近50年青海省風蝕氣候侵蝕力時空演變趨勢

祁棟林，李曉東，2，蘇文將，周萬福，肖宏斌

（1.青海省氣象科學研究所，西寧810001；2.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都610072）

風蝕氣候侵蝕力是對氣候影響風蝕的可能程度的量度，國際上一般用風蝕氣候因子指數表示，是土地沙化和農田風蝕評判的重要指標［1］。該項研究中，國外繼Chepil等［2］提出風蝕氣候因子的概念后已取得了較大進展［3－5］，此領域國內研究很少，直到20世紀90年代才開始了相關研究。董玉祥等［6］計算分析了我國干旱、半干旱地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的基本特征，年風蝕氣候因子指數基本上介于10～100，侵蝕力水平一般，主要是受降水與風速影響所致。方祖光等［7］對福建沿海地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的基本特征得出沿海地區(qū)風蝕氣候侵蝕力一般發(fā)生秋冬季節(jié)，影響主要因子是風速和降水。王永等［8］和朱麗等［9］分別對內蒙古陰山北麓地區(qū)風蝕氣候侵蝕力和土壤侵蝕驅動機制進行分析研究，得出春季是風蝕氣候侵蝕發(fā)生的主要季節(jié)，冬春季風力強勁的氣候條件是土壤侵蝕的內在驅動力，風蝕氣候侵蝕因子與沙塵暴日數的變化具有較好的對應關系。馮偉等［10］分析西氣東輸管道施工建設對干旱荒漠區(qū)土壤的影響主要表現為土壤地表的擾動破壞，容易造成風蝕。何清等［11］通過一次沙塵天氣過程和野外試驗，得出摩擦速度與風速成正相關，并影響著風蝕起沙量變化。蔣沖等［12］對黃土高原風蝕和水蝕復合區(qū)的風蝕氣候侵蝕力分析研究，表明整體呈現明顯的減小趨勢。楊興華等［13］對塔里木盆地風蝕氣候侵蝕力分析研究，結果顯示整體呈現明顯的減小趨勢，主要影響因子是風速。但是，上述研究多數關注農牧交錯帶或風水復合區(qū)以及局部地區(qū)的風蝕氣候侵蝕力的變化，對于面積更廣的青藏高原關注較少。

青藏高原地形復雜多變，平均海拔在4 000m以上，是我國生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一［14］，還是我國眾多大江大河的源頭。近年來，由于氣候變化和人類活動影響，青藏高原已經成為我國重要的水土流失地區(qū)之一［15］。青藏高原土壤侵蝕不僅會對該區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境造成破壞，還會嚴重影響江河水環(huán)境，威脅我國的水安全和水電工程安全。本研究利用聯合國糧農組織給出的風蝕氣候因子指數計算公式和青海省1961—2010年的氣象資料，分析青海省風蝕氣候因子指數的空間分布、時間變化趨勢和突變特征，旨在深入理解青海省風蝕氣候因子指數的成因和分布規(guī)律，為土壤風蝕災害的評估提供參考，以期為青海省生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)安全屏障建設提供一定的背景支持。

1 資料和方法

1．1 資料

為了保證青海省范圍內氣象資料樣本記錄的均一性、代表性和連續(xù)性，選取了43個有50a觀測記錄的站點資料，利用1961—2010年的平均氣溫、降水量、平均風速、平均相對濕度、大風日數、沙塵暴日數和日照時數等月資料。氣象數據來源于青海省氣候中心，通過算術平均法建立青海省整個區(qū)域各氣象要素序列。季節(jié)的劃分采用氣象季節(jié)，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季。

1．2 風蝕氣候因子指數C的計算

風蝕氣候因子指數的計算最早由Chepil［2］提出，由于該公式應用存在較大的局限性，1979年聯合國糧農組織提供了改進后的相對成熟的計算公式：

式中：C——風蝕氣候因子指數；Ui——2m高處的月平均風速 （m／s）；ETPi——月潛在蒸發(fā)量 （mm）；Ri——月降水量（mm）；d——月天數。

青海省范圍內冪指數公式比對數公式能更能精確擬合風速的垂直廓線，故采用冪指數公式將氣象站10m平均風速轉換為2m處的平均風速［16］。

ETPi的計算采用中國氣象局推薦的生態(tài)氣象監(jiān)測標準中的計算方法［17］：

式中：i——月份；d——該月天數；Ui——10m 高度月平均風速（m／s）；Pi——月平均氣壓（mb）；ti——月平均氣溫（℃）；W0i——溫度為ti時的飽和水汽壓（mmHg）；hi——月平均相對濕度（%）。

