基于相對濕潤度指數(shù)的黔東南州干濕狀況

文建川, 梁 平, 廖育玲, 吳 慧, 李春生, 宋光勇

(1.貴州省從江縣氣象局,貴州 從江 557400; 2.貴州省黔東南州氣象局,貴州 黔東南 556000; 3.貴州省黎平縣氣象局,貴州 黎平 557300)

在全球變暖的氣候背景下,區(qū)域水分收支平衡將受到氣候變化的影響,水分收入與支出的平衡又共同決定了地表干濕狀況,水資源供需平衡的有效維持以及地表干濕狀況變化規(guī)律對研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、洪澇以及干旱都有重要意義[1-2],因此開展氣候濕潤狀況的研究,了解水資源供需情況具有十分突出的現(xiàn)實意義。目前表征氣候干濕特征的指標主要有兩大類,一類是考慮了降水和蒸散的水分收入和支出的綜合性指標,另一類是與降水及其時間分布相關(guān)的單一指標[3-4]。由于氣候的干濕狀況是由多種自然因素共同影響的,單獨考慮降水情況具有一定的局限性,相對濕潤度指數(shù)以水分收支平衡為基礎(chǔ),表征水分收入對支出的滿足情況,綜合考慮了大氣蒸散量和降水量,能夠較為理想地反映地表的濕潤狀況[5]。當前較多研究者基于相對濕潤度指數(shù)分析了不同區(qū)域的氣候干濕狀況,王明田等[6]基于相對濕潤度指數(shù)研究發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)有變濕的趨勢。鄭盛華等[7]利用相對濕潤度指數(shù)探究松嫩平原干濕狀況,指出年均濕潤度指數(shù)呈遞減變化趨勢,而冬季相對濕潤度指數(shù)呈遞增趨勢。劉燕等[8]探討了江南丘陵地區(qū)季節(jié)、年際、年代等不同時間尺度的地表相對濕潤度指數(shù)。

黔東南州位于貴州省東南部,地處云貴高原東側(cè),海拔差異明顯,地表徑流量大,以往研究黔東南州的氣候變化特征較為常見的是分析溫度、降水、日照時數(shù)等單氣候因子的影響[9-10],但由于地表徑流量大,土壤容易失墑,若未考慮水分支出,有可能與實際情況有所出入,同時黔東南州雨季和非雨季降水差異明顯,因此本研究引用Penman-Monteith公式計算黔東南州1974-2020年的蒸散量,并結(jié)合同期降水量推算出相對濕潤度指數(shù),分析其不同時間尺度特征,并對比其在雨季和非雨季的時空變化差異,旨在為當?shù)赜嘘P(guān)部門指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、研究生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究資料

研究資料為1974-2020年黔東南州16個縣(市)氣象觀測站日平均氣溫、日最高(低)氣溫、日照時數(shù)、風速、相對濕度、降水量等數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)從“貴州省氣象數(shù)據(jù)查詢與顯示系統(tǒng)”獲取。

1.2 研究方法

相對濕潤度指數(shù)通過表征降水量與蒸散量之間的關(guān)系,可反映某地區(qū)的水分平衡特征,衡量氣候干濕狀況,其計算公式[11]如下:

(1)

式中:IRM為相對濕潤度指數(shù),P、ET分別為降水量和蒸散量(mm)。IRM<0表示水分支出大于水分收入,氣候趨于干燥,存在氣象干旱的潛勢,IRM絕對值越大,氣候越干燥,氣象干旱越重;IRM≥0表示氣候趨于濕潤,IRM越大,氣候越濕潤。

ET采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織修正的Penman-Monteith 蒸散公式[12-13]進行估算,見公式(2)～公式(7)。

(2)

(3)

(4)

(5)

ωs=arccos(-tanφtanδ)

(6)

(7)

式中,△為飽和水氣壓-溫度曲線斜率,kPa/℃;Rn為表面凈輻射,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量(在以日尺度估算時,值較小可忽略);r為干濕表常數(shù),kPa/℃;Tmean為平均氣溫,℃;u2為離地面2 m高度的風速,m/s;es和ea分別為飽和水氣壓和實際水氣壓,kPa;as和bs分別為云全部遮蓋下和晴天大氣外界輻射到達地面的分量,取值分別為0.25和0.75;α為地表反射度,取值0.23;n和N分別為實際日照時數(shù)和可照時數(shù);Ra為大氣層外太陽輻射;Gsc為太陽常數(shù),取值為0.820 MJ/(m2·min);dr為日地相對距離的值,m;ωs為日落時角;J為日序數(shù);φ為緯度;δ為太陽赤緯;Tx,k、Tn,k分別為絕對溫標的最高、最低氣溫,K。

