江南丘陵地区湿润指数变化特征及敏感性分析

刘 燕, 刘友存, 边晓辉,2, 焦克勤, 陈 明, 侯兰功, 丁倩倩,2

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院, 江西 赣州 341000; 2.江西理工大学 建筑与测绘工程学院, 江西 赣州 341000;3.中国科学院 西北生态环境资源研究院, 兰州 730000; 4.西南科技大学 土木工程与建筑学院, 四川 绵阳 621010)

在全球变化背景下，温度升高所引起的气候、环境问题已经引起了人类社会的极大关注。而气候变化引起的水分状况变化，即区域的干湿状况变化不仅已成为气候学研究的热点，而且已成为农业气候学家研究的焦点问题之一[1-2]。地表湿润指数作为理想的表征地表干湿状况的物理量，其物理基础在于能够较好的体现地表水分收支分量：大气降水和参考蒸散量，而这两个量正是地表热能和水分变化的关键参量，它能客观地反映一个地区的干湿状况[3]。同时，研究湿润指数的长期变化有助于了解在全球变暖背景下气候干湿状况的演变特征及正确评价农业气候资源并合理有效进行农业气候区划。近年来，在地域分异和全球变化的研究过程中，学者们对地表干湿状况给予了特别的关注，分别对我国北方[4]、西北[5]、三江源地区[6]、新疆[7-8]、甘肃[9]、西藏[10]、青海[11]、东北[12]、广东[13]以及全国[14]等进行了研究和探讨，并取得了较好的研究成果。

江南丘陵地区主要包括洞庭湖和鄱阳湖流域，是我国重要的农业生产区，但旱灾频发且持续时间长。20世纪70，80年代以及21世纪初洞庭湖流域发生过大小不等的农业旱灾，且不同等级的旱灾频发率较高；近60 a来鄱阳湖流域的旱灾频率也越来越高，给当地农业生产和社会经济发展造成巨大损失[15-16]。以前对我国西北[17]和西南地区的湿润指数研究较多，但是对我国重要的农业生产区洞庭湖和鄱阳湖流域所在的江南丘陵地区地表湿润指数变化的研究极少。因此，探讨过去60多年来江南丘陵地区的参考蒸散量和地表湿润状况的时空分布特征、变化趋势及其影响因素，不仅能为我国重要的农业生产区的农业生产提供科学参考，而且对认识该地区生态环境现状与过去的差异、区域的农业生产以及经济建设提供科学基础，同时为探索区域生态与自然环境的变化原因以及未来气候变化研究提供科学理论依据。

1 研究区概况

江南丘陵为东南丘陵的一部分，即主要为长江以南、南岭以北、武夷山以西、雪峰山以东的广大区域(25°—31°N，110°—120°E)。包括湖南省和江西省大部、湖北省东南部、安徽省南部、江苏省西南部和浙江西部的大片丘陵地区，主要位于洞庭湖和鄱阳湖两大流域，地形以200～500 m的低山丘陵为主(图1)。研究区属于典型的亚热带季风气候，年均降水量为1 200～1 800 mm，年均气温为15～23℃，植被以亚热带常绿阔叶林为主，土壤多为典型的红壤。研究区域人口密集，经济发达，农业耕作历史悠久，是我国重要的粮食生产区。但是，江南丘陵地区的地表干湿状况极大地影响着农作物的生长[18]。

图1 研究区气象站点分布

2 资料与方法

2.1 资料来源

本文选取江南丘陵及其周边地区的69个国家气象站1951—2013年的历史观测气象资料(表1)，资料来源于中国科学气象数据共享网(http:∥cdc.cma.gov.cn/)。主要以逐月降水量、月均气温、风速、日照百分率和相对湿度等资料，利用世界粮农组织推荐的penman修正公式，计算了江南丘陵地区63 a来的湿润指数变化状况，再利用ArcGIS分析平台获得参考蒸散量和湿润指数的空间分布特征，最后用SPSS分析软件分析湿润指数和各气候因子以及海拔的相关性。

表1 江南丘陵地区气象站点

2.2 研究方法

2.2.1 参考蒸散量的计算方法 参考蒸散量作为一个表征地表水分蒸散的物理量，计算方法很多。本文参考蒸散量的计算采用1998年联合国粮农组织推荐并修订的penman-monteith模型来计算[19-20]，这是目前国内外学者们选用较多的计算方法。其表达公式为：