1．3 分析方法

采用線性趨勢分析［18］和 Mann－Kendall方法［18］分析風蝕氣候因子指數的年際變化趨勢和突變特征。

由于影響風蝕氣候因子指數的影響因子較多，因此采用多元線性回歸方法分析各氣象因子對風蝕氣候因子指數變化的影響。公式（3）中回歸系數可很好地說明同一要素時間變化，但并不能表明不同要素間對風蝕氣候因子指數影響的差異。為此，按照方精云［19］和張嘉琪等［20］方法用SPSS軟件求算各氣象因子的標準回歸系數，并按照（4）和（5）公式計算各氣象因子對風蝕氣候因子指數變化的相對貢獻率，作為比較氣象因子影響風蝕氣候因子指數分布強弱的指標。

式中：Y1，Y2——風蝕氣候因子指數和風蝕氣候因子指數的標準化值；X1，X2，X3，…，Xn——各氣象因子的平均值；a0，a1，a2，a3，…，an——各氣象因子對應的回歸系數，其絕對值分別表示風蝕氣候因子指數在各氣象因子梯度上的變化率；Z1，Z2，Z3，…，Zn——各氣象因子的標準化值；b1，b2，b3，…，bn——各氣象因子序列標準化后對應的回歸系數；n——樣本數；η1——Z1變化對Y2變化的相對貢獻率。

2 結果與分析

2．1 風蝕氣候因子指數的時間變化特征和未來變化

圖1給出了青海省風蝕氣候因子指數的月際和季節(jié)變化。可以看出，青海省C值有明顯的月際和季節(jié)變化特征。7—9月份風蝕氣候因子指數很小，說明就氣候條件而言，一般不會發(fā)生或很少發(fā)生風蝕現象，10月以后風蝕氣候因子指數逐漸增大（具體表現為9月至12月增大趨勢緩慢，1月至4月增大趨勢明顯），4月達到全年最大，多年平均為5.7，以后逐月下降，7月和9月達全年最小，多年平均均為0.8。季節(jié)尺度上，風蝕氣候因子指數C值四季排序為春季（15.6）＞冬季（10.2）＞秋季（5.1）＞夏季（3.2）。風蝕氣候因子指數C值的月際和季節(jié)分布與青海省季節(jié)性氣候變化（干旱大風少雨的氣候背景）有著十分密切的關系［21］，也與我國干旱半干旱地區(qū)的最強風蝕氣候因 子 指 數 出 現 在 春 季 完 全 相 同［6，8－13］，與 沿海地區(qū)最強風蝕氣候因子指數出現在秋冬季完全不同［7］。在冬春季節(jié)，青海省氣溫幾乎都在0℃以下，植被幾乎停止生長，并且大部分枯萎，廣大地區(qū)經常處于裸露或半裸露狀態(tài)，從而使得植被對地表的保護作用減弱，為地表風蝕起沙創(chuàng)造了極為有利的條件。

圖1 青海省風蝕氣候因子指數的月際和季節(jié)變化

四季和年風蝕氣候因子指數C值的年代際變化（見表1），四季風蝕氣候因子指數C值在60年代和70年代均為正距平，說明這一階段風蝕氣候因子指數偏大，70年代達到最大值.而后80年代至21世紀的00年代均為負距平，表明風蝕氣候因子指數處于偏低水平，21世紀00年代達到最低水平。年風蝕氣候因子指數C值的年代際變化與四季基本一致。

