張克峰，馬 波，張大龍

（1.山東農業(yè)大學 繼續(xù)教育學院，山東 泰安 271018；2.濟南市臥虎山水庫管理處，濟南 250115； 3.濟南市水政監(jiān)察支隊，濟南 250100；4.山東農業(yè)大學 園藝科學與工程學院，山東 泰安 271018）

0 引 言

水是人類經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的重要自然資源。水資源在空間上分布不均，并且具有高度的時間變異性。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和氣候變化加劇，水資源的供需矛盾問題日益突出，成為限制我國經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1-2]。降水量和潛在蒸散量分別是反映地區(qū)水資源供應和需求狀況的重要指標[3-4]，同時眾多研究者采用濕潤指數(shù)（降水量/潛在蒸散量）或干燥度指數(shù)（潛在蒸散量/降水量）來量化地區(qū)干濕狀況。【研究意義】研究降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的時空變化特征有助于分析水資源的供需狀況，為水資源的可持續(xù)利用提供基礎。

【研究進展】近年來，在全球氣候變化的背景下眾多研究者分析了全球[5-6]、國家[7]、流域[8-10]、行政區(qū)[11-14]等不同尺度下降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的變化趨勢、周期性和突變型等特征，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)間存在較大差異。任國玉等[15]的研究表明，1951—2002 年我國東北東南部、華北和西北東部地區(qū)年降水量呈降低趨勢，而東北北部和長江中下游的東南部年降水量表現(xiàn)升高趨勢。根據(jù)高歌等[16]的計算，1956—2000 年全國年潛在蒸散量總體呈降低趨勢，降低速率為11.8 mm/10 a，而在東北、華北和部分沿海地區(qū)表現(xiàn)微弱上升趨勢。濕潤指數(shù)的年際變化趨勢同樣存在明顯的空間差異。王利平等[7]發(fā)現(xiàn)，1961—2014 年甘肅東南部、寧夏、陜西北部、山西等北方地區(qū)濕潤指數(shù)呈降低趨勢，而在東北、南方以及青藏地區(qū)表現(xiàn)顯著升高趨勢。由于不同地區(qū)的地理環(huán)境和氣候因子差異較大，導致降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)呈現(xiàn)不同的時空變化規(guī)律[16-17]，需要進一步細致、深入地探究不同地區(qū)的變化特征與影響因素，從而更好地理解和預測其時空變化格局。

山東省位于中國東部沿海地區(qū)，是我國重要的農業(yè)大省和工業(yè)強省之一，但人均水資源不足全國的1/6、世界水平的1/25，水資源的供需矛盾突出[18]。受暖溫帶季風氣候影響，山東省降水量地區(qū)間分布不均，年內降水集中且年際間波動大，旱澇災害頻發(fā)。夏季降水量約占年降水量的60%，容易發(fā)生洪澇。春季、秋季和冬季降水量小，尤其在西部和北部平原地區(qū)旱災發(fā)生概率高[19-20]。【切入點】近年來有研究者分析了山東省降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的時間變化特征及其地區(qū)差異[18,21]，但其影響因素尚未充分明確?！緮M解決的關鍵問題】本研究旨在依據(jù)1966—2015 年的氣象資料，研究山東省年降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的時空變化特征，并進一步分析其影響因素，從而為農業(yè)水資源管理與水土保持等相關工作提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省地處我國東部，位于114°49′—122°36′E，34°22′—38°15′N。東鄰黃渤海，西接內陸，與河北、河南、安徽、江蘇接壤，面積約15.7 萬km2。地形以平原和山地丘陵為主。平原地區(qū)包括膠萊平原和魯西北平原，約占全省面積的65%，是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。山地丘陵包括魯中南和魯東低山丘陵區(qū)，占全省面積的35%左右。山東省氣候屬于暖溫帶季風氣候，雨熱同季，降水集中，年均氣溫在11～14 ℃之間。

