1960-2011年河西走廊地表干濕狀況的時空變化及影響因素

劉 揚， 楊永春,2， 張 軻， 孫彥猛

(1.蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州大學 西部環境教育部

重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州大學 信息科學與工程學院, 甘肅 蘭州 730000)

1960-2011年河西走廊地表干濕狀況的時空變化及影響因素

劉 揚1， 楊永春1,2， 張 軻3， 孫彥猛3

(1.蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州大學 西部環境教育部

重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州大學 信息科學與工程學院, 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 為了探討河西走廊地區地表干濕狀況對氣候變化的響應。[方法] 利用河西走廊地區14個氣象站1960—2011年逐日氣象數據，基于FAO推薦的Penman—Monteith模型計算河西走廊各氣象站的參考蒸散量和濕潤指數，采用Sen’s斜率和Mann—Kendall趨勢檢驗方法，分析河西地區地表干濕的時空變化特征，探討影響濕潤指數變化的主導因子。[結果] 河西走廊地表多年平均干濕指數為0.00～0.56，且52 a來河西走廊濕潤指數整體呈增加趨勢；濕潤指數的變化具有明顯地域性差異。各季節濕潤指數亦整體呈增加趨勢，以冬季增幅最大，秋、春次之，而夏季變化最小。[結論] 河西走廊地區氣候屬于干旱，52 a來濕潤指數略有增大，其主要原因是降水的增加和風速的減小。

關鍵詞：參考蒸散發; 濕潤指數; Mann—Kendall趨勢檢驗; Sen’s斜率; 河西走廊

在全球變暖背景下，環境狀況與區域差異是研究全球變化的區域響應、土地沙漠化、土地覆被變化等環境變動的基礎[1]，氣候因子間的相互作用與制約產生了陸地表層的干濕狀況。濕潤指數可客觀反映地表水熱收支狀況，是衡量區域干濕程度的重要指標，一般而言，區域的干濕狀況可由蒸發與降水之關系決定[2-3]。近年來，在中國西北地區、青藏高原等一些區域針對地表蒸散及干濕狀況及變化規律開展了廣泛研究[4-9]，西北干旱半干旱區近50 a實測記錄顯示氣候環境出現了0.2 ℃/10 a的趨勢升溫[4,8,10-11]，降水顯著增加，冰川消融加速，河川徑流增加，植被有所改善等現象[12]。河西走廊作為內陸干旱化研究的氣候變化極度敏感區和生態脆弱區，氣溫和降水增幅表現出明顯的空間差異[8,13]，水資源受氣候變化影響而面臨諸多問題。本文利用河西走廊地區主要氣象站資料，結合彭曼模型計算區域尺度的參考蒸散量和濕潤指數，探討河西走廊地表干濕變化的程度及時空分布特征，為河川徑流變化研究、綠洲農業結構調整等提供科學依據，尤其是為水資源的生態脆弱性評價提供科學的氣候變化背景，同時對揭示西北地區由暖干向暖濕轉型的氣候科學集成研究有重要的現實價值。

1數據資料與模型

1.1　資料選取

選取河西走廊的敦煌、安西、玉門鎮、梧桐溝、酒泉、金塔、鼎新、高臺、張掖、山丹、永昌、民勤、武威和烏鞘嶺14個氣象站的1960—2011年(其中梧桐溝站的數據為1966—1988年；金塔站的數據為1989—2011年)逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風速和日照時數等氣象觀測數據，部分缺測數據由鄰近站點數據按差值訂正法進行插補，按照(FAO)Penman—Monteith模型在Matlab平臺編程計算各氣象站的逐日參考作物蒸散量，并基于降水數據計算月濕潤指數，進而統計逐季(3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—次年2月為冬季)和逐年地表濕潤指數的時間序列。

1.2　參考蒸散與濕潤指數的計算

本文首先采用Penman—Monteith模型[14]，計算參考作物蒸散發ETo：

(1)

式中：ETo——參考蒸散量(mm/d);Δ——飽和水汽壓溫度曲線斜率(kPa/℃)；G——地表以下的土壤熱通量〔MJ/(m2·d)〕;γ——干濕常數(kPa/℃);U2——2 m高處的風速(m/s);es，ea——為飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)；Rn——凈輻射〔MJ/(m2·d)〕，由凈短波輻射Rns與凈長波輻射Rnl之差得出，即：

