菏澤市氣候干濕特征評估以及干濕風險區劃研究

劉 濤，丁媛媛，郝曉雷

(山東省菏澤市氣象局，山東濟南250000)

0 引言

菏澤市位于山東省西南部，從行政區劃上劃分，轄曹縣、定陶、巨野、鄆城、單縣、成武、東明、鄄城以及牡丹區8縣1區，氣候適宜、光熱資源豐富，適合多種經濟林木生長，是山東省重要的林糧棉油生產基地。隨著溫室氣候對全球影響的不斷加劇，該市的干濕特性也逐步發生了變化。之前單純地利用年降水量評價一個地區的干濕水平的方法，已經不是很合理，也遠遠不能滿足農、林業發展的實際需要。在研究一個地區的干濕特性變化時，應綜合考慮年均降水量(水分收入)和年均潛在蒸散量(水分支出)兩個重要的因素，從而更全面科學地分析一個地區的干濕水平。從國際研究上看，計算潛在蒸散量的方法有很多種[1－6]，其中應用最多的是FAO Penman-Monteith(彭曼-蒙蒂斯)模型、Thornthewaite(桑斯維特)模型[7]。當代中國農業氣象領域，對中國大陸的干濕特性也進行了一系列科學的評價[8－14]，按照吳紹洪等[15]研究對中國近 30年陸地表層干濕狀況的劃分，菏澤市歸屬于半濕潤大陸型氣候;馬柱國等[16]研究則表明，在全球變暖的大背景下，整個中國的北部地區出現了半干旱化的演化趨勢。從歷史上看，菏澤市飽受干旱、洪澇災害威脅，那么在全球變暖的大背景下，高溫、干旱以及洪澇等自然災害威脅將會不斷加大[17－18]。菏澤市不僅春旱經常發生，冬春連旱同樣頻繁，不僅冬小麥受損，也危及蔬菜、花生、瓜果、林木等一系列作物[19]。因此，分析菏澤市的干濕特性以及各個縣區的干濕風險程度，對于農業生產和干、濕災害防御都有重要意義[20]。

1 數據和方法

1.1 數據來源

數據來自于菏澤市氣象站(1981～2013年)的常規氣象數據資料，包括各縣、區(8縣1區)的溫度(℃)、降水量(mm)、相對濕度(%)、風速(m/s)、大氣壓(hPa)以及部分鄉鎮區域站資料等數據。

1.2 有關計算公式

1.2.1 濕潤指數(K)

K=R/ET其中，R為降水量，ET為潛在蒸散量。根據計算結果，K＜1表示大氣降水少于植被生理過程需水量，即為干旱;K＞1表示大氣降水大于作物生理需水量，即為濕潤;K=1表示兩者平衡[21]。

1.2.2 月潛在蒸散量

公式II(見中國氣象局《生態質量氣象評價規范(試行)》):i為月的編號，Pi為月平均氣壓(hPa)，ti為月平均氣溫(℃)，di為月天數，Ui為10～12米高度月平均風速(m/s)，Woi為溫度為 ti時的飽和水汽壓(hPa)，hi為月平均相對濕度(%);飽和水汽壓Woi由文獻[22]查算得出。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候躍變

氣候躍變是指兩個穩定氣候階段之間統計特性量發生顯著差異的現象。年代際氣候躍變是研究氣候變化的常用方法，使用t檢驗方法。線性趨勢分析采用最小二乘法。使用相關分析法分析研究潛在蒸散量與其他各個氣象要素的關系，并用F分布進行相關性顯著檢驗。

1.3.2 地理區劃

使用地理區劃軟件Mapinfo作圖，同時進行相關行政區劃研究。

2 潛在蒸散量和濕潤指數的時間分布特性

2.1 年代分布特性

由表1可以看出，20世紀80年代的年均潛在蒸散量較70年代增加量為4.48 mm/y，20世紀90年代的年均較80年代增加量為6.02 mm/y，2000年代的年均較20世紀90年代增加量為3.0 mm/y，由此得出:菏澤市的年均潛在蒸散量一直處在增加狀態，年均增幅≥5‰;20世紀80年代的年均降水量較70年代增加量為0.93 mm/y，20世紀90年代的年均較80年代增加量為5.35 mm/y，2000年代的年均較上個世紀90年代增加量為1.11 mm/y，由此得出:年均降水量一直處在增加狀態，年均增幅≤5‰，低于同期潛在蒸散量的增幅。根據濕潤指數的計算方法得出:濕潤指數一直有減小的趨勢，1980年代濕潤指數接近1.0，2011年濕潤指數后接近0.9，降低了約0.1，年均降幅為1.05%;由此可以看出，菏澤市干旱程度有加重趨勢。

