青海省冬春季风蚀气候侵蚀力和起沙风日数的区域变化差异特征

祁栋林, 韩廷芳, 赵全宁, 赵慧芳, 苏文将

(1.青海省气象科学研究所, 西宁 810001; 2.青海省防灾减灾重点实验室,西宁 810001; 3.青海省格尔木市气象局, 青海 格尔木 816099)

土壤风蚀是北方农田和草场退化、沙化的主要影响因素，严重的土壤风蚀不仅破坏了表层土壤，造成土壤养分的损失，而且还使土壤逐渐退化、沙化，土地生产力急剧下降,严重影响农业生产，甚至成为沙尘暴的沙源地,这不仅给社会造成了严重的经济损失,同时导致当地及周边地区的生态环境不断恶化,已经成为影响社会可持续发展的重要因素之一。以往对北方风蚀沙化的研究,多偏重于定性的描述,缺乏比较系统的定量分析研究。风蚀气候侵蚀力一般用风蚀气候因子指数来度量气候影响风蚀的可能程度，是土地沙化和农田风蚀评判的重要指标[1]。董玉祥等[2]计算分析了我国干旱、半干旱地区风蚀气候侵蚀力的基本特征，指出我国干旱地区侵蚀力水平一般，主要是受降水与风速的影响。内蒙古阴山地区[3-4]、黄土高原[5]和塔里木盆地[6]风蚀气候侵蚀力主要发生冬春季，年风蚀气候侵蚀力整体呈现明显的减小趋势，主要影响气象因子是风速。上述研究多数关注农牧交错带或风水复合区具体范围内以及局部地区的风蚀气候侵蚀力的变化，对于面积广阔的青藏高原地区关注较少[7-8]。风是引起土壤风蚀的最直接动力，风速越大，其风蚀能力越强。已有的许多风蚀起沙模型和研究结果表明[9-12]，地面风蚀起沙量的多少主要受摩擦速度和地表风蚀起沙的临界风速所影响；砂质壤土、壤质砂土和固定风砂土的起动风速是明显不同。胡霞[13]、王翔宇[14]等对不同地表状况(或植被覆盖)对土壤风蚀的影响进行研究得出，增加土壤粗糙度，抵抗风蚀的能力越强，植被覆盖可以降低近地表风速，减小侵蚀风的持续时数，可以增大临界起沙风速和地表粗糙度，可以降低近地表输沙率。

青海省地处青藏高原东北部，全省平均海拔在3 000 m以上，境内地貌特征复杂多样，各地气候条件和植被状况相差较大，以高寒草原(或高寒草甸)为主的自然生态系统基本保存完好,是我国生态环境最脆弱的地区之一,也是我国的强风蚀气候侵蚀力中心[8-9]和研究现代土地沙漠化过程及其驱动机制的重要地区[15-16]。冬春季气温几乎都在0℃以下，干旱少雨、风力强劲的气候使得其大部分地区的风蚀气候侵蚀力较强,为风沙活动提供了必要的动力条件,土壤含沙量丰富,质地松散,内聚力差,具有较强的易碎性和不稳定性,易于风蚀起沙,为土地沙漠化提供了丰富的物质基础,植被稀疏低矮加之生长期短,广大地区经常处于裸露或半裸露状态,从而使得植被对地表的保护作用减弱,为地表风蚀起沙创造了极为有利的条件。本研究利用青海省1961—2015年的基本气象资料和联合国粮农组织给出的风蚀气候因子指数计算公式,对青海省和4个生态功能区冬、春季风蚀气候因子指数和起沙风日数的气候变化特征进行分析，找出其变化的差异，进一步分析确定影响冬春季风蚀气候因子指数的主要气象因子，以其为今后更好地认识不同生态功能区风蚀气候因子指数变化提供基础，为青海省生态环境保护和生态安全屏障建设提供一定的背景支持,并为其资源的合理开发利用与可持续发展提供科学依据。

