德州濕潤指數變化及影響因子分析

陳華凱，石慧蘭，張建海，王萌萌，呂偉綺

(德州市氣象局，山東德州 253078)

近幾十年受顯著的氣候變化及人類活動干預和水資源開發利用的影響，地表和地下水資源分布態勢發生了明顯變化，水資源供需矛盾日益明顯，華北平原成為人均水資源量最低地區[1]。濕潤指數指潛在蒸散量與降水量之比，是判別某一區域氣候干濕程度的指標[2-3]。汪彪[4]等發現西北地區年均潛在蒸散量呈明顯減少趨勢。楊艷娟[5]等發現海河流域潛在蒸散量顯著減少。有學者[6-7]研究了影響山東參考作物蒸散量變化的氣象因素，發現氣象要素相關性存在明顯地域差異。林子倫等[8]分析了山東半島夏季降水與春季土壤濕度的關系。持續的濕潤過程或干燥過程可以改變某地區的干濕狀況[9]。山東干旱造成的災害在氣象災害中占有比例最高[10]，德州市降水量在山東省屬最少，水分條件是制約植物(包括農作物)生長的重要因子。石慧蘭等[11]研究發現德州市日照時數呈減少趨勢，其濕潤生態環境如何變化，潛在蒸散量變化主要受哪些氣象因子影響，目前未見詳細研究。本文研究德州67 a濕潤指數和潛在蒸散量及降水量變化，分析影響潛在蒸散量變化的敏感氣象因子及其貢獻率，以期更好地為生態文明建設和農業生產提供氣象保障服務。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用資料為德州站1951—2017年的各月平均氣溫、平均氣壓、平均風速、平均相對濕度和降水量等觀測資料，來自山東省氣象信息中心資料室，已經過質量控制。30 a平均值采用世界氣象組織WMO規定的1981—2010年最新標準氣候年平均值。四季劃分：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。

1.2 氣候傾向率

用最小二乘法建立一元線性回歸方程，得到氣候傾向率，分析氣候變化趨勢。

1.3 濕潤指數

中國氣象局的《生態質量氣象評價方法》是應用比較廣泛、持續時間比較長的生態環境質量評價體系[12]。濕潤指數能較客觀地反映某一地區的水熱平衡狀況，表征濕潤生態特征，本文采用中國氣象局生態質量氣象評價規范中濕潤指數和潛在蒸散量計算方法[13]，即：

式中，R為降水量，ET為潛在蒸散量。月潛在蒸散量ETi(mm)采用下式計算：

式中，i為月份，Pi為月平均氣壓(hPa)，ti為月平均氣溫(℃)，di為月總日數，ui為在10～12 m高度處觀測的月平均風速(m/s)，woi為在溫度為ti時的飽和水汽壓(hPa)，hi為月平均相對濕度。

飽和水汽壓wo的計算考慮2種情況。當月平均溫度0 ℃

當月平均溫度-40 ℃≤t<0 ℃時，

飽和水汽壓差表示的是實際大氣距離水汽達到飽和的程度，它影響著植物氣孔的閉合，從而控制著植物蒸騰、光合等生理過程，對生態系統蒸散過程以及水分利用效率有著重要影響。相同溫度下空氣相對濕度越大，飽和水汽壓差越小，蒸散量也越小；反之相同溫度下空氣相對濕度越小，飽和水汽壓差越大，蒸散量也越大。因此分析相對濕度與蒸散量的關系對研究飽和水汽壓差和蒸散量的相關性有很好的指示作用。

1.4 氣象因子的敏感性和貢獻率

潛在蒸散量對氣象因子的敏感性參照文獻[8，14]進行計算，即

式中，SVi為敏感系數，ET和ΔET分別為潛在蒸散量及其變化量；Vi和ΔVi分別為第i個氣象因子及其變化量。敏感系數為正表示ET隨著氣候變量的增加而增大，為負表示ET隨著氣候變量的增加而減小，敏感系數絕對值越大，ET對氣象因子的敏感性越大。