Rn=Rns-Rnl

(2)

Yin等[15]利用中國81個氣象站的逐月輻射觀測數據建立了適用于中國凈短波輻射經驗公式，即：

(3)

(4)

式中：α——地表反照率； FAO推薦取0.23[14]，Tmax，Tmin——日最高氣溫和最低氣溫(K)；σ——Stefan—Boltzman常數〔4.903×10-9MJ/(K4m2·d)〕；Rso——晴空太陽輻射(MJ/d);n——日照時數(h)；N——可照時數(h)。

本文中計算ETo以日尺度計算，然后累加獲得月尺度的ETo。就濕潤指數而言，定義月濕潤指數W為月降水量P與月參考蒸散ETo之比，即：

(5)

式中：W——月地表濕潤指數；P——月降水量(mm)； ETo——月參考蒸散量(mm)。

1.3　Sen’s斜率及M-K趨勢檢驗

采用Sen’s斜率、10 a滑動平均，并結合非參數Mann—Kendall統計(簡稱M—K)趨勢檢驗法[16]量化濕潤指數的年、季變化率及變化程度，并通過ArcGIS的IDW插值得到濕潤指數變化趨勢的空間分布，從而進行地表干濕狀況時間序列的空間差異分析。

Sen’s斜率是一種非參數趨勢斜率計算方法，不受序列奇異值的影響，能很好的反應序列趨勢的變化程度，而滑動平均可在一定程度上消除序列頻繁隨機起伏的影響，使水文變化的趨勢性或階段性更直觀、明顯，Sen’s斜率K的公式如下[17]：

K=median(Qi)

(6)

(7)

式中：i——常數取值為(1,2…,N), N——時間序列長度； xj和xk則分別是j和k的序列之，且滿足j>k。

M—K法[17]是用來評估水文氣候要素時間序列趨勢的非參數檢驗方法，可以檢驗時間序列變化趨勢的顯著性，以適用范圍廣，人為性少，定量化程度高而著稱，其檢驗統計量公式為：

(8)

式中：sign()——符號函數，Xi-Xj小于、等于或者大于0時，sign(Xi-Xj)分別為-1，0和1。就S而言：

(9)

Z=0(S=0)

(10)

(11)

Mann—Kendall趨勢檢驗的統計量Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。Z的絕對值在≥1.28，1.96，2.32時，表明其顯著性分別通過了信度90%，95%和99%的顯著性檢驗。

2結果分析

2.1　地表多年平均濕潤指數的空間分布

河西走廊地區多年平均濕潤指數在0.00～0.56 (圖1)，地表相對干旱，其中玉門、安西及敦煌的濕潤指數在0.00～0.05，為河西地區最為干旱的區域。整體而言，地表干濕狀況總體表現出明顯的西北—東南差異，即濕潤指數以敦煌為最低值，由此向東向南大致呈增加趨勢，烏鞘嶺的濕潤指數最高，西北部疏勒河流域(玉門、安西、敦煌)、中部黑河流域(山丹、張掖、高臺、酒泉、金塔、鼎新、梧桐溝)、東南部石羊河流域(武威、永昌、民勤、烏鞘嶺)的平均濕潤指數分別為0.05，0.11及0.28。

圖1　1960-2011年河西走廊地表平均濕潤指數的空間分布

2.2　地表干濕狀況的時空變化特征

2.2.1年均濕潤指數的空間變化整體平均而言，河西走廊年均濕潤指數(14個氣象站均值)呈波狀起伏的增大趨勢(圖2)，52a均值為0.136，最高為0.210 (2007年)，最低為0.066 (1962年)，變化幅度較大，20世紀60，70年代濕潤指數距平為負距平，80年代后為正距平(表1)，且自70年代以來有逐年增大趨勢，尤其是1987年以來，大部分以正距平為主，表明在1987年之前地表相對干旱，之后有變濕趨勢。濕潤指數年際變化的Sen’s斜率K為0.001 2，變化傾向率為0.009/10a，且氣候傾向率為增加趨勢，表明在氣溫升高和降水量增加的背景下，河西走廊地表干旱狀況有明顯緩解。