圖1 20 個氣象站的地理位置 Fig.1 The location of Shandong meteorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究選取山東省均勻分布的20 個氣象站（圖1）1966—2015 年逐日氣象資料，包括逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速和日照時間，數(shù)據(jù)資料來源于國家氣象信息中心。潛在蒸散量定義為在水分供應不受限制時，某一下墊面能夠達到的最大蒸散量。以往研究中潛在蒸散量的計算方法有多種形式，近年來在國內外干濕氣候區(qū)劃研究中廣泛使用FAO-56 Penman-Monteith 公式計算的參考作物蒸散量作為潛在蒸散量[3]，毛飛等[3]指出該方法是全球公認的計算潛在蒸散量的標準方法。因此，本研究采用FAO-56 推薦的Penman-Monteith 公式計算日潛在蒸散量（ET0,mm/d）[22]：

式中：ETrad為輻射項（mm/d），主要與日照時間、風速、氣溫等有關；ETaero為空氣動力學項（mm/d），主要與相對濕度、風速等有關；Rn為凈輻射量（MJ/（m2·d））；G 為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；es、ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓（kPa）；γ 為濕度計常數(shù)（kPa/℃）；u2為距地面2 m 高處風速（m/s）；Δ 為飽和水汽壓隨溫度變化的曲線的斜率（kPa/℃）。

年潛在蒸散量（AET0，mm）通過日序列ET0累加得到。濕潤指數(shù)（HI）定義為年降水量（AP，mm）與年潛在蒸散量的比值[13,23]：

1.3 分析方法

為了研究降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的空間分布特征，分別計算了1966—2015 年各站點年均降水量（MAP，mm）、年均潛在蒸散量（MET0，mm）和年均濕潤指數(shù)（MHI），采用ArcGIS 里的反距離加權插值法進行空間插值[18]，繪制各指標的空間分布圖。同時，計算相關氣象要素的多年平均值，包括年均氣溫（MT，℃）、年均日最高氣溫（MTmax，℃）、年均日最低氣溫（MTmin，℃）、年均相對濕度（MRH，%）、年均風速（MWS，m/s）和年均日照時間（MSD，h）。由于影響年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)空間分布的環(huán)境因子眾多，且存在復雜的自相關性。本研究采用主成分分析研究影響因子間的變異規(guī)律以及辨別影響年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)空間分布的主控因子。在此基礎上，在魯東南沿海區(qū)、魯中丘陵區(qū)和魯西北平原區(qū)分別選擇日照、濟南和陵縣分析年降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的年際變化特征與影響因素，氣象站的基本情況如表1 所示。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，3 個站點各指標的時間變化均有較好的區(qū)域代表性，因此通過3 個站點的時間變化可有效地分析各指標的時間變化影響因素及其區(qū)域差異。首先，計算各指標1966—2015 年的變異系數(shù)反映時間變異性，分析其與年份的相關性并計算氣候傾向率反映時間變化趨勢，采用累積距平法研究各指標的突變點。然后，采用Pearson 相關分析法研究各站點AP、AET0和HI 與各氣象要素年統(tǒng)計值的相關性，分析各指標時間變化的影響因子與地區(qū)差異并進行主成分分析。3 個站點均不存在搬遷，保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和研究結果的可靠性。根據(jù)各站點與鄰近站點對比情況（日照站與莒縣站對比，濟南站與章丘站對比，陵縣站與惠民站對比），主要指標的時間變化過程與鄰近站點接近，說明選擇的站點具有較好區(qū)域代表性。

表1 氣象站的基本情況 Table 1 The basic information of meteorological station.

2 結果與分析

2.1 山東省年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的空間分布特征與影響因素

山東省1966—2015 年年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的空間分布情況如圖2 所示。從圖2 可以看出，山東省年均降水量表現(xiàn)由沿海向內陸、由東南向西北地區(qū)降低的趨勢，中部和東南部山地地區(qū)高于西部和北部平原地區(qū)。各站點年均降水量平均值為668.0 mm，變異系數(shù)為17.3%，最小值為519.9 mm（莘縣），最大值為1 031.1 mm（泰安）。各站點年均潛在蒸散量變化范圍在1 065.7～1 454.5 mm 之間，變異系數(shù)為7.3%，其空間分布與年均降水量相反，由東南向西北逐漸升高。受年均降水量和潛在蒸散量影響，年均濕潤指數(shù)表現(xiàn)較強的空間變異性，變異系數(shù)為22.0%，變化范圍為0.43～0.89。根據(jù)氣候分區(qū)標準[3]，山東省包括了半干旱（0.2<濕潤指數(shù)<0.5）和半濕潤（0.5<濕潤指數(shù)<1.0）2 種氣候類型。其中，半干旱區(qū)面積為4.5 萬km2，占總面積的28.7%，主要分布在山東省北部，半濕潤區(qū)面積為11.2 萬km2，占總面積的71.3%。

