基于濕潤指數的近50年和田地區地表干濕變化特征

田世英

摘要?利用1960—2016年和田地區氣象站的逐月氣象資料，采用伊凡諾夫公式計算出逐月潛在蒸散量和濕潤指數，分析了該地區地表干濕的年際、季節變化以及主要影響因素。結果表明，?和田地區夏半年、冬半年以及全年潛在蒸散量平均值分別為?239.8、75.1和?143.7?mm。夏半年、冬半年和全年潛在蒸散發量隨時間變化均呈增長趨勢，增速分別為0.349?3、0.251?9和0.313?6?mm/a。該地區多年平均地表濕潤指數為0.027?2，春季濕潤指數的年際變化呈減小趨勢，夏、秋、冬季和全年濕潤指數的年際變化呈增加趨勢。四季和全年濕潤指數的多年平均指數分別為?0.023?9、0.031?0、0.014?3、0.040?8和0.027?2，根據濕潤指數相對應的氣候區劃標準，該地區春、夏、秋、冬季以及全年均為極干旱區。年濕潤指數與降水量、相對濕度呈顯著正相關，與潛在蒸散量呈顯著負相關，與其他要素的相關性均未通過?0.01、0.05顯著性檢驗。改善該地區濕潤狀況的主導因素是降水量的增加，其他氣象要素的變化對地表干濕狀況起增強或削弱作用。

關鍵詞?潛在蒸散量;濕潤指數;降水量;干濕狀況;和田地區

中圖分類號?S161.3文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0073-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.022

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Characteristics?of?Dry?Trend?Based?on?Moisture?Index?in?Hotan?Prefecture?in?Recent?50?Years

TIAN?Shi?ying?（Environmental?Science，?Xinjiang?University，?Key?Laboratory?of?Oasis?Ecological?Resources?and?the?Ministry?of?Education，?Urumqi，Xinjiang830046）

Abstract?The?monthly?meteorological?data?were?observed?during?1960-2016?at?meteorological?stations?in?Hotan?Prefecture，on?which?the?monthly?potential?evapotranspiration?and?the?humidity?index?were?calculated?by?the?Ivanov?method.The?seasonal?and?annual?changes?of?surface?dry/wet?conditions?and?their?main?impact?factors?were?analyzed?in?Hotan?region，The?result?showed?that?the?average?values?of?evapotranspiration?in?summer?half?year，?winter?half?year?and?the?whole?year?during?1960-2016?were?239.8，75.1?and?143.7?mm?respectively.The?potential?evapotranspiration?in?summer，?winter?and?whole?year?increased?with?time，the?growth?rate?was?0.349?3、0.251?9?and?0.313?6?mm/a.The?humid?index?of?Hotan?region?was?0.027?2，and?the?humid?index?increased?during?1960-2016.The?humid?index?decreased?in?spring?but?increased?in?summer?autumn，winter?and?the?whole?year.Multi?year?average?of?four?seasons?and?full?year?wetting?indices?were?0.023?9、0.031?0、0.014?3、0.040?8?and?0.027?2?respectively.Based?on?the?climate?zoning?standards?related?to?humid?index，the?Hotan?region?was?a?extremely?arid?region?in?spring，summer，?autumn?and?winter.Humid?index?was?positively?correlated?with?precipitation?and?relative?humidity，and?negatively?correlated?with?potential?evapotranspiration.The?correlation?with?other?factors?did?not?pass?the?significance?test?of?0.01?and?0.05，the?correlation?analysis?between?humid?index?and?meteorological?variables?indicated?that?the?change?of?precipitation?was?the?dominant?cause?affecting?the?change?of?dry?wet?conditions?in?Hotan?region，and?the?change?of?other?climate?factors?can?enhance?or?weaken?the?change?of?dry?wet?conditions.

