天津市津南八里灣綠色生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評價研究

孫樹鵬，廖云琛，吳 洋，尹紫薇，趙玥

（天津市津南區(qū)氣象局 天津 300350）

0 引 言

自2018年起天津市在中心城區(qū)和濱海新區(qū)之間陸續(xù)開展綠色生態(tài)屏障區(qū)（以下簡稱“綠屏區(qū)”）建設以來，至2022年，綠色生態(tài)屏障已基本成形。近年來，天津市綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量持續(xù)向好，生態(tài)保護和修復成效明顯。開展綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評價對于客觀評估建設綠屏區(qū)的生態(tài)質(zhì)量具有十分重要的意義。2010年，陳振華［1］以白龍江流域甘肅部分為研究對象，結合研究區(qū)域環(huán)境的特點，構建了研究區(qū)域生態(tài)質(zhì)量氣象指標體系，開展了生態(tài)質(zhì)量氣象評價方法及實例研究。另外，國內(nèi)外有多位學者［2-7］對不同地域開展了生態(tài)質(zhì)量氣象評價相關研究。本文擬在相關研究的基礎上，充分利用津南八里灣綠屏區(qū)生態(tài)氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)，對以八里灣為核心的綠屏區(qū)開展生態(tài)質(zhì)量氣象評價研究。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用的資料有津南區(qū)綠屏·八里灣生態(tài)氣象監(jiān)測站2021年11月至2022年10月（以下簡稱“研究時段”）植被生態(tài)自動觀測儀采集的植被覆蓋度、宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀采集的土壤含水量，以及常規(guī)自動氣象觀測站采集的氣溫、氣壓、濕度、風速、風向、降水量等數(shù)據(jù)和津南國家氣象觀測站1980—2022年逐日觀測資料，主要利用日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風速和日降水量等數(shù)據(jù)。

1.2 方法

生態(tài)質(zhì)量氣象評價就是基于氣象因素對生態(tài)質(zhì)量的影響進行生態(tài)質(zhì)量評價。本文擬采用綜合評價指標法，利用地面生態(tài)氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)，從氣象角度對綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量進行氣象評價。根據(jù)濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)和氣象災害指數(shù)等指標對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響程度賦以相應的權重，從而得到綜合評價指標，其中植被覆蓋指數(shù)和土壤濕度指數(shù)均可通過地面生態(tài)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)轉化得到，氣象災害指數(shù)可通過參照津南區(qū)氣象災害閾值計算得到。以下主要對濕潤指數(shù)和綜合評價指標計算方法進行說明。

①濕潤指數(shù)計算方法。濕潤指數(shù)指降水量與潛在蒸散量之比，月濕潤指數(shù)計算方法如下：

其中：K為月濕潤指數(shù)；Ri為月降水量，mm；Pi為月平均氣壓，hPa；Ti為月平均氣溫，℃；di為該月的天數(shù)；Ui為月平均風速，m/s；w0i為溫度為Ti時的飽和水汽壓，hPa；hi為月平均相對濕度，%；i為月份編號。

飽和水汽壓計算方法如下：

當0 ℃＜Ti≤30 ℃時：

當-40 ℃≤Ti＜0 ℃時：

其中：w0為飽和水汽壓，hPa；t為氣溫，℃。

當K＜1時，表示大氣降水少于植被生理過程需水量；當K＝1時，表示該區(qū)域大氣降水量與植被生理需水量達到平衡；當K＞1時，表示該區(qū)域大氣降水量大于植被生理需水量，此時降水條件不是當?shù)刂脖簧硇杷南拗埔蜃印Ｔ谟嬎憔C合評價指標時，如果K＞1，則規(guī)定K＝1。

②綜合評價指標計算方法。對濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)和氣象災害指數(shù)進行屬性同一化處理（即對非正的指數(shù)進行正向化處理），然后采用加權求和方法計算綜合評價指標值，用公式表示如下：

其中：P為生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)；Wj為第j項指標的權重值；Yj為第j項指標值。

2 津南綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評價

2.1 濕潤指數(shù)

濕潤指數(shù)可通過計算降水量與潛在蒸散量之比得到，其可以反映某一地區(qū)氣候干、濕程度，能較客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況。通過計算津南八里灣綠屏區(qū)的濕潤指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的濕潤指數(shù)在2022年7至8月有一個較明顯的峰值，在2021年11月有一個次極值，見圖1。在研究時段中，僅有這3個月的濕潤指數(shù)大于1，即在這3個月中該區(qū)域大氣降水量大于植被生理需水量。在2021年12月至2022年6月和9至10月則處于較低的水平，在此期間，大氣降水少于植被生理過程需水量。這與該地區(qū)的降水量有較好的對應關系，2022年7、8月的降水量分別為319.1、166.6 mm，6月份降水量為93.7 mm，10月份降水量為62.5 mm，在降水量值占絕對優(yōu)勢的時段，濕潤指數(shù)總體也較大。而在6月份，降水量為全年第三高，但因其降水量總體數(shù)值有限，且6月份氣溫較高，導致蒸散量也較大，所以6月份的濕潤指數(shù)在研究時段的12個月中僅排在第5位，因其小于1，所以在2022年6月份，大氣降水少于植被生理過程需水量。2021年11月降水量雖然居第5位，但因該時段氣溫較低，蒸散量較小，所以其濕潤指數(shù)較高，居第3位，大氣降水量也大于植被生理需水量。