圖2 山東省氣候干濕狀況的空間變異性 Fig.2 Spatial distribution of climatic wet and dry conditions in Shandong province

各站點年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)與經(jīng)緯度、海拔和主要氣象要素的多年平均值（1966—2015 年）間的相關性，以及影響因子間的主成分分析如表2 所示。年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的空間分布受地理位置、地形和眾多環(huán)境因子的影響，且影響因素間存在復雜的相關性。主成分分析表明，前4 個主成分可解釋全部數(shù)據(jù)93.4%的變化。第一主成分的特征值為4.435，貢獻率為49.3%。其中，海拔、平均溫度和最高溫度3 個因子的載荷較高，說明第一主成分主要與海拔和氣溫的變異有關。相關分析表明，海拔與平均溫度、最高溫度和最低溫度均表現(xiàn)顯著負相關，相關系數(shù)分別為-0.87、0.76 和0.81（P<0.01），海拔與平均風速正相關（r=0.56，P<0.01）。第二主成分的特征值為2.061，貢獻率為22.9%，主要與平均濕度的相關性高。第三主成分貢獻率為15.4%，與緯度和日照時間正相關，二者極顯著正相關（r=0.67，P<0.01）。第四主成分的貢獻率為5.8%，主要與經(jīng)度、平均風速和最高溫度相關性高，且經(jīng)度與平均風速間存在顯著正相關關系（r=0.46，P<0.05）。年均降水量和潛在蒸散量間顯著負相關（r=-0.48，P<0.05），與濕潤指數(shù)分別表現(xiàn)正、負相關性（P<0.01）。年均降水量與多個因素表現(xiàn)顯著的相關性。年均降水量與海拔正相關，而與緯度、平均溫度、最高溫度和最低溫度均顯著負相關。年均潛在蒸散量主要與相對濕度顯著負相關。年均濕潤指數(shù)與年均降水量相似，與海拔正相關，而與緯度、平均溫度和最高溫度負相關。

表2 山東省氣候干濕狀況與影響因子間關系 Table 2 The relationship between climatic wet and dry conditions with influencing factors in Shandong province

圖3 山東省典型地區(qū)降水量（AP）、潛在蒸散量（AET0）、濕潤指數(shù)（HI）的年際變化與累積距平Fig.3 The interannual variation and cumulative departure of annual precipitation (AP), potential evapotranspiration (AET0) and humidity index (HI) at representative sites in Shandong province.

表3 山東省典型地區(qū)1966—2015 年氣候干濕狀況與影響因素間的相關性分析結果 Table 3 Correlation between climatic wet and dry conditions with influencing factors at representative sites in Shandong province during 1966—2015

2.2 山東省代表性站點年降水量、年潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的時間變化特征與影響因素

各站點年降水量均表現(xiàn)較強的時間變異性，但與時間的相關性均不顯著（P>0.05）。山東省3 個代表性站點1966—2015 年年降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的年際變化過程及其累積距平如圖3 所示。在日照、濟南和陵縣，年降水量的變異系數(shù)分別為27.0%、24.6%和30.5%，根據(jù)年降水量的累積距平曲線，1966—2015 年3 地年降水量均存在若干突變點。其中，日照年降水量的突變點為1976 年和2006 年，濟南年降水量的突變點為1970、1978 年和1989 年，而陵縣年降水量的突變點包括1977、1989、1996 年和2008 年，表明自東南至西北年降水量年際波動性增強。相關分析表明，日照和濟南年降水量與相對濕度、日照時間分別顯著正相關和負相關，而在陵縣年降水量與相對濕度正相關，與最高氣溫負相關，說明不同地區(qū)年降水量變化的相關因素不同（表3）。

