基于相對濕潤度指數的黔東南州干濕狀況

文建川, 梁 平, 廖育玲, 吳 慧, 李春生, 宋光勇

(1.貴州省從江縣氣象局,貴州 從江 557400; 2.貴州省黔東南州氣象局,貴州 黔東南 556000; 3.貴州省黎平縣氣象局,貴州 黎平 557300)

在全球變暖的氣候背景下,區域水分收支平衡將受到氣候變化的影響,水分收入與支出的平衡又共同決定了地表干濕狀況,水資源供需平衡的有效維持以及地表干濕狀況變化規律對研究農業生產布局、農業氣候區劃、洪澇以及干旱都有重要意義[1-2],因此開展氣候濕潤狀況的研究,了解水資源供需情況具有十分突出的現實意義。目前表征氣候干濕特征的指標主要有兩大類,一類是考慮了降水和蒸散的水分收入和支出的綜合性指標,另一類是與降水及其時間分布相關的單一指標[3-4]。由于氣候的干濕狀況是由多種自然因素共同影響的,單獨考慮降水情況具有一定的局限性,相對濕潤度指數以水分收支平衡為基礎,表征水分收入對支出的滿足情況,綜合考慮了大氣蒸散量和降水量,能夠較為理想地反映地表的濕潤狀況[5]。當前較多研究者基于相對濕潤度指數分析了不同區域的氣候干濕狀況,王明田等[6]基于相對濕潤度指數研究發現西南地區有變濕的趨勢。鄭盛華等[7]利用相對濕潤度指數探究松嫩平原干濕狀況,指出年均濕潤度指數呈遞減變化趨勢,而冬季相對濕潤度指數呈遞增趨勢。劉燕等[8]探討了江南丘陵地區季節、年際、年代等不同時間尺度的地表相對濕潤度指數。

黔東南州位于貴州省東南部,地處云貴高原東側,海拔差異明顯,地表徑流量大,以往研究黔東南州的氣候變化特征較為常見的是分析溫度、降水、日照時數等單氣候因子的影響[9-10],但由于地表徑流量大,土壤容易失墑,若未考慮水分支出,有可能與實際情況有所出入,同時黔東南州雨季和非雨季降水差異明顯,因此本研究引用Penman-Monteith公式計算黔東南州1974-2020年的蒸散量,并結合同期降水量推算出相對濕潤度指數,分析其不同時間尺度特征,并對比其在雨季和非雨季的時空變化差異,旨在為當地有關部門指導農業生產、研究生態環境提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究資料

研究資料為1974-2020年黔東南州16個縣(市)氣象觀測站日平均氣溫、日最高(低)氣溫、日照時數、風速、相對濕度、降水量等數據,這些數據從“貴州省氣象數據查詢與顯示系統”獲取。

1.2 研究方法

相對濕潤度指數通過表征降水量與蒸散量之間的關系,可反映某地區的水分平衡特征,衡量氣候干濕狀況,其計算公式[11]如下:

(1)

式中:IRM為相對濕潤度指數,P、ET分別為降水量和蒸散量(mm)。IRM<0表示水分支出大于水分收入,氣候趨于干燥,存在氣象干旱的潛勢,IRM絕對值越大,氣候越干燥,氣象干旱越重;IRM≥0表示氣候趨于濕潤,IRM越大,氣候越濕潤。

ET采用聯合國糧農組織修正的Penman-Monteith 蒸散公式[12-13]進行估算,見公式(2)～公式(7)。

(2)

(3)

(4)

(5)

ωs=arccos(-tanφtanδ)

(6)

(7)

式中,△為飽和水氣壓-溫度曲線斜率,kPa/℃;Rn為表面凈輻射,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量(在以日尺度估算時,值較小可忽略);r為干濕表常數,kPa/℃;Tmean為平均氣溫,℃;u2為離地面2 m高度的風速,m/s;es和ea分別為飽和水氣壓和實際水氣壓,kPa;as和bs分別為云全部遮蓋下和晴天大氣外界輻射到達地面的分量,取值分別為0.25和0.75;α為地表反射度,取值0.23;n和N分別為實際日照時數和可照時數;Ra為大氣層外太陽輻射;Gsc為太陽常數,取值為0.820 MJ/(m2·min);dr為日地相對距離的值,m;ωs為日落時角;J為日序數;φ為緯度;δ為太陽赤緯;Tx,k、Tn,k分別為絕對溫標的最高、最低氣溫,K。

