植被覆蓋率變化對氣象要素的影響研究

易永力，李艷君

(1.承德市氣象局，河北 承德 067000；2.承德護(hù)理職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000)

陸地植被覆蓋變化對全球、區(qū)域和局地尺度的氣候變化存在反饋作用。植被變化通過改變地表反照率、地面濕度和地面粗糙度等陸面參數(shù),直接影響地表感熱、潛熱通量和地表長波輻射的變化,還通過對大氣 CO2的作用間接影響生地化循環(huán)過程[1]。

以往大多數(shù)研究多采用敏感性試驗來分析陸地尺度植被覆蓋變化對氣候的影響,較少采用統(tǒng)計方法來定量分析局地植被覆蓋率變化對氣象要素的影響。通過理解局地植被覆蓋變化與氣象要素的關(guān)系,對理解區(qū)域乃至全球植被覆蓋變化在氣候變化中的作用有所幫助。本文采用1951—2008年河北省圍場滿族蒙古族自治縣(以下簡稱圍場縣)國家基本氣象觀測站觀測數(shù)據(jù)來分析植被覆蓋變化與氣象要素之間的關(guān)系,關(guān)注的氣象要素主要包括最大風(fēng)速、平均風(fēng)速、浮塵日數(shù)、年降水量、年雨日數(shù),其中主要對風(fēng)速做了具體分析。

1 研究區(qū)概況

圍場縣位于承德市北部，縣境東西長138 km，南北寬118 km，總面積 9 219 km2，為承德市面積最大的縣。地理坐標(biāo)為41.58°～42.67°N，116.53°～118.23°E。圍場縣地處內(nèi)蒙古高原與冀北山地的過渡地帶。地勢西北高,東南低,海拔為700～2 000 m[2]。全縣根據(jù)海拔高度分為北部壩上地區(qū)和中南部壩下地區(qū)，壩上地區(qū)地勢平坦開闊，其中始建于1962年的塞罕壩機(jī)械林場就坐落于此；壩下地區(qū)山嶺溝壑密布，無高峰，許多山峰海拔在2 000 m以下。

目前圍場縣擁有林地面積51.27萬 hm2，森林覆蓋率達(dá)57.6%。圍場縣大面積植樹造林分為2個時期，分別為1962—1993年以及2000—2012年。第一個時期共植樹造林17萬 hm2，封山育林8萬 hm2；第二個時期共植樹造林4.97萬 hm2，退耕還林6.67萬 hm2。其中：1962—1982年塞罕壩機(jī)械林場建設(shè)時期共造林8.51萬 hm2，保存5.33萬 hm2[3]；1978—1993年實施“三北”防護(hù)林體系建設(shè)二期工程，即首都周圍綠化工程，共完成人工造林11.67萬 hm2，封山育林8萬 hm2[4]；2000年開展京津風(fēng)沙源治理以及退耕還林，至2012年共造林4.27萬 hm2，退耕還林6.67萬 hm2[5]；2004年中德財政合作河北二期造林項目在圍場縣共造林0.69萬 hm2[6]。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于圍場、承德國家基本氣象觀測站。圍場國家基本氣象觀測站始建于1951年，并于2009年遷至新址，對氣象數(shù)據(jù)的延續(xù)性產(chǎn)生了一些影響，故主要選取1951—2008年各項氣象要素數(shù)據(jù)。作為對比的承德國家基本氣象觀測站觀測數(shù)據(jù)，也同樣選取1951—2008年氣象要素數(shù)據(jù)。日最大風(fēng)風(fēng)速為一天內(nèi)任意10 min平均值的最大值。因圍場國家基本氣象觀測站于1971年才開始使用電接風(fēng)進(jìn)行風(fēng)速測量，故最大風(fēng)風(fēng)速選取的為1971—2008年資料。其中平均風(fēng)數(shù)據(jù)使用的是每日02時、08時、14時、20時風(fēng)速的平均值。年大風(fēng)日數(shù)表示一年內(nèi)出現(xiàn)瞬時風(fēng)速等于或大于17.0 m/s的天氣日數(shù)。

