1964—2013年汉江生态经济带干湿气候时空变化分析

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(1.湖北文理学院 管理学院，湖北 襄阳 441053； 2.中国地质大学(武汉) 地球科学学院， 武汉 430074； 3.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101)

1964—2013年汉江生态经济带干湿气候时空变化分析

张逸飞1，张中旺1,2,孙小舟1,3,龚佑海1,张志洁1,孙雨露1

(1.湖北文理学院 管理学院，湖北 襄阳 441053； 2.中国地质大学(武汉) 地球科学学院， 武汉 430074； 3.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101)

根据1964—2013年汉江生态经济带气象站点的逐日观测数据，通过气候斜向率、Kriging插值法、M-K突变检验、小波分析等手段分别对各干湿要素进行趋势、空间、突变、周期分析。结果显示：该区域总体上经历了由湿变干的过程，年降水量、潜在蒸散量、干湿指数、水分盈亏量均呈线性下降趋势，突变分别发生于2005,1972,2006,2005年前后，且存在5,15,25 a左右时间尺度的干湿周期；该区域分为湿润、半湿润地区，各干湿气候要素在空间上基本呈 “山区少、平原多”沿汉江自东南向西北逐渐变干的格局。综上，受多因素的影响，汉江中下游流域干湿气候空间分布相对复杂并逐渐变干，这种趋势已经凸显，应予以必要的重视，并采取科学可行的防旱减灾措施应对干湿气候变化。

汉江生态经济带；干湿气候；时空变化;年际变化；突变;防旱减灾

1 研究背景

以“全球变暖”为重要特征的气候变化对人类社会影响重大，“变暖”不仅在广域尺度上带来系列性气候灾害，而且会改变区域干湿状况，引发极端气象事件。干湿变化一定程度上反映了气候异常的现实，因此气候变暖背景下区域干湿气候研究受到学界的广泛关注，取得了一些重要成果[1-3]。除全国范围内的广域研究外，以往的研究多聚焦于华南湿润区及西北干旱区，然而，由于汉江生态经济带提出时间较晚，且地处中部气候过渡区，此类研究则相对较少[3-6]。

目前，作为千湖之省的湖北已经“喊渴”受灾人口过百万，汉江中下游流域更是出现严重的连季、甚至连年干旱，干旱持续时间也有拉长的趋势，“水袋子”汉江正在退变[7]。干旱不断改变着流域水分平衡及干湿状况，进而威胁水资源安全，影响着人民生活、经济建设、生态环境等方方面面。随着“汉江生态经济带”开放式发展纳入国家战略，为进一步认识汉江中下游干湿气候状况，结合流域特点，定性、定量研究汉江生态经济带干湿气候要素的时空分布，以期揭示其干湿气候变化规律。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

汉江生态经济带即汉江中下游流域，位于我国中部腹心,流域内涵盖十堰、襄阳、随州、孝感、荆门、仙桃、潜江、天门、武汉等市和神农架林区，面积6.3万km3，约占湖北省总面积的33.89%[7-8]。由于该区地处亚热带与暖温带、山地与平原的过渡带，复杂的气候、地表条件造成了较为恶劣的自然环境，气象灾害频繁。作为全国重要的农产品生产基地、生态功能区和湖北省重要经济带，汉江流域由于连续多年干旱，导致该区水分收支失衡。鉴于此，分析50 a来汉江中下游各干湿气候要素的变化，对更好地提高水资源可持续利用效率，促进流域经济、社会、生态的稳定发展有着一定的现实意义。

2.2 数据来源

根据湖北省气象局气象信息中心资料，选取1964—2013年汉江中下游流域资料序列较长的15个气象站点数据。逐日统计降水量、2 m处平均风速、平均温度、相对湿度、饱和水气压、土壤通热量等具体数据，用于分析计算50 a来汉江中下游流域年降水量、潜在蒸散量、干湿指数和水分盈缺等物理量，对于少数缺失数据，使用Kriging插值或临近空间插补进行补全，确保气象数据的连续性和完整性。

3 研究方法

3.1 干湿指数和水分盈亏量

作为表征区域干湿程度相对理想的变量指标，干湿指数、水分盈亏量能够较客观地描述大气水分收支平衡状况及干湿气候变化[9-10]，其计算公式为：

(1)

(2)

表1 基于干湿指数的气候划分标准Table 1 Wetness index based on Chinese climate classification criterion

为确定干湿指数、水分盈亏量，并客观地反映实际气候的可能蒸散能力，根据世界粮农组织于1998年推荐的FAO Penman-Monteith公式[9-11]计算潜在蒸散量,即