2 結果與分析

2.1 黔東南州干濕狀況的時間變化趨勢分析

2.1.1 干濕狀況的年際變化 從圖1可以看出,近48年全州年平均降水量存在顯著的波動變化,以2.21 mm/a的速率增加,年平均降水量為917.0 mm(2011年)～1 546.0 mm(2020年),多年平均降水量為1 225.5 mm。全州年平均蒸散量變化幅度相對較小,隨時間變化呈不明顯的遞減趨勢,遞減速率為0.17 mm/a,年平均蒸散量為928.6 mm(2012年)～1 140.9 mm(2011年),多年平均蒸散量為1 038.9 mm。近48年平均相對濕潤度指數為18%,其隨時間的變化呈遞增趨勢,遞增速率為1 a 0.28%,90%以上年份相對濕潤度指數大于0,即氣候濕潤,并且降水量和蒸散量差值越大,相對濕潤度指數越高,僅有6年相對濕潤度指數為負值,表明這些年份氣候偏干,其中2011年相對濕潤度指數(-19.2%)為歷年最低值,因為該年全州平均蒸散量遠大于降水量,干旱較重。綜上所述,近48年來,黔東南州平均降水量大于蒸散量,黔東南州整體上氣候較為濕潤。

圖1 黔東南州降水量、蒸散量及相對濕潤度指數年際變化特征Fig.1 Interannual variation characteristics of precipitation, evapotranspiration and relative humidity index in Qiandongnan Miao and Dong Autonomous Prefecture

2.1.2 干濕狀況年代變化 為分析干濕狀況年代變化趨勢,分別求算各年代內降水量、蒸散量及相對濕潤度指數的平均值,從圖2可以看出,降水量各年代變化波動較大,呈現出“下降-上升-下降-上升”的“W”形變化趨勢,蒸散量各年代變化不大,相對濕潤度指數各年代均大于0,其變化趨勢與降水量變化趨勢一致,其中1981-1990年降水量最小、蒸散量最大,因此相對濕潤度指數最低。由此說明,在年代變化中,相對濕潤度指數主要受降水量影響,與其同降同升,黔東南州各年代氣候總體較濕潤。

圖2 黔東南州降水量、蒸散量及相對濕潤度指數年代變化特征Fig.2 Decade variation characteristics of rainfall, evapotranspiration and relative humidity index in Qiandongnan Miao and Dong Autonomous Prefecture

2.1.3 干濕狀況的月變化特征 從多年平均的降水量、蒸散量和濕潤度指數的月變化(圖3)可以看出,降水量和蒸散量表現為單峰型,降水量具有明顯的雨季和非雨季特征,月平均降水量為29.3 mm(12月)～213.9 mm(6月),雨季(4-9月)平均累計降水量占年總降水量的73.5%;月平均蒸散量為36.9 mm(1月)～147.9 mm(7月);相對濕潤度指數(IRM)年內變化較大,1-3月降水量和蒸散量均較少,則IRM偏小,4-6月降水量顯著多于蒸散量,IRM呈顯著增加趨勢,7月以后,降水量呈減少趨勢,蒸散量因7月和8月氣溫顯著升高、日照時數增加而明顯增大,在7月和8月分別達到峰值和次大值,因此IRM在7月和8月明顯減少,同時,8月和9月的蒸散量多于降水量,所以IRM小于0,12月降水量的減速較蒸散量的減速大,IRM呈顯著減小趨勢且為負值,達到一年中的最低值。綜上所述,不同月份降水量、蒸散量和相對濕潤度指數差異顯著,4-6月降水量明顯多于蒸散量,因而相對濕潤度指數較大,7-8月蒸散量顯著增加,降水量呈下降趨勢,則相對濕潤度指數明顯降低,表現為雨季中的4-6月較大,氣候較為濕潤,非雨季的相對濕潤度指數總體偏小,尤其在8-9月和12月氣候偏干燥,存在氣象干旱的現象,因此,后文將在雨季和非雨季2種情形下對黔東南州干濕狀況的時空特征進行對比分析。

