1960—2013年黃土高原地區(qū)干濕界線時(shí)空變化特征*

張耀宗，張 勃，劉艷艷，張多勇

(1.隴東學(xué)院歷史與地理學(xué)院，甘肅慶陽 745000； 2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 3.慶陽市荒漠化防治中心，甘肅慶陽 745000)

0 引言

干濕氣候界線的波動(dòng)能直接直觀反映某地區(qū)氣候的干濕變化[1]，對(duì)氣候變化有著十分敏感的反應(yīng)[2]，是氣候變化最為敏感的區(qū)域之一。在當(dāng)前全球氣候變暖的背景下，全球水循環(huán)加快，干旱等極端天氣和氣候事件發(fā)頻率發(fā)生，必然會(huì)對(duì)氣候的干濕狀況產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)、人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[3-6]，普宗朝等[7]指出全球變化對(duì)不同區(qū)域的干濕氣候影響存在差異性，影響的機(jī)理也存在許多不確定性，因此研究近幾十年來中國不同區(qū)域干濕氣候的時(shí)空變化特征及其成因，具有重要的理論意義和科學(xué)價(jià)值[3]，對(duì)各區(qū)域預(yù)測(cè)未來氣候的干濕變化至關(guān)重要[4-5]。

胡琦等研究表明1961—2014年中國地區(qū)經(jīng)歷了變濕到變干的過程，不同地區(qū)干濕狀況變化差異很大，干旱趨勢(shì)主要發(fā)生在中國的半干旱半濕潤氣候區(qū)[4]； 姜江等[5]利用干濕指數(shù)研究表明1962—2011 年中國干濕指數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，空間上表現(xiàn)為西部濕潤化和東部干旱化的特征，顯著縮小的是濕潤區(qū)和極端干旱區(qū)，半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)則顯著擴(kuò)大，氣候敏感區(qū)域在擴(kuò)張，與胡琦等結(jié)論一致性較好； 研究表明近幾十年中國華北地區(qū)[8]、西南地區(qū)[10]、東北地區(qū)[11]、內(nèi)蒙古地區(qū)等地干濕變化異常[12]，不同區(qū)域不同時(shí)間段干濕變化差異明顯，史建國等指出黃河流域干燥度的分布特征有明顯的地域差異，由北向南逐漸遞減趨勢(shì)，1957—2001年干燥度呈波動(dòng)增加趨勢(shì)[9]。黃土高原地區(qū)位于中國濕潤與干旱氣候的過渡帶上，同時(shí)地處中國農(nóng)牧交錯(cuò)帶上，是中國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，其干濕區(qū)界線變化對(duì)區(qū)內(nèi)的生態(tài)屏障建設(shè)及抗旱減災(zāi)尤為重要。文章將從時(shí)間和空間角度分析1960—2013年黃土高原地區(qū)干濕區(qū)界線變化的時(shí)空動(dòng)態(tài)格局，為黃土高原地區(qū)生態(tài)屏障建設(shè)及抗旱規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

該研究中黃土高原地區(qū)范圍為中國科學(xué)院黃土高原綜合科學(xué)考察隊(duì)確定的范圍[13]，如圖1所示，面積63萬km2。按照黃土高原地區(qū)的地貌特征和自然地理特征，該研究中將黃土高原地區(qū)分為6個(gè)子區(qū)域，分別是：隴中黃土高原(Ⅰ)、隴東黃土高原(Ⅱ)、關(guān)中平原(Ⅲ)、山西黃土高原(Ⅳ)、河套地區(qū)(Ⅴ)、鄂爾多斯高原(Ⅵ)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究使用黃土高原地區(qū)的76個(gè)氣象站點(diǎn)逐日平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、降水、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)，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)“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)”，“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)V3.0”，數(shù)據(jù)網(wǎng)址：http：//data.cma.cn/site/index.html，為保證序列趨勢(shì)的一致性，時(shí)間序列連續(xù)小于45年的站點(diǎn)被剔除，從青海省氣象信息中心得到了黃土高原地區(qū)位于青海一般站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過元數(shù)據(jù)分析，上述資料已經(jīng)經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，氣候標(biāo)準(zhǔn)期分別為：1961—1990年、1971—2000年、1981—2000年。

2 研究方法

2.1 干燥度指數(shù)

該文中干燥度指數(shù)使用潛在蒸散發(fā)量與降水量的比值計(jì)算，該方法已經(jīng)被很多學(xué)者在相關(guān)的研究中使用[14-15]，定義為：

(1)

式(1)中，AI為干燥度指數(shù)，ET0為潛在蒸散量(mm)；P為降水量(mm)。AI值越大，表明該區(qū)氣候越干燥； 反之，AI越小，則該區(qū)氣候越濕潤，該文中使用干燥度4.0界線(AI-4.0)表示干旱區(qū)和半干旱區(qū)的界線，2.0界線(AI-2.0)表示半干旱區(qū)和半濕潤的界線[16]。

