強(qiáng)皓凡, 靳曉言, 趙 璐, 盧澤華
(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院, 成都 610065;2.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610066; 3.四川省農(nóng)田水利局, 成都 610000)
IPCC第五次報(bào)告指出,全球變暖已成不爭的事實(shí),由此引發(fā)的氣候異常時有發(fā)生[1]。氣候變化將改變?nèi)蚝蛥^(qū)域水分循環(huán),影響干濕狀況,進(jìn)而對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生廣泛而深刻的影響,因此近年來干濕變化受到越來越多的關(guān)注[2]。目前,研究區(qū)域干濕狀況的指標(biāo)達(dá)數(shù)十種,如降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、Z指數(shù)、相對濕潤度指數(shù)(M)等[3]。其中M是指某時段降水量與可能蒸散量的差占同時段可能蒸散量之比,該指數(shù)以土壤水分收支平衡為基礎(chǔ),適用于季、年尺度干旱監(jiān)測和評估[4]。由于地表干濕狀況受多種自然因素如降水、氣溫、相對濕度、蒸散等綜合作用的影響,因此,單因子干濕指標(biāo)存在很大局限性[5],而M綜合考慮多因子的指標(biāo)逐漸被科學(xué)界所認(rèn)可并得到廣泛應(yīng)用。王芳芳等運(yùn)用M研究了石河子墾區(qū)近52 a干旱變化特征,發(fā)現(xiàn)該區(qū)干旱頻發(fā)但旱情總體有所減輕[6]。王鶯等用M研究了石羊河流域近52 a干濕特征,發(fā)現(xiàn)流域有微弱變干趨勢,濕潤度與降水、風(fēng)速、相對濕度正相關(guān)而與潛在蒸散、平均氣溫、日照時數(shù)負(fù)相關(guān)[7]。姚玉璧等基于M研究了中國西南近55 a干旱特征,發(fā)現(xiàn)該區(qū)干旱以冬、春為主且未來數(shù)年干旱強(qiáng)度仍將增加[8]。
若爾蓋高原濕地位于青藏高原東緣,是高原面積最大、最典型的高寒沼澤濕地,其主導(dǎo)功能是水源涵養(yǎng),并具有徑流調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)、水土保持、沙化控制、調(diào)節(jié)局部區(qū)域小氣候、環(huán)境自凈及固碳等輔助生態(tài)功能[9]。若爾蓋是長江、黃河源區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地,素有黃河“蓄水池”之稱,每年供給黃河超過30%的水量[10]。同時,若爾蓋是我國生態(tài)脆弱敏感區(qū),近年來,由于人類活動和自然因素的雙重作用,濕地逐漸退化,沙漠化面積與強(qiáng)度明顯增加,環(huán)境不斷惡化[11]。目前針對若爾蓋濕地生態(tài)環(huán)境和氣候變化的研究較多,但主要集中于單氣候因子變化特征等方面,還未深入探討氣候變暖背景下濕地季節(jié)性干濕變化特征及其原因。本文基于M,采用Mann-Kendall法、Morlet小波分析、Pearson相關(guān)系數(shù)等對若爾蓋濕地1960—2015年干濕變化特征及其氣候影響因子進(jìn)行分析,對進(jìn)一步研究濕地氣候與環(huán)境變化具有重要意義。
若爾蓋濕地(32°20′—34°00′N,101°36′—103°30′E)地處青藏高原東緣,主體位于若爾蓋縣和紅原縣,面積約1.6萬km2,是我國特有的沼澤分布區(qū),還是全球面積最大的高原濕地,生態(tài)研究意義重大。該區(qū)域?qū)俅箨懶愿咴瓪夂?,平均海? 500 m,年均降水量650~750 mm,平均氣溫0.7~1.1℃[11]。依據(jù)該區(qū)地勢地貌和資料的連續(xù)完整性等標(biāo)準(zhǔn),選取5個代表氣象站點(diǎn)(表1)。