Key?words?Potential?evaporation;Humid?index;Precipitation;Dry?wet?conditions;Hotan?Prefecture

干旱是世界上最具破壞性和緊迫性的自然災害[1]，主要表現為水資源短缺且不足以滿足人類生存和經濟發展的氣候現象，受全球變暖的影響，干旱事件頻繁發生[2]。因此，在氣候變化研究中，許多學者對我國的干濕狀況給予了特別的關注[3-9]。目前，研究區域干濕狀況的指標有幾十種，如降水距平百分率、土壤濕度干旱指數、降水異常指數、標準化降水指標（SPI）、標準化降水蒸散指數（SPEI）、帕爾默干旱指數（PDSI）、Z指數、地表濕潤指數等。由于地表干濕狀況受多種自然因素如氣溫、降水、風速、相對濕度等綜合作用的影響，因此，利用單因子表征的區域地表干濕狀況存在很大的局限性，而一些考慮多種因子綜合作用的干旱指標逐漸被科學界所認可并得到了廣泛應用[10]。其中，?降水指數法使用頻次最高，?但其忽略了水分支出狀況，誤差較大;水量平衡法受限于資料和技術，?難以在較大空間尺度上使用;干濕指數法則充分考慮了降水和蒸發這兩大地表水分收支要素[11]，而這2個量正是地表熱能和水分變化的關鍵參量，能較為客觀地反映地區的干濕狀況;且計算方便，所需資料少，尤其適合于當前資料條件下干濕變化的研究[3]。

目前，對和田地區氣候變化的相關研究較多，主要集中在氣溫、降水等氣象要素變化特征分析等方面，而專門針對和田地區潛在蒸散量以及干濕變化趨勢的研究很少。因此，針對和田地區獨特的氣候環境，根據該區域潛在蒸散量的變化特征及濕潤指數，探討和田地區氣候干濕狀況變化特征，以期為該地區水資源合理開發利用以及防止生態環境的進一步惡化和區域的農業生產、經濟建設提供科學依據。

1?研究區概況與研究方法

1.1?研究區概況

和田地區，位于歐亞大陸腹地，新疆維吾爾自治區最南端。南枕昆侖山和喀喇昆侖山，北部深入塔克拉瑪干大沙漠腹地。地處77°31′～84°55′E、34°22′～39°38′N，屬于暖溫帶極端干旱的荒漠氣候，四季分明，夏季炎熱，冬季冷而不寒，春季升溫快而不穩定，常有倒春寒現象發生，多風沙天氣，秋季降溫快;全年降水少，光照充足，熱量豐富，日照時數2?470～3?000?h，全地區年平均日照百分率在58%～60%，最高可達84%，太陽總輻射量大，光能資源列全疆之冠。深居內陸，遠離海洋，降水稀少，光能資源豐富，形成和田地區氣候干旱、自然條件惡劣、生態環境脆弱、水資源短缺的氣候特征。和田地區4個氣象站的位置見表1。空間分布見?圖1。

1.2?數據來源及預處理

選取該區域內1960—2016年4個氣象站點的平均氣溫、日照時數、平均風速、降水等逐月氣象要素實測數據，采用公式計算得出潛在蒸散發量和濕潤指數。資料來源于中國氣象科學數據共享服務網（?http：//cdc.cma.gov.cn）。按照自然年算法進行資料統計，即每年1—12月之和。季節劃分采用氣象學標準，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。4—9月為夏半年，10月—翌年3月為冬半年。

1.3?研究方法

濕潤指數（W）能夠客觀地反映某一地區的水熱平衡狀況[12]，計算公式：

W=PET?0（1）

式中，W為濕潤指數;P為降水量（mm）;ET?0為最大潛在蒸散量（mm）。若某區域的濕潤指數越大，表示此區域氣候濕潤程度越高;反之，濕潤指數越小，則氣候濕潤程度越低。根據《國際防治荒漠化公約》將氣候區劃為5個區[13]：濕潤指數≦0.05為極干旱區，0.05～0.20為干旱區，0.20～0.50為半干旱區，0.51～0.65為干旱亞濕潤區，>0.65為濕潤區。

