun1，XIAO Ye2，HUANG Zhigang2，3，YAO Lunguang1，CHANG Wei1，WANG Chenxi1，WEI ShengNan1

（1.Key Laboratory of Ecological Security for Water Source Region of Midline Project of SouthtoNorth Water Diversion in Henan Province，Nanyang Normal University，Nanyang 473061，China；

2.College of Resource Environment and Tourism，Hunan University of Arts and Science，Changde 415000；3.Northeast Institute of Geography and Agroecology，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130102，China）

Abstract：Variation characteristics of potential evapotranspiration （ET0） has important significance in water cycle research and water resource assessment in the background of global climate change in Danjiangkou reservoir area.ET0 and dry index （DI） measured by PenmanMonteith model were analyzed based on the measured meteorological data during 19702009，which came from the National Meteorological Center public network.The results showed that：（1） Annual precipitation with a mean value of 839.9 mm decreased with the increment of annual series，and the annual，rainy season and dry season precipitation decreased by 14.3，4.5 and 9.0 mm/（10a） respectively.（2） Annual ET0 with a mean value of 860.0 mm increased with the increment of annual series，and the annual，rainy season and dry season ET0 increased by 12.2，10.2 and 2.9 mm/（10a） respectively.（3） Annual DI with a mean value of 1.07 increased with the increment of annual series，and the annual，rainy season and dry season DI increased by 0.02，0.17 and 0.31 mm/（10a） respectively.（4） ET0 and DI had significant negative correlation with relative humid，and significant positive correlation with mean wind speed and sunshine hours.The climate in Danjiangkou reservoir area had a drought trend stem from the decrease of precipitation and increase of ET0 in the recent 40 years.

Key words： potential evapotranspiration；dry index；rainy and dry season；percent of anomaly

蒸發(fā)通常作為衡量地表熱量平衡和水平衡的重要指標(biāo)，不僅具有增加空氣濕度和調(diào)節(jié)溫度的功能，而且還會影響生態(tài)環(huán)境。潛在蒸散是表征大氣蒸發(fā)能力的一個(gè)量度，它標(biāo)志大氣中存在著控制充分濕潤下墊面蒸發(fā)過程的能力，是評價(jià)氣候干濕程度、水庫設(shè)計(jì)、作物耗水和計(jì)算作物生產(chǎn)潛力的重要指標(biāo)[13]。南水北調(diào)工程是緩解中國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的重大戰(zhàn)略性工程，可調(diào)水量是否達(dá)到預(yù)期調(diào)水目標(biāo)決定著調(diào)水工程的成敗。目前關(guān)于丹江口庫區(qū)的研究主要集中在新建庫區(qū)土壤重金屬和農(nóng)藥污染[46]、庫區(qū)消落帶生態(tài)修復(fù)[7]、庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測[89]、庫區(qū)水體浮游生物監(jiān)測[1012]及庫區(qū)可調(diào)出水量研究[13]等方面。丹江口水庫大壩建成之后，水庫水量主要輸出項(xiàng)為調(diào)水量和蒸散量。在輸入水量一定的情況下，可調(diào)水量的多少受蒸散量的影響。因此，準(zhǔn)確估算潛在蒸散量對于丹江口庫區(qū)水循環(huán)研究及水資源評估具有重要意義。本文基于丹江口庫區(qū)周邊的西峽站、老河口站和房縣站三個(gè)國家級氣象站近40年（1970年-2009年）日氣觀測氣象數(shù)據(jù)資料，采用PenmanMonteith蒸散模型分別估算潛在蒸散量，以3個(gè)站均值作為丹江口庫區(qū)潛在蒸散量。分析丹江口庫區(qū)潛在蒸散量時(shí)間變化規(guī)律及影響因素，為丹江口庫區(qū)水量平衡分析及水資源管理提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1區(qū)域概況

