1986-2015 年極端降水指標(biāo)變化及其對中國草地植被物候的影響

魏紅梅，吳 靜，秦格霞

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著全球變暖，極端降水事件頻發(fā)，其強(qiáng)度也愈發(fā)強(qiáng)烈，對人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生了重大影響。極端天氣事件的定義來自于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第三次和第四次評估報(bào)告，主要是從概率分布的角度將其定義為在特定的時間和地點(diǎn)所發(fā)生的小概率氣候事件（一般概率小于該類事件的10%或更低），如果一次天氣事件接近或者超過了歷史最高紀(jì)錄，也可以認(rèn)定為這是一次極端天氣事件，其與平均態(tài)相比，具有偶然性、反常性的特點(diǎn)，且極端天氣比一般氣候事件更具破壞性、災(zāi)難性強(qiáng)，地域差異性更為顯著，對生態(tài)環(huán)境的影響更為直接和嚴(yán)重[1-4]。隨著極端降水事件的逐漸增加，草地植被物候事件生長季始期（start of the growing season,SOS）、生長季末期（end of the growing season,EOS）已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化[5]。植被SOS 和EOS 的變化能夠持續(xù)不斷地影響植被的生長發(fā)育或是通過改變地表的反射率進(jìn)而影響地表局部溫度[6]，因此物候事件的變化會影響群落里不同物種之間的相互作用和營養(yǎng)水平，甚至群落的構(gòu)成[7]。在大尺度上，植被物候的變化可以改變植被活力和生態(tài)系統(tǒng)功能[8]，也可以影響地表能量循環(huán)和碳收支[9]，甚至是區(qū)域氣候[10]。

IPCC 指出，自工業(yè)革命開始以來，全球平均氣溫上升了約1.08℃，未來全球?qū)⑦M(jìn)一步變暖，尤其是干旱、高溫?zé)崂恕⒈┯?、洪澇等極端天氣事件發(fā)生的頻率和大小還將不斷增加[3，4，11]。Richard B 等[12]通過研究發(fā)現(xiàn)，溫度每升高1℃，櫻花的開花期提前平均3～5 d。自20 世紀(jì)70 年代以來，氣候變化導(dǎo)致的氣溫上升使春季物候每十年提前了2.3 d[13]。受極端天氣的影響，觀測到的溫帶植被的花期已經(jīng)提前了近一個月，有的甚至不能完成開花[4]。Crabbe 等[14]研究發(fā)現(xiàn)歐洲地區(qū)春季和秋季的極端變暖事件對森林物候有重大影響，結(jié)果表明歐洲高緯度普遍發(fā)生的極端春季變暖事件使落葉闊葉林和混交林的返青期出現(xiàn)提前，而秋季的極端變暖事件使得常綠落葉、落葉闊葉和混交林的枯黃期延遲，并且使來年的春季返青期顯著提前。

我國人口基數(shù)大，氣候繁雜，也是全球最易受到極端天氣災(zāi)難危害的國家之一。我國草地資源非常豐富，主要分布在中高緯度和高海拔的干旱、半干旱地區(qū)，然而草地物候?qū)夂蜃兓叨让舾衃15]，有關(guān)文獻(xiàn)表明草地物候的變化與過去四十年觀測到的氣候變暖有關(guān)[16-17]，降水被認(rèn)為是草地生態(tài)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)植被物候的主要因素[5]。

基于此，本文基于極端降水?dāng)?shù)據(jù)、草地類型數(shù)據(jù)及物候數(shù)據(jù)分析了我國1986-2015 年極端天氣事件的時空變化及其對草地植被物候的影響，以期為科學(xué)分析我國草地資源物候受極端天氣事件變化的影響提供方法，降水事件對區(qū)域植被物候的影響，提高我們對高原區(qū)域植被物候的變化規(guī)律及潛在的氣候變化響應(yīng)機(jī)理認(rèn)識。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1.1 極端天氣數(shù)據(jù)集（HadEX3）

