基于相對濕潤度指數的近56年若爾蓋濕地干濕變化

強皓凡, 靳曉言, 趙 璐, 盧澤華

(1.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室 水利水電學院, 成都 610065;2.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室, 成都 610066; 3.四川省農田水利局, 成都 610000)

IPCC第五次報告指出，全球變暖已成不爭的事實，由此引發的氣候異常時有發生[1]。氣候變化將改變全球和區域水分循環，影響干濕狀況，進而對農牧業生產和生態環境產生廣泛而深刻的影響，因此近年來干濕變化受到越來越多的關注[2]。目前，研究區域干濕狀況的指標達數十種，如降水距平百分率、標準化降水指數(SPI)、Z指數、相對濕潤度指數(M)等[3]。其中M是指某時段降水量與可能蒸散量的差占同時段可能蒸散量之比，該指數以土壤水分收支平衡為基礎，適用于季、年尺度干旱監測和評估[4]。由于地表干濕狀況受多種自然因素如降水、氣溫、相對濕度、蒸散等綜合作用的影響，因此，單因子干濕指標存在很大局限性[5]，而M綜合考慮多因子的指標逐漸被科學界所認可并得到廣泛應用。王芳芳等運用M研究了石河子墾區近52 a干旱變化特征，發現該區干旱頻發但旱情總體有所減輕[6]。王鶯等用M研究了石羊河流域近52 a干濕特征，發現流域有微弱變干趨勢，濕潤度與降水、風速、相對濕度正相關而與潛在蒸散、平均氣溫、日照時數負相關[7]。姚玉璧等基于M研究了中國西南近55 a干旱特征，發現該區干旱以冬、春為主且未來數年干旱強度仍將增加[8]。

若爾蓋高原濕地位于青藏高原東緣，是高原面積最大、最典型的高寒沼澤濕地，其主導功能是水源涵養，并具有徑流調節、生物多樣性保護、水土保持、沙化控制、調節局部區域小氣候、環境自凈及固碳等輔助生態功能[9]。若爾蓋是長江、黃河源區重要的水源涵養地，素有黃河“蓄水池”之稱，每年供給黃河超過30%的水量[10]。同時，若爾蓋是我國生態脆弱敏感區，近年來，由于人類活動和自然因素的雙重作用，濕地逐漸退化，沙漠化面積與強度明顯增加，環境不斷惡化[11]。目前針對若爾蓋濕地生態環境和氣候變化的研究較多，但主要集中于單氣候因子變化特征等方面，還未深入探討氣候變暖背景下濕地季節性干濕變化特征及其原因。本文基于M，采用Mann-Kendall法、Morlet小波分析、Pearson相關系數等對若爾蓋濕地1960—2015年干濕變化特征及其氣候影響因子進行分析，對進一步研究濕地氣候與環境變化具有重要意義。

1 材料與研究方法

1.1研究區概況和資料

若爾蓋濕地(32°20′—34°00′N，101°36′—103°30′E)地處青藏高原東緣，主體位于若爾蓋縣和紅原縣，面積約1.6萬km2，是我國特有的沼澤分布區，還是全球面積最大的高原濕地，生態研究意義重大。該區域屬大陸性高原氣候，平均海拔3 500 m，年均降水量650～750 mm，平均氣溫0.7～1.1℃[11]。依據該區地勢地貌和資料的連續完整性等標準，選取5個代表氣象站點(表1)。

表1 若爾蓋濕地5個氣象站地理位置

本文氣象數據來源于中國氣象數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，包括5個氣象站1960—2015年逐日氣象資料，即降水量(P)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、平均氣溫(Tmean)、相對濕度(RH)，10 m風速(U10)、大氣壓強(p)和日照時數(n)。采用氣象學標準劃分季節，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季。

1.2 相對濕潤度指數

相對濕潤度指數(M)綜合降水與需水信息，適于旬以上尺度干濕研究[12]，其公式如下[13]：

(1)

式中：P為某時段降水量(mm)；PE為某時段可能蒸散量(mm)。采用1998年世界糧農組織(FAO)推薦的修正Penman-Monteith公式計算[14]，即PE=ET0：

(2)

式中：Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；γ為干濕計常數(kPa/℃)；U2為2 m高處風速(m/s)；Rn為凈輻射(MJ/m2)；G為土壤熱通量(MJ/m2)；T為平均氣溫(℃)；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水氣壓(kPa)。除凈輻射Rn應進行地區校正外[15]，各變量根據FAO方法計算[14]。本文采用左大康等的經驗系數計算Rn[16]，公式如下：

