基于湿润指数的近50年和田地区地表干湿变化特征

田世英

摘要 利用1960—2016年和田地區气象站的逐月气象资料，采用伊凡诺夫公式计算出逐月潜在蒸散量和湿润指数，分析了该地区地表干湿的年际、季节变化以及主要影响因素。结果表明， 和田地区夏半年、冬半年以及全年潜在蒸散量平均值分别为 239.8、75.1和 143.7 mm。夏半年、冬半年和全年潜在蒸散发量随时间变化均呈增长趋势，增速分别为0.349 3、0.251 9和0.313 6 mm/a。该地区多年平均地表湿润指数为0.027 2，春季湿润指数的年际变化呈减小趋势，夏、秋、冬季和全年湿润指数的年际变化呈增加趋势。四季和全年湿润指数的多年平均指数分别为 0.023 9、0.031 0、0.014 3、0.040 8和0.027 2，根据湿润指数相对应的气候区划标准，该地区春、夏、秋、冬季以及全年均为极干旱区。年湿润指数与降水量、相对湿度呈显著正相关，与潜在蒸散量呈显著负相关，与其他要素的相关性均未通过 0.01、0.05显著性检验。改善该地区湿润状况的主导因素是降水量的增加，其他气象要素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;降水量;干湿状况;和田地区

中图分类号 S161.3文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）16-0073-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Characteristics of Dry Trend Based on Moisture Index in Hotan Prefecture in Recent 50 Years

TIAN Shi ying （Environmental Science， Xinjiang University， Key Laboratory of Oasis Ecological Resources and the Ministry of Education， Urumqi，Xinjiang830046）

Abstract The monthly meteorological data were observed during 1960-2016 at meteorological stations in Hotan Prefecture，on which the monthly potential evapotranspiration and the humidity index were calculated by the Ivanov method.The seasonal and annual changes of surface dry/wet conditions and their main impact factors were analyzed in Hotan region，The result showed that the average values of evapotranspiration in summer half year， winter half year and the whole year during 1960-2016 were 239.8，75.1 and 143.7 mm respectively.The potential evapotranspiration in summer， winter and whole year increased with time，the growth rate was 0.349 3、0.251 9 and 0.313 6 mm/a.The humid index of Hotan region was 0.027 2，and the humid index increased during 1960-2016.The humid index decreased in spring but increased in summer autumn，winter and the whole year.Multi year average of four seasons and full year wetting indices were 0.023 9、0.031 0、0.014 3、0.040 8 and 0.027 2 respectively.Based on the climate zoning standards related to humid index，the Hotan region was a extremely arid region in spring，summer， autumn and winter.Humid index was positively correlated with precipitation and relative humidity，and negatively correlated with potential evapotranspiration.The correlation with other factors did not pass the significance test of 0.01 and 0.05，the correlation analysis between humid index and meteorological variables indicated that the change of precipitation was the dominant cause affecting the change of dry wet conditions in Hotan region，and the change of other climate factors can enhance or weaken the change of dry wet conditions.

Key words Potential evaporation;Humid index;Precipitation;Dry wet conditions;Hotan Prefecture

干旱是世界上最具破坏性和紧迫性的自然灾害[1]，主要表现为水资源短缺且不足以满足人类生存和经济发展的气候现象，受全球变暖的影响，干旱事件频繁发生[2]。因此，在气候变化研究中，许多学者对我国的干湿状况给予了特别的关注[3-9]。目前，研究区域干湿状况的指标有几十种，如降水距平百分率、土壤湿度干旱指数、降水异常指数、标准化降水指标（SPI）、标准化降水蒸散指数（SPEI）、帕尔默干旱指数（PDSI）、Z指数、地表湿润指数等。由于地表干湿状况受多种自然因素如气温、降水、风速、相对湿度等综合作用的影响，因此，利用单因子表征的区域地表干湿状况存在很大的局限性，而一些考虑多种因子综合作用的干旱指标逐渐被科学界所认可并得到了广泛应用[10]。其中， 降水指数法使用频次最高， 但其忽略了水分支出状况，误差较大;水量平衡法受限于资料和技术， 难以在较大空间尺度上使用;干湿指數法则充分考虑了降水和蒸发这两大地表水分收支要素[11]，而这2个量正是地表热能和水分变化的关键参量，能较为客观地反映地区的干湿状况;且计算方便，所需资料少，尤其适合于当前资料条件下干湿变化的研究[3]。

