近50年吉林省干濕指數(shù)時(shí)空分布特征分析

張大偉，吳正方，杜海波，李 明，宗盛偉

（1.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春130024；2.山西師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041000）

近50年吉林省干濕指數(shù)時(shí)空分布特征分析

張大偉1，吳正方1，杜海波1，李 明2，宗盛偉1

（1.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春130024；2.山西師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041000）

采用桑斯維特在氣候分類法中定義的干濕指數(shù)，結(jié)合趨勢系數(shù)分析、小波分析、M－K檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法，對吉林省近50年氣候干濕變化狀況進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：吉林省表現(xiàn)出4次相對的干濕交替，即20世紀(jì)60年代的偏濕潤期，70年代的相對干旱期，80年代的偏濕潤期，90年代中后期以后的偏干旱期；存在10～15a和3a的變化周期，突變發(fā)生在1979—1980年；在空間變化上表現(xiàn)出濕潤區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，半濕潤區(qū)顯著縮小，半干旱區(qū)范圍略有擴(kuò)大的特點(diǎn).

氣候變化；干濕指數(shù)；時(shí)空分布；吉林省

近年來，在全球氣候變化的背景下，各區(qū)域的干濕狀況及其時(shí)空分布特征也發(fā)生了不同程度的變化［1］，這種變化已經(jīng)對環(huán)境、國民經(jīng)濟(jì)，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響.因此氣候的干濕變化及其帶來的影響越來越受到氣象氣候?qū)W者及相關(guān)領(lǐng)域人士的關(guān)注和重視.

干濕指數(shù)是表征一個(gè)地區(qū)水分盈虧及收支變化的物理量［2］.目前，在降水量減少而氣溫升高的氣候背景下，增溫已經(jīng)成為影響干濕狀況的重要因子之一［3］，單一地分析降水量已經(jīng)不能完全表征氣候干濕分布狀況和時(shí)空變化.綜合降水、氣溫、蒸發(fā)量、風(fēng)速、土壤濕度，植被覆蓋率等因子定義的干濕指數(shù)是表征干濕狀況的客觀指標(biāo)，但由于非常規(guī)數(shù)據(jù)缺乏長時(shí)間大范圍的觀測記錄，多因子干濕指數(shù)具有一定的局限性.鑒于此，本文選擇桑斯維特在植被氣候分類法中定義的干濕指數(shù)，綜合考慮降水量和氣溫對干濕狀況的影響，同時(shí)分析水分收入量和支出量的變化情況，對氣候干濕狀況及其時(shí)空分布特征進(jìn)行了探討.該指數(shù)數(shù)據(jù)容易收集，方法成熟且可行性強(qiáng).

目前，國內(nèi)對氣候干濕狀況的研究已經(jīng)取得一定的成果［4－8］，研究區(qū)域多集中在國家尺度和大區(qū)域尺度上［9－12］，主要是基于歷史資料對中國干濕狀況的形成機(jī)理、分布特征、變化趨勢等方面進(jìn)行的分析.如馬柱國對中國北方干濕演變規(guī)律及其與區(qū)域增暖的可能聯(lián)系進(jìn)行了分析，指出當(dāng)前北方地區(qū)的普遍增溫是干旱化加劇的主要原因［13］；楊建平等分析了50年來中國干濕氣候界線的空間變化，認(rèn)為中國干旱/半干旱分界線與半濕潤/濕潤分界線也呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域差異性，且具有“U型”分布特征［14］；趙俊芳等基于濕潤指數(shù)研究得出了中國氣候總體上呈暖干趨勢的結(jié)果［15］.但是，對單個(gè)省特別是農(nóng)業(yè)省干濕狀況變化的研究相對較少，考慮降水量和氣溫對吉林省干濕指數(shù)特征的研究亦未見報(bào)道.鑒于此，本文利用近50年逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合趨勢系數(shù)、小波分析、M－K檢驗(yàn)等方法分析了吉林省干濕指數(shù)的時(shí)空分布特征，以期為有關(guān)部門合理利用氣候資源、調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

所采用的數(shù)據(jù)由中國氣象局國家氣象信息中心提供，將資料長度不足和發(fā)生過臺站遷移的站點(diǎn)剔除后，選取了吉林省22個(gè)氣象站（見圖1）1958—2007年的逐日氣溫和降水量資料.對于個(gè)別缺測的數(shù)據(jù)，本研究選用臨近站點(diǎn)空間插補(bǔ)方法對其進(jìn)行了插補(bǔ)，以保證氣象數(shù)據(jù)序列的完整性和連續(xù)性.

圖1 吉林省氣象站分布

1.2 方法

采用桑斯維特在植被氣候分類法中定義的干濕指數(shù)Im［16－17］，公式如下：

式中：P為降水量；PE為潛在蒸散量，計(jì)算方法如公式（2）所示：

a1＝－0.0433，a2＝3.2244，a3＝－41.528；kd為長訂正系數(shù)；I為熱指數(shù)；T為月平均氣溫.

依據(jù)Im劃分的干濕氣候型如表1所示［16］.

