近48年青藏高原水熱資源時空演變與匹配特征

董凌霄，張艷敏，蔣佩東，董前進

(1.水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢大學，湖北 武漢 430072；2.中工武大設計研究有限公司，湖北 武漢 430070)

青藏高原特殊的高海拔、低氣壓、強輻射及充足日照形成了其獨特的氣象與地理條件[1]，同時，全球的氣候變化及青藏高原近幾十年日益活躍的人類活動也影響了其水熱資源時空分布，并對青藏高原農牧業發展產生深遠的影響。而青藏高原農牧業生產與當地的自然稟賦條件，如水資源、熱量、土地資源等密切相關，由此，研究年降雨量、年均氣溫、參考作物蒸散發量等水熱資源表征指標的時空演變與匹配特征對青藏高原農牧業持續生產意義重大[2-4]。

近年來，國內外學者對青藏高原氣候變化特征開展了大量研究。如姚天次等[5]利用Fao Penman-Monteith方程，分析了青藏高原潛在蒸散發的空間布局及其突變特點；牛濤等[6]采用方差極大正交旋轉法，研究了青藏高原的平均溫度以及相對濕度等氣候特征；Yao等[7]運用多種突變檢驗模型，探討了青藏高原蒸發皿蒸發量的突變性及其空間分布的關系；劉桂芳等[8]通過69個氣象臺站的氣象數據，分析了青藏高原近50年的主要氣候因子特征；Zhang等[9]運用標準化降水蒸散發指數，分析研究了青藏高原及其周邊地區的干旱演變特征；湯懋蒼等[10]研究了近千年來青藏高原及其四周的氣候變化，分析了降水與氣溫的相關性并初步預測了中國西部的氣候變化趨勢。在水熱資源匹配特征的研究中，一些學者[11-12]采用匹配距離以及不平衡指數進行匹配度的分析；另有研究[13]則采用干燥度指標來分析水熱資源的匹配關系。總體來看，目前針對青藏高原農牧業水熱資源的時空演變的文獻較多，但涉及青藏高原水熱資源匹配特征方面的研究較少。而青藏高原水熱資源匹配狀況將決定青藏高原農牧業發展布局并影響當地水資源持續利用。為此，這里以青藏高原為例，分析年降雨量、參考作物蒸散發量、年均氣溫等水熱資源表征指標的時空演變與匹配特征，為青藏高原的農牧業發展和水資源管理提供科學依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

青藏高原總面積約250萬km2，占中國陸地面積近1/4，地廣人稀，平均海拔在4 000 m以上，是中國的第一級階梯。高海拔帶來了豐富的光照資源，同時高原上湖泊眾多，水資源豐沛，特殊的地形地貌使它成為東亞、東南亞和南亞許多大河發源地。近年來，該地區的氣候變化呈現出暖濕化趨勢[8，14]，水熱資源充沛，也為該地區農牧業發展奠定了良好的基礎。

1.2 數據來源

研究中使用的氣象數據(包括降雨、氣壓、溫度、風速、濕度、日照時數)和輻射數據均來自中國氣象數據共享網日值數據集，時間跨度為1970—2017年。其中，氣象站點在青藏高原及其邊界附近共317個站點，輻射數據源于青藏高原及其邊界附近26個站點，氣象站點分布見圖1。由于青藏高原西部部分地區環境十分惡劣，限制常規的觀測設施的布設，因而這些地區的站點較少，分布不均。但本文所用數據均為歷史及現狀實測資料且經過了質量控制，因此，數據能滿足本文計算要求，且可靠性較高。

圖1 青藏高原氣象站點分布

2 研究方法

以降水量表示水分收支情況，以氣溫和參考作物蒸散發量作為熱量指標，以濕潤指數及匹配系數反映水熱資源匹配特征進行青藏高原水熱資源時空演變與匹配特征研究。

2.1 參考作物蒸散發量

由于參考作物蒸散發量通常只與氣象條件有關，在一定程度上能反映某一區域獲得的熱量情況，為此，除氣溫表示熱量指標外，也嘗試采用參考作物蒸散發量作為熱量指標，其計算采用在濕潤或干旱半干旱地區都適用的Penman-Monteith公式，計算式如下[15]：

(1)

式中 ET0——參考作物蒸散發量，mm/d；Rn——作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G——土壤熱通量，MJ/(m2·d),G≈0；T——2 m高度處的空氣溫度，℃；u2——2 m高度處的風速，m/s；es——飽和水汽壓，kPa；ea——實際水汽壓，kPa；es-ea——飽和水汽壓差，kPa；Δ——水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ——濕度表常數，kPa/℃。

2.2 濕潤指數

濕潤指數(Humidity index，HI)通常用于衡量一個地區的干濕程度[16]，一般以某地區的水分收支比值來計算，計算公式如下：

(2)

式中P——降水量，mm；ET0——參考作物蒸散發量，mm。

由于式(2)中同時含有水分(降水)、熱量(參考作物蒸散發量)指標，這里也作為水熱資源匹配的一種指標進行分析。

2.3 水熱資源匹配系數

在指標HI的基礎上，綜合考慮降雨量、參考作物蒸散發量與氣溫，本文提出了水熱資源匹配系數(Matching coefficient of water and heat resources，MCWHR)，計算公式如下：

