1961—2010年青藏高原—黃土高原過渡區(qū)可能蒸散率的變化特征

王建兵 ,汪治桂, 蔣友嚴

(1.甘肅省甘南州氣象局,甘肅 合作 747000；2.西北區(qū)域氣候中心，甘肅 蘭州 730020)

青藏高原到黃土高原的交匯過渡區(qū)，同時也是農(nóng)牧過渡帶，區(qū)域內(nèi)各地海拔高度變化大，氣候差異明顯[1-4]。由于全球氣候變化，青藏高原—黃土高原過渡區(qū)內(nèi)氣候發(fā)生了明顯變化，主要表現(xiàn)為氣溫上升，青藏高原東北部邊坡地帶氣溫在1987年出現(xiàn)暖突變[5]，生長季降水量減少[6]，在青海高原東部秋季降水量從20世紀80年代后出現(xiàn)了明顯的減少趨勢[7]，區(qū)域內(nèi)干旱頻發(fā)，造成草地年干燥指數(shù)變化呈顯著上升趨勢，使牧區(qū)草場產(chǎn)草數(shù)量和質(zhì)量下降，劣等牧草、雜草和毒草的比例越來越高，草場生產(chǎn)力進一步下降[8，9]，洮河徑流量減少[10]，對當?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了明顯的影響。

目前對青藏高原—黃土高原過渡區(qū)氣候變化的研究，主要集中在降水和溫度變化方面，對其地表干燥度的變化研究較少[11-12]。由于地表干燥度是從大氣水分平衡角度出發(fā)，真實的反映了實際氣候的干濕狀況，因此對其進行研究，對進一步研究青藏高原—黃土高原過渡區(qū)內(nèi)的氣候變化，同時對應對氣候變化，開發(fā)利用氣候資源，保護生態(tài)環(huán)境等也有十分重要的意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究范圍為100°-105.7°E，33.5°-36.5°N(圖1)，行政區(qū)域包括青海省海東藏族自治州、海南藏族自治州、黃南藏族自治州三個州的部分地方和甘肅省甘南藏族自治州、臨夏回族自治州、定西市、蘭州市4市(州)的大部分地方。

圖1 研究區(qū)位置及站點示意圖(▲：站點位置)Fig.1 The sketch map of the study area(▲：the meteorological station)

1.2 資 料

研究資料選取區(qū)域內(nèi)18個氣象站1961—2010年月平均氣溫、月降水量等地面氣象觀測資料進行分析，氣象數(shù)據(jù)來自西北區(qū)域氣候中心，資料序列完整。在18個氣象站中青海有5個，甘肅有13個，站點海拔高度在1 728.8 m(隴西，甘肅)—3 663.8 m(澤庫，青海)之間。

1.3 研究方法

本研究采用Holdridge可能蒸散率(PER)計算方法[13-16]。自1990年以來，提出的干燥度指數(shù)算法達22種，較常用的Penman公式法雖然計算合理，精確度高，有較好的物理學意義，但計算復雜，所需的氣象要素較多。Holdridge方法計算干燥度十分簡便，在近年來研究全球變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響評價中發(fā)揮了極大的作用，在氣候與生態(tài)環(huán)境變化研究中得到了廣泛應用[11,17-20]。

Holdridge方法計算干燥度的公式為：

PER=PE/P

PE=58.93×ABT

式中,PER為可能蒸散率(potential evapotranspiration rate)；PE為可能蒸散量(potential evapotranspiration)；P為年降水量(annual precipitation)；ABT為年生物溫度(annual biotemperature)。

ABT(annual biotemperature，年生物溫度)是出現(xiàn)在植物營養(yǎng)生長范圍內(nèi)的平均溫度，一般認為在0～30℃之間，日均溫低于0℃與高于30℃者均排除在外，超過30℃的平均溫度按30℃計算，低于0℃的按0℃計算。

可能蒸散率(Potential Evapotranspiration Rate, PER)為可能蒸散量(PE)與年降水量(P)的比率，其值愈高，表明愈干燥，其所在地區(qū)的植被愈趨于干旱化，PER值0.125～0.25的地區(qū)為超濕潤區(qū)，0.25～0.50為極濕潤區(qū)，0.50～1.00為濕潤區(qū)，1.00～2.00為亞濕潤區(qū)，2.00～4.00為半干旱區(qū)，4.00～8.00為干旱區(qū)，8.00～16.00為極干旱區(qū)，16.00～32.00為超干旱區(qū)[13,14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域內(nèi)PER的空間分布特征