圖3 降水量、蒸散量及相對濕潤度指數月變化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of precipitation, evapotranspiration and relative humidity index

2.2 黔東南州雨季和非雨季干濕狀況時空差異分析

2.2.1 年際變化分析 對比相對濕潤度指數在雨季和非雨季的年際變化特征(圖4)發現,除個別年份外,雨季相對濕潤度指數普遍高于非雨季,并且非雨季相對濕潤度指數在大部分年份均小于0,非雨季表現為氣候偏干,存在氣象干旱現象;相對濕潤度指數隨時間變化均呈遞增的變化趨勢,雨季和非雨季10 a內的遞增速率分別為1.8%和2.8%。綜上所述,黔東南州雨季和非雨季相對濕潤度指數年際波動變化大,雨季氣候濕潤,呈濕化趨勢,非雨季呈干濕交替變化,整體氣候偏干,并且有繼續變干趨勢。

圖4 雨季和非雨季相對濕潤度指數年際變化特征Fig.4 Interannual variation characteristics of relative wetness index in rainy and non-rainy seasons

2.2.2 年代變化分析 從雨季和非雨季相對濕潤度指數的年代變化特征對比(圖5)來看,雨季IRM為12%～37%,所有年代均大于0,IRM隨年代變化表現為“下降-上升-下降-上升”的“W”形變化特征;非雨季IRM為-13%～9%,其中1974-1980年、1981-1990年、2001-2010年3個年代IRM小于0,存在氣象干旱的現象。綜上所述,不同年代雨季IRM均明顯高于非雨季,雨季氣候濕潤,但濕潤程度的年代變化差異明顯,非雨季相對濕潤度指數隨年代呈現增濕-減濕-增濕的干濕交替變化趨勢。

圖5 雨季和非雨季相對濕潤度指數年代變化特征Fig.5 Decade variation characteristics of relative wetness index in rainy and non-rainy seasons

2.2.3 空間分布特征 從雨季相對濕潤度指數空間分布圖中可以直觀地看出,各縣(市)雨季降水量均大于蒸散量,相對濕潤度指數為6%～65%,氣候均較濕潤,但空間分布差異明顯。降水量表現為中部以西地區偏多、北部偏少的空間分布特征,大值區位于州西部的麻江、丹寨、雷山、凱里等縣(市),其值為914.8～1 114.6 mm,北部低值區降水量為771.4～882.5 mm;雨季蒸散量為671.4～753.8mm,在州中部以南地區較高,其中以從江及黎平南部為大值中心,州西部的丹寨、麻江偏少;受降水量和蒸散量的共同影響,IRM在州中部一帶較大,同緯度下西部又大于東部,西部的麻江、丹寨為相對濕潤度指數大值中心,相對濕潤度指數分別達52%、65%(圖6)。綜上所述,各縣(市)雨季降水量均大于蒸散量,因此全州在雨季時氣候均較濕潤,但相對濕潤度指數大小有明顯的空間分布差異,在平均降水量大值區和蒸散量低值區共同疊加影響下,州中部及其以西、以東地區濕潤度指數更大,氣候更為濕潤。

圖6 雨季干濕狀況空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of arid and moist conditions in rainy season

