菏澤市氣候干濕特征評(píng)估以及干濕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究

劉 濤，丁媛媛，郝曉雷

(山東省菏澤市氣象局，山東濟(jì)南250000)

0 引言

菏澤市位于山東省西南部，從行政區(qū)劃上劃分，轄曹縣、定陶、巨野、鄆城、單縣、成武、東明、鄄城以及牡丹區(qū)8縣1區(qū)，氣候適宜、光熱資源豐富，適合多種經(jīng)濟(jì)林木生長(zhǎng)，是山東省重要的林糧棉油生產(chǎn)基地。隨著溫室氣候?qū)θ蛴绊懙牟粩嗉觿。撌械母蓾裉匦砸仓鸩桨l(fā)生了變化。之前單純地利用年降水量評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的干濕水平的方法，已經(jīng)不是很合理，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)、林業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要。在研究一個(gè)地區(qū)的干濕特性變化時(shí)，應(yīng)綜合考慮年均降水量(水分收入)和年均潛在蒸散量(水分支出)兩個(gè)重要的因素，從而更全面科學(xué)地分析一個(gè)地區(qū)的干濕水平。從國(guó)際研究上看，計(jì)算潛在蒸散量的方法有很多種[1－6]，其中應(yīng)用最多的是FAO Penman-Monteith(彭曼-蒙蒂斯)模型、Thornthewaite(桑斯維特)模型[7]。當(dāng)代中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象領(lǐng)域，對(duì)中國(guó)大陸的干濕特性也進(jìn)行了一系列科學(xué)的評(píng)價(jià)[8－14]，按照吳紹洪等[15]研究對(duì)中國(guó)近 30年陸地表層干濕狀況的劃分，菏澤市歸屬于半濕潤(rùn)大陸型氣候;馬柱國(guó)等[16]研究則表明，在全球變暖的大背景下，整個(gè)中國(guó)的北部地區(qū)出現(xiàn)了半干旱化的演化趨勢(shì)。從歷史上看，菏澤市飽受干旱、洪澇災(zāi)害威脅，那么在全球變暖的大背景下，高溫、干旱以及洪澇等自然災(zāi)害威脅將會(huì)不斷加大[17－18]。菏澤市不僅春旱經(jīng)常發(fā)生，冬春連旱同樣頻繁，不僅冬小麥?zhǔn)軗p，也危及蔬菜、花生、瓜果、林木等一系列作物[19]。因此，分析菏澤市的干濕特性以及各個(gè)縣區(qū)的干濕風(fēng)險(xiǎn)程度，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和干、濕災(zāi)害防御都有重要意義[20]。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自于菏澤市氣象站(1981～2013年)的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)資料，包括各縣、區(qū)(8縣1區(qū))的溫度(℃)、降水量(mm)、相對(duì)濕度(%)、風(fēng)速(m/s)、大氣壓(hPa)以及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站資料等數(shù)據(jù)。

1.2 有關(guān)計(jì)算公式

1.2.1 濕潤(rùn)指數(shù)(K)

K=R/ET其中，R為降水量，ET為潛在蒸散量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，K＜1表示大氣降水少于植被生理過程需水量，即為干旱;K＞1表示大氣降水大于作物生理需水量，即為濕潤(rùn);K=1表示兩者平衡[21]。

1.2.2 月潛在蒸散量

公式II(見中國(guó)氣象局《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范(試行)》):i為月的編號(hào)，Pi為月平均氣壓(hPa)，ti為月平均氣溫(℃)，di為月天數(shù)，Ui為10～12米高度月平均風(fēng)速(m/s)，Woi為溫度為 ti時(shí)的飽和水汽壓(hPa)，hi為月平均相對(duì)濕度(%);飽和水汽壓Woi由文獻(xiàn)[22]查算得出。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候躍變

氣候躍變是指兩個(gè)穩(wěn)定氣候階段之間統(tǒng)計(jì)特性量發(fā)生顯著差異的現(xiàn)象。年代際氣候躍變是研究氣候變化的常用方法，使用t檢驗(yàn)方法。線性趨勢(shì)分析采用最小二乘法。使用相關(guān)分析法分析研究潛在蒸散量與其他各個(gè)氣象要素的關(guān)系，并用F分布進(jìn)行相關(guān)性顯著檢驗(yàn)。

1.3.2 地理區(qū)劃

使用地理區(qū)劃軟件Mapinfo作圖，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)行政區(qū)劃研究。

