近48年青藏高原水熱資源時(shí)空演變與匹配特征

董凌霄，張艷敏，蔣佩東，董前進(jìn)

(1.水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072；2.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430070)

青藏高原特殊的高海拔、低氣壓、強(qiáng)輻射及充足日照形成了其獨(dú)特的氣象與地理?xiàng)l件[1]，同時(shí)，全球的氣候變化及青藏高原近幾十年日益活躍的人類活動(dòng)也影響了其水熱資源時(shí)空分布，并對(duì)青藏高原農(nóng)牧業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。而青藏高原農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)與當(dāng)?shù)氐淖匀环A賦條件，如水資源、熱量、土地資源等密切相關(guān)，由此，研究年降雨量、年均氣溫、參考作物蒸散發(fā)量等水熱資源表征指標(biāo)的時(shí)空演變與匹配特征對(duì)青藏高原農(nóng)牧業(yè)持續(xù)生產(chǎn)意義重大[2-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)青藏高原氣候變化特征開(kāi)展了大量研究。如姚天次等[5]利用Fao Penman-Monteith方程，分析了青藏高原潛在蒸散發(fā)的空間布局及其突變特點(diǎn)；牛濤等[6]采用方差極大正交旋轉(zhuǎn)法，研究了青藏高原的平均溫度以及相對(duì)濕度等氣候特征；Yao等[7]運(yùn)用多種突變檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停接懥饲嗖馗咴舭l(fā)皿蒸發(fā)量的突變性及其空間分布的關(guān)系；劉桂芳等[8]通過(guò)69個(gè)氣象臺(tái)站的氣象數(shù)據(jù)，分析了青藏高原近50年的主要?dú)夂蛞蜃犹卣鳎籞hang等[9]運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)，分析研究了青藏高原及其周邊地區(qū)的干旱演變特征；湯懋蒼等[10]研究了近千年來(lái)青藏高原及其四周的氣候變化，分析了降水與氣溫的相關(guān)性并初步預(yù)測(cè)了中國(guó)西部的氣候變化趨勢(shì)。在水熱資源匹配特征的研究中，一些學(xué)者[11-12]采用匹配距離以及不平衡指數(shù)進(jìn)行匹配度的分析；另有研究[13]則采用干燥度指標(biāo)來(lái)分析水熱資源的匹配關(guān)系。總體來(lái)看，目前針對(duì)青藏高原農(nóng)牧業(yè)水熱資源的時(shí)空演變的文獻(xiàn)較多，但涉及青藏高原水熱資源匹配特征方面的研究較少。而青藏高原水熱資源匹配狀況將決定青藏高原農(nóng)牧業(yè)發(fā)展布局并影響當(dāng)?shù)厮Y源持續(xù)利用。為此，這里以青藏高原為例，分析年降雨量、參考作物蒸散發(fā)量、年均氣溫等水熱資源表征指標(biāo)的時(shí)空演變與匹配特征，為青藏高原的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原總面積約250萬(wàn)km2，占中國(guó)陸地面積近1/4，地廣人稀，平均海拔在4 000 m以上，是中國(guó)的第一級(jí)階梯。高海拔帶來(lái)了豐富的光照資源，同時(shí)高原上湖泊眾多，水資源豐沛，特殊的地形地貌使它成為東亞、東南亞和南亞許多大河發(fā)源地。近年來(lái)，該地區(qū)的氣候變化呈現(xiàn)出暖濕化趨勢(shì)[8，14]，水熱資源充沛，也為該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究中使用的氣象數(shù)據(jù)(包括降雨、氣壓、溫度、風(fēng)速、濕度、日照時(shí)數(shù))和輻射數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)日值數(shù)據(jù)集，時(shí)間跨度為1970—2017年。其中，氣象站點(diǎn)在青藏高原及其邊界附近共317個(gè)站點(diǎn)，輻射數(shù)據(jù)源于青藏高原及其邊界附近26個(gè)站點(diǎn)，氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。由于青藏高原西部部分地區(qū)環(huán)境十分惡劣，限制常規(guī)的觀測(cè)設(shè)施的布設(shè)，因而這些地區(qū)的站點(diǎn)較少，分布不均。但本文所用數(shù)據(jù)均為歷史及現(xiàn)狀實(shí)測(cè)資料且經(jīng)過(guò)了質(zhì)量控制，因此，數(shù)據(jù)能滿足本文計(jì)算要求，且可靠性較高。