1 研究区域、资料和方法

1.1 研究区域和资料

为了总体反映青海省冬春季(12—5月)风蚀气候因子指数的时空分布规律，根据青海省的自然地理位置状况、地貌和气候特征划分为柴达木盆地(以荒漠区为主，气候干燥，年降水量较少，沙化严重，主要分布一些灌木类植被，9个代表气象站)、东部农业区(主要以农作物为主，夏季植物覆盖度较好，冬春季主要以裸地为主，12个代表气象站)、环青海湖区(为天然草场区,主要分布草原草场，气候相对寒冷，8个代表气象站)和三江源地区(为天然草场区,主要分布高寒草甸,气候比较寒冷,总体上三江源区的植被状况稍好于环青海湖区，14个代表气象站)4个生态功能区(31°39′—39°19′N,89°35′—103°04′E)[17](图1)。利用青海省1961—2015年43个气象站逐月平均气温、降水量、风速、相对湿度、日照时数及逐日平均风速等资料，计算并统计各站冬、春季(12—5月)风蚀气候因子指数和起沙风日数，以算术平均值代表青海省和4个生态功能区冬、春季风蚀气候因子指数和起沙风日数。气象数据来源于青海省气象信息中心。

图1 青海省43个气象站的分布及生态功能区划分

1.2 研究方法与计算

1.2.1 起沙风日数 风速只有在超过某一临界值的情况下才有可能搬运土壤表层中的颗粒物质至空中，在地表土壤性质一定的情况下，超过临界值风速的大风日数越长，对土壤表面的侵蚀程度就越深[11]。以日平均风速≥6.0 m/s来统计冬春季起沙风日数[9]。

1.2.2 风蚀气候因子指数C的计算 风蚀气候因子指数的计算采用1979年联合国粮农组织提供的计算公式[2]:

(1)

式中:Ui为2 m高处的月平均风速(m/s)；Ri为月降水量(mm)；ETPi为月潜在蒸发量(mm),采用中国气象局推荐的生态气象监测标准中的动力学模型的计算方法[18]。

1.2.3 分析方法 采用线性倾向估计方法[19]分析风蚀气候因子指数和起沙风日数的线性变化趋势，并应用Mann-Kendall检验法[19]对风蚀气候因子指数和起沙风日数进行突变检验。

为定量地表示两幅图的相似程度,采用相似系数[20]。由下式计算:

(2)

式中: cosθ12就是两幅图相似程度的定量指标,称为相似系数。相似系数等于1.0为完全相同,相似系数为-1.0为完全相反,为0.0时表示完全不相似。正值越大越相似,负值越大越相反。

采用标准化回归分析方法[21]分析风蚀气候因子指数的主要影响气候因子。计算公式：

(3)

Y=aZ1+bA2+cZ3+…

(4)

式中：Y为风蚀气候因子指数的标准化值;Z1，Z2，Z3…分别为各气象因子的标准化值；a，b，c…为各气象因子序列标准化后对应的回归系数;标准化回归系数越大说明气候因子对风蚀气候侵蚀力的影响越大；η为Z1气象因子变化对Y变化的相对贡献率。

线性倾向估计分析方法由Excel完成；标准化回归分析方法由SPSS 17.0统计软件完成。

2 结果与分析

2.1 风蚀气候因子指数和起沙风日数的年际变化特征

图2为青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数及起沙风日数的年际变化图。由图2可知，近55 a来青海省冬春季风蚀气候侵蚀力和起沙风日数的年际波动变化基本一致，多年平均分别为24.2，8.5 d，整体上均呈现减小趋势，气候倾向率分别为-3.8/10 a，-1.8/10 a,均通过0.05的显著性检验。4个生态功能区冬、春季风蚀气候侵蚀力气候倾向率分别为-7.4/10 a，-1.8/10 a，-3.3/10 a，-3.5/10 a，除三江源地区外其他3个生态功能区均通过0.05以上的显著性检验,起沙风日数气候倾向率分别为-3.1 d/10 a，-1.0 d/10 a，-1.8 d/10 a，-1.7 d/10 a，4个生态功能区均通过0.01的显著性检验，这与祁栋林[7]及吴成永[8]等研究得出的青海省年风蚀气候侵蚀力整体呈现显著的下降趋势一致。结合5 a滑动曲线可知，青海省整体和4个生态功能区冬春季风蚀气候侵蚀力和起沙风日数均表现为2个变化阶段，20世纪60—70年代中期快速增长，70年代中期以后进入快速下降阶段，进入21世纪00年代后变化相对平稳，特别注意的是东部农业区、环青海湖区和三江源地区风蚀气候侵蚀力进入21世纪00年代以后有反弹趋势。柴达木盆地1976年从上升阶段转换为下降阶段，东部农业区、三江源地区和环青海湖区均是在1973年从上升阶段转换为下降阶段。上升阶段风蚀气候侵蚀力气候倾向率分别为34.5/10 a，4.8/10 a，7.2/10 a，43.3/10 a，起沙风日数气候倾向率分别为14.0 d/10 a，3.5 d/10 a，3.6 d/10 a，19.8 d/10 a，下降阶段风蚀气候侵蚀力气候倾向率分别为-9.5/10 a，-1.7/10 a，-3.6/10 a，-6.0/10 a，起沙风日数气候倾向率分别为-4.6 d/10 a，-1.1 d/10 a，-2.3 d/10 a，-3.4 d/10 a，柴达木盆地和三江源地区风蚀气候侵蚀力和起沙日数均通过0.01显著性检验,东部农业区和环青海湖区上升阶段的气候侵蚀力没有通过显著性检验。

