利用de Martonne方法對我國20世紀干旱化趨勢的研究

孟 猛, 宗美娟

(1.山東理工大學, 山東 淄博 255049; 2.淄博職業學院, 山東 淄博 255314)

荒漠化作為全球變化的重要方面，特別是對因對農業生產的重要影響受到了廣泛關注。聯合國防治荒漠化公約1994年對荒漠化有著明確定義，“荒漠化系指包括氣候變異和人類活動在內的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區的土地退化”。而對“干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區”的劃分依據的主要氣候指標則是干燥度。干燥度(Aridity Index，AI，或K等)，在此特指氣候干燥度，是表征一個地區干濕程度的指標，一般以某個地區水分收支與熱量平衡的比值來表示，其倒數則稱為濕潤指數(Humidity Index，HI)。干燥度的計算對于了解氣候—植被之間的相互關系，研究和預測全球變化對人類及生物賴以生存的生態環境的影響，以及制定應對的策略、方法與途徑具有重要的理論和現實意義。

孟猛等[1]通過對現有的22種干燥度指數中應用最為廣泛的8 種指數進行比較和分析，包括各自的原理、計算方法和在生態學與地理學研究中的應用等方面，結合其在中國應用的實際狀況，分別闡述了各自的優缺點。最簡單的計算氣候干燥度的方法就是利用溫度與降水這兩個氣候因子來計算干燥度，此類方法應用最廣泛的就是de Martonne干燥度計算方法，因為其計算簡單，指標明確，與植被和水分對應性強，所以經常用在氣候區劃上。Weck[2]根據建立了德國的氣候模型。Botzan[3]利用de Martonne干燥度計算方法劃分的水文特征提供了定義農業干旱的新指標。陳金等[4]把de Martonne干燥度作為衡量區域氣候干濕狀況的綜合指標，通過對干燥度指數的柵格空間數據進行分析，研究了1981—2007年錫林郭勒盟的氣候狀況，以及氣候干燥度等值線的空間位移與動態變化規律等。

de Martonne干燥度計算方法利于月干燥度的計算，并且其計算簡單，但精確度不高，比較適合于在大尺度的研究中應用。本文利用de Martonne干燥度計算方法和氣象數據，對我國1901—2000年的干燥度進行計算，并結合GIS軟件Mapinfo的應用，對20世紀我國干旱區的變化趨勢進行了初步探討。

1　數據與方法

1.1　氣象數據

采用英國的東安格利亞大學氣候研究中心(Climatic Research Unit)CRU TS 2.0數據集為基礎數據。該數據集是由CRU提供的在時間尺度(TS)上變化的氣象數據。TS 2.0是1901—2000年間以0.5度為一間隔的點上的氣象數據集。其提供的氣象數據包括月降水量、平均溫度、云層蓋度和水汽壓。該數據集可以用來比較氣候的變化研究[5]。

1.2　干燥度的計算

de Martonne在1926年提出了一種簡單的干燥度計算方法，其計算公式如下所示：

式中：IdM即de Martonne干燥度；P為平均降水量(mm)；T為平均溫度值(℃)。在本研究中，平均降水量是年平均降水量，每十年的平均年降水量為P值，每10年的每天平均溫度為T值，計算0.5度點上的十年的平均干燥度值。

根據Crowe[6]在1971年對干旱氣候的劃分依據：干燥度值小于10，表明嚴重干旱，河流斷流，農作物需要強制人工灌溉；干燥度值為10～30，表明中等干旱，河流暫時性有水，流量中等，植被類型為草原；干燥度大于30，表明氣候濕潤，河流可以常年有水，不斷流，并水量充足，植被類型為森林。

1.3　空間插值

利用CRU氣象數據中的0.5°精度的經緯度點使用GIS軟件Mapinfo創建點元素地圖，然后利用TIN即不規則三角網進行空間插值。不規則三角網插值是直接利用原始采樣點進行區域平面的重建，由連續的相互聯接的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規則分布的觀測點的密度和位置。經過比較分析，TIN插值的設置為單元大3.8 km；格網尺寸：1 770×1 024；允許距離：0.005；距離：42；特征角度：25°。de Martonne計算的干燥度指數TIN插值的樣式方法：自定義范圍；變形數：2；舍入精度：0.1。分界線兩個，分別是干燥度指數30，10。