目前，对和田地区气候变化的相关研究较多，主要集中在气温、降水等气象要素变化特征分析等方面，而专门针对和田地区潜在蒸散量以及干湿变化趋势的研究很少。因此，针对和田地区独特的气候环境，根据该区域潜在蒸散量的变化特征及湿润指数，探讨和田地区气候干湿状况变化特征，以期为该地区水资源合理开发利用以及防止生态环境的进一步恶化和区域的农业生产、经济建设提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

和田地区，位于欧亚大陆腹地，新疆维吾尔自治区最南端。南枕昆仑山和喀喇昆仑山，北部深入塔克拉玛干大沙漠腹地。地处77°31′～84°55′E、34°22′～39°38′N，属于暖温带极端干旱的荒漠气候，四季分明，夏季炎热，冬季冷而不寒，春季升温快而不稳定，常有倒春寒现象发生，多风沙天气，秋季降温快;全年降水少，光照充足，热量丰富，日照时数2 470～3 000 h，全地区年平均日照百分率在58%～60%，最高可达84%，太阳总辐射量大，光能资源列全疆之冠。深居内陆，远离海洋，降水稀少，光能资源丰富，形成和田地区气候干旱、自然条件恶劣、生态环境脆弱、水资源短缺的气候特征。和田地区4个气象站的位置见表1。空间分布见 图1。

1.2 数据来源及预处理

选取该区域内1960—2016年4个气象站点的平均气温、日照时数、平均风速、降水等逐月气象要素实测数据，采用公式计算得出潜在蒸散发量和湿润指数。资料来源于中国气象科学数据共享服务网（ http：//cdc.cma.gov.cn）。按照自然年算法进行资料统计，即每年1—12月之和。季节划分采用气象学标准，即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。4—9月为夏半年，10月—翌年3月为冬半年。

1.3 研究方法

湿润指数（W）能够客观地反映某一地区的水热平衡状况[12]，计算公式：

W=PET 0（1）

式中，W为湿润指数;P为降水量（mm）;ET 0为最大潜在蒸散量（mm）。若某区域的湿润指数越大，表示此区域气候湿润程度越高;反之，湿润指数越小，则气候湿润程度越低。根据《国际防治荒漠化公约》将气候区划为5个区[13]：湿润指数≦0.05为极干旱区，0.05～0.20为干旱区，0.20～0.50为半干旱区，0.51～0.65为干旱亚湿润区，>0.65为湿润区。

潜在蒸散发是指在供水充分条件下的蒸散发量[14]。根据伊凡诺夫公式[15]可以计算出潜在蒸发ET 0。

ET0i=0.0018（T i+25）2（100-F i） （2）

式中，ET0i为最大潜在蒸散量（mm）;T i为月平均气温（℃）;F i为月平均相对湿度（%）。

2 结果与分析

2.1 潜在蒸散量时间变化特征

根据公式计算和田地区4个气象站点1960—2016年潜在蒸散量，结果表明，1960—2016年，和田地区冬半年（10月—翌年3月）、夏半年（ 4—9月）以及全年潜在蒸散量平均值分别为 75.1、239.8和 143.7 mm。由图2可知，夏半年、冬半年和全年潜在蒸散发量随时间变化均呈增长趋势，增速分别为0.349 3、0.251 9和 0.313 6 mm/a。

从潜在蒸散量的年际分布看，该区域夏半年、冬半年潜在蒸散量均表现为增加趋势，随着气候变暖，气温上升，加速了全球水循环的预期，是造成大气变干、地表蒸发量增大是原因之一，这与张强等[16]的研究结果一致。和田地区潜在蒸散量在夏半年和冬半年增长速度明显不同，这表明潜在蒸散量的影响因子除气温外，还受其他气象因子的影响。因此，潜在蒸散量的年际变化并不是单一的增加或减少趋势。