(3)

式中：σ為Stefan-Boltzmann常量(4.903×10-9MJ/K4·m2)；n為實際日照時數(h)；N為最大日照時數(h)；Rso為晴天輻射(MJ/m2)；Tmax,k，Tmin,k分別為最高和最低氣溫(K)。

參考國家標準《氣候干旱等級》[13]并結合濕地實際情況，采用訂正后的相對濕潤度指數分級[12]，為便于分析，認為年尺度M≤-0.15及季尺度M≤-0.30即發生干旱(輕旱及以上)。

1.3 分析方法

采用氣候傾向率[17]和非參數Mann-Kendall檢驗法[18]對M和氣候因素進行趨勢分析和突變分析，采用Morlet小波分析[19]研究干濕周期變化規律，采用Pearson相關系數[17]分析M和各氣象因子之間的關系。

2 結果與分析

2.1 干濕變化年際分析

由圖1A看出，近56 a若爾蓋濕地年M變化區間為-0.184～0.342，僅1 a輕旱，多年平均值為0.131，但呈顯著遞減趨勢(MK檢驗Z=-1.64，p<0.05)，傾向率為-0.018/10 a，說明近56 a若爾蓋濕地有干旱化加重的趨勢。由圖1B—E看出，濕地春季M在-0.491～0.217間變化，共9 a發生干旱，平均-0.143，傾向率為0.026/10 a，呈顯著遞增趨勢(Z=1.82，p<0.05)，說明近56 a來春季呈濕化趨勢。夏季M在-0.042～0.826間變化，平均0.408，傾向率為-0.026/10 a，呈干化趨勢但不顯著。秋季M在-0.197～1.363間變化，平均值0.437，傾向率為-0.073/10 a，呈極顯著遞減趨勢(Z=-2.60，p<0.001)，干旱化趨勢顯著。冬季M在-0.936～-0.429間變化，各年均發生不同程度干旱，平均-0.710，傾向率為0.003/10 a，呈干旱減緩趨勢但不顯著。總的來看，濕地不同時間尺度干濕差異較大，干旱程度依次為：冬>春>年>夏>秋，季節性干旱明顯，干旱主要發生在冬、春兩季且冬季極為嚴重，應重視防旱減災工作，夏、秋兩季則較為濕潤。

2.2 干濕變化突變分析

為進一步分析不同時間尺度上的干濕變化特征，采用Mann-Kendall法對年、季相對濕潤度指數變化進行突變分析(圖2)。圖2中UF，UB分別為順、逆序曲線，若UF值>0(<0)，則序列呈上升(下降)趨勢、趨于濕潤(干燥)，超過臨界值線則該趨勢顯著。若正反序列存在多個交點，受隨機噪聲干擾較大，這些點不是真實突變點，只有一個交點且位于臨界值線之間，才能確定該點為突變點[17]。

由圖2A看出，年M除1961年、1967年和1984年前后呈上升趨勢外，其余年份均呈下降趨勢，說明近年來年際干旱有持續加重的趨勢，同時正反序列曲線在臨界值線間有5個交點，說明年際干濕變化不存在明顯突變。

圖1 若爾蓋濕地1960-2015年相對濕潤度指數年、季變化

由圖2B—E，春季M在1960—1963年、1973—1982年和1994年后均呈上升趨勢，近年來春季干旱有所緩解，同樣地，春季干濕變化無明顯突變。夏季M除1983—1987年呈上升趨勢外，其余年份均呈下降趨勢，其中1968—1979年下降趨勢顯著(p<0.05)，近年來干旱化有所加重，同時夏季干濕變化無明顯突變。秋季M在1986年以前呈波動變化，1986年以后呈下降趨勢且2002年后下降趨勢顯著(p<0.05)。秋季正反序列曲線在顯著性水平線之間僅在1995年處交叉，UF值在1995年后為負值且一直減小，說明秋季在1995年后發生趨干突變，地表干旱化程度加劇，突變前后年均M由0.516降至0.296，降幅為-74.4%。冬季M在1990年以前較為波動，1990年后持續上升，干旱有所緩解，且冬季干濕變化無突變。此外，結合Pettitt檢驗[17]對上述結果進行了驗證，發現只有秋季于1995年發生突變(p<0.05)，其他時間尺度均無顯著突變。

