吳 灝，陶雨欣，卞朝陽

揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇揚(yáng)州 225009

溫室氣體增加造成全球氣候變暖對(duì)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(cè)資料顯示20世紀(jì)全球地表平均溫度增加了0.74℃，其中50年代后期上升趨勢(shì)明顯[1-2]。氣溫增加將導(dǎo)致氣壓、風(fēng)速及飽和水汽壓等要素發(fā)生改變，進(jìn)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(yáng)州地區(qū)位于長(zhǎng)江北岸、江淮平原南端，屬于亞熱帶季風(fēng)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(duì)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(shí)間尺度ET0的變化規(guī)律，對(duì)制定科學(xué)減災(zāi)戰(zhàn)略至關(guān)重要?；诖?，本研究利用揚(yáng)州氣象臺(tái)站1960—2017年日氣象資料和FAO Penman-Monteith方法計(jì)算ET0值，分析揚(yáng)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(guó)國(guó)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(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)，時(shí)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(shí)間序列圖，通過目視判斷的方法查詢可能存在的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，其中錯(cuò)誤和缺失的數(shù)據(jù)通過使用相一致的長(zhǎng)時(shí)間序列的均值進(jìn)行插補(bǔ)[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(jì)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(shí)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(jì)算；u2為2 m高度處的風(fēng)速(m/s)；ea為飽和水汽壓(kPa)；ed為實(shí)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(shì)分析線性回歸分析被廣泛應(yīng)用于水文氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間變化趨勢(shì)分析[7]。本研究采用線性回歸分析對(duì)ET0的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。計(jì)算公式為：

式(2)中，a為線性趨勢(shì)項(xiàng)，即趨勢(shì)系數(shù)；b為常數(shù)項(xiàng)；趨勢(shì)系數(shù)為正(負(fù))表示極端降水指標(biāo)在所統(tǒng)計(jì)的時(shí)間內(nèi)具有線性增加(減少)的變化趨勢(shì)。再利用t檢驗(yàn)對(duì)其線性變化趨勢(shì)進(jìn)行置信度水平檢驗(yàn)。若趨勢(shì)系數(shù)通過置信度較高的顯著性檢驗(yàn)，則變化趨勢(shì)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(shí)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(duì)于時(shí)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(zhǎng)度；b為平移因子，反映時(shí)間上的平移。對(duì)于給定的能量有限信號(hào)，離散小波變換形式為：

通過對(duì)小波方差進(jìn)行計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)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(yáng)州地區(qū)多年平均ET0的年內(nèi)變化見圖1，可以看出揚(yáng)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(shì)。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(yáng)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(yáng)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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(duì)于年尺度，ET0表現(xiàn)為顯著增加的趨勢(shì)，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(yáng)州地區(qū)不同季節(jié)ET0的年際變化

圖3 揚(yáng)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(yáng)州地區(qū)不同時(shí)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(yáng)州地區(qū)不同季節(jié)ET0小波實(shí)部等值線圖

圖5 揚(yáng)州地區(qū)年ET0的小波實(shí)部等值線圖

3 結(jié)論

本研究通過使用揚(yáng)州地區(qū)1960—2017年日最高氣溫、日最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速及日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù)計(jì)算了不同時(shí)間尺度ET0，采用趨勢(shì)分析和小波分析研究了不同時(shí)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(shì)。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(shì)，夏季ET0表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢(shì)，秋季ET0表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢(shì)，冬季ET0表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢(shì)。年ET0表現(xiàn)為顯著增加的趨勢(shì)。

(3)在季節(jié)及年尺度，揚(yáng)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(shí)間尺度的周期性變化較小。