MCWHR=HI·T

(3)

水熱資源匹配系數越大，區域的水熱資源匹配性越好。

根據上述方法計算青藏高原每個站點(317個)水熱資源指標，采用反距離權重法對站點平均溫度、降水量、參考作物蒸散量、濕潤指數、水熱資源匹配系數等進行空間插值得到柵格數據，并使用泰森多邊形求得青藏高原的水熱資源匹配特征指標的加權平均值。

3 結果

3.1 青藏高原水熱資源時空演變

3.1.1降雨

青藏高原多年平均降雨量為341 mm，降雨空間分布見圖2a。從空間分布來看，青藏高原的降雨自東南至西北遞減，多年平均降雨量最高值達1 700多mm，最低值只有20 mm左右，空間差異巨大。最高值出現在貢山獨龍族怒族自治縣與德欽縣交界處，最低值出現在阿克塞哈薩克族自治縣與海西蒙古族藏族自治州直轄市交界處。從趨勢變化上來看(圖2c)，青藏高原的年降雨量呈顯著上升趨勢(p<0.001)，氣候傾向率為1.56 mm/a，最大值出現在2017年(403 mm)，最小值出現在1972年(246 mm)。

3.1.2氣溫

青藏高原多年平均氣溫3℃，最高值為20.3℃，最低值達到零下5℃左右，且受海拔影響較同緯度其他地區低。氣溫空間分布見圖2b，從空間分布來看，青藏高原東南及西部地區氣溫較高，中部地區較低，空間差異巨大，最高值出現在瀘水縣內，站點海拔910 m；最低值出現在玉樹境內，站點海拔4 645 m，溫度受海拔影響大。從趨勢變化上來看(圖2d)，青藏高原的年平均氣溫呈顯著上升趨勢(p<0.001)，氣候傾向率為0.054 ℃/a。

a)年降雨量空間分布

3.1.3參考作物蒸散發量

青藏高原多年平均參考作物蒸散發量為981.5 mm，年際間變化差異較大。圖3依次給出了1970、1980、1990、2000、2010、2016年的參考作物蒸散發量。

a)1970年

從圖3可知，青藏高原ET0空間上呈現出東南部及西北部地區較高，中部地區較低的分布。最高值是最低值的2倍左右，空間差異較大。柴達木盆地及新疆和西藏的西北部地區ET0比較高，太陽輻射大，濕度低，蒸散發劇烈；青藏高原的東南部地區則是溫度較高，日照時間長，蒸散發也比較劇烈。從時間演變上看，青藏高原在1970—2000年空間分布差異不大，西藏西北部ET0比較穩定；而2000—2016年高ET0區域明顯擴張，西藏的西北部ET0明顯增加，而中部的低ET0區域明顯縮小。

3.2 青藏高原水熱資源匹配情況

3.2.1濕潤指數

青藏高原多年平均濕潤指數為34.77%。從空間分布來看(圖4a)，青藏高原的濕潤指數與降雨量分布類似，多年平均濕潤指數最高值達214%，最低值只有1%，空間差異巨大。最高值、最低值出現的區域與降雨量分布一致。

a)青藏高原年濕潤指數空間分布

從趨勢變化上來看(圖4c)，青藏高原的濕潤指數趨勢變化不明顯，氣候傾向率為0.067%/a，最大值出現在2017年(39.94%)，最小值出現在1994年(28.98%)。

3.2.2水熱資源匹配系數

從空間分布來看(圖4b)，青藏高原水熱資源匹配系數自東南至西北遞減。匹配系數最高的區域出現在云南的怒江傈僳族自治州(瀘水縣、福貢縣、貢山縣等)和四川的寶興縣、天全縣、北川縣等地，匹配系數低的區域覆蓋了青藏高原上新疆的全部區域、青海的大部分區域、西藏的西北部區域和甘肅的北部區域。

從趨勢變化上來看(圖4d)，青藏高原的水熱資源匹配系數呈顯著上升趨勢(p<0.001)，最大值出現在2017年，最小值出現在1970年。

4 結論

本文分析了青藏高原降雨量、溫度、參考作物蒸散發量、濕潤指數等水熱資源表征指標1970—2017年變化特性及空間分布情況。同時，結合降雨、氣溫、蒸發等要素提出了青藏高原水熱資源匹配系數，主要結論如下。

a)青藏高原的降雨量、氣溫以及參考作物蒸散發的空間差異巨大。其年降雨量與年平均氣溫呈顯著上升趨勢，ET0在1970—2000年空間分布差異不大，西藏西北部ET0比較穩定；而2000—2016年高ET0區域明顯擴張，西藏的西北部ET0明顯增加，而中部的低ET0區域明顯縮小。

b)由青藏高原水熱資源匹配系數計算得出青藏高原水熱資源匹配特征由西北向東南逐漸變好，并在1970—2017年呈顯著增強趨勢，說明青藏高原的水熱資源情況在氣候變化與人類活動中產生了較大變化。當前這種變化是有利于農牧業發展的，但仍需關注青藏高原水資源承載力，防止對資源的過度開發利用，破壞生態環境，影響青藏高原的生態系統平衡。