表1 若爾蓋濕地5個氣象站地理位置
本文氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do),包括5個氣象站1960—2015年逐日氣象資料,即降水量(P)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、平均氣溫(Tmean)、相對濕度(RH),10 m風(fēng)速(U10)、大氣壓強(qiáng)(p)和日照時數(shù)(n)。采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)劃分季節(jié),即3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—翌年2月為冬季。
相對濕潤度指數(shù)(M)綜合降水與需水信息,適于旬以上尺度干濕研究[12],其公式如下[13]:
(1)
式中:P為某時段降水量(mm);PE為某時段可能蒸散量(mm)。采用1998年世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的修正Penman-Monteith公式計(jì)算[14],即PE=ET0:
(2)
式中:Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);γ為干濕計(jì)常數(shù)(kPa/℃);U2為2 m高處風(fēng)速(m/s);Rn為凈輻射(MJ/m2);G為土壤熱通量(MJ/m2);T為平均氣溫(℃);es和ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水氣壓(kPa)。除凈輻射Rn應(yīng)進(jìn)行地區(qū)校正外[15],各變量根據(jù)FAO方法計(jì)算[14]。本文采用左大康等的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算Rn[16],公式如下:
(3)
式中:σ為Stefan-Boltzmann常量(4.903×10-9MJ/K4·m2);n為實(shí)際日照時數(shù)(h);N為最大日照時數(shù)(h);Rso為晴天輻射(MJ/m2);Tmax,k,Tmin,k分別為最高和最低氣溫(K)。
參考國家標(biāo)準(zhǔn)《氣候干旱等級》[13]并結(jié)合濕地實(shí)際情況,采用訂正后的相對濕潤度指數(shù)分級[12],為便于分析,認(rèn)為年尺度M≤-0.15及季尺度M≤-0.30即發(fā)生干旱(輕旱及以上)。
采用氣候傾向率[17]和非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)法[18]對M和氣候因素進(jìn)行趨勢分析和突變分析,采用Morlet小波分析[19]研究干濕周期變化規(guī)律,采用Pearson相關(guān)系數(shù)[17]分析M和各氣象因子之間的關(guān)系。
由圖1A看出,近56 a若爾蓋濕地年M變化區(qū)間為-0.184~0.342,僅1 a輕旱,多年平均值為0.131,但呈顯著遞減趨勢(MK檢驗(yàn)Z=-1.64,p<0.05),傾向率為-0.018/10 a,說明近56 a若爾蓋濕地有干旱化加重的趨勢。由圖1B—E看出,濕地春季M在-0.491~0.217間變化,共9 a發(fā)生干旱,平均-0.143,傾向率為0.026/10 a,呈顯著遞增趨勢(Z=1.82,p<0.05),說明近56 a來春季呈濕化趨勢。夏季M在-0.042~0.826間變化,平均0.408,傾向率為-0.026/10 a,呈干化趨勢但不顯著。秋季M在-0.197~1.363間變化,平均值0.437,傾向率為-0.073/10 a,呈極顯著遞減趨勢(Z=-2.60,p<0.001),干旱化趨勢顯著。冬季M在-0.936~-0.429間變化,各年均發(fā)生不同程度干旱,平均-0.710,傾向率為0.003/10 a,呈干旱減緩趨勢但不顯著??偟膩砜矗瑵竦夭煌瑫r間尺度干濕差異較大,干旱程度依次為:冬>春>年>夏>秋,季節(jié)性干旱明顯,干旱主要發(fā)生在冬、春兩季且冬季極為嚴(yán)重,應(yīng)重視防旱減災(zāi)工作,夏、秋兩季則較為濕潤。
