1960—2013年黄土高原地区干湿界线时空变化特征*

张耀宗，张 勃，刘艳艳，张多勇

(1.陇东学院历史与地理学院，甘肃庆阳 745000； 2.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070； 3.庆阳市荒漠化防治中心，甘肃庆阳 745000)

0 引言

干湿气候界线的波动能直接直观反映某地区气候的干湿变化[1]，对气候变化有着十分敏感的反应[2]，是气候变化最为敏感的区域之一。在当前全球气候变暖的背景下，全球水循环加快，干旱等极端天气和气候事件发频率发生，必然会对气候的干湿状况产生重要影响，进而对全球生态系统、人类生存和社会经济发展构成严重的威胁[3-6]，普宗朝等[7]指出全球变化对不同区域的干湿气候影响存在差异性，影响的机理也存在许多不确定性，因此研究近几十年来中国不同区域干湿气候的时空变化特征及其成因，具有重要的理论意义和科学价值[3]，对各区域预测未来气候的干湿变化至关重要[4-5]。

胡琦等研究表明1961—2014年中国地区经历了变湿到变干的过程，不同地区干湿状况变化差异很大，干旱趋势主要发生在中国的半干旱半湿润气候区[4]； 姜江等[5]利用干湿指数研究表明1962—2011 年中国干湿指数总体上呈现下降趋势，空间上表现为西部湿润化和东部干旱化的特征，显著缩小的是湿润区和极端干旱区，半湿润区、半干旱区和干旱区则显著扩大，气候敏感区域在扩张，与胡琦等结论一致性较好； 研究表明近几十年中国华北地区[8]、西南地区[10]、东北地区[11]、内蒙古地区等地干湿变化异常[12]，不同区域不同时间段干湿变化差异明显，史建国等指出黄河流域干燥度的分布特征有明显的地域差异，由北向南逐渐递减趋势，1957—2001年干燥度呈波动增加趋势[9]。黄土高原地区位于中国湿润与干旱气候的过渡带上，同时地处中国农牧交错带上，是中国生态环境最为脆弱的地区之一，其干湿区界线变化对区内的生态屏障建设及抗旱减灾尤为重要。文章将从时间和空间角度分析1960—2013年黄土高原地区干湿区界线变化的时空动态格局，为黄土高原地区生态屏障建设及抗旱规划和防灾减灾工作提供参考依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

该研究中黄土高原地区范围为中国科学院黄土高原综合科学考察队确定的范围[13]，如图1所示，面积63万km2。按照黄土高原地区的地貌特征和自然地理特征，该研究中将黄土高原地区分为6个子区域，分别是：陇中黄土高原(Ⅰ)、陇东黄土高原(Ⅱ)、关中平原(Ⅲ)、山西黄土高原(Ⅳ)、河套地区(Ⅴ)、鄂尔多斯高原(Ⅵ)。

1.2 数据来源

该研究使用黄土高原地区的76个气象站点逐日平均气温、最低气温、最高气温、降水、平均风速、日照时数、相对湿度观测数据，数据来源于中国气象科学数据共享服务网“中国地面气候资料日值数据”，“中国地面气候资料日值数据V3.0”，数据网址：http：//data.cma.cn/site/index.html，为保证序列趋势的一致性，时间序列连续小于45年的站点被剔除，从青海省气象信息中心得到了黄土高原地区位于青海一般站点的数据，通过元数据分析，上述资料已经经过了严格的质量控制，气候标准期分别为：1961—1990年、1971—2000年、1981—2000年。

2 研究方法

2.1 干燥度指数

该文中干燥度指数使用潜在蒸散发量与降水量的比值计算，该方法已经被很多学者在相关的研究中使用[14-15]，定义为：

(1)

式(1)中，AI为干燥度指数，ET0为潜在蒸散量(mm)；P为降水量(mm)。AI值越大，表明该区气候越干燥； 反之，AI越小，则该区气候越湿润，该文中使用干燥度4.0界线(AI-4.0)表示干旱区和半干旱区的界线，2.0界线(AI-2.0)表示半干旱区和半湿润的界线[16]。

该文中潜在蒸散量ET0采用1998年联合国粮农组织修订的Penman-Monteith模型计算得出，该模型定义了参考作物，其高度为0.12m，阻抗为70s/m，反射率为0.23，类似于高度一致、表面开阔、生长旺盛、完全覆盖地面、水分充足的绿色草地。计算公式为：

(2)

式(2)中：ET0为潜在蒸散量(mm/d)；Rn为净辐射(MJ/(m2·d)；G为土壤热通量(MJ/(m2·d)(逐日计算可忽略)；T为日平均气温(℃)；u2为2m高处风速(m/s)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)； Δ为饱和水汽压与温度关系曲线斜率(kPa/℃)；γ为干湿表常数(kPa/℃)。