圖1 青藏高原氣象站點(diǎn)分布

2 研究方法

以降水量表示水分收支情況，以氣溫和參考作物蒸散發(fā)量作為熱量指標(biāo)，以濕潤(rùn)指數(shù)及匹配系數(shù)反映水熱資源匹配特征進(jìn)行青藏高原水熱資源時(shí)空演變與匹配特征研究。

2.1 參考作物蒸散發(fā)量

由于參考作物蒸散發(fā)量通常只與氣象條件有關(guān)，在一定程度上能反映某一區(qū)域獲得的熱量情況，為此，除氣溫表示熱量指標(biāo)外，也嘗試采用參考作物蒸散發(fā)量作為熱量指標(biāo)，其計(jì)算采用在濕潤(rùn)或干旱半干旱地區(qū)都適用的Penman-Monteith公式，計(jì)算式如下[15]：

(1)

式中 ET0——參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；Rn——作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G——土壤熱通量，MJ/(m2·d),G≈0；T——2 m高度處的空氣溫度，℃；u2——2 m高度處的風(fēng)速，m/s；es——飽和水汽壓，kPa；ea——實(shí)際水汽壓，kPa；es-ea——飽和水汽壓差，kPa；Δ——水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ——濕度表常數(shù)，kPa/℃。

2.2 濕潤(rùn)指數(shù)

濕潤(rùn)指數(shù)(Humidity index，HI)通常用于衡量一個(gè)地區(qū)的干濕程度[16]，一般以某地區(qū)的水分收支比值來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(2)

式中P——降水量，mm；ET0——參考作物蒸散發(fā)量，mm。

由于式(2)中同時(shí)含有水分(降水)、熱量(參考作物蒸散發(fā)量)指標(biāo)，這里也作為水熱資源匹配的一種指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.3 水熱資源匹配系數(shù)

在指標(biāo)HI的基礎(chǔ)上，綜合考慮降雨量、參考作物蒸散發(fā)量與氣溫，本文提出了水熱資源匹配系數(shù)(Matching coefficient of water and heat resources，MCWHR)，計(jì)算公式如下：

MCWHR=HI·T

(3)

水熱資源匹配系數(shù)越大，區(qū)域的水熱資源匹配性越好。

根據(jù)上述方法計(jì)算青藏高原每個(gè)站點(diǎn)(317個(gè))水熱資源指標(biāo)，采用反距離權(quán)重法對(duì)站點(diǎn)平均溫度、降水量、參考作物蒸散量、濕潤(rùn)指數(shù)、水熱資源匹配系數(shù)等進(jìn)行空間插值得到柵格數(shù)據(jù)，并使用泰森多邊形求得青藏高原的水熱資源匹配特征指標(biāo)的加權(quán)平均值。

3 結(jié)果

3.1 青藏高原水熱資源時(shí)空演變

3.1.1降雨

青藏高原多年平均降雨量為341 mm，降雨空間分布見(jiàn)圖2a。從空間分布來(lái)看，青藏高原的降雨自東南至西北遞減，多年平均降雨量最高值達(dá)1 700多mm，最低值只有20 mm左右，空間差異巨大。最高值出現(xiàn)在貢山獨(dú)龍族怒族自治縣與德欽縣交界處，最低值出現(xiàn)在阿克塞哈薩克族自治縣與海西蒙古族藏族自治州直轄市交界處。從趨勢(shì)變化上來(lái)看(圖2c)，青藏高原的年降雨量呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.001)，氣候傾向率為1.56 mm/a，最大值出現(xiàn)在2017年(403 mm)，最小值出現(xiàn)在1972年(246 mm)。

