近54年粵東北氣候干濕狀況的時(shí)空變化特征

段?；?，賀發(fā)勝，楊家軍，郝建平

（1.河源市氣象局，廣東河源 517000；2.東源縣氣象局，廣東東源 517500）

IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出，隨著全球氣候的變暖，大部分陸地干旱化趨勢(shì)日益顯著，導(dǎo)致干濕氣候區(qū)域發(fā)生變化，旱澇災(zāi)害增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境、作物布局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生重大影響［1］。濕潤(rùn)指數(shù)是表示氣候濕潤(rùn)程度的指標(biāo)，它是降水量、氣溫、氣壓、風(fēng)速等多種要素的綜合反映［2-5］，目前被廣泛應(yīng)用于氣候干濕狀況評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境變化等研究中。

以往的研究表明，不同區(qū)域的干濕氣候變化存在較大差異，其影響也是復(fù)雜多樣的，并且存在較多的不確定性。胡琦等［4］、申雙和等［5］研究發(fā)現(xiàn)，中國濕潤(rùn)地區(qū)總體增多，東部暖濕化明顯，中西部暖干化趨勢(shì)顯著；施雅風(fēng)等［6］指出，新疆氣候干濕狀況發(fā)生了暖干-暖濕-暖干的轉(zhuǎn)變；王允等［7］認(rèn)為西南地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，變干地區(qū)多于變濕地區(qū)；姚玉碧等［8］發(fā)現(xiàn)，三江源地區(qū)地表濕潤(rùn)指數(shù)呈增大趨勢(shì)，降水量、相對(duì)濕度和平均最高氣溫是主導(dǎo)因子；趙晶等［9］指出，江蘇干濕氣候變化不明顯，但降水量的變化對(duì)相對(duì)濕潤(rùn)度的時(shí)空分布起著主導(dǎo)作用。因此，針對(duì)各地實(shí)際情況，系統(tǒng)研究干濕氣候的時(shí)空變化規(guī)律及其成因，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

河源市和梅州市處于廣東省東北部的生態(tài)發(fā)展區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光、熱、水充足，動(dòng)植物種類繁多，生物資源豐富。以往的研究?jī)H限于對(duì)上述地區(qū)降水、氣溫等因子的單一研究［10-13］，還未有針對(duì)氣候干濕演變的系統(tǒng)研究報(bào)道。系統(tǒng)分析近幾十年來粵東北干濕氣候的時(shí)空變化特征，對(duì)進(jìn)一步科學(xué)制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)發(fā)展區(qū)建設(shè)目標(biāo)等具有重要的指導(dǎo)意義。

1 資料和方法

1.1 資料

所用資料為1966—2019年粵東北（指河源、梅州兩市）12個(gè)國家氣象觀測(cè)站的逐月降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速、氣壓、相對(duì)濕度等資料。采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)四季進(jìn)行劃分：3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至翌年2月為冬季。

1.2 方法

氣候干濕狀況用濕潤(rùn)指數(shù)表示，采用《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范（試行）》中的計(jì)算方法［14］。采用線性傾向估計(jì)分析濕潤(rùn)指數(shù)的線性變化趨勢(shì)；用多項(xiàng)式擬合階段性變化特征；運(yùn)用Mann-Kendall法結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)。對(duì)氣象因子和濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，運(yùn)用多元回歸方法計(jì)算氣象因子對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)率。

濕潤(rùn)指數(shù)（Km）為

其中，R為計(jì)算時(shí)段內(nèi)降水量（mm）；ET0為同期潛在蒸散量（季度、年潛在蒸散量為相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)各月之和）。

月潛在蒸散量（ET0）為

其中，P為平均氣壓（hPa）；t為平均氣溫（℃）；d為天數(shù)（d）；F為平均風(fēng)速（m/s）；RH為相對(duì)濕度（%）；E為溫度t對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓（mmHg）。

飽和水汽壓（E）為

貢獻(xiàn)率（W）為

其中，Y為濕潤(rùn)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；X1、X2……分別為氣象因子標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；a1、a2……為回歸系數(shù)；Wi為第i個(gè)氣象因子對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤(rùn)指數(shù)的時(shí)空變化

