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近53 a来祁连山南北坡潜在蒸散量及地表湿润度变化趋势分析

2016-04-20祁栋林肖建设李晓东肖宏斌赵慧芳苏文将

干旱气象 2016年1期
关键词:贡献率

祁栋林,李 甫,肖建设,李晓东,肖宏斌,赵慧芳,苏文将

( 青海省气象科学研究所,青海省防灾减灾重点实验室,青海 西宁 810001)



近53 a来祁连山南北坡潜在蒸散量及地表湿润度变化趋势分析

祁栋林,李甫,肖建设,李晓东,肖宏斌,赵慧芳,苏文将

( 青海省气象科学研究所,青海省防灾减灾重点实验室,青海西宁810001)

摘要:利用祁连山地区15个气象台站1961~2013年月气象资料,计算和分析该地区潜在蒸散量和湿润指数的变化趋势。研究表明:(1)祁连山南北坡潜在蒸散量的年变化表现为单峰型,较大值出现在5~8月,较小值出现在12月至翌年2月。湿润指数从5月开始逐渐增大,南坡7月最大,北坡9月最大,10月开始逐步减小。湿润指数与潜在蒸散量在祁连山地区存在明显的位相差。季节表现均为夏季最大、春秋季次之、冬季最小,潜在蒸散量相邻季节间的波动北坡明显大于南坡,湿润指数则相反;(2)祁连山地区南北坡潜在蒸散量均在波动中呈显著增加趋势,而湿润指数波动中缓慢增加,但变化趋势不明显。潜在蒸散量和湿润指数增加速率均是北坡大于南坡。南北坡潜在蒸散量和湿润指数未来变化趋势总体上将同过去保持一致,且北坡年潜在蒸散量变化趋势强度强于南坡;(3)通过与各气候因子的多元回归分析表明,影响祁连山南北坡湿润指数(潜在蒸散量)的主要因子是降水量(气温),其他气候因子的变化对地表干湿状况起增强或削弱作用。

关键词:潜在蒸散量;湿润指数;贡献率;祁连山地区

引言

近年来在全球变化研究中,对陆地干湿状况给予了特别的关注。许多学者对中国的干湿状况进行过研究探讨[1-9],如吴绍洪等[1]研究认为1971~2000年中国大部分地区最大可能蒸散呈减少趋势, 西北、青藏高原、西南和东北南部地区减少趋势显著,青藏高原由东南向西北干旱程度增加。对中国尤其是中国北方半干旱地区的干旱趋势与地表干湿状况的研究已经取得了大量成果,如张淑杰等[6]认为东北地区湿润指数整体呈下降趋势;黄小燕等[7]指出西北地区有变湿趋势,湿润指数平均每10 a增加0.006,且春、冬季增加趋势最明显;刘劲龙等[8]分析指出四川盆地气候在总体上呈现显著的变干或变湿趋势;赵福年等[9]指出石羊河流域参考蒸散量呈增加趋势。本文根据祁连山地区15个台站1961~2013年53 a的月地面气象观测资料,利用刘多森等[10]提出的动力学模型的改进模型计算潜在蒸散量和湿润指数,分析祁连山南北坡地表湿润状况的变化趋势及其与环境因子之间的关系,揭示全球变暖背景下该地区气候干湿状况的演变特征。

1资料和方法

1.1研究区概况

祁连山呈西北—东南走向,是我国西北荒漠区和青藏高原高寒区的过渡区,其远离海洋,受大陆性荒漠气候影响,具有典型大陆性气候和高原气候特征,在自然气候分区上有非常重要的作用。祁连山是甘肃省石羊河、黑河、疏勒河等内陆河及青海省大通河的发源地,更是河西走廊绿洲的天然水库。冬季长且寒冷干燥,夏季短而温凉湿润,海拔4 500 m以上终年积雪,发育分布着现代冰川。

1.2资料和区域划分

选取研究区15个气象站(图1) 1961~2013年逐月地面气象观测资料(气温、气压、风速、相对湿度、降水量和日照时数等),资料均来自于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.nmic.cn)。以区域各站点要素算术平均代表各区域要素序列。15个观测站较均匀地分布在祁连山的四周,根据祁连山地理位置和气候特点将气象站划分为南北坡2大区域,南坡为青海省的8个气象站:托勒、野牛沟、祁连、门源、天峻、刚察、德令哈、茶卡,平均海拔3 140.7 m;北坡为甘肃省的7个气象站:高台、酒泉、山丹、乌鞘岭、武威、永昌、玉门, 平均海拔1 807.6 m,南坡测站位置高于北坡。表1给出祁连山15测站地理位置与1961~2013年气象要素平均值,其中潜在蒸散量和湿润指数为本文计算结果。季节划分以3~5月为春季,6~8月为夏季,9~11月为秋季,12月至翌年2月为冬季。