表1 按干濕指數(shù)劃分的干濕氣候型

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕指數(shù)時(shí)間演變特征

2.1.1 干濕指數(shù)時(shí)間序列變化趨勢

1958—2007年，吉林省干濕指數(shù)總體呈上升趨勢，但并不明顯（見圖2），只有2站通過了α＝0.05的顯著性檢驗(yàn).吉林省相對干濕的主要特征表現(xiàn)為20世紀(jì)60年代的偏濕潤期（但已經(jīng)表現(xiàn)出向偏干旱期轉(zhuǎn)變的趨勢），70年代的相對干旱期，80年代的偏濕潤期，90年代中期以后的偏干旱期.其中，最濕潤的年份為1986年，干濕指數(shù)值為22.8，最干旱的年份為1958年，干濕指數(shù)值為－36.3.

圖2 1958—2007年吉林省干濕指數(shù)時(shí)間變化特征

2.1.2 干濕指數(shù)時(shí)間序列周期特征

吉林省干濕指數(shù)存在不同時(shí)間尺度的震蕩周期（如圖3所示，實(shí)線表示偏濕潤，虛線表示偏干旱）.從10～15a時(shí)間尺度上看，吉林省在1958—2007年間經(jīng)歷了4次相對的干濕交替，即1968年以前處于偏濕潤期，1968—1982年處于偏干旱期，1982—1995年處于偏濕潤期，1995年以后再度進(jìn)入偏干旱期，變化周期與本文前面的趨勢變化分析基本一致.準(zhǔn)15a周期存在，但不明顯，說明干濕指數(shù)時(shí)間序列年際變化并不顯著，3a周期始終存在且十分明顯，說明氣候干濕狀況年際交替頻繁.

圖3 1958—2007年吉林省干濕指數(shù)Mexh小波分析圖

2.1.3 干濕指數(shù)時(shí)間序列突變特征

干濕指數(shù)的時(shí)間變化既有漸變也有突變，如圖4所示，60年代初至80年代初正序曲線是波動下降的，說明吉林省在這一時(shí)期逐漸變干；80年代以后曲線呈波動上升的趨勢，1985年濕潤程度逐漸增大，曲線值大于0，直至1995年曲線再次下降，但是此時(shí)仍處于0值以上，兩條曲線有多個(gè)交點(diǎn)，且都在信度線（u0.05＝±1.96）之內(nèi).為了確定干濕指數(shù)突變的確切位置，用t檢驗(yàn)再次對干濕指數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，得出突變點(diǎn)在1979—1980年和1984—1985年，綜合兩種檢驗(yàn)的相同部分可以確定干濕指數(shù)的突變發(fā)生在1979—1980年，其他突變點(diǎn)均為偽突變點(diǎn).

圖4 1958—2007年吉林省干濕指數(shù)M－K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線

2.2 干濕指數(shù)空間分布特征

吉林省干濕氣候區(qū)分為濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)（見圖5）.以突變年份1980年為界，可將近50年分為兩個(gè)時(shí)間段.1958—1980年吉林省濕潤區(qū)大致分布在東部和南部，包括白山市、通化市大部分和延邊朝鮮族自治州的敦化市、安圖縣、和龍市三市（縣）的南部；半濕潤區(qū)分布在四平市、遼源市、長春市、吉林市和延邊朝鮮族自治州的大部分地區(qū)；半干旱區(qū)大致分布在白城市和松原市.

圖5 1980年前后吉林省干濕帶界線分布對比圖

1980年以后濕潤區(qū)界線向東北、北、西北三個(gè)方向延伸，最西端到達(dá)吉林省中部，最大移動距離約為100km，不但將原有覆蓋范圍擴(kuò)大，而且把蛟河、樺甸、梅河口三市也囊括其中，說明吉林省東部的降水增加不但抵消了氣溫增加所帶來的影響［18］，而且使其自身在干濕分布中占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致吉林省濕潤區(qū)的范圍顯著增大；半干旱區(qū)的范圍并沒有太大的變化，界線南部兩個(gè)時(shí)段相重合，北部1980年后略向東偏，最大移動距離約為15km，在吉林省西部氣溫不斷升高、降水逐漸下降的情況下［18］，半干旱區(qū)的干旱程度加?。话霛駶檯^(qū)的面積明顯減小，分布在濕潤區(qū)的兩側(cè).通過前后兩個(gè)時(shí)段的對比，吉林省干濕區(qū)域表現(xiàn)出濕潤區(qū)范圍不斷擴(kuò)大、半濕潤區(qū)顯著減少、半干旱區(qū)范圍略有擴(kuò)大的特點(diǎn).

3 結(jié)論

（1）1958—2007年，吉林省表現(xiàn)出4次相對的干濕交替：即20世紀(jì)60年代的偏濕潤期，70年代的相對干旱期，80年代的偏濕潤期，90年代中期以后的偏干旱期.其中，最濕潤的年份為1986年，最干旱的年份為1958年.