區(qū)域內(nèi)PER有明顯的自南向北逐漸上升的特點(圖2)，西南部及南部部分地方屬于極濕潤區(qū)，中部、東南部及西部大部分地方屬于濕潤區(qū)，另外位于東部但海拔較高的華家?guī)X也屬于濕潤區(qū)，東部及北部大部分地方屬于亞濕潤區(qū)，位于北部的循化屬于半干旱區(qū)。PER空間上變化最劇烈的地方出現(xiàn)在甘肅省和青海省交界的區(qū)域內(nèi)，從34°N到36°N之間，出現(xiàn)了極濕潤區(qū)、濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)、半干旱區(qū)四個不同的氣候區(qū)，該區(qū)域也是過渡區(qū)內(nèi)海拔高度、地形等變化最大的地方。

圖2 青藏高原—黃土高原過渡區(qū)內(nèi)PER的空間分布(▲：站點位置)Fig.2 The spatial distribution of PER in the transition regionbetween the Qinhai-Xizang Plateau and theLoess Plateau (▲：the meteorological station)

2.1.1 PER年際變化區(qū)域分布特征 區(qū)域內(nèi)PER的年際變化趨勢有一個明顯的特征，其沿甘、青省界有一低值帶，之后向東、向西逐漸增大，同時未通過顯著性檢驗的站點也主要分布在這一區(qū)域(圖3)，說明甘、青交界區(qū)域雖然是PER空間變化最劇烈的地方，但這一區(qū)域內(nèi)地表干燥度的年際變化并不明顯，這是一個非常明顯的特點。區(qū)域內(nèi)低值中心位于青海循化，為-0.02/10a，高值中心位于甘肅會寧，為0.14/10a。

為了進一步研究區(qū)域內(nèi)PER的變化特征，根據(jù)區(qū)域內(nèi)極濕潤區(qū)、濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)和半干旱區(qū)的分布，按不同氣候區(qū)對其PER的年際變化進行分析。

極濕潤區(qū)有1個站，為青海澤庫縣，其PER的年際變化趨勢為0.01/10a，通過90%顯著性檢驗，說明在極濕潤區(qū)有變干的趨勢。

濕潤區(qū)有10個站，是面積最大的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)PER的平均變化趨勢為0.04/10a，各地的年際變化趨勢為0.00-0.08/10a之間，其中青海貴南最小，為0.00/10a，無明顯變化，其余各地均為正值，大值中心位于甘肅宕昌，為0.08/10a，有6個站(臨洮、華家?guī)X、合作、岷縣、宕昌、同德)通過99%信度檢驗，1個站(臨潭)通過95%信度檢驗，說明在濕潤區(qū)內(nèi)大部分地方存在著明顯變干的趨勢。

亞濕潤區(qū)有6個站，區(qū)域內(nèi)PER的平均變化趨勢為0.06/10a，各地的年際變化趨勢為0.01(臨夏)-0.14(會寧)/10a之間，有2個站(會寧、定西)通過99%信度檢驗，1個站(隴西)通過95%信度檢驗，該區(qū)域內(nèi)通過顯著性檢驗的地方均在東部，離青藏高原主體較遠的地方有明顯的變干趨勢。

半干旱區(qū)只有一個站，是青海省的循化縣，其PER的年際變化趨勢為-0.02/10a(未通過顯著性檢驗)，說明在半干旱區(qū)PER降低，有變濕的趨勢。

2.1.2 PER年際變化特征 由于本研究區(qū)域主要為濕潤區(qū)和亞濕潤區(qū)，為進一步分析PER的變化特征，分別選取合作、定西為濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)代表站(圖4)，對其年際變化進行分析。

1961-2010年，合作、定西的PER均呈明顯的波動上升趨勢，其上升趨勢分別為0.02/10a、0.08/10a，均通過99%信度檢驗。

注：■：通過90%信度檢驗，▲：通過95%信度檢驗，●：通過99%信度檢驗，○：低于90%信度檢驗。Note: ■：significance at the 90% level,▲：significance at the 95% level, ●：significance at the 99% level , ○：significance lower than the 90% level.圖3 青藏高原—黃土高原過渡區(qū)PER的年際變化趨勢分布(單位：/10a)Fig.3 The annual variety trend distribution about PER in the transition region between theQinhai-Xizang Plateau and the Loess Plateau(unit:/10a)