图2 青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数及起沙风日数的年际变化

青海省4个生态功能区冬春季风蚀气候侵蚀力和起沙风日数大小均依次为柴达木盆地>三江源地区>环青海湖区>东部农业区。柴达木盆地多年平均为38.9，12.3 d，最大为77.4，27.8 d，出现在1974年和1969年，最小为17.2，3.0 d出现在2014年和2013年。东部农业区多年平均9.5，3.1 d，最大值为19.9，8.5 d均出现在1969年，最小为3.4，0.4 d，均出现在2003年；环青海湖区多年平均为21.1，7.1 d，最大为50.6，20.1 d，出现在1971年和1970年，最小为8.4，1.1 d出现在1984年和1989年；三江源区平均为29.2，11.5 d，最大均出现在1969年，分别为78.1，28.9 d，最小均出现在1997年，分别为8.0，3.9 d。4个不同功能区风蚀气候侵蚀力最大值是多年平均值的2.0～3.0倍，最小值是多年平均值的1/2～1/3。

2.2 风蚀气候因子指数和起沙风日数的年代际变化特征

青海省4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数C值和起沙风日数的年代际变化见表1，风蚀气候因子指数C值和起沙风日数在20世纪60—80年代均为正距平,说明这一阶段风蚀气候因子指数偏大和起沙风日数偏多,70年代达到最大值，而后90年代—21世纪的00年代均为负距平(环青海湖区21世纪00年代风蚀气候因子为正距平),表明风蚀气候因子指数处于偏低水平(或基本持平)和起沙风日数偏少,环青海湖区在90年代、其他3区在21世纪00年代达到最低水平。从年代际变化趋势可以看出，从60—70年代(80年代—21世纪00年代)4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数C值和起沙风日数均呈增大(减少)趋势。

表1 青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数及起沙风日数年代际距平变化

2.3 风蚀气候因子指数和起沙风日数空间分布

图3给出了青海省冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数及其气候倾向率的空间分布。从图3A和3B可以看出，青海省冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数的空间分布特征完全一致，均整体呈现出从西部向东部减小的分布特点。以大柴旦、格尔木、曲麻莱和杂多为界分为东西两区，东区的C值和起沙风日数大部分分别在40，10 d以下，以诺木洪、天峻和刚察为中心分别向南向北逐渐减小；西区的C值和起沙风日数均分别大于40，10 d以上，从西向东逐渐减小，最大值出现在三江源地区的五道梁和托托河站，C值高达135.2，105.5,起沙风日数达到59.8 d和42.2 d,属于青海省气候侵蚀力水平最强和起沙风日数最多的地区，C值最小值分别出现在三江源地区的玉树站和东部农业区的互助站，分别为2.3，2.2，而起沙风日数最小出现在东部农业区的同仁和尖扎站，均为0.2 d。

从图3C和3D可以看出，青海省冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数的空间减小趋势基本一致，减小趋势最明显的有3个相对高值区，一个为柴达木盆地和三江源地区的西部，减弱趋势最明显的是茫崖站(-29.6 d/10 a和-12.0 d/10 a)，一个为柴达木盆地的中东部，其中心为诺木洪站(-15.1/10 a和-7.5 d/10 a)和天峻站(-13.1/10 a和8.4 d/10 a)，另一个为三江源地区的最东部，其中心为泽库站(-6.3/10 a和-4.4 d/10 a),全省其他地区变化趋势较小或不明显。从青海省冬春季风蚀气候因子指数值和起沙风日数及其气候倾向率空间分布来看，风蚀气候侵蚀力(起沙风日数)最强(最多)的地区与减弱最明显的地区略有差异。