丹江口庫區(qū)位于長江中游支流漢江中上游，伏牛山南麓，豫、鄂、陜?nèi)〗唤缣?。丹江口庫區(qū)地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，屬于典型的季風(fēng)型大陸性半濕潤氣候。年平均氣溫151 ℃，極端最高溫度426 ℃，極端最低溫度-132 ℃，最冷月平均氣溫24 ℃，最熱月平均氣溫284℃，≥10 ℃的年均積溫為5 1232 ℃；多年平均日照時(shí)數(shù)2 1210 h，多年平均無霜期232 d；多年平均降水量800～1 000 mm，主要集中在7月-9月，基本上雨熱同季[14]。研究區(qū)域地理位置見圖1。

2研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文采用國家氣象中心中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享

服務(wù)網(wǎng)提供的西峽站、老河口站和房縣站3個(gè)氣象站1970年-2009年共40年日氣象觀測數(shù)據(jù)，包括日均大氣壓強(qiáng)、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、日平均相對濕度、日平均風(fēng)速、日降水量和日照時(shí)數(shù)等。根據(jù)干濕地區(qū)劃分方法[15]，丹江口庫區(qū)有明顯的旱季和雨季更替，5月-10月為雨季，11月至次年4月為旱季。

2.2潛在蒸散估算

本文潛在蒸散量（ET0）估算是依據(jù)FAO提供的方法，該方法定義了一個(gè)高度均勻、生長旺盛、完全覆蓋土表并且供水充足的草地為參照表面，其高度為12 cm，表面阻力為70 s/m，反射率為023。根據(jù)定義的標(biāo)準(zhǔn)參照表面，F(xiàn)AO提出了計(jì)算潛在蒸散量的FAO 56 PenmanMonteith公式[1618]。

ET0=[SX（]0.408Δ（Rn-G）+γ[SX（]900[]T+273[SX）]u2（es-ea）[]Δ+γ（1+0.34u2）[SX）][JY]（1）

Rn=（1-α）（0.25+0.5[SX（]n[]N[SX）]）Rs-（0.9[SX（]n[]N[SX）]+01）（0.34-0.14[KF（]ea[KF）]）σ（T+27.15）4[JY]（2）

式中：ET0為參考作物蒸散量（mm/day）；Rn為作物表面凈輻射量[MJ/（m2·d）]；土壤熱通量G相對凈輻射而言很小，在日尺度上ΔG≈0；T為大氣日[HJ1.9mm]平均溫度（℃）；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線斜率（kPa/℃）；γ為干濕表常數(shù)（kPa/℃）；u2為2 m高處日平均風(fēng)速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)際水汽壓（kPa）；α為反照率（α=023）；N為晝長（h）；n為日照時(shí)數(shù)（h）；σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)（4903×109 MJ/（m2·d））；Rs為太陽總輻射（MJ/m2）。分別計(jì)算3個(gè)氣象站日潛在蒸散量，統(tǒng)計(jì)月均、季節(jié)和年潛在蒸散量，再以3個(gè)氣象站潛在蒸散量均值作為丹江口庫區(qū)潛在蒸散量。

2.3干燥度指數(shù)計(jì)算

干燥度指數(shù)是反映某地區(qū)氣候干燥程度的指標(biāo)，通常定義為年蒸發(fā)能力和年降水量的比值，當(dāng)K>10時(shí)，即蒸發(fā)能力超過降水量，說明該地區(qū)偏于干燥，K越大，即蒸發(fā)能力超過降水量越多，干燥程度就越嚴(yán)重[16，1920]。

K=ET0/P[JY]（3）

式中：K為干燥度指數(shù)；ET0年潛在蒸發(fā)量（mm）；P為年降水量（mm）。取3個(gè)氣象站干燥度指數(shù)均值作為丹江口庫區(qū)干燥度指數(shù)。

2.4距平百分率指標(biāo)計(jì)算

距平百分率（Pa）指一定時(shí)段內(nèi)某變量值與同時(shí)段內(nèi)多年均值之差與同時(shí)段內(nèi)多年均值的比值，其計(jì)算公式如下[21]：

