傅曉潔 郝振純 曹 晴 郝 潔 魯乘陽

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究所，南京 210029；3.黃河水利委員會寧蒙水文水資源局，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

IPCC第五次評估報告中指出，隨著全球氣候的變暖，極端氣候事件發(fā)生頻率的增加，全球大部分陸地出現(xiàn)干旱化趨勢日益顯著，導(dǎo)致干濕氣候區(qū)域發(fā)生變化，旱澇災(zāi)害增加[1].干旱指標(biāo)是研究干濕氣候變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié).其中降水量和濕潤指數(shù)是目前研究干濕氣候區(qū)域變化的兩個最常用的指標(biāo).

近年來，采用濕潤指數(shù)指標(biāo)對氣候區(qū)域的干旱程度及其影響因子進(jìn)行研究已成為一些學(xué)者關(guān)注的熱點[2-10]，但大部分研究集中在干旱區(qū)或氣候敏感區(qū)域.如王磊等[2]和顏玉倩等[3]通過濕潤指數(shù)分別研究了西北地區(qū)和西南地區(qū)的干濕氣候狀況.而從全國尺度范圍內(nèi)進(jìn)行干濕氣候狀況的研究較少，如苑全治等[4]采用干燥度指數(shù)研究1961-2015年中國干濕狀況時空分異規(guī)律和主導(dǎo)氣候因子，黃亮等[5]采用濕潤指數(shù)的干旱指標(biāo)，分別從氣候變暖背景下和年代際兩個角度分析濕潤指數(shù)和干濕氣候帶界限的變化特征.目前，基于全國尺度范圍內(nèi)進(jìn)行干濕氣候狀況的研究大多采用單一的干旱指標(biāo)，各指標(biāo)結(jié)果之間存在差異，尚未存在一種指標(biāo)能完全定量描述干濕氣候變化規(guī)律.因此，基于全國尺度范圍對比分析不同干旱指標(biāo)能較為客觀地發(fā)現(xiàn)全國干濕氣候變化的科學(xué)規(guī)律.

本文選取中國大陸為研究區(qū)，同時采用了降水量和濕潤指數(shù)兩個干旱指標(biāo)，系統(tǒng)分析降水量與濕潤指數(shù)的時空變化特征，以及兩者影響氣候干濕區(qū)域劃分的異同點，并且在干濕變化的研究中引入“量級”的概念，以研究1961-1990年和1991-2017年兩個時期的氣候區(qū)域面積變化情況以及逐年干濕變化規(guī)律，為未來農(nóng)業(yè)布局、中國氣候干濕區(qū)域的時空分異和旱澇災(zāi)害的研究提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)資料和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文采用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/data/detail/data-Code/A.0029.0004.html)，包括中國大陸地區(qū)566個基本氣象站1961-2017年各氣象要素的月值.選取多年缺測數(shù)據(jù)少于總數(shù)5%的站點，并選用臨近3個站點相同要素的數(shù)值平均值進(jìn)行插補(bǔ)，以一年中的月值累計總和作為年值數(shù)據(jù).用Arcgis10.3軟件對站點的年降水量和年濕潤指數(shù)進(jìn)行克里金插值，得到其空間分布圖.

多位學(xué)者[11-18]研究表明，中國大陸地區(qū)平均氣溫在20世紀(jì)90年代后加快了升溫速率，全國高溫日數(shù)均呈顯著增多趨勢，氣候變暖停滯，降水時空分布發(fā)生改變，洪澇災(zāi)害頻發(fā).因此，本文以1990年為分界點，1961-1990年為基準(zhǔn)期，來比較1961-1990年和1991-2017年兩個時間段內(nèi)相關(guān)氣候變量的變化來體現(xiàn)氣候變化情況.

為分析降水量、濕潤指數(shù)及干濕區(qū)域量級的時間序列變化趨勢，本文采用 Mann-Kendall趨勢檢驗法[19]進(jìn)行顯著性檢驗.

1.2 月潛在蒸散發(fā)(ET 0·月)的計算

本文采用世界糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith模型[20]計算潛在蒸散發(fā)量.月平均潛在蒸散發(fā)的計算公式如下：式中的物理量含義為：ET0·月為月平均潛在蒸散發(fā)(mm/d)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(k Pa/℃)；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)] ；γ為干濕常數(shù)(kPa/℃)；U2為2 m高度處風(fēng)速，可由10 m風(fēng)速轉(zhuǎn)化得到(m/s)；es與ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓(k Pa)；Rn為凈輻射[MJ/(m2·d)] .各物理量的計算均按文獻(xiàn)[21] 的具體步驟展開.