图1 祁连山地区气象站分布

站名纬度/°N经度/°E海拔高度/m气温/℃降水量/mm风速/(m/s)日照时数/h潜在蒸散量/mm湿润指数南坡托勒38.698.423367.0-2.5297.12.22985.0488.00.46野牛沟38.4299.583320.0-2.9416.32.62682.4397.30.83祁连38.18100.252787.41.1406.51.92854.6546.50.59门源37.38101.622850.00.9519.11.72562.6415.51.08天俊37.399.033417.0-0.9351.83.52987.7559.60.56刚察37.33100.133315.0-0.2382.23.52992.2560.80.56德令哈37.3797.332981.54.0180.72.13078.31000.50.17茶卡36.7899.083087.62.0215.53.13026.4820.20.22平均--3140.70.2346.12.62896.2598.60.56北坡高台39.3399.831332.27.9109.82.63104.3952.10.13酒泉39.7798.481477.27.588.42.23066.91078.30.09山丹38.8101.081764.66.6200.22.42926.51044.10.19乌鞘岭37.2102.873045.10.1399.24.92613.1574.20.63武威37.92102.671531.58.3167.91.82900.1942.50.18永昌38.23101.971976.65.2202.92.92969.8832.80.23玉门40.2797.031526.07.267.83.63234.71315.80.06平均--1807.66.1176.62.92973.6962.80.22

1.3方法

1.3.1月潜在蒸散量

月潜在蒸散量ETi用刘多森等[10]提出的动力学模型改进公式计算,该方法为中国气象局推荐的生态气象监测标准中的计算方法[11]。

(1)

式中i为月份,d为该月天数,Ui为10 m高度月平均风速(m/s),Pi为月平均气压 (hPa),ti为月平均气温(℃),w0i是温度为ti时的饱和水汽压(mmHg),hi为月平均相对湿度(%)。

饱和水汽压w0i的计算[11]如下:

(2)

(3)

1.3.2湿润指数

降水和地表蒸发潜力是影响地表干湿变化的2个主要因子,降水增加有利于地表变湿,而地表蒸发潜力增大可使地表变干[2]。湿润指数(K)的计算方法[5,11]如下:

(4)

式中R为降水量,ET为潜在蒸散量。

干湿状况划分参考文献[12]:K<0.03为极干旱气候区,0.031.0为湿润气候区。

1.3.3贡献率

采用多元线性回归方法分析各气象因子对湿润指数和潜在蒸散量的影响。按方精云[13]和张嘉琪等[14]的方法用SPSS软件求算各气象因子的标准回归系数,按照公式(5)与(6)计算各气象因子对湿润指数与潜在蒸散量变化的相对贡献率,作为比较气象因子影响湿润指数和潜在蒸散量分布强弱的指标。

(5)

(6)

式中Y为湿润指数(或潜在蒸散量)的标准化值,Z1、Z2、Z3…Zn分别为各气象因子的标准化值,b1、b2、b3…bn为各气象因子序列标准化后对应的回归系数,n为样本数;η1为Z1变化对Y变化的相对贡献率。

采用线性趋势分析[15]与R/S分析[16]方法分析湿润指数和潜在蒸散量的年际及未来变化趋势。

2结果分析

2.1潜在蒸散量和湿润指数的逐月和季节变化

图2给出祁连山南北坡降水量、潜在蒸散量和湿润指数的逐月变化。降水量、潜在蒸散量和湿润指数年变化均表现为单峰型。祁连山南坡降水量明显多于北坡;潜在蒸散量最大值出现在6~7月,最小值南北坡均出现在1月;湿润指数5月开始逐渐增大,南坡7月达最大,北坡9月最大,10月开始减小,11月至次年4月相对较小,4~7月的增加率和9~11月的减小率南坡明显大于北坡,湿润指数在祁连山南北坡存在明显的位相差。通过南北坡降水量和潜在蒸散量7~9月平均增(减)幅率对比分析发现,7~9月降水量南坡减幅率明显大于北坡,而潜在蒸散量刚好相反,正是南北坡降水量和潜在蒸散量月平均增(减)幅率的大小,造成南北坡湿润指数最大值出现月份的差异。

图2 祁连山地区降水量、潜在蒸散量和湿润指数的逐月变化

祁连山南北坡潜在蒸散量均为夏季最大、春季次之、冬季最小,而湿润指数表现为夏季最大、秋季次之、冬季最小,故年潜在蒸散量的大小主要取决于夏春季,而年湿润指数的大小主要取决于夏秋季。潜在蒸散量相邻季节之间的波动北坡明显大于南坡,湿润指数则相反。