表1 菏澤市年均濕潤指數(K)、潛在蒸散量(ET)以及降水量(R)年際對比表

2.2 年內分布特性

從表2可以看出，菏澤市月潛在蒸散量的月分布不均勻，7、8月份降水量是同期潛在蒸散量的2倍以上，這些月份水分充足，處于濕潤狀態;9月份降水量與同期潛在蒸散量相比較約為1∶1，干濕狀態平衡，此時降水量基本能夠滿足作物生長的需要;而10月～次年6月份降水量一直遠遠低于同期潛在蒸散量，此段時間為干旱月份，特別是每年12月份～次年4月份，同期潛在蒸散量反而是降水量的2倍以上，極易引起春旱以及冬春連旱，極大的損害農、林作物的生長發育。

表2 菏澤市月均濕潤指數(K)、潛在蒸散量(ET)以及降水量(R)月際對比表

3 菏澤市潛在蒸散量與濕潤指數年代變化趨勢分析

3.1 潛在蒸散量變化趨勢及突變分析

如圖1所示，菏澤市年均潛在蒸散量呈波浪式上升趨勢，線性系數為2.176 mm/y，自相關系數為0.17，通過95%的保證率。潛在蒸散量與一個地區的溫度、濕度、風速、氣壓皆相關，根據相關數據顯示，菏澤市年平均氣溫呈升高趨勢，線性系數為0.49℃/10 y，自相關系數為0.591，通過95%的保證率;年平均濕度呈降低趨勢，線性系數為－0.11/10 y，自相關系數為－0.257，通過95%的保證率;10～12 m年平均風速呈增大趨勢，線性系數為0.045 m/s/10 y，自相關系數為0.71，沒有通過95%的保證率;年平均大氣壓力呈下降趨勢，平均10年線性系數為－0.275 hPa/10 y，自相關系數為0.4384，沒有通過95%的保證率。

圖1 菏澤市年均潛在蒸散量變化曲線

潛在蒸散量的增加主要是受全球變暖趨勢的影響，其中氣溫升高和濕度降低對潛在蒸散量的影響尤為顯著(表3)。1981～2013年，年均蒸散量最小值出現在2007年，量值為519.212 mm，年均蒸散量最大值出現在2013年，量值為853.803 mm。

表3 菏澤市年均蒸散量(ET)與氣象因子的關系表

圖2顯示菏澤市潛在蒸散距平在1993年以前以負距平為主，以后正負距平交叉分布，但以正距平為主。

圖2 菏澤市年均潛在蒸散量距平

3.2 年降水量變化趨勢及突變分析

通過圖3可以看出，菏澤市年均降水量變化呈現一定的周期性，平均每5年出現一次波動。其中降水量最大值出現在1984年，降水量為925.8 mm，降水量次大值出現在2003年，降水量為884.3 mm，期間跨度為19年。降水量最小值出現在2002年，降水量為390.9 mm，體現了該地區降水年份分布具有顯著不均勻。從降水量極值中可得，該地區年降水量未出現過超過1000 mm的年份，突變特性不明顯。

圖3 菏澤市年降水量曲線

年均降水距平在2000年以前為正負距平交替出現，以負距平為多，2000年以后正距平出現頻率有所增加，特別是2002～2008年，都為正距平。

圖4 菏澤市降水距平

3.3 年均指數變化趨勢及突變分析

菏澤市年均濕潤指數并不是單一的線性變化，用6次多項式來模擬其變化過程，更符合實際情況，自相關系數達到0.49，具有較好的相關性(圖5)。從20世紀80年代末，濕潤指數開始緩慢下降，下降趨勢較為明顯;2003年濕潤指數曾發生過一次突變，達到30年最大值1.703，主要由于當年多次極端暴雨天氣造成，降水量為884.3 mm[23];2005年后濕潤指數在波動中下降，下降趨勢同樣較為明顯。菏澤市總體水資源狀況偏差，大氣降水勉強滿足作物生長需要，但是近幾年表現出干旱化趨勢，仍需引起足夠的重視，特別是在農業抗旱方面需要做好抗旱措施。

圖5 菏澤市年均濕潤指數變化曲線

菏澤市年均濕潤指數距平分布較均勻，沒有出現明顯的突變特性。

圖6 菏澤市年均濕潤指數距平

4 菏澤市潛在蒸散量和濕潤指數地域分布特征

圖7 菏澤市年均潛在蒸散量區劃圖

圖8 菏澤市年均降水量區劃圖

圖9 菏澤市濕潤指數區劃圖

通過圖7、8、9比較，可以看出菏澤市潛在蒸散量地域分布不均勻，從西北至東南方向逐漸減少，潛在蒸散量最大值出現在東部的巨野縣附近，最大潛在蒸散量為674 mm/y，最小值出現在單縣，最小潛在蒸散量為613 mm/y;菏澤市年均降水量地域分布不均勻，從西北方向至東南方向逐漸增加，年均降水量最大值出現在南部的曹縣、單縣，最大年均降水量為694.2 mm/y，而年均最少降水量出現在西北部的鄄城縣，年均最少降水量為598.8 mm/y，兩者年均相差為95.4 mm/y;濕潤指數地域分布圖顯示:單縣為菏澤市濕潤特性最好的區縣，濕潤指數K＞1，為1.098;與之相鄰的曹縣，濕潤指數為第2等級，能夠滿足當地農、林作物的生長需求;而以牡丹區為中心的東明、鄄城等5縣，則干旱風險相對較大，特別是鄄城縣濕潤指數K＜0.9，已經極易發生春旱、冬春連旱等氣象災害風險。