(1)

式中：ET0为参照蒸发速率(mm/d)；Rn为地表净辐射量[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；T为平均气温(℃)；U2为2 m高度处的风速(m/s)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；es-ea为饱和水汽压差(kPa)；Δ为水汽压曲线斜率(kPa/℃)；γ为湿度计常数。

净辐射的计算方法有多种[21]，本文采用的净辐射量的计算方法是净短波辐射减去净长波辐射的方法：

Rn=Rns-Rnl

(2)

式中：Rns为太阳短波辐射；Rnl为太阳长波辐射：

(3)

式中：a为反射率，以草地为理想的参考作物其值为0.23；Ra为天顶辐射[MJ/(m2·d)]；n为实际日照时数(h)；N为最大可能日照时数(h)；as为回归常数；as+bs为晴天天顶辐射到达地面部分。此处取as=0.25，bs=0.50。

(4)

式中：Gsc为太阳常数[MJ/(m2·min)]，Gsc=0.0820；dr为日地间相对距离的倒数；ws为太阳时角(rad)；φ为地理纬度；δ为太阳磁偏角(rad)。

Rnl为太阳长波辐射，太阳的长波辐射受水蒸气、温度等多种因素影响，根据Stefan-Boltzmann定律，本文采用的太阳长波辐射计算公式为：

(5)

2.2.2 湿润指数的计算 地表湿润指数的计算表达式为：

W=P/ET0

(6)

式中：W为地表湿润指数；P为降水量(mm)；ET0为月最大参考蒸散量(mm)。

2.2.3 地表湿润指数倾向率 地表湿润指数倾斜率是通过历年来的各气象要素数据拟合而成的直线向率。但为了凸显变化趋势通常将斜率乘以10倍，用10 a变化倾斜率表示。本文中的地表湿润指数倾向率即为地表湿润指数10 a变化率，其表示公式为[22]：

Xi=a+bti

(7)

式中：Xi为湿润指数倾向率；a为回归常数；b为变化系数，以b的10倍作为10 a变化倾向率。

3 结果与分析

3.1 地表湿润指数变化特征

3.1.1 地表湿润指数的时间变化 如图2A所示，63 a来江南丘陵地区的湿润指数呈现缓慢下降的趋势，且达到了0.01显著性检验，(R2=0.113 8，N=63，p<0.01)，这也是全球变暖大背景[23]下地表变干的反映。研究区平均湿润指数为1.51，1959年地表湿润指数达到最高值为2.045,在2011年达到最低值为0.908。在湿润指数的距平上(图2B)1951—1989年湿润指数在多年平均值上下波动，1989—2000年湿润指数基本上高于多年平均值，但2001—2013年湿润指数大都明显低于多年平均值。湿润指数正距平最大值的年份是1959年，最大正值为0.533；湿润指数负距平最大值的年份是2011年，最大负值为-0.604。说明湿润指数距平的负值变化幅度(-0.604～0)大于正值变化幅度(0～0.533)，也就是说研究区地表变干加剧，变湿减缓。但是湿润指数高于多年平均值的年份(32个)和低于多年平均值的年份接近(31个)，表明地表湿润指数在高于和低于平均值的年份上是比较稳定的。

图2 江南丘陵地区年湿润指数变化趋势和湿润指数距平

季节划分在我国南方和北方存在一定差异。本文以12月—翌年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—10月为秋季。表2给出了1951—2013年6个时段的季节和年平均地表湿润指数的年代际变化，江南丘陵地区20世纪50年代地表湿润指数最高(1.63)，即为湿润期，20世纪60年代的地表湿润指数明显降低，70—90年代又呈现微弱上升，但未达到50年代的最高值，到21世纪初期地表湿润指数又降低到最小值(1.21)，即为干燥期。从季节上看，不论是哪个年代际，春季地表湿润指数都高于其他季节，秋季地表湿润指数都低于其他季节。江南丘陵地区为典型的亚热带湿润性季风气候，春季降水量较多，气温较低，参考蒸散量较小，故春季湿润指数最高，地表比较湿润；秋季降水量少，气温偏高，参考蒸散量大，故湿润指数较低，地表比较干燥。春季和冬季湿润指数最大值都出现在20世纪50年代，夏季和秋季湿润指数最大值则分别出现在20世纪90年代和20世纪80年代，春、夏、秋3个季节的湿润指数最小值都出现在21世纪初，冬季湿润指数最小值则出现在20世纪60年代。