HadEX3數(shù)據(jù)集（www.climdex.org）采用綜合觀測資源來量化晝夜溫度和降水變化，由29 個極端氣候指數(shù)組成，包括12 個極端降水指標(biāo)，是通過世界降水站數(shù)據(jù)計(jì)算而來的數(shù)據(jù)，涵蓋了1901-2018 年的極端天氣事件，綜合反映了降水事件的頻率和強(qiáng)度，該數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于極端降水事件研究中[18-21]。根據(jù)我國降水的實(shí)際情況，本文選擇了10 個最能反映短時和長時降水事件來分析我國草地物候?qū)O端天氣變化的響應(yīng)情況，空間數(shù)據(jù)通過ANUSPLINE 軟件插值生成。

1.1.2 草地類型數(shù)據(jù)

本文所使用的草地類型數(shù)據(jù)來源于國家自然科學(xué)基金委員會中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)網(wǎng)（http://westdc.westgis.ac.cn）的GLC 2000 數(shù)據(jù)，共提取6 種草地類型，分別為高山亞高山草甸、山地草原、平地草原、荒漠草原、草甸和高山亞高山平地草原，不同類型的草地系統(tǒng)其分布區(qū)域和環(huán)境特點(diǎn)各有不同（表1）。

表1 不同草地類型的分布及環(huán)境特征

1.1.3 物候數(shù)據(jù)

本研究物候數(shù)據(jù)采用倪璐[22]利用15 d 最大化合成8 km GIMMS NDVI 3g 數(shù)據(jù)集，利用TIMESAT 3.2 平臺輔以S-G 濾波法、動態(tài)閾值法并結(jié)合草地生長特點(diǎn)提取的物候參數(shù)，草地植被SOS、EOS 的均方根誤差為9.03 d 和9.44 d，偏差為2.05 和0.65，且均通過99.9%的顯著性檢驗(yàn)，滿足本文研究精度需要。

1.2 研究方法

1.2.1 極端天氣趨勢分析

1.2.1.1 非參數(shù)Mann-Kendal 方法MK 檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦的，可有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動還是有一定的變化趨勢，因其較寬的監(jiān)測范圍和數(shù)據(jù)定量化操作被廣泛地應(yīng)用到氣象、水文等因素的時間序列變化趨勢分析中[23-24]。

1.2.1.2 Sen’s 趨勢分析對于Mann-Kendall 分析存在線性變化趨勢的時間序列變量，其變化趨勢的大小可用Sen’s 坡度估計(jì)方法計(jì)算獲得。

1.2.1.3 線性回歸分析一元線性回歸用于分析極端天氣變化的時間趨勢，斜率為負(fù)表示極端天氣呈下降趨勢，反之升高，公式如下：

式中，Slope 為趨勢線的斜率，即極端天氣的變化趨勢；y為柵格第i年的極端天氣事件數(shù)值；i為年變量，從1 到n。

1.2.2 草地植被物候?qū)O端天氣變化響應(yīng)

本文采用Pearson 相關(guān)系數(shù)r表示極端溫度和極端降水事件對草地植被SOS 的影響，公式為：

式中，x表示極端天氣事件；y表示草地植被物候；r的絕對值越大，表明極端天氣事件對草地植被SOS影響越大，反之，則關(guān)系較弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水事件時空變化分析

極端降水事件的時間變化如圖1 折線圖所示，可知全國RX1 day 以0.10 mm/a 的趨勢上升，RX5day 以0.14 mm/a 的速率呈上升趨勢；R10 mm 和R20 mm 均以0.01 d/a 的速率緩慢升高，SDII 0.01 d/a 的速率呈緩慢上升；CDD 以0.08 d/a 的速率上升，而CWD 以0.01d/a 的速率下降，說明我國受旱情況較為顯著；近年來極端降水事件頻發(fā)，影響顯著，R95P 和R99P 分別以0.63 mm/a、0.43 mm/a 的增長就足以證明，在未來有效防御極端降水事件是十分有必要的；此外PRCPTOT 也以0.33 mm/a 的速率上升，年際變化大。