2　結果與分析

2.1　全國de Martonne干燥度計算結果

圖1是根據1901—1910年我國de Martonne干燥度計算結果進行區劃，濕潤、半濕潤半干旱和干旱地區的具體分布情況，圖2則是1991—2000年各區域的具體分布情況。中國總的干旱氣候變化及百年間的動態分布面積見圖3。1901—1910年間的干旱氣候分布最小，只有163.1萬km2。1961—1970年間的干旱氣候分布最廣，有205萬km2，約占國土總面積的21.8%。從1961—1970—2000年總的趨勢是干旱區面積減少，不過，1991—2000年間的干旱氣候面積又比1981—1990年間的又有稍微增加，增加了0.8%。1991—2000年間的干旱氣候面積為165.9萬km2，約是國土總面積的17.5%。

圖11901-1910年間deMartonne干燥度

圖21991-2000年間deMartonne干燥度

圖3各氣候區域面積變化

1961—1970年間的半濕潤半干旱氣候面積最小為162.6萬km2，1991—2000年間的半濕潤半干旱區面積最大，為256.6萬km2，約占國土總面積的27%。總的變化趨勢為1901—1910年間到1921—1930年間逐步增加，1921—1930年向后逐步減少，直至最小年份，以后逐步增加至最大年份。最近四、五十年來，半濕潤半干旱氣候面積是逐步增加的。1991—2000年間比1981—1990年間增加了大約13.4%。

從圖3可以看出，1991—2000年間的濕潤氣候面積最小，只有524.5萬km2，是國土總面積的55.2%。1951—1960年間的濕潤氣候面積最大，有597.9萬km2。1991—2000年間比1951—1960年間濕潤氣候面積大約減少了12.3%。濕潤氣候面積的變化趨勢是：1901—1910年間到1921—1930年間逐漸減少，1921—1930年間到1951—1960年間濕潤氣候是增加的，特別是1951—1960年間比1941—1950年間增加了53萬km2，是1951—1960年間的濕潤氣候總面積的9.7%；從1951—1960年間到1991—2000年間濕潤氣候面積逐漸減少，1981—1990年間到1991—2000年間變化最大，減少了32.2萬km2，大約是1981—1990年間濕潤氣候總面積的5.8%。

2.2　區域de Martonne干燥度計算結果

本研究以地理區域劃分將中國大陸及主要島嶼劃分為6個區域分別對其區域內的各氣候區域面積變化進行了研究。東北地區面積大約是786 400 km2，包括：黑龍江、吉林、遼寧；華北地區面積大約1 515 000 km2，包括：內蒙古、河北、山西、北京、天津；西北地區面積大約是3 012 000 km2，包括：陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆；西南地區面積約2 332 000 km2，包括：四川、重慶、貴州、云南、西藏；華中地區面積大約564 000 km2，包括：湖北、湖南、河南；華東地區面積約788 400 km2，包括：山東、江蘇、安徽、上海、浙江、江西、福建；華南地區包括：廣東、廣西、海南、臺灣和港澳特別行政區。

東北地區百年以來沒有出現干旱氣候，只有濕潤氣候和半濕潤半干旱氣候。其中絕大部分地區是濕潤氣候，濕潤氣候分布變化見圖4。自20世紀初到1951—1960年間，東北地區的濕潤氣候分布面積是逐步擴大的。1951—1960年間的濕潤氣候面積最大，共767 000 km2，約占東北地區總面積的97.5%。1951—1960年間至1991—2000年間濕潤氣候面積逐步縮小，即半濕潤半干旱氣候面積在逐步擴大。1981—1990年間到1991—2000年間變化最大，濕潤氣候面積減小了57 100 km2，占總面積的7.3%。