為進(jìn)一步分析不同時間尺度上的干濕變化特征,采用Mann-Kendall法對年、季相對濕潤度指數(shù)變化進(jìn)行突變分析(圖2)。圖2中UF,UB分別為順、逆序曲線,若UF值>0(<0),則序列呈上升(下降)趨勢、趨于濕潤(干燥),超過臨界值線則該趨勢顯著。若正反序列存在多個交點(diǎn),受隨機(jī)噪聲干擾較大,這些點(diǎn)不是真實(shí)突變點(diǎn),只有一個交點(diǎn)且位于臨界值線之間,才能確定該點(diǎn)為突變點(diǎn)[17]。
由圖2A看出,年M除1961年、1967年和1984年前后呈上升趨勢外,其余年份均呈下降趨勢,說明近年來年際干旱有持續(xù)加重的趨勢,同時正反序列曲線在臨界值線間有5個交點(diǎn),說明年際干濕變化不存在明顯突變。
圖1 若爾蓋濕地1960-2015年相對濕潤度指數(shù)年、季變化
由圖2B—E,春季M在1960—1963年、1973—1982年和1994年后均呈上升趨勢,近年來春季干旱有所緩解,同樣地,春季干濕變化無明顯突變。夏季M除1983—1987年呈上升趨勢外,其余年份均呈下降趨勢,其中1968—1979年下降趨勢顯著(p<0.05),近年來干旱化有所加重,同時夏季干濕變化無明顯突變。秋季M在1986年以前呈波動變化,1986年以后呈下降趨勢且2002年后下降趨勢顯著(p<0.05)。秋季正反序列曲線在顯著性水平線之間僅在1995年處交叉,UF值在1995年后為負(fù)值且一直減小,說明秋季在1995年后發(fā)生趨干突變,地表干旱化程度加劇,突變前后年均M由0.516降至0.296,降幅為-74.4%。冬季M在1990年以前較為波動,1990年后持續(xù)上升,干旱有所緩解,且冬季干濕變化無突變。此外,結(jié)合Pettitt檢驗(yàn)[17]對上述結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)只有秋季于1995年發(fā)生突變(p<0.05),其他時間尺度均無顯著突變。
1960—2015年若爾蓋濕地相對濕潤度指數(shù)周期變化特征明顯,存在多重時間尺度的強(qiáng)弱振蕩周期變化,大時間尺度周期下鑲嵌著更多的干濕交替(圖3),圖中小波系數(shù)正值(實(shí)線)表示地表偏濕,小波系數(shù)負(fù)值(虛線)表示地表偏干。由圖3A看出,年相對濕潤度指數(shù)在25~30 a尺度上振蕩最為顯著且貫穿整個時間序列,呈現(xiàn)“干—濕—干—濕—干”的年際變化特征,干旱期為7~8 a;12~15 a尺度周期主要發(fā)生在1961—1989年,呈現(xiàn)4次“干—濕”循環(huán),干旱期為4~5 a,年際干濕交替頻繁;在7~10 a尺度上,1990—2010年出現(xiàn)更多的強(qiáng)弱振蕩中心,干濕交替更加頻繁,且2015年后負(fù)等值線未閉合,說明未來短期內(nèi)地表仍然偏干。
由圖3B可知,春季干濕變化存在3種尺度周期振蕩。在15~22 a尺度上,經(jīng)歷了4次“濕—干”循環(huán),干旱期為6~7 a;在9~13 a尺度上,出現(xiàn)多個強(qiáng)弱振蕩中心,年際干濕交替頻繁;在5~6 a尺度上,主要在1980—2015年振蕩較強(qiáng)。由圖3C看出,夏季干濕變化在24~30 a尺度上,呈現(xiàn)“干—濕—干—濕—干”年際變化特征,干旱期為7~9 a;11~15 a尺度周期振蕩主要發(fā)生在1960—1995年,存在4次“干—濕”循環(huán);4~10 a尺度周期振蕩在整個時域內(nèi)表現(xiàn)較為明顯,且在1990—2015年振蕩較強(qiáng)。