陜西黃土高原地表濕潤(rùn)狀況演變規(guī)律研究

林隆超，王曉飛，孫智輝

(延安市氣象局，陜西延安 716000)

陜西黃土高原地表濕潤(rùn)狀況演變規(guī)律研究

林隆超，王曉飛，孫智輝

(延安市氣象局，陜西延安 716000)

摘 要：利用陜西黃土高原區(qū)域均勻分布的27個(gè)氣象站1951—2011年4—10月的溫度、降水和相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)，通過(guò)Morlet小波、累積距平、GIS作圖等方法，分析了陜西黃土高原地區(qū)近60 a地表濕潤(rùn)指數(shù)的地理分布和年代際變化特征。結(jié)果表明：陜西黃土高原地表濕潤(rùn)指數(shù)春季和秋季分布特征是南部比北部濕潤(rùn)，西部比東部濕潤(rùn)；夏季是北部適中，南部偏干，中部偏濕。上世紀(jì)90年代以后，陜西黃土高原各地區(qū)陸續(xù)進(jìn)入暖干期，以關(guān)中東部持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。延安南部地表濕潤(rùn)指數(shù)年代之間變化較小，可能與大面積森林覆蓋有關(guān)。地表濕潤(rùn)指數(shù)基本上有3 a一周期的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：陜西黃土高原；地表濕潤(rùn)指數(shù)；溫度

近年來(lái)氣候的干濕變化受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。普宗朝[1]等對(duì)新疆48 a干濕氣候時(shí)空變化特征的研究表明新疆各地年降水量均為增多趨勢(shì)，各地年潛在蒸散量總體為減少趨勢(shì)，各地干燥指數(shù)均表現(xiàn)為不同程度減小趨勢(shì)。候文菊[2]等對(duì)黃河源區(qū)49 a地表濕潤(rùn)指數(shù)及與氣象因素的敏感性分析表明黃河源區(qū)年地表濕潤(rùn)指數(shù)呈下降趨勢(shì)。鄭廣芬[3]等對(duì)寧夏近40 a地表濕潤(rùn)狀況演變規(guī)律研究表明寧夏總趨勢(shì)是下降。馬柱國(guó)等[4]定義了一個(gè)能夠表征地表干濕狀況的物理量——地表濕潤(rùn)指數(shù)，分析了中國(guó)兩個(gè)典型干旱區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)的年代和年際變化特征及季節(jié)差異，該研究區(qū)域包括了陜西一小部分。因此利用馬柱國(guó)的研究方法，根據(jù)陜西黃土高原溫度、降水資料，對(duì)陜西黃土高原近60 a來(lái)地表濕潤(rùn)指數(shù)的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，比較客觀地反映陜西黃土高原的干濕狀況演變規(guī)律及區(qū)域特征，進(jìn)一步研究和補(bǔ)充馬柱國(guó)研究的成果。

1 資料及研究方法

采用陜西黃土高原27個(gè)氣象臺(tái)站1951—2011年的月平均溫度及月降水量資料，根據(jù)文獻(xiàn)[4-7]，地表濕潤(rùn)指數(shù)的定義可表示為

Hi=R/P，

(1)

其中：R為月降水量；P為最大可能蒸散量，此處是指月可能蒸散量,單位為mm。

用Thornthwaite (桑斯懷特)方法計(jì)算P，

P=16.0×(10Ti/Q)A，

(2)

式中，Ti為月平均氣溫，單位為 ℃；Q為年熱量指數(shù)；A為常數(shù)。

各月熱量指數(shù)Qi由下式計(jì)算：

Qi=(Ti/5)1.514。

(3)

則年熱量指數(shù)Q為：

(4)

常數(shù)A由下式計(jì)算：

A= 6.75×10-7Q3-7.71×10-5Q2+

1.792×10-2Q+0.49。

(5)

當(dāng)月平均氣溫T≤0 ℃時(shí)，月熱量指數(shù)Q=0，月可能蒸散量P=0 mm。

陜西黃土高原冬季平均氣溫一般都為10 ℃以下，北部地區(qū)接近或低于0 ℃，蒸發(fā)近似為0；南部關(guān)中在10 ℃以下，蒸發(fā)量非常小，可認(rèn)為冬季降水可以代表地表干濕狀況。為了方便對(duì)比分析，本文只研究4—10月地表濕潤(rùn)狀況。根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]的研究結(jié)果，Thornthwaite 方法計(jì)算的最大可能蒸散量與FAO Penman-Monteith(彭-曼)方法計(jì)算結(jié)果相比，明顯偏小。借鑒文獻(xiàn)[6]的研究，引入與日長(zhǎng)和緯度有關(guān)的調(diào)整系數(shù)，4—10月調(diào)整系數(shù)在0.96～1.25之間，對(duì)每個(gè)站的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了修正。