Pa=（Pi-Pm）/Pm×100%[JY]（4）

[JP2]式中：Pi 為時(shí)段某變量值；Pm 為同時(shí)段內(nèi)某變量多年均值。取3個(gè)氣象站降水距平百分率均值作為丹江口庫區(qū)降水距平百分率。當(dāng)降水距平百分率-15

2.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用excel軟件和SPSS 170統(tǒng)計(jì)分析軟件處理數(shù)據(jù)及作圖。潛在蒸散與影響因子相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。

3結(jié)果與分析

3.1丹江口庫區(qū)溫度和降水量變化特征

[BT4]3.1.1丹江口庫區(qū)溫度變化

近40年來，丹江口庫區(qū)年均氣溫呈波動上升趨勢（圖2），以027℃/（10a）的速度遞增。

3.1.2丹江口庫區(qū)年降水量變化

[JP2]近40年來，丹江口庫區(qū)年均降水量呈波動下降趨勢，變化范圍5696～1 1406 mm，年均值8399 mm，以143 mm/（10a）的速率遞減（圖3）。降水距平百分率分布較均勻，其

3.1.3丹江口庫區(qū)不同季節(jié)降水量變化

[JP2]根據(jù)丹江口庫區(qū)降水量年內(nèi)分布特征，分雨季和旱季2個(gè)時(shí)段研究不同季節(jié)降水量分布特征（圖4）。近40年來，雨季降水量呈波動下降趨勢，其變化范圍4342～1 0762 mm，年均值6547 mm，以45 mm/（10a）的速率遞減。旱季降水量呈波動下降趨勢，其變化范圍847～3721 mm，年均值1876 mm，以90 mm/（10a）的速率遞減。盡管旱季降水量遞減率高于雨季，但是旱季降水總量低，因此丹江口庫區(qū)降水量減少主要源于雨季降水量的減少。

3.2丹江口庫區(qū)潛在蒸散量變化特征

3.2.1丹江口庫區(qū)年潛在蒸散量變化

近40年來，丹江口庫區(qū)年蒸散量呈波動增加趨勢（圖5），其變化范圍7515～9689 mm，年均值8650 mm，[HJ2.19mm]以122 mm/（10a）的速率增加。1970s潛在蒸散距平率大多數(shù)為正值且變化較小，其原因可能在于此時(shí)段雨季降水量偏低，[HJ2.2mm]空氣濕度小，氣溫較高，導(dǎo)致蒸散發(fā)速率較高。1980s潛在蒸散距平率基本都為負(fù)值且變化較大，可能的原因在于此時(shí)段雨季降水量偏高，空氣濕度大，氣溫較低，導(dǎo)致蒸散速率較低。1990s以后，丹江口庫區(qū)開展了系列水土保持和植樹造林等大型生態(tài)恢復(fù)工程，庫區(qū)可蒸發(fā)水量增加，再加上年降水量分布較均勻，氣溫升高，潛在蒸散量也呈穩(wěn)步增加的趨勢。本文研究結(jié)果與陳華等[23]在漢江丹江口以上流域蒸散量變化特征的研究結(jié)果以及郝振純等[24]對整個(gè)長江流域蒸散量分布特征的研究結(jié)果類似。

3.2.2丹江口庫區(qū)不同季節(jié)潛在蒸散量變化

近40年來，丹江口庫區(qū)雨季和旱季潛在蒸散量均呈波動上升趨勢（圖6），其中旱季以102 mm/（10a）的速率增加，雨季以29 mm/（10a）的速率增加。雨季潛在蒸散增加速率低于旱季，其原因在于雨季降水量充足，空氣濕度大，限制了蒸散速率；旱季降水量少，空氣干燥，有利于水分蒸散?？梢姡导緷撛谡羯⒘吭黾涌赡苁堑そ趲靺^(qū)年潛在蒸散量增加的主要原因。