由圖7可以看出,各縣(市)非雨季降水量、蒸散量和相對濕潤度指數均顯著小于雨季,同時大部分地區非雨季蒸散量大于降水量,相對濕潤度指數為-20.4%～25.1%,州東部的天柱、錦屏、黎平等縣(市)為降水大值中心區,州北部降水量依舊相對偏少;非雨季蒸散量自北向南增加,南部的榕江、從江為蒸散量高值區;與雨季相對濕潤度指數明顯不同的是,非雨季除州東部的天柱、錦屏、黎平及西部的麻江、丹寨相對濕潤度指數大于0外,其他縣(市)均小于0,說明在非雨季時蒸散量明顯大于當地同期降水量,易發生氣象干旱。綜上所述,非雨季降水量、蒸散量及相對濕潤度指數小于雨季,大部分地區蒸散量大于降水量,除了州東部及西部的麻江、丹寨相對濕潤度指數大于0,其余地區小于0,說明州北部及南部易發生氣象干旱。

圖7 非雨季干濕狀況空間分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of arid and moist conditions in non-rainy seasons

3 討論與結論

3.1 討論

降水量和蒸散量分別代表水分的收入和支出[14-19],二者的變化共同影響濕潤度指數。近47年黔東南州濕潤度指數變化趨勢與降水量有較好的對應關系,因氣溫、日照、風速、相對濕度等氣象要素

對水分支出項(蒸散)的正負效應不太一致,導致其變化幅度較小,所以在以年為時間的尺度上,降水量在很大程度上決定了相對濕潤度指數。除個別年份外,黔東南州雨季降水量顯著大于同期蒸散量 ,非雨季降水量和蒸散量均明顯減小,但大多數年份其他氣象因素引起的蒸散量較降水量要高,非雨季降水量較小,對相對濕潤度指數的影響減弱,水分支出對氣候濕潤狀況的影響凸顯,大多數年份非雨季相對濕潤度指數為負值,呈現出氣候干濕交替的變化趨勢,任菊章等[20]研究同樣發現雨季旱澇主要由降水決定,而非雨季則受到降水和蒸散的共同影響。值得注意的是,雖然7、8月屬于主汛期,降水量相較其他月份來說要高,但由于該時段氣溫高、日照充足,導致蒸散量明顯增加,為全年的蒸散大值時段,水分的消耗更加明顯,因此相對濕潤度指數明顯低于4-6月,另外,12月相對濕潤度指數最低,說明冬季易發生氣象干旱,農業生產上要注意做好應對夏旱以及冬旱的措施。同時黔東南州氣候干濕狀況存在明顯的空間差異性,雖然在雨季全州各縣(市)相對濕潤度指數均大于0,但不同區域相對濕潤度指數的大小差異顯著,州北部及南部相對濕潤度指數較州中部一帶要小;非雨季相對濕潤度指數明顯為負值,這與北部、南部降水量相對偏少、蒸散量偏多有關,基于標準化降水指數(SPI)的研究結果也顯示,黔東南州中部以北地區干旱頻率較高[21]。雨季相對濕潤度指數以西部為大值中心,這是因為黔東南州降水空間分布不均,州西部降水量顯著高于其他地區[22]。

3.2 結論

本研究基于黔東南州1974-2020年常規氣象數據,采用Penman-Monteith公式計算蒸散量,結合降水量推算出濕潤度指數(IRM),分析其不同時間尺度特征并對比在雨季和非雨季的時空變化差異,得出以下結論:

(1)除個別年份外,黔東南州年平均及各年代降水量均顯著大于蒸散量,濕潤度指數大于0,氣候總體較為濕潤。不同月份降水量、蒸散量和濕潤度指數差異顯著,4-6月降水量顯著大于蒸散量,濕潤度指數較大,其余月份濕潤度指數明顯較小。

(2)雨季濕潤度指數主要受到降水的影響,非雨季受到降水和蒸散的共同影響。雨季和非雨季降水量、蒸散量和濕潤度指數年際和年代間變化差異顯著,雨季濕潤度指數明顯高于非雨季,雨季氣候濕潤,非雨季氣候偏干且略有加強趨勢;在空間上也有明顯的區域差異,雨季各縣(市)氣候均較濕潤,州中部以西、以東地區濕潤度指數較大,非雨季除了州西部和東部外,其余地區濕潤度指數小于0,易發生氣象干旱。