2 結(jié)果與分析

2.1 黔東南州干濕狀況的時間變化趨勢分析

2.1.1 干濕狀況的年際變化 從圖1可以看出,近48年全州年平均降水量存在顯著的波動變化,以2.21 mm/a的速率增加,年平均降水量為917.0 mm(2011年)～1 546.0 mm(2020年),多年平均降水量為1 225.5 mm。全州年平均蒸散量變化幅度相對較小,隨時間變化呈不明顯的遞減趨勢,遞減速率為0.17 mm/a,年平均蒸散量為928.6 mm(2012年)～1 140.9 mm(2011年),多年平均蒸散量為1 038.9 mm。近48年平均相對濕潤度指數(shù)為18%,其隨時間的變化呈遞增趨勢,遞增速率為1 a 0.28%,90%以上年份相對濕潤度指數(shù)大于0,即氣候濕潤,并且降水量和蒸散量差值越大,相對濕潤度指數(shù)越高,僅有6年相對濕潤度指數(shù)為負值,表明這些年份氣候偏干,其中2011年相對濕潤度指數(shù)(-19.2%)為歷年最低值,因為該年全州平均蒸散量遠大于降水量,干旱較重。綜上所述,近48年來,黔東南州平均降水量大于蒸散量,黔東南州整體上氣候較為濕潤。

圖1 黔東南州降水量、蒸散量及相對濕潤度指數(shù)年際變化特征Fig.1 Interannual variation characteristics of precipitation, evapotranspiration and relative humidity index in Qiandongnan Miao and Dong Autonomous Prefecture

2.1.2 干濕狀況年代變化 為分析干濕狀況年代變化趨勢,分別求算各年代內(nèi)降水量、蒸散量及相對濕潤度指數(shù)的平均值,從圖2可以看出,降水量各年代變化波動較大,呈現(xiàn)出“下降-上升-下降-上升”的“W”形變化趨勢,蒸散量各年代變化不大,相對濕潤度指數(shù)各年代均大于0,其變化趨勢與降水量變化趨勢一致,其中1981-1990年降水量最小、蒸散量最大,因此相對濕潤度指數(shù)最低。由此說明,在年代變化中,相對濕潤度指數(shù)主要受降水量影響,與其同降同升,黔東南州各年代氣候總體較濕潤。

圖2 黔東南州降水量、蒸散量及相對濕潤度指數(shù)年代變化特征Fig.2 Decade variation characteristics of rainfall, evapotranspiration and relative humidity index in Qiandongnan Miao and Dong Autonomous Prefecture

2.1.3 干濕狀況的月變化特征 從多年平均的降水量、蒸散量和濕潤度指數(shù)的月變化(圖3)可以看出,降水量和蒸散量表現(xiàn)為單峰型,降水量具有明顯的雨季和非雨季特征,月平均降水量為29.3 mm(12月)～213.9 mm(6月),雨季(4-9月)平均累計降水量占年總降水量的73.5%;月平均蒸散量為36.9 mm(1月)～147.9 mm(7月);相對濕潤度指數(shù)(IRM)年內(nèi)變化較大,1-3月降水量和蒸散量均較少,則IRM偏小,4-6月降水量顯著多于蒸散量,IRM呈顯著增加趨勢,7月以后,降水量呈減少趨勢,蒸散量因7月和8月氣溫顯著升高、日照時數(shù)增加而明顯增大,在7月和8月分別達到峰值和次大值,因此IRM在7月和8月明顯減少,同時,8月和9月的蒸散量多于降水量,所以IRM小于0,12月降水量的減速較蒸散量的減速大,IRM呈顯著減小趨勢且為負值,達到一年中的最低值。綜上所述,不同月份降水量、蒸散量和相對濕潤度指數(shù)差異顯著,4-6月降水量明顯多于蒸散量,因而相對濕潤度指數(shù)較大,7-8月蒸散量顯著增加,降水量呈下降趨勢,則相對濕潤度指數(shù)明顯降低,表現(xiàn)為雨季中的4-6月較大,氣候較為濕潤,非雨季的相對濕潤度指數(shù)總體偏小,尤其在8-9月和12月氣候偏干燥,存在氣象干旱的現(xiàn)象,因此,后文將在雨季和非雨季2種情形下對黔東南州干濕狀況的時空特征進行對比分析。