圖2　地表年均濕潤指數的年際變化趨勢(1960-2011年)

河西走廊地表濕潤指數年際變化趨勢(圖3)及其顯著性(Mann—Kendall統計量Z，圖4)呈現一定的區域差異，濕潤指數距平在不同年代的變化特征亦存在空間差異(圖5)。河西走廊整體表現為變濕趨勢，年均濕潤指數的Sen’s斜率K在0.000 0～0.005 5，由西北到東南，其變濕趨勢增大。具體而言，西北部疏勒河流域呈不明顯的變濕趨勢，Sen’s斜率K在0.000 0～0.000 8；中部黑河流域表現為南北差異，自北向南變濕加強，除酒泉以北地區變化不明顯外，其他大部分地區呈明顯變濕趨勢，以張掖綠洲變濕最為顯著；東南部石羊河流域Sen’s斜率K在0.000 5～0.005 5，除民勤以北地區不明顯變濕，其他大部分地區顯著變濕，其中烏鞘嶺以南變濕最明顯。

圖3　河西走廊地表年均濕潤指數年際變化趨勢的空間分布

圖4　　河西走廊地表年均濕潤指數年際變化Mann-Kendall趨勢檢驗的空間分布(1960-2011年)

表1　河西走廊地表年均濕潤指數的年代際距平(1960-2011年)

圖5地表年均濕潤指數距平的空間分布

2.2.2季均濕潤指數的空間變化就季節而言(圖6)，河西走廊春、夏、秋、冬4季多年平均濕潤指數分別為0.087，0.224，0.182和0.066，表明河西走廊整體以夏季最濕，秋季次之，春冬最小。季均濕潤指數年際變化的Sen’s斜率K分別為0.001 5，0.000 4，0.002 5和0.002 8，暗示4個季節濕潤指數均呈上升趨勢，其中冬季增大幅度最大，秋季和春季增大趨勢明顯，但夏季增大趨勢不太明顯。春、冬季均濕潤指數年代距平變化與年均濕潤指數的變化趨勢一致(表2)，即濕潤指數都在60，70年代為負距平，80年代以來為正距平，特別是2000年以后地表較大程度地變濕。夏季，濕潤指數在80年代初之前呈波狀緩慢增大趨勢，之后出現1983，1993年2個極大值點及1991，2001和2010年3個極小值點，且正負距平交替出現，表明這一時段內濕潤指數波動起伏但整體平緩增加。秋季，濕潤指數呈波狀起伏變化，在80年代中期之前呈波狀緩慢下降趨勢，之后波狀上升趨勢明顯，正負距平波動變化較大。

表2　河西走廊地表季均濕潤指數的年代際距平

河西走廊各季節濕潤指數的變化趨勢(Sen’s斜率K，圖7)及其顯著性存在空間差異。春季，地表干濕狀況由西北到東南變濕趨勢增加，西北部疏勒河流域的Sen’s斜率K在0.000 4～0.001 0，中部黑河流域除鼎新以北地區、張掖氣象站點周圍地區呈不明顯的變濕趨勢外，其他大部分地區也顯著變濕，Sen’s斜率K在0.000 1～0.001 6，東南部石羊河流域季均濕潤指數年際變化的Sen’s斜率K在0.000 5～0.007 0，除民勤以北地區不明顯變濕，其他大部分地區顯著變濕，其中烏鞘嶺以南變濕最明顯；夏季，平原地區除永昌氣象站點周圍地區呈明顯的變濕趨勢外，絕大部分地區均呈不顯著的變濕趨勢，Sen’s斜率K在0.000 0～0.000 6；秋季的變化趨勢空間分布與春季類似，西北部疏勒河流域得Sen’s斜率K在0.000 3～0.000 8，中部黑河流域除山丹氣象站點周圍地區呈明顯的變濕趨勢外，其他絕大部分地區均呈不明顯變濕趨勢，Sen’s斜率K在0.000 3～0.003 0，東南部石羊河流域季均濕潤指數年際變化的Sen’s斜率K在0.000 9～0.010 0，大部分地區呈不明顯變濕，但烏鞘嶺以南變濕最明顯；冬季，中部的黑河中游的變濕趨勢最明顯，Sen’s斜率K在0.000 5～0.004 5；除此之外，在西部的疏勒河流域也有明顯的變濕趨勢。

