时间：2022-10-29 12:06:16
摘要：全球气候变化背景下，丹江口库区潜在蒸散量变化特征对于南水北调中线水源区水循环研究及水资源评估具有重要意义。应用PenmanMonteith蒸散模型估算潜在蒸散量，分析近40年丹江口库区潜在蒸散量和干燥度指数时间变化规律，研究结果表明：（1）丹江口库区年降水量呈波动减少趋势，年均值839.9 mm，其中年降水量、雨季和旱季降水量分别以143 mm/（10a）、45 mm/（10a）和90 mm/（10a）的速率减少；（2）丹江口库区年蒸散量呈波动增加趋势，年均值8600 mm，其中年蒸散量、雨季和旱季蒸散量分别以122 mm/（10a）、102 mm/（10a）和29 mm/（10a）的速率增加；（3）丹江口库区干燥度指数呈波动增加趋势，年均值107，其中年干燥度指数、雨季和旱季干燥度指数分别以002/（10a）、007/（10a）和031/（10a）的速率增加；（4）潜在蒸散量与干燥度指数和相对湿度呈显著负相关性，与平均风速和日照时数呈显著正相关性，与温度相关性不显著。近40年来，由于降水量减少和蒸散量增加，丹江口库区气候有向干旱化演变的趋势。
关键词：潜在蒸散；干燥度指数；雨季和旱季；距平百分率
中图分类号：P426文献标志码：A文章编号：
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
蒸发通常作为衡量地表热量平衡和水平衡的重要指标，不仅具有增加空气湿度和调节温度的功能，而且还会影响生态环境。潜在蒸散是表征大气蒸发能力的一个量度，它标志大气中存在着控制充分湿润下垫面蒸发过程的能力，是评价气候干湿程度、水库设计、作物耗水和计算作物生产潜力的重要指标[13]。南水北调工程是缓解中国北方地区水资源严重短缺的重大战略性工程，可调水量是否达到预期调水目标决定着调水工程的成败。目前关于丹江口库区的研究主要集中在新建库区土壤重金属和农药污染[46]、库区消落带生态修复[7]、库区水质监测[89]、库区水体浮游生物监测[1012]及库区可调出水量研究[13]等方面。丹江口水库大坝建成之后，水库水量主要输出项为调水量和蒸散量。在输入水量一定的情况下，可调水量的多少受蒸散量的影响。因此，准确估算潜在蒸散量对于丹江口库区水循环研究及水资源评估具有重要意义。本文基于丹江口库区周边的西峡站、老河口站和房县站三个国家级气象站近40年（1970年-2009年）日气观测气象数据资料，采用PenmanMonteith蒸散模型分别估算潜在蒸散量，以3个站均值作为丹江口库区潜在蒸散量。分析丹江口库区潜在蒸散量时间变化规律及影响因素，为丹江口库区水量平衡分析及水资源管理提供数据支持和理论依据。
1区域概况
丹江口库区位于长江中游支流汉江中上游，伏牛山南麓，豫、鄂、陕三省交界处。丹江口库区地处北亚热带向暖温带过渡地带，属于典型的季风型大陆性半湿润气候。年平均气温151 ℃，极端最高温度426 ℃，极端最低温度-132 ℃，最冷月平均气温24 ℃，最热月平均气温284℃，≥10 ℃的年均积温为5 1232 ℃；多年平均日照时数2 1210 h，多年平均无霜期232 d；多年平均降水量800～1 000 mm，主要集中在7月-9月，基本上雨热同季[14]。研究区域地理位置见图1。
2研究方法
2.1数据来源
本文采用国家气象中心中国气象科学数据共享
服务网提供的西峡站、老河口站和房县站3个气象站1970年-2009年共40年日气象观测数据，包括日均大气压强、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、日平均相对湿度、日平均风速、日降水量和日照时数等。根据干湿地区划分方法[15]，丹江口库区有明显的旱季和雨季更替，5月-10月为雨季，11月至次年4月为旱季。
2.2潜在蒸散估算