(3)

式中：E0为潜在蒸散量(mm/d)；Rn为作物表层净辐射(MJ/(m·d))；G为土壤热通量(MJ/(m2·d))；T为日均气温(℃)；u2为2 m高度处风速(m/s)；es为饱和水气压(kPa)；ea为实际水气压(kPa)；Δ为饱和水气压曲线斜率(kPa/℃)；γ为干湿表常数(kPa/℃)。

3.2 气候变化趋势率和Mann-Kendall突变分析

直观反映气象要素长时间序列的变化趋势，可以采用线性回归的分析方法[16-20]。其回归方程为

(4)

式中：b为回归系数；a为经验系数；ti为时间序列。通过气候倾向率(气候变化回归系数的10倍表示)的正负、大小，判断气候变量趋势的上升、下降及其速率。

M-K法[9-11]以其不受少数异常值干扰、不需样本资料遵循一定分布、计算较简单等优势常被运用于处理气象等非正态分布的数据中。首先建立时间序列y1,y2,y3,…，yi,yi>yj(1≤j≤i)的累积值，统计量为

(5)

式中mi表示第i个样本。

设原始序列随机独立，计算dk的均值及方差为：

(6)

(7)

进行dk的标准化计算,即

(8)

通过UFk组成1条UF曲线，通过信度检验可得出其是否有明显的变化趋势。同理引用到反序列中可求UBk。当UF>0，序列呈上升趋势，相反则呈下降趋势；当曲线超过置信水平时，表明上升或下降趋势 显著；如果UF和UB这2条曲线出现交点，且交点位于置信区间内，那么交点对应的时刻即是突变开始的时刻。

3.3 Kriging空间插值法

在 ArcGIS 9.0软件支持下，采用Kriging插值法[9]。Kriging法作为一种基于变异函数和结构分析理论，其实质是在考虑已知样本大小、方位、形状与未知样本之间的空间关系，以及变异函数的结构信息的基础上，对未知样本作估计。此外，常用方法有正态克里金、普通克里金等，这里选择普通克里金法分析汉江中下游各气象要素的空间分布规律。算法公式为

(9)

式中：Z(x0)为未知样本点的值；Z(xi)为未知样本点附近已知样本点的值；ωi为第i个已知样本点对未知样本点的权重；n为已知样本点个数。

3.4 小波分析方法

随时间的变化,气候要素不仅具有趋势性、周期性的规律，还存在随机性、突变性，属非平稳序列。为分析各要素序列的多种变化周期，研究采用时间序列的小波分析，并绘制小波系数实部等值线图，以图反映气候要素序列不同时间范围的周期变化以及其时间域中的分布。

连续小波变换[10]可定义为

(10)

4 结果及分析

4.1 干湿气候的年际变化趋势

4.1.1 年降水量、蒸散量的变化趋势

由图1(a)可见，1964—2013年间汉江中下游年降水量在700～1 300 mm范围内，多年均降水936.43 mm，且以-22.436 mm/(10 a)倾向率呈显著下降趋势，波动幅度较大。就降水及其5 a滑动平均曲线来看，该流域60—70年代降水量一般高于长年平均值，但70年代中后期其减少趋势凸显；80—90年代年降水起伏变化较大，大致经历了先增后减的变化过程；21世纪以来减少趋势更明显，其降水由2000年的1 079.87 mm波动减少到2013年的809.03 mm。

图1 1964—2013年汉江生态经济带地区降水量、潜在蒸散量趋势变化Fig.1 Trends of annual precipitation and potential evapotranspiration during 1964-2013 in Hanjiang river ecological economic region

由图1(b)可见，1964—2013年，汉江中下游潜在蒸散量整体上先减少再缓慢增加，倾向率为-13.665/(10 a)，年际下降趋势显著，波型变化明显。由蒸散量时间变化曲线可知：其变化范围在600～1 000 mm内，最小值为644.04 mm(1989年),最大值为974.34 mm(1966年)，多年平均值为792.34 mm；在趋势变化过程中，60，70年代潜在蒸散量最大，70—90年代末蒸散量逐渐减少，并于1993年和1996年达到谷值， 此后蒸散量又再次缓慢上升。

4.1.2 年干湿指数、水分盈亏量的变化趋势

在降水量和潜在蒸散量的共同作用下，1964—2013年汉江中下游干湿指数的线性倾向率为-0.011/(10 a)，干湿指数总体呈现不明显的下降趋势见图2(a)。其时间变化特征表现为：60—70年代干湿指数下降，虽谷值出现在1966年(0.710 2)但下降幅度不大；80—90年代为该区域偏湿润，分别于1983,1989年出现2次峰值，干湿指数也多保持在1.0～2.0的范围，90年代末湿转干的趋势显现；进入2000年后，则进入相对的干旱期，干湿指数逐年递减。

