基于濕潤指數(shù)的近35年青海省干濕狀況變化分析

劉德坤，王軍邦，齊述華

（1.江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，南昌330022；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京100101）

無論器測數(shù)據(jù)還是模型計算都顯示我國近年來的溫度、降水、蒸散發(fā)及受其影響的干濕狀況存在顯著變化。我國西北地區(qū)從19世紀(jì)末冷濕的小冰期結(jié)束以來100a左右時間都處于波動性變暖、變干氣候環(huán)境[1－2]，近50a實測也顯示我國西部以0.2℃／10a的趨勢升溫而降水呈現(xiàn)不明顯趨勢，特別是20世紀(jì)80—90年代[1]。青藏高原自20世紀(jì)50年代中期以來經(jīng)歷著極為顯著地變暖[3]，生長季氣候規(guī)律在20世紀(jì)80年代中后期發(fā)生了以暖干為主向以暖濕為主的突變[4]。青藏高原20世紀(jì)60年代初為暖期，60年代中期至80年代初氣候轉(zhuǎn)冷，80年代中后期以來高原各地先后進(jìn)入一個氣溫持續(xù)升高的時期，近代高原溫度變化與北半球溫度變化基本一致，但變幅大于中國東部且比之提前發(fā)生[5－6]。青藏高原及鄰近地區(qū)的增溫具有季節(jié)、海拔和區(qū)域差異，冬季增溫顯著，增溫率隨海拔高度上升而增大[7]，20世紀(jì)增暖在高原西北部表現(xiàn)最強(qiáng)烈，其次是高原東北部，高原中南部是一個弱冷期[8]。太陽輻射變化及地球自身運轉(zhuǎn)規(guī)律與氣候變化密切相關(guān)，冰芯研究發(fā)現(xiàn)溫度和降水變化周期與太陽活動有密切聯(lián)系[9]。20世紀(jì)60年代到80年代，高原北部降水呈增加趨勢，南部降水呈減少趨勢，80年代后，情況剛好相反。若將20世紀(jì)與升溫相伴的變干現(xiàn)象看作是水循環(huán)增強(qiáng)對應(yīng)于溫度上升的滯后效應(yīng)，則21世紀(jì)將結(jié)束變干趨勢轉(zhuǎn)向變濕，降水量的增加將超越變暖導(dǎo)致的潛在蒸發(fā)增加，出現(xiàn)世紀(jì)性的徑流增加與湖泊的擴(kuò)張[1，10]。處于全球氣候變化敏感地區(qū)的青海省，從區(qū)域和全區(qū)對氣候變化進(jìn)行了大量基于站點觀測資料的研究[11－17]，也通過模式分析了未來可能氣候變化[18]，在全球變暖及水熱綜合作用下，氣候干濕變化趨勢到底如何，變化趨勢在空間上的差異如何，均是人們關(guān)注的問題。

降水量是目前可直接觀測到的影響水分狀況的主要指標(biāo)之一，降水量的多少是濕潤度的直接指標(biāo)，但由于植被的蒸騰速率是太陽輻射強(qiáng)度的線性函數(shù)，相同的降水量在不同的熱量條件下，它的氣候?qū)W和生物學(xué)效應(yīng)大不相同，僅從降水量的增減無法判斷區(qū)域的干濕狀況變化，區(qū)域氣候的干濕狀況由水分收支不平衡造成[19－20]。降水與熱量的對比關(guān)系或降水的氣候?qū)W和生物學(xué)效應(yīng)，一般稱為濕潤度或干燥度。許多學(xué)科尤其是生物學(xué)和農(nóng)學(xué)廣泛使用這種相對的指標(biāo)來說明一個地方的濕潤狀況，因為相對的濕潤狀況與土壤類型和植被類型的吻合程度遠(yuǎn)較絕對的降水量高[21]。青海省地理環(huán)境復(fù)雜，平均狀態(tài)掩蓋了區(qū)域差異；此外，氣象站點少，僅依據(jù)站點觀測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果無法準(zhǔn)確反映區(qū)域的氣候變化趨勢。濕潤度是一個受到普遍關(guān)注的重要問題，許多科學(xué)領(lǐng)域都對此進(jìn)行了研究，并獲得了相當(dāng)?shù)某晒?。有關(guān)濕潤度的表達(dá)形式很多，其中以可能蒸散與降水之比構(gòu)成的表征濕潤度的指標(biāo)，是定量解釋地帶性指標(biāo)與環(huán)境關(guān)系的重要參數(shù)。了解區(qū)域干濕狀況的時空格局變化，既為研究未來氣候變化，探索環(huán)境變化的驅(qū)動機(jī)制提供科學(xué)基礎(chǔ)，亦有助于生態(tài)建設(shè)的科學(xué)規(guī)劃和有效評估，具有較大的理論和現(xiàn)實意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