3.3干燥度指數(shù)變化特征

3.3.1年干燥度指數(shù)變化

干燥度指數(shù)可用來判別區(qū)域干旱化/濕潤化趨勢。近40年來，丹江口庫區(qū)干燥度指數(shù)呈波動增加趨勢（圖7），其年均值108，以002/（10a）的速率增加。丹江口庫區(qū)干燥度指數(shù)略大于1，說明該區(qū)域處于濕潤地區(qū)向半濕潤半干旱地區(qū)過渡帶，有輕微干旱化趨勢。由干燥度指數(shù)距平百分率可知，近40年來，丹江口庫區(qū)干燥度指數(shù)大于10的年份占550%，盡管2000s后干燥度指數(shù)變化趨于平緩，但是其干旱化風(fēng)險(xiǎn)依然存在。

3.3.2不同季節(jié)干燥度指數(shù)變化

近40年來，丹江口庫區(qū)旱季和雨季干燥度指數(shù)均呈波動增加趨勢，其中旱季以031/（10a）的速率增加，雨季以007/（10a）的速率增加（圖8）。旱季干燥度指數(shù)增加速率為雨季的44倍，說明旱季干燥度指數(shù)增加是年干燥度指數(shù)增加的主要原因，同時(shí)也說明旱季干旱程度呈加劇的趨勢。

[JP2]3.4潛在蒸散量和干燥度指數(shù)影響因素分析

潛在蒸散量和干燥度指數(shù)與其影響因素相關(guān)系數(shù)及顯著性見表1。潛在蒸散量和干燥度指數(shù)均與相對濕度表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)性，與平均風(fēng)速表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)性，與日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)性，與日均溫度相關(guān)性不顯著。從潛在蒸散量估算模型（公式（1）、（2））可知，飽和水汽壓差（esea）表示空氣中還能容納的水汽量，與相對濕度物理意義類似。空氣相對濕度大，飽和水汽壓差小，水汽蒸發(fā)強(qiáng)度小。風(fēng)速能增加空氣水平流動速率，增加水汽擴(kuò)散速率。日照時(shí)數(shù)高，太陽輻射總量高，溫度也相應(yīng)升高，加速水汽擴(kuò)散。由此可見，相對濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)顯著影響丹江口庫區(qū)潛在蒸散量和干燥度指數(shù)，這與王素萍[25]在江河源區(qū)潛在蒸散量變化特征及影響因子分析研究結(jié)果類似。

4結(jié)論

本文基于PenmanMonteith的蒸散模型估算潛在蒸散量，分析了近40年丹江口庫區(qū)潛在蒸散量和干燥度指數(shù)時(shí)間變化規(guī)律，研究結(jié)論如下。

[JP3]（1）丹江口庫區(qū)年均氣溫呈波動上升趨勢，以027℃/（10a）的速率遞增；年降水量呈波動減少趨勢，年降水量、雨季和旱季降水量分別以143 mm/（10a）、45 mm/（10a）和90 mm/（10a）的速率減少，降水量的減少使丹江口庫區(qū)存在輕微的干旱化趨勢。

（2）丹江口庫區(qū)年蒸散量呈波動增加趨勢，年蒸散量、雨季和旱季蒸散量分別以122 mm/（10a）、102 mm/（10a）和29 mm/（10a）的速率增加，旱季潛在蒸散量增加可能是丹江口庫區(qū)年潛在蒸散量增加的主要原因。

（3）丹江口庫區(qū)干燥度指數(shù)呈波動增加趨勢，年干燥度指數(shù)、雨季和旱季干燥度指數(shù)分別以002/（10a）、007/（10a）和031/（10a）的速率增加，旱季干燥度指數(shù)增加是年干燥度指數(shù)增加的主要原因，同時(shí)也說明旱季干旱程度呈加劇的趨勢。

[JP4]（4）潛在蒸散量和干燥度指數(shù)影響因素相關(guān)性分析表明，相對濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)是主要影響因素。

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