表1 青海省風蝕氣候因子指數年代際變化

圖2給出了青海省年和春季風蝕氣候因子指數的年際變化（夏秋和冬季圖略）。1969年之前，年風蝕氣候因子指數為一個相對較低值期，除1966年，1968年分別為35.3，38.0外，其他年份均在多年平均值（32.4）以下，風蝕氣候因子指數呈增加趨勢，增加速率為10.3/10a（R2＝0.159 6，p＜0.05）；1969—1997年期間，年風蝕氣候因子指數呈現出明顯的降低趨勢，減少速率15.6/10a（R2＝0.831 1，p＜0.001），年風蝕氣候因子指數處于一個相對較高值期，在多年平均值以上（除1982年，1983年，1985年，1986年）；1969年風蝕氣候因子指數出現最大值（73.2），1997年出現最小值（15.2），二者相差為58.0，是多年平均值的1.79倍，表明風蝕氣候因子指數變幅較大。1998年以后風蝕氣候因子指數又呈現出不顯著的上升趨勢，1998—2010年平均為20.5，2010年達到了1998年以來的最大值（27.3），上述結果表明近50a來，青海省年風蝕氣候因子指數整體上呈現出顯著減小趨勢，減少速率為5.5/10a（R2＝0.329 9，p＜0.001），即風蝕氣候侵蝕力總體上呈減少趨勢。

四季的風蝕氣候因子指數均呈現顯著的減小趨勢，減小速率春季最大（2.2/10a，p＜0.001），冬季次之（1.6/10a，p＜0.001），夏秋季減小速率大致相當（約0.8/10a，p＜0.001）。

表2給出了青海省風蝕氣候因子指數各月的年際變化，各月（除9月）風蝕氣候因子指數均呈現顯著減少趨勢，冬末春初減少速率較大，3月最大（1.03/10a，p＜0.01），夏秋季減少速率較小，9月變化趨勢不明顯。

2.2 風蝕氣候因子指數空間分布

圖3給出了青海省年風蝕氣候因子指數和氣候傾向率的空間分布。從圖3a可以看出，青海省年風蝕氣候因子指數呈現出從西北部向東南部減小的分布特點，以大柴旦、都蘭、曲麻萊和雜多為分界線，該線以東的C值均在40以下，該線以西地區(qū)均大于50，最大值出現在柴達木盆地的茫崖站，高達160.1，最小值出現在三江源地區(qū)的清水河站（－12.9）。青海省有兩個相對高值區(qū)，一個為柴達木盆地和三江源地區(qū)的西部，屬于青海省氣候侵蝕力水平強的地區(qū)，超過風蝕氣候侵蝕“極重”級（C≥l00）的分級標準，一個為環(huán)青海湖地區(qū)。三江源地區(qū)東部和祁連山地區(qū)年風蝕氣候因子指數相對較小，很少發(fā)生風蝕現象。這就是說在青海省風蝕氣候侵蝕力從西北部向東南部是逐漸減小的，風蝕氣候侵蝕力最強的地方為茫崖。

圖2 青海省風蝕氣候因子指數的年際變化

表2 青海省風蝕氣候因子指數各月的年際變化 10a

圖3 青海省年風蝕氣候因子指數值和氣候傾向率的空間分布

從圖3b可以看出，青海省年風蝕氣候因子指數的減小趨勢最明顯的有兩個相對高值區(qū)，一個為柴達木盆地和三江源地區(qū)的西部，減弱趨勢最明顯的是茫崖站（－59.4/10a），一個為柴達木盆地的中部，其中心為諾木洪站（－26.3/10a），全省其他地區(qū)變化趨勢較小或不明顯。

從青海省年風蝕氣候因子指數值和氣候傾向率空間分布來看，風蝕氣候侵蝕力最強的地方也是減弱最明顯的地方。

四季的風蝕氣候因子指數值和氣候傾向率的空間分布與年的空間分布基本一致。

2.3 風蝕氣候因子指數突變檢驗

氣候突變是普遍存在于氣候變化中的一個重要現象，是氣候預測和模擬應考慮的重要因素［18］。應用Mann－Kendall檢驗法對近50a青海風蝕氣候因子指數進行突變分析。

圖4 青海省風蝕氣候因子指數的突變檢驗

圖4為1961—2010年青海省風蝕氣候因子指數的Mann－Kendall突變檢驗。由圖4可見，青海省年風蝕氣候因子指數的UF和UB曲線在1993年出現交點，且交點在信度線之間，因此1993年是青海省風蝕氣候因子指數減少突變的時間點。自1961年左右以來，雖然總的趨勢是下降，但在70年代中期前呈增加趨勢，且在1970—1975年增加趨勢明顯，進入1976年以后在置信區(qū)間范圍內下降，1996年以后，這種減少趨勢超過0.05的顯著性水平，表明在1996年后青海省風蝕氣候因子指數整體進入顯著下降階段。春夏秋3季突變發(fā)生分別在1994年，1995年，1998年，1999年后均進入顯著減少趨勢，冬季1991年發(fā)生突變，1996年進入顯著減小趨勢。

