陳華凱,石慧蘭,張建海,王萌萌,呂偉綺
(德州市氣象局,山東德州 253078)
近幾十年受顯著的氣候變化及人類活動(dòng)干預(yù)和水資源開發(fā)利用的影響,地表和地下水資源分布態(tài)勢(shì)發(fā)生了明顯變化,水資源供需矛盾日益明顯,華北平原成為人均水資源量最低地區(qū)[1]。濕潤(rùn)指數(shù)指潛在蒸散量與降水量之比,是判別某一區(qū)域氣候干濕程度的指標(biāo)[2-3]。汪彪[4]等發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)年均潛在蒸散量呈明顯減少趨勢(shì)。楊艷娟[5]等發(fā)現(xiàn)海河流域潛在蒸散量顯著減少。有學(xué)者[6-7]研究了影響山東參考作物蒸散量變化的氣象因素,發(fā)現(xiàn)氣象要素相關(guān)性存在明顯地域差異。林子倫等[8]分析了山東半島夏季降水與春季土壤濕度的關(guān)系。持續(xù)的濕潤(rùn)過程或干燥過程可以改變某地區(qū)的干濕狀況[9]。山東干旱造成的災(zāi)害在氣象災(zāi)害中占有比例最高[10],德州市降水量在山東省屬最少,水分條件是制約植物(包括農(nóng)作物)生長(zhǎng)的重要因子。石慧蘭等[11]研究發(fā)現(xiàn)德州市日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì),其濕潤(rùn)生態(tài)環(huán)境如何變化,潛在蒸散量變化主要受哪些氣象因子影響,目前未見詳細(xì)研究。本文研究德州67 a濕潤(rùn)指數(shù)和潛在蒸散量及降水量變化,分析影響潛在蒸散量變化的敏感氣象因子及其貢獻(xiàn)率,以期更好地為生態(tài)文明建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供氣象保障服務(wù)。
所用資料為德州站1951—2017年的各月平均氣溫、平均氣壓、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度和降水量等觀測(cè)資料,來自山東省氣象信息中心資料室,已經(jīng)過質(zhì)量控制。30 a平均值采用世界氣象組織WMO規(guī)定的1981—2010年最新標(biāo)準(zhǔn)氣候年平均值。四季劃分: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。
用最小二乘法建立一元線性回歸方程,得到氣候傾向率,分析氣候變化趨勢(shì)。
中國(guó)氣象局的《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)方法》是應(yīng)用比較廣泛、持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系[12]。濕潤(rùn)指數(shù)能較客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況,表征濕潤(rùn)生態(tài)特征,本文采用中國(guó)氣象局生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范中濕潤(rùn)指數(shù)和潛在蒸散量計(jì)算方法[13],即:
式中,R為降水量,ET為潛在蒸散量。月潛在蒸散量ETi(mm)采用下式計(jì)算:
式中,i為月份,Pi為月平均氣壓(hPa),ti為月平均氣溫(℃),di為月總?cè)諗?shù),ui為在10~12 m高度處觀測(cè)的月平均風(fēng)速(m/s),woi為在溫度為ti時(shí)的飽和水汽壓(hPa),hi為月平均相對(duì)濕度。
飽和水汽壓wo的計(jì)算考慮2種情況。當(dāng)月平均溫度0 ℃
當(dāng)月平均溫度-40 ℃≤t<0 ℃時(shí),
飽和水汽壓差表示的是實(shí)際大氣距離水汽達(dá)到飽和的程度,它影響著植物氣孔的閉合,從而控制著植物蒸騰、光合等生理過程,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)蒸散過程以及水分利用效率有著重要影響。相同溫度下空氣相對(duì)濕度越大,飽和水汽壓差越小,蒸散量也越??;反之相同溫度下空氣相對(duì)濕度越小,飽和水汽壓差越大,蒸散量也越大。因此分析相對(duì)濕度與蒸散量的關(guān)系對(duì)研究飽和水汽壓差和蒸散量的相關(guān)性有很好的指示作用。
潛在蒸散量對(duì)氣象因子的敏感性參照文獻(xiàn)[8,14]進(jìn)行計(jì)算,即