各站點年潛在蒸散量的時間變異性相對較弱，但各地年潛在蒸散量表現(xiàn)不同時間變化趨勢。相關分析表明，陵縣、莘縣、定陶、兗州和費縣5 個站點年潛在蒸散量呈顯著降低的趨勢，在龍口、成山頭、泰山、平度、海陽、莒縣、和日照7 個站點年潛在蒸散量表現(xiàn)顯著升高的趨勢，其余8 個站點年潛在蒸散量與時間的相關性不顯著。為了進一步闡明原因，本研究對日照、濟南和陵縣3 個代表性站點進行詳細分析。日照、濟南和陵縣年潛在蒸散量的波動范圍分別為971.7～1 285.1、1 327.5～1 461.9 和1 117.8～1 655.2 mm，變異系數(shù)在5.1%～8.3%之間。日照年潛在蒸散量表現(xiàn)隨時間顯著升高的趨勢，相關系數(shù)為0.32，氣候傾向率為19.10 mm/10 a。濟南，年潛在蒸散量與時間的相關性不顯著（r=0.07，P>0.05）。陵縣，年潛在蒸散量表現(xiàn)為隨時間顯著降低的趨勢，相關系數(shù)為-0.57（P<0.01），氣候傾向率為-42.00 mm/10 a。本研究分析了3 個站點年潛在蒸散量的逐年輻射項（AETrad, mm）和逐年空氣動力學項（AETaero, mm）的變化。各地年潛在蒸散量的組成存在差異，在日照和濟南AETrad和AETaero基本各占50%，而在陵縣AETrad和AETaero分別約占2/3 和1/3（圖3）。日照由于平均氣溫升高、風速下降（表4），AETrad與時間顯著正相關（r=0.60，P<0.01），而AETaero與時間的相關性不顯著（r=0.10，P>0.05），因此年潛在蒸散量呈顯著升高的趨勢。濟南AETrad、AETaero與時間的相關性均不顯著，因此，年潛在蒸散量變化趨勢不明顯（r=0.07，P>0.05）。陵縣AETrad和AETaero分別表現(xiàn)隨時間顯著升高和降低的趨勢，氣候傾向率分別為13.1 mm/10 a和-55.1 mm/10 a。AETrad升高的因素包括平均氣溫和最低氣溫升高，以及風速下降等因素（表4）。AETaero下降的因素主要是相對濕度升高。由于AETaero的下降幅度更大，導致年潛在蒸散量呈降低的趨勢。

年濕潤指數(shù)受年降水量和年潛在蒸散量波動的綜合影響，由于年降水量的時間變異性更強，因此年濕潤指數(shù)受年降水量的影響更大，表現(xiàn)出與年降水量相似的變化格局。日照、濟南和陵縣年濕潤指數(shù)的波動范圍分別為0.40～1.38、0.21～0.72 和0.17～0.83，變異系數(shù)在25.5%～34.0%之間。3 個站點年濕潤指數(shù)與時間的相關性不顯著，1966—2015 年年濕潤指數(shù)的突變點與年降水量相同。相關分析表明，年濕潤指數(shù)除與年降水量正相關、與年潛在蒸散量負相關外，日照和陵縣年濕潤指數(shù)與最高氣溫和日照時間表現(xiàn)顯著負相關關系，與相對濕度表現(xiàn)顯著正相關關系。在濟南，年濕潤指數(shù)與相對濕度正相關，與日照時間負相關（表3）。

表4 山東省典型地區(qū)1966—2015 年 主要氣象因素年值的氣候傾向率 Table 4 Climatic tendency rate of major climatic factors at representative sites in Shandong province during 1966—2015

3 討 論

本研究采用反距離加權插值法繪制了山東省1966—2015 年降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)年均值的空間分布圖，各指標的空間分布特征與以往其他時間段內全國和山東省尺度的研究結果相似。根據(jù)徐澤華等[24]對山東省18 個氣象站1981—2010年降水量的研究，山東省年均降水量在空間分布上表現(xiàn)為自東南向西北遞減、沿海多于內陸、山地多于平原3 個特點，與本研究結果相近。趙燊等[21]采用MODIS 全球蒸散發(fā)產(chǎn)品（MOD16）研究了山東省2000—2014 年潛在蒸散量的空間分布，表明潛在蒸散量的多年平均值自西部及北部內陸向東部沿海減少，與本研究結果相同。本研究計算的山東省年均濕潤指數(shù)的分布情況也符合以往全國尺度的研究結果[7]。半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)面積計算結果與王利平等[7]、王建國[25]的研究結果相似。在此基礎上，本研究借助主成分分析和相關分析進一步研究了各指標空間分布與影響因素的關系。分析結果表明，年均降水量、潛在蒸散量主要受海拔和氣溫等相關因子影響，第一主成分與海拔和氣溫的相關性高，可以解釋環(huán)境因子49.3%的變異。而第二主成分主要受相對濕度影響，并且相對濕度與年均潛在蒸散量相關性顯著，是造成相對濕度空間變化的主控因子。這與趙燊等[21]研究結果相似。