2.2 分析方法

氣候變化趨勢分析采用最小二乘法求氣候要素長時間序列趨勢,氣候趨勢用線性傾向表示，氣候要素變化趨勢采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法檢驗分析[7]。全年最大風(fēng)日數(shù)和平均風(fēng)日數(shù)為全年最大風(fēng)風(fēng)速、平均風(fēng)風(fēng)速達(dá)到相應(yīng)取值范圍的天數(shù)。

3 植被覆蓋率變化對氣象要素的影響

3.1 最大風(fēng)

把最大風(fēng)風(fēng)速設(shè)為6個檢驗區(qū)間，按照不同風(fēng)速檢驗區(qū)間對應(yīng)日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并統(tǒng)計變化速率(表1)。

從表1可以看出，從1971年開始，最大風(fēng)風(fēng)速在6 m/s以上的日數(shù)呈下降趨勢，其中風(fēng)速在8 m/s以上的日數(shù)下降幅度最大(通過了0.01信度檢驗)。再將下降趨勢明顯的2個風(fēng)速區(qū)間按照年際劃分為2個階段，分別為1971—1990年和1991—2008年?？梢园l(fā)現(xiàn)，最大風(fēng)風(fēng)速在8 m/s以上的日數(shù)在第一個階段降幅更大，這與1962—1993年第一次大規(guī)模植樹造林階段相對應(yīng)?？梢钥闯?，植被覆蓋率的增加對最大風(fēng)的風(fēng)速降低有正向作用，主要作用于最大風(fēng)風(fēng)速在8 m/s以上的大風(fēng)。

表1 全年不同風(fēng)速最大風(fēng)日數(shù)變化情況

注:*代表通過 0.1 信度檢驗；**代表通過 0.05 信度檢驗；***代表通過 0.01 信度檢驗。下同。

3.2 平均風(fēng)

1951—2008年的各項數(shù)據(jù)可以看出，平均風(fēng)風(fēng)速在3m/s以上的日數(shù)下降幅度最大(通過了0.01信度檢驗)(表2)。把平均風(fēng)風(fēng)速在3 m/s以上的數(shù)據(jù)按照年際分為3個階段，可以發(fā)現(xiàn)，隨著1962年植樹造林的開始，平均風(fēng)大于3 m/s的日數(shù)從1971年開始由增長轉(zhuǎn)為下降(均通過了0.01信度檢驗)，這與植被覆蓋率的增長是相對應(yīng)的，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。

表2 1951—2008年平均風(fēng)日數(shù)變化速率

表3 1951—2008年大于3 m/s平均風(fēng)日數(shù)變化速率

3.3 大風(fēng)日數(shù)

對1951—2008年年大風(fēng)日數(shù)及變化速率進(jìn)行統(tǒng)計(表4)。如果單從1951—2008年的變化情況來看，大風(fēng)日數(shù)呈下降趨勢，變化速率為2.2 d/10 a。但把1951—2008年分為3個時間段，可以發(fā)現(xiàn)，第一個時間段(1951—1970年)大風(fēng)日數(shù)呈上升趨勢，變化速率為16.7 d/10 a；第二個時間段(1971—1990年)大風(fēng)日數(shù)呈下降趨勢，變化速率為12.2 d/10 a；第三個時間段(1991—2008年)大風(fēng)日數(shù)呈下降趨勢，變化速率為4.3 d/10 a(均通過了0.01信度檢驗)。第二個時間段的變化速率要強(qiáng)于第三個時間段。大風(fēng)日數(shù)在這3個時間段的變化情況與植被覆蓋率的增長是相對應(yīng)的，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從第二、第三個時間段的變化速率來看，植被覆蓋率達(dá)到一定水平后，對大風(fēng)日數(shù)降低的有效性將減弱。