圖3 降水量、蒸散量及相對濕潤度指數(shù)月變化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of precipitation, evapotranspiration and relative humidity index

2.2 黔東南州雨季和非雨季干濕狀況時空差異分析

2.2.1 年際變化分析 對比相對濕潤度指數(shù)在雨季和非雨季的年際變化特征(圖4)發(fā)現(xiàn),除個別年份外,雨季相對濕潤度指數(shù)普遍高于非雨季,并且非雨季相對濕潤度指數(shù)在大部分年份均小于0,非雨季表現(xiàn)為氣候偏干,存在氣象干旱現(xiàn)象;相對濕潤度指數(shù)隨時間變化均呈遞增的變化趨勢,雨季和非雨季10 a內(nèi)的遞增速率分別為1.8%和2.8%。綜上所述,黔東南州雨季和非雨季相對濕潤度指數(shù)年際波動變化大,雨季氣候濕潤,呈濕化趨勢,非雨季呈干濕交替變化,整體氣候偏干,并且有繼續(xù)變干趨勢。

圖4 雨季和非雨季相對濕潤度指數(shù)年際變化特征Fig.4 Interannual variation characteristics of relative wetness index in rainy and non-rainy seasons

2.2.2 年代變化分析 從雨季和非雨季相對濕潤度指數(shù)的年代變化特征對比(圖5)來看,雨季IRM為12%～37%,所有年代均大于0,IRM隨年代變化表現(xiàn)為“下降-上升-下降-上升”的“W”形變化特征;非雨季IRM為-13%～9%,其中1974-1980年、1981-1990年、2001-2010年3個年代IRM小于0,存在氣象干旱的現(xiàn)象。綜上所述,不同年代雨季IRM均明顯高于非雨季,雨季氣候濕潤,但濕潤程度的年代變化差異明顯,非雨季相對濕潤度指數(shù)隨年代呈現(xiàn)增濕-減濕-增濕的干濕交替變化趨勢。

圖5 雨季和非雨季相對濕潤度指數(shù)年代變化特征Fig.5 Decade variation characteristics of relative wetness index in rainy and non-rainy seasons

2.2.3 空間分布特征 從雨季相對濕潤度指數(shù)空間分布圖中可以直觀地看出,各縣(市)雨季降水量均大于蒸散量,相對濕潤度指數(shù)為6%～65%,氣候均較濕潤,但空間分布差異明顯。降水量表現(xiàn)為中部以西地區(qū)偏多、北部偏少的空間分布特征,大值區(qū)位于州西部的麻江、丹寨、雷山、凱里等縣(市),其值為914.8～1 114.6 mm,北部低值區(qū)降水量為771.4～882.5 mm;雨季蒸散量為671.4～753.8mm,在州中部以南地區(qū)較高,其中以從江及黎平南部為大值中心,州西部的丹寨、麻江偏少;受降水量和蒸散量的共同影響,IRM在州中部一帶較大,同緯度下西部又大于東部,西部的麻江、丹寨為相對濕潤度指數(shù)大值中心,相對濕潤度指數(shù)分別達52%、65%(圖6)。綜上所述,各縣(市)雨季降水量均大于蒸散量,因此全州在雨季時氣候均較濕潤,但相對濕潤度指數(shù)大小有明顯的空間分布差異,在平均降水量大值區(qū)和蒸散量低值區(qū)共同疊加影響下,州中部及其以西、以東地區(qū)濕潤度指數(shù)更大,氣候更為濕潤。

圖6 雨季干濕狀況空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of arid and moist conditions in rainy season

由圖7可以看出,各縣(市)非雨季降水量、蒸散量和相對濕潤度指數(shù)均顯著小于雨季,同時大部分地區(qū)非雨季蒸散量大于降水量,相對濕潤度指數(shù)為-20.4%～25.1%,州東部的天柱、錦屏、黎平等縣(市)為降水大值中心區(qū),州北部降水量依舊相對偏少;非雨季蒸散量自北向南增加,南部的榕江、從江為蒸散量高值區(qū);與雨季相對濕潤度指數(shù)明顯不同的是,非雨季除州東部的天柱、錦屏、黎平及西部的麻江、丹寨相對濕潤度指數(shù)大于0外,其他縣(市)均小于0,說明在非雨季時蒸散量明顯大于當?shù)赝诮邓?易發(fā)生氣象干旱。綜上所述,非雨季降水量、蒸散量及相對濕潤度指數(shù)小于雨季,大部分地區(qū)蒸散量大于降水量,除了州東部及西部的麻江、丹寨相對濕潤度指數(shù)大于0,其余地區(qū)小于0,說明州北部及南部易發(fā)生氣象干旱。