2.2潜在蒸散量和湿润指数的年际变化

图3给出祁连山南北坡1961~2013年潜在蒸散量的年际变化。可以看出,南坡近53 a潜在蒸散量平均值为598.6 mm,最大值为702.4 mm(2013年),最小值为458.8 mm(1967年),极差为243.6 mm,变异系数为7.1%。南坡潜在蒸散量以9.9 mm/10 a的速率增加,其增加趋势达到0.01的显著性水平。北坡近53 a潜在蒸散量平均值为962.8 mm,最大值出现在2013年(1 162.4 mm),最小值出现在1993年(792.2 mm),极差为370.2 mm,变异系数为7.3%。北坡潜在蒸散量以14.1 mm/10 a的速率增大,其增大趋势通过了0.05的显著性水平检验。

图4给出祁连山南北坡1961~2013年湿润指数的年际变化。可以看出,南坡近53 a平均湿润指数为0.56,属半湿润气候区,变异系数为16.8%,最大值0.90出现在1989年,最小值0.4出现在1961年和1991年,极差为0.5,湿润指数以0.002/10 a的速率增加;北坡平均湿润指数为0.22,属半干旱气候区,变异系数为24.1%,最大值0.33出现在1971年,最小值0.11出现在1965年,极差为0.22,湿润指数以0.005/10 a的速率增加。南北坡湿润指数均未通过显著性检验,表明南北坡湿润指数年际变化趋势不明显。

总体而言,祁连山南北坡潜在蒸散量的总体变化趋势相同,但阶段性变化和增加速率略有不同,南坡一直波动上升,北坡1960~1980年代末呈减小趋势,1990年代后出现快速增加趋势。南坡平均蒸散量比北坡少364.2 mm,南、北坡湿润指数在波动中呈现缓慢增加趋势,且北坡增加速率比南坡快,南坡平均湿润指数比北坡高0.34。

图3 近53 a祁连山地区潜在蒸散量的年际变化

图4 近53 a祁连山地区湿润指数的年际变化

表2给出祁连山南、北坡四季潜在蒸散量和湿润指数的年际变化趋势。可以看出, 潜在蒸散量在祁连山南坡除夏季外其他季节均呈显著增加趋势,气候倾向率分别为2.9、3.0和2.0 mm/10 a;北坡冬春季呈显著增加趋势,气候倾向率分别为5.9和1.9 mm/10 a。北坡冬季湿润指数以0.014/10 a的速率增加并通过0.05的显著性检验,其他季节变化趋势不明显;南坡春、夏、秋、冬季湿润指数变化趋势均不明显。

表2 祁连山地区四季潜在蒸散量和湿润指数的年变化趋势

注:*、**和***分别表示通过0.10、0.05和0.001的显著性检验

2.3潜在蒸散量与湿润指数的年代际变化

表3给出祁连山地区潜在蒸散量和湿润指数的年代际距平。潜在蒸散量南坡1960~1970年代、1990~2000年代为负距平,1980年代为正距平;北坡1960~1990年代为负距平,2000年代为正距平。南坡湿润指数1960年代、1980年代为负距平,1990年代变化不大,2000年代为正距平;北坡1980~1990年代为负距平,1960年代与气候标准值基本持平,2000年代为正距平。总体来看,1990~2000年代,南北坡湿润指数和潜在蒸散量均呈增加趋势,湿润指数南北坡的增加幅度相同,潜在蒸散量增幅北坡是南坡的3倍。

表3 祁连山地区潜在蒸散量和湿润指数的年代际距平

2.4潜在蒸散量和湿润指数未来变化趋势

对祁连山南、北坡潜在蒸散量和湿润指数时间序列进行R/S分析,计算出Hurst指数见表4。Hurst指数能很好地揭示潜在蒸散量和湿润指数时间序列的趋势,并且可以根据Hurst指数值的大小判断趋势性的持续性(反持续性)强度大小[17]。从表4看出祁连山南北坡年和四季潜在蒸散量(除北坡秋季为0.42)与湿润指数(除南坡冬季为0.48)的Hurst指数值都>0.5,说明其未来变化趋势将同过去保持一致,北坡秋季潜在蒸散量与南坡冬季湿润指数变化将发生逆转;北坡年潜在蒸散量的Hurst指数值明显大于南坡,表明北坡的未来变化趋势强度强于南坡;南北坡年湿润指数的Hurst指数基本相当,未来变化趋势强度的差异不明显。