式中,SVi為敏感系數(shù),ET和ΔET分別為潛在蒸散量及其變化量;Vi和ΔVi分別為第i個(gè)氣象因子及其變化量。敏感系數(shù)為正表示ET隨著氣候變量的增加而增大,為負(fù)表示ET隨著氣候變量的增加而減小,敏感系數(shù)絕對(duì)值越大,ET對(duì)氣象因子的敏感性越大。
將單個(gè)氣象因子的敏感系數(shù)與該要素的多年相對(duì)變化率相乘,得到由此要素引起的ET的變化,即為該要素對(duì)ET變化的貢獻(xiàn)率,貢獻(xiàn)率為正表示該要素的變化引起ET增加,為正貢獻(xiàn);貢獻(xiàn)率為負(fù)表示引起ET減少,為負(fù)貢獻(xiàn)[15]。即
Con,Vi=SVi·RC,Vi,
各氣象因子貢獻(xiàn)率相加得到對(duì)ET變化的總貢獻(xiàn),公式為:Con=Con,T+Con,U+Con,F+Con,P,其中Con,T、Con,U、Con,F、Con,P分別為平均氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均氣壓對(duì)ET變化的貢獻(xiàn)率,Con為4個(gè)因子共同作用引起的ET變化,也為ET的估計(jì)變化。
2.1.1 年變化 德州1951—2017年濕潤(rùn)指數(shù)呈下降趨勢(shì),氣候傾向率為-0.018(10 a)-1(圖1a)。1964年濕潤(rùn)指數(shù)最大,為1.61;1965年濕潤(rùn)指數(shù)最小,為0.23。濕潤(rùn)指數(shù)5年移動(dòng)平均波動(dòng)較大,但總體呈下降趨勢(shì)。其中,1951—1956年為上升趨勢(shì),1956—1960年為下降趨勢(shì),1960—1964年為上升趨勢(shì),1964—1968年為下降趨勢(shì),1968—1977年為上升趨勢(shì),1977—1989年為下降趨勢(shì),1989—1993年為上升趨勢(shì),1993—2006年為下降趨勢(shì),2006—2013年為上升趨勢(shì),2013—2017年為下降趨勢(shì)。由德州市1951—2017年潛在蒸散量和降水量變化曲線(圖1b)可知,潛在蒸散量呈上升趨勢(shì),氣候傾向率為5.325 mm/10 a。1955年潛在蒸散量最多,達(dá)1 263 mm,偏多304 mm;1968年次之,為1 259 mm;1964年最少,僅653.2 mm,偏少305.9 mm。1951—2017年降水量呈下降趨勢(shì),氣候傾向率為-11.02 mm/10 a。1964年降水量最大,達(dá)1 054 mm,偏多542 mm, 對(duì)應(yīng)該年潛在蒸散量最小, 濕潤(rùn)指數(shù)最大;1965年降水量最少,僅255.2 mm,偏少256.8 mm,對(duì)應(yīng)該年濕潤(rùn)指數(shù)最小。分析5年移動(dòng)平均,67 a年降水量變化趨勢(shì)與濕潤(rùn)指數(shù)變化趨勢(shì)基本一致[16]。
圖1 1951—2017年德州濕潤(rùn)指數(shù)(a)、潛在蒸散量和降水量(b)變化趨勢(shì)
1951—2017年德州市潛在蒸散量和降水量的氣候年均值分別為959.1 mm和512 mm,潛在蒸散量大于降水量。1951—2017年德州濕潤(rùn)指數(shù)氣候年均值為0.55,說明大氣降水少于植被生理過程需水量,降水條件是當(dāng)?shù)刂脖簧硇杷南拗埔蜃?,屬半濕?rùn)氣候[17]。按年代際分析,20世紀(jì)70年代降水量最多,潛在蒸散量最小,濕潤(rùn)指數(shù)最大;2000年代降水量最少,潛在蒸散量最大,濕潤(rùn)指數(shù)最小,濕潤(rùn)狀況最差;2000年代之后,隨著降水量增加,濕潤(rùn)生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。濕潤(rùn)指數(shù)和降水量在2000年代為負(fù)距平,其余年代均為正距平。潛在蒸散量在20世紀(jì)50年代為正距平,60—90年代為負(fù)距平,2000年代之后為正距平。德州市濕潤(rùn)指數(shù)、潛在蒸散量、降水量氣候值及年代際距平見表1。
表1 1951—2017年德州濕潤(rùn)指數(shù)(K)、降水量(R)、潛在蒸散量(ET)的氣候值及年代際距平