將單個氣象因子的敏感系數與該要素的多年相對變化率相乘，得到由此要素引起的ET的變化，即為該要素對ET變化的貢獻率，貢獻率為正表示該要素的變化引起ET增加，為正貢獻；貢獻率為負表示引起ET減少，為負貢獻[15]。即

Con,Vi=SVi·RC，Vi，

各氣象因子貢獻率相加得到對ET變化的總貢獻，公式為：Con=Con,T+Con,U+Con,F+Con,P，其中Con,T、Con,U、Con,F、Con,P分別為平均氣溫、相對濕度、平均風速、平均氣壓對ET變化的貢獻率，Con為4個因子共同作用引起的ET變化，也為ET的估計變化。

2 結果分析

2.1 濕潤指數和潛在蒸散量及降水量變化特征

2.1.1 年變化 德州1951—2017年濕潤指數呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.018(10 a)-1(圖1a)。1964年濕潤指數最大，為1.61；1965年濕潤指數最小，為0.23。濕潤指數5年移動平均波動較大，但總體呈下降趨勢。其中，1951—1956年為上升趨勢，1956—1960年為下降趨勢，1960—1964年為上升趨勢，1964—1968年為下降趨勢，1968—1977年為上升趨勢，1977—1989年為下降趨勢，1989—1993年為上升趨勢，1993—2006年為下降趨勢，2006—2013年為上升趨勢，2013—2017年為下降趨勢。由德州市1951—2017年潛在蒸散量和降水量變化曲線(圖1b)可知，潛在蒸散量呈上升趨勢，氣候傾向率為5.325 mm/10 a。1955年潛在蒸散量最多，達1 263 mm，偏多304 mm；1968年次之，為1 259 mm；1964年最少，僅653.2 mm，偏少305.9 mm。1951—2017年降水量呈下降趨勢，氣候傾向率為-11.02 mm/10 a。1964年降水量最大，達1 054 mm，偏多542 mm， 對應該年潛在蒸散量最小， 濕潤指數最大；1965年降水量最少，僅255.2 mm，偏少256.8 mm，對應該年濕潤指數最小。分析5年移動平均，67 a年降水量變化趨勢與濕潤指數變化趨勢基本一致[16]。

圖1 1951—2017年德州濕潤指數(a)、潛在蒸散量和降水量(b)變化趨勢

1951—2017年德州市潛在蒸散量和降水量的氣候年均值分別為959.1 mm和512 mm，潛在蒸散量大于降水量。1951—2017年德州濕潤指數氣候年均值為0.55，說明大氣降水少于植被生理過程需水量，降水條件是當地植被生理需水的限制因子，屬半濕潤氣候[17]。按年代際分析，20世紀70年代降水量最多，潛在蒸散量最小，濕潤指數最大；2000年代降水量最少，潛在蒸散量最大，濕潤指數最小，濕潤狀況最差；2000年代之后，隨著降水量增加，濕潤生態環境有所好轉。濕潤指數和降水量在2000年代為負距平，其余年代均為正距平。潛在蒸散量在20世紀50年代為正距平，60—90年代為負距平，2000年代之后為正距平。德州市濕潤指數、潛在蒸散量、降水量氣候值及年代際距平見表1。

表1 1951—2017年德州濕潤指數(K)、降水量(R)、潛在蒸散量(ET)的氣候值及年代際距平

2.1.2 季、月變化 德州市1951—2017年平均四季潛在蒸散量(圖略)分別為：春季313.9 mm、夏季362.1 mm、秋季193.2 mm、冬季85.6 mm。四季降水量為：春季69.4 mm、夏季379.5 mm、秋季91.1 mm、冬季14.4 mm。四季濕潤指數為：春季0.24、夏季1.12、秋季0.52、冬季0.2。夏季降水量、潛在蒸散量、濕潤指數最大；冬季降水量、潛在蒸散量、濕潤指數最小；春季降水量小于秋季，但春季潛在蒸散量明顯大于秋季，春季濕潤指數明顯小于秋季，德州市春季十年九旱。