本文采用的1971—2004年全國近700個地面氣象臺站氣象數(shù)據(jù)由國家氣象局提供，空間插值出氣溫、降水用于本研究。所使用的插值方法是由澳大利亞國立大學(xué)基于光滑薄板樣條法開發(fā)的插值軟件ANUSPLIN[22－24]。空間插值出全國范圍1km 空間分辨率、每8天數(shù)據(jù)后切取青海省部分用于濕潤指數(shù)計算及分析。由于研究區(qū)以外站點參與插值計算，可較好地控制研究區(qū)邊緣處氣象要素變化，可降低突變點的出現(xiàn)。參與空間插值的青海省臺站數(shù)為35個臺站（部分年份為34個臺站）。高程數(shù)據(jù)來自全球30弧度秒（約1km）數(shù)字高程模型柵格數(shù)據(jù)集[25]。

1.2 潛在陸表蒸散

本文根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的Penman－Monteith修正公式計算最大可能蒸散[26]，以Thornthwaite濕潤指數(shù)表征干濕狀況，計算青海省1971—2004年濕潤指數(shù)并進(jìn)行分析。1998年FAO的Penman－Monteith修訂公式計算潛在陸表蒸散的方法為[26]：

式中：ET0——作物參考蒸散量（mm／d）；Rn——冠層或地表凈輻射[MJ／（m2·d）]；G——土壤熱通量[MJ／（m2·d）]；T——氣象臺站標(biāo)準(zhǔn)2m 高處氣溫（℃）；u2——距地2m 高處風(fēng)速（m／s）；es，ea——空氣飽和水汽壓和實際水汽壓（kPa）；Δ——飽和水汽壓曲線斜率（kPa／℃）；γ——干濕表常數(shù)（kPa／℃）。

1.3 Thornthwaite濕潤指數(shù)及其計算

濕潤指數(shù)可用于表征考慮水分收支的區(qū)域干濕狀況。Thornthwait于1948年首先提出了用氣溫計算潛在蒸散的方法，在潛在蒸散的基礎(chǔ)上，認(rèn)為可用濕潤指數(shù)來確定水分的多少并據(jù)以劃分氣候的濕潤程度[27]。本文采用此方法，根據(jù)降水量和潛在蒸散計算濕潤指數(shù)（Im）[27]：

式中：P——降水量；E0——潛在蒸散。根據(jù)Im值的大小，Thornthwait確定了9種氣候類型與相應(yīng)的植被類型，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示[27]。

表1 氣候類型與濕潤指數(shù)（Im）和植被類型的關(guān)系

1.4 年際變化趨勢分析方法

氣候變化趨勢的分析方法是利用氣象要素的時間序列，以時間為自變量，要素為因變量，建立一元回歸方程，計算其趨勢變化率。設(shè)Y為某一氣象變量，t為時間，建立Y與t之間的一元線性回歸方程：

其趨勢變化率為：

b1即為要素每10a的趨勢傾向率，單位為℃／10a或 mm／l0a，計算式為：

并計算復(fù)相關(guān)系數(shù)R2，樣本數(shù)為34，95%和99%顯著性水平的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.402 0和0.487 9，進(jìn)行顯著性判別。