近54年粵東北年濕潤(rùn)指數(shù)與年降水量的空間分布基本相一致（圖1），具有河源自北向南、梅州自西北向東南呈“相對(duì)濕潤(rùn)-相對(duì)干燥-相對(duì)濕潤(rùn)”的分布特征。連平、和平和紫金濕潤(rùn)指數(shù)較高，均在2.75以上，其中紫金最高，為2.89，主要是由于上述地區(qū)降水相對(duì)豐富；五華、興寧、梅縣、焦嶺一帶濕潤(rùn)指數(shù)較低，均在2.25以下，其中五華最低，為1.95，主要是由于上述地區(qū)降水相對(duì)較少。

圖1 1966—2019年粵東北年濕潤(rùn)指數(shù)（填色）和降水量（等值線，單位：mm）

從地形角度分析發(fā)現(xiàn)，濕潤(rùn)指數(shù)較高的區(qū)域主要位于地形起伏較大和大型水庫、水網(wǎng)密集的地區(qū)。地形起伏，有利于大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)生發(fā)展；水系發(fā)達(dá)，則為降水的水汽供應(yīng)帶來良好條件。

由圖2可知，近54年粵東北年濕潤(rùn)指數(shù)與年降水量的氣候變化趨勢(shì)總體相一致，但并不完全同步?；洊|北多年平均濕潤(rùn)指數(shù)為2.396，最大值為4.475，出現(xiàn)在1984年，最小值為1.503，出現(xiàn)在2012年，兩者相差2.972，變異系數(shù)達(dá)25%。年濕潤(rùn)指數(shù)的線性變化趨勢(shì)呈不顯著的下降趨勢(shì)，但階段性變化特征明顯。1969—1999年濕潤(rùn)指數(shù)多為正距平，降水量整體偏多，生態(tài)環(huán)境較為濕潤(rùn)；2000—2019年濕潤(rùn)指數(shù)多為負(fù)距平，降水量整體偏少，生態(tài)環(huán)境較為干燥。

圖2 1966—2019年粵東北年平均濕潤(rùn)指數(shù)及年降水量變化趨勢(shì)

從近54年粵東北各站年濕潤(rùn)指數(shù)的氣候變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，除平遠(yuǎn)外的其余各站年濕潤(rùn)指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。下降趨勢(shì)最顯著的區(qū)域位于河源市西部的連平（R=-0.453、P＜0.001）和河源（R=-0.381、P＜0.01），每10年下降0.185～0.209；其次是位于河源市中、南部地區(qū)的龍川（R=-0.341、P＜0.05）、紫金（R=-0.321、P＜0.05）和梅州市的梅縣（R=-0.339、P＜0.05），每10年下降0.137～0.156。

由圖3可知，粵東北年濕潤(rùn)指數(shù)在21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變，突變點(diǎn)在2001年，并通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)。對(duì)各地年濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行突變分析，發(fā)現(xiàn)有7站在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變，其中通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)的有龍川和豐順，突變點(diǎn)分別在1999和2002年。對(duì)比突變前后年濕潤(rùn)指數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)粵東北年濕潤(rùn)指數(shù)在突變后的2001—2019年比突變前的1966—2000年下降0.466；龍川突變后的1999—2019年比突變前的1966—1998年下降0.705；豐順突變后的2002—2019年比突變前的1966—2001年下降0.609。

圖3 1966—2019年粵東北年濕潤(rùn)指數(shù)M-K突變分析

2.2 季濕潤(rùn)指數(shù)時(shí)空變化

由圖4可知，近54年粵東北濕潤(rùn)指數(shù)的季節(jié)變化和地區(qū)差異明顯。春季的濕潤(rùn)指數(shù)最高，平均為3.988，大值區(qū)主要位于河源市北部，最大值為5.022，出現(xiàn)在連平；低值區(qū)主要位于梅州市南部，最小值為3.048，出現(xiàn)在五華。夏季次之，平均為3.058，大值區(qū)主要位于河源市及梅州市的南部，最大值為4.291，出現(xiàn)在豐順；低值區(qū)主要位于河源市東北部和梅州市中、北部，最小值為2.279，出現(xiàn)在五華。冬季再次之，平均為1.491，大值區(qū)主要位于河源市北部和梅州市西北部及東部，最大值為1.804，出現(xiàn)在和平；低值區(qū)主要位于梅州市東南部，最小值為0.989，出現(xiàn)在豐順。秋季最低，平均為1.060，大值區(qū)主要位于河源市南部和梅州市東南部，最大值為1.376，出現(xiàn)在紫金；低值區(qū)主要位于河源市西北部和梅州市中、北部，最小值為0.925，出現(xiàn)在蕉嶺。濕潤(rùn)指數(shù)這種不同季節(jié)的空間分布特征，主要是由于冬半年粵東北受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)影響，降水主要落區(qū)在河源北部，夏半年主要受季風(fēng)和熱帶系統(tǒng)影響，降水的主要落區(qū)在梅州市及河源市的南部。

