陜西黃土高原地表濕潤狀況演變規律研究

林隆超，王曉飛，孫智輝

(延安市氣象局，陜西延安 716000)

陜西黃土高原地表濕潤狀況演變規律研究

林隆超，王曉飛，孫智輝

(延安市氣象局，陜西延安 716000)

摘 要：利用陜西黃土高原區域均勻分布的27個氣象站1951—2011年4—10月的溫度、降水和相對濕潤度指數，通過Morlet小波、累積距平、GIS作圖等方法，分析了陜西黃土高原地區近60 a地表濕潤指數的地理分布和年代際變化特征。結果表明：陜西黃土高原地表濕潤指數春季和秋季分布特征是南部比北部濕潤，西部比東部濕潤；夏季是北部適中，南部偏干，中部偏濕。上世紀90年代以后，陜西黃土高原各地區陸續進入暖干期，以關中東部持續時間最長。延安南部地表濕潤指數年代之間變化較小，可能與大面積森林覆蓋有關。地表濕潤指數基本上有3 a一周期的規律。

關鍵詞：陜西黃土高原；地表濕潤指數；溫度

近年來氣候的干濕變化受到社會各界的廣泛關注。普宗朝[1]等對新疆48 a干濕氣候時空變化特征的研究表明新疆各地年降水量均為增多趨勢，各地年潛在蒸散量總體為減少趨勢，各地干燥指數均表現為不同程度減小趨勢。候文菊[2]等對黃河源區49 a地表濕潤指數及與氣象因素的敏感性分析表明黃河源區年地表濕潤指數呈下降趨勢。鄭廣芬[3]等對寧夏近40 a地表濕潤狀況演變規律研究表明寧夏總趨勢是下降。馬柱國等[4]定義了一個能夠表征地表干濕狀況的物理量——地表濕潤指數，分析了中國兩個典型干旱區濕潤指數的年代和年際變化特征及季節差異，該研究區域包括了陜西一小部分。因此利用馬柱國的研究方法，根據陜西黃土高原溫度、降水資料，對陜西黃土高原近60 a來地表濕潤指數的時空變化特征進行研究，比較客觀地反映陜西黃土高原的干濕狀況演變規律及區域特征，進一步研究和補充馬柱國研究的成果。

1 資料及研究方法

采用陜西黃土高原27個氣象臺站1951—2011年的月平均溫度及月降水量資料，根據文獻[4-7]，地表濕潤指數的定義可表示為

Hi=R/P，

(1)

其中：R為月降水量；P為最大可能蒸散量，此處是指月可能蒸散量,單位為mm。

用Thornthwaite (桑斯懷特)方法計算P，

P=16.0×(10Ti/Q)A，

(2)

式中，Ti為月平均氣溫，單位為 ℃；Q為年熱量指數；A為常數。

各月熱量指數Qi由下式計算：

Qi=(Ti/5)1.514。

(3)

則年熱量指數Q為：

(4)

常數A由下式計算：

A= 6.75×10-7Q3-7.71×10-5Q2+

1.792×10-2Q+0.49。

(5)

當月平均氣溫T≤0 ℃時，月熱量指數Q=0，月可能蒸散量P=0 mm。

陜西黃土高原冬季平均氣溫一般都為10 ℃以下，北部地區接近或低于0 ℃，蒸發近似為0；南部關中在10 ℃以下，蒸發量非常小，可認為冬季降水可以代表地表干濕狀況。為了方便對比分析，本文只研究4—10月地表濕潤狀況。根據文獻[5-6]的研究結果，Thornthwaite 方法計算的最大可能蒸散量與FAO Penman-Monteith(彭-曼)方法計算結果相比，明顯偏小。借鑒文獻[6]的研究，引入與日長和緯度有關的調整系數，4—10月調整系數在0.96～1.25之間，對每個站的計算結果進行了修正。