2 潛在蒸散量和濕潤(rùn)指數(shù)的時(shí)間分布特性

2.1 年代分布特性

由表1可以看出，20世紀(jì)80年代的年均潛在蒸散量較70年代增加量為4.48 mm/y，20世紀(jì)90年代的年均較80年代增加量為6.02 mm/y，2000年代的年均較20世紀(jì)90年代增加量為3.0 mm/y，由此得出:菏澤市的年均潛在蒸散量一直處在增加狀態(tài)，年均增幅≥5‰;20世紀(jì)80年代的年均降水量較70年代增加量為0.93 mm/y，20世紀(jì)90年代的年均較80年代增加量為5.35 mm/y，2000年代的年均較上個(gè)世紀(jì)90年代增加量為1.11 mm/y，由此得出:年均降水量一直處在增加狀態(tài)，年均增幅≤5‰，低于同期潛在蒸散量的增幅。根據(jù)濕潤(rùn)指數(shù)的計(jì)算方法得出:濕潤(rùn)指數(shù)一直有減小的趨勢(shì)，1980年代濕潤(rùn)指數(shù)接近1.0，2011年濕潤(rùn)指數(shù)后接近0.9，降低了約0.1，年均降幅為1.05%;由此可以看出，菏澤市干旱程度有加重趨勢(shì)。

表1 菏澤市年均濕潤(rùn)指數(shù)(K)、潛在蒸散量(ET)以及降水量(R)年際對(duì)比表

2.2 年內(nèi)分布特性

從表2可以看出，菏澤市月潛在蒸散量的月分布不均勻，7、8月份降水量是同期潛在蒸散量的2倍以上，這些月份水分充足，處于濕潤(rùn)狀態(tài);9月份降水量與同期潛在蒸散量相比較約為1∶1，干濕狀態(tài)平衡，此時(shí)降水量基本能夠滿足作物生長(zhǎng)的需要;而10月～次年6月份降水量一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同期潛在蒸散量，此段時(shí)間為干旱月份，特別是每年12月份～次年4月份，同期潛在蒸散量反而是降水量的2倍以上，極易引起春旱以及冬春連旱，極大的損害農(nóng)、林作物的生長(zhǎng)發(fā)育。

表2 菏澤市月均濕潤(rùn)指數(shù)(K)、潛在蒸散量(ET)以及降水量(R)月際對(duì)比表

3 菏澤市潛在蒸散量與濕潤(rùn)指數(shù)年代變化趨勢(shì)分析

3.1 潛在蒸散量變化趨勢(shì)及突變分析

如圖1所示，菏澤市年均潛在蒸散量呈波浪式上升趨勢(shì)，線性系數(shù)為2.176 mm/y，自相關(guān)系數(shù)為0.17，通過95%的保證率。潛在蒸散量與一個(gè)地區(qū)的溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓皆相關(guān)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，菏澤市年平均氣溫呈升高趨勢(shì)，線性系數(shù)為0.49℃/10 y，自相關(guān)系數(shù)為0.591，通過95%的保證率;年平均濕度呈降低趨勢(shì)，線性系數(shù)為－0.11/10 y，自相關(guān)系數(shù)為－0.257，通過95%的保證率;10～12 m年平均風(fēng)速呈增大趨勢(shì)，線性系數(shù)為0.045 m/s/10 y，自相關(guān)系數(shù)為0.71，沒有通過95%的保證率;年平均大氣壓力呈下降趨勢(shì)，平均10年線性系數(shù)為－0.275 hPa/10 y，自相關(guān)系數(shù)為0.4384，沒有通過95%的保證率。

圖1 菏澤市年均潛在蒸散量變化曲線

潛在蒸散量的增加主要是受全球變暖趨勢(shì)的影響，其中氣溫升高和濕度降低對(duì)潛在蒸散量的影響尤為顯著(表3)。1981～2013年，年均蒸散量最小值出現(xiàn)在2007年，量值為519.212 mm，年均蒸散量最大值出現(xiàn)在2013年，量值為853.803 mm。

表3 菏澤市年均蒸散量(ET)與氣象因子的關(guān)系表

圖2顯示菏澤市潛在蒸散距平在1993年以前以負(fù)距平為主，以后正負(fù)距平交叉分布，但以正距平為主。

圖2 菏澤市年均潛在蒸散量距平

3.2 年降水量變化趨勢(shì)及突變分析

通過圖3可以看出，菏澤市年均降水量變化呈現(xiàn)一定的周期性，平均每5年出現(xiàn)一次波動(dòng)。其中降水量最大值出現(xiàn)在1984年，降水量為925.8 mm，降水量次大值出現(xiàn)在2003年，降水量為884.3 mm，期間跨度為19年。降水量最小值出現(xiàn)在2002年，降水量為390.9 mm，體現(xiàn)了該地區(qū)降水年份分布具有顯著不均勻。從降水量極值中可得，該地區(qū)年降水量未出現(xiàn)過超過1000 mm的年份，突變特性不明顯。

