天津市津南八里湾绿色生态屏障区生态质量气象评价研究

孙树鹏，廖云琛，吴 洋，尹紫薇，赵玥

（天津市津南区气象局 天津 300350）

0 引 言

自2018年起天津市在中心城区和滨海新区之间陆续开展绿色生态屏障区（以下简称“绿屏区”）建设以来，至2022年，绿色生态屏障已基本成形。近年来，天津市绿屏区生态质量持续向好，生态保护和修复成效明显。开展绿屏区生态质量气象评价对于客观评估建设绿屏区的生态质量具有十分重要的意义。2010年，陈振华［1］以白龙江流域甘肃部分为研究对象，结合研究区域环境的特点，构建了研究区域生态质量气象指标体系，开展了生态质量气象评价方法及实例研究。另外，国内外有多位学者［2-7］对不同地域开展了生态质量气象评价相关研究。本文拟在相关研究的基础上，充分利用津南八里湾绿屏区生态气象监测站数据，对以八里湾为核心的绿屏区开展生态质量气象评价研究。

1 资料与方法

1.1 资料

本文使用的资料有津南区绿屏·八里湾生态气象监测站2021年11月至2022年10月（以下简称“研究时段”）植被生态自动观测仪采集的植被覆盖度、宇宙线区域土壤水分自动观测仪采集的土壤含水量，以及常规自动气象观测站采集的气温、气压、湿度、风速、风向、降水量等数据和津南国家气象观测站1980—2022年逐日观测资料，主要利用日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日平均风速和日降水量等数据。

1.2 方法

生态质量气象评价就是基于气象因素对生态质量的影响进行生态质量评价。本文拟采用综合评价指标法，利用地面生态气象监测站数据，从气象角度对绿屏区生态质量进行气象评价。根据湿润指数、植被覆盖指数、土壤湿度指数和气象灾害指数等指标对生态环境质量的影响程度赋以相应的权重，从而得到综合评价指标，其中植被覆盖指数和土壤湿度指数均可通过地面生态气象监测数据转化得到，气象灾害指数可通过参照津南区气象灾害阈值计算得到。以下主要对湿润指数和综合评价指标计算方法进行说明。

①湿润指数计算方法。湿润指数指降水量与潜在蒸散量之比，月湿润指数计算方法如下：

其中：K为月湿润指数；Ri为月降水量，mm；Pi为月平均气压，hPa；Ti为月平均气温，℃；di为该月的天数；Ui为月平均风速，m/s；w0i为温度为Ti时的饱和水汽压，hPa；hi为月平均相对湿度，%；i为月份编号。

饱和水汽压计算方法如下：

当0 ℃＜Ti≤30 ℃时：

当-40 ℃≤Ti＜0 ℃时：

其中：w0为饱和水汽压，hPa；t为气温，℃。

当K＜1时，表示大气降水少于植被生理过程需水量；当K＝1时，表示该区域大气降水量与植被生理需水量达到平衡；当K＞1时，表示该区域大气降水量大于植被生理需水量，此时降水条件不是当地植被生理需水的限制因子。在计算综合评价指标时，如果K＞1，则规定K＝1。

②综合评价指标计算方法。对湿润指数、植被覆盖指数、土壤湿度指数和气象灾害指数进行属性同一化处理（即对非正的指数进行正向化处理），然后采用加权求和方法计算综合评价指标值，用公式表示如下：

其中：P为生态质量气象评价指数；Wj为第j项指标的权重值；Yj为第j项指标值。

2 津南绿屏区生态质量气象评价

2.1 湿润指数

湿润指数可通过计算降水量与潜在蒸散量之比得到，其可以反映某一地区气候干、湿程度，能较客观地反映某一地区的水热平衡状况。通过计算津南八里湾绿屏区的湿润指数可以发现，该地区的湿润指数在2022年7至8月有一个较明显的峰值，在2021年11月有一个次极值，见图1。在研究时段中，仅有这3个月的湿润指数大于1，即在这3个月中该区域大气降水量大于植被生理需水量。在2021年12月至2022年6月和9至10月则处于较低的水平，在此期间，大气降水少于植被生理过程需水量。这与该地区的降水量有较好的对应关系，2022年7、8月的降水量分别为319.1、166.6 mm，6月份降水量为93.7 mm，10月份降水量为62.5 mm，在降水量值占绝对优势的时段，湿润指数总体也较大。而在6月份，降水量为全年第三高，但因其降水量总体数值有限，且6月份气温较高，导致蒸散量也较大，所以6月份的湿润指数在研究时段的12个月中仅排在第5位，因其小于1，所以在2022年6月份，大气降水少于植被生理过程需水量。2021年11月降水量虽然居第5位，但因该时段气温较低，蒸散量较小，所以其湿润指数较高，居第3位，大气降水量也大于植被生理需水量。