圖1 極端降水事件的時空變化趨勢

從圖1 空間分布來看，Rx1day 和Rx5day 降水增多的區(qū)域主要在大興安嶺、祁連山脈和天山山脈一帶，降水減少明顯的區(qū)域主要集中在華北平原渤海段及東南丘陵南端和海南島，變化范圍分別為-2.66～+3.14 mm/y、-3.28～+3.21 mm/y；PRCPTOT 的變化范圍為-3.14 ～+4.00 mm/y，SDII 的變化范圍為-2.68～+3.93 mm/y，從空間分布來看，我國中西部內(nèi)陸地區(qū)逐漸變濕潤，沿海城市的降雨強(qiáng)度和量都有一定的下降趨勢；從降水天數(shù)來看，R10 mm 增多主要在云貴高原地區(qū)，降低主要在東北部沿海地區(qū)，變化范圍在-2.40～+3.67 day/y 之間，R20 mm 從空間分布來看，升高的區(qū)域主要在喜馬拉雅山脈和岡底斯山脈一帶，以及祁連山脈、四川盆地，降低趨勢明顯的區(qū)域主要在內(nèi)蒙古高原、大興安嶺和黃土高原的南部，變化范圍在-2.68～+2.85 day/y；CDD 升高的區(qū)域主要在昆侖山、塔里木盆地和橫斷山脈地區(qū)，降低最為明顯的在大興安嶺北部區(qū)域，變化范圍在-2.50～+3.75 day/y，CWD 濕潤區(qū)域多集中在昆侖山脈西端，濕潤化趨勢最為不明顯的區(qū)域在祁連山脈以南的柴達(dá)木盆地和青藏高原地區(qū)；變化范圍在-3.10～+3.14 day/y；我國絕大多數(shù)區(qū)域極端降水量增多，R95p 及R99p 增多的區(qū)域集中在準(zhǔn)噶爾、塔里木盆地一帶，以及祁連山脈以南的青藏高原、四川盆地和云貴高原，變化范圍分別在-3.07～+3.03 mm/y 和-2.52～+3.44 mm/y 之間。

我國近年來較長時序的極端降水事件頻發(fā)，雨量和強(qiáng)度都在持續(xù)走高，但持續(xù)干旱趨勢并沒減緩，從空間來看，受旱嚴(yán)重的區(qū)域在祁連山脈以南的柴達(dá)木盆地、青藏高原和黃土高原地區(qū)，所幸的是這些遠(yuǎn)離海洋水汽，深居內(nèi)陸且有青藏高原隆起保護(hù)的西北內(nèi)陸地區(qū)濕潤化趨勢較南方城市更加明顯。

2.2 草地植被物候極端天氣變化的響應(yīng)

2.2.1 草地植被SOS 對極端降水事件的響應(yīng)

分析草地植被SOS 極端降水事件的響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)正相關(guān)性像元占比較多的極端降水事件主要有SDII、R10 mm、CDD、R95p 和PRCPTOT，其中顯著正相關(guān)的極端降水事件CDD，像元占比為4.08%，較其他正相關(guān)事件顯著性水平更高，說明草地植被SOS 與連續(xù)干旱情況之間的相關(guān)性高，持續(xù)干旱對草地植被生長極為不利，從空間分布來看受CDD 影響顯著的草地區(qū)域主要分布在祁連山脈、內(nèi)蒙古高原及東北平原；負(fù)相關(guān)像元占比較多的極端降水事件主要有R10 mm、R20 mm、R99p 和PRCPTOT，其中顯著負(fù)相關(guān)的極端溫度事件主要是R99p，像元占比分別為1.49%，說明草地植被SOS 對降水有一個耐受范圍，當(dāng)降水量遠(yuǎn)超草地植被的耐受范圍時，對草地植被的生長是不利的，這也符合草地植被的生理特性，從空間分布來看，不適草地植被SOS 生長的R99p 區(qū)域主要是青藏高原地區(qū)，見圖2 和圖3。

圖2 草地植被SOS 與極端降水事件Pearson 相關(guān)關(guān)系的像元百分比

圖3 草地植被SOS 與極端降水事件Pearson 相關(guān)分析結(jié)果

2.2.2 草地植被EOS 對極端降水事件的響應(yīng)

分析草地植被EOS 極端降水事件的響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)正相關(guān)性像元占比較多的極端降水事件主要有Rx1day、SDII、R95p、R99p 和PRCPTOT，其中顯著正相關(guān)的極端降水事件SDII，像元占比為1.25%，較其他正相關(guān)事件顯著性水平更高，說明草地植被EOS 與極端強(qiáng)降雨相關(guān)性高，極端強(qiáng)降水不利于草地生長，從空間分布來看受SDII 影響顯著的草地區(qū)域主要分布在祁連山脈以南的青藏高原；負(fù)相關(guān)像元占比較多的極端降水事件主要是CDD 和CWD，像元占比分別為1.39%、1.53%，說明草地植被EOS 受長連續(xù)的干旱和濕潤天數(shù)影響較大，長時序的極端干旱及濕潤情況對草地植被的生長是不利的；從空間分布來看，不適草地植被EOS 的極端降水事件區(qū)域主要位于青藏高原、黃土高原及東北平原，見圖4 和圖5。