3.1.2氣溫

青藏高原多年平均氣溫3℃，最高值為20.3℃，最低值達(dá)到零下5℃左右，且受海拔影響較同緯度其他地區(qū)低。氣溫空間分布見(jiàn)圖2b，從空間分布來(lái)看，青藏高原東南及西部地區(qū)氣溫較高，中部地區(qū)較低，空間差異巨大，最高值出現(xiàn)在瀘水縣內(nèi)，站點(diǎn)海拔910 m；最低值出現(xiàn)在玉樹(shù)境內(nèi)，站點(diǎn)海拔4 645 m，溫度受海拔影響大。從趨勢(shì)變化上來(lái)看(圖2d)，青藏高原的年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.001)，氣候傾向率為0.054 ℃/a。

a)年降雨量空間分布

3.1.3參考作物蒸散發(fā)量

青藏高原多年平均參考作物蒸散發(fā)量為981.5 mm，年際間變化差異較大。圖3依次給出了1970、1980、1990、2000、2010、2016年的參考作物蒸散發(fā)量。

a)1970年

從圖3可知，青藏高原ET0空間上呈現(xiàn)出東南部及西北部地區(qū)較高，中部地區(qū)較低的分布。最高值是最低值的2倍左右，空間差異較大。柴達(dá)木盆地及新疆和西藏的西北部地區(qū)ET0比較高，太陽(yáng)輻射大，濕度低，蒸散發(fā)劇烈；青藏高原的東南部地區(qū)則是溫度較高，日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸散發(fā)也比較劇烈。從時(shí)間演變上看，青藏高原在1970—2000年空間分布差異不大，西藏西北部ET0比較穩(wěn)定；而2000—2016年高ET0區(qū)域明顯擴(kuò)張，西藏的西北部ET0明顯增加，而中部的低ET0區(qū)域明顯縮小。

3.2 青藏高原水熱資源匹配情況

3.2.1濕潤(rùn)指數(shù)

青藏高原多年平均濕潤(rùn)指數(shù)為34.77%。從空間分布來(lái)看(圖4a)，青藏高原的濕潤(rùn)指數(shù)與降雨量分布類似，多年平均濕潤(rùn)指數(shù)最高值達(dá)214%，最低值只有1%，空間差異巨大。最高值、最低值出現(xiàn)的區(qū)域與降雨量分布一致。

a)青藏高原年濕潤(rùn)指數(shù)空間分布

從趨勢(shì)變化上來(lái)看(圖4c)，青藏高原的濕潤(rùn)指數(shù)趨勢(shì)變化不明顯，氣候傾向率為0.067%/a，最大值出現(xiàn)在2017年(39.94%)，最小值出現(xiàn)在1994年(28.98%)。

3.2.2水熱資源匹配系數(shù)

從空間分布來(lái)看(圖4b)，青藏高原水熱資源匹配系數(shù)自東南至西北遞減。匹配系數(shù)最高的區(qū)域出現(xiàn)在云南的怒江傈僳族自治州(瀘水縣、福貢縣、貢山縣等)和四川的寶興縣、天全縣、北川縣等地，匹配系數(shù)低的區(qū)域覆蓋了青藏高原上新疆的全部區(qū)域、青海的大部分區(qū)域、西藏的西北部區(qū)域和甘肅的北部區(qū)域。

從趨勢(shì)變化上來(lái)看(圖4d)，青藏高原的水熱資源匹配系數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.001)，最大值出現(xiàn)在2017年，最小值出現(xiàn)在1970年。

4 結(jié)論

本文分析了青藏高原降雨量、溫度、參考作物蒸散發(fā)量、濕潤(rùn)指數(shù)等水熱資源表征指標(biāo)1970—2017年變化特性及空間分布情況。同時(shí)，結(jié)合降雨、氣溫、蒸發(fā)等要素提出了青藏高原水熱資源匹配系數(shù)，主要結(jié)論如下。

a)青藏高原的降雨量、氣溫以及參考作物蒸散發(fā)的空間差異巨大。其年降雨量與年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，ET0在1970—2000年空間分布差異不大，西藏西北部ET0比較穩(wěn)定；而2000—2016年高ET0區(qū)域明顯擴(kuò)張，西藏的西北部ET0明顯增加，而中部的低ET0區(qū)域明顯縮小。

b)由青藏高原水熱資源匹配系數(shù)計(jì)算得出青藏高原水熱資源匹配特征由西北向東南逐漸變好，并在1970—2017年呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)，說(shuō)明青藏高原的水熱資源情況在氣候變化與人類活動(dòng)中產(chǎn)生了較大變化。當(dāng)前這種變化是有利于農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的，但仍需關(guān)注青藏高原水資源承載力，防止對(duì)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，破壞生態(tài)環(huán)境，影響青藏高原的生態(tài)系統(tǒng)平衡。