圖7 非雨季干濕狀況空間分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of arid and moist conditions in non-rainy seasons

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

降水量和蒸散量分別代表水分的收入和支出[14-19],二者的變化共同影響濕潤度指數(shù)。近47年黔東南州濕潤度指數(shù)變化趨勢與降水量有較好的對應(yīng)關(guān)系,因氣溫、日照、風速、相對濕度等氣象要素

對水分支出項(蒸散)的正負效應(yīng)不太一致,導致其變化幅度較小,所以在以年為時間的尺度上,降水量在很大程度上決定了相對濕潤度指數(shù)。除個別年份外,黔東南州雨季降水量顯著大于同期蒸散量 ,非雨季降水量和蒸散量均明顯減小,但大多數(shù)年份其他氣象因素引起的蒸散量較降水量要高,非雨季降水量較小,對相對濕潤度指數(shù)的影響減弱,水分支出對氣候濕潤狀況的影響凸顯,大多數(shù)年份非雨季相對濕潤度指數(shù)為負值,呈現(xiàn)出氣候干濕交替的變化趨勢,任菊章等[20]研究同樣發(fā)現(xiàn)雨季旱澇主要由降水決定,而非雨季則受到降水和蒸散的共同影響。值得注意的是,雖然7、8月屬于主汛期,降水量相較其他月份來說要高,但由于該時段氣溫高、日照充足,導致蒸散量明顯增加,為全年的蒸散大值時段,水分的消耗更加明顯,因此相對濕潤度指數(shù)明顯低于4-6月,另外,12月相對濕潤度指數(shù)最低,說明冬季易發(fā)生氣象干旱,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上要注意做好應(yīng)對夏旱以及冬旱的措施。同時黔東南州氣候干濕狀況存在明顯的空間差異性,雖然在雨季全州各縣(市)相對濕潤度指數(shù)均大于0,但不同區(qū)域相對濕潤度指數(shù)的大小差異顯著,州北部及南部相對濕潤度指數(shù)較州中部一帶要小;非雨季相對濕潤度指數(shù)明顯為負值,這與北部、南部降水量相對偏少、蒸散量偏多有關(guān),基于標準化降水指數(shù)(SPI)的研究結(jié)果也顯示,黔東南州中部以北地區(qū)干旱頻率較高[21]。雨季相對濕潤度指數(shù)以西部為大值中心,這是因為黔東南州降水空間分布不均,州西部降水量顯著高于其他地區(qū)[22]。

3.2 結(jié)論

本研究基于黔東南州1974-2020年常規(guī)氣象數(shù)據(jù),采用Penman-Monteith公式計算蒸散量,結(jié)合降水量推算出濕潤度指數(shù)(IRM),分析其不同時間尺度特征并對比在雨季和非雨季的時空變化差異,得出以下結(jié)論:

(1)除個別年份外,黔東南州年平均及各年代降水量均顯著大于蒸散量,濕潤度指數(shù)大于0,氣候總體較為濕潤。不同月份降水量、蒸散量和濕潤度指數(shù)差異顯著,4-6月降水量顯著大于蒸散量,濕潤度指數(shù)較大,其余月份濕潤度指數(shù)明顯較小。

(2)雨季濕潤度指數(shù)主要受到降水的影響,非雨季受到降水和蒸散的共同影響。雨季和非雨季降水量、蒸散量和濕潤度指數(shù)年際和年代間變化差異顯著,雨季濕潤度指數(shù)明顯高于非雨季,雨季氣候濕潤,非雨季氣候偏干且略有加強趨勢;在空間上也有明顯的區(qū)域差異,雨季各縣(市)氣候均較濕潤,州中部以西、以東地區(qū)濕潤度指數(shù)較大,非雨季除了州西部和東部外,其余地區(qū)濕潤度指數(shù)小于0,易發(fā)生氣象干旱。