表2 江南丘陵地区地表湿润指数年代际变化

为进一步描述湿润指数在时间上的变化，用M-K检验方法对近63 a来江南丘陵地区湿润指数进行突变分析，时间子序列为5 a。图3为江南丘陵地区地表湿润指数突变分析，UF为湿润指数的顺序统计曲线(虚曲线)，UB为湿润指数的逆序统计曲线(实曲线)，并给定显著性水平a=0.05，临界线U=±1.96。从图中可以看出在1955年附近存在一个转折点，UF和UB相交于1955年左右，且交点在临界线之间，1955年以前较湿润，湿润指数较大，之后湿润指数变小，即1955年为显著变干的突变点。其变化趋势和图2中湿润指数的年变化一致。

图3 1951-2013年江南丘陵地区地表湿润

3.1.2 地表湿润指数的空间变化 通过江南丘陵地区地表湿润指数和地表湿润指数倾向率以及春夏秋冬四季湿润指数倾向率的计算和分析。并用ArcGIS平台进行插值分析，考虑到插值的精确性，本文选取了比较精确的反比距离插值法[24]，获得了江南丘陵地区湿润指数和湿润指数倾向率以及春夏秋冬四季湿润指数倾向率的空间分布状况(图4)。图4A表示江南丘陵地区湿润指数的空间分布，可以看出东南部和西南部湿润指数较低，地表相对于北部和东部地区干燥。湿润指数高值主要集中在东北部和北部地区，但在中部地区也存在湿润指数的高值中心，如西北部的绿葱坡，北部的嘉鱼、黄石、石门，中部的长沙、南岳以及东北部的黄山等，湿润指数达到3.69～4.09。江南丘陵地区湿润指数倾向率空间分布比较复杂(图4B)。研究区域内，大部分地区的湿润指数倾向率都为负值，但在中部的南岳、衡阳和东部的七仙山附近负值更为显著。只有在中南部的吉安、遂川以及东北部的宁国、天目山等部分地区为正值。表明63 a以来，江南丘陵地区(除少数地区外)湿润指数呈现下降的变化趋势，江南丘陵北部和中部地区的湿润指数普遍较南部高，东部普遍较西部高，说明北部、中部和东部的湿润条件更好。但是，中南部的吉安附近的湿润指数倾向率呈现正值，表明其湿润指数有上升的趋势。从整体湿润指数倾向率来看，江南丘陵作为我国南方重要的农业区，其大范围地区的地表湿润指数还是呈现下降趋势，这种变化趋势不利于农业生产发展。

江南丘陵地区地表湿润指数季节倾向率(图5),春季湿润指数倾向率大部分为-0.63～-0.03，仅有吉安(0.16)和七仙山(0.30)的春季湿润指数倾向率为正值。东南部的长汀附近、内部的南岳衡阳和东北的黄山(-0.53)附近春季湿润指数呈现明显的下降趋势，湿润指数倾向率大于零值。呈增加趋势的仅有吉安、宜昌、七仙山和天目山附近，而全区域春季的湿润指数倾向率大致呈下降趋势。夏季湿润指数倾向率大部分为0.01～0.34，除赣州(-0.03)、武夷山市(-0.547)和常德(-0.053)附近等极少数地区外，湿润指数倾向率都为正值，而在黄山、天目山和长汀附近的湿润指数还达到了0.56左右，表明江南丘陵地区的夏季湿润指数整体呈现上升趋势。秋季湿润指数倾向率大部分为-0.11～0.09，若和春季湿润指数倾向率相比，秋季湿润指数倾向率负值变化比较小，仅有西北部的绿葱坡、中部南岳和衡阳附近的湿润指数下降明显，而武夷山市(0.118)和长汀(0.309)附近湿润指数上升显著。故整个江南丘陵地区秋季湿润指数倾向率变化不大，湿润指数倾向率增加的地区主要是研究区的东南部。冬季湿润指数倾向率大部分为-0.34～-0.02，冬季湿润指数也呈下降的趋势，湿润指数的正倾向率变化主要在北部地区，而在东南部的长汀附近倾向率的负值显著。显然，除夏季外，江南丘陵地区其他季节湿润指数倾向率大致负值显著，春季和冬季湿润指数下降趋势显著，秋季湿润指数下降缓慢，仅有夏季湿润指数上升区域较广。春季正值农作物的播种季节，秋季又正值农作物收获季节，若春秋季节湿润指数下降的变化趋势长期持续下去将严重影响江南丘陵地区的农业生产发展。因此，春秋季节要注重地表湿润保持和农作物灌溉。