2 結(jié)果與分析

2.1 近35a青海省溫度的變化趨勢

1971—2004年，利用空間插值的氣溫數(shù)據(jù)，計算得到青海省年平均氣溫變化范圍為－2.29～－0.18℃，35a平均為－1.44℃。在空間上自東南向西北溫度遞減，青海東部的海東（2.53℃）及青海湖地區(qū)（1.74℃）是年均溫較高的地區(qū)，最西端的格爾木唐古拉山鄉(xiāng)（－5.67℃）及玉樹州西部（－5.12℃）最低，除東部的海東、海南州及海西的柴達(dá)木地區(qū)外，其它地區(qū)年均溫都低于零度。近35a來，年平均氣溫呈較為明顯的升高趨勢，整個青海省年均溫的變化傾向率為0.19℃／10a（復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.17，樣本數(shù)n＝34），20世紀(jì)80年代比70年代升高0.02℃，90年代較80年代升高0.34℃，2000—2004年較90年代升高0.04℃，對應(yīng)各年代的變異系數(shù)分別為16.56%，24.05%，45.53%，29.20%，可以看出90年代是青海省升溫最明顯、氣溫波動最大的時期（圖1a）。各地區(qū)的氣溫年際變化存在較大差異（圖1b），除河南和海東外，整個青海省呈普遍升溫趨勢，以海西州升溫最快（0.32℃／10a），區(qū)域變暖趨勢極為顯著（R2＝0.17，顯著性水平p＜0.001），這與全球和我國大部分地區(qū)氣候變暖趨勢一致；而黃南州出現(xiàn)降溫趨勢（－0.10℃／10a），可能與站址變遷有關(guān)。河南站自1981年遷站，遷站前后年平均氣溫差異較大，此前多年平均為1.6℃，而此后為－0.3℃，因此，需在今后的研究中對數(shù)據(jù)時間序列的一致性進(jìn)行分析與處理。區(qū)域變暖趨勢在樣本數(shù)為34，95%和99%顯著性水平的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.402 0和0.487 9，唐古拉山、海西北部一小部分、玉樹西南部、海東、海南及果洛地區(qū)變暖趨勢不明顯，其余大部分地區(qū)的變暖趨勢統(tǒng)計特征顯著。

圖1 1971－2004年青海省及主要地區(qū)年平均氣溫年際變化

2.2 近35a青海省降水量的變化趨勢

青海省近35a多年平均降水量為392.34mm，降水呈現(xiàn)微弱減少（－6.56mm／10a），具有較明顯自東南向西北遞減的趨勢，以東南部的果洛州東部降水量最高（665.94mm），而西部地區(qū)的海西州和玉樹州西部降水較少，分別為192.55mm和347.86mm（附圖6a）。整個青海省年平均降水量波動較大，表現(xiàn)為豐水年少、枯水年多，20世紀(jì)90年代以前的降水量呈較為規(guī)律的周期性波動，而90年代之后較多年份出現(xiàn)周期延長。從各年代平均降水量的空間格局來看，20世紀(jì)70年代和80年代降水格局較為接近，90年代和2000年以來降水偏少的區(qū)域增多；分析各年代平均降水的500mm等值線空間變化，以70年代的500mm等值線為基礎(chǔ)，80年代向北有所擴(kuò)展，即超過500mm降水的區(qū)域較70年代大，90年代在某些區(qū)域出現(xiàn)向南偏移，即超過500mm降水的區(qū)域較70年代偏小，2000—2004年500mm降水等值線南移更為明顯。青海省表現(xiàn)為降水增加趨勢的地區(qū)主要是西部地區(qū)的唐古拉（5.8mm／10a）和海西州東部（7.1mm／10a），降水減少的區(qū)域較廣，包括青海東南部的玉樹東（－17.95mm／10a）、果洛西（－20.53mm／10a）、黃 南 （－31.48mm／10a）、海 南 地 區(qū)（－22.08mm／10a）及海西周邊地區(qū)（附圖6b）。這種變化趨勢在統(tǒng)計上較為顯著的地區(qū)為海東和黃南、海南及果洛一帶（R2在0.7以上），其次為唐古拉和柴達(dá)木盆地一帶（R2為0.4～0.5），其余地區(qū)統(tǒng)計不顯著。