該文中潛在蒸散量ET0采用1998年聯(lián)合國糧農(nóng)組織修訂的Penman-Monteith模型計(jì)算得出，該模型定義了參考作物，其高度為0.12m，阻抗為70s/m，反射率為0.23，類似于高度一致、表面開闊、生長旺盛、完全覆蓋地面、水分充足的綠色草地。計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中：ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Rn為凈輻射(MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量(MJ/(m2·d)(逐日計(jì)算可忽略)；T為日平均氣溫(℃)；u2為2m高處風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)； Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線斜率(kPa/℃)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

2.2 其他方法

采用線性趨勢(shì)法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法(M-K)計(jì)算了干燥度變化趨勢(shì)。線性趨勢(shì)法的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡單、物理意義清晰，并可以定量估計(jì)出趨勢(shì)大小，通過相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)其顯著程度[17]； Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦的環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析方法，其特征是不要求數(shù)據(jù)服從一定的分布[17]。以上兩種方法在氣候變化研究領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[18-20]。

3 結(jié)果分析

3.1 黃土高原地區(qū)干燥度指數(shù)變化趨勢(shì)

近54年來黃土高原地區(qū)干燥度指數(shù)傾向率為0.01/10年，未通過顯著性檢驗(yàn)，干燥度指數(shù)呈微弱上升趨勢(shì)，M-K檢驗(yàn)與線性趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果基本一致(表1)，表明近54年黃土高原地區(qū)呈微弱干旱化趨勢(shì)，這與近幾十年中國、中國北方地區(qū)干旱化趨勢(shì)有一致性[21-23]。各分區(qū)中隴東黃土高原、關(guān)中平原、河套地區(qū)干燥度指數(shù)呈微弱上升趨勢(shì)，線性傾向率分別為0.04/10年、0.02/10年、0.01/10年； 鄂爾多斯高原干燥度指數(shù)呈微弱降低趨勢(shì)； 隴中、山西黃土高原無明顯變化趨勢(shì)。

表1 1960—2013年黃土高原地區(qū)干燥度變化趨勢(shì)

圖1 1960—2013年黃土高原地區(qū)干燥度變化趨勢(shì)

由圖1可知，干燥度變化空間差異較大，33%的站點(diǎn)呈減少趨勢(shì)，銀川—太原一線以北的河套地區(qū)、鄂爾多斯高原、山西黃土高原、隴中黃土高原蘭州以西地區(qū)北部干燥度指數(shù)呈降低趨勢(shì)，而呈上升趨勢(shì)的站點(diǎn)主要分布在隴東黃土高原、關(guān)中平原、山西高原中南部。

近54年黃土高原地區(qū)各季節(jié)干燥度變化趨勢(shì)見表1。春季干燥度指數(shù)呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.25/10年(P<0.05)。分區(qū)中春季山西黃土高原干燥度指數(shù)呈降低趨勢(shì)，其他各區(qū)均呈上升趨勢(shì)，隴東黃土高原和關(guān)中平原呈顯著上升趨勢(shì)，M-K檢驗(yàn)達(dá)到了0.05的顯著性水平，表明春季隴東黃土高原和關(guān)中平原呈明顯干旱化趨勢(shì)； 夏季干燥度指數(shù)趨勢(shì)無明顯變化趨勢(shì)，各分區(qū)中只有河套地區(qū)表現(xiàn)為微弱的增加趨勢(shì)，關(guān)中平原夏季呈減小趨勢(shì)，M-K檢驗(yàn)達(dá)到了0.05的顯著性水平，表明近54年關(guān)中平原夏季有濕潤化的趨勢(shì)； 秋季干燥度指數(shù)呈減少趨勢(shì)，未通過顯著性檢驗(yàn)，各分區(qū)變化差異大，關(guān)中平原、隴東黃土高原上升趨勢(shì)，其余各區(qū)為降低趨勢(shì)； 冬季研究區(qū)及各區(qū)域干燥度均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，未通過顯著性檢驗(yàn)。