2 研究區域

陜西黃土高原是指秦嶺以北的陜北地區和關中地區，是我國黃土高原的中心部分，總面積為131 585.9 km2， 約占陜西土地總面積的64%。

利用文獻[8]的研究結論，將陜西黃土高原劃分為5個區(圖1)。

圖1 陜西黃土高原地表濕潤指數分區

一區：榆林區，包括除清澗以外的11縣區。

二區：延安北部丘陵溝壑區，包括甘泉以北的延安市8縣區和榆林的清澗縣。

三區：延安南部丘陵梁塬區。包括延安南部5縣和銅川市的宜君、印臺區塬區。

四區：關中西部。包括咸陽北5縣和寶雞市。

五區：關中東部。包括渭南市、西安市、銅川的耀州和咸陽南部7縣區。

為了保證分區結果客觀，選擇了建站時間長、地理位置上均勻分布的27個氣象站月降水和溫度資料，計算出每個月的地表濕潤度指數。

3 地表濕潤指數的變化

3.1 季節特征

陜西黃土高原春季干燥、夏季炎熱、秋雨連綿，在不同季節表現出不同的氣候特點。在季節劃分上，將4—10月分為春(4—5月)、夏(6—8月)、秋(9—10月)三個季節。

圖2給出了陜西黃土高原春、夏、秋季年平均地表濕潤指數GIS圖。春季和秋季北部偏干，南部偏濕，中部適中；夏季北部適中，南部偏干，中部偏濕長城沿線風沙區和關中東部相對干燥。

3.2 年際變化特征

圖2 陜西黃土高原春、夏、秋季地表濕潤指數GIS圖

圖3 陜西黃土高原各分區代表站4—10月年地表濕潤指數、地表濕潤指數累積距平、月平均氣溫及總降水量

一區60 a地表濕潤指數總體趨勢是下降的，即地表變干。1957年以前平均氣溫偏高，但溫度曲線呈下降趨勢，降水量相對偏少，浮動范圍較小，此期間平均地表濕潤指數和地表濕潤指數累計距平都偏小，地表變干是由溫度較高、降水偏少引起的，氣候特點以暖干為主；1958—1971年平均地表濕潤指數累計距平為增加階段，對應的平均氣溫偏低，降水量偏多，地表變濕是由氣溫降低、降水偏多引起的，氣候特征以冷濕為主；1971年以后地表濕潤指數累計距平發生轉折，下降趨勢持續到2000年，對應平均氣溫仍偏低，但降水量相對偏少，造成此期間變干的原因是降水偏少，其氣候特征主要為冷干；2000年以后地表濕潤指數累計距平曲線通過短暫的回升，以后則表現為下降趨勢，平均氣溫總體升高，降水量在2001年出現躍增后又持續偏少，地表濕潤指數曲線和地表濕潤指數累計距平曲線都呈下降趨勢，說明地表變干是溫度和降水共同作用的結果，其氣候特征主要為暖干。總之，一區自1951年以來經歷了四個階段，即1957年以前為暖干期，1958—1971年為冷濕期，1971—2000年為冷干期，2000年以后表現為暖干期。

二區60 a地表濕潤指數總體趨勢是下降的，即地表變干。1960年以前平均氣溫偏高，降水量相對偏少，浮動范圍較小，平均地表濕潤指數和地表濕潤指數累計距平都偏小，地表變干是由溫度較高、降水偏少引起的，氣候特征以暖干為主；1960—1994年平均地表濕潤指數累計距平為增加階段，對應的平均氣溫偏低，降水量偏多，地表變濕是由氣溫降低，降水偏多引起的，氣候特征以冷濕為主；1994年以后地表濕潤指數累計距平表現為下降趨勢，平均氣溫上升，降水量略微減少，地表變干主要由平均溫度升高引起，其氣候特征為暖干?？傊?，二區自1951年以來經歷了三個階段，即1960年以前為暖干期，1960—1994年為冷濕期，1994年以后表現為暖干期。

