近50年青海省風(fēng)蝕氣候侵蝕力時(shí)空演變趨勢(shì)

祁棟林，李曉東，2，蘇文將，周萬福，肖宏斌

（1.青海省氣象科學(xué)研究所，西寧810001；2.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都610072）

風(fēng)蝕氣候侵蝕力是對(duì)氣候影響風(fēng)蝕的可能程度的量度，國際上一般用風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)表示，是土地沙化和農(nóng)田風(fēng)蝕評(píng)判的重要指標(biāo)［1］。該項(xiàng)研究中，國外繼Chepil等［2］提出風(fēng)蝕氣候因子的概念后已取得了較大進(jìn)展［3－5］，此領(lǐng)域國內(nèi)研究很少，直到20世紀(jì)90年代才開始了相關(guān)研究。董玉祥等［6］計(jì)算分析了我國干旱、半干旱地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的基本特征，年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)基本上介于10～100，侵蝕力水平一般，主要是受降水與風(fēng)速影響所致。方祖光等［7］對(duì)福建沿海地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的基本特征得出沿海地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力一般發(fā)生秋冬季節(jié)，影響主要因子是風(fēng)速和降水。王永等［8］和朱麗等［9］分別對(duì)內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力和土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析研究，得出春季是風(fēng)蝕氣候侵蝕發(fā)生的主要季節(jié)，冬春季風(fēng)力強(qiáng)勁的氣候條件是土壤侵蝕的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，風(fēng)蝕氣候侵蝕因子與沙塵暴日數(shù)的變化具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。馮偉等［10］分析西氣東輸管道施工建設(shè)對(duì)干旱荒漠區(qū)土壤的影響主要表現(xiàn)為土壤地表的擾動(dòng)破壞，容易造成風(fēng)蝕。何清等［11］通過一次沙塵天氣過程和野外試驗(yàn)，得出摩擦速度與風(fēng)速成正相關(guān)，并影響著風(fēng)蝕起沙量變化。蔣沖等［12］對(duì)黃土高原風(fēng)蝕和水蝕復(fù)合區(qū)的風(fēng)蝕氣候侵蝕力分析研究，表明整體呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。楊興華等［13］對(duì)塔里木盆地風(fēng)蝕氣候侵蝕力分析研究，結(jié)果顯示整體呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)，主要影響因子是風(fēng)速。但是，上述研究多數(shù)關(guān)注農(nóng)牧交錯(cuò)帶或風(fēng)水復(fù)合區(qū)以及局部地區(qū)的風(fēng)蝕氣候侵蝕力的變化，對(duì)于面積更廣的青藏高原關(guān)注較少。

青藏高原地形復(fù)雜多變，平均海拔在4 000m以上，是我國生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一［14］，還是我國眾多大江大河的源頭。近年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)影響，青藏高原已經(jīng)成為我國重要的水土流失地區(qū)之一［15］。青藏高原土壤侵蝕不僅會(huì)對(duì)該區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境造成破壞，還會(huì)嚴(yán)重影響江河水環(huán)境，威脅我國的水安全和水電工程安全。本研究利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織給出的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)計(jì)算公式和青海省1961—2010年的氣象資料，分析青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的空間分布、時(shí)間變化趨勢(shì)和突變特征，旨在深入理解青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的成因和分布規(guī)律，為土壤風(fēng)蝕災(zāi)害的評(píng)估提供參考，以期為青海省生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全屏障建設(shè)提供一定的背景支持。

1 資料和方法

1．1 資料

為了保證青海省范圍內(nèi)氣象資料樣本記錄的均一性、代表性和連續(xù)性，選取了43個(gè)有50a觀測(cè)記錄的站點(diǎn)資料，利用1961—2010年的平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度、大風(fēng)日數(shù)、沙塵暴日數(shù)和日照時(shí)數(shù)等月資料。氣象數(shù)據(jù)來源于青海省氣候中心，通過算術(shù)平均法建立青海省整個(gè)區(qū)域各氣象要素序列。季節(jié)的劃分采用氣象季節(jié)，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季。

1．2 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)C的計(jì)算

風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的計(jì)算最早由Chepil［2］提出，由于該公式應(yīng)用存在較大的局限性，1979年聯(lián)合國糧農(nóng)組織提供了改進(jìn)后的相對(duì)成熟的計(jì)算公式：

式中：C——風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)；Ui——2m高處的月平均風(fēng)速 （m／s）；ETPi——月潛在蒸發(fā)量 （mm）；Ri——月降水量（mm）；d——月天數(shù)。