2.5祁连山南、北坡干湿状况变化的气候成因

从湿润指数的定义来看,其变化取决于降水和潜在蒸散量[5,11]。显然降水量的多少会直接影响湿润指数的大小,而潜在蒸散量与气温、日照时数、空气湿度、风速等诸多气象要素有关。

2.5.1气象因子对湿润指数及潜在蒸散量变化的相对贡献率

表4 祁连山南、北坡潜在蒸散量和湿润指数的Hurst指数值

表5 祁连山南、北坡各气象因子对年潜在蒸散量和湿润指数变化的相对贡献率(单位:%)

表6 祁连山南、北坡各气象因子对季节潜在蒸散量和湿润指数变化的相对贡献率(单位:%)

表5和表6给出各气象因子对湿润指数及潜在蒸散量变化的相对贡献率(η1)。就年变化而言,祁连山南北坡降水量的变化对湿润指数变化影响最大,贡献率在50%以上,气温和相对湿度对南坡的影响次之,贡献率在18%左右,而北坡相对湿度的贡献率在28%左右,风速和日照时数对南北坡湿润指数变化的相对贡献率较小。对于祁连山南北坡的潜在蒸散量,气温是主要影响因子,贡献率在35%以上,次要因子为相对湿度和风速,日照时数影响最小。表明影响祁连山区南北坡湿润指数的主要因子是降水量,次要因子南北坡略有不同,影响潜在蒸散量的主要是气温,次要因子南北坡相同。就各季节而言,祁连山南北坡湿润指数的主要影响因子是降水量,相对贡献率在45%以上,南坡的次要影响因子是相对湿度和气温,风速和日照时数的影响较小,冬春季相对湿度和风速、夏秋季相对湿度和气温是北坡的次要影响因子。祁连山南坡夏季相对湿度的变化对潜在蒸散量变化影响最大,贡献率在39%左右,气温和风速的变化次之,其他季节气温影响最大,贡献率在37%以上,相对湿度和风速影响次之。北坡冬春季气温变化对潜在蒸散量影响最大,贡献率在35%以上,相对湿度和风速变化次之,夏秋季相对湿度的变化对潜在蒸散量影响最大,贡献率在43%以上,气温和风速的变化次之,日照时数对南北坡潜在蒸散量的影响都很小。

2.5.2影响因子的变化趋势

祁连山南、北坡1961~2013年近53 a平均气温和降水量均呈显著增加趋势,气温的气候倾向率分别为0.37和0.34 ℃/10 a,趋势系数为0.81和0.75,均通过0.001的显著性检验;降水的气候倾向率分别为10.7和5.2 mm /10 a,趋势系数为0.39和0.28,分别通过0.001和0.05的显著性检验。降水量与湿润指数、平均气温与潜在蒸散量的年际变化趋势相一致(图略),祁连山南坡潜在蒸散量与平均气温(降水量)的相关系数为0.57(0.31),湿润指数与降水量(平均气温)的相关系数为0.86(0.05);北坡潜在蒸散量与平均气温(降水量)的相关系数为0.54(0.47),湿润指数与降水量(平均气温)的相关系数为0.87(0.09)。南北坡潜在蒸散量与平均气温、湿润指数与降水量的相关系数均通过0.01显著性检验,而且南北坡潜在蒸散量与降水量的相关关系也通过0.05以上的显著性检验,说明降水(平均气温)是导致祁连山地区湿润指数(潜在蒸散量)变化的主要原因,而且降水对潜在蒸散量也有一定的影响。

3结论与讨论

(1)祁连山南北坡潜在蒸散量的年变化表现为单峰型,较大值均出现在5~8月,较小值出现在12月至翌年2月。湿润指数从5月开始逐渐增大,南(北)坡7月(9月)最大,10月开始逐渐减小;4~7月的增加率和9~11月减小率南坡明显大于北坡;湿润指数祁连山南北坡存在明显的位相差。潜在蒸散量(湿润指数)季节表现均为夏季最大、春(秋)季次之、冬季最小。潜在蒸散量相邻季节之间的波动北坡明显大于南坡,湿润指数则相反。

(2)近53 a来,祁连山区年平均潜在蒸散量南坡为598.6 mm、北坡为962.8 mm,南、北坡潜在蒸散量均在波动中呈显著增加趋势。湿润指数南坡为0.56、北坡为0.22,波动中呈缓慢增加,但变化趋势不明显。潜在蒸散量和湿润指数增加速率北坡大于南坡。总体上南北坡潜在蒸散量和湿润指数未来变化趋势总体上将同过去保持一致,且年潜在蒸散量未来的变化趋势强度北坡强于南坡,年湿润指数变化趋势强度的差异不明显。