2.1.2 季、月變化 德州市1951—2017年平均四季潛在蒸散量(圖略)分別為:春季313.9 mm、夏季362.1 mm、秋季193.2 mm、冬季85.6 mm。四季降水量為:春季69.4 mm、夏季379.5 mm、秋季91.1 mm、冬季14.4 mm。四季濕潤(rùn)指數(shù)為:春季0.24、夏季1.12、秋季0.52、冬季0.2。夏季降水量、潛在蒸散量、濕潤(rùn)指數(shù)最大;冬季降水量、潛在蒸散量、濕潤(rùn)指數(shù)最小;春季降水量小于秋季,但春季潛在蒸散量明顯大于秋季,春季濕潤(rùn)指數(shù)明顯小于秋季,德州市春季十年九旱。
德州市春季、夏季潛在蒸散量氣候傾向率分別為2.446、1.654 mm/10 a;秋、冬季分別為4.25、5.0 mm/10 a,年潛在蒸散量增加主要是由秋冬兩季增加造成。德州市春季、秋季降水量氣候傾向率分別為0.553、0.313 mm/10 a;夏季、冬季降水量分別為-11.817、-0.176 mm/10 a,年降水量減少主要是由夏季降水減少造成。四季濕潤(rùn)指數(shù)都呈減少趨勢(shì),春、夏、秋、冬氣候傾向率分別為-0.003、-0.039、-0.021、-0.015 (10 a)-1,夏季和秋冬季減小明顯。夏季濕潤(rùn)指數(shù)減小,主要原因是夏季降水量明顯減少,秋冬季濕潤(rùn)指數(shù)減小,主要原因是秋冬季潛在蒸散量明顯增加。
圖2為德州市1951—2017年平均各月潛在蒸散量、降水量和濕潤(rùn)指數(shù)分布圖。6月潛在蒸散量最大,為171.6 mm,5月次之,為146.1 mm;1月最小為25.5 mm, 12月次之, 為27.2 mm。
圖2 1951—2017年德州平均潛在蒸散量和降水量及濕潤(rùn)指數(shù)月分布
7月降水量最大,為171.7 mm,8月次之,為138 mm;1月最小為3.5 mm,12月次之,為3.9 mm。7月、8月濕潤(rùn)指數(shù)最大,為1.86,大氣降水大于植被生理過程需水量,但降水時(shí)空分布不均,旱澇并存;3月濕潤(rùn)指數(shù)最小,僅為0.18,植被生理需水是最突出的限制因子。
表2為德州市1951—2017年各月濕潤(rùn)指數(shù)、降水量、潛在蒸散量氣候傾向率。各月濕潤(rùn)指數(shù)與降水量的氣候傾向率變化趨勢(shì)一致, 2、5、9月均為增加趨勢(shì),其余各月為減少趨勢(shì),8月濕潤(rùn)指數(shù)減少最明顯,7月降水量減少最明顯。4、5、6月潛在蒸散量為減少趨勢(shì),其余各月為增加趨勢(shì)。
表2 1951—2017年德州各月濕潤(rùn)指數(shù)(K)、降水量(R)、潛在蒸散量(ET)氣候傾向率
2.2.1 氣象因子變化特征 對(duì)照潛在蒸散量計(jì)算公式,分析影響其變化的主要?dú)庀笠蜃印?951—2017年德州平均氣溫變化呈明顯上升趨勢(shì)(圖3a),氣候傾向率為0.336 ℃/10 a。四季氣溫均呈上升趨勢(shì),春、夏、秋、冬季氣候傾向率分別為0.389、0.162、 0.29、0.499 ℃/10 a,冬季和春季增溫明顯。德州年平均風(fēng)速變化呈明顯下降趨勢(shì)(圖3b),氣候傾向率為-0.18 (m/s)/10 a。四季風(fēng)速均為減小趨勢(shì),氣候傾向率分別為-0.263、-0.14、-0.156、-0.171 (m/s)/10 a。德州年平均相對(duì)濕度變化呈下降趨勢(shì)(圖3c),氣候傾向率為-0.587%/10 a。四季均呈下降趨勢(shì),氣候傾向率分別為-0.095、-0.071、-0.742、-1.422%/10 a。德州年平均氣壓變化呈略下降趨勢(shì)(圖3d),氣候傾向率為-0.045 hPa/10 a。除夏季升高外,其余季節(jié)均為降低趨勢(shì),夏季氣候傾向率為0.099 hPa/10 a,春、秋、冬季分別為-0.189、-0.072、-0.008 hPa/10 a。
圖3 1951—2017年德州平均氣溫(a)、平均風(fēng)速(b)、相對(duì)濕度(c)、平均氣壓(d)變化趨勢(shì)