圖4 1966—2019年粵東北各季濕潤(rùn)指數(shù)空間分布

從近54年粵東北各季濕潤(rùn)指數(shù)的氣候變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，4季濕潤(rùn)指數(shù)均呈不顯著的下降趨勢(shì)。春季，除和平站外的11站均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中連平（R=-0.343、P＜0.01）、河源（R=-0.303、P＜0.05）、梅縣（R=-0.299、P＜0.05）、龍川（R=-0.282、P＜0.05）下降趨勢(shì)顯著；夏季，連平、和平、龍川、興寧、河源、紫金、豐順等7個(gè)站呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中僅連平（R=-0.365、P＜0.01）下降趨勢(shì)顯著；秋、冬季全區(qū)均呈不顯著下降趨勢(shì)。

應(yīng)用Mann-Kendall法對(duì)近54年粵東北四季濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行突變分析，發(fā)現(xiàn)春季連平、龍川、興寧、梅縣、河源、紫金、豐順在20世紀(jì)90年代中期到21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變，但僅河源通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)，突變點(diǎn)在1994年，轉(zhuǎn)干趨勢(shì)明顯；夏季連平、和平、龍川、豐順在20世紀(jì)70年代末到80年代初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變，但僅連平、和平通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)，突變點(diǎn)在1983年，轉(zhuǎn)干趨勢(shì)明顯；秋季龍川、蕉嶺、梅縣、河源、紫金在20世紀(jì)90年代初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變，但僅梅縣通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)，突變點(diǎn)在1991年，轉(zhuǎn)干趨勢(shì)明顯；冬季梅縣、河源在20世紀(jì)90年代中期到21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變，但均未通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)。

2.3 月濕潤(rùn)指數(shù)時(shí)空變化

由圖5可知，粵東北濕潤(rùn)指數(shù)的各月分布不均勻，與降水量的逐月變化特征基本相一致，1月起連續(xù)上升，在6月達(dá)到峰值，此后波動(dòng)下降，10月降到全年最低值。從各站月濕潤(rùn)指數(shù)來看（表略），最小值為0.554，出現(xiàn)在12月的豐順，最大值為5.974，出現(xiàn)在6月的紫金；各站月濕潤(rùn)指數(shù)最大值出現(xiàn)在5—6月，最小值出現(xiàn)在10—12月。

圖5 1966—2019年粵東北濕潤(rùn)指數(shù)及降水量逐月變化

從近54年粵東北各月濕潤(rùn)指數(shù)氣候變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，1、8、11和12月呈弱上升趨勢(shì)，其余月份均呈下降趨勢(shì)，其中10月下降趨勢(shì)最為顯著（R=-0.296、P＜0.05），每10年下降0.144。從各站各月濕潤(rùn)指數(shù)變化趨勢(shì)可知，河源4月（R=-0.288）、梅縣5月（R=-0.313）、連平6月（R=-0.281）、河源10月（R=-0.303）、大埔10月（R=-0.274）、興寧10月（R=-0.285）、龍川10月（R=-0.329）呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05）；連平5月（R=-0.348）和10月（R=-0.383）、梅州10月（R=-0.343）呈極顯著下降趨勢(shì)（P＜0.01）。

應(yīng)用Mann-Kendall法對(duì)近54年粵東北10月濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行突變分析，發(fā)現(xiàn)其在20世紀(jì)80年代發(fā)生突變，突變點(diǎn)在1984年。濕潤(rùn)指數(shù)在突變后的1984—2019年比突變前的1966—1983年下降了0.646，但突變點(diǎn)未通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)。

2.4 氣象因子對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的影響分析

1）氣象因子氣候變化。

從表1可知，近54年粵東北年平均氣溫呈極顯著上升趨勢(shì)，每10年上升0.196℃；年相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)呈極顯著下降趨勢(shì)，每10年下降0.57%和34.04 h；年平均風(fēng)速呈不顯著上升趨勢(shì)。4季平均氣溫和平均風(fēng)速均呈上升趨勢(shì)，相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)均呈下降趨勢(shì)。其中，夏、秋、冬季平均氣溫和夏季平均風(fēng)速上升趨勢(shì)極顯著，4季的相對(duì)濕度和夏季日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)顯著。

