田世英

摘要?利用1960—2016年和田地區(qū)氣象站的逐月氣象資料，采用伊凡諾夫公式計算出逐月潛在蒸散量和濕潤指數(shù)，分析了該地區(qū)地表干濕的年際、季節(jié)變化以及主要影響因素。結(jié)果表明，?和田地區(qū)夏半年、冬半年以及全年潛在蒸散量平均值分別為?239.8、75.1和?143.7?mm。夏半年、冬半年和全年潛在蒸散發(fā)量隨時間變化均呈增長趨勢，增速分別為0.349?3、0.251?9和0.313?6?mm/a。該地區(qū)多年平均地表濕潤指數(shù)為0.027?2，春季濕潤指數(shù)的年際變化呈減小趨勢，夏、秋、冬季和全年濕潤指數(shù)的年際變化呈增加趨勢。四季和全年濕潤指數(shù)的多年平均指數(shù)分別為?0.023?9、0.031?0、0.014?3、0.040?8和0.027?2，根據(jù)濕潤指數(shù)相對應(yīng)的氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)春、夏、秋、冬季以及全年均為極干旱區(qū)。年濕潤指數(shù)與降水量、相對濕度呈顯著正相關(guān)，與潛在蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他要素的相關(guān)性均未通過?0.01、0.05顯著性檢驗。改善該地區(qū)濕潤狀況的主導(dǎo)因素是降水量的增加，其他氣象要素的變化對地表干濕狀況起增強或削弱作用。

關(guān)鍵詞?潛在蒸散量;濕潤指數(shù);降水量;干濕狀況;和田地區(qū)

中圖分類號?S161.3文獻標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0073-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.022

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Characteristics?of?Dry?Trend?Based?on?Moisture?Index?in?Hotan?Prefecture?in?Recent?50?Years

TIAN?Shi?ying?（Environmental?Science，?Xinjiang?University，?Key?Laboratory?of?Oasis?Ecological?Resources?and?the?Ministry?of?Education，?Urumqi，Xinjiang830046）

Abstract?The?monthly?meteorological?data?were?observed?during?1960-2016?at?meteorological?stations?in?Hotan?Prefecture，on?which?the?monthly?potential?evapotranspiration?and?the?humidity?index?were?calculated?by?the?Ivanov?method.The?seasonal?and?annual?changes?of?surface?dry/wet?conditions?and?their?main?impact?factors?were?analyzed?in?Hotan?region，The?result?showed?that?the?average?values?of?evapotranspiration?in?summer?half?year，?winter?half?year?and?the?whole?year?during?1960-2016?were?239.8，75.1?and?143.7?mm?respectively.The?potential?evapotranspiration?in?summer，?winter?and?whole?year?increased?with?time，the?growth?rate?was?0.349?3、0.251?9?and?0.313?6?mm/a.The?humid?index?of?Hotan?region?was?0.027?2，and?the?humid?index?increased?during?1960-2016.The?humid?index?decreased?in?spring?but?increased?in?summer?autumn，winter?and?the?whole?year.Multi?year?average?of?four?seasons?and?full?year?wetting?indices?were?0.023?9、0.031?0、0.014?3、0.040?8?and?0.027?2?respectively.Based?on?the?climate?zoning?standards?related?to?humid?index，the?Hotan?region?was?a?extremely?arid?region?in?spring，summer，?autumn?and?winter.Humid?index?was?positively?correlated?with?precipitation?and?relative?humidity，and?negatively?correlated?with?potential?evapotranspiration.The?correlation?with?other?factors?did?not?pass?the?significance?test?of?0.01?and?0.05，the?correlation?analysis?between?humid?index?and?meteorological?variables?indicated?that?the?change?of?precipitation?was?the?dominant?cause?affecting?the?change?of?dry?wet?conditions?in?Hotan?region，and?the?change?of?other?climate?factors?can?enhance?or?weaken?the?change?of?dry?wet?conditions.