潛在蒸散發是指在供水充分條件下的蒸散發量[14]。根據伊凡諾夫公式[15]可以計算出潛在蒸發ET?0。

ET0i=0.0018（T?i+25）2（100-F?i）?（2）

式中，ET0i為最大潛在蒸散量（mm）;T?i為月平均氣溫（℃）;F?i為月平均相對濕度（%）。

2?結果與分析

2.1?潛在蒸散量時間變化特征

根據公式計算和田地區4個氣象站點1960—2016年潛在蒸散量，結果表明，1960—2016年，和田地區冬半年（10月—翌年3月）、夏半年（?4—9月）以及全年潛在蒸散量平均值分別為?75.1、239.8和?143.7?mm。由圖2可知，夏半年、冬半年和全年潛在蒸散發量隨時間變化均呈增長趨勢，增速分別為0.349?3、0.251?9和?0.313?6?mm/a。

從潛在蒸散量的年際分布看，該區域夏半年、冬半年潛在蒸散量均表現為增加趨勢，隨著氣候變暖，氣溫上升，加速了全球水循環的預期，是造成大氣變干、地表蒸發量增大是原因之一，這與張強等[16]的研究結果一致。和田地區潛在蒸散量在夏半年和冬半年增長速度明顯不同，這表明潛在蒸散量的影響因子除氣溫外，還受其他氣象因子的影響。因此，潛在蒸散量的年際變化并不是單一的增加或減少趨勢。

2.2?地表濕潤指數時間變化特征

從不同季節濕潤指數的變化看，近56年，該地區多年平均地表濕潤指數為0.027?2，由圖3可知，和田地區春季濕潤指數呈減小趨勢，春、秋、冬季和全年呈增大趨勢。其中，夏季濕潤指數的變化速率最快，每10年的變化速率為0.004，春季濕潤指數變化速率最慢，每10年的變化速率為-6×10-5。秋冬季濕潤指數變化速率相當，每10年變化速率為?3×10-5～9×10-5，而全年濕潤指數變化每10年變化速率為0.002。春、夏、秋、冬季和全年濕潤指數的多年平均指數分別為?0.023?9、0.031?0、0.014?3、?0.040?8和0.027?2，濕潤指數的變異系數分別為0.091?1、?0.099?4、0.111?0、0.222?1和0.083?2。根據濕潤指數相對應的氣候區劃標準[13，17]，該地區春、夏、秋、冬季以及全年均為極干旱區。從濕潤指數變化速率看，全年濕潤指數基本保持穩定，說明該地區總體相對偏干燥，干旱化趨勢較明顯。

2.3?地表干濕狀況變化影響因素分析

根據其定義，降水量和潛在蒸散量的變化對濕潤指數的變化有直接影響，氣溫、日照時數、相對濕度和風速等氣候因子影響潛在蒸散量。因此，為了建立統一、穩定的數據時間序列，該研究選取降水量、相對濕度、日照時數、平均氣溫、平均風速和潛在蒸散量6個要素，運用回歸分析法，探究濕潤指數與各影響要素之間的相關性以及主要的影響因素，對和田地區地表干濕狀況的變化成因進行分析。從表2可以看出，該地區的濕潤指數與潛在蒸散量呈顯著負相關，這類要素的增加將導致濕潤指數的減小，反之則增加，說明潛在蒸散量在濕潤指數減少趨勢中起著重要作用，同時潛在蒸散的減少有利于濕潤指數的提高;與降水量、相對濕度均呈顯著正相關，與降水量相關性最大的發生在夏季，R2=0.814;與相對濕度相關性最大的也發生在夏季，R2=0.414，說明降水量和相對濕度的增加均會導致濕潤指數的增大，反之則減小。