（2）干濕指數(shù)包含了多個(gè)不同尺度的周期，在10～15a的尺度上，吉林省氣候干濕更替周期與趨勢變化分析基本一致，準(zhǔn)15a周期存在，但不明顯；在小于10a的尺度上，3a周期表現(xiàn)明顯.

（3）干濕指數(shù)時(shí)間序列突變發(fā)生在1979—1980年.

（4）通過比較兩個(gè)時(shí)段濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)的界線發(fā)現(xiàn)：濕潤區(qū)由東南向東北、北、西北三個(gè)方向延伸，最西端到達(dá)吉林省中部；半濕潤區(qū)與半干旱區(qū)的界線南部兩個(gè)時(shí)段相重合，北部在后時(shí)段略向東偏，整體表現(xiàn)出濕潤區(qū)范圍不斷擴(kuò)大、半濕潤區(qū)顯著減少、半干旱區(qū)范圍略有擴(kuò)大的特點(diǎn).

［1］ 翟盤茂，播曉華.中國北方近50年溫度和降水極端事件變化研究［J］.地理學(xué)報(bào)，2003（增刊）：1－10.

［2］ 孟猛，倪健，張治國.地理生態(tài)學(xué)的干燥度指數(shù)及其應(yīng)用評述［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28（6）：853－861.

［3］ 馬柱國.華北干旱化趨勢及轉(zhuǎn)折性變化與太平洋年代際振蕩的關(guān)系［J］.科學(xué)通報(bào)，2007，52（10）：1199－1206.

［4］ 《氣候變化國家評估報(bào)告》編寫委員會.氣候變化國家評估報(bào)告［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［5］ 鞠笑生，鄒旭愷，張強(qiáng).氣候旱澇指標(biāo)方法及其分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1998，7（3）：51－57.

［6］ 姚玉璧，張存杰，鄧振鏞.氣象、農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)綜述［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（1）：185－189.

［7］ 袁文平，周廣勝.標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)與Z指數(shù)在我國應(yīng)用的對比分析［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28（4）：523－529.

［8］ 衛(wèi)捷，馬柱國.干旱指數(shù)、地表濕潤指數(shù)與降水距平的比較［J］.地理學(xué)報(bào)，2003，58（9）：117－124.

［9］ 王菱，謝賢群，李運(yùn)生，等.中國北方地區(qū)40年來濕潤指數(shù)和氣候干濕帶界線的變化［J］.地理研究，2004，23（1）：45－54.

［10］ 吳洪寶.我國東南部夏季干旱指數(shù)研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2000，11（2）：137－144.

［11］ 孫力，沈柏竹，安剛.中國東北地區(qū)地表干濕狀況的變化及趨勢分析［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2003，14（5）：542－552.

［12］ 劉波，馬柱國.過去45年中國干濕氣候區(qū)域變化特征［J］.干旱區(qū)地理，2007，30（1）：7－15.

［13］ 馬柱國，符淙斌.中國北方干旱區(qū)地表濕潤狀況的趨勢分析［J］.氣象學(xué)報(bào)，2001，59（6）：738－746.

［14］ 楊建平，丁永建，陳仁升，等.50年來我國干濕氣候界線的空間變化分析［J］.冰川凍土，2002，24（6）：731－736.

［15］ 趙俊芳，郭建平，徐精文，等.基于濕潤指數(shù)的中國干濕狀況變化趨勢［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（8）：18－24.

［16］ THOMTHWAITE C W.Approach toward a rational classification of climate［J］.Geography Review，1948，38：55－94.

［17］ PENMAN H L.Evaporation over the British lsles［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1950，76：372－383.

［18］ 廉毅，高樅亭，沈柏竹，等.吉林省氣候變化及其對糧食生產(chǎn)的影響［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2007，3（1）：46－49.

Abstract：In this paper，we analyze the climatic drought－wet change over Jilin in the past 50years using the drywet index defined by Thonthwaite，combined with the trend coefficient，wavelet transform and M－K test.The results show that the interdecadal climatic variation experience four alternating dry and wet periods，including course of wet period in the 1960s，dry period in the 1970s，wet period in the 1980s，and dry period after mid－90s，respectively.The periods of 10～15aand 3aexist.The mutation point occurs between 1979and 1980.Humid areas expand，whereas semi－h(huán)umid areas reduce significantly.The semi－arid areas slightly expand.

Keywords：climate change；dry－wet index；spatial－temporal distribution；Jilin Province

（責(zé)任編輯：方 林）

Temporal－spatial distribution of dry－wet index in Jilin in recent 50years

ZHANG Da－wei1，WU Zheng－fang1，DU Hai－bo1，LI Ming2，Zong Sheng－wei1
（1.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.College of Urban and Environmental Sciences，Shanxi Normal University，Linfen 041000，China）

P467［學(xué)科代碼］170·1535

A

2011－06－19

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項(xiàng)目（2009CB426305）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41171038）；吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20101561）.

張大偉（1984—），女，碩士研究生，主要從事區(qū)域氣候變化研究；通訊作者：吳正方（1960—），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)氣候研究.

1000－1832（2012）02－0123－04