Key?words?Potential?evaporation;Humid?index;Precipitation;Dry?wet?conditions;Hotan?Prefecture

干旱是世界上最具破壞性和緊迫性的自然災(zāi)害[1]，主要表現(xiàn)為水資源短缺且不足以滿足人類生存和經(jīng)濟發(fā)展的氣候現(xiàn)象，受全球變暖的影響，干旱事件頻繁發(fā)生[2]。因此，在氣候變化研究中，許多學(xué)者對我國的干濕狀況給予了特別的關(guān)注[3-9]。目前，研究區(qū)域干濕狀況的指標(biāo)有幾十種，如降水距平百分率、土壤濕度干旱指數(shù)、降水異常指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）、帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）、Z指數(shù)、地表濕潤指數(shù)等。由于地表干濕狀況受多種自然因素如氣溫、降水、風(fēng)速、相對濕度等綜合作用的影響，因此，利用單因子表征的區(qū)域地表干濕狀況存在很大的局限性，而一些考慮多種因子綜合作用的干旱指標(biāo)逐漸被科學(xué)界所認(rèn)可并得到了廣泛應(yīng)用[10]。其中，?降水指數(shù)法使用頻次最高，?但其忽略了水分支出狀況，誤差較大;水量平衡法受限于資料和技術(shù)，?難以在較大空間尺度上使用;干濕指數(shù)法則充分考慮了降水和蒸發(fā)這兩大地表水分收支要素[11]，而這2個量正是地表熱能和水分變化的關(guān)鍵參量，能較為客觀地反映地區(qū)的干濕狀況;且計算方便，所需資料少，尤其適合于當(dāng)前資料條件下干濕變化的研究[3]。

目前，對和田地區(qū)氣候變化的相關(guān)研究較多，主要集中在氣溫、降水等氣象要素變化特征分析等方面，而專門針對和田地區(qū)潛在蒸散量以及干濕變化趨勢的研究很少。因此，針對和田地區(qū)獨特的氣候環(huán)境，根據(jù)該區(qū)域潛在蒸散量的變化特征及濕潤指數(shù)，探討和田地區(qū)氣候干濕狀況變化特征，以期為該地區(qū)水資源合理開發(fā)利用以及防止生態(tài)環(huán)境的進一步惡化和區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1?研究區(qū)概況與研究方法

1.1?研究區(qū)概況

和田地區(qū)，位于歐亞大陸腹地，新疆維吾爾自治區(qū)最南端。南枕昆侖山和喀喇昆侖山，北部深入塔克拉瑪干大沙漠腹地。地處77°31′～84°55′E、34°22′～39°38′N，屬于暖溫帶極端干旱的荒漠氣候，四季分明，夏季炎熱，冬季冷而不寒，春季升溫快而不穩(wěn)定，常有倒春寒現(xiàn)象發(fā)生，多風(fēng)沙天氣，秋季降溫快;全年降水少，光照充足，熱量豐富，日照時數(shù)2?470～3?000?h，全地區(qū)年平均日照百分率在58%～60%，最高可達(dá)84%，太陽總輻射量大，光能資源列全疆之冠。深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，降水稀少，光能資源豐富，形成和田地區(qū)氣候干旱、自然條件惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源短缺的氣候特征。和田地區(qū)4個氣象站的位置見表1?？臻g分布見?圖1。

1.2?數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

選取該區(qū)域內(nèi)1960—2016年4個氣象站點的平均氣溫、日照時數(shù)、平均風(fēng)速、降水等逐月氣象要素實測數(shù)據(jù)，采用公式計算得出潛在蒸散發(fā)量和濕潤指數(shù)。資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（?http：//cdc.cma.gov.cn）。按照自然年算法進行資料統(tǒng)計，即每年1—12月之和。季節(jié)劃分采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，即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。4—9月為夏半年，10月—翌年3月為冬半年。

1.3?研究方法

濕潤指數(shù)（W）能夠客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況[12]，計算公式：

W=PET?0（1）

式中，W為濕潤指數(shù);P為降水量（mm）;ET?0為最大潛在蒸散量（mm）。若某區(qū)域的濕潤指數(shù)越大，表示此區(qū)域氣候濕潤程度越高;反之，濕潤指數(shù)越小，則氣候濕潤程度越低。根據(jù)《國際防治荒漠化公約》將氣候區(qū)劃為5個區(qū)[13]：濕潤指數(shù)≦0.05為極干旱區(qū)，0.05～0.20為干旱區(qū)，0.20～0.50為半干旱區(qū)，0.51～0.65為干旱亞濕潤區(qū)，>0.65為濕潤區(qū)。