華北地區3種氣候類型都有，其分布變化見圖5。華北地區主要的氣候類型為半干旱半濕潤氣候。其干旱氣候類型面積變化不大，主要是濕潤氣候面積和半濕潤半干旱氣候面積變化顯著。1951—1960年間的濕潤氣候面積最大共553 200 km2，而半濕潤半干旱氣候面積最小為635 000 km2，其相差不大。自世紀初到1951—1960年間濕潤氣候面積是增加的，而從1951—1960年間到1991—2000年間濕潤氣候面積是逐步縮小。其半濕潤半干旱氣候面積變化則正好相反，1991—2000年間比1951—1960年間的半濕潤半干旱氣候面積增加了大約52.3%。

圖4　東北地區濕潤氣候面積變化

圖5　華北地區各類型氣候面積變化

西北地區主要的氣候類型是干旱氣候，我國的干旱氣候也主要是分布在西北地區。其次是半濕潤半干旱氣候，濕潤氣候面積最小。其各氣候面積變化見圖6。西北地區的濕潤氣候面積變化不大，半濕潤半干旱氣候面積和干旱氣候面積變化較大。其中1961—1970年間干旱氣候面積最高為1 674 000 km2，同時半濕潤半干旱氣候的面積最小650 500 km2，甚至低于濕潤氣候面積。近幾十年西北地區的干旱氣候面積在減少，只是1991—2000年間比1981—1990年間略有增加，但是同時濕潤氣候面積也在減少，即半濕潤半干旱氣候在增加。

圖6　西北地區各類型氣候面積變化

西南地區絕大部分為濕潤氣候，半濕潤半干旱氣候和干旱氣候面積很小，1991—2000年間甚至沒有干旱氣候。其濕潤氣候面積變化見圖7。其濕潤氣候面積在1941—1950年間最小，有2 294 000 km2，其次就是1991—2000年間面積小，有2 251 000 km2。變化最顯著的年份是1981—1990年間到1991—2000年間，濕潤氣候地區減小了49 000 km2，占西南地區總面積的2.1%。

華中地區的主要氣候類型是濕潤氣候，其次是半濕潤半干旱氣候，無干旱氣候。其各氣候類型面積變化見圖8。濕潤氣候面積在1921—9130年間最小，只有400 300 km2，在1971—1980年間濕潤氣候面積最大，有498 400 km2。最近30 a間濕潤氣候面積在逐步減少。1991—2000年間比1971—1980年間減少了57 400 km2,約占華中地區總面積的10.2%。

圖7　西南地區各類型氣候面積變化

華東地區絕大部分地區是濕潤氣候，其余的地區是半濕潤半干旱氣候。其濕潤氣候變化見圖9。其中1931—1940年間的濕潤氣候面積最小為605 900 km2。1971—1980年間濕潤氣候面積最大為730 900 km2。自1971—1980年間至世紀末濕潤氣候面積是逐步減小的，1991—2000年間的濕潤氣候面積是613 400 km2。

華南地區只有濕潤氣候類型，無變化。

圖8　華中地區濕潤氣候面積變化

圖9　華東地區濕潤氣候面積變化

3　結 論

de Martonne的計算結果顯示，我國干旱氣候面積在過去的1個世紀里，增加了2.8萬km2，約是我國國土總面積的0.3%。1991—2000年間干旱氣候的南界是北緯35.475°,而1901—1910年間的干旱氣候的南界是北緯35.568°，說明干旱氣候略有北移。1901—1910年間的干旱氣候的東界是東經108.765°，西界是東經75.531°;1991—2000年間的干旱氣候的東界是東經108.565°，西界是東經75.311°。這樣看來干旱氣候是西移的。干旱氣候主要是在西北地區，華北地區內蒙古自治區的西部也是干旱氣候，其他地區無干旱氣候。丁一匯等[7]通過對國家氣候中心的數據進行分析，認為我國過去近百年來的溫度變化與北半球的變化大致相同，我國溫度出現最高的時期是在40年代。此結論與Martonne計算的干旱氣候面積最大時期相符。周曉東等[8]利用Penman和Thornthwaite方法計算我國的干燥度指數，認為現階段我國干旱區面積約占國土總面積的17%。此干旱區面積與本研究所得的干旱氣候面積大體一致，并且分布范圍基本相同。