图3 青海省冬春季风蚀气候因子指数、起沙风日数及其变化趋势的空间分布

对青海省43个气象站的冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数及其变化趋势与经度、纬度和海拔高度的线性回归分析来看，冬春季风蚀气候因子和起沙风日数与经度(海拔高度)呈显著负(正)相关，其变化趋势与经度呈显著正相关，与海拔高度和纬度的线性关系均不显著。比较青海省冬春风蚀气候因子指数和起沙风日数的空间分布结构特征，冬春风蚀气候因子指数与起沙风日数的空间分布图相似系数为0.98，相似程度较高，这说明从平均状况来看冬春风蚀气候因子指数的多寡主要取决于起沙风日数的多少。

2.4 风蚀气候因子指数突变检验

气候突变是普遍存在于气候变化中的一个重要现象，是气候预测和模拟应考虑的重要因素。应用Mann-Kendall检验法[19]对近55 a青海风蚀气候因子指数和起沙风日数进行突变分析。

图4为青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数的突变检验(4个生态功能区起沙日数图略)。由图4可见，青海省冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数的UF和UB曲线分别在1992年、1997年，且交点均在信度线之间，且分别在1995年和1999年进入显著下降趋势。

4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数的UF和UB曲线分别在1994年、1986年、1987年、1995年出现交点，且交点均在信度线之间，且分别在1997年、1988年、1992年、2013年进入显著下降趋势。起沙风日数的UF和UB曲线分别在1996年、1991年、1996年、1998年出现交点，且交点均在信度线之间，且分别在1997年、1993年、1997年、2008年进入显著下降趋势。

2.5 气象因子对风蚀气候因子指数的影响分析

为了探讨青海省及4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数变化的成因，主要选择了热力因子(气温T和日照时数RZ)、水分因子(相对湿度HU和降水量R)和动力因子(风速WS)5个气象因子，根据相对贡献率公式计算出青海省和4个生态功能区各气象因子对风蚀气候因子指数变化的相对贡献率(表3)，结果表明冬春季复相关系数较大(0.96以上)，其贡献率在93%以上。青海省和4个生态功能区风速的变化对冬春季风蚀气候因子指数变化影响均最大，青海省贡献率为75.1%，柴达木盆地贡献率为最大(89.5%),三江源地区最小为68.5%,次要影响因子全省及4个生态功能区略有不同，全省为温度(10.1%)和降水量(8.3%),东部农业区和环青海湖区均为降水量,贡献率分别为17.1%和16.1%,三江源地区为降水量和温度,贡献率分别为12.8%和12.0%，柴达木盆地为相对湿度,贡献率为4.0%；日照时数对冬春季风蚀气候因子指数变化的影响较小，表明引起青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数变化的主要因子是风速，而次要因子表现略有不同；这也表现出在相同风力作用下,不同地表类型因抗风蚀力不同,其风蚀强度亦有明显的差别。

注：UF为顺序，UB为逆序。

图4 青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数突变检验

为定量评估气象因子对青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数的影响，建立了青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数对各气象因子及起沙风日数(QSday)变化响应的统计回归模型和统计检验结果(表4)，从相关系数来看,均在0.90以上,所有线性模型都通过了显著水平为0.05的F检验，说明回归方程能够比较客观地反映风速、气温、降水和相对湿度与冬春季风蚀气候因子指数之间的关系，风速和气温的变化对冬春季风蚀气候因子指数起促进作用，而降水和相对湿度起抑制作用；风速项的系数远大于气温、降水和相对湿度项的系数，说明风速对冬春季风蚀气候因子指数的影响远大于气温、降水和相对湿度的影响。冬春季风蚀气候因子指数与风速完全呈正相关,相同条件下风速越大风蚀气候因子指数越强。

表4 青海省和4个功能区风蚀气候因子指数与气象因子及起沙风日数的回归方程和统计检验

从表3—4可以看出，影响青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数的气象因素存在差异，同一影响因素在不同地区的影响程度也不同。在干旱的柴达木盆地主要受制于风速和相对湿度的作用，东部农业区和环青海湖区则受风速和降水量的影响,三江源地区和全省则受风速、温度和降水等的共同作用与影响，这表明不同地表类型条件下的风速与降水对风蚀气候侵蚀力的影响程度是不同的。

比较青海省冬春风蚀气候因子指数和风速、降水的空间分布结构，冬春风蚀气候因子指数与风速的空间分布图相似系数为0.91，相似程度较高，这说明从平均状况来看冬春风蚀气候因子指数的多寡主要取决于风速大小；冬春风蚀气候因子指数和降水的空间分布图的相似系数是-0.59，说明它们的空间分布特征基本相反。