青海省范圍內(nèi)冪指數(shù)公式比對(duì)數(shù)公式能更能精確擬合風(fēng)速的垂直廓線，故采用冪指數(shù)公式將氣象站10m平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換為2m處的平均風(fēng)速［16］。

ETPi的計(jì)算采用中國氣象局推薦的生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法［17］：

式中：i——月份；d——該月天數(shù)；Ui——10m 高度月平均風(fēng)速（m／s）；Pi——月平均氣壓（mb）；ti——月平均氣溫（℃）；W0i——溫度為ti時(shí)的飽和水汽壓（mmHg）；hi——月平均相對(duì)濕度（%）。

1．3 分析方法

采用線性趨勢(shì)分析［18］和 Mann－Kendall方法［18］分析風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年際變化趨勢(shì)和突變特征。

由于影響風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的影響因子較多，因此采用多元線性回歸方法分析各氣象因子對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化的影響。公式（3）中回歸系數(shù)可很好地說明同一要素時(shí)間變化，但并不能表明不同要素間對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)影響的差異。為此，按照方精云［19］和張嘉琪等［20］方法用SPSS軟件求算各氣象因子的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)，并按照（4）和（5）公式計(jì)算各氣象因子對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率，作為比較氣象因子影響風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)分布強(qiáng)弱的指標(biāo)。

式中：Y1，Y2——風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值；X1，X2，X3，…，Xn——各氣象因子的平均值；a0，a1，a2，a3，…，an——各氣象因子對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)，其絕對(duì)值分別表示風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)在各氣象因子梯度上的變化率；Z1，Z2，Z3，…，Zn——各氣象因子的標(biāo)準(zhǔn)化值；b1，b2，b3，…，bn——各氣象因子序列標(biāo)準(zhǔn)化后對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)；n——樣本數(shù)；η1——Z1變化對(duì)Y2變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2．1 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的時(shí)間變化特征和未來變化

圖1給出了青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的月際和季節(jié)變化。可以看出，青海省C值有明顯的月際和季節(jié)變化特征。7—9月份風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)很小，說明就氣候條件而言，一般不會(huì)發(fā)生或很少發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象，10月以后風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)逐漸增大（具體表現(xiàn)為9月至12月增大趨勢(shì)緩慢，1月至4月增大趨勢(shì)明顯），4月達(dá)到全年最大，多年平均為5.7，以后逐月下降，7月和9月達(dá)全年最小，多年平均均為0.8。季節(jié)尺度上，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)C值四季排序?yàn)榇杭荆?5.6）＞冬季（10.2）＞秋季（5.1）＞夏季（3.2）。風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)C值的月際和季節(jié)分布與青海省季節(jié)性氣候變化（干旱大風(fēng)少雨的氣候背景）有著十分密切的關(guān)系［21］，也與我國干旱半干旱地區(qū)的最強(qiáng)風(fēng)蝕氣候因 子 指 數(shù) 出 現(xiàn) 在 春 季 完 全 相 同［6，8－13］，與 沿海地區(qū)最強(qiáng)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)出現(xiàn)在秋冬季完全不同［7］。在冬春季節(jié)，青海省氣溫幾乎都在0℃以下，植被幾乎停止生長(zhǎng)，并且大部分枯萎，廣大地區(qū)經(jīng)常處于裸露或半裸露狀態(tài)，從而使得植被對(duì)地表的保護(hù)作用減弱，為地表風(fēng)蝕起沙創(chuàng)造了極為有利的條件。

圖1 青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的月際和季節(jié)變化

四季和年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)C值的年代際變化（見表1），四季風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)C值在60年代和70年代均為正距平，說明這一階段風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)偏大，70年代達(dá)到最大值.而后80年代至21世紀(jì)的00年代均為負(fù)距平，表明風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)處于偏低水平，21世紀(jì)00年代達(dá)到最低水平。年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)C值的年代際變化與四季基本一致。

表1 青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)年代際變化

圖2給出了青海省年和春季風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年際變化（夏秋和冬季圖略）。1969年之前，年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)為一個(gè)相對(duì)較低值期，除1966年，1968年分別為35.3，38.0外，其他年份均在多年平均值（32.4）以下，風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)呈增加趨勢(shì)，增加速率為10.3/10a（R2＝0.159 6，p＜0.05）；1969—1997年期間，年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢(shì)，減少速率15.6/10a（R2＝0.831 1，p＜0.001），年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)處于一個(gè)相對(duì)較高值期，在多年平均值以上（除1982年，1983年，1985年，1986年）；1969年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)出現(xiàn)最大值（73.2），1997年出現(xiàn)最小值（15.2），二者相差為58.0，是多年平均值的1.79倍，表明風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變幅較大。1998年以后風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)又呈現(xiàn)出不顯著的上升趨勢(shì)，1998—2010年平均為20.5，2010年達(dá)到了1998年以來的最大值（27.3），上述結(jié)果表明近50a來，青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)整體上呈現(xiàn)出顯著減小趨勢(shì)，減少速率為5.5/10a（R2＝0.329 9，p＜0.001），即風(fēng)蝕氣候侵蝕力總體上呈減少趨勢(shì)。