2.3 干濕變化周期分析

1960—2015年若爾蓋濕地相對濕潤度指數周期變化特征明顯，存在多重時間尺度的強弱振蕩周期變化，大時間尺度周期下鑲嵌著更多的干濕交替(圖3)，圖中小波系數正值(實線)表示地表偏濕，小波系數負值(虛線)表示地表偏干。由圖3A看出，年相對濕潤度指數在25～30 a尺度上振蕩最為顯著且貫穿整個時間序列，呈現“干—濕—干—濕—干”的年際變化特征，干旱期為7～8 a；12～15 a尺度周期主要發生在1961—1989年，呈現4次“干—濕”循環，干旱期為4～5 a，年際干濕交替頻繁；在7～10 a尺度上，1990—2010年出現更多的強弱振蕩中心，干濕交替更加頻繁，且2015年后負等值線未閉合，說明未來短期內地表仍然偏干。

由圖3B可知，春季干濕變化存在3種尺度周期振蕩。在15～22 a尺度上，經歷了4次“濕—干”循環，干旱期為6～7 a；在9～13 a尺度上，出現多個強弱振蕩中心，年際干濕交替頻繁；在5～6 a尺度上，主要在1980—2015年振蕩較強。由圖3C看出，夏季干濕變化在24～30 a尺度上，呈現“干—濕—干—濕—干”年際變化特征，干旱期為7～9 a；11～15 a尺度周期振蕩主要發生在1960—1995年，存在4次“干—濕”循環；4～10 a尺度周期振蕩在整個時域內表現較為明顯，且在1990—2015年振蕩較強。由圖3D看出，秋季干濕變化在25～30 a尺度上，呈現“干—濕—干—濕—干”年際變化特征，干旱期約9 a；在11～14 a尺度上，存在4次“干—濕”循環，且1995年以前信號較強；5～7 a尺度周期振蕩在1962—1978年、1997—2010年較強，干濕循環交替頻繁。整體來看，年際振蕩時間尺度經歷了“小—大—小”的變化過程。由圖3E可知，冬季干濕變化的18～25 a尺度周期振蕩在整個時域內表現較為明顯，存在“濕—干—濕—干—濕—干—濕”的循環交替，干旱期為6～7 a；在9～13 a尺度上，干濕循環交替頻繁，2012年等值線由負轉正，短期內即將形成閉合中心，且18～25 a尺度周期已經形成新的負等值線，說明盡管冬季56 a來總體呈微弱趨濕傾向，但未來中短期內仍是干旱期，干旱程度可能較近幾年有所加重，需提前做好防旱準備；4～5 a尺度在1960—1968年、2008—2015年振蕩信號較強。

2.4 氣候影響要素分析

由式(1)可知，M主要取決于降水與潛在蒸散的變化，而潛在蒸散受各種氣象要素綜合作用。為進一步探究氣象要素對干濕狀況的影響，計算各時間尺度氣象要素變化趨勢(表2)并對標準化處理后的氣象要素和M作相關性分析(表3)。

由表2看出，近56 a若爾蓋濕地年、季尺度平均氣溫均呈顯著上升趨勢(p<0.001)，其中冬季平均氣溫增速最大，為0.48℃/10 a，春季增速最小，為0.23℃/10 a。相對濕度則均表現為減小趨勢，其中年、夏、秋季變化顯著(p<0.001)且夏季降幅最大，為-0.74%/10 a。降水量僅春、秋兩季變化顯著(p<0.05)，其中春、冬為增加趨勢，其余時間尺度為減少趨勢。年、季風速均有所上升但不顯著。日照時數在春、夏兩季有所下降，其余時間尺度均上升，但變化均不顯著。潛在蒸散各季均呈上升趨勢，其中年、秋、冬季上升趨勢顯著(p<0.001)且年尺度增速最大，為7.16 mm/10 a，這與近年來氣溫上升、降水減少有關，也與本地區人口增加、過度放牧、植被減少[11]有關。

由表2看出，M與降水量關系最為密切，各季相關系數均達0.94以上(p<0.001)，說明降水量的變化直接影響濕地干濕狀況的變化。具體來看，M與降水量、相對濕度呈顯著正相關(p<0.001)，其中與降水量相關性在秋季最大(R=0.98)，與相對濕度相關性在冬季最大(R=0.86)，說明降水量和相對濕度的增加有利于M的提高。M與日照時數和潛在蒸散量呈顯著負相關(p<0.05)，其中與日照時數在夏季相關性最大(R=-0.68)，與潛在蒸散量也在夏季相關性最大(R=-0.67)，說明日照時數和潛在蒸散增加會導致M的降低。M與風速在春、秋兩季呈正相關，其他季節呈負相關，在冬季相關性最大(R=-0.36)且相關性顯著(p<0.01)；M與平均氣溫也在春、秋兩季呈正相關，其他季節呈負相關，相關性均不顯著，說明風速和平均氣溫對M影響較小?？偟膩砜矗邓?、相對濕度的減少和日照時數、潛在蒸散量的增加對M的降低起主要作用，平均氣溫和風速的影響較弱。濕地干濕變化是各氣象因素綜合作用的結果，其中降水量是最主要影響因子。