图2 1964—2013年汉江生态经济带地区年干湿指数、水分盈亏量趋势变化Fig.2 Trends of annual wetness index and water deficit during 1964-2013 in Hanjiang river ecological economic region

汉江中下游水分盈亏量年际变化较大，从图2(b)和表2看出：1964—2013年水分盈亏量整体上在减少，平均每10 a减少8.771 mm，近50 a流域水分盈亏量减少43.86 mm。80年代前5 a滑动平均在平均线之下，并多年出现水分亏缺(1966年亏缺量最大，达282.36 mm)；80—90年代相对湿润，除1981,1986年水分亏缺外，其他年份水分收支盈余；进入21世纪水分盈亏量渐降，虽近15 a间仅3 a出现水分亏缺，但盈余量逐渐减少。

4.2 干湿气候的空间变化规律

4.2.1 降水量和蒸散量的空间分布

汉江中下游降水较为适中，流域年均降水约939.32 mm，但降水空间分布不均衡，且沿汉江由东南向西北递减，下游平原多于中游山地。如图3(a)，全地区大致可分为3个纬向分布的降水区：其中广水、钟祥以南的江汉平原，属降水较多地区，长年降水在1 000 mm以上；而房县、宜城、随州以北的鄂北岗地和十堰山区降水相对较少，年均降水多在900 mm之下；其余区域降水适中，长期年均降水在900～1 000 mm之内。

汉江中下游年均潜在蒸散量为798.02 mm，具有明显的空间差异特征,见图3(b)。与降水不同，其蒸散量空间上呈“平原多、山地少，东南多、西北少”的格局：广水、钟祥、天门、武汉等东南平原区蒸发旺盛，高于流域平均值；襄阳、神农架以及十堰南部山区等地蒸散量较小，低于流域均值；此外，在地形、季风、人类活动等因素综合作用下，导致局部蒸散量异常，随州、广水出现蒸散量明显区别于周围区域的现象，为潜在蒸散量的异常区。

图3 汉江生态经济带地区年均降水量、潜在蒸散量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of annual precipitation and potential evapotranspiration in Hanjiang river ecological economic region

4.2.2 干湿指数和水分盈亏量的空间分布

汉江中下游年均干湿指数为1.18。根据干湿气候区划标准，该流域为湿润、半湿润区，湿润区面积明显多于半湿润区，只有少数半湿润区干湿指数低于周围区域。江汉平原等区域降水大于蒸发，气候湿润干湿指数范围1.00～1.40；神农架林区降水与蒸发量均不大，其干湿指数常在1.20上下浮动；相比较而言，鄂北岗地、十堰北部山区等，由于降水较少、蒸发量相对较大往往干湿指数小于1.00，成为干旱的频发区，见图4(a)。

由于降水量多大于蒸发量，汉江中下游水分收支状况常表现为“盈余”，但盈余量不大且分布不均，流域多年平均盈余量141.31 mm，极差超过400 mm。水分盈亏量空间上表现出地带性分布特征，总体上南多北少。据图4(b)，下游潜江、武汉等地水分盈余量最大，为180～300 mm；中游襄阳、荆门段盈余量较下游少，一般在60～180 mm，部分区域亏缺；汉江十堰段北部山区水分亏缺，南部略有盈余，盈亏量通常不超过60 mm。

图4 汉江生态经济带地区年均干湿指数、水分盈亏量的空间分布Fig.4 Spatial distribution of annual wetness index and water deficit in Hanjiang river ecological economic region

4.2.3 空间变化情况分析

综合降水量、可能蒸发量、干湿指数、水分盈亏量等要素的空间变化情况，可看出汉江中游降水量较少,蒸发量相对较大，造成该区较为干燥，且干湿指数小，水分收支部分地区出现亏缺；汉江下游区域蒸发量虽大，由于该区降水丰沛，水分收支长期盈余，干湿指数较大，为流域的湿润区；除个别气候异常区域外，全流域空间上呈现出沿汉江干流由东南江汉平原向西北十堰山区水分逐渐减少的干湿变化情况。

4.3 干湿气候的突变分析

4.3.1 降水量和蒸散量的突变分析

1964—2013年汉江生态经济带年降水量、潜在蒸散量M-K突变检测曲线见图5。

图5 1964—2013年汉江生态经济带年降水量、潜在蒸散量M-K突变检测曲线Fig.5 Mann-Kendall test curves of annual precipitation and potential evapotranspiration during 1964-2013 in Hanjiang river ecological economic region