德州市春季、夏季潛在蒸散量氣候傾向率分別為2.446、1.654 mm/10 a；秋、冬季分別為4.25、5.0 mm/10 a，年潛在蒸散量增加主要是由秋冬兩季增加造成。德州市春季、秋季降水量氣候傾向率分別為0.553、0.313 mm/10 a；夏季、冬季降水量分別為-11.817、-0.176 mm/10 a，年降水量減少主要是由夏季降水減少造成。四季濕潤指數都呈減少趨勢，春、夏、秋、冬氣候傾向率分別為-0.003、-0.039、-0.021、-0.015 (10 a)-1，夏季和秋冬季減小明顯。夏季濕潤指數減小，主要原因是夏季降水量明顯減少，秋冬季濕潤指數減小，主要原因是秋冬季潛在蒸散量明顯增加。

圖2為德州市1951—2017年平均各月潛在蒸散量、降水量和濕潤指數分布圖。6月潛在蒸散量最大，為171.6 mm，5月次之，為146.1 mm；1月最小為25.5 mm， 12月次之， 為27.2 mm。

圖2 1951—2017年德州平均潛在蒸散量和降水量及濕潤指數月分布

7月降水量最大，為171.7 mm，8月次之，為138 mm；1月最小為3.5 mm，12月次之，為3.9 mm。7月、8月濕潤指數最大，為1.86，大氣降水大于植被生理過程需水量，但降水時空分布不均，旱澇并存；3月濕潤指數最小，僅為0.18，植被生理需水是最突出的限制因子。

表2為德州市1951—2017年各月濕潤指數、降水量、潛在蒸散量氣候傾向率。各月濕潤指數與降水量的氣候傾向率變化趨勢一致， 2、5、9月均為增加趨勢，其余各月為減少趨勢，8月濕潤指數減少最明顯，7月降水量減少最明顯。4、5、6月潛在蒸散量為減少趨勢，其余各月為增加趨勢。

表2 1951—2017年德州各月濕潤指數(K)、降水量(R)、潛在蒸散量(ET)氣候傾向率

2.2 影響潛在蒸散量的主要氣象因子

2.2.1 氣象因子變化特征 對照潛在蒸散量計算公式，分析影響其變化的主要氣象因子。1951—2017年德州平均氣溫變化呈明顯上升趨勢(圖3a)，氣候傾向率為0.336 ℃/10 a。四季氣溫均呈上升趨勢，春、夏、秋、冬季氣候傾向率分別為0.389、0.162、 0.29、0.499 ℃/10 a，冬季和春季增溫明顯。德州年平均風速變化呈明顯下降趨勢(圖3b)，氣候傾向率為-0.18 (m/s)/10 a。四季風速均為減小趨勢，氣候傾向率分別為-0.263、-0.14、-0.156、-0.171 (m/s)/10 a。德州年平均相對濕度變化呈下降趨勢(圖3c)，氣候傾向率為-0.587%/10 a。四季均呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-0.095、-0.071、-0.742、-1.422%/10 a。德州年平均氣壓變化呈略下降趨勢(圖3d)，氣候傾向率為-0.045 hPa/10 a。除夏季升高外，其余季節均為降低趨勢，夏季氣候傾向率為0.099 hPa/10 a，春、秋、冬季分別為-0.189、-0.072、-0.008 hPa/10 a。