5 結論

(1)從20世紀80年代以來，受全球氣候變暖的影響，菏澤市的年均潛在蒸散量和年均降水量均有所增加，降水量的增加量遠遠低于潛在蒸散量，導致菏澤市的濕潤指數呈下降趨勢，干旱風險有所增加。

(2)潛在蒸散量的增加主要是受氣溫上升和濕度下降兩方面因素的影響，而未來這兩個要素的發展趨勢，預示干旱性災害天氣發生較為頻繁。

(3)每年的春、冬兩季(集中為12月～次年4月)為菏澤市最易發生旱災的時間段，其次是秋季和夏季，因此在農業生產中要提前做好抵抗春旱和冬春連旱的準備。

(4)菏澤市的干濕水平從東南至西北方向逐漸變差，單縣濕潤程度最好;以牡丹區為中心的5縣區，次之;鄄城縣濕潤程度最差，發生干旱風險的概率最高，需要引起足夠重視。

[1] Monteith J L.Evaporation and temperature[J].Quart.J.Roy.Meteorol，Soc.，1981，107:1－27.

[2] Jesen M E，Burman R D，Allen R G.Evapotranspiration and irrigation water requirements[R].MASCE manuals and reports on engineering practice，70.New York:American Society of Civil Engineer，1990:80－112.

[3] Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements[BE/OL].FAO Irrigation and drainage paper 56.Rome:Food and Agriculture Organization of United Nations，1998.http://www.fao.org/do-crep/X0490E/x0490e00.htm.

[4] Walter I A，Allen R G，Elliott R，et al.ASCE.s standardized reference evapotranspiration equation[Z].MEvans R G，Benham B L，Trooien T Ps.Proc National Irrigation Symposium ASAE.Phoenix:ASCE，2000.

[5] 高國棟，陸渝蓉，李懷瑾.我國最大可能蒸發量的計算和分析[J]. 地理學報，1978，33(2):102－107.

[6] 鄧根云.水面蒸發量的一種氣候學計算方法[J].氣象學報，1979，37(3):87－96.

[7] 馬治國，陳惠.福州市地表干濕分布特征及其與農業干旱的關系[J].氣象科技，2008，36(1):82－85.

[8] 張方敏，申雙和.中國干濕狀況和干濕氣候界限變化研究[J].南京氣象學院學報，2008，31(4):574－579.

[9] 申雙和，張方敏，盛瓊.1975－2004年中國濕潤指數時空變化特征[J].農業工程學報，2009，25(1):11－15.

[10] 孫鳳華，袁健.近40年來遼寧地區氣候干濕界線年代際波動及其成因[J].應用生態學報，2006，17(7):1274－1279.

[11] 孫鳳華，吳志堅，李麗光.遼寧西部地區的氣候變化及干濕狀況年代際變化特征[J].中國沙漠，2006，26(6):969－975.

[12] 馬柱國，黃剛，甘文強，等.近代中國北方干濕變化趨勢的多時段特征[J].大氣科學，2005，29(5):671－681.

[13] 劉波，馬柱國.過去45年中國干濕氣候區域變化特征[J].干旱區地理，2007，31(1):7－15.

[14] 吳紹洪，尹云鶴，鄭度，等.近30年中國陸地表層干濕狀況研究[J].中國科學(D輯)，地球科學，2005，35(3):276－283.

[15] 馬柱國，符淙斌.中國北方干旱區地表濕潤狀況的趨勢分析[J].氣象學報，2001，59(6):737－746.

[16] 王馥堂.我國氣候變暖對農業影響研究的進展[J].氣象科技，1994，22(4):19－25.

[17] 張惠玲，楊曉玲，梁從虎，等.河西走廊東部氣候變化及資源利用對策[J].氣象科技，2004，32(2):101－104.

[18] 張旭暉，高蘋，霍金蘭.2002年江蘇主要農業氣象災害及其影響[J].氣象科技，2004，32(2):104－109.

[19] 福建省氣象局.福建農業氣候資源與區劃[M].福州:福建科學技術出版社，1990:181.

[20] 陳建偉，張煜星.濕潤指數與干燥度關系的探討[J].中國沙漠，1996，16(1):79－82.

[21] 王馥堂.我國氣候變暖對農業影響研究的進展[J].氣象科技，1994，22(4):19－25.

[22] 中央氣象局.濕度差算表[M].北京:氣象出版社，1986:316－318.

[23] 李瑞英，任崇勇，張翠翠，等.氣候變化背景下菏澤市農業氣候資源變化特征[J].干旱地區農業研究，2002，(6).