2.2 地表湿润指数时间变化特征

从不同季节湿润指数的变化看，近56年，该地区多年平均地表湿润指数为0.027 2，由图3可知，和田地区春季湿润指数呈减小趋势，春、秋、冬季和全年呈增大趋势。其中，夏季湿润指数的变化速率最快，每10年的变化速率为0.004，春季湿润指数变化速率最慢，每10年的变化速率为-6×10-5。秋冬季湿润指数变化速率相当，每10年变化速率为 3×10-5～9×10-5，而全年湿润指数变化每10年变化速率为0.002。春、夏、秋、冬季和全年湿润指数的多年平均指数分别为 0.023 9、0.031 0、0.014 3、 0.040 8和0.027 2，湿润指数的变异系数分别为0.091 1、 0.099 4、0.111 0、0.222 1和0.083 2。根据湿润指数相对应的气候区划标准[13，17]，该地区春、夏、秋、冬季以及全年均为极干旱区。从湿润指数变化速率看，全年湿润指数基本保持稳定，说明该地区总体相对偏干燥，干旱化趋势较明显。

2.3 地表干湿状况变化影响因素分析

根据其定义，降水量和潜在蒸散量的变化对湿润指数的变化有直接影响，气温、日照时数、相对湿度和风速等气候因子影响潜在蒸散量。因此，为了建立统一、稳定的数据时间序列，该研究选取降水量、相对湿度、日照时数、平均气温、平均风速和潜在蒸散量6个要素，运用回归分析法，探究湿润指数与各影响要素之间的相关性以及主要的影响因素，对和田地区地表干湿状况的变化成因进行分析。从表2可以看出，该地区的湿润指数与潜在蒸散量呈显著负相关，这类要素的增加将导致湿润指数的减小，反之则增加，说明潜在蒸散量在湿润指数减少趋势中起着重要作用，同时潜在蒸散的减少有利于湿润指数的提高;与降水量、相对湿度均呈显著正相关，与降水量相关性最大的发生在夏季，R2=0.814;与相对湿度相关性最大的也发生在夏季，R2=0.414，说明降水量和相对湿度的增加均会导致湿润指数的增大，反之则减小。

从和田地区全年以及季节来看，春季，湿润指数与降水量、相对湿度、潜在蒸散量呈显著正相关，与平均气温、日照时数、平均风速均未通过0.01、 0.05顯著性检验;夏季，湿润指数与降水量、相对湿度呈显著正相关，与潜在蒸散量呈显著负相关，与平均气温、日照时数、平均风速均未通过0.01、0.05显著性检验;秋季，湿润指数与降水量呈显著正相关，与其他气象要素的相关性均未通过任何显著性检验;冬季的湿润指数与相对湿度呈显著正相关，与潜在蒸散量呈显著负相关，与其他要素的相关性均未通过0.01、0.05显著性检验;年湿润指数与降水量、相对湿度呈显著正相关，与潜在蒸散量呈显著负相关，与其他要素的相关性均未通过0.01、0.05显著性检验。因此，不同气候因子的变化趋势不同，对地表干湿状况的影响也不同。潜在蒸散量的增加会导致地表趋于干化，而降水量、相对湿度的增加对地表湿润状况起积极作用，通过以上分析可以得出，改善该地区湿润状况的主导因素是降水量的增加，其他气象要素的变化对地表干湿状况起增强或削弱作用。

3 讨论

3.1 潜在蒸散发公式的适用性

该试验以干湿指数作为该区域气候干湿演变特征的研究指标，其中，潜在蒸散发的计算具有重要意义。蒸散发是水文循环的重要组成部分，能量循环的主环节之一，也是陆地和海洋中水分进入大气的唯一路径，更是水资源规划的重要组成部分。它可以用来反映天气条件下各种下垫面蒸发过程的能力，反映某地区的干湿状况。因此，对蒸散发的估算一直是学术界关注的重点之一。潜在蒸散量的确定在不同水文模型中具有不同的计算方法，由于对潜在蒸散量进行实测具有一定的局限性，大量学者采用经验公式确定潜在蒸散量，其计算方法主要分为3类：基于辐射的计算方法[18]，基于温度的计算方法[19]，以及前两者的结合，综合类的计算方法[20]。对众多潜蒸散发计算模型进行比较，结果表明世界粮农组织（FAO）1998年修正的Penman-Monteith公式[21]是最常用的计算潜在蒸散发公式，所得到的潜在蒸散发值最为准确，此模型运用空气动力学及水汽扩散等原理对区域蒸散能力进行估算，但需要详细的气象资料，大多数地区难以提供这些完整的资料。因此，该研究中潜在蒸散量及湿润指数的计算均建立在气温和相对湿度等气象资料的基础上，估算精度在北方地区已得到验证[22-23]，适用于和田地区潜在蒸散量的估算。