1.3 年濕潤指數(shù)(H)的計算

對各氣象站點的年濕潤指數(shù)(H)，其計算公式為：

式中，P為年降水量(mm)；ET0·年為年潛在蒸散發(fā)(mm).年降水量是逐月降水量的年累積量.

中國氣象科學(xué)院于2010年發(fā)布了干濕氣候區(qū)劃分的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)濕潤指數(shù)來劃分氣候分區(qū)[2].根據(jù)本文需要，將氣候區(qū)域分為4種，見表1.

表1 濕潤指數(shù)的干濕氣候劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 量級的計算[21]

本文將量級定義為面平均值，利用Arcgis10.3軟件的泰森多邊形法計算每平方單位面積的年降水量或年濕潤指數(shù)，計算方法如下：

式中，ri為站點的年降雨量或年濕潤指數(shù)(mm)；Ai為該點所代表的面積(km2).

2 干濕區(qū)域空間劃分

2.1 降水量氣候劃分

中國大陸地區(qū)的降水量等值線總體上呈現(xiàn)西北-東南的走勢.

200 mm等值線自西南向東北橫跨西藏自治區(qū)、青海、甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古自治區(qū)；400 mm等值線則穿過西藏、青海、寧夏，山西、北京、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古；800 mm等值線位于400 mm等值線東南側(cè)，從西藏開始，跨越四川、陜西、河南、山東等地.中國大陸地區(qū)降水量分布清晰地體現(xiàn)了干濕狀況的南北差異.對比1961-1990年和1991-2017年兩個時段，干濕區(qū)域的劃分存在一定程度上的差異.新疆以北降水量200 mm等值線有向東南擴(kuò)展的趨勢，橫跨西藏，內(nèi)蒙古等地的200 mm等值線則向西北方向移動.400 mm等值線在東北地區(qū)變化顯著，向東南移動.800 mm等值線在中部有向南移動的趨勢.

2.2 濕潤指數(shù)氣候劃分

濕潤指數(shù)小于0.2的干旱區(qū)和介于0.2和0.5的半干旱區(qū)與按降水量劃分大致相似，區(qū)分濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)的等值線存在差異，具體體現(xiàn)在降水量800 mm等值線和濕潤指數(shù)為1的等值線位置的不同.濕潤指數(shù)的等值線隨年代的移動情況與降雨量等值線的相一致.

2.3 兩種指標(biāo)分區(qū)的差異

在1961-1990年，按降水量劃分的干濕區(qū)域的面積從大到小排列是：干旱區(qū)＞半濕潤區(qū)＞濕潤區(qū)＞半干旱區(qū)，而各區(qū)域的面積變化幅度從大到小依次是：半干旱區(qū)＞干旱區(qū)＞濕潤區(qū)＞半濕潤區(qū)，在1991-2017年之間半濕潤區(qū)的面積逐漸超過干旱區(qū)面積.降水量＜200 mm的干旱區(qū)和＞800 mm的濕潤區(qū)面積均減小，減幅分別為13.64%和1.86%，降水量在200～400 mm的半干旱區(qū)和400～800 mm的半濕潤區(qū)均呈增加趨勢，增幅分別為28.19%和1.14%.見表2.

表2 按降水量劃分的干濕區(qū)域面積及其變化

對比按降水量分區(qū)的情況，各區(qū)域面積情況存在差異.1961-1990年間，各區(qū)域面積的大小排列依次為：干旱區(qū)＞半濕潤區(qū)＞半干旱區(qū)＞濕潤區(qū)，在之后的27年(1991-2017年)面積大小發(fā)生變化，半濕潤區(qū)面積大于干旱區(qū)面積.與按降水量劃分的干濕區(qū)域面積相比，干旱區(qū)和半濕潤區(qū)的面積差異不大，但按濕潤指數(shù)劃分的半干旱區(qū)面積明顯高于按降水量劃分的結(jié)果，反之濕潤區(qū)面積低于按降水量劃分的濕潤區(qū).按照變化幅度依次排列分別是半干旱區(qū)＞干旱區(qū)＞濕潤區(qū)＞半濕潤區(qū)，其中濕潤指數(shù)小于0.2的干旱區(qū)和大于1的半干旱區(qū)均為減少趨勢，減幅分別為11.29%和0.19%，濕潤指數(shù)0.2～0.5的半干旱區(qū)和0.5～1的半濕潤區(qū)和的濕潤區(qū)呈增加趨勢，增幅分別為16.66%、0.23%.對比按降水量劃分的干濕區(qū)域面積，按濕潤指數(shù)劃分的干濕區(qū)域變化幅度均較小.見表3.