從和田地區全年以及季節來看，春季，濕潤指數與降水量、相對濕度、潛在蒸散量呈顯著正相關，與平均氣溫、日照時數、平均風速均未通過0.01、?0.05顯著性檢驗;夏季，濕潤指數與降水量、相對濕度呈顯著正相關，與潛在蒸散量呈顯著負相關，與平均氣溫、日照時數、平均風速均未通過0.01、0.05顯著性檢驗;秋季，濕潤指數與降水量呈顯著正相關，與其他氣象要素的相關性均未通過任何顯著性檢驗;冬季的濕潤指數與相對濕度呈顯著正相關，與潛在蒸散量呈顯著負相關，與其他要素的相關性均未通過0.01、0.05顯著性檢驗;年濕潤指數與降水量、相對濕度呈顯著正相關，與潛在蒸散量呈顯著負相關，與其他要素的相關性均未通過0.01、0.05顯著性檢驗。因此，不同氣候因子的變化趨勢不同，對地表干濕狀況的影響也不同。潛在蒸散量的增加會導致地表趨于干化，而降水量、相對濕度的增加對地表濕潤狀況起積極作用，通過以上分析可以得出，改善該地區濕潤狀況的主導因素是降水量的增加，其他氣象要素的變化對地表干濕狀況起增強或削弱作用。

3?討論

3.1?潛在蒸散發公式的適用性

該試驗以干濕指數作為該區域氣候干濕演變特征的研究指標，其中，潛在蒸散發的計算具有重要意義。蒸散發是水文循環的重要組成部分，能量循環的主環節之一，也是陸地和海洋中水分進入大氣的唯一路徑，更是水資源規劃的重要組成部分。它可以用來反映天氣條件下各種下墊面蒸發過程的能力，反映某地區的干濕狀況。因此，對蒸散發的估算一直是學術界關注的重點之一。潛在蒸散量的確定在不同水文模型中具有不同的計算方法，由于對潛在蒸散量進行實測具有一定的局限性，大量學者采用經驗公式確定潛在蒸散量，其計算方法主要分為3類：基于輻射的計算方法[18]，基于溫度的計算方法[19]，以及前兩者的結合，綜合類的計算方法[20]。對眾多潛蒸散發計算模型進行比較，結果表明世界糧農組織（FAO）1998年修正的Penman-Monteith公式[21]是最常用的計算潛在蒸散發公式，所得到的潛在蒸散發值最為準確，此模型運用空氣動力學及水汽擴散等原理對區域蒸散能力進行估算，但需要詳細的氣象資料，大多數地區難以提供這些完整的資料。因此，該研究中潛在蒸散量及濕潤指數的計算均建立在氣溫和相對濕度等氣象資料的基礎上，估算精度在北方地區已得到驗證[22-23]，適用于和田地區潛在蒸散量的估算。

3.2?干濕狀況分析

1960—2016年和田地區夏半年、冬半年以及全年的潛在蒸散量平均值分別為?239.8、75.1和?143.7?mm，潛在蒸散量均呈波動上升趨勢。尤其是在1984年，全年潛在蒸散量為178.3?mm，達到峰值。1960—2016?年和田地區春季濕潤指數呈減小趨勢，夏季濕潤指數呈波動上升趨勢，秋、冬季濕潤指數波動幅度較小，保持穩定。而全年則呈緩慢增加趨勢。春、夏、秋、冬季和全年濕潤指數的多年平均分別為0.024?0、0.031?1、0.014?3、0.040?8和0.027?2。根據濕潤指數相對應的氣候區劃標準，該地區春、夏秋、冬季以及全年均為極干旱區。濕潤指數與降水量和相對濕度呈正相關，與潛在蒸散量呈負相關。降水量發生變化對濕潤指數變化影響最大，其次是相對濕度和潛在蒸散量，日照時數、平均溫度和風速則未通過0.01、0.05置信度檢驗。說明該地區總體相對偏干燥，干旱化趨勢較明顯。