图1 津南八里湾绿屏区的湿润指数Fig.1 Humidity index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

2.2 植被覆盖指数

植被覆盖指数由布设在八里湾生态气象监测站的植被生态自动观测仪采集的植被覆盖度转换得到。由图2可知，在2021年11月至2022年4月的秋末、初冬至春季，植被覆盖指数较小，基本处于0.22以下，这是因为该时段绿屏区种植的乔木树叶脱落，导致该区域的植被覆盖度降低。而在2022年5至10月，树木枝叶繁茂，植被覆盖指数整体较大，最大达到0.47。由于绿屏区不少树木仍处在移栽种植初期，树木冠层还不够发达，所以距离将地面完全严密覆盖仍有差距。通过对植被覆盖指数的拟合分析可以发现，从秋季进入冬季植被覆盖指数呈下降趋势，由春入夏则呈明显的上升趋势；在研究时段，植被覆盖指数总体呈明显的上升趋势。

2.3 土壤湿度指数

土壤湿度指数由布设在八里湾生态气象监测站的宇宙线区域土壤水分自动观测仪采集的区域土壤水分情况转换得到。宇宙线区域土壤水分自动观测仪是根据近地表自然环境中宇宙射线快中子强度与土壤含水量呈反比关系的原理，利用架设在地表上方的探测器测量宇宙射线快中子强度，进而反演出土壤含水量，并通过空气温度、空气相对湿度、气压等气象数据对结果进行修正，以实现对周围区域地表土壤水分的监测。由图3可知，在研究时段，土壤湿度峰值出现在7月份，这与该区域最大降水量时段相对应；另外，土壤湿度指数有2个低谷，分别出现在2022年5月和9月前后，主要是因为该时段降水量较少且蒸散量较大。

图3 津南八里湾绿屏区的土壤湿度指数Fig.3 Soil moisture index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

2.4 气象灾害指数

气象灾害指数主要用于衡量由于气象原因直接或间接引起的会对绿屏区生态造成严重影响的灾害现象。绿屏区主要的气象灾害为干旱、暴雨洪涝、大冰雹、连阴雨、低温冷冻害、雪灾、大风、霜冻、雷电和高温热浪等。气象灾害指数主要根据绿屏区在研究时段的各项气象要素观测值在津南历史气候数据中的极端概率分布情况计算得到。根据孙树鹏等［8］计算的各气象要素不同极值重现期对应值，并依据不同性质的气象灾害对绿屏区生态质量产生的危害程度赋予不同的权重，得到最终的气象灾害指数。在研究时段，影响最突出的气象灾害是干旱，主要发生在春秋两季，其次为高温。总体而言，在研究时段，气象灾害对绿屏区的生态质量影响并不严重。

2.5 生态质量综合气象评价

综合评价法是指在计算上述湿润指数、植被覆盖指数、土壤湿度指数和气象灾害指数的基础上对各指数进行属性同一化处理（即对非正的指数进行正向化处理），然后采用加权求和方法计算得到综合评价指标值，进而实现对绿屏区生态质量的气象评价。根据12个月的平均情况，正向化的气象灾害指数最高，为0.74；其次为土壤湿度指数0.62；然后为湿润指数0.43；最后为植被覆盖指数0.31；年平均综合评价指标值为0.47。由图4可知，在研究时段的12个月中，2022年7、8月的综合评价指标值最高，分别为0.74和0.72；其次是2022年10月，为0.66。2021年12月的综合评价指标值最低，仅为0.21。

图4 津南八里湾绿屏区的综合评价指标值Fig.4 Comprehensive evaluation index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

3 结论与讨论

本文利用地面生态气象监测站数据采用综合评价指标法对津南八里湾绿屏区生态质量进行气象评价。

①从各项指数的年变化情况来看，2022年7至8月，湿润指数、植被覆盖指数、土壤湿度指数均处于全年最高水平，该时段未发生严重的气象灾害，气象灾害指数也处于较低水平。

②从生态质量的气象综合评价指标的年平均值来看，正向化的气象灾害指数最高，为0.74；其次为土壤指数0.62；然后为湿润指数0.43；最后为植被覆盖指数0.31；年平均综合评价指标值为0.47。这与处于初建阶段的绿屏区实际情形较为相符。

③从生态质量的气象综合评价指标的变化情况来看，在研究时段的12个月中，2022年7、8月的综合评价指标值最高，分别为0.74和0.72；其次是2022年10月，为0.66。2021年12月的综合评价指标值最低，仅为0.21。