由圖3D看出,秋季干濕變化在25~30 a尺度上,呈現(xiàn)“干—濕—干—濕—干”年際變化特征,干旱期約9 a;在11~14 a尺度上,存在4次“干—濕”循環(huán),且1995年以前信號較強(qiáng);5~7 a尺度周期振蕩在1962—1978年、1997—2010年較強(qiáng),干濕循環(huán)交替頻繁。整體來看,年際振蕩時間尺度經(jīng)歷了“小—大—小”的變化過程。由圖3E可知,冬季干濕變化的18~25 a尺度周期振蕩在整個時域內(nèi)表現(xiàn)較為明顯,存在“濕—干—濕—干—濕—干—濕”的循環(huán)交替,干旱期為6~7 a;在9~13 a尺度上,干濕循環(huán)交替頻繁,2012年等值線由負(fù)轉(zhuǎn)正,短期內(nèi)即將形成閉合中心,且18~25 a尺度周期已經(jīng)形成新的負(fù)等值線,說明盡管冬季56 a來總體呈微弱趨濕傾向,但未來中短期內(nèi)仍是干旱期,干旱程度可能較近幾年有所加重,需提前做好防旱準(zhǔn)備;4~5 a尺度在1960—1968年、2008—2015年振蕩信號較強(qiáng)。
由式(1)可知,M主要取決于降水與潛在蒸散的變化,而潛在蒸散受各種氣象要素綜合作用。為進(jìn)一步探究氣象要素對干濕狀況的影響,計(jì)算各時間尺度氣象要素變化趨勢(表2)并對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的氣象要素和M作相關(guān)性分析(表3)。
由表2看出,近56 a若爾蓋濕地年、季尺度平均氣溫均呈顯著上升趨勢(p<0.001),其中冬季平均氣溫增速最大,為0.48℃/10 a,春季增速最小,為0.23℃/10 a。相對濕度則均表現(xiàn)為減小趨勢,其中年、夏、秋季變化顯著(p<0.001)且夏季降幅最大,為-0.74%/10 a。降水量僅春、秋兩季變化顯著(p<0.05),其中春、冬為增加趨勢,其余時間尺度為減少趨勢。年、季風(fēng)速均有所上升但不顯著。日照時數(shù)在春、夏兩季有所下降,其余時間尺度均上升,但變化均不顯著。潛在蒸散各季均呈上升趨勢,其中年、秋、冬季上升趨勢顯著(p<0.001)且年尺度增速最大,為7.16 mm/10 a,這與近年來氣溫上升、降水減少有關(guān),也與本地區(qū)人口增加、過度放牧、植被減少[11]有關(guān)。
由表2看出,M與降水量關(guān)系最為密切,各季相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.94以上(p<0.001),說明降水量的變化直接影響濕地干濕狀況的變化。具體來看,M與降水量、相對濕度呈顯著正相關(guān)(p<0.001),其中與降水量相關(guān)性在秋季最大(R=0.98),與相對濕度相關(guān)性在冬季最大(R=0.86),說明降水量和相對濕度的增加有利于M的提高。M與日照時數(shù)和潛在蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05),其中與日照時數(shù)在夏季相關(guān)性最大(R=-0.68),與潛在蒸散量也在夏季相關(guān)性最大(R=-0.67),說明日照時數(shù)和潛在蒸散增加會導(dǎo)致M的降低。M與風(fēng)速在春、秋兩季呈正相關(guān),其他季節(jié)呈負(fù)相關(guān),在冬季相關(guān)性最大(R=-0.36)且相關(guān)性顯著(p<0.01);M與平均氣溫也在春、秋兩季呈正相關(guān),其他季節(jié)呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性均不顯著,說明風(fēng)速和平均氣溫對M影響較小??偟膩砜矗邓?、相對濕度的減少和日照時數(shù)、潛在蒸散量的增加對M的降低起主要作用,平均氣溫和風(fēng)速的影響較弱。濕地干濕變化是各氣象因素綜合作用的結(jié)果,其中降水量是最主要影響因子。
圖2 若爾蓋濕地1960-2015年相對濕潤度指數(shù)
圖3 若爾蓋濕地1960-2015年相對濕潤度指數(shù)年、季變化小波分析