2.2.2 氣象因子對(duì)潛在蒸散量變化的貢獻(xiàn)率 將單個(gè)氣象因子的敏感性系數(shù)乘以其多年相對(duì)變化率,即為該要素對(duì)ET變化的貢獻(xiàn)率[7],表3為年潛在蒸散量ET對(duì)氣象因子的敏感系數(shù)、各因子的多年相對(duì)變化率及其對(duì)ET的貢獻(xiàn)率。年ET對(duì)平均氣溫、平均風(fēng)速的敏感系數(shù)為正,與相對(duì)濕度和平均氣壓的敏感系數(shù)為負(fù)。相對(duì)濕度敏感系數(shù)的絕對(duì)值最大,說明ET對(duì)相對(duì)濕度的敏感性最大,這與楊永剛[18]等的研究結(jié)果一致;但相對(duì)濕度的多年相對(duì)變化率較小,對(duì)年ET變化的貢獻(xiàn)率排第二位。年ET對(duì)平均氣溫的敏感系數(shù)排第二,但平均氣溫的多年相對(duì)變化率較大,對(duì)年ET變化的貢獻(xiàn)率排第一。平均風(fēng)速的多年相對(duì)變化率最大,但與年ET的敏感系數(shù)最小,對(duì)年ET變化的貢獻(xiàn)率排第三。平均氣壓的多年相對(duì)變化率最小,對(duì)年ET變化的貢獻(xiàn)率最小。平均氣溫、相對(duì)濕度、平均氣壓的貢獻(xiàn)率為正,表示氣溫升高、相對(duì)濕度和氣壓減小引起ET增加[19-20],為正貢獻(xiàn);平均風(fēng)速貢獻(xiàn)率為負(fù),表示風(fēng)速減小引起ET減少,為負(fù)貢獻(xiàn)。
表3 年潛在蒸散量對(duì)氣象因子的敏感系數(shù)和各因子的多年相對(duì)變化率及其貢獻(xiàn)率
表4為德州市67 a主要?dú)庀笠蜃訉?duì)潛在蒸散量ET各月變化的貢獻(xiàn)率和ET的實(shí)際變化。各月平均氣溫均為正貢獻(xiàn)率,各月平均風(fēng)速均為負(fù)貢獻(xiàn)率。相對(duì)濕度在4—6月為負(fù)貢獻(xiàn)率,其余各月為正貢獻(xiàn)率。氣壓在1月和7—9月為負(fù)貢獻(xiàn)率,其余各月為正貢獻(xiàn)率。1、9月平均氣溫貢獻(xiàn)率最大,4、6月平均風(fēng)速貢獻(xiàn)率最大,其余各月為相對(duì)濕度貢獻(xiàn)率最大。各月平均氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均氣壓4因子對(duì)ET變化的總貢獻(xiàn)率與ET的實(shí)際變化基本一致,表明用敏感系數(shù)和多年相對(duì)變化率來解釋德州各月潛在蒸散量變化的原因合理可行。
表4 各月氣象因子對(duì)潛在蒸散量的貢獻(xiàn)率和潛在蒸散量的實(shí)際變化值 單位:%
(1)1951—2017年德州市濕潤(rùn)指數(shù)氣候年均值為0.55,屬半濕潤(rùn)氣候。67 a濕潤(rùn)指數(shù)呈下降趨勢(shì),氣候傾向率-0.018(10 a)-1,四季均為減少趨勢(shì),夏季和秋冬季減小明顯。7、8月濕潤(rùn)指數(shù)最大,為1.86,大氣降水大于植被生理過程需水量,但降水時(shí)空分布不均,旱澇并存;3月濕潤(rùn)指數(shù)最小,僅0.18,且氣候傾向率呈減少趨勢(shì),植被生理需水是最突出的限制因子,多發(fā)生干旱,應(yīng)高度重視。
(2)德州市潛在蒸散量氣候年均值為959.1 mm,67 a潛在蒸散量呈上升趨勢(shì),氣候傾向率為5.325 mm/10 a,春、夏季呈減少趨勢(shì),秋、冬季呈增加趨勢(shì)。降水量氣候年均值512 mm,67 a降水量呈下降趨勢(shì),氣候傾向率為-11.02 mm/10 a,春、秋季增加,夏、冬季減少。夏季降水量明顯減少是夏季濕潤(rùn)指數(shù)減小的主要原因,秋冬季潛在蒸散量增加是秋冬季濕潤(rùn)指數(shù)減小的主要原因。潛在蒸散量呈增加趨勢(shì),會(huì)導(dǎo)致作物年需水量增加,作物需水矛盾將更加突出要合理規(guī)劃種植布局,加強(qiáng)現(xiàn)代水利建設(shè),提高水分有效利用率。
(3)德州市年潛在蒸散量對(duì)相對(duì)濕度的敏感性最大,其次是平均氣溫、平均氣壓、平均風(fēng)速。平均氣溫對(duì)年潛在蒸散量變化的貢獻(xiàn)率最大,其次是相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和平均氣壓。年潛在蒸散量對(duì)平均氣溫、平均風(fēng)速的敏感系數(shù)為正,與相對(duì)濕度和平均氣壓的敏感系數(shù)為負(fù)。平均氣溫、相對(duì)濕度、平均氣壓的貢獻(xiàn)率為正,平均風(fēng)速的貢獻(xiàn)率為負(fù),表明潛在蒸散量隨氣溫升高和相對(duì)濕度與氣壓減小而增加,隨風(fēng)速減小而減少。各月潛在蒸散量的實(shí)際變化與平均氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均氣壓4因子的總貢獻(xiàn)率基本一致,表明用該方法解釋潛在蒸散量變化合理可行,但該4因子總貢獻(xiàn)率與潛在蒸散量的實(shí)際變化有差值,還受日照等其他因子影響,需進(jìn)一步研究。