四季的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)均呈現(xiàn)顯著的減小趨勢(shì)，減小速率春季最大（2.2/10a，p＜0.001），冬季次之（1.6/10a，p＜0.001），夏秋季減小速率大致相當(dāng)（約0.8/10a，p＜0.001）。

表2給出了青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)各月的年際變化，各月（除9月）風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)均呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)，冬末春初減少速率較大，3月最大（1.03/10a，p＜0.01），夏秋季減少速率較小，9月變化趨勢(shì)不明顯。

2.2 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)空間分布

圖3給出了青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)和氣候傾向率的空間分布。從圖3a可以看出，青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)呈現(xiàn)出從西北部向東南部減小的分布特點(diǎn)，以大柴旦、都蘭、曲麻萊和雜多為分界線，該線以東的C值均在40以下，該線以西地區(qū)均大于50，最大值出現(xiàn)在柴達(dá)木盆地的茫崖站，高達(dá)160.1，最小值出現(xiàn)在三江源地區(qū)的清水河站（－12.9）。青海省有兩個(gè)相對(duì)高值區(qū)，一個(gè)為柴達(dá)木盆地和三江源地區(qū)的西部，屬于青海省氣候侵蝕力水平強(qiáng)的地區(qū)，超過風(fēng)蝕氣候侵蝕“極重”級(jí)（C≥l00）的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)為環(huán)青海湖地區(qū)。三江源地區(qū)東部和祁連山地區(qū)年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)相對(duì)較小，很少發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象。這就是說在青海省風(fēng)蝕氣候侵蝕力從西北部向東南部是逐漸減小的，風(fēng)蝕氣候侵蝕力最強(qiáng)的地方為茫崖。

圖2 青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年際變化

表2 青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)各月的年際變化 10a

圖3 青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)值和氣候傾向率的空間分布

從圖3b可以看出，青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的減小趨勢(shì)最明顯的有兩個(gè)相對(duì)高值區(qū)，一個(gè)為柴達(dá)木盆地和三江源地區(qū)的西部，減弱趨勢(shì)最明顯的是茫崖站（－59.4/10a），一個(gè)為柴達(dá)木盆地的中部，其中心為諾木洪站（－26.3/10a），全省其他地區(qū)變化趨勢(shì)較小或不明顯。

從青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)值和氣候傾向率空間分布來看，風(fēng)蝕氣候侵蝕力最強(qiáng)的地方也是減弱最明顯的地方。

四季的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)值和氣候傾向率的空間分布與年的空間分布基本一致。

2.3 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)突變檢驗(yàn)

氣候突變是普遍存在于氣候變化中的一個(gè)重要現(xiàn)象，是氣候預(yù)測(cè)和模擬應(yīng)考慮的重要因素［18］。應(yīng)用Mann－Kendall檢驗(yàn)法對(duì)近50a青海風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)進(jìn)行突變分析。

圖4 青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的突變檢驗(yàn)

圖4為1961—2010年青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的Mann－Kendall突變檢驗(yàn)。由圖4可見，青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的UF和UB曲線在1993年出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在信度線之間，因此1993年是青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)減少突變的時(shí)間點(diǎn)。自1961年左右以來，雖然總的趨勢(shì)是下降，但在70年代中期前呈增加趨勢(shì)，且在1970—1975年增加趨勢(shì)明顯，進(jìn)入1976年以后在置信區(qū)間范圍內(nèi)下降，1996年以后，這種減少趨勢(shì)超過0.05的顯著性水平，表明在1996年后青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)整體進(jìn)入顯著下降階段。春夏秋3季突變發(fā)生分別在1994年，1995年，1998年，1999年后均進(jìn)入顯著減少趨勢(shì)，冬季1991年發(fā)生突變，1996年進(jìn)入顯著減小趨勢(shì)。