3.2 黃土高原地區(qū)干濕界線的時(shí)空變化特征

3.2.1 3個(gè)氣候標(biāo)準(zhǔn)期干濕界線時(shí)空變化特征

圖2為3個(gè)氣候標(biāo)準(zhǔn)期干燥度4.0和2.0線空間變化過程，分析AI-4.0界線變化可知，在107.5°E，37.5°N以東，AI-4.0界線呈東西擺動(dòng)變化，1981—2010年的界線比1961—1990年和1971—2000年的界線偏西北0.2-0.3經(jīng)度，干旱區(qū)有向西收縮的趨勢(shì)，1961—1990年和1971—2000年界線基本重合，馬柱國等[22]也指出華北地區(qū)東部干旱與半干旱界線呈東西擺動(dòng)的變化規(guī)律； 107.5°E，37.5°N以西，AI-4.0的界線1961—1990年和1971—2000年基本重合，1981—2010年的界線向南偏移，表明107.5°E，37.5°N以西干旱區(qū)有向南擴(kuò)大的趨勢(shì)，干旱區(qū)范圍以107.5°E，37.5°N為軸向西縮南擴(kuò)，整體上干旱區(qū)面積變化不大。

分析圖2的AI-2.0界線可知，1971—2000年和1981—2010年的界線基本重合且明顯比1961—1990年向南擴(kuò)展，越往東段AI-2.0界線南偏范圍更大，界線最南已越過三門峽、長治地區(qū)，表明1971—2000年、1981—2010年半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)界線向南擴(kuò)展，半干旱區(qū)向南發(fā)展，半干旱區(qū)面積擴(kuò)大，馬柱國等也指出陜西南部，華北南部半干旱區(qū)界線有南擴(kuò)的趨勢(shì)[23]。由表2可知1971—2000年與1981—2010年半干旱區(qū)面積基本相當(dāng)，接近黃土高原地區(qū)的60%，比1961—1990年半干旱區(qū)面積大10%。

圖2 不同標(biāo)準(zhǔn)氣候期干燥度4.0和2.0界線變化圖

表2 1960—2013年黃土高原地區(qū)干濕區(qū)面積變化

3.2.2 年代際干濕界線時(shí)空變化特征

圖3為5個(gè)不同年代際AI-2.0與AI-4.0界線空間分布圖，分析可知，各年代際AI-4.0界線在107.5°E，37.5°N以東和以西分別表現(xiàn)為經(jīng)向變化和緯向變化。以東：AI-4.0界線由西向東依次為2000—2009年、20世紀(jì)80年代、20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)90年代和20世紀(jì)70年代界線分布在最東部且基本重合，2000—2009年干旱區(qū)向西收縮，20世紀(jì)90年代、20世紀(jì)70年代向東擴(kuò)張； 107.5°E，37.5°N以西：20世紀(jì)60年代、20世紀(jì)90年代AI-4.0界線達(dá)到最北界，20世紀(jì)80年代和20世紀(jì)70年代界線基本重合，與20世紀(jì)60年代、20世紀(jì)90年代比向南擴(kuò)展，表明干旱區(qū)向南擴(kuò)張，2000—2009年AI-4.0界線繼續(xù)向南擴(kuò)展，干旱區(qū)面積擴(kuò)大，總體上從20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)90年代干濕界線在107.5°E，37.5°N 以西向南擴(kuò)張，以東向西收縮，整體上干旱區(qū)面積變化不大。如表2所示干旱區(qū)面積年代際變化不明顯，楊建平等也指出各年代際華北地區(qū)北部、西北地區(qū)東部干旱半干旱界線變化不明顯[1，2]，與其結(jié)果較為一致。

圖3 不同年代際干燥度4.0和2.0界線變化圖

AI-2.0界線在20世紀(jì)60年代波動(dòng)到其最北界，位于定西—固原—延安—臨汾—五臺(tái)山以北，20世紀(jì)60年代半干旱區(qū)面積達(dá)到最小，半濕潤區(qū)面積最大； 20世紀(jì)70年代界線比20世紀(jì)60年代向南擴(kuò)展，東段基本和2000—2009年的界線重合，西段在華家?guī)X以北； 20世紀(jì)80年代界線在20世紀(jì)70年代的北部，位于華家?guī)X—六盤山—平?jīng)觥獞c陽—延安—運(yùn)城—五臺(tái)山以北，20世紀(jì)70年代半干旱區(qū)面積大于20世紀(jì)60年代和20世紀(jì)80年代； 20世紀(jì)90年代干燥度2.0界線繼續(xù)向南擴(kuò)張，界線已越到華家?guī)X—六盤山—平?jīng)觥獞c陽—延安—三門峽—長治以南，從西向東比20世紀(jì)60年代偏南1-4個(gè)緯度； 2000—2009年黃土高原地區(qū)東部AI-2.0的界線在三門峽的南面，經(jīng)過長治，中部在延安、慶陽的北部，西部在華家?guī)X以南。由表2分析可知，各年代際以20世紀(jì)90年代半干旱區(qū)范圍最大，占黃土高原地區(qū)面積的67%，比2000—2009年大5%左右，20世紀(jì)60年代半干旱區(qū)的范圍最小為黃土高原地區(qū)的43%。年代際AI-2.0界線波動(dòng)范圍幅度較大，年代際變化干濕轉(zhuǎn)換頻繁，表明半干旱區(qū)面積年代際變率大，黃土高原地區(qū)的半干旱區(qū)對(duì)氣候變化敏感，黃建平、楊建平等也指出半干旱區(qū)是氣候與環(huán)境變化的敏感區(qū)[1，2，24]。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)近54年黃土高原地區(qū)干燥指數(shù)呈微弱增加趨勢(shì)，四季中春季干燥度指數(shù)呈增大趨勢(shì)，冬季表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，夏、秋季干燥度指數(shù)變化不明顯，空間上蘭州以西，銀川—太原一線以北干燥度指數(shù)呈減小趨勢(shì)。