半濕潤半干旱氣候面積在1991—2000年間比在1901—1910年間增加了43.6萬km2，是我國國土面積的4.6%。1901—1910年間和1991—2000年間的半濕潤半干旱氣候的北界都是北緯49.847°，無變化。1991—2000年間半濕潤半干旱氣候的南界是北緯30.988°，1901—1910年間的南界是北緯32.795°。說明我國的半濕潤半干旱氣候在20世紀有較大的南擴現象。半濕潤半干旱氣候1901—1910年間的東界是東經125.099，1991—2000年間是東經125.047，濕潤半干旱氣候最西始終到我國的西邊境，這樣看來半濕潤半干旱氣候有較小的東擴。半濕潤半干旱氣候在我國的西北地區、華北地區有較大的分布，而華中地區和華東地區的北部也有一定的分布，東北地區的西南部有少量的地區也是半濕潤半干旱氣候。

濕潤氣候的面積世紀末比世紀初減少了49.8萬km2，是國土總面積的5.2%，有較大的變化。我國的各個地區都有濕潤氣候分布。1991—2000年間濕潤氣候面積，西北地區減少了31.8%，華北地區減少了17.7%，東北地區少了2.4%，西南地區少了2.7%，華中地區減少了9.7%，華東地區減少了8.3%。從減少面積的絕對值來看也是西北地區最大，減少了256 700 km2，華北地區次之，共減少了58 300 km2。慈龍駿[9]在研究全球變化對我國荒漠化的影響時認為我國過去30 a間的濕潤氣候平均面積是國土面積的61.7%，與本研究所得出的面積大體相等。

由計算結果得出，我國濕潤氣候面積在逐步減少，半濕潤半干旱氣候和干旱氣候面積在增大，特別是半濕潤半干旱氣候面積增幅較大，這與李新周等[10]研究的全球干旱化趨勢相符。自我國的東南地區到西北地區，氣候逐步變的干燥。干旱化的趨勢主要是由西北地區和華北地區向南，向東擴展。在全球增暖背景下，由于溫度的升高導致地表蒸發量的增加；同時，廉毅等[11]研究表明中國的氣候過渡帶降水量線性下降較顯著。這應該是20世紀我國干旱化加劇的兩個重要因素。

參考文獻：

[1]孟猛,倪健,張治國.地理生態學的干燥度指數及其應用評述[J].植物生態學報,2004,28(6):853-861.

[2]Weck J. An improved CVP-index for the delimitation of the potential productivity zones of the forest lands of India. [J]. Journal of The Australian Mathematical Society, 1970,2(3):321-333.

[3]Botzan M. Consideratii asupra indicilor climatici pentru proiectarea irigatiilor[J]. Hidrotehnica, 1974,19:41-48.

[4]陳金,李政海,賈樹海,等.錫林郭勒草原區氣候干旱化的時空變化規律[J].內蒙古大學學報,2011,42(3):304-310.

[5]聞新宇,王紹武,朱錦紅,等.英國CRU高分辨率格點資料揭示的20世紀中國氣候變化[J].大氣科學,2006,30(5):894-904.

[6]Crowe P R. Concepts in Climatology[M]. London:Longman, 1971.

[7]丁一匯,戴曉蘇.中國近百年來的溫度變化[J].氣象,1994,20(12):19-26.

[8]周曉東,朱啟疆,孫中平,等.中國荒漠化氣候類型劃分方法的初步探討[J].自然災害學報,2002,11(2):125-131.

[9]慈龍駿.全球變化對我國荒漠化的影響[J].自然資源學報,1994,9(4):289-303.

[10]李新周,劉曉東,馬柱國.近百年來全球主要干旱區的干旱化特征分析[J].干旱區研究,2004,21(2):97-103.

[11]廉毅,沈柏竹,高樅亭,等.中國氣候過渡帶干旱化發展趨勢與東亞夏季風、極渦活動相關研究[J].氣象學報,2005,63(5):740-749.