近48年青藏高原水热资源时空演变与匹配特征

董凌霄，张艳敏，蒋佩东，董前进

(1.水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉大学，湖北 武汉 430072；2.中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430070)

青藏高原特殊的高海拔、低气压、强辐射及充足日照形成了其独特的气象与地理条件[1]，同时，全球的气候变化及青藏高原近几十年日益活跃的人类活动也影响了其水热资源时空分布，并对青藏高原农牧业发展产生深远的影响。而青藏高原农牧业生产与当地的自然禀赋条件，如水资源、热量、土地资源等密切相关，由此，研究年降雨量、年均气温、参考作物蒸散发量等水热资源表征指标的时空演变与匹配特征对青藏高原农牧业持续生产意义重大[2-4]。

近年来，国内外学者对青藏高原气候变化特征开展了大量研究。如姚天次等[5]利用Fao Penman-Monteith方程，分析了青藏高原潜在蒸散发的空间布局及其突变特点；牛涛等[6]采用方差极大正交旋转法，研究了青藏高原的平均温度以及相对湿度等气候特征；Yao等[7]运用多种突变检验模型，探讨了青藏高原蒸发皿蒸发量的突变性及其空间分布的关系；刘桂芳等[8]通过69个气象台站的气象数据，分析了青藏高原近50年的主要气候因子特征；Zhang等[9]运用标准化降水蒸散发指数，分析研究了青藏高原及其周边地区的干旱演变特征；汤懋苍等[10]研究了近千年来青藏高原及其四周的气候变化，分析了降水与气温的相关性并初步预测了中国西部的气候变化趋势。在水热资源匹配特征的研究中，一些学者[11-12]采用匹配距离以及不平衡指数进行匹配度的分析；另有研究[13]则采用干燥度指标来分析水热资源的匹配关系。总体来看，目前针对青藏高原农牧业水热资源的时空演变的文献较多，但涉及青藏高原水热资源匹配特征方面的研究较少。而青藏高原水热资源匹配状况将决定青藏高原农牧业发展布局并影响当地水资源持续利用。为此，这里以青藏高原为例，分析年降雨量、参考作物蒸散发量、年均气温等水热资源表征指标的时空演变与匹配特征，为青藏高原的农牧业发展和水资源管理提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

青藏高原总面积约250万km2，占中国陆地面积近1/4，地广人稀，平均海拔在4 000 m以上，是中国的第一级阶梯。高海拔带来了丰富的光照资源，同时高原上湖泊众多，水资源丰沛，特殊的地形地貌使它成为东亚、东南亚和南亚许多大河发源地。近年来，该地区的气候变化呈现出暖湿化趋势[8，14]，水热资源充沛，也为该地区农牧业发展奠定了良好的基础。

1.2 数据来源

研究中使用的气象数据(包括降雨、气压、温度、风速、湿度、日照时数)和辐射数据均来自中国气象数据共享网日值数据集，时间跨度为1970—2017年。其中，气象站点在青藏高原及其边界附近共317个站点，辐射数据源于青藏高原及其边界附近26个站点，气象站点分布见图1。由于青藏高原西部部分地区环境十分恶劣，限制常规的观测设施的布设，因而这些地区的站点较少，分布不均。但本文所用数据均为历史及现状实测资料且经过了质量控制，因此，数据能满足本文计算要求，且可靠性较高。

图1 青藏高原气象站点分布

2 研究方法

以降水量表示水分收支情况，以气温和参考作物蒸散发量作为热量指标，以湿润指数及匹配系数反映水热资源匹配特征进行青藏高原水热资源时空演变与匹配特征研究。

2.1 参考作物蒸散发量

由于参考作物蒸散发量通常只与气象条件有关，在一定程度上能反映某一区域获得的热量情况，为此，除气温表示热量指标外，也尝试采用参考作物蒸散发量作为热量指标，其计算采用在湿润或干旱半干旱地区都适用的Penman-Monteith公式，计算式如下[15]：

(1)

式中 ET0——参考作物蒸散发量，mm/d；Rn——作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G——土壤热通量，MJ/(m2·d),G≈0；T——2 m高度处的空气温度，℃；u2——2 m高度处的风速，m/s；es——饱和水汽压，kPa；ea——实际水汽压，kPa；es-ea——饱和水汽压差，kPa；Δ——水汽压曲线斜率，kPa/℃；γ——湿度表常数，kPa/℃。

2.2 湿润指数

湿润指数(Humidity index，HI)通常用于衡量一个地区的干湿程度[16]，一般以某地区的水分收支比值来计算，计算公式如下：

(2)

式中P——降水量，mm；ET0——参考作物蒸散发量，mm。

由于式(2)中同时含有水分(降水)、热量(参考作物蒸散发量)指标，这里也作为水热资源匹配的一种指标进行分析。

2.3 水热资源匹配系数

在指标HI的基础上，综合考虑降雨量、参考作物蒸散发量与气温，本文提出了水热资源匹配系数(Matching coefficient of water and heat resources，MCWHR)，计算公式如下：