2.3 近35a青海省濕潤指數(shù)的變化趨勢

圖2 青海省1971－2004年平均濕潤指數(shù)的頻數(shù)分布和年際變化

青海省近35a的濕潤指數(shù)較低，多為－100～－33.3，平均－51.21。根據(jù)表1，半干旱區(qū)域面積最大，占總面積的53.04%，其次為干旱區(qū)，占28.96%，半濕潤區(qū)占15.77%，濕潤區(qū)占2.22%（圖2a）。濕潤指數(shù)的年際變化范圍為－50～－45，表現(xiàn)為趨干化趨勢（圖2b），但統(tǒng)計特征不顯著，相關(guān)系數(shù)為－0.06（p＝0.73）。

青海省區(qū)域氣候類型的分布格局是從東南部的果洛東和玉樹東的濕潤區(qū)向西北地區(qū)的柴達(dá)木盆地干旱區(qū)逐漸過渡（附圖7），半濕潤和濕潤區(qū)主要分布在長江、黃河源地區(qū)。與1971—2004年平均年降水等值線的疊加分析表明，濕潤和半濕潤區(qū)主要分布在500mm降水等值線以南地區(qū)，400mm降水等值線以北為典型干旱區(qū)，干旱沙漠柴達(dá)木盆地處于200 mm降水以下區(qū)域。

近35a青海省濕潤指數(shù)的變化趨勢（變化傾向率）為－0.4～1.5，平均－0.49／10a（附圖8），但是趨勢不顯著，大部分區(qū)域的復(fù)相關(guān)系數(shù)都小于0.2。整個青海省濕潤指數(shù)呈減少趨勢的區(qū)域較多，主要分布在青海中東部地區(qū)的玉樹州東部、果洛州、黃南州以及海西州，即這些區(qū)域表現(xiàn)為干旱化趨勢；增加的區(qū)域主要分布在西部地區(qū)玉樹州西部、唐古拉地區(qū)和柴達(dá)木盆地一帶，說明這些地區(qū)呈濕潤化趨勢。

2.4 近35年青海省濕潤指數(shù)指示的干濕狀況變化

濕潤指數(shù)的年際變化與年降水量非常一致（圖3a），與年均溫的波動在80年代中期之前相對一致，之后溫度波動較大且變暖趨勢明顯，而濕潤指數(shù)盡管波動也較大，但是并沒有表現(xiàn)出明顯的升高趨勢（圖3b）。說明青海省不顯著的降水減少趨勢和顯著的升溫過程使該地區(qū)趨于干旱化，但由于降水影響而導(dǎo)致這種變化不明顯。

圖3 青海省濕潤指數(shù)的年際變化趨勢與降水和氣溫的對比

1971—2004年青海省平均濕潤指數(shù)為－51.21，與70年代的濕潤指數(shù)－51.17相比減少0.09%，說明近35a相對趨干旱。空間格局上，與70年代（附圖9a）相比，1971—2004年平均濕潤指數(shù)在玉樹州、海西州中部及唐古拉地區(qū)減少0～50%（附圖12c），由于該地區(qū)為干旱、半干旱區(qū)域，因此可解釋為干旱化加劇；果洛州東部的黃河源區(qū)為半濕潤區(qū)，濕潤指數(shù)減少1倍以上，即向干旱化發(fā)展；其它大部分干旱、半干旱區(qū)的濕潤指數(shù)增加0～50%，說明趨干化有所緩解。80年代平均濕潤指數(shù)為－50.49（附圖9b），與70年代相比增加1.31%，整個青海除海西西部和海東東部外皆增加0～50%，均表現(xiàn)為干旱化有所緩解，呈范圍較廣的趨濕趨勢（附圖11）；90年代平均濕潤指數(shù)為－51.88（附圖10a），與70年代相比降低1.4%，玉樹州南部及唐古拉東南、海西州東南部濕潤指數(shù)減少即干旱化加劇（附圖12a）；2000—2004年青海省濕潤指數(shù)為－51.37（附圖10b），較70年代僅減少0.41%，減少的區(qū)域主要是玉樹州西部、唐古拉和海西州東部即干旱化加劇，而果洛州東部表現(xiàn)為濕潤度增加（附圖12b）。