季節(jié)MPTmeanRHU2nET0全年-0.018*-4.070.33***-0.41***0.022.977.16***春季0.0265.94***0.23***-0.160.01-1.241.04夏季-0.026-3.690.27***-0.74***0.03-0.562.23秋季-0.073***-6.37*0.31***-0.71***0.023.772.29***冬季0.0030.720.48***-0.040.020.971.60***
注:“*,**,***”分別表示通過0.05,0.01,0.001置信度檢驗(yàn),下同。
表3 若爾蓋濕地1960-2015年M與各氣象要素的Pearson相關(guān)系數(shù)
研究表明,近年來青藏高原大部分地區(qū)M呈增加趨勢,主要原因是這些地區(qū)降水量的增加與潛在蒸散量的減少[20]。本文對位于高原東緣的若爾蓋濕地的研究表明,濕地降水與相對濕度呈下降趨勢,而潛在蒸散呈上升趨勢,導(dǎo)致近56 a來M呈顯著下降趨勢(p<0.05),同時氣溫顯著上升(p<0.001),暖干化趨勢十分明顯,表現(xiàn)出與高原主體氣候濕潤發(fā)展方向的差異性,亦與黃河源區(qū)21世紀(jì)以來暖濕化趨勢不同。王建兵等[21]研究表明,青藏高原邊坡地帶的合作草地呈暖干化趨勢;楊秀海等[22]研究表明,位于藏西北的阿里和那曲分別朝向暖干和暖濕方向發(fā)展。說明在相同氣候背景下,不同地理位置呈現(xiàn)出不同的干濕變化趨勢,進(jìn)而對水資源利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)也會產(chǎn)生不同影響。同一地域在不同時間尺度下干濕狀況與影響因素也不相同,本研究表明,若爾蓋濕地在冬、春兩季干旱嚴(yán)重但呈減緩趨勢,主要是由于降水的明顯增加;夏、秋兩季及年尺度雖較為濕潤但干旱化趨勢加重,主要由降水與相對濕度的明顯下降和潛在蒸散明顯上升導(dǎo)致。此外,小波分析表明,各時間尺度上M均在20世紀(jì)80年代末至90年代末左右發(fā)生了明顯的周期調(diào)整(圖3),21世紀(jì)后周期變化趨于穩(wěn)定且普遍縮短,說明濕地的水熱條件與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生了明顯變化。
干濕變化在青藏高原氣候變化的研究中備受關(guān)注,過去的研究多集中于高原主體,而對邊坡地帶研究較少[21]。若爾蓋濕地作為黃河“蓄水池”,其氣候干濕變化的深入研究對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和黃河上游水資源利用具有重要意義[10]。本研究表明,近年來濕地呈暖干化趨勢,降水減少而蒸散增加,這將加劇地表水分虧缺,導(dǎo)致作物受旱面積擴(kuò)大,病蟲害加重,加劇濕地退化和沙漠化,因此必須采取措施提高濕地應(yīng)對干旱化的能力。另外,本文以M為干濕分析指標(biāo),然而干旱的發(fā)生不僅與氣象要素的變化有關(guān),冰雪融水補(bǔ)給、徑流變化等下墊面要素均會影響干旱[6],未來的研究需要結(jié)合其他條件進(jìn)行區(qū)域干濕變化的綜合分析。
(1) 若爾蓋濕地年際M呈顯著下降趨勢(p<0.05),其傾向率為-0.018/10 a,有干旱化發(fā)展趨勢;冬、春兩季干旱較為嚴(yán)重且近56 a有趨濕傾向,夏、秋兩季較為濕潤但近56 a有趨干傾向,干旱程度依次為:冬>春>年>夏>秋。
(2) 秋季于1995年發(fā)生顯著趨干突變(p<0.05),其他時間尺度無明顯突變;
(3) 年際M存在25~30 a,12~15 a,7~10 a三種尺度的周期變化,春、夏、秋、冬各季亦存在多種時間尺度的周期振蕩,未來中短期內(nèi)冬季仍是干旱期。
(4) 濕地干濕狀況受各氣候因素綜合作用,其中降水量是最主要的因子。降水量、相對濕度的減少和日照時數(shù)、潛在蒸散量的增加對濕地干旱化起主要作用,平均氣溫和風(fēng)速的上升影響較小。
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