MCWHR=HI·T

(3)

水热资源匹配系数越大，区域的水热资源匹配性越好。

根据上述方法计算青藏高原每个站点(317个)水热资源指标，采用反距离权重法对站点平均温度、降水量、参考作物蒸散量、湿润指数、水热资源匹配系数等进行空间插值得到栅格数据，并使用泰森多边形求得青藏高原的水热资源匹配特征指标的加权平均值。

3 结果

3.1 青藏高原水热资源时空演变

3.1.1降雨

青藏高原多年平均降雨量为341 mm，降雨空间分布见图2a。从空间分布来看，青藏高原的降雨自东南至西北递减，多年平均降雨量最高值达1 700多mm，最低值只有20 mm左右，空间差异巨大。最高值出现在贡山独龙族怒族自治县与德钦县交界处，最低值出现在阿克塞哈萨克族自治县与海西蒙古族藏族自治州直辖市交界处。从趋势变化上来看(图2c)，青藏高原的年降雨量呈显著上升趋势(p<0.001)，气候倾向率为1.56 mm/a，最大值出现在2017年(403 mm)，最小值出现在1972年(246 mm)。

3.1.2气温

青藏高原多年平均气温3℃，最高值为20.3℃，最低值达到零下5℃左右，且受海拔影响较同纬度其他地区低。气温空间分布见图2b，从空间分布来看，青藏高原东南及西部地区气温较高，中部地区较低，空间差异巨大，最高值出现在泸水县内，站点海拔910 m；最低值出现在玉树境内，站点海拔4 645 m，温度受海拔影响大。从趋势变化上来看(图2d)，青藏高原的年平均气温呈显著上升趋势(p<0.001)，气候倾向率为0.054 ℃/a。

a)年降雨量空间分布

3.1.3参考作物蒸散发量

青藏高原多年平均参考作物蒸散发量为981.5 mm，年际间变化差异较大。图3依次给出了1970、1980、1990、2000、2010、2016年的参考作物蒸散发量。

a)1970年

从图3可知，青藏高原ET0空间上呈现出东南部及西北部地区较高，中部地区较低的分布。最高值是最低值的2倍左右，空间差异较大。柴达木盆地及新疆和西藏的西北部地区ET0比较高，太阳辐射大，湿度低，蒸散发剧烈；青藏高原的东南部地区则是温度较高，日照时间长，蒸散发也比较剧烈。从时间演变上看，青藏高原在1970—2000年空间分布差异不大，西藏西北部ET0比较稳定；而2000—2016年高ET0区域明显扩张，西藏的西北部ET0明显增加，而中部的低ET0区域明显缩小。

3.2 青藏高原水热资源匹配情况

3.2.1湿润指数

青藏高原多年平均湿润指数为34.77%。从空间分布来看(图4a)，青藏高原的湿润指数与降雨量分布类似，多年平均湿润指数最高值达214%，最低值只有1%，空间差异巨大。最高值、最低值出现的区域与降雨量分布一致。

a)青藏高原年湿润指数空间分布

从趋势变化上来看(图4c)，青藏高原的湿润指数趋势变化不明显，气候倾向率为0.067%/a，最大值出现在2017年(39.94%)，最小值出现在1994年(28.98%)。

3.2.2水热资源匹配系数

从空间分布来看(图4b)，青藏高原水热资源匹配系数自东南至西北递减。匹配系数最高的区域出现在云南的怒江傈僳族自治州(泸水县、福贡县、贡山县等)和四川的宝兴县、天全县、北川县等地，匹配系数低的区域覆盖了青藏高原上新疆的全部区域、青海的大部分区域、西藏的西北部区域和甘肃的北部区域。

从趋势变化上来看(图4d)，青藏高原的水热资源匹配系数呈显著上升趋势(p<0.001)，最大值出现在2017年，最小值出现在1970年。

4 结论

本文分析了青藏高原降雨量、温度、参考作物蒸散发量、湿润指数等水热资源表征指标1970—2017年变化特性及空间分布情况。同时，结合降雨、气温、蒸发等要素提出了青藏高原水热资源匹配系数，主要结论如下。

a)青藏高原的降雨量、气温以及参考作物蒸散发的空间差异巨大。其年降雨量与年平均气温呈显著上升趋势，ET0在1970—2000年空间分布差异不大，西藏西北部ET0比较稳定；而2000—2016年高ET0区域明显扩张，西藏的西北部ET0明显增加，而中部的低ET0区域明显缩小。

b)由青藏高原水热资源匹配系数计算得出青藏高原水热资源匹配特征由西北向东南逐渐变好，并在1970—2017年呈显著增强趋势，说明青藏高原的水热资源情况在气候变化与人类活动中产生了较大变化。当前这种变化是有利于农牧业发展的，但仍需关注青藏高原水资源承载力，防止对资源的过度开发利用，破坏生态环境，影响青藏高原的生态系统平衡。