3.2 干湿状况分析

1960—2016年和田地区夏半年、冬半年以及全年的潜在蒸散量平均值分别为 239.8、75.1和 143.7 mm，潜在蒸散量均呈波动上升趋势。尤其是在1984年，全年潜在蒸散量为178.3 mm，达到峰值。1960—2016 年和田地区春季湿润指数呈减小趋势，夏季湿润指数呈波动上升趋势，秋、冬季湿润指数波动幅度较小，保持稳定。而全年则呈缓慢增加趋势。春、夏、秋、冬季和全年湿润指数的多年平均分别为0.024 0、0.031 1、0.014 3、0.040 8和0.027 2。根据湿润指数相对应的气候区划标准，该地区春、夏秋、冬季以及全年均为极干旱区。湿润指数与降水量和相对湿度呈正相关，与潜在蒸散量呈负相关。降水量发生变化对湿润指数变化影响最大，其次是相对湿度和潜在蒸散量，日照时数、平均温度和风速则未通过0.01、0.05置信度检验。说明该地区总体相对偏干燥，干旱化趋势较明显。

从湿润指数的定义来看，湿润指数的变化很大程度上取决于降水量和潜在蒸散量的变化，而潜在蒸散量又受到各种气象要素综合作用的影响，如气温、风速、日照时数、相对湿度等。和田地区的干湿状况与降水量和蒸发量密切相关，并对研究区干湿变化产生重要影响。客观、真实地反映地表的干湿程度一直是科研工作者面临的一大难题。该研究基于前人相关研究成果，利用基于降水量和地表潜在蒸散量的湿润指数分析和田地区地表干湿变化，一定程度上能较好地反映该地区地表干湿变化的客观事实，但并不能完全反映实际情况，因此，在今后地表干湿状况的研究还应考虑诸多要素，如在计算地表蒸发潜力时考虑边界层风速的影响[24]。

3.3 湿润指数在和田地区的应用

该地区湿润指数呈增加趋势，且在四季中，仅有春季呈下降趋势，通过对四季气温、降水等气象要素和湿润指数的相关分析计算，夏季的降水量和湿润指数的相关性达0.814（通过了0.01显著水平检验） 。表明夏季湿润指数的增加对全年湿润指数的增加起关键作用。四季和全年湿润指数表明，和田地区属于极干旱区，变干趋势较明显。特别是由于气候干燥引发的春旱，对该地区的农业及国民经济健康发展产生威胁。

从该研究结果看，该区域湿润指数的计算中，以降水量和相对湿度作为主导因素，将赋予其他因素固定权重，而实际权重会随时间发生改变，因此，地表干湿的变化不仅受气象要素影响，还与地势地貌等要素有关。湿润指数是检验干湿状况以及干湿状况变化对干旱化过程产生作用的较为理想的指数，利用降水量与潜在蒸散量的比计算出湿润指数，产生的结果可能与潜在蒸散量公式的气象要素具有一致性。气温升高，引起全球变暖现象是一个不争的事实[25]，气温的上升造成的气候变暖和降水量的增加是否能引起蒸发量发生具体变化还值得进一步探讨。

4 结论

地表湿润指数，不仅能够较为客观地反映某区域气候的干湿状况，还在水资源管理、农业发展及经济建设中具有重要意义[10]。根据1960—2016年和田地区4个气象站点逐月气象实测数据，计算和分析该地区潜在蒸散量和湿润指数变化特征。结果表明，1960—2016年和田地区夏半年、冬半年和全年潜在蒸散量平均值分别为 239.8、75.1 和143.7 mm。夏半年、冬半年和全年潜在蒸散发量随时间变化均呈增长趋势，增速分别为0.349 3、0.251 9和0.313 6 mm/a。1960—2016年该地区年均地表湿润指在0.005 9～0.083 2，春季湿润指数呈减小趋势，夏、秋、冬季和全年呈增加趋势，均以变湿趋势为主，不同季节各地区的变化趋势不同。四季和全年湿润指数的多年平均指数分别为 0.023 9、0.031 0、0.014 3、 0.040 8和0.027 2。根据湿润指数相对应的气候区划标准，该地区四季及全年均为极干旱区。

通过与各气候因子的相关分析表明，湿润指数与降水量、相对湿度呈正相关，与潜在蒸散量呈负相关。降水量的变化对湿润指数变化影响最大，其他气候要素的变化对地表干湿状况起增强或削弱作用。

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