2.4 氣象因子對風蝕氣候因子指數的影響分析

選擇了熱力因子（氣溫和日照時數）、水分因子（相對濕度和降水量）和動力因子（風速、大風日數和沙塵暴日數），分析其對風蝕氣候因子指數的影響。按（3）式求算氣象因子對各季和年風蝕氣候因子指數的回歸系數，結果表明各季和年的復相關系數較大（0.93以上）。根據相對貢獻率公式計算出各氣象因子對風蝕氣候因子指數變化的相對貢獻率（表3），從相對貢獻率分析可知，就年尺度而言，青海省整個區(qū)域風速變化對風蝕氣候因子指數變化影響最大，貢獻率為64.2%，溫度影響次之，貢獻率在12%左右，相對濕度、日照時數、降水量、大風日數和沙塵暴日數對風蝕氣候因子指數變化的影響較小；就季節(jié)尺度來看，風速變化對四季風蝕氣候因子指數變化影響均最大，春季貢獻率高達73.4%，夏季貢獻率為38.8%，影響風蝕氣候因子指數的次要因子不同季節(jié)略有不同，春季為大風日數，夏季為日照時數、降水量和溫度，秋季為降水量，冬季為降水量和溫度，表明引起1961—2010年青海省風蝕氣候因子指數變化的主要因子是風速，而次要因子表現略有不同。這與國外［6］利用沙塵暴日數和風蝕氣候因子指數回歸方程預報風蝕強度完全不同，但與國內塔里木盆地［13］的主要影響因子相一致。

表3 青海省各氣象因子對風蝕氣候因子指數變化的相對貢獻 %

圖5 青海省風速和降水量的年際變化

圖5給出了青海省風速和降水量的年際變化，結合圖5和圖2a可以看出，風蝕氣候侵蝕因子指數與風速有很好的對應關系，與降水量的對應關系較差，這說明在青海省風速與降水對風蝕氣候侵蝕力的影響與作用是不同的，這與中國其他地區(qū)風蝕氣候侵蝕力受到降水和風速的共同制約存在一定的差別［7－9，12］，這是青海省干旱半干旱區(qū)的一個顯著特點，另一方面也解釋了青海省風蝕氣候因子指數的季節(jié)變化變化特點原因。青海省冬春季風速較大，空氣干燥，降水較少，風蝕氣候侵蝕力大于夏秋季，因此，C值在春季最大，以上分析表明，在青海省可以利用C值與風速的回歸方程來估算風蝕氣候因子指數的值。

3 結 論

（1）青海省C值有明顯的月際和季節(jié)變化特征，春季最大，冬季和秋季次之，夏季最小。年和四季風蝕氣候侵蝕力總體上呈顯著的減少趨勢。

（2）青海省年風蝕氣候因子指數呈現出從西北部向東南部減小的分布特點，以大柴旦、都蘭、曲麻萊和雜多為分界線，該線以東的C值均在40以下，該線以西地區(qū)均大于50。有兩個相對高值區(qū)，一個為柴達木盆地和三江源地區(qū)的西部，屬于青海省氣候侵蝕力水平強的地區(qū)，超過風蝕氣候侵蝕“極重”級（C≥l00）的分級標準，一個為環(huán)青海湖地區(qū)。風蝕氣候侵蝕力最強的地方也是減弱最明顯的地方。

（3）青海省年風蝕氣候因子指數突變發(fā)生的時間為1993年，1996年后整體進入顯著下降階段，春夏秋3季突變發(fā)生分別在1994年，1995年，1998年，1999年后均進入顯著減少趨勢，冬季1991年發(fā)生突變，1996年進入顯著減小趨勢。

（4）青海省整個區(qū)域風速的變化對風蝕氣候因子指數變化影響最大，風蝕氣候侵蝕因子指數與風速有很好的對應關系，與降水量和沙塵暴日數的對應關系較差，可以利用C值與風速的回歸方程來估算風蝕氣候因子指數的值。

青海省整體風蝕氣候侵蝕力不算很嚴重，柴達木盆地西部局部達到“極重”級，但土壤風蝕的災害卻非常嚴重，表明土壤風蝕是多種因素共同作用的結果，本文僅僅研究了土壤風蝕的氣象因素，更多有關土壤風蝕的研究尚待開展。

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