2.2 其他方法

采用线性趋势法和Mann-Kendall检验法(M-K)计算了干燥度变化趋势。线性趋势法的优点在于方法简单、物理意义清晰，并可以定量估计出趋势大小，通过相关系数检验其显著程度[17]； Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐的环境数据时间序列趋势分析方法，其特征是不要求数据服从一定的分布[17]。以上两种方法在气候变化研究领域中，已经得到了广泛的应用[18-20]。

3 结果分析

3.1 黄土高原地区干燥度指数变化趋势

近54年来黄土高原地区干燥度指数倾向率为0.01/10年，未通过显著性检验，干燥度指数呈微弱上升趋势，M-K检验与线性趋势检验结果基本一致(表1)，表明近54年黄土高原地区呈微弱干旱化趋势，这与近几十年中国、中国北方地区干旱化趋势有一致性[21-23]。各分区中陇东黄土高原、关中平原、河套地区干燥度指数呈微弱上升趋势，线性倾向率分别为0.04/10年、0.02/10年、0.01/10年； 鄂尔多斯高原干燥度指数呈微弱降低趋势； 陇中、山西黄土高原无明显变化趋势。

表1 1960—2013年黄土高原地区干燥度变化趋势

图1 1960—2013年黄土高原地区干燥度变化趋势

由图1可知，干燥度变化空间差异较大，33%的站点呈减少趋势，银川—太原一线以北的河套地区、鄂尔多斯高原、山西黄土高原、陇中黄土高原兰州以西地区北部干燥度指数呈降低趋势，而呈上升趋势的站点主要分布在陇东黄土高原、关中平原、山西高原中南部。

近54年黄土高原地区各季节干燥度变化趋势见表1。春季干燥度指数呈上升趋势，气候倾向率为0.25/10年(P<0.05)。分区中春季山西黄土高原干燥度指数呈降低趋势，其他各区均呈上升趋势，陇东黄土高原和关中平原呈显著上升趋势，M-K检验达到了0.05的显著性水平，表明春季陇东黄土高原和关中平原呈明显干旱化趋势； 夏季干燥度指数趋势无明显变化趋势，各分区中只有河套地区表现为微弱的增加趋势，关中平原夏季呈减小趋势，M-K检验达到了0.05的显著性水平，表明近54年关中平原夏季有湿润化的趋势； 秋季干燥度指数呈减少趋势，未通过显著性检验，各分区变化差异大，关中平原、陇东黄土高原上升趋势，其余各区为降低趋势； 冬季研究区及各区域干燥度均表现为减少趋势，未通过显著性检验。

3.2 黄土高原地区干湿界线的时空变化特征

3.2.1 3个气候标准期干湿界线时空变化特征

图2为3个气候标准期干燥度4.0和2.0线空间变化过程，分析AI-4.0界线变化可知，在107.5°E，37.5°N以东，AI-4.0界线呈东西摆动变化，1981—2010年的界线比1961—1990年和1971—2000年的界线偏西北0.2-0.3经度，干旱区有向西收缩的趋势，1961—1990年和1971—2000年界线基本重合，马柱国等[22]也指出华北地区东部干旱与半干旱界线呈东西摆动的变化规律； 107.5°E，37.5°N以西，AI-4.0的界线1961—1990年和1971—2000年基本重合，1981—2010年的界线向南偏移，表明107.5°E，37.5°N以西干旱区有向南扩大的趋势，干旱区范围以107.5°E，37.5°N为轴向西缩南扩，整体上干旱区面积变化不大。

分析图2的AI-2.0界线可知，1971—2000年和1981—2010年的界线基本重合且明显比1961—1990年向南扩展，越往东段AI-2.0界线南偏范围更大，界线最南已越过三门峡、长治地区，表明1971—2000年、1981—2010年半干旱区和半湿润区界线向南扩展，半干旱区向南发展，半干旱区面积扩大，马柱国等也指出陕西南部，华北南部半干旱区界线有南扩的趋势[23]。由表2可知1971—2000年与1981—2010年半干旱区面积基本相当，接近黄土高原地区的60%，比1961—1990年半干旱区面积大10%。

图2 不同标准气候期干燥度4.0和2.0界线变化图

表2 1960—2013年黄土高原地区干湿区面积变化

3.2.2 年代际干湿界线时空变化特征

图3为5个不同年代际AI-2.0与AI-4.0界线空间分布图，分析可知，各年代际AI-4.0界线在107.5°E，37.5°N以东和以西分别表现为经向变化和纬向变化。以东：AI-4.0界线由西向东依次为2000—2009年、20世纪80年代、20世纪60年代，20世纪90年代和20世纪70年代界线分布在最东部且基本重合，2000—2009年干旱区向西收缩，20世纪90年代、20世纪70年代向东扩张； 107.5°E，37.5°N以西：20世纪60年代、20世纪90年代AI-4.0界线达到最北界，20世纪80年代和20世纪70年代界线基本重合，与20世纪60年代、20世纪90年代比向南扩展，表明干旱区向南扩张，2000—2009年AI-4.0界线继续向南扩展，干旱区面积扩大，总体上从20世纪60年代到20世纪90年代干湿界线在107.5°E，37.5°N 以西向南扩张，以东向西收缩，整体上干旱区面积变化不大。如表2所示干旱区面积年代际变化不明显，杨建平等也指出各年代际华北地区北部、西北地区东部干旱半干旱界线变化不明显[1，2]，与其结果较为一致。