潛在蒸散發(fā)是指在供水充分條件下的蒸散發(fā)量[14]。根據(jù)伊凡諾夫公式[15]可以計算出潛在蒸發(fā)ET?0。

ET0i=0.0018（T?i+25）2（100-F?i）?（2）

式中，ET0i為最大潛在蒸散量（mm）;T?i為月平均氣溫（℃）;F?i為月平均相對濕度（%）。

2?結(jié)果與分析

2.1?潛在蒸散量時間變化特征

根據(jù)公式計算和田地區(qū)4個氣象站點1960—2016年潛在蒸散量，結(jié)果表明，1960—2016年，和田地區(qū)冬半年（10月—翌年3月）、夏半年（?4—9月）以及全年潛在蒸散量平均值分別為?75.1、239.8和?143.7?mm。由圖2可知，夏半年、冬半年和全年潛在蒸散發(fā)量隨時間變化均呈增長趨勢，增速分別為0.349?3、0.251?9和?0.313?6?mm/a。

從潛在蒸散量的年際分布看，該區(qū)域夏半年、冬半年潛在蒸散量均表現(xiàn)為增加趨勢，隨著氣候變暖，氣溫上升，加速了全球水循環(huán)的預(yù)期，是造成大氣變干、地表蒸發(fā)量增大是原因之一，這與張強等[16]的研究結(jié)果一致。和田地區(qū)潛在蒸散量在夏半年和冬半年增長速度明顯不同，這表明潛在蒸散量的影響因子除氣溫外，還受其他氣象因子的影響。因此，潛在蒸散量的年際變化并不是單一的增加或減少趨勢。

2.2?地表濕潤指數(shù)時間變化特征

從不同季節(jié)濕潤指數(shù)的變化看，近56年，該地區(qū)多年平均地表濕潤指數(shù)為0.027?2，由圖3可知，和田地區(qū)春季濕潤指數(shù)呈減小趨勢，春、秋、冬季和全年呈增大趨勢。其中，夏季濕潤指數(shù)的變化速率最快，每10年的變化速率為0.004，春季濕潤指數(shù)變化速率最慢，每10年的變化速率為-6×10-5。秋冬季濕潤指數(shù)變化速率相當(dāng)，每10年變化速率為?3×10-5～9×10-5，而全年濕潤指數(shù)變化每10年變化速率為0.002。春、夏、秋、冬季和全年濕潤指數(shù)的多年平均指數(shù)分別為?0.023?9、0.031?0、0.014?3、?0.040?8和0.027?2，濕潤指數(shù)的變異系數(shù)分別為0.091?1、?0.099?4、0.111?0、0.222?1和0.083?2。根據(jù)濕潤指數(shù)相對應(yīng)的氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)[13，17]，該地區(qū)春、夏、秋、冬季以及全年均為極干旱區(qū)。從濕潤指數(shù)變化速率看，全年濕潤指數(shù)基本保持穩(wěn)定，說明該地區(qū)總體相對偏干燥，干旱化趨勢較明顯。

2.3?地表干濕狀況變化影響因素分析

根據(jù)其定義，降水量和潛在蒸散量的變化對濕潤指數(shù)的變化有直接影響，氣溫、日照時數(shù)、相對濕度和風(fēng)速等氣候因子影響潛在蒸散量。因此，為了建立統(tǒng)一、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)時間序列，該研究選取降水量、相對濕度、日照時數(shù)、平均氣溫、平均風(fēng)速和潛在蒸散量6個要素，運用回歸分析法，探究濕潤指數(shù)與各影響要素之間的相關(guān)性以及主要的影響因素，對和田地區(qū)地表干濕狀況的變化成因進行分析。從表2可以看出，該地區(qū)的濕潤指數(shù)與潛在蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)，這類要素的增加將導(dǎo)致濕潤指數(shù)的減小，反之則增加，說明潛在蒸散量在濕潤指數(shù)減少趨勢中起著重要作用，同時潛在蒸散的減少有利于濕潤指數(shù)的提高;與降水量、相對濕度均呈顯著正相關(guān)，與降水量相關(guān)性最大的發(fā)生在夏季，R2=0.814;與相對濕度相關(guān)性最大的也發(fā)生在夏季，R2=0.414，說明降水量和相對濕度的增加均會導(dǎo)致濕潤指數(shù)的增大，反之則減小。