3 討論

本文基于空間插值的1971—2004年氣溫和降水等氣象參數(shù)，以Penman－Monteith模型計算了潛在蒸散，以Thornthwaite方法計算了1km空間分辨率青海省年濕潤指數(shù)。本研究結(jié)果顯示青海省近35a氣溫增加較全國增溫幅度小，但增溫速率與全國接近。近50a中國增暖尤其明顯，增溫速率為0.22℃／10a，明顯高于全球或北半球同期平均值，我國北方和青藏高原增溫比其它地區(qū)更顯著[28]。近100a和50a中國年降水量變化趨勢不顯著，但年代際波動較大，區(qū)域差異明顯，青海省近35a的年降水量總體上呈微弱的減少趨勢，但統(tǒng)計特征不顯著。馬柱國等[29]對比分析認(rèn)為1951—2004年，中國的西北東部、華北和東北地區(qū)以干旱化趨勢為主，干旱化趨勢的產(chǎn)生與降水的持續(xù)減少密切相關(guān)，而20世紀(jì)80年代前后溫度開始持續(xù)上升是干旱化加劇且范圍擴(kuò)大的另一個重要原因，而西北西部當(dāng)前正處在一個相對較濕的時段，但由于該地區(qū)主要處于干旱區(qū)，降水量的相對增加無法改變該地區(qū)干濕變化的時空格局。與此一致，本文得出的溫度升高使得陸表蒸散加強(qiáng)，同時降水減少影響下，青海省濕潤指數(shù)也呈降低趨勢，區(qū)域氣候主要表現(xiàn)為趨干化趨勢。因此，青海省氣候變化趨勢與整個西北地區(qū)總體變化相一致，受區(qū)域氣候變化控制。

綜合本文濕潤指數(shù)研究和該地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力有關(guān)研究[30]，進(jìn)一步論證了這樣的結(jié)論，即氣候變化顯著影響該地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力。這些結(jié)果表明，青海三江源西部地區(qū)暖濕化趨勢，造成這些地區(qū)植被生產(chǎn)力較為明顯地、大范圍地增加趨勢；在東、中部地區(qū)人類活動影響基礎(chǔ)上，暖干化趨勢加劇了這一地區(qū)的草地退化，使植被生產(chǎn)力出現(xiàn)下降趨勢。

4 結(jié)論

在區(qū)域上干濕變化趨勢不盡相同，存在較大空間差異。1971—2004年青海省呈顯著的普遍升溫趨勢，變化傾向率以西部地區(qū)較高，東部地區(qū)較低。近35a降水變化趨勢在空間上差異較大，西部唐古拉山地區(qū)、中部柴達(dá)木盆地地區(qū)表現(xiàn)為降水增加趨勢，而東南大部，如玉樹、果洛、黃南、海南州縣地區(qū)表現(xiàn)為降水減少，但統(tǒng)計特征均不顯著。根據(jù)Thornthwaite濕潤指數(shù)，近35a濕潤指數(shù)的年際變化傾向率為－0.049，即每10a濕潤指數(shù)減少0.49單位，總體上表現(xiàn)為干旱化趨勢；但是西部唐古拉地區(qū)、柴達(dá)木盆地等干旱區(qū)表現(xiàn)為暖濕化趨勢，而東南部的瀾滄江源、黃河源等地區(qū)表現(xiàn)為干旱化趨勢，與降水變化趨勢一樣，其變化趨勢的統(tǒng)計學(xué)特征并不顯著。

致謝：感謝中國氣象局氣象中心氣象資料室提供本文所需的氣象數(shù)據(jù)。感謝美國紐約城市大學(xué)Wenge Ni－Meister博士對本文英文摘要的修改及提出的寶貴意見，也感謝本文匿名評審對文章提出的建議。

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