2.4 氣象因子對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的影響分析

選擇了熱力因子（氣溫和日照時(shí)數(shù)）、水分因子（相對(duì)濕度和降水量）和動(dòng)力因子（風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)和沙塵暴日數(shù)），分析其對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的影響。按（3）式求算氣象因子對(duì)各季和年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的回歸系數(shù)，結(jié)果表明各季和年的復(fù)相關(guān)系數(shù)較大（0.93以上）。根據(jù)相對(duì)貢獻(xiàn)率公式計(jì)算出各氣象因子對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率（表3），從相對(duì)貢獻(xiàn)率分析可知，就年尺度而言，青海省整個(gè)區(qū)域風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化影響最大，貢獻(xiàn)率為64.2%，溫度影響次之，貢獻(xiàn)率在12%左右，相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、降水量、大風(fēng)日數(shù)和沙塵暴日數(shù)對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化的影響較小；就季節(jié)尺度來看，風(fēng)速變化對(duì)四季風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化影響均最大，春季貢獻(xiàn)率高達(dá)73.4%，夏季貢獻(xiàn)率為38.8%，影響風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的次要因子不同季節(jié)略有不同，春季為大風(fēng)日數(shù)，夏季為日照時(shí)數(shù)、降水量和溫度，秋季為降水量，冬季為降水量和溫度，表明引起1961—2010年青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化的主要因子是風(fēng)速，而次要因子表現(xiàn)略有不同。這與國外［6］利用沙塵暴日數(shù)和風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)回歸方程預(yù)報(bào)風(fēng)蝕強(qiáng)度完全不同，但與國內(nèi)塔里木盆地［13］的主要影響因子相一致。

表3 青海省各氣象因子對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化的相對(duì)貢獻(xiàn) %

圖5 青海省風(fēng)速和降水量的年際變化

圖5給出了青海省風(fēng)速和降水量的年際變化，結(jié)合圖5和圖2a可以看出，風(fēng)蝕氣候侵蝕因子指數(shù)與風(fēng)速有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與降水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系較差，這說明在青海省風(fēng)速與降水對(duì)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的影響與作用是不同的，這與中國其他地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力受到降水和風(fēng)速的共同制約存在一定的差別［7－9，12］，這是青海省干旱半干旱區(qū)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，另一方面也解釋了青海省風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的季節(jié)變化變化特點(diǎn)原因。青海省冬春季風(fēng)速較大，空氣干燥，降水較少，風(fēng)蝕氣候侵蝕力大于夏秋季，因此，C值在春季最大，以上分析表明，在青海省可以利用C值與風(fēng)速的回歸方程來估算風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的值。

3 結(jié) 論

（1）青海省C值有明顯的月際和季節(jié)變化特征，春季最大，冬季和秋季次之，夏季最小。年和四季風(fēng)蝕氣候侵蝕力總體上呈顯著的減少趨勢(shì)。

（2）青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)呈現(xiàn)出從西北部向東南部減小的分布特點(diǎn)，以大柴旦、都蘭、曲麻萊和雜多為分界線，該線以東的C值均在40以下，該線以西地區(qū)均大于50。有兩個(gè)相對(duì)高值區(qū)，一個(gè)為柴達(dá)木盆地和三江源地區(qū)的西部，屬于青海省氣候侵蝕力水平強(qiáng)的地區(qū)，超過風(fēng)蝕氣候侵蝕“極重”級(jí)（C≥l00）的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)為環(huán)青海湖地區(qū)。風(fēng)蝕氣候侵蝕力最強(qiáng)的地方也是減弱最明顯的地方。

（3）青海省年風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)突變發(fā)生的時(shí)間為1993年，1996年后整體進(jìn)入顯著下降階段，春夏秋3季突變發(fā)生分別在1994年，1995年，1998年，1999年后均進(jìn)入顯著減少趨勢(shì)，冬季1991年發(fā)生突變，1996年進(jìn)入顯著減小趨勢(shì)。

（4）青海省整個(gè)區(qū)域風(fēng)速的變化對(duì)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化影響最大，風(fēng)蝕氣候侵蝕因子指數(shù)與風(fēng)速有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與降水量和沙塵暴日數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較差，可以利用C值與風(fēng)速的回歸方程來估算風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的值。

青海省整體風(fēng)蝕氣候侵蝕力不算很嚴(yán)重，柴達(dá)木盆地西部局部達(dá)到“極重”級(jí)，但土壤風(fēng)蝕的災(zāi)害卻非常嚴(yán)重，表明土壤風(fēng)蝕是多種因素共同作用的結(jié)果，本文僅僅研究了土壤風(fēng)蝕的氣象因素，更多有關(guān)土壤風(fēng)蝕的研究尚待開展。

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