圖3 菏澤市年降水量曲線

年均降水距平在2000年以前為正負(fù)距平交替出現(xiàn)，以負(fù)距平為多，2000年以后正距平出現(xiàn)頻率有所增加，特別是2002～2008年，都為正距平。

圖4 菏澤市降水距平

3.3 年均指數(shù)變化趨勢(shì)及突變分析

菏澤市年均濕潤(rùn)指數(shù)并不是單一的線性變化，用6次多項(xiàng)式來模擬其變化過程，更符合實(shí)際情況，自相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.49，具有較好的相關(guān)性(圖5)。從20世紀(jì)80年代末，濕潤(rùn)指數(shù)開始緩慢下降，下降趨勢(shì)較為明顯;2003年濕潤(rùn)指數(shù)曾發(fā)生過一次突變，達(dá)到30年最大值1.703，主要由于當(dāng)年多次極端暴雨天氣造成，降水量為884.3 mm[23];2005年后濕潤(rùn)指數(shù)在波動(dòng)中下降，下降趨勢(shì)同樣較為明顯。菏澤市總體水資源狀況偏差，大氣降水勉強(qiáng)滿足作物生長(zhǎng)需要，但是近幾年表現(xiàn)出干旱化趨勢(shì)，仍需引起足夠的重視，特別是在農(nóng)業(yè)抗旱方面需要做好抗旱措施。

圖5 菏澤市年均濕潤(rùn)指數(shù)變化曲線

菏澤市年均濕潤(rùn)指數(shù)距平分布較均勻，沒有出現(xiàn)明顯的突變特性。

圖6 菏澤市年均濕潤(rùn)指數(shù)距平

4 菏澤市潛在蒸散量和濕潤(rùn)指數(shù)地域分布特征

圖7 菏澤市年均潛在蒸散量區(qū)劃圖

圖8 菏澤市年均降水量區(qū)劃圖

圖9 菏澤市濕潤(rùn)指數(shù)區(qū)劃圖

通過圖7、8、9比較，可以看出菏澤市潛在蒸散量地域分布不均勻，從西北至東南方向逐漸減少，潛在蒸散量最大值出現(xiàn)在東部的巨野縣附近，最大潛在蒸散量為674 mm/y，最小值出現(xiàn)在單縣，最小潛在蒸散量為613 mm/y;菏澤市年均降水量地域分布不均勻，從西北方向至東南方向逐漸增加，年均降水量最大值出現(xiàn)在南部的曹縣、單縣，最大年均降水量為694.2 mm/y，而年均最少降水量出現(xiàn)在西北部的鄄城縣，年均最少降水量為598.8 mm/y，兩者年均相差為95.4 mm/y;濕潤(rùn)指數(shù)地域分布圖顯示:單縣為菏澤市濕潤(rùn)特性最好的區(qū)縣，濕潤(rùn)指數(shù)K＞1，為1.098;與之相鄰的曹縣，濕潤(rùn)指數(shù)為第2等級(jí)，能夠滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)、林作物的生長(zhǎng)需求;而以牡丹區(qū)為中心的東明、鄄城等5縣，則干旱風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，特別是鄄城縣濕潤(rùn)指數(shù)K＜0.9，已經(jīng)極易發(fā)生春旱、冬春連旱等氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

(1)從20世紀(jì)80年代以來，受全球氣候變暖的影響，菏澤市的年均潛在蒸散量和年均降水量均有所增加，降水量的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于潛在蒸散量，導(dǎo)致菏澤市的濕潤(rùn)指數(shù)呈下降趨勢(shì)，干旱風(fēng)險(xiǎn)有所增加。

(2)潛在蒸散量的增加主要是受氣溫上升和濕度下降兩方面因素的影響，而未來這兩個(gè)要素的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)示干旱性災(zāi)害天氣發(fā)生較為頻繁。

(3)每年的春、冬兩季(集中為12月～次年4月)為菏澤市最易發(fā)生旱災(zāi)的時(shí)間段，其次是秋季和夏季，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要提前做好抵抗春旱和冬春連旱的準(zhǔn)備。

(4)菏澤市的干濕水平從東南至西北方向逐漸變差，單縣濕潤(rùn)程度最好;以牡丹區(qū)為中心的5縣區(qū)，次之;鄄城縣濕潤(rùn)程度最差，發(fā)生干旱風(fēng)險(xiǎn)的概率最高，需要引起足夠重視。

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