圖6　1960-2011年地表季均濕潤指數的年際變化趨勢

圖7　1960-2011年河西走廊地表季均濕潤指數年際變化趨勢(Sen’s斜率K)的空間分布

2.3　濕潤指數變化的影響因子及相關分析

從濕潤指數的定義公式來看，濕潤指數的變化在很大程度上取決于降水量和潛在蒸散量的變化速率，而潛在蒸散量又受到各種氣象要素綜合作用的影響，如氣溫、風速、日照時數、相對濕度等，為了探討河西走廊濕潤指數增加的原因，除了選取直接相關的降水量以外，還選取了影響蒸發的6個氣象要素(風速、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度和日照時數)，根據公式(7)計算主要氣象站濕潤指數與各氣象要素的Pearson相關系數(表3)。

就年平均相關系數而言，近52 a濕潤指數與平均風速、平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量、平均相對濕度、日照時數的相關系數分別為：-0.24，0.09，-0.07，0.22，0.98，0.46以及-0.21。各站與降水量、相對濕度呈現顯著的正相關，西北部疏勒河流域、中部黑河流域和東南部石羊河流域氣象站年W均與相對濕度相關性很強(分別為0.44，0.45，0.47)，表明對于干旱少雨的地區來說，濕潤指數增減與相對濕度的變化息息相關；濕潤指數與降水量的空間分布規律非常相似，與降水量的相關系數接近于1(通過了0.01的置信度檢驗)，說明雖然河西走廊降水量少，蒸發強烈，但近52 a降水量在研究時段內呈顯著增加趨勢(降水增率為3.94 mm/10 a),降水仍對地表濕度起主導作用。濕潤指數與日照時數、平均風速之間存在明顯的負相關，表明日照時數和平均風速的減少對濕潤指數增加有重要作用，而與氣溫的相關程度較弱，說明了氣溫的增高或降低對濕潤指數的影響較小。

表3　河西走廊主要氣象站濕潤指數的影響因子及相關系數

注：*,**分別表示通過0.05，0.01的置信度檢驗；U為年平均風速;Tmean為年平均氣溫;Tmax為年均最高氣溫;Tmin為年均最低氣溫;P為年降水量;Rh為年平均相對濕度;n為年日照時數。

3討 論

地表干濕的估算對于區域氣候變化研究、水資源評價與合理利用、農業灌溉和水利工程建設均有重要意義。因此，全球及區域尺度的地表干濕特征、機制與模擬一直是生態、水文、氣象和農業等領域共同關注的熱點問題，貫穿于氣候變化、水量平衡、旱澇極端事件、農業灌溉與生態修復等各方面研究。然而，地表干濕又受到多種環境因素和生物因素的控制[2,18]，過程甚是復雜多變，特別在較大空間尺度上，更是難以測量或預測。一般而言，區域尺度的干濕度多利用降水與潛在蒸散發之比進行量度，而潛在蒸散發作為地球系統水循環的重要環節，是熱量與水量平衡的關鍵參數，在生物圈—水圈—大氣圈中發揮著不可或缺的作用，與降水共同決定著區域的干濕狀況，并直接影響著全球與區域尺度的水量平衡和氣候變化[1]。事實上，潛在蒸發的估算方法眾多，例如常用的Priestley—Taylor法[19]等，而本文利用的P—M方法系聯合國糧農組織推薦的方法[14]，具有較好的可信度[18]。在全球變暖的背景下，中國變濕地區面積大于變干地區面積，但是干旱化進程大于濕潤化進程。近十幾年來西北大部分地區氣候環境悄然發生了重大變化，出現了氣溫持續上升、降水顯著增加、冰川消融加速、河川徑流增加、湖泊水位上升、面積擴大、洪澇災害頻發、植被有所改善等現象[12]，而河西地區又是甘肅省農業發展的核心區域，其氣候變化對地表干濕的影響研究更為重要。2003年施雅風等[12]提出了西北地區從“暖干”即將轉型為“暖濕”的觀點，引起了學術界的廣泛關注。基于此，作者利用降水與蒸散發之比，推出河西地區地表整體上有變濕趨勢，這與前人的研究結果較為一致[6,9]。而馬柱國等[20]利用Palmer干旱指數推出西北西部地表為變濕趨勢、西北地區東部表現為變干趨勢的結論；這可能是由于其計算方法與本文的方法略有差異所導致。與此同時，本文基于相關分析表明，河西地區的濕潤指數增大主要是由于降水的增大和風速的減小所致。曹雯等[21]通過敏感性分析表明，風速對西北地區蒸散發的變化貢獻最大，河西走廊[9]、天山[10]等地的研究結果亦支持這一結論，即風速的減小是導致蒸散發減小的主要原因，本文研究發現，研究區風速主要呈現減小趨勢，故導致了河西地區的蒸散發減小，這就使得區域內的水分支出部分減小，同時降水的略微增大，綜合使得地表濕潤指數增大。

