許珊珊，金 亦，劉金濤,2，姬海娟，蔣成偉

(1.河海大學水文水資源學院, 南京 210098; 2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 南京 210098)

0 引 言

傳統(tǒng)上，水文氣候分區(qū)多以氣候性干燥指數(shù)(E0/P，即多年平均潛在蒸散發(fā)量與降水量的比值)為指標。該指標將反映水熱條件的主要指標降水量和潛在蒸散發(fā)量相結(jié)合，能代表區(qū)域的干濕特征，因此其在自然地理、氣候、植被、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等區(qū)劃中得到廣泛的應用[1-3]。然而應該看到，干燥指數(shù)僅僅考慮了水文循環(huán)中的驅(qū)動要素，對于影響實際蒸散發(fā)的下墊面等結(jié)構(gòu)要素未予以充分的考慮[4-5]。因此，依據(jù)干燥指數(shù)的分區(qū)中，有時會將地理位置、地形條件，以及氣候水文特征差異較大的區(qū)域或流域納入同一分區(qū)。

近年來，Budyko水熱平衡理論已廣泛用于流域水熱平衡的區(qū)域分布研究[6-8]。例如， Carmona基于Budyko框架對美國190個流域進行分析，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域在曲線上的分布存在差別[9]；楊大文、孫福寶等人對海河和黃河流域?qū)崪y資料的擬合表明， Budyko解析表達式(即傅抱璞公式)中的參數(shù)ω具有顯著的區(qū)域分布規(guī)律[10-12]。

綜上，科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了Budyko曲線上不同區(qū)域所代表的水文氣候特性的差異性。但是，由于流域下墊面的復雜性，如何解析這種不同仍然是一個難題[13]。因此，在實際的水文氣候區(qū)劃工作中，干燥指數(shù)仍然廣泛采用[14]。本文嘗試利用Budyko曲線，綜合考慮干燥指數(shù)和蒸發(fā)比(Ea/P，即多年平均實際蒸散發(fā)量與降水量的比值)兩個因子，以我國東北和西南地區(qū)為例，探討其在水文氣候分區(qū)中的適用性。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

蘇聯(lián)著名氣候?qū)W家Budyko研究發(fā)現(xiàn)，土壤多年平均蒸散發(fā)量主要取決于降雨量和土壤蒸發(fā)能力之間的平衡。在極端干燥的環(huán)境下，所有的降水量都將蒸發(fā)；而在極濕潤的環(huán)境下，可用來陸面蒸發(fā)的能量條件都會轉(zhuǎn)化成潛熱。這兩種極端條件下水熱耦合平衡方程的一般形式[6]：

Ea/P=f(E0/P)=f(φ)

(1)

式中：Ea為實際蒸散發(fā)量，mm；P為降雨量，mm；E0為潛在蒸散發(fā)量,mm；φ即干燥指數(shù)。

Budyko認為f是一個普適函數(shù)，是一個既滿足上述邊界條件，也獨立于水熱耦合平衡方程的普適函數(shù)。

在Budyko假設的基礎上，傅抱璞通過量綱分析和數(shù)學推導得出了Budyko曲線的理論解析公式，該公式[15]：

(2)

式中：參數(shù)ω∈(1，∞)為無量綱數(shù)，它反映流域下墊面的綜合條件[10]。

式(1)中潛在蒸散發(fā)E0可采用Penman-Monteith公式計算[16]，實際蒸散發(fā)Ea則采用下式計算[17]：

(3)

式中：Ea為實際蒸散發(fā)量，mm；P為降雨量，mm；E0為潛在蒸散發(fā)量，mm；W為土壤含水量；Wp為凋萎含水量;Wfc為田間持水量；β為土壤水分參數(shù)。

1.2 數(shù) 據(jù)