圖1 津南八里灣綠屏區(qū)的濕潤指數(shù)Fig.1 Humidity index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

2.2 植被覆蓋指數(shù)

植被覆蓋指數(shù)由布設在八里灣生態(tài)氣象監(jiān)測站的植被生態(tài)自動觀測儀采集的植被覆蓋度轉換得到。由圖2可知，在2021年11月至2022年4月的秋末、初冬至春季，植被覆蓋指數(shù)較小，基本處于0.22以下，這是因為該時段綠屏區(qū)種植的喬木樹葉脫落，導致該區(qū)域的植被覆蓋度降低。而在2022年5至10月，樹木枝葉繁茂，植被覆蓋指數(shù)整體較大，最大達到0.47。由于綠屏區(qū)不少樹木仍處在移栽種植初期，樹木冠層還不夠發(fā)達，所以距離將地面完全嚴密覆蓋仍有差距。通過對植被覆蓋指數(shù)的擬合分析可以發(fā)現(xiàn)，從秋季進入冬季植被覆蓋指數(shù)呈下降趨勢，由春入夏則呈明顯的上升趨勢；在研究時段，植被覆蓋指數(shù)總體呈明顯的上升趨勢。

2.3 土壤濕度指數(shù)

土壤濕度指數(shù)由布設在八里灣生態(tài)氣象監(jiān)測站的宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀采集的區(qū)域土壤水分情況轉換得到。宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀是根據(jù)近地表自然環(huán)境中宇宙射線快中子強度與土壤含水量呈反比關系的原理，利用架設在地表上方的探測器測量宇宙射線快中子強度，進而反演出土壤含水量，并通過空氣溫度、空氣相對濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)對結果進行修正，以實現(xiàn)對周圍區(qū)域地表土壤水分的監(jiān)測。由圖3可知，在研究時段，土壤濕度峰值出現(xiàn)在7月份，這與該區(qū)域最大降水量時段相對應；另外，土壤濕度指數(shù)有2個低谷，分別出現(xiàn)在2022年5月和9月前后，主要是因為該時段降水量較少且蒸散量較大。

圖3 津南八里灣綠屏區(qū)的土壤濕度指數(shù)Fig.3 Soil moisture index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

2.4 氣象災害指數(shù)

氣象災害指數(shù)主要用于衡量由于氣象原因直接或間接引起的會對綠屏區(qū)生態(tài)造成嚴重影響的災害現(xiàn)象。綠屏區(qū)主要的氣象災害為干旱、暴雨洪澇、大冰雹、連陰雨、低溫冷凍害、雪災、大風、霜凍、雷電和高溫熱浪等。氣象災害指數(shù)主要根據(jù)綠屏區(qū)在研究時段的各項氣象要素觀測值在津南歷史氣候數(shù)據(jù)中的極端概率分布情況計算得到。根據(jù)孫樹鵬等［8］計算的各氣象要素不同極值重現(xiàn)期對應值，并依據(jù)不同性質(zhì)的氣象災害對綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生的危害程度賦予不同的權重，得到最終的氣象災害指數(shù)。在研究時段，影響最突出的氣象災害是干旱，主要發(fā)生在春秋兩季，其次為高溫。總體而言，在研究時段，氣象災害對綠屏區(qū)的生態(tài)質(zhì)量影響并不嚴重。

2.5 生態(tài)質(zhì)量綜合氣象評價

綜合評價法是指在計算上述濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)和氣象災害指數(shù)的基礎上對各指數(shù)進行屬性同一化處理（即對非正的指數(shù)進行正向化處理），然后采用加權求和方法計算得到綜合評價指標值，進而實現(xiàn)對綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量的氣象評價。根據(jù)12個月的平均情況，正向化的氣象災害指數(shù)最高，為0.74；其次為土壤濕度指數(shù)0.62；然后為濕潤指數(shù)0.43；最后為植被覆蓋指數(shù)0.31；年平均綜合評價指標值為0.47。由圖4可知，在研究時段的12個月中，2022年7、8月的綜合評價指標值最高，分別為0.74和0.72；其次是2022年10月，為0.66。2021年12月的綜合評價指標值最低，僅為0.21。

圖4 津南八里灣綠屏區(qū)的綜合評價指標值Fig.4 Comprehensive evaluation index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

3 結論與討論

本文利用地面生態(tài)氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)采用綜合評價指標法對津南八里灣綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量進行氣象評價。

①從各項指數(shù)的年變化情況來看，2022年7至8月，濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)均處于全年最高水平，該時段未發(fā)生嚴重的氣象災害，氣象災害指數(shù)也處于較低水平。

②從生態(tài)質(zhì)量的氣象綜合評價指標的年平均值來看，正向化的氣象災害指數(shù)最高，為0.74；其次為土壤指數(shù)0.62；然后為濕潤指數(shù)0.43；最后為植被覆蓋指數(shù)0.31；年平均綜合評價指標值為0.47。這與處于初建階段的綠屏區(qū)實際情形較為相符。

③從生態(tài)質(zhì)量的氣象綜合評價指標的變化情況來看，在研究時段的12個月中，2022年7、8月的綜合評價指標值最高，分別為0.74和0.72；其次是2022年10月，為0.66。2021年12月的綜合評價指標值最低，僅為0.21。