表3 按濕潤指數(shù)劃分的干濕區(qū)域面積及其變化

3 干濕變化總體時間趨勢

近57年來，中國大陸地區(qū)的年降水量變化如圖1虛線部分所示，處于長期波動狀態(tài)，降水量變化未通過90%的顯著性檢驗，表明降水量并沒有出現(xiàn)明顯的變化趨勢，多年平均值為582.03 mm，最大值出現(xiàn)在2016年，高達(dá)704.30 mm，最小值則在2011年，僅有513.87 mm，極差達(dá)190.43 mm，說明中國大陸地區(qū)年降水量波動幅度較大.這與任國玉[22]等研究的中國大陸降水時空變異規(guī)律的結(jié)論一致.

從圖1實線部分所示的濕潤指數(shù)的趨勢圖發(fā)現(xiàn)近57年來濕潤指數(shù)同樣沒有明顯的變化趨勢，Z值為0.68，未通過90%的顯著性檢驗，且波動幅度較大.其多年平均值為0.60，最大值為0.76，出現(xiàn)在2016年；最小值為0.52，出現(xiàn)在2011年，極差達(dá)0.24.極值也與年降水極值高度一致.在20世紀(jì)70年代，年降水量和濕潤指數(shù)有明顯的上升趨勢，70年代末期開始下降，到80年代中期開始又有明顯的上升趨勢，一直持續(xù)到90年代末，2000年以后波動幅度變大.

圖1 1961-2017年中國大陸地區(qū)年均降水量和濕潤指數(shù)趨勢圖

降水量與濕潤指數(shù)的趨勢在同一圖表中反映出高度一致性，具體表現(xiàn)在歷年波動規(guī)律類似，極值所在年份相同，變化趨勢一致.

4 不同干濕區(qū)域時間變化規(guī)律

1)干旱區(qū).該區(qū)的變化規(guī)律按降水量劃分的變化規(guī)律如圖2a所示，面平均降水量距平存在明顯的波動，并且呈顯著增加趨勢，其變化通過99%的顯著性檢驗.20世紀(jì)80年代之后，距平有逐年增大的趨勢，在2010年達(dá)到距平最大值.圖3a中按濕潤指數(shù)劃分的變化與圖2a相一致，均具有顯著的增加趨勢，且通過95%的顯著性檢驗.差別之處在于，雖然距平也有逐年增大的趨勢，但最大值出現(xiàn)在2003年.按降水量劃分的干旱區(qū)變化趨勢比按濕潤指數(shù)劃分的趨勢更為顯著.根據(jù)趨勢走向，干旱區(qū)的干旱程度正在逐年減弱.

2)半干旱區(qū).降水量在200～400 mm和濕潤指數(shù)在0.2～0.5的半干旱區(qū)變化規(guī)律也存在一致性.從圖2b和圖3b可以看出面平均降水量距平和面平均濕潤指數(shù)距平存在不同程度的波動，但均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，且兩者均通過90%的顯著性檢驗，表明半干旱區(qū)的干旱程度加劇.從二者的距平值來看，在20世紀(jì)70年代和2000年以后的兩個時間段距平值較大，20世紀(jì)70年代以正距平為主，2000年以后正負(fù)距平都存在，波動幅度較大.

3)半濕潤區(qū).半濕潤區(qū)的變化規(guī)律與干旱區(qū)和半干旱區(qū)的變化規(guī)律差異較大，如圖2c和圖3c，主要體現(xiàn)在波動幅度大，無明顯的長期變化趨勢.比較發(fā)現(xiàn)400～800 mm降水量的濕潤區(qū)面平均降水量下降趨勢略小于濕潤指數(shù)0.5～1的濕潤區(qū)，但兩者均未通過90%的置信度檢驗.說明半濕潤區(qū)的干濕狀況無明顯變化.400～800 mm降水量的濕潤區(qū)在20世紀(jì)80年代后距平的波動幅度逐年增大，最大值出現(xiàn)在2012年，與干旱區(qū)最大值出現(xiàn)時間接近.濕潤指數(shù)為0.5～1濕潤區(qū)的距平在20世紀(jì)90年代后波動幅度較小，但在2013年出現(xiàn)了近57年來的最大值，與干旱區(qū)的最大值出現(xiàn)時間相同，說明干旱區(qū)和濕潤區(qū)距平的最值出現(xiàn)時間相接近.