图5给出了利用统计模型预测青海省和柴达木盆地冬春季风蚀气候因子指数拟合曲线与原始序列曲线(其他3个生态功能区图略)。对比可知，以风速、气温和降水及起沙风日数分别为预报因子做的冬春季风蚀气候因子指数预测结果与原始序列变化基本一致。对青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数预测值与原始值求相关可知，青海省和4个生态功能区的相关系数均在0.95以上，均远远超过了0.001的信度标准。

图5 青海省冬春风蚀气候因子指数对比分析

2.6 气候变化对冬春风蚀气候因子指数发展趋势的影响

生态功能区与生态环境有着密切、直接的联系，地表植被的分布是对气候条件长期适应过程中形成的，气候变化将引起地表的变化进而影响风蚀气候因子指数的发生与发展。气候暖湿化导致土壤含水量增加，抵御风力侵蚀能力提高。风速为风蚀气候因子指数发生的先决条件，也是动力源泉，风速大小的变化趋势亦直接影响风蚀气候因子指数强弱的发展趋势。对青海省4生态功能区1961—2006年气象资料分析得出[22]，近46 a来柴达木盆地、环青海湖区、东部农业区及三江源地区年平均气温气候倾向率分别为0.44℃/10 a，0.34℃/10 a，0.24℃/10 a，0.32℃/10 a，柴达木盆地增暖最为明显，其增幅明显高于全省乃至全国。年降水量变化的空间差异较为明显，其中柴达木盆地年降水量呈现增多趋势，其气候倾向率达6.67 mm/10 a，通过了0.05的显著性检验；东部农业区年降水量则呈现减少趋势，气候倾向率为-5.23 mm/10 a；环青海湖区与三江源地区年降水量变化呈微弱的增加趋势。表明在青海省普遍变暖的前提下，除东部农业区以外的大部分地区降水呈现增多趋势，说明青海省总体气候变化具有暖湿化趋势，特别是环境脆弱区的柴达木盆地和三江源地区暖湿化趋势比较明显。王慧[23]和田莉[24]等分别对青海省和西北地区平均风速变化分析表明，发现风速均呈整体显著下降趋势，气候变率均为-0.12 m/(s·10 a)；2000—2015年青海省NDVI呈波动性缓慢上升趋势,变化率为0.012/10 a,东部农业区和柴达木盆地增加趋势显著[25],植被覆盖变化受气候和人类活动的共同影响,大部分地区植被未来呈改善趋势[26]。从以上综合分析来看，青海省和4个生态功能区气候向暖湿化发展、植被覆盖缓慢上升及风速的下降趋势，地表湿度随之增大，从而增强了地表土壤颗粒物之间的内聚力和拖曳系数，这样地表沙粒的临界起动风速增加，风沙发生发展的几率就会大大减少，加之多年来退耕还林(或退牧还草)和三江源生态环境保护工程的实施，天然植被保护力度加大，致使风沙天气出现次数和强度明显减弱，这些都将为防治风蚀气候因子指数的发生提供有利条件。

3 结 论

(1) 青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数整体上呈现显著的减小趋势,二者的年际和年代际波动变化完全一致。

(2) 青海省冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数的空间分布特征完全一致，均整体呈现出从西部向东部减小的分布特点。以大柴旦、格尔木、曲麻莱和杂多为界分为东西两区，东区的C值和起沙风日数大部分分别在40，10 d以下，以诺木洪、天峻和刚察为中心分别向南向北逐渐减小；西区的C值和起沙风日数均分别大于40，10 d，从西向东逐渐减小。

(3) 青海省冬春季风蚀气候因子指数和起沙风日数分别在1992年、1997年发生突变，且分别在1995年和1999年进入显著下降趋势。

(4) 影响青海省和4个生态功能区冬春季风蚀气候因子指数的气象因素存在差异，同一影响因素在不同地区的影响程度也不同。在干旱的柴达木盆地主要受制于风速的作用，东部农业区和环青海湖区则受风速和降水量的影响,三江源地区和全省则受风速、温度和降水等的共同作用与影响。

(5) 青海省和4生态功能区气候暖湿化的发展、植被覆盖缓慢上升及风速的显著下降趋势，将为防治风蚀气候因子指数的发生提供有利条件。

(6) 青海省整体冬春季风蚀气候侵蚀力不算很严重。风蚀气候侵蚀力是多种因素共同作用的结果，除气候因子外，还与土壤含水量、粗糙度、植被覆盖状况等有关。本文仅分析了影响风蚀气候侵蚀力的气候因子，其他影响因素有待在今后的研究过程中继续开展。