表4 全年大風(fēng)日數(shù)變化速率

3.4 降水

統(tǒng)計1951—2008年的年降水量、年雨日數(shù)、全年大于1.0 mm降水日數(shù)、全年大于5.0 mm降水日數(shù)數(shù)據(jù)(表5)。對降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，只有年雨日數(shù)的變化速率通過了信度檢驗，所以將同時段承德國家基本氣象觀測站年雨日數(shù)數(shù)據(jù)加入對比。將1951—2008年分為3個時間段，分別為1951—1970年、1971—1990年及1991—2008年。通過分析發(fā)現(xiàn)，相對于第一個時間段，承德站年雨日數(shù)增長速率變緩，圍場站減少速率變緩(圍場站年雨日數(shù)變化速率通過了0.01信度檢驗)；相對于第二個時間段，圍場年雨日數(shù)減少速率再次變大，而承德站也由增長變?yōu)橄陆担f明在大尺度天氣系統(tǒng)相同的背景下，植被覆蓋率增長對年雨日數(shù)的增加有一定影響，而較強(qiáng)降水需要大規(guī)模水汽輸送與大尺度天氣系統(tǒng)活動相結(jié)合，與局地植被覆蓋率變化無關(guān)(表6)。

表5 1951—2008年全年降水變化情況

3.5 浮塵日數(shù)

對1951—2008年年浮塵日數(shù)變化速率進(jìn)行統(tǒng)計(表7)。

從表中可以看到，1951—2008年年浮塵日數(shù)是以0.4 d/10 a的速率在減少，隨著1962年開始植樹造林，1971—1990年年浮塵日數(shù)是以2.1 d/10 a的速率在加速減少(通過了0.05信度檢驗)?？梢钥闯鲋脖桓采w率的增長，對年浮塵日數(shù)的降低有一定正向作用。

表6 1951—2008年年雨日數(shù)變化速率對比

表7 1951—2008年年浮塵日數(shù)變化速率

4 小結(jié)

4.1 植被覆蓋率變化對風(fēng)的影響

1)隨著1962—1993年以及2000—2012年2個階段大規(guī)模的植樹造林，植被覆蓋率逐年上升。由于植被的增加，可以發(fā)現(xiàn)，圍場縣最大風(fēng)風(fēng)速在6 m/s以上的大風(fēng)日數(shù)從1971年以后呈逐年減少態(tài)勢，其中最大風(fēng)風(fēng)速在8 m/s以上的大風(fēng)日數(shù)減少得最為明顯。這與1962年開始建設(shè)的塞罕壩機(jī)械林場以及1978開始實施的“三北”防護(hù)林體系建設(shè)二期工程，在時間上較為統(tǒng)一。最大風(fēng)風(fēng)速在5～6 m/s以及3 m/s以下的大風(fēng)日數(shù)無明顯變化。最大風(fēng)風(fēng)速在3～5 m/s的大風(fēng)日數(shù)增加較明顯。大風(fēng)日數(shù)從1951—2008年以-2.2 d/10 a的速率下降，大風(fēng)日數(shù)變化情況與植被覆蓋率的增長是相對應(yīng)的，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。可以得出，防護(hù)林對最大風(fēng)的風(fēng)速以及瞬時風(fēng)的風(fēng)速降低有正向作用，主要作用于最大風(fēng)風(fēng)速在6 m/s以上的大風(fēng)。

2)得益于1962年開始建設(shè)的塞罕壩機(jī)械林場，全年平均風(fēng)大于3 m/s的日數(shù)從1971年開始由上升轉(zhuǎn)為下降，這與植被覆蓋率的增長是相對應(yīng)的，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？梢缘贸?，防護(hù)林對平均風(fēng)的風(fēng)速降低有正向作用，主要作用在平均風(fēng)大于3 m/s的風(fēng)。

4.2 植被覆蓋率變化對降水的影響

對比承德、圍場國家基本氣象觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大尺度天氣系統(tǒng)相同的背景下，植被覆蓋率增長對年雨日數(shù)的增加有細(xì)微影響，而較強(qiáng)降水需要大規(guī)模水汽輸送與大尺度天氣系統(tǒng)活動相結(jié)合，與局地植被覆蓋率變化無關(guān)。

4.3 植被覆蓋率變化對浮塵日數(shù)的影響

隨著1962年開始植樹造林，1971—1990年年浮塵日數(shù)是以2.1 d/10 a的速率在加速減少?？梢钥闯鲋脖桓采w率的增長，對年浮塵日數(shù)的降低有一定正向作用。