由图5(a)检测结果可知，1964—2013年UFk曲线值基本低于0，且曲线值多数超出水平为0.05的临界线，说明降水序列表现出显著下降的趋势；据UFk与UBk曲线交点位置，汉江生态经济带地区于2005年降水量发生由高转低的突变。由图5(b)检验结果可知:1963—1977年UFk曲线值低于0，蒸散量逐渐下降；1977—1999年UFk曲线值高于0，蒸散量呈上升趋势，1999年后再次下降。UFk与UBk曲线在1972年相交。

由表2知:突变前(1964—2005年)年均降水955.07 mm，突变后(2006—2013年)年均降水838.59 mm，突变量为-116.47 mm; 蒸散量突变发生在1972年前后：突变前(1964—1972年)年均潜在蒸散量841.75 mm，突变后(1973—2013年)年均潜在蒸散量781.49 mm，突变下降60.25 mm。

表2 汉江生态经济带干湿要素突变前后情况Table 2 Values of dry-wet factors before and after the abrupt change in Hanjiang ecological economic region

4.3.2 干湿指数和水分盈亏量的突变分析

1964—2013年汉江生态经济带年干湿指数、水分盈亏量M-K突变检测曲线见图6。

图6 1964—2013年汉江生态经济带年干湿指数、水分盈亏量M-K突变检测曲线Fig.6 Mann-Kendall test curves of annual wetness index and water deficit during 1964-2013 in Hanjiang river ecological economic region

由图6检验结果可知，1964—2013年干湿指数变化有渐变也存在突变，其UFk曲线值总体上不超过0，表现出下降的趋势；由于UFk与UBk2条曲线存在多处相交，且都在置信水平线内(y0.05=±1.96)，为剔除干扰点，利用Yamamoto法再次检验，结合2种结果发现突变发生于2006年，较突变前干湿指数降低了0.16。

由图6(b)检验结果可知，1964—2013年水分盈亏与干湿指数M-K突变检测曲线类似，根据UFk曲线，可看出水分盈亏量持续下降，且于2005年前后发生了水分盈亏量的突变。据表3可知,突变前(1964—2005)年均水分盈亏量164.21 mm，突变后(2005—2013)年均水分盈亏量38.54 mm，突变量为-125.67 mm。

4.4 干湿气候的周期分析

汉江中下游降水存在多时间尺度的变化周期，由图7(a)可知：在5～10 a的尺度上，其1965—1983年降水经历了3次相对的周期震荡；在10～17 a的尺度上，降水周期于1965—2000年发生了4次相对震荡；在25～30 a的时间尺度上，降水周期发生了3次相对震荡。

由小波实部分析结果图7(b)可知，1964—2013年汉江中下游潜在蒸散量较为明显的一直存在三类周期变化，即3～5 a,10～16 a,25～30 a时间尺度的周期震荡，其中10～16 a的周期有渐长趋势。

分析小波实部图7(c)可知，干湿指数主要存在3～7 a和10～17 a的准震荡周期：在3～7 a尺度上，干湿指数波动幅度相对较小，显现出更为连续频繁的周期震荡，表现出不明显的干湿变化；在10～17 a尺度上，其实部系数分别存在5个高、低值中心，即干湿指数出现了5次准干湿变化。

注：颜色较浅的区域为高值区，颜色较深的区域为低值区图7 汉江生态经济带地区年降水量、潜在蒸散量、干湿指数、水分盈亏量小波实部等值线Fig.7 Real part of Morlet wavelet coefficients of annual precipitation,potential evapotranspiration,wetness index,and water deficit in Hanjiang river ecological economic region

通过分析图7(d)，50 a汉江中下游水分盈亏量有两类尺度的周期变化：在3～5 a尺度上，存在比较密集的实部等值线，说明水分经历了多次盈余、亏缺震荡，水分盈亏状况年际交替频繁；在10～15 a尺度上，周期则表现出逐渐缩短的趋势。

5 结论与展望

5.1 结 论

基于汉江中下游流域内15个站点50 a多种原始气象数据，利用Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量、干湿指数、水分盈亏量等要素，并通过多种方法分析气候各要素的时、空特征，研究结论如下：