表1 1966—2019年粵東北各氣象因子氣候傾向值（10年變化量）

2）氣象因子與濕潤(rùn)指數(shù)的相關(guān)性分析。

從近54年粵東北各氣象因子與濕潤(rùn)指數(shù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，年濕潤(rùn)指數(shù)與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為0.409，呈極顯著正相關(guān)；與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.282，呈顯著負(fù)相關(guān)；與日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速的的相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)分別為-0.165和-0.084。春季濕潤(rùn)指數(shù)與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為0.507，呈極顯著正相關(guān)；與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.416和-0.498，呈極顯著負(fù)相關(guān)。夏季濕潤(rùn)指數(shù)與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為0.357，呈極顯著正相關(guān)；與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.313，呈顯著負(fù)相關(guān)。秋、冬季濕潤(rùn)指數(shù)與各氣象因子間的相關(guān)系數(shù)普遍較小，相關(guān)性不顯著。

3）氣象因子對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)變化的貢獻(xiàn)率分析。

近54年來，粵東北年、春季和冬季各氣象因子對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)變化貢獻(xiàn)依次為相對(duì)濕度＞平均氣溫＞日照時(shí)數(shù)＞平均風(fēng)速，相對(duì)濕度為主要影響因子，貢獻(xiàn)率均在0.4以上，而平均風(fēng)速對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，其貢獻(xiàn)率均小于0.1。各氣象因子對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)變化貢獻(xiàn)的夏季排序?yàn)橄鄬?duì)濕度＞日照時(shí)數(shù)＞平均風(fēng)速＞平均氣溫，秋季排序?yàn)橄鄬?duì)濕度＞平均風(fēng)速＞平均氣溫＞日照時(shí)數(shù)，平均氣溫對(duì)夏季濕潤(rùn)指數(shù)、日照時(shí)數(shù)對(duì)秋季濕潤(rùn)指數(shù)的貢獻(xiàn)均小于0.1（表2）。結(jié)合氣象因子氣候傾向率和相關(guān)系數(shù)可知，相對(duì)濕度的顯著減少和平均氣溫的顯著升高是粵東北濕潤(rùn)指數(shù)減小的主導(dǎo)因子。

表2 1966—2019年粵東北各氣象因子氣候與濕潤(rùn)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)及其對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

1）近54年粵東北年濕潤(rùn)指數(shù)在空間分布上河源自北向南、梅州自西北向東南呈“相對(duì)濕潤(rùn)-相對(duì)干燥-相對(duì)濕潤(rùn)”的分布特征，濕潤(rùn)指數(shù)較高的區(qū)域主要位于地形起伏較大和大型水庫、水網(wǎng)密集的地區(qū)；年濕潤(rùn)指數(shù)總體呈不顯著的下降趨勢(shì)，并在21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變。各站年濕潤(rùn)指數(shù)多呈逐漸下降趨勢(shì)，僅平遠(yuǎn)呈略上升趨勢(shì)。

2）近54年粵東北濕潤(rùn)指數(shù)的季節(jié)變化和地區(qū)差異明顯，春季的濕潤(rùn)指數(shù)最高，夏季次之，秋季最低。冬春季濕潤(rùn)指數(shù)的大值區(qū)多位于河源市北部，低值區(qū)均位于梅州市南部；夏秋季濕潤(rùn)指數(shù)的大值區(qū)均位于河源市南部和梅州市東南部，低值區(qū)多位于梅州市中、北部。四季的濕潤(rùn)指數(shù)均呈不顯著下降趨勢(shì)。

3）近54年粵東北月濕潤(rùn)指數(shù)各月分布不均，與降水的逐月變化特征基本相一致，最大值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在10月?；洊|北10月濕潤(rùn)指數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)，而各站各月的變化趨勢(shì)并不一致，變化顯著的多呈下降趨勢(shì)。

4）粵東北年、春季和冬季的相對(duì)濕度、平均氣溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)其濕潤(rùn)指數(shù)變化具有較大貢獻(xiàn)，相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)對(duì)夏季濕潤(rùn)指數(shù)變化貢獻(xiàn)較大，相對(duì)濕度和平均風(fēng)速對(duì)秋季濕潤(rùn)指數(shù)變化貢獻(xiàn)較大。相對(duì)濕度的顯著減少和平均氣溫的顯著升高是粵東北濕潤(rùn)指數(shù)減小的主導(dǎo)因子。