本文潜在蒸散量（ET0）估算是依据FAO提供的方法，该方法定义了一个高度均匀、生长旺盛、完全覆盖土表并且供水充足的草地为参照表面，其高度为12 cm，表面阻力为70 s/m，反射率为023。根据定义的标准参照表面，FAO提出了计算潜在蒸散量的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为参考作物蒸散量（mm/day）；Rn为作物表面净辐射量[MJ/（m2・d）]；土壤热通量G相对净辐射而言很小，在日尺度上ΔG≈0；T为大气日[HJ1.9mm]平均温度（℃）；Δ为饱和水汽压与温度曲线斜率（kPa/℃）；γ为干湿表常数（kPa/℃）；u2为2 m高处日平均风速（m/s）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；α为反照率（α=023）；N为昼长（h）；n为日照时数（h）；σ为斯蒂芬波尔兹曼常数（4903×109 MJ/（m2・d））；Rs为太阳总辐射（MJ/m2）。分别计算3个气象站日潜在蒸散量，统计月均、季节和年潜在蒸散量，再以3个气象站潜在蒸散量均值作为丹江口库区潜在蒸散量。
2.3干燥度指数计算
干燥度指数是反映某地区气候干燥程度的指标，通常定义为年蒸发能力和年降水量的比值，当K>10时，即蒸发能力超过降水量，说明该地区偏于干燥，K越大，即蒸发能力超过降水量越多，干燥程度就越严重[16，1920]。
K=ET0/P[JY]（3）
式中：K为干燥度指数；ET0年潜在蒸发量（mm）；P为年降水量（mm）。取3个气象站干燥度指数均值作为丹江口库区干燥度指数。
2.4距平百分率指标计算
距平百分率（Pa）指一定时段内某变量值与同时段内多年均值之差与同时段内多年均值的比值，其计算公式如下[21]：
Pa=（Pi-Pm）/Pm×100%[JY]（4）
[JP2]式中：Pi 为时段某变量值；Pm 为同时段内某变量多年均值。取3个气象站降水距平百分率均值作为丹江口库区降水距平百分率。当降水距平百分率-15
2.5数据统计与分析
采用excel软件和SPSS 170统计分析软件处理数据及作图。潜在蒸散与影响因子相关性采用Pearson相关分析。
3结果与分析
3.1丹江口库区温度和降水量变化特征
[BT4]3.1.1丹江口库区温度变化
近40年来，丹江口库区年均气温呈波动上升趋势（图2），以027℃/（10a）的速度递增。
3.1.2丹江口库区年降水量变化
[JP2]近40年来，丹江口库区年均降水量呈波动下降趋势，变化范围5696～1 1406 mm，年均值8399 mm，以143 mm/（10a）的速率递减（图3）。降水距平百分率分布较均匀，其
3.1.3丹江口库区不同季节降水量变化
[JP2]根据丹江口库区降水量年内分布特征，分雨季和旱季2个时段研究不同季节降水量分布特征（图4）。近40年来，雨季降水量呈波动下降趋势，其变化范围4342～1 0762 mm，年均值6547 mm，以45 mm/（10a）的速率递减。旱季降水量呈波动下降趋势，其变化范围847～3721 mm，年均值1876 mm，以90 mm/（10a）的速率递减。尽管旱季降水量递减率高于雨季，但是旱季降水总量低，因此丹江口库区降水量减少主要源于雨季降水量的减少。
3.2丹江口库区潜在蒸散量变化特征
3.2.1丹江口库区年潜在蒸散量变化
近40年来，丹江口库区年蒸散量呈波动增加趋势（图5），其变化范围7515～9689 mm，年均值8650 mm，[HJ2.19mm]以122 mm/（10a）的速率增加。1970s潜在蒸散距平率大多数为正值且变化较小，其原因可能在于此时段雨季降水量偏低，[HJ2.2mm]空气湿度小，气温较高，导致蒸散发速率较高。1980s潜在蒸散距平率基本都为负值且变化较大，可能的原因在于此时段雨季降水量偏高，空气湿度大，气温较低，导致蒸散速率较低。1990s以后，丹江口库区开展了系列水土保持和植树造林等大型生态恢复工程，库区可蒸发水量增加，再加上年降水量分布较均匀，气温升高，潜在蒸散量也呈稳步增加的趋势。本文研究结果与陈华等[23]在汉江丹江口以上流域蒸散量变化特征的研究结果以及郝振纯等[24]对整个长江流域蒸散量分布特征的研究结果类似。