图4 湿润指数和湿润指数10 a倾向率空间分布

图5 湿润指数10 a倾向率季节分布

3.2 地表湿润指数敏感性分析

3.2.1 气象要素对湿润指数的影响 从湿润指数的定义来看，影响其值大小的主要因素是降水量和参考蒸散量，参考蒸散量则主要涉及到日照百分率、平均风速、相对湿度、气温等气象要素。通常情况下，日照百分率越大，实际日照时间越长,温度越高，地表水分的蒸散速率也就越快。同样，风速的增大也会加快蒸散速率，但同时也可能带来水汽，相对湿度的增大则会增加地表和空气中的水分，减弱参考蒸散量。

降水量不仅影响蒸散量的变化还直接影响湿润指数的大小，为此，本文利用皮尔逊相关分析，对湿润指数与各气象要素的相关性进行分析[25]，(r值介于[-1，1]，r>0表示正相关，r<0表示负相关。0.3>|r|≥0，0.5>|r|≥0.3，0.8>|r|≥0.5，|r|≥0.8分别表示弱相关、中等相关、强相关和极强相关)。

从表3中可以看出，江南丘陵地区日照百分率和季节湿润指数呈弱负相关，且夏季的相关关系最大为-0.04，并通过了显著性检验水平(p<0.05)。这是因为夏季日照时间长，潜在蒸散量增加，从而使得日照百分率与地表湿润指数的负相关增强。但是，除夏季外，其他季节全年日照百分率和湿润指数的相关性没有通过显著性检验,说明日照百分率和湿润指数相关性不显著。平均风速与湿润指数在各个季节和全年都呈正相关，除冬季和全年外，其他的都通过了(p<0.01)的显著性检验，但平均风速与湿润指数的相关性不强，在夏季最大为0.401。风速增大往往会加速蒸发，但是风也可能携带水汽。对于江南丘陵地区，夏季相对湿度大,水汽含量多，风速的增大也可导致地表湿润指数的上升。而相对湿度与湿润指数在各个季节都通过了显著性检验(p<0.01),相关性最大值出现在夏季，这与江南丘陵地区的气候特点一致，夏季降水量大，增加了地表湿润。春、夏季节的相对湿度与湿润指数呈强正相关，其他季节和全年的相对湿度与湿润指数呈中弱正相关。气温与湿润指数存在弱负相关，除全年外的各个季节都通过了(p<0.01)的显著性检验，其中，夏季负相关性最大，这是因为研究区夏季气温最高，蒸散量大。各季节和全年的降水量与湿润指数呈强正相关。