圖2 若爾蓋濕地1960-2015年相對濕潤度指數

圖3 若爾蓋濕地1960-2015年相對濕潤度指數年、季變化小波分析

季節MPTmeanRHU2nET0全年-0.018*-4.070.33***-0.41***0.022.977.16***春季0.0265.94***0.23***-0.160.01-1.241.04夏季-0.026-3.690.27***-0.74***0.03-0.562.23秋季-0.073***-6.37*0.31***-0.71***0.023.772.29***冬季0.0030.720.48***-0.040.020.971.60***

注：“*，**，***”分別表示通過0.05，0.01，0.001置信度檢驗，下同。

表3 若爾蓋濕地1960-2015年M與各氣象要素的Pearson相關系數

3 討 論

研究表明，近年來青藏高原大部分地區M呈增加趨勢，主要原因是這些地區降水量的增加與潛在蒸散量的減少[20]。本文對位于高原東緣的若爾蓋濕地的研究表明，濕地降水與相對濕度呈下降趨勢，而潛在蒸散呈上升趨勢，導致近56 a來M呈顯著下降趨勢(p<0.05)，同時氣溫顯著上升(p<0.001)，暖干化趨勢十分明顯，表現出與高原主體氣候濕潤發展方向的差異性，亦與黃河源區21世紀以來暖濕化趨勢不同。王建兵等[21]研究表明，青藏高原邊坡地帶的合作草地呈暖干化趨勢；楊秀海等[22]研究表明，位于藏西北的阿里和那曲分別朝向暖干和暖濕方向發展。說明在相同氣候背景下，不同地理位置呈現出不同的干濕變化趨勢，進而對水資源利用與生態環境保護也會產生不同影響。同一地域在不同時間尺度下干濕狀況與影響因素也不相同，本研究表明，若爾蓋濕地在冬、春兩季干旱嚴重但呈減緩趨勢，主要是由于降水的明顯增加；夏、秋兩季及年尺度雖較為濕潤但干旱化趨勢加重，主要由降水與相對濕度的明顯下降和潛在蒸散明顯上升導致。此外，小波分析表明，各時間尺度上M均在20世紀80年代末至90年代末左右發生了明顯的周期調整(圖3)，21世紀后周期變化趨于穩定且普遍縮短，說明濕地的水熱條件與生態系統穩定性發生了明顯變化。

干濕變化在青藏高原氣候變化的研究中備受關注，過去的研究多集中于高原主體，而對邊坡地帶研究較少[21]。若爾蓋濕地作為黃河“蓄水池”，其氣候干濕變化的深入研究對生態環境保護和黃河上游水資源利用具有重要意義[10]。本研究表明，近年來濕地呈暖干化趨勢，降水減少而蒸散增加，這將加劇地表水分虧缺，導致作物受旱面積擴大，病蟲害加重，加劇濕地退化和沙漠化，因此必須采取措施提高濕地應對干旱化的能力。另外，本文以M為干濕分析指標，然而干旱的發生不僅與氣象要素的變化有關，冰雪融水補給、徑流變化等下墊面要素均會影響干旱[6]，未來的研究需要結合其他條件進行區域干濕變化的綜合分析。

4 結 論

(1) 若爾蓋濕地年際M呈顯著下降趨勢(p<0.05)，其傾向率為-0.018/10 a，有干旱化發展趨勢；冬、春兩季干旱較為嚴重且近56 a有趨濕傾向，夏、秋兩季較為濕潤但近56 a有趨干傾向，干旱程度依次為：冬>春>年>夏>秋。

(2) 秋季于1995年發生顯著趨干突變(p<0.05)，其他時間尺度無明顯突變；

(3) 年際M存在25～30 a，12～15 a，7～10 a三種尺度的周期變化，春、夏、秋、冬各季亦存在多種時間尺度的周期振蕩，未來中短期內冬季仍是干旱期。

(4) 濕地干濕狀況受各氣候因素綜合作用，其中降水量是最主要的因子。降水量、相對濕度的減少和日照時數、潛在蒸散量的增加對濕地干旱化起主要作用，平均氣溫和風速的上升影響較小。

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