(1) 从时间变化来看，汉江生态经济带地区近50 a降水量、潜在蒸散量、干湿指数、水分盈亏量表现出较大的年际波动，并分别以-22.436 mm/(10 a),-13.665/(10 a),-0.011/(10 a),8.771 mm/(10 a)的倾向率大致呈下降趋势，全区虽整体在变干，但由于干湿气候的区域差异，局部也存在不显著的变湿倾向；1964—2013年，60,70年代为干旱期，80,90年代为偏湿润，90年代后又开始了湿转干的进程，这同2000 年以来汉江湖北段发生过 6次严重干旱的现实情况一致。

(2) 从空间分布来看，汉江中下游多为湿润区，部分为半湿润区；在空间分布上，除少数干湿异常区外，流域内基本表现为“东南湿、西北干，平原湿、山地干”的分布格局。

(3) 从干湿突变来看，在50 a间本流域降水量、潜在蒸散量、干湿指数分别于2005年、1972年、2006年发生减少性突变，水分亏缺量于2005年突变性增加，以突变年份为节点，近10 a来汉江中下游流域变干的幅度较明显。

(4) 从干湿周期来看，通过小波实部等值线图可发现，汉江生态经济带地区4种干湿气候要素包括了多个不同时间尺度的周期，降水量主要存在5～10,10～17,25～30 a的周期震荡，潜在蒸散量主要有3～7,10～16,25～30 a的周期震荡，干湿指数和水分盈亏量主要以3～7,10～17 a的两种时间变化尺度的周期震荡为主；其中5,15,25 a等3个震荡周期起着支配各干湿要素在整个时间序列的变化，且以12 a的周期波动为各干湿气候要素的第1周期。

5.2 展 望

汉江生态经济带有“变干”趋势，虽然这种趋势对该区半湿润、湿润地区的现状改变有限。但值得关注的是，这种潜在变化会增加旱灾发生频率，加快汉江“湿转干”的速率。此外，受数据、时间等限制，加上干湿气候影响因素的复杂性、综合性等特征，本文存在以下不足，以期日后进一步研究：

(1) 干湿气候要素众多，这里只选取降水量、潜在蒸散量、干湿指数和水分盈亏量4种要素进行时间及空间尺度的研究，其他影响机理有待今后补充完善。

(2) 进一步分析干湿气候的空间规律，应以具体年限为节点，阐释各时间段干湿气候要素的空间变化情况。

(3) 深入研究应结合南水北调中线工程调水影响，从干湿气候变化出发，增强干湿气候变化的原因分析，评价其对社会生活、经济建设、生态环境等方面的影响，并据此制定科学合理的应对措施。

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(编辑：赵卫兵)

Spatiotemporal Changes of Dry-wet Climatic in HanjiangRiver Ecological Economic Region During 1964-2013

ZHANG Yi-fei1,ZHANG Zhong-wang1,2,SUN Xiao-zhou1,3,GONG You-hai1,ZHANG Zhi-jie1,SUN Yu-lu1

(1.School of Management,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,China; 2.School of Earth Science,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China; 3.Institute of Geographical Science and Resources,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China)

According to the daily observation data of meteorological stations in the Hanjiang river ecological economic region from 1964 to 2013,we analyzed the trends,spatial changes,abrupt changes and cycles of dry-wet climate factors through climate inclination rate,Kriging interpolation,M-K mutation test,and wavelet analysis.Results suggest that the study region generally experienced a change from wet to dry.Annual precipitation,potential evapotranspiration,dry-wet index and water deficit all displayed a linear downward trend,with their sudden changes happened in 2005,1972,2006,and 2005,respectively.The dry-wet cycle is 5-year,15-year and 25-year in time scale.Moreover,the study region can be roughly divided into humid and semi-humid regions,and each dry-wet climate factor presents a trend of “small in mountainous area and large in plain area” in space,which gradually becomes dry along the Hanjiang river from the southeast to the northwest.In conclusion,the dry-wet climate in the Hanjiang river basin is relatively complex and has gradually become dry.We should pay necessary attention to it and take scientific and feasible drought-resisting measures in response to dry-wet climate change.

Hanjiang river ecological economic region; wet-dry climate; spatio-temporal changes; interannual variation; abrupt change; drought relief and disaster reduction

P467

A

1001-5485(2017)10-0017-07

2016-06-29；

2016-08-04

湖北省教育厅人文社科重点项目(16D090)

张逸飞(1992-)，男，湖北襄阳人，硕士研究生,研究方向为区域资源开发与环境保护，(电话)18850142798(电子信箱)zhangyifei0304@126.com。

张中旺(1966-)，男，湖北孝感人，教授，硕士生导师，博士，主要从事区域资源环境保护及可持续发展方面的研究，(电话)15971082393 (电子信箱) zhangzwxf@163.com。

10.11988/ckyyb.20160665 2017,34(10):17-23,30