三區主要是森林覆蓋區，植被覆蓋較好的地區比無植被覆蓋的地區在降低溫度和增加空氣濕度方面, 有顯著的作用[9-10]。三區平均溫度和降水量波動范圍較小，使地表濕潤指數56 a總體趨勢變化不大，累積距平略微降低。相對而言，在1988年以前為偏濕期，在1994以后為暖干期。

四區59 a地表濕潤指數總體是下降趨勢，即地表變干。1962年以前平均氣溫偏高，降水量相對偏多，此期間平均地表濕潤指數累計距平偏小，地表變干主要是由溫度較高引起的，氣候特點以暖濕為主；1963年后平均地表濕潤指數累計距平為增加階段，一直持續到1993年，此區間平均氣溫偏低，降水量偏多，地表變濕的原因是氣溫偏低、降水偏多引起，氣候特征以冷濕為主；1993年以后地表濕潤指數累計距平發生轉折，呈現下降趨勢，對應平均氣溫升高，降水量時多時少，變干主要由溫度升高引起，氣候特征為暖干期。總之，四區自1952年以來經歷了三個階段，即1963年以前為暖濕期，1963—1993年為冷濕期， 1993年以后表現為暖干期。

五區54 a地表濕潤指數總體趨勢是下降的，即地表變干。1965年以前平均氣溫偏低，降水量偏多，平均地表濕潤指數累計距平曲線呈上升趨勢，地表變濕的原因是溫度較低、降水偏多，氣候特征為冷濕；1965—1983年平均地表濕潤指數累計距平為一略降階段，其浮動范圍較小，對應的平均氣溫偏高，降水量偏少，地表變干的原因是氣溫升高，氣候特征以暖干為主；1983年以后地表濕潤指數累計距平發生轉折，呈上升趨勢持續到1990年，對應平均氣溫偏低，降水量變化不大，地表變濕的主要原因是溫度偏低，其氣候特征主要表現為冷濕；1990年以后地表濕潤指數累計距平則表現為下降趨勢，此期間平均溫度升高，降水量偏低，地表變干主要是由平均溫度升高和降水偏少共同造成，其氣候特征為暖干?？傊?，五區自1957年以來經歷了四個階段，即1965年以前為冷濕期，1965—1983年為暖干期，1983—1987年為冷濕期， 1987年以后表現為暖干期。

圖4給出了代表站DPS(data processing system，數據處理系統)[11-13]連續小波年平均地表濕潤指數的時間演變周期。從圖4可看出，地表濕潤指數周期一區為3～4 a，二區為3 a，三區為3 a，四區為2～3 a，五區為3 a。可見陜西黃土高原地表濕潤指數有3 a一周期的規律。

4 結論與討論

4.1 陜西黃土高原地表濕潤指數分布特征是南部比北部濕潤，西部比東部濕潤。春季和秋季北部偏干，南部偏濕，中部適中；夏季北部適中，南部偏干，中部偏濕。

4.2 陜西黃土高原各地區先后經歷了不同的冷暖、干濕階段。20世紀90年代以后，陜西黃土高原各地區陸續進入暖干期，以關中東部持續時間最長。延安南部地表濕潤指數年代之間變化較小，與大面積森林覆蓋有關。

4.3 陜西黃土高原地表濕潤指數有3 a一周期的規律。

4.4 可能蒸散量的計算方法眾多，計算結果差異也較大。采用Thornthwaite方法計算相對簡單，需要的氣象要素少，但計算結果可能小于實際蒸散，導致計算的濕潤指數可能偏大。下一步有必要對各種方法進行比對，找到更適合陜西黃土高原地區應用的蒸散計算方法。

圖4 陜西黃土高原各分區代表站年平均地表濕潤指數DPS連續小波

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中圖分類號：P426.1

A

文章編號：1006-4354(2013)05-0024-05

收稿日期：2013-05-10

作者簡介：林隆超(1986—)，女，漢，四川廣安人，學士，助理工程師，主要從事人工影響天氣工作。