從濕潤指數的定義來看，濕潤指數的變化很大程度上取決于降水量和潛在蒸散量的變化，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。和田地區的干濕狀況與降水量和蒸發量密切相關，并對研究區干濕變化產生重要影響。客觀、真實地反映地表的干濕程度一直是科研工作者面臨的一大難題。該研究基于前人相關研究成果，利用基于降水量和地表潛在蒸散量的濕潤指數分析和田地區地表干濕變化，一定程度上能較好地反映該地區地表干濕變化的客觀事實，但并不能完全反映實際情況，因此，在今后地表干濕狀況的研究還應考慮諸多要素，如在計算地表蒸發潛力時考慮邊界層風速的影響[24]。

3.3?濕潤指數在和田地區的應用

該地區濕潤指數呈增加趨勢，且在四季中，僅有春季呈下降趨勢，通過對四季氣溫、降水等氣象要素和濕潤指數的相關分析計算，夏季的降水量和濕潤指數的相關性達0.814（通過了0.01顯著水平檢驗）?。表明夏季濕潤指數的增加對全年濕潤指數的增加起關鍵作用。四季和全年濕潤指數表明，和田地區屬于極干旱區，變干趨勢較明顯。特別是由于氣候干燥引發的春旱，對該地區的農業及國民經濟健康發展產生威脅。

從該研究結果看，該區域濕潤指數的計算中，以降水量和相對濕度作為主導因素，將賦予其他因素固定權重，而實際權重會隨時間發生改變，因此，地表干濕的變化不僅受氣象要素影響，還與地勢地貌等要素有關。濕潤指數是檢驗干濕狀況以及干濕狀況變化對干旱化過程產生作用的較為理想的指數，利用降水量與潛在蒸散量的比計算出濕潤指數，產生的結果可能與潛在蒸散量公式的氣象要素具有一致性。氣溫升高，引起全球變暖現象是一個不爭的事實[25]，氣溫的上升造成的氣候變暖和降水量的增加是否能引起蒸發量發生具體變化還值得進一步探討。

4?結論

地表濕潤指數，不僅能夠較為客觀地反映某區域氣候的干濕狀況，還在水資源管理、農業發展及經濟建設中具有重要意義[10]。根據1960—2016年和田地區4個氣象站點逐月氣象實測數據，計算和分析該地區潛在蒸散量和濕潤指數變化特征。結果表明，1960—2016年和田地區夏半年、冬半年和全年潛在蒸散量平均值分別為?239.8、75.1?和143.7?mm。夏半年、冬半年和全年潛在蒸散發量隨時間變化均呈增長趨勢，增速分別為0.349?3、0.251?9和0.313?6?mm/a。1960—2016年該地區年均地表濕潤指在0.005?9～0.083?2，春季濕潤指數呈減小趨勢，夏、秋、冬季和全年呈增加趨勢，均以變濕趨勢為主，不同季節各地區的變化趨勢不同。四季和全年濕潤指數的多年平均指數分別為?0.023?9、0.031?0、0.014?3、?0.040?8和0.027?2。根據濕潤指數相對應的氣候區劃標準，該地區四季及全年均為極干旱區。

通過與各氣候因子的相關分析表明，濕潤指數與降水量、相對濕度呈正相關，與潛在蒸散量呈負相關。降水量的變化對濕潤指數變化影響最大，其他氣候要素的變化對地表干濕狀況起增強或削弱作用。

參考文獻

[1] YU?M?X，LI?Q?F，HAYES?M?J，et?al.?Are?droughtsbecoming?more?frequent?or?severe?in?China?based?on?the?Standardized?Precipitation?Evapotranspiration?Index：1951-2010？[J].International?journal?of?climatology，2014，34（3）：545-558.

[2]?謝培，顧艷玲，張玉虎，等.1961-2015年新疆降水及干旱特征分析[J].干旱區地理，2017，40（2）：332-339.

[3]?王允，劉普幸，曹立國，等.基于濕潤指數的1960—2011年中國西南地區地表干濕變化特征[J].自然資源學報，2014，29（5）：830-838.