本研究以魯東南至魯西北3 個代表性站點詳細分析了年降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的時間變化特征與地域差異。年降水量在3 個站點均存在較強的時間變異性，但均未表現(xiàn)明顯的變化趨勢，與高寒等[18]關于山東1961—2011 年的研究結果相似。然而，徐澤華等[24]發(fā)現(xiàn)在1981—2010 年山東省年降水量總體表現(xiàn)升高趨勢。這些分歧主要是由于年降水量的時間變化具有很強的階段性特點。根據(jù)徐澤華等[24]的分析，山東省年降水量的時間變化可能與南方濤動和東亞夏季風有關，且存在明顯的區(qū)域差異。另外，降水量的變化通過水熱交換等途徑對其他氣象要素產(chǎn)生重要影響[26]，并且其影響程度存在區(qū)域差異性。日照和濟南，降水量變化對相對濕度和日照時間的影響較大，而在魯西北內陸區(qū)的陵縣降水量變化對空氣濕度和氣溫的影響更大。這些差異的具體物理機制仍需進一步探究。年潛在蒸散量受諸多氣象因素的綜合影響，其時空變化特征表現(xiàn)明顯的地域性差異。自魯東南至魯西北，日照、濟南和陵縣年潛在蒸散量分別表現(xiàn)升高、不變和降低的趨勢。謝平等[27]發(fā)現(xiàn)在云南省潛在蒸散量的時間變化特征及其主導因子同樣存在顯著的階段性、季節(jié)性和區(qū)域差異性。本研究通過分析潛在蒸散量的構成研究了不同地區(qū)間的差異。在日照，由于1966—2015 年平均氣溫升高和風速下降，導致輻射項上升，從而年潛在蒸散量表現(xiàn)升高的趨勢。氣溫升高與全球變暖的趨勢相同[28]。風速下降在河北省等地區(qū)也有報道[29]，其原因包括大尺度環(huán)流場改變、冬季風減弱、副高面積指數(shù)上升、城市化進程以及“三北”防護林建設等。在陵縣，氣溫升高和風速下降同樣導致輻射項升高，但是由于相對濕度升高造成空氣動力學項降低幅度更大，年潛在蒸散量表現(xiàn)顯著降低趨勢。不同地區(qū)相對濕度變化差異較大，自魯東南至魯西北由降低轉為升高趨勢，西北內陸區(qū)相對濕度升高可能與1966—2015 年當?shù)刂脖桓采w度增加、實際蒸散量升高有關[30]，其具體機制尚待進一步研究。

4 結 論

1）山東省年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)存在較強的空間變異性。自東南向西北年均降水量逐漸降低而年均潛在蒸散量升高，年均濕潤指數(shù)介于0.43～0.89，半干旱區(qū)面積占總面積的28.7%，主要分布在山東省北部，半濕潤區(qū)面積占總面積的71.3%。

2）年均降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)的空間分布與地理位置、海拔和氣象因素有關，且影響因素間存在復雜的相互作用。年均降水量、濕潤指數(shù)與海拔和氣溫相關性較強，而年均潛在蒸散量主要受相對濕度的空間變化影響。

3）1966—2015 年山東省年降水量、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)表現(xiàn)較強的時間變異性，且存在較大的地域性差異。年降水量和濕潤指數(shù)均未表現(xiàn)明顯的時間變化趨勢，而年潛在蒸散量自魯東南至魯西北由升高轉為降低趨勢。

4）不同地區(qū)年潛在蒸散量各分項的變化特征存在明顯差異。日照由于平均氣溫升高和風速降低，導致輻射項升高，空氣動力學項變化趨勢不明顯，年潛在蒸散量呈上升趨勢。濟南輻射項、空氣動力學項與時間的相關性均不顯著，年潛在蒸散量未表現(xiàn)明顯的變化趨勢。陵縣由于相對濕度升高導致空氣動力學項降低幅度超過輻射項升高幅度，導致年潛在蒸散量呈降低趨勢。