圖4 草地植被EOS 與極端降水事件Pearson 相關(guān)關(guān)系的像元百分比

圖5 草地植被EOS 與極端降水事件Pearson 相關(guān)分析結(jié)果

3 討論

本文依據(jù)HadEX3數(shù)據(jù)集選取了10 個極端降水事件，較為全面地分析我國1986-2015 年極端降水變化趨勢，極端強(qiáng)降水事件的頻率和強(qiáng)度都有所增長,其中西部特別是西北地區(qū)濕潤化的現(xiàn)象較為突出，這與先前其他學(xué)者對我國極端天氣變化的研究具有高度一致性[25-26]，間接反映了HadEX3數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

國內(nèi)外眾多研究發(fā)現(xiàn)，極端降水事件主要通過影響土壤含水量或有效性來限制植被生長[27]。我們的研究發(fā)現(xiàn)，極端降水事件指標(biāo)和草地植被SOS 的相關(guān)關(guān)系在空間上正相關(guān)性占比較大，和EOS 的相關(guān)關(guān)系在空間上以負(fù)相關(guān)性為主，這表明極端降水事件對植被SOS、EOS 的影響有差異且十分復(fù)雜，并且隨著區(qū)域的變化而發(fā)生變化。在所有降水指標(biāo)中，CDD 與草地植被SOS 之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域比例最高，意味著最長連續(xù)干旱天數(shù)對草地植被生長不利，R99p 與草地植被SOS 的顯著負(fù)相關(guān)比例最高，說明極端強(qiáng)降水對草地生長有抑制作用；EOS 與SDII 的顯著正相關(guān)比例最高，與CWD 的顯著負(fù)相關(guān)比例最高，說明極端強(qiáng)降水對草地EOS 期生長有利，最長連續(xù)濕潤天數(shù)對這一時期的草地生長不利。綜合來說極端降水事件對不同時期的草地植被生長的影響顯著不同，因而相關(guān)部門有必要結(jié)合草地生長環(huán)境特性和氣候變化的雙重特點(diǎn)來制定針對性強(qiáng)、合理度高的草地保護(hù)政策，對我國草地生長更為持久有效。

4 結(jié)論

本研究利用極端天氣數(shù)據(jù)集HadEX3以及草地物候數(shù)據(jù)分析了我國1986-2015 年的極端天氣事件時空變化趨勢及其對草地植被SOS 的影響，并分析不同草地類型植被SOS 對極端天氣事件的響應(yīng)狀況，得出以下結(jié)論：

（1）從極端降水事件的時間趨勢來看，年際差異顯著，極端降水事件中有與降水量有關(guān)的Rx1day、Rx5day、R95p、R99p 及總降水量PRCPTOT 和與降雨強(qiáng)度相關(guān)的R10 mm、R20 mm、CDD、SDII 等都升高，僅CWD 這一指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢，總的來說我國氣溫升高，降水增多，從而證實(shí)了我國氣候變暖的事實(shí)。

（2）從空間分布來看，極端降水事件增多的區(qū)域分布在長江中下游、東南地區(qū)，西部特別是西北地區(qū)有較明顯增長，而華北、東北中南部和西南部分地區(qū)極端降水事件都有所減弱。

（3）草地植被SOS 對極端降水事件的響應(yīng)來看,草地植被對干旱極為敏感，持續(xù)干旱環(huán)境不適宜草地植被生長，同時，強(qiáng)降水情況也不適宜草地植被的生長。

（4）草地植被EOS 對極端降水事件的響應(yīng)來看,草地植被受極端強(qiáng)降水影響顯著，強(qiáng)降水對草地植被生長不利；此外，長時間且連續(xù)的極端干旱及極端降水也不利于草地植被生育，影響草地植被物候。總的來說極端強(qiáng)降水事件以及持續(xù)干旱、濕潤化對草地植被動態(tài)影響顯著。