4)濕潤區(qū).該區(qū)如圖2d與圖3d所示，面平均降水量距平和面平均濕潤指數(shù)距平均呈現(xiàn)輕微上升趨勢，但按降水量劃分的通過90%的顯著性檢驗，而按濕潤指數(shù)劃分的未通過顯著性檢驗.說明濕潤區(qū)的干旱程度幾乎沒有變化.

圖2 面平均降水量距平圖

圖3 面平均濕潤指數(shù)距平圖

表4 各干濕區(qū)域的量級M-K趨勢檢驗結(jié)果

5 討論與結(jié)論

濕潤指數(shù)和傳統(tǒng)的降水量等值線在空間上具有較高的一致性，尤其體現(xiàn)在半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)，而在干旱區(qū)和濕潤區(qū)存在差異，導(dǎo)致兩個氣候區(qū)域面積的差異.這是由于干旱區(qū)和濕潤區(qū)的水分收支不平衡，考慮了能量平衡和水汽擴(kuò)散理論的P-M方法使干濕區(qū)域的變化更趨于穩(wěn)定.故在溫度和降水量過高和過低時，應(yīng)慎用降水量為干濕分區(qū)指標(biāo).

西北干旱區(qū)在全球變暖的大背景下，溫度升高，降水量增大，冰川處于消融拐點，使得徑流量增大，湖泊河流面積逐漸擴(kuò)大，從而減弱干旱區(qū)的干旱程度，導(dǎo)致一部分干旱區(qū)域向半干旱轉(zhuǎn)化.年平均氣溫和年降水量的增長率自西北向東南逐漸減小，東南地區(qū)大部分區(qū)域年降水量和年平均氣溫的變化程度較小，受其影響的濕潤程度和氣候區(qū)域面積呈現(xiàn)不顯著的變化.以上研究結(jié)果與有關(guān)專家學(xué)者[3]對中國氣候干濕狀況的特征分析相一致.

本文通過研究1961-2017年降水量和濕潤指數(shù)的時空分布以及1961-1990年和1991-2017年兩個時段干濕區(qū)域的變化情況，深入分析不同區(qū)域的狀況，可得出以下結(jié)論：

1)近57年來，降水量和濕潤指數(shù)時空分布存在明顯的異同點.就時間尺度而言，兩者隨時間變化的波動情況和變化趨勢相一致，波動幅度較大，但無顯著變化趨勢；就空間分布而言，200 mm和400 mm降水量等值線分別與濕潤指數(shù)為0.2和0.5的位置相近，而800 mm降水量等值線和濕潤指數(shù)為1的等值線在云南省和長江中下游地區(qū)存在較大差異.

2)根據(jù)基準(zhǔn)期1961-1990年與變化期1991-2017年兩個時期的對比，按照降水量劃分的干濕區(qū)域和按照干濕指數(shù)劃分的干濕區(qū)域各區(qū)域面積增減趨勢除濕潤區(qū)外相同，但變化幅度存在差異.干旱區(qū)和濕潤區(qū)面積減少，半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)反之增加.并且干旱區(qū)與半干旱面積變化幅度明顯較大，而濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)面積變化幅度略小.按降水量劃分的干濕區(qū)域面積的變化幅度均比按濕潤指數(shù)劃分的干濕區(qū)域變化幅度大，說明當(dāng)受到溫度等因素的影響時，干濕區(qū)域的變化更趨穩(wěn)定.

3)量級變化能反映干濕區(qū)域的干濕化進(jìn)程.不同干濕區(qū)域的量級變化趨勢的差異較大.從趨勢來看，干旱區(qū)的干旱程度逐年減弱，半干旱區(qū)的干旱化程度則逐年加強(qiáng)，且這兩個區(qū)域均呈顯著變化趨勢；半濕潤和濕潤區(qū)的干濕化程度不明顯.干旱化進(jìn)程大于濕潤化進(jìn)程.