3.2.2丹江口库区不同季节潜在蒸散量变化
近40年来，丹江口库区雨季和旱季潜在蒸散量均呈波动上升趋势（图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。雨季潜在蒸散增加速率低于旱季，其原因在于雨季降水量充足，空气湿度大，限制了蒸散速率；旱季降水量少，空气干燥，有利于水分蒸散。可见，旱季潜在蒸散量增加可能是丹江口库区年潜在蒸散量增加的主要原因。
3.3干燥度指数变化特征
3.3.1年干燥度指数变化
干燥度指数可用来判别区域干旱化/湿润化趋势。近40年来，丹江口库区干燥度指数呈波动增加趋势（图7），其年均值108，以002/（10a）的速率增加。丹江口库区干燥度指数略大于1，说明该区域处于湿润地区向半湿润半干旱地区过渡带，有轻微干旱化趋势。由干燥度指数距平百分率可知，近40年来，丹江口库区干燥度指数大于10的年份占550%，尽管2000s后干燥度指数变化趋于平缓，但是其干旱化风险依然存在。
3.3.2不同季节干燥度指数变化
近40年来，丹江口库区旱季和雨季干燥度指数均呈波动增加趋势，其中旱季以031/（10a）的速率增加，雨季以007/（10a）的速率增加（图8）。旱季干燥度指数增加速率为雨季的44倍，说明旱季干燥度指数增加是年干燥度指数增加的主要原因，同时也说明旱季干旱程度呈加剧的趋势。
[JP2]3.4潜在蒸散量和干燥度指数影响因素分析
潜在蒸散量和干燥度指数与其影响因素相关系数及显著性见表1。潜在蒸散量和干燥度指数均与相对湿度表现为显著负相关性，与平均风速表现为极显著正相关性，与日照时数表现为显著正相关性，与日均温度相关性不显著。从潜在蒸散量估算模型（公式（1）、（2））可知，饱和水汽压差（esea）表示空气中还能容纳的水汽量，与相对湿度物理意义类似。空气相对湿度大，饱和水汽压差小，水汽蒸发强度小。风速能增加空气水平流动速率，增加水汽扩散速率。日照时数高，太阳辐射总量高，温度也相应升高，加速水汽扩散。由此可见，相对湿度、平均风速和日照时数显著影响丹江口库区潜在蒸散量和干燥度指数，这与王素萍[25]在江河源区潜在蒸散量变化特征及影响因子分析研究结果类似。
4结论
本文基于PenmanMonteith的蒸散模型估算潜在蒸散量，分析了近40年丹江口库区潜在蒸散量和干燥度指数时间变化规律，研究结论如下。
[JP3]（1）丹江口库区年均气温呈波动上升趋势，以027℃/（10a）的速率递增；年降水量呈波动减少趋势，年降水量、雨季和旱季降水量分别以143 mm/（10a）、45 mm/（10a）和90 mm/（10a）的速率减少，降水量的减少使丹江口库区存在轻微的干旱化趋势。
（2）丹江口库区年蒸散量呈波动增加趋势，年蒸散量、雨季和旱季蒸散量分别以122 mm/（10a）、102 mm/（10a）和29 mm/（10a）的速率增加，旱季潜在蒸散量增加可能是丹江口库区年潜在蒸散量增加的主要原因。
（3）丹江口库区干燥度指数呈波动增加趋势，年干燥度指数、雨季和旱季干燥度指数分别以002/（10a）、007/（10a）和031/（10a）的速率增加，旱季干燥度指数增加是年干燥度指数增加的主要原因，同时也说明旱季干旱程度呈加剧的趋势。
[JP4]（4）潜在蒸散量和干燥度指数影响因素相关性分析表明，相对湿度、平均风速和日照时数是主要影响因素。
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