研究中，水文氣象數(shù)據(jù)選用國家氣象局637個站點(圖1)1961-2012年間的月氣象要素數(shù)據(jù)，包括降水量，最高溫度，最低溫度，相對濕度，風速和日照時數(shù)等。土壤數(shù)據(jù)取自中國科學院南京土壤研究所提供的全國土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)。其中西南和東北地區(qū)共有169個站點，西南地區(qū)90個，東北地區(qū)79個。西南站點的海拔范圍為280～4 219 m，平均海拔高度為1 603 m；年降水量范圍為570～2 234 mm；年均溫范圍為-1.2～23.9 ℃；年日照時數(shù)范圍為930～2 635 h。東北站點的海拔范圍為4～775 m，平均海拔高度為210 m；年降水量范圍為387～1 107 mm；年均溫范圍為-2.6～10.7 ℃；年日照時數(shù)范圍為2 217～2 894 h。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)干燥指數(shù)的分區(qū)標準，將全國劃分成4個氣候區(qū)：φ≤0.99為濕潤區(qū)，1.00～1.49為半濕潤區(qū)，1.50～3.99為半干旱區(qū)，≥4.00為干旱區(qū)。從圖2中可以看出，我國東南沿海地區(qū)多屬于濕潤區(qū)，我國西北地區(qū)多屬于干旱區(qū)，半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)的分布范圍則較廣。按照此傳統(tǒng)的干燥指數(shù)分區(qū)，我國西南地區(qū)和東北地區(qū)大多屬于半濕潤區(qū)；西南地區(qū)有零星的地方屬于半干旱區(qū)，其余屬于濕潤區(qū)；東北地區(qū)沿海的小部分區(qū)域?qū)儆跐駶檯^(qū)，其余則屬于半干旱區(qū)。即，盡管各區(qū)的面積比例不同，但是西南和東北地區(qū)都跨了濕潤、半濕潤和半干旱區(qū)3個區(qū)。

圖1 干燥指數(shù)分區(qū)及站點分類Fig.1 Climatic regionalization based on the dryness index and classification of stations

圖2給出了西南和東北氣象站點的Budyko曲線分布圖。從圖2中可以看出，西南站點的干燥指數(shù)分布范圍為0.32～1.91，平均干燥指數(shù)為1.01；東北站點的干燥指數(shù)范圍為0.74～2.66，平均干燥指數(shù)為1.54。此外，東北站點較西南站點位置分布偏上，這表明東北站點的蒸發(fā)比較西南站點總體偏大。具體來看，西南站點的蒸發(fā)比分布范圍為0.32～0.99，平均蒸發(fā)比為0.73；東北站點的蒸發(fā)比范圍為0.63～0.99，平均蒸發(fā)比為0.90。在圖1和圖2中可以看出，西南和東北各站點在半濕潤區(qū)重疊最多，共61個站點，其中西南和東北各占49.2%，50.8%。特別的，這些重疊僅在蒸發(fā)比大于0.80的區(qū)域。此外，兩個地區(qū)的站點在濕潤區(qū)和半干旱區(qū)的重疊比率較低。其中，落在濕潤區(qū)的站點有60個，絕大部分為西南站點，東北站點僅9個，占15.0%；落在半干旱區(qū)的站點有47個，絕大部分屬東北站點，西南站點僅8個，占17.0%。

圖2 西南和東北氣象站點的Budyko曲線分布圖Fig.2 Location of stations over Southwest China and Northeast China on the Budyko curve

應該看到，西南地區(qū)和東北地區(qū)無論是地理位置、地形條件，還是氣候條件都存在著較大的差別。利用不同ω值的傅抱璞公式對該散點圖進行擬合，發(fā)現(xiàn)當ω=2.70時能將所有站點分為兩區(qū)，即站點重疊區(qū)與非重疊區(qū)，且重疊區(qū)均分布在擬合曲線之上，曲線之下為非重疊區(qū)。同時，該擬合曲線也將所有西南站點分為兩類，擬合曲線之下的西南站點降水量、輻射量較同氣候區(qū)曲線之上的西南站點對應要素值大。以下將重點討論擬合曲線分割出的子區(qū)的水文氣候特征。由于西南和東北站點的干燥指數(shù)交集范圍為0.7～2.0，因此將交集范圍內(nèi)的142個氣象站點分成5類，如圖2所示。Ⅰ區(qū)站點為干燥指數(shù)0.7～1.0范圍內(nèi)擬合曲線之下的站點，之上為Ⅱ區(qū)站點，Ⅰ、Ⅱ區(qū)皆屬濕潤區(qū)的子區(qū)；干燥指數(shù)1.0～1.5范圍屬半濕潤區(qū)，擬合曲線之下的站點為Ⅲ區(qū)站點，之上為Ⅳ區(qū)站點；干燥指數(shù)1.5～2.0范圍內(nèi)擬合曲線之下僅2個站點，因此不再作為一個子區(qū)，將擬合曲線之上的站點化為Ⅴ區(qū)站點。各區(qū)站點的位置分布見圖1，氣象要素統(tǒng)計值見表1。