(2)黃土高原地區(qū)干旱與半干旱區(qū)界線在107.5°E，37.5°N以東表現(xiàn)為經(jīng)向變化，干旱與半干旱區(qū)界線向西收縮，干旱區(qū)范圍縮小； 在107.5°E，37.5°N以西為緯向變化，1981—2010年的界線干旱區(qū)向南擴(kuò)展，各年代際有同樣的規(guī)律，總體上黃土高原地區(qū)干旱區(qū)范圍波動(dòng)不大。

(3)半干旱與半濕潤區(qū)界線在1971—2000年與1981—2010年向南擴(kuò)張到三門峽、長治以南； 20世紀(jì)90年代半干旱與半濕潤區(qū)界線繼續(xù)向南擴(kuò)張到華家?guī)X—六盤山—平?jīng)觥獞c陽—延安—三門峽—長治以南，半干旱區(qū)面積擴(kuò)大，比20世紀(jì)60年代范圍擴(kuò)大14%，比2000—2009年大5%左右，近54年黃土高原地區(qū)半干旱區(qū)面積明顯增大，半濕潤區(qū)面積縮小。

(4)黃土高原地區(qū)半干旱與半濕潤區(qū)年代際干濕轉(zhuǎn)換頻繁，半干旱與半濕潤區(qū)界線波動(dòng)范圍大，表明半干旱區(qū)面積年代際變率大，黃土高原地區(qū)的半干旱區(qū)對(duì)氣候變化最為敏感。

4.2 討論

1961—2013年黃土高原地區(qū)干燥度指數(shù)呈微弱增加趨勢(shì)，表明黃土高原地區(qū)近54年呈干旱化趨勢(shì)，這與全國總體干旱化趨勢(shì)是一致的[21-23]，黃土高原地區(qū)與全國一致干濕變化存在空間上的差異，整個(gè)研究區(qū)干旱區(qū)面積波動(dòng)不大，這與高云等研究得出的內(nèi)蒙古中西部干旱區(qū)面積變化不大有很好的一致性； 半干旱與半濕潤區(qū)界線南北波動(dòng)范圍大，近54年半干旱區(qū)面積增大，氣候變化敏感區(qū)的面積增大，與之前的學(xué)者得出的結(jié)論基本一致[1，2，25，31]。近54年黃土高原地區(qū)半濕潤區(qū)面積縮小，姜江等得出中國半濕潤區(qū)的面積呈擴(kuò)大趨勢(shì)，出現(xiàn)差異原因在于半干旱區(qū)與半濕潤區(qū)向南移動(dòng)，在黃土高原地區(qū)表現(xiàn)為黃土高原地區(qū)的半濕潤區(qū)面積減小，而在全國的尺度上半濕潤區(qū)向南移動(dòng)，濕潤區(qū)面積減小，半濕潤區(qū)面積增加，胡琦等也得出了同樣的結(jié)論。

基于ET0和降水量計(jì)算的干燥度指數(shù)分析了黃土高原地區(qū)的干濕變化時(shí)空過程。該文中潛在蒸散量ET0采用了Penman-Monteith方法得出，該模型具有明確的物理意義且同時(shí)考慮了溫度、日照時(shí)數(shù)、濕度、風(fēng)速及等因素的影響[25-30]，但是該方法地域間存在參數(shù)估計(jì)的誤差，會(huì)造成干旱指數(shù)與實(shí)際干濕狀況的地區(qū)性偏差[29，31]，且實(shí)際蒸發(fā)會(huì)因不同氣候區(qū)、經(jīng)緯度、地形、土壤等而有所差異[4，8，25]，因此，ET0的計(jì)算還需要根據(jù)不同地區(qū)實(shí)際蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校正。總之，該文基于干燥度指數(shù)綜合分析了黃土高原地區(qū)近54年來的氣候干濕狀況，有助于正確了解全球變暖下黃土高原地區(qū)的干濕分布和變化趨勢(shì)，對(duì)適應(yīng)氣候變化采取趨利避害的管理和技術(shù)措施有重要的參考價(jià)值[32]。