從和田地區(qū)全年以及季節(jié)來看，春季，濕潤指數(shù)與降水量、相對濕度、潛在蒸散量呈顯著正相關(guān)，與平均氣溫、日照時數(shù)、平均風(fēng)速均未通過0.01、?0.05顯著性檢驗;夏季，濕潤指數(shù)與降水量、相對濕度呈顯著正相關(guān)，與潛在蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)，與平均氣溫、日照時數(shù)、平均風(fēng)速均未通過0.01、0.05顯著性檢驗;秋季，濕潤指數(shù)與降水量呈顯著正相關(guān)，與其他氣象要素的相關(guān)性均未通過任何顯著性檢驗;冬季的濕潤指數(shù)與相對濕度呈顯著正相關(guān)，與潛在蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他要素的相關(guān)性均未通過0.01、0.05顯著性檢驗;年濕潤指數(shù)與降水量、相對濕度呈顯著正相關(guān)，與潛在蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他要素的相關(guān)性均未通過0.01、0.05顯著性檢驗。因此，不同氣候因子的變化趨勢不同，對地表干濕狀況的影響也不同。潛在蒸散量的增加會導(dǎo)致地表趨于干化，而降水量、相對濕度的增加對地表濕潤狀況起積極作用，通過以上分析可以得出，改善該地區(qū)濕潤狀況的主導(dǎo)因素是降水量的增加，其他氣象要素的變化對地表干濕狀況起增強或削弱作用。

3?討論

3.1?潛在蒸散發(fā)公式的適用性

該試驗以干濕指數(shù)作為該區(qū)域氣候干濕演變特征的研究指標(biāo)，其中，潛在蒸散發(fā)的計算具有重要意義。蒸散發(fā)是水文循環(huán)的重要組成部分，能量循環(huán)的主環(huán)節(jié)之一，也是陸地和海洋中水分進入大氣的唯一路徑，更是水資源規(guī)劃的重要組成部分。它可以用來反映天氣條件下各種下墊面蒸發(fā)過程的能力，反映某地區(qū)的干濕狀況。因此，對蒸散發(fā)的估算一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點之一。潛在蒸散量的確定在不同水文模型中具有不同的計算方法，由于對潛在蒸散量進行實測具有一定的局限性，大量學(xué)者采用經(jīng)驗公式確定潛在蒸散量，其計算方法主要分為3類：基于輻射的計算方法[18]，基于溫度的計算方法[19]，以及前兩者的結(jié)合，綜合類的計算方法[20]。對眾多潛蒸散發(fā)計算模型進行比較，結(jié)果表明世界糧農(nóng)組織（FAO）1998年修正的Penman-Monteith公式[21]是最常用的計算潛在蒸散發(fā)公式，所得到的潛在蒸散發(fā)值最為準(zhǔn)確，此模型運用空氣動力學(xué)及水汽擴散等原理對區(qū)域蒸散能力進行估算，但需要詳細(xì)的氣象資料，大多數(shù)地區(qū)難以提供這些完整的資料。因此，該研究中潛在蒸散量及濕潤指數(shù)的計算均建立在氣溫和相對濕度等氣象資料的基礎(chǔ)上，估算精度在北方地區(qū)已得到驗證[22-23]，適用于和田地區(qū)潛在蒸散量的估算。

3.2?干濕狀況分析

1960—2016年和田地區(qū)夏半年、冬半年以及全年的潛在蒸散量平均值分別為?239.8、75.1和?143.7?mm，潛在蒸散量均呈波動上升趨勢。尤其是在1984年，全年潛在蒸散量為178.3?mm，達(dá)到峰值。1960—2016?年和田地區(qū)春季濕潤指數(shù)呈減小趨勢，夏季濕潤指數(shù)呈波動上升趨勢，秋、冬季濕潤指數(shù)波動幅度較小，保持穩(wěn)定。而全年則呈緩慢增加趨勢。春、夏、秋、冬季和全年濕潤指數(shù)的多年平均分別為0.024?0、0.031?1、0.014?3、0.040?8和0.027?2。根據(jù)濕潤指數(shù)相對應(yīng)的氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)春、夏秋、冬季以及全年均為極干旱區(qū)。濕潤指數(shù)與降水量和相對濕度呈正相關(guān)，與潛在蒸散量呈負(fù)相關(guān)。降水量發(fā)生變化對濕潤指數(shù)變化影響最大，其次是相對濕度和潛在蒸散量，日照時數(shù)、平均溫度和風(fēng)速則未通過0.01、0.05置信度檢驗。說明該地區(qū)總體相對偏干燥，干旱化趨勢較明顯。