通過對其年代際變化分析發(fā)現(xiàn)，合作、定西的PER都是在20世紀90年代出現(xiàn)明顯增大，1991-2010年PER的平均值比1961-1990年分別上升了0.23、0.07，定西上升幅度非常明顯，有明顯的暖干化趨勢。

2.2 區(qū)域內(nèi)PER的突變分析

為進一步對區(qū)域內(nèi)PER的變化特征進行分析，利用Mann-Kendall法對各地的PER進行突變分析[21]，仍按不同氣候區(qū)進行分析。

極濕潤區(qū)中澤庫的PER未發(fā)生突變，說明雖然在極濕潤區(qū)部分地方有變干的趨勢，但變化不顯著。

濕潤區(qū)10個站中只有渭源、貴南未檢測到突變，其余各站均發(fā)生了突變，其中在1985年-1987年有3站，1991年-1997年有5站，宕昌發(fā)生突變時間最早，出現(xiàn)在1985年，同德最遲，出現(xiàn)在1997年，合作出現(xiàn)在1994年(圖5a)。通過對濕潤區(qū)8個檢測到突變的站PER值突變前后的比較，發(fā)現(xiàn)濕潤區(qū)PER突變后比突變前平均上升了0.14，變干趨勢非常明顯。

亞濕潤區(qū)有6個站，其中有3個站(定西、隴西、會寧)檢測到突變，定西(圖5b)和隴西出現(xiàn)在1991年，會寧出現(xiàn)在1994年，突變前后PER的差值平均為0.6，遠高于濕潤區(qū)的平均值，說明在亞濕潤區(qū)部分地方有非常明顯的變干趨勢。

屬于半干旱區(qū)的循化未檢測到突變。

圖4 合作(a)、定西(b)PER的年際變化趨勢(單位：/a)Fig.4 The annual variety trend of PER in the Hezuo(a),Dingxi(b)(unit: /a)

圖5 合作(a)、定西(b)PER的M-K檢驗Fig.5 The Mann-Kendall test of annual PER about Hezuo(a),Dingxi(b)

3 討 論

3.1 PER的變化原因分析

根據(jù)Holdridge可能蒸散率(PER)的計算方法，PER的變化主要由降水和生物溫度決定，因此主要對區(qū)域內(nèi)降水、氣溫及生物溫度的變化進行分析。

區(qū)域內(nèi)氣溫及生物溫度均呈明顯的上升趨勢，氣溫上升趨勢為0.2～0.73℃·10a-1, 其中青海同德上升趨勢最明顯，達0.73 ℃·10a-1(圖6a)；生物溫度上升趨勢為1.31～4.75 ℃·10a-1，其中甘肅會寧上升趨勢最明顯，達4.75 ℃·10a-1。區(qū)域內(nèi)氣溫及生物溫度的變化趨勢相似，均為北部小于南部，同時東部和西部大，甘肅和青海交界的區(qū)域內(nèi)小的特征。

區(qū)域內(nèi)降水量的變化趨勢呈明顯的西升東降的特點(圖6b)，位于東部甘肅境內(nèi)的會寧、華家?guī)X、隴西、岷縣和宕昌下降最明顯，下降趨勢為-17.4～-29.7 mm·10a-1, 而位于西部青海境內(nèi)的循化、貴南和澤庫呈上升趨勢，上升趨勢為5.5～11.0 mm·10a-1,降水量的年際變化趨勢呈現(xiàn)明顯的東部和西部大，甘肅和青海交界區(qū)小的特征。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)降水量、氣溫及生物溫度的變化，東部PER升高主要是由于降水量的減少和氣溫上升；區(qū)域西部在降水量增加的情況下，PER仍出現(xiàn)上升的趨勢，其主要原因是由于氣溫上升導致蒸散量增加，且蒸散量增加的幅度超過了降水量增加的幅度；在貴南、循化由于可能蒸散量的上升趨勢和降水量的增加趨勢非常接近，故其變化最小。