(3)通过与各气象因子的多元回归分析表明,影响祁连山南北坡湿润指数(潜在蒸散量)的主要因素均是降水量(气温),其他气候因子的变化对地表干湿状况起增强或削弱作用。

用降水量和潜在蒸散量之比构建的湿润指数分析祁连山地区近53 a干湿状况的变化特征,且潜在蒸散量的计算考虑了气温、风速、气压、降水量和相对湿度等气象要素的变化,特别是计算过程中区分不同温度条件,考虑了高海拔寒冷地区低温对潜在蒸散计算的干扰,这样更接近高海拔寒冷地区的实际情况。

吴绍洪等[1]研究认为近30 a来中国陆地表层年平均最大可能蒸散在400~1 500 mm之间,本文计算的祁连山地区年平均潜在蒸散量在397.3~1 315.8 mm之间。杜军等[18]研究指出,西藏北部地表湿润指数以0.01~0.05/10 a的速率增加,黄小燕等[7]分析得出西北地区湿润指数平均每10 a增加0.006;王根绪等[19]认为过去40 a来黄河源区气温持续升高,在降水没有明显变化的情况下,导致青藏高原腹地气候的暖干化趋势。祁连山南北坡的湿润指数变化趋势与西藏北部地区及西北地区相一致,增幅与西北地区相当,是西藏北部地区的1/10,与黄河源区的变化趋势相反。

祁连山南、北坡干湿状况差别较大,南坡平均湿润指数比北坡高2.5倍。祁连山地域宽广,南北、东西向经纬跨度大,海拔高度差异大,区域内大气环流复杂,气候类型多样,造成祁连山地区南北坡气候特点差异性很大[20-21],从而导致祁连山南北坡湿润指数和潜在蒸散量的南北差异。

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Analysis on Potential Evapotranspiration and Surface Moisture Index Change in the South and North Slope of Qilian Mountains in Recent 53 Years

QI Donglin, LI Fu, XIAO Jianshe, LI Xiaodong,XIAO Hongbin, ZHAO Huifang, SU Wenjiang

(InstituteofQinghaiMeteorologicalScience,QinghaiKeyLaboratoryofDisasterPreventingandReducing,Xi’ning810001,China)

Abstract:Based on meteorological data of 15 observation stations in the Qilian Mountains from 1961 to 2013, the potential evapotranspiration and moisture index there were calculated and analyzed. The results are as follows: (1) The annual variation of potential evapotranspiration in the north and south slope of the Qilian Mountains presented a single peak with the larger values occurring from May to August and the smaller values appearing from December to next February. The moisture index increased gradually from May, the maximum occurred in July (September) in the south (north) slope, and decreased gradually from October. There was obvious phase difference between moisture index and potential evapotranspiration in the Qilian Mountains area. The potential evapotranspiration and moisture index in summer were larger than those in spring and autumn, which were minimum in winter. The adjacent seasonal fluctuation of potential evapotranspiration in the north slope was significantly greater than that in the south slope, but moisture index was adverse. (2) The potential evapotranspiration in the north and south slope of the Qilian Mountains significantly increased, while moisture index increased slowly and the trend was not obvious. The increasing rate of potential evapotranspiration and moisture index in the north slope was faster than that in the south slope. The future trends of potential evapotranspiration and moisture index in the north and south slope would be coherent with the past in general, and the future trend of potential evapotranspiration in the north slope was stronger than that in the south slope. (3) The main factor influencing moisture index (potential evapotranspiration) in the south and north slope was precipitation (temperature), and the variation of other meteorological factors enhanced or weakened surface humid state.

Key words:potential evapotranspiration; moisture index; contribution rate; the Qilian Mountains

中图分类号:P426.2

文献标识码:A

文章编号:1006-7639(2016)-01-0026-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0026

作者简介:祁栋林(1967-),男,高级工程师,主要从事气候变化和大气成分研究. E-mail:qidl007@163.com

基金项目:国家自然科学基金地区科学基金项目(41161009)和公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306054、GYHY201506001)共同资助

收稿日期:2015-07-18;改回日期:2015-08-25

祁栋林,李甫,肖建设,等.近53 a来祁连山南北坡潜在蒸散量及地表湿润度变化趋势分析[J].干旱气象,2016,34(1):26-33, [QI Donglin, LI Fu, XIAO Jianshe, et al. Analysis on Potential Evapotranspiration and Surface Moisture Index Change in the South and North Slope of Qilian Mountains in Recent 53 Years[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):26-33], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0026

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