图3 不同年代际干燥度4.0和2.0界线变化图

AI-2.0界线在20世纪60年代波动到其最北界，位于定西—固原—延安—临汾—五台山以北，20世纪60年代半干旱区面积达到最小，半湿润区面积最大； 20世纪70年代界线比20世纪60年代向南扩展，东段基本和2000—2009年的界线重合，西段在华家岭以北； 20世纪80年代界线在20世纪70年代的北部，位于华家岭—六盘山—平凉—庆阳—延安—运城—五台山以北，20世纪70年代半干旱区面积大于20世纪60年代和20世纪80年代； 20世纪90年代干燥度2.0界线继续向南扩张，界线已越到华家岭—六盘山—平凉—庆阳—延安—三门峡—长治以南，从西向东比20世纪60年代偏南1-4个纬度； 2000—2009年黄土高原地区东部AI-2.0的界线在三门峡的南面，经过长治，中部在延安、庆阳的北部，西部在华家岭以南。由表2分析可知，各年代际以20世纪90年代半干旱区范围最大，占黄土高原地区面积的67%，比2000—2009年大5%左右，20世纪60年代半干旱区的范围最小为黄土高原地区的43%。年代际AI-2.0界线波动范围幅度较大，年代际变化干湿转换频繁，表明半干旱区面积年代际变率大，黄土高原地区的半干旱区对气候变化敏感，黄建平、杨建平等也指出半干旱区是气候与环境变化的敏感区[1，2，24]。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)近54年黄土高原地区干燥指数呈微弱增加趋势，四季中春季干燥度指数呈增大趋势，冬季表现为减小趋势，夏、秋季干燥度指数变化不明显，空间上兰州以西，银川—太原一线以北干燥度指数呈减小趋势。

(2)黄土高原地区干旱与半干旱区界线在107.5°E，37.5°N以东表现为经向变化，干旱与半干旱区界线向西收缩，干旱区范围缩小； 在107.5°E，37.5°N以西为纬向变化，1981—2010年的界线干旱区向南扩展，各年代际有同样的规律，总体上黄土高原地区干旱区范围波动不大。

(3)半干旱与半湿润区界线在1971—2000年与1981—2010年向南扩张到三门峡、长治以南； 20世纪90年代半干旱与半湿润区界线继续向南扩张到华家岭—六盘山—平凉—庆阳—延安—三门峡—长治以南，半干旱区面积扩大，比20世纪60年代范围扩大14%，比2000—2009年大5%左右，近54年黄土高原地区半干旱区面积明显增大，半湿润区面积缩小。

(4)黄土高原地区半干旱与半湿润区年代际干湿转换频繁，半干旱与半湿润区界线波动范围大，表明半干旱区面积年代际变率大，黄土高原地区的半干旱区对气候变化最为敏感。

4.2 讨论

1961—2013年黄土高原地区干燥度指数呈微弱增加趋势，表明黄土高原地区近54年呈干旱化趋势，这与全国总体干旱化趋势是一致的[21-23]，黄土高原地区与全国一致干湿变化存在空间上的差异，整个研究区干旱区面积波动不大，这与高云等研究得出的内蒙古中西部干旱区面积变化不大有很好的一致性； 半干旱与半湿润区界线南北波动范围大，近54年半干旱区面积增大，气候变化敏感区的面积增大，与之前的学者得出的结论基本一致[1，2，25，31]。近54年黄土高原地区半湿润区面积缩小，姜江等得出中国半湿润区的面积呈扩大趋势，出现差异原因在于半干旱区与半湿润区向南移动，在黄土高原地区表现为黄土高原地区的半湿润区面积减小，而在全国的尺度上半湿润区向南移动，湿润区面积减小，半湿润区面积增加，胡琦等也得出了同样的结论。

基于ET0和降水量计算的干燥度指数分析了黄土高原地区的干湿变化时空过程。该文中潜在蒸散量ET0采用了Penman-Monteith方法得出，该模型具有明确的物理意义且同时考虑了温度、日照时数、湿度、风速及等因素的影响[25-30]，但是该方法地域间存在参数估计的误差，会造成干旱指数与实际干湿状况的地区性偏差[29，31]，且实际蒸发会因不同气候区、经纬度、地形、土壤等而有所差异[4，8，25]，因此，ET0的计算还需要根据不同地区实际蒸发数据进行验证和校正。总之，该文基于干燥度指数综合分析了黄土高原地区近54年来的气候干湿状况，有助于正确了解全球变暖下黄土高原地区的干湿分布和变化趋势，对适应气候变化采取趋利避害的管理和技术措施有重要的参考价值[32]。