PER、溫度和降水量的變化表明，在區(qū)域內(nèi)處于半干旱區(qū)的青海省循化縣有弱的暖濕化趨勢，而在東部，則出現(xiàn)了明顯了暖干化趨勢，暖干化出現(xiàn)的時間主要在20世紀80年代末期到90年代，其余地方也出現(xiàn)了暖干化趨勢，但比東部弱。

圖6 青藏高原—黃土高原過渡區(qū)內(nèi)氣溫(a,單位：℃·10a-1)和降水(b,單位：mm·10a-1)的年際變化趨勢分布Fig.6 The annual variety trend distribution about temperature(a, unit：℃·10a-1)and precipitation (b, unit：mm·10a-1)in the transition region between the Qinhai-Xizang Plateau and the Loess Plateau

3.2 PER變化對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響

在區(qū)域內(nèi)除了處于半干旱區(qū)的青海省循化縣有弱的暖濕化趨勢外，大部分地區(qū)出現(xiàn)了明顯的暖干化趨勢。研究表明[22]，青海省東部地方地區(qū)自20世紀70年代以來，氣溫持續(xù)升高，降水量沒有顯著增加，河川徑流略有減少，導致該地區(qū)干旱頻繁發(fā)生；由于氣候變暖[23]，導致青海高原中、東部地區(qū)多年凍土退化及消失，伴隨著凍土退化，高寒環(huán)境也顯著退化，地下水位下降，植被覆蓋度降低，高寒沼澤濕地和河湖萎縮，土地荒漠化和沙漠化造成了地表覆被條件改變；暖干化對甘肅的影響也十分明顯，20世紀90年代以來，洮河流域出現(xiàn)了明顯的暖干化趨勢，洮河流域的降水與徑流總體呈下降趨勢，1990年代徑流比1980年代減少達35%[24-25]。由于暖干化的影響，甘南草原的生產(chǎn)性能和生態(tài)功能大幅下降，草地退化、沙漠化發(fā)展速度明顯加快，甘南高原已經(jīng)出現(xiàn)了水資源明顯減少的趨勢[26-27]。青海高原和甘南高原牧草的發(fā)育期發(fā)生了明顯變化[28-29]，甘南草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性在減弱[11]。氣候變暖，氣溫持續(xù)升高，蒸發(fā)量增大，是造成干旱受災面積擴大、糧食大幅度減產(chǎn)的重要因素，影響影響糧食生產(chǎn)安全[30-31]?，F(xiàn)有的研究表明，暖干化已經(jīng)對青藏高原—黃土高原過渡區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、水資源和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重影響，但針對該區(qū)域地表干燥度變化的研究還比較少，因此對區(qū)域內(nèi)的暖干化趨勢及其影響還需要更進一步進行研究，才能更好地為應對氣候變化和保護當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)。

4 結(jié) 論

在青藏高原—黃土高原過渡區(qū)內(nèi)，由于地形、地理位置不同而造成了明顯的氣候差異。在區(qū)域內(nèi)存在極濕潤區(qū)、濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)和半干旱區(qū)四個不同的氣候區(qū)，區(qū)域內(nèi)PER的空間分布上有明顯的自南向北逐漸上升的特征，PER空間變化最劇烈的地方出現(xiàn)在甘肅省和青海省交界的區(qū)域內(nèi)。

區(qū)域內(nèi)極濕潤區(qū)、濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)和半干旱區(qū)PER的年際變化趨勢分別為0.01/10a、 0.04/10a、0.06/10a和-0.02/10a，在濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)大部分地方有明顯的暖干化趨勢，而在半干旱區(qū)出現(xiàn)了暖濕化的趨勢。突變分析表明，從20世紀80-90年代開始，在濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)大部分地方PER出現(xiàn)了突變，濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)PER突變后比突變前分別上升了0.14、0.6，在亞濕潤區(qū)有非常明顯的暖干化趨勢。暖干化已經(jīng)對青藏高原—黃土高原過渡區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、水資源和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重影響。

區(qū)域東部PER升高的主要原因是由于降水量的減少和氣溫上升，區(qū)域西部在降水量增加的情況下，PER仍出現(xiàn)上升的趨勢，其主要原因是由于氣溫上升導致蒸散量增加，且蒸散量增加的幅度超過了降水量增加的幅度；而處于半干旱區(qū)的青海省循化縣，由于可能蒸散量的上升趨勢和降水量的增加趨勢非常接近，故其變化最小，有暖濕化的趨勢。