[4]?劉德坤，王軍邦，齊述華.基于濕潤指數的近35年青海省干濕狀況變化分析[J].水土保持研究，2014，21（2）：246-250，256.

[5]?蘇秀程，王磊，李奇臨，等.近50a中國西南地區地表干濕狀況研究[J].自然資源學報，2014，29（1）：104-116.

[6]?任志遠，李冬玉，劉憲鋒.1960—2011年秦嶺南北地表干濕變化時空特征[J].陜西師范大學學報（自然科學版），2014，42（1）：81-85.

[7]?劉揚，楊永春，張軻，等.1960-2011年河西走廊地表干濕狀況的時空變化及影響因素[J].水土保持通報，2015，35（1）：54-60.

[8]?鄭然，李棟梁.1971—2011年青藏高原干濕氣候區界線的年代際變化[J].中國沙漠，2016，36（4）：1106-1115.

[9]?祁棟林，李甫，肖建設，等.近53a來祁連山南北坡潛在蒸散量及地表濕潤度變化趨勢分析[J].干旱氣象，2016，34（1）：26-33.

[10]?徐羽，吳艷飛，徐剛，等.長三角地區地表干濕狀況及極端干濕事件特征研究[J].自然資源學報，2017，32（9）：1579-1590.

[11]?劉宇峰，原志華，封建民，等.基于地表濕潤指數的1959-2014年陜西省地表干濕時空變化特征[J].干旱區地理，2016，39（6）：1186-1196.

[12]?曹博，張勃，馬彬，等.2000—2014年甘肅省NDVI時空變化特征[J].中國沙漠，2018，38（2）：418-427

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

[14]?泮蘇莉.?浙江省潛在蒸散發變化及水文過程研究[D].杭州：浙江大學，2017.

[15]?陳仲全，何友松.我國干旱區的干燥度與氣候特征[J].西北師范大學學報（自然科學版），1980（1）：88-103.

[16]?張強，楊澤粟，郝小翠，等.北方蒸散對氣候變暖響應隨降水類型轉換特征[J].科學通報，2018，63（11）：1035-1049.

[17]?張亞寧，張勃，卓瑪蘭草，等.1960-2008年黑河流域地表干濕狀況的時空變化分析[J].干旱區研究，2012，29（5）：838-846.

[18]?趙捷，徐宗學，左德鵬，等.基于輻射的潛在蒸散發量估算方法在黑河流域的適用性分析[J].干旱區資源與環境，2013，27（10）：107-114.

[19]?HARGREAVES?G?H，SAMANI?Z?A.Estimating?of?potential?evapotranspiration[J].Journal?of?irrigation?and?drainage?division，1982，108（3）：225-230.

[20]?黃小燕，張明軍，賈文雄，等.中國西北地區地表干濕變化及影響因素[J].水科學進展，2011，22（2）：151-159.

[21]?FAO?Food?and?Agriculture?Organization?of?the?United?Nations.Crop?evapotranspiration?guidelines?for?computing?crop?water?re?quirements?FAO?irrigation?and?drainage?paper?56[M].Rome：FAO?Food?and?Agriculture?Organization，1998.

[22]?黃海云，張山清，沙曼曼，等.1961-2008年塔城地區氣候變化特征[J].新疆農業大學學報，2012，35（3）：242-248.

[23]?傅瑋東，姚艷麗，陳洪武.北疆北部地區春季地表濕潤狀況特征分析[J].中國農業氣象，2009，30（S2）：223-226.

[24]?劉宇峰，原志華，吳林，等.基于濕潤指數的近55年安康地表干濕變化趨勢及周期研究[J].自然災害學報，2016，25（3）：11-21.

[25]?普宗朝，張山清，李景林，等.近47a塔克拉瑪干沙漠周邊地區氣候變化[J].中國沙漠，2010，30（2）：413-421.