從濕潤指數(shù)的定義來看，濕潤指數(shù)的變化很大程度上取決于降水量和潛在蒸散量的變化，而潛在蒸散量又受到各種氣象要素綜合作用的影響，如氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度等。和田地區(qū)的干濕狀況與降水量和蒸發(fā)量密切相關(guān)，并對研究區(qū)干濕變化產(chǎn)生重要影響?？陀^、真實地反映地表的干濕程度一直是科研工作者面臨的一大難題。該研究基于前人相關(guān)研究成果，利用基于降水量和地表潛在蒸散量的濕潤指數(shù)分析和田地區(qū)地表干濕變化，一定程度上能較好地反映該地區(qū)地表干濕變化的客觀事實，但并不能完全反映實際情況，因此，在今后地表干濕狀況的研究還應(yīng)考慮諸多要素，如在計算地表蒸發(fā)潛力時考慮邊界層風(fēng)速的影響[24]。

3.3?濕潤指數(shù)在和田地區(qū)的應(yīng)用

該地區(qū)濕潤指數(shù)呈增加趨勢，且在四季中，僅有春季呈下降趨勢，通過對四季氣溫、降水等氣象要素和濕潤指數(shù)的相關(guān)分析計算，夏季的降水量和濕潤指數(shù)的相關(guān)性達(dá)0.814（通過了0.01顯著水平檢驗）?。表明夏季濕潤指數(shù)的增加對全年濕潤指數(shù)的增加起關(guān)鍵作用。四季和全年濕潤指數(shù)表明，和田地區(qū)屬于極干旱區(qū)，變干趨勢較明顯。特別是由于氣候干燥引發(fā)的春旱，對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)及國民經(jīng)濟健康發(fā)展產(chǎn)生威脅。

從該研究結(jié)果看，該區(qū)域濕潤指數(shù)的計算中，以降水量和相對濕度作為主導(dǎo)因素，將賦予其他因素固定權(quán)重，而實際權(quán)重會隨時間發(fā)生改變，因此，地表干濕的變化不僅受氣象要素影響，還與地勢地貌等要素有關(guān)。濕潤指數(shù)是檢驗干濕狀況以及干濕狀況變化對干旱化過程產(chǎn)生作用的較為理想的指數(shù)，利用降水量與潛在蒸散量的比計算出濕潤指數(shù)，產(chǎn)生的結(jié)果可能與潛在蒸散量公式的氣象要素具有一致性。氣溫升高，引起全球變暖現(xiàn)象是一個不爭的事實[25]，氣溫的上升造成的氣候變暖和降水量的增加是否能引起蒸發(fā)量發(fā)生具體變化還值得進一步探討。

4?結(jié)論

地表濕潤指數(shù)，不僅能夠較為客觀地反映某區(qū)域氣候的干濕狀況，還在水資源管理、農(nóng)業(yè)發(fā)展及經(jīng)濟建設(shè)中具有重要意義[10]。根據(jù)1960—2016年和田地區(qū)4個氣象站點逐月氣象實測數(shù)據(jù)，計算和分析該地區(qū)潛在蒸散量和濕潤指數(shù)變化特征。結(jié)果表明，1960—2016年和田地區(qū)夏半年、冬半年和全年潛在蒸散量平均值分別為?239.8、75.1?和143.7?mm。夏半年、冬半年和全年潛在蒸散發(fā)量隨時間變化均呈增長趨勢，增速分別為0.349?3、0.251?9和0.313?6?mm/a。1960—2016年該地區(qū)年均地表濕潤指在0.005?9～0.083?2，春季濕潤指數(shù)呈減小趨勢，夏、秋、冬季和全年呈增加趨勢，均以變濕趨勢為主，不同季節(jié)各地區(qū)的變化趨勢不同。四季和全年濕潤指數(shù)的多年平均指數(shù)分別為?0.023?9、0.031?0、0.014?3、?0.040?8和0.027?2。根據(jù)濕潤指數(shù)相對應(yīng)的氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)四季及全年均為極干旱區(qū)。

通過與各氣候因子的相關(guān)分析表明，濕潤指數(shù)與降水量、相對濕度呈正相關(guān)，與潛在蒸散量呈負(fù)相關(guān)。降水量的變化對濕潤指數(shù)變化影響最大，其他氣候要素的變化對地表干濕狀況起增強或削弱作用。

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