2 研究區(qū)域

陜西黃土高原是指秦嶺以北的陜北地區(qū)和關(guān)中地區(qū)，是我國(guó)黃土高原的中心部分，總面積為131 585.9 km2， 約占陜西土地總面積的64%。

利用文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論，將陜西黃土高原劃分為5個(gè)區(qū)(圖1)。

圖1 陜西黃土高原地表濕潤(rùn)指數(shù)分區(qū)

一區(qū)：榆林區(qū)，包括除清澗以外的11縣區(qū)。

二區(qū)：延安北部丘陵溝壑區(qū)，包括甘泉以北的延安市8縣區(qū)和榆林的清澗縣。

三區(qū)：延安南部丘陵梁塬區(qū)。包括延安南部5縣和銅川市的宜君、印臺(tái)區(qū)塬區(qū)。

四區(qū)：關(guān)中西部。包括咸陽(yáng)北5縣和寶雞市。

五區(qū)：關(guān)中東部。包括渭南市、西安市、銅川的耀州和咸陽(yáng)南部7縣區(qū)。

為了保證分區(qū)結(jié)果客觀，選擇了建站時(shí)間長(zhǎng)、地理位置上均勻分布的27個(gè)氣象站月降水和溫度資料，計(jì)算出每個(gè)月的地表濕潤(rùn)度指數(shù)。

3 地表濕潤(rùn)指數(shù)的變化

3.1 季節(jié)特征

陜西黃土高原春季干燥、夏季炎熱、秋雨連綿，在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的氣候特點(diǎn)。在季節(jié)劃分上，將4—10月分為春(4—5月)、夏(6—8月)、秋(9—10月)三個(gè)季節(jié)。

圖2給出了陜西黃土高原春、夏、秋季年平均地表濕潤(rùn)指數(shù)GIS圖。春季和秋季北部偏干，南部偏濕，中部適中；夏季北部適中，南部偏干，中部偏濕長(zhǎng)城沿線(xiàn)風(fēng)沙區(qū)和關(guān)中東部相對(duì)干燥。

3.2 年際變化特征

圖2 陜西黃土高原春、夏、秋季地表濕潤(rùn)指數(shù)GIS圖

圖3 陜西黃土高原各分區(qū)代表站4—10月年地表濕潤(rùn)指數(shù)、地表濕潤(rùn)指數(shù)累積距平、月平均氣溫及總降水量

一區(qū)60 a地表濕潤(rùn)指數(shù)總體趨勢(shì)是下降的，即地表變干。1957年以前平均氣溫偏高，但溫度曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì)，降水量相對(duì)偏少，浮動(dòng)范圍較小，此期間平均地表濕潤(rùn)指數(shù)和地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平都偏小，地表變干是由溫度較高、降水偏少引起的，氣候特點(diǎn)以暖干為主；1958—1971年平均地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平為增加階段，對(duì)應(yīng)的平均氣溫偏低，降水量偏多，地表變濕是由氣溫降低、降水偏多引起的，氣候特征以冷濕為主；1971年以后地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平發(fā)生轉(zhuǎn)折，下降趨勢(shì)持續(xù)到2000年，對(duì)應(yīng)平均氣溫仍偏低，但降水量相對(duì)偏少，造成此期間變干的原因是降水偏少，其氣候特征主要為冷干；2000年以后地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平曲線(xiàn)通過(guò)短暫的回升，以后則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，平均氣溫總體升高，降水量在2001年出現(xiàn)躍增后又持續(xù)偏少，地表濕潤(rùn)指數(shù)曲線(xiàn)和地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平曲線(xiàn)都呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明地表變干是溫度和降水共同作用的結(jié)果，其氣候特征主要為暖干。總之，一區(qū)自1951年以來(lái)經(jīng)歷了四個(gè)階段，即1957年以前為暖干期，1958—1971年為冷濕期，1971—2000年為冷干期，2000年以后表現(xiàn)為暖干期。

二區(qū)60 a地表濕潤(rùn)指數(shù)總體趨勢(shì)是下降的，即地表變干。1960年以前平均氣溫偏高，降水量相對(duì)偏少，浮動(dòng)范圍較小，平均地表濕潤(rùn)指數(shù)和地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平都偏小，地表變干是由溫度較高、降水偏少引起的，氣候特征以暖干為主；1960—1994年平均地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平為增加階段，對(duì)應(yīng)的平均氣溫偏低，降水量偏多，地表變濕是由氣溫降低，降水偏多引起的，氣候特征以冷濕為主；1994年以后地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，平均氣溫上升，降水量略微減少，地表變干主要由平均溫度升高引起，其氣候特征為暖干。總之，二區(qū)自1951年以來(lái)經(jīng)歷了三個(gè)階段，即1960年以前為暖干期，1960—1994年為冷濕期，1994年以后表現(xiàn)為暖干期。