圖3 1951—2017年德州平均氣溫(a)、平均風速(b)、相對濕度(c)、平均氣壓(d)變化趨勢

2.2.2 氣象因子對潛在蒸散量變化的貢獻率 將單個氣象因子的敏感性系數乘以其多年相對變化率，即為該要素對ET變化的貢獻率[7]，表3為年潛在蒸散量ET對氣象因子的敏感系數、各因子的多年相對變化率及其對ET的貢獻率。年ET對平均氣溫、平均風速的敏感系數為正，與相對濕度和平均氣壓的敏感系數為負。相對濕度敏感系數的絕對值最大，說明ET對相對濕度的敏感性最大，這與楊永剛[18]等的研究結果一致；但相對濕度的多年相對變化率較小，對年ET變化的貢獻率排第二位。年ET對平均氣溫的敏感系數排第二，但平均氣溫的多年相對變化率較大，對年ET變化的貢獻率排第一。平均風速的多年相對變化率最大，但與年ET的敏感系數最小，對年ET變化的貢獻率排第三。平均氣壓的多年相對變化率最小，對年ET變化的貢獻率最小。平均氣溫、相對濕度、平均氣壓的貢獻率為正，表示氣溫升高、相對濕度和氣壓減小引起ET增加[19-20]，為正貢獻；平均風速貢獻率為負，表示風速減小引起ET減少，為負貢獻。

表3 年潛在蒸散量對氣象因子的敏感系數和各因子的多年相對變化率及其貢獻率

表4為德州市67 a主要氣象因子對潛在蒸散量ET各月變化的貢獻率和ET的實際變化。各月平均氣溫均為正貢獻率，各月平均風速均為負貢獻率。相對濕度在4—6月為負貢獻率，其余各月為正貢獻率。氣壓在1月和7—9月為負貢獻率，其余各月為正貢獻率。1、9月平均氣溫貢獻率最大，4、6月平均風速貢獻率最大，其余各月為相對濕度貢獻率最大。各月平均氣溫、相對濕度、平均風速、平均氣壓4因子對ET變化的總貢獻率與ET的實際變化基本一致，表明用敏感系數和多年相對變化率來解釋德州各月潛在蒸散量變化的原因合理可行。

表4 各月氣象因子對潛在蒸散量的貢獻率和潛在蒸散量的實際變化值 單位：%

3 結論與討論

(1)1951—2017年德州市濕潤指數氣候年均值為0.55，屬半濕潤氣候。67 a濕潤指數呈下降趨勢，氣候傾向率-0.018(10 a)-1，四季均為減少趨勢，夏季和秋冬季減小明顯。7、8月濕潤指數最大，為1.86，大氣降水大于植被生理過程需水量，但降水時空分布不均，旱澇并存；3月濕潤指數最小，僅0.18，且氣候傾向率呈減少趨勢，植被生理需水是最突出的限制因子，多發生干旱，應高度重視。

(2)德州市潛在蒸散量氣候年均值為959.1 mm，67 a潛在蒸散量呈上升趨勢，氣候傾向率為5.325 mm/10 a，春、夏季呈減少趨勢，秋、冬季呈增加趨勢。降水量氣候年均值512 mm，67 a降水量呈下降趨勢，氣候傾向率為-11.02 mm/10 a，春、秋季增加，夏、冬季減少。夏季降水量明顯減少是夏季濕潤指數減小的主要原因，秋冬季潛在蒸散量增加是秋冬季濕潤指數減小的主要原因。潛在蒸散量呈增加趨勢，會導致作物年需水量增加，作物需水矛盾將更加突出要合理規劃種植布局，加強現代水利建設，提高水分有效利用率。

(3)德州市年潛在蒸散量對相對濕度的敏感性最大，其次是平均氣溫、平均氣壓、平均風速。平均氣溫對年潛在蒸散量變化的貢獻率最大，其次是相對濕度、平均風速和平均氣壓。年潛在蒸散量對平均氣溫、平均風速的敏感系數為正，與相對濕度和平均氣壓的敏感系數為負。平均氣溫、相對濕度、平均氣壓的貢獻率為正，平均風速的貢獻率為負，表明潛在蒸散量隨氣溫升高和相對濕度與氣壓減小而增加，隨風速減小而減少。各月潛在蒸散量的實際變化與平均氣溫、相對濕度、平均風速、平均氣壓4因子的總貢獻率基本一致，表明用該方法解釋潛在蒸散量變化合理可行，但該4因子總貢獻率與潛在蒸散量的實際變化有差值，還受日照等其他因子影響，需進一步研究。