從表1可以看出，I區(qū)站點分布在緯度較低的云南省西南部，具有氣溫較高，日照時數(shù)較長的特點。因此，其潛在蒸散發(fā)量較大，平均年潛在蒸散發(fā)量為1 135 mm，這類站點的降水量亦較大，平均年降水量達1 418 mm。但Ⅰ區(qū)站點降水量年內(nèi)分配不均，5-9月降水累積量為1 237 mm，占全年降水量的87.2%，高強度密集的降水往往產(chǎn)生大量的徑流，其對實際蒸散發(fā)量的貢獻較小。該區(qū)平均年實際蒸散發(fā)量僅為796 mm，蒸發(fā)比相對較小(通常小于0.60)，所以該類站點均分布于擬合曲線之下。在Ⅱ區(qū)站點中，西南站點氣溫、年日照時數(shù)、潛在蒸散發(fā)量及降水量均小于Ⅰ區(qū)站點對應要素值，而由于該類站點降水量年內(nèi)分布較均勻，5-9月降水累積量為731 mm，占全年降水量的69.2%，導致實際蒸散量與I類站點相近，蒸發(fā)比大于Ⅰ區(qū)站點。Ⅱ區(qū)東北站點年日照時數(shù)比同區(qū)西南站點長1 000 h，但由于氣溫和降水量遠低于同區(qū)西南站點，導致潛在蒸散發(fā)、實際蒸散發(fā)較II區(qū)西南站點分別小7.1%、11.5%。這種降水和潛在蒸散發(fā)、實際蒸散發(fā)同比減小的趨勢，導致Ⅱ區(qū)東北站點與西南站點具有相近的干燥指數(shù)與蒸發(fā)比。

表1 各區(qū)站點氣象指標統(tǒng)計表Tab.1 Meteorological index in each sub-region

對于Ⅲ、Ⅲ區(qū)西南站點，從圖1及表1中看出，Ⅳ區(qū)站點緯度位置高于Ⅲ區(qū)站點，且Ⅲ、Ⅳ區(qū)西南站點在海拔上存在較大差異，Ⅳ區(qū)西南站點的平均海拔達3 464 m，比Ⅲ區(qū)高1 569 m，由于Ⅳ區(qū)西南站點多處于高山區(qū)且緯度較高，所以氣溫比Ⅲ區(qū)站點低了接近10℃，因此Ⅳ區(qū)西南站點的潛在蒸散發(fā)量比Ⅲ區(qū)站點小26.8%，為859 mm，Ⅳ區(qū)西南站點的降水量比Ⅲ區(qū)站點小28.7%，實際蒸散發(fā)量僅減小12.0%，因此導致IV區(qū)站點蒸發(fā)比較高，達0.90。Ⅳ區(qū)東北站點與Ⅳ區(qū)西南站點氣溫、潛在蒸散發(fā)、實際蒸散發(fā)、降水量極其相似，所以干燥指數(shù)和蒸發(fā)比均相近，在Budyko曲線分布圖上出現(xiàn)重疊。

對于半干旱區(qū)的Ⅴ區(qū)站點，從表1可以看出，Ⅴ區(qū)東北站點潛在蒸散發(fā)、實際蒸散發(fā)、降水量分別比Ⅳ區(qū)西南站點小19.4%、19.1%，18.2%，所以干燥指數(shù)和蒸發(fā)比接近，在Budyko曲線分布圖上出現(xiàn)重疊。

3 結(jié) 論

對西南站點和東北站點干燥指數(shù)有交集的范圍內(nèi)，在傳統(tǒng)干燥指數(shù)分區(qū)的基礎上，利用ω=2.70的傅抱璞曲線將站點分成5類，通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)各個氣候區(qū)進行內(nèi)部對比，擬合曲線下站點的降水量高于曲線之上的站點，且西南地區(qū)曲線下站點的輻射量大于擬合曲線之上的站點。

(2)在非濕潤區(qū)(半濕潤及半干旱區(qū))，西南地區(qū)除了海拔高，降雨少的站點外，在多年平均E0/P和多年平均Ea/P關系圖中，西南地區(qū)站點的位置分布普遍低于東北地區(qū)。

(3)盡管東北地區(qū)整體水熱條件較西南地區(qū)差，可是由于東北站點潛在蒸發(fā)量、實際蒸散發(fā)量、降水量同比低于西南地區(qū)，在Budyko曲線分布圖上會有重疊。但整體而言，東北站點在Budyko曲線上位置高于西南地區(qū)，能較好地區(qū)分相同氣候分區(qū)內(nèi)西南和東北站點的水熱差異性。

應該看到，本項研究實際蒸散發(fā)的求算是由經(jīng)驗性公式估算得到，缺乏實測資料驗證，存在誤差。在未來的研究中可以引入流域徑流數(shù)據(jù)，采用水量平衡法估算流域的實際蒸散量，利用Budyko曲線對流域的干濕狀況進行探究。

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