三區(qū)主要是森林覆蓋區(qū)，植被覆蓋較好的地區(qū)比無(wú)植被覆蓋的地區(qū)在降低溫度和增加空氣濕度方面, 有顯著的作用[9-10]。三區(qū)平均溫度和降水量波動(dòng)范圍較小，使地表濕潤(rùn)指數(shù)56 a總體趨勢(shì)變化不大，累積距平略微降低。相對(duì)而言，在1988年以前為偏濕期，在1994以后為暖干期。

四區(qū)59 a地表濕潤(rùn)指數(shù)總體是下降趨勢(shì)，即地表變干。1962年以前平均氣溫偏高，降水量相對(duì)偏多，此期間平均地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平偏小，地表變干主要是由溫度較高引起的，氣候特點(diǎn)以暖濕為主；1963年后平均地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平為增加階段，一直持續(xù)到1993年，此區(qū)間平均氣溫偏低，降水量偏多，地表變濕的原因是氣溫偏低、降水偏多引起，氣候特征以冷濕為主；1993年以后地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平發(fā)生轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)平均氣溫升高，降水量時(shí)多時(shí)少，變干主要由溫度升高引起，氣候特征為暖干期。總之，四區(qū)自1952年以來(lái)經(jīng)歷了三個(gè)階段，即1963年以前為暖濕期，1963—1993年為冷濕期， 1993年以后表現(xiàn)為暖干期。

五區(qū)54 a地表濕潤(rùn)指數(shù)總體趨勢(shì)是下降的，即地表變干。1965年以前平均氣溫偏低，降水量偏多，平均地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平曲線(xiàn)呈上升趨勢(shì)，地表變濕的原因是溫度較低、降水偏多，氣候特征為冷濕；1965—1983年平均地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平為一略降階段，其浮動(dòng)范圍較小，對(duì)應(yīng)的平均氣溫偏高，降水量偏少，地表變干的原因是氣溫升高，氣候特征以暖干為主；1983年以后地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平發(fā)生轉(zhuǎn)折，呈上升趨勢(shì)持續(xù)到1990年，對(duì)應(yīng)平均氣溫偏低，降水量變化不大，地表變濕的主要原因是溫度偏低，其氣候特征主要表現(xiàn)為冷濕；1990年以后地表濕潤(rùn)指數(shù)累計(jì)距平則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，此期間平均溫度升高，降水量偏低，地表變干主要是由平均溫度升高和降水偏少共同造成，其氣候特征為暖干。總之，五區(qū)自1957年以來(lái)經(jīng)歷了四個(gè)階段，即1965年以前為冷濕期，1965—1983年為暖干期，1983—1987年為冷濕期， 1987年以后表現(xiàn)為暖干期。

圖4給出了代表站DPS(data processing system，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))[11-13]連續(xù)小波年平均地表濕潤(rùn)指數(shù)的時(shí)間演變周期。從圖4可看出，地表濕潤(rùn)指數(shù)周期一區(qū)為3～4 a，二區(qū)為3 a，三區(qū)為3 a，四區(qū)為2～3 a，五區(qū)為3 a。可見(jiàn)陜西黃土高原地表濕潤(rùn)指數(shù)有3 a一周期的規(guī)律。

4 結(jié)論與討論

4.1 陜西黃土高原地表濕潤(rùn)指數(shù)分布特征是南部比北部濕潤(rùn)，西部比東部濕潤(rùn)。春季和秋季北部偏干，南部偏濕，中部適中；夏季北部適中，南部偏干，中部偏濕。

4.2 陜西黃土高原各地區(qū)先后經(jīng)歷了不同的冷暖、干濕階段。20世紀(jì)90年代以后，陜西黃土高原各地區(qū)陸續(xù)進(jìn)入暖干期，以關(guān)中東部持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。延安南部地表濕潤(rùn)指數(shù)年代之間變化較小，與大面積森林覆蓋有關(guān)。

4.3 陜西黃土高原地表濕潤(rùn)指數(shù)有3 a一周期的規(guī)律。

4.4 可能蒸散量的計(jì)算方法眾多，計(jì)算結(jié)果差異也較大。采用Thornthwaite方法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，需要的氣象要素少，但計(jì)算結(jié)果可能小于實(shí)際蒸散，導(dǎo)致計(jì)算的濕潤(rùn)指數(shù)可能偏大。下一步有必要對(duì)各種方法進(jìn)行比對(duì)，找到更適合陜西黃土高原地區(qū)應(yīng)用的蒸散計(jì)算方法。

圖4 陜西黃土高原各分區(qū)代表站年平均地表濕潤(rùn)指數(shù)DPS連續(xù)小波

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中圖分類(lèi)號(hào)：P426.1

A

文章編號(hào)：1006-4354(2013)05-0024-05

收稿日期：2013-05-10

作者簡(jiǎn)介：林隆超(1986—)，女，漢，四川廣安人，學(xué)士，助理工程師，主要從事人工影響天氣工作。