表3 江南丘陵地区地表湿润指数与各气象要素的相关系数

注：**表示通过显著性(0.01)检验水平，*表示通过显著性(0.05)检验水平,其他的则为未通过显著性检验。

在江南丘陵地区各气象要素与湿润指数季节相关性的空间分布上。(1) 研究区69个站点的降水量与湿润指数的季节相关性指数，春季为0.577(衢州)～0.96(三峡)，夏季为0.795(常德)～0.98(桑植)，秋季为0.752(常德)～0.981(巢湖)，冬季为0.475(庐山)～0.975(巴东)。而且各个站点的降水量在各个季节都通过了显著性检验，说明降水对湿润指数的影响在各气象要素中最大。研究区相对湿度与湿润指数季节相关性和降水量与湿润指数季节相关性相似，相关性指数都为正值，同样各站点在各季节都通过了显著性检验。(2) 气温与湿润指数的季节相关性指数除少数几个站点呈微弱的正相关外，大部分气象站点的气温和湿润指数都呈显著的负相关，而且各季节都是西部和北部的负相关强于南部和东部。(3) 根据湿润指数的定义，风速越大参考蒸散量越大，湿润指数越小。但是，研究区各季节不同站点风速和湿润指数具有不同的正负相关性(图6)。春季大多数站点的风速和湿润指数呈正相关且通过了显著性检验，而南部站点的风速与湿润指数多呈负相关且未能通过显著性检验；夏季风速和湿润指数多为负相关，但通过显著性检验的站点不多；秋季风速和湿润指数呈负相关的站点居多，但通过显著性检验的大多为北部呈正相关的站点；冬季风速与湿润指数大多呈弱正相关，风速与湿润指数呈负相关的站点主要分布西北部和东部狭长区域。(4) 各站点(除南昌、五峰外)春季日照百分率都和湿润指数呈负相关(图7)，相关系数主要为-0.8～-0.4，除少数几个站点外都通过了显著性检验。空间上东部和北部的负相关系数要大于西部和南部；夏季日照百分率与湿润指数的相关系数为-0.4～-0.2，而日照百分率与湿润指数的负相关不如春季显著；秋季日照百分率与湿润指数(除贵溪、五峰外)大多呈显著的负相关，而中部和南部的负相关系数大，东北部和西北部负相关系数小；冬季相关系数空间分布和春季相似，东部和北部的负相关系数较大。

3.2.2 海拔对湿润指数的影响 海拔高度和降水量、太阳辐射、风速等存在一定的相关性[26]。近63 a来，江南丘陵地区湿润指数通过了显著性检验(R2=0.4606，N=69，p<0.01(图8)并与海拔呈正相关，即通常海拔低的区域，湿润指数也较低，随着海拔的升高湿润指数增大。研究区域69个气象站点的海拔为4.4～1 840.4 m,湿润指数为0.85～4.79。海拔4.4～1 000 m处的湿润指数为0.85～4.79，且大部分站点湿润指数集中在1～2之间，平均值为1.71。海拔1 000～2 000 m处的湿润指数为2.26～4.10，平均值为3.31。海拔高的地方一般云层较薄，太阳辐射较强，增加蒸散量,这与张克新等[27]对横断山区水分盈亏量和海拔关系的分析相似。但是很多区域海拔升高的同时会导致降水量增加，并且海拔越高温度越低，湿润指数越大。因此，江南丘陵地区的湿润指数不仅受气象因素的影响还和海拔高度密切相关。

图6 风速与湿润指数相关性空间分布

图7 日照百分率与湿润指数相关性空间分布

4 结 论

(1) 近63 a来地表湿润指数呈现缓慢下降的趋势，湿润指数的变化幅度为0.908～2.045，多年平均值为1.51。湿润指数距平呈现波动变化，负距平值变化幅度大于正距平值变化幅度，但总体而言湿润指数波动不大。江南丘陵地区20世纪50年代地表湿润指数最高为湿润期，21世纪初期地表湿润指数最小为干燥期。从季节上看，不论在哪个年代际，春季地表湿润指数都高于其他季节，秋季地表湿润指数都低于其他季节。

(2) 空间分布上，江南丘陵地区南部和西部湿润指数较低，湿润指数高值主要集中在东北部和北部区域。江南丘陵地区湿润指数倾向率大都为负值，湿润指数在空间上也表现为明显的下降趋势。各季节的湿润指数倾向率，夏季湿润指数倾向率为正值的区域较广，说明夏季湿润指数呈上升的趋势，但其他季节的湿润指数倾向率大部分为负值，表明春秋冬季湿润指数大致呈下降的趋势，这对江南丘陵地区未来的农业生产发展是不利的。

(3) 湿润指数受气象要素和海拔的影响。在气象要素上，湿润指数与降水量、相对湿度、风速等存在良好的正相关(p<0.01)，和气温存在显著的负相关，日照百分率也影响着湿润指数，但是相关性没有其他气象因素显著；降水量与湿润指数和相对湿度与湿润指数呈显著的正相关，气温和湿润指数在西部和北部呈强负相关，风速和湿润指数在各季节的各站点都存在正相关和负相关，日照百分率和湿润指数的负相关性在春冬季节的北部和东部尤为突出。湿润指数和海拔的关系上，海拔越高湿润指数也越大,回归系数为0.001 1。