4結 論

(1) 河西走廊地表多年平均干濕指數為0.00～0.56，皆較為干旱，區內呈現從西北—東南逐漸增大的趨勢，即疏勒河流域濕潤指數最小，石羊河流域最大。就季節而言，河西走廊濕潤指數以夏季最大，秋季次之，春冬最小。

(2) 整體而言，1960—2011年，河西走廊年均濕潤指數以0.009/10 a的速率呈現出增大趨勢。具體而言，濕潤指數的增大主要發生在走廊東部的石羊河流域和中部的黑河流域的南部，而走廊西部的疏勒河流域之濕潤指數沒有顯著變化。

(3) 1960—2011年，各季節濕潤指數亦皆表現出增大趨勢，其中以冬季增大幅度最大，而夏季的增大幅度最小。具體而言，春季、秋季濕潤指數變化速率的空間分布與年濕潤指數變化的空間分布相似。而夏季除永昌外，其余地區變濕趨勢不甚明顯；冬季則以黑河中游的變濕趨勢最大，并且疏勒河流域亦有明顯變濕。

(4) 盡管研究時段內氣溫明顯升高，然降水的增多和風速的減小是導致研究區內濕潤指數增大的主要原因。

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Temporal and Spatial Variation of Humidity and Its Influential Factors in Hexi Corridor During 1960-2011

LIU Yang1, YANG Yongchun1,2, ZHANG Ke3, SUN Yanmeng3

(1.CollegeofEarthandEnvironmentalScience,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China;

2.KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentalSystems,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu

730000,China; 3.CollegeofInformationScience&Engineering,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] To explore the response of land surface humidity to the regional climate change in Hexi Corridor.[Methods] The daily meteorological data from 14 stations during the period from 1960 to 2011 were used to calculate the referential evapotranspiration and humid index for each site based on the Penman—Monteith model. The Sen’s slope and Mann—Kendall trend test were used to analyze the temporal and spatial variation of humidity and its influential factors in the study area.[Results] The humid index of Hexi Corridor was around 0.00～0.56, and the humid index increased during the past 52 years. The humidity conditions showed a spatial variation due to the differences in climate and terrain. The seasonal humid index showed an increasing trend as a whole, with the greatest increases in winter, while smallest changes in summer. [Conclusion] Hexi Corridor is subject to arid climate, while the humid index increased slightly in the past 52 years due to the increase in precipitation and decrease in wind speed.

Keywords:reference evapotranspiration; humid index; Mann-Kendall trend test; Sen’s slope; Hexi Corridor

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0054-07

中圖分類號：P426.2

通信作者：楊永春(1969—)，男(漢族)，陜西省白水縣人，博士，教授，博士生導師，主要從事城市與區域發展研究。E-mail:yangych@lzu.edu.cn。

收稿日期：2013-12-06修回日期：2014-01-10

資助項目：國家自然科學基金項目“制度非均衡供給與后進轉型:漸進制度改革背景下的中國西部城市生長轉型的格局、模式與動力機制”(41171143)

第一作者：劉揚(1987—)，女(漢族)，河北省衡水市人，博士研究生，研究方向為城市環境對氣候變化的響應。E-mail:tifiyang@gmail.com。