柴達木盆地地表濕潤特征及氣候因子影響分析

張嘉琪，任志遠

（陜西師范大學 旅游與環境學院，西安710119）

全球環境變化（特別是氣候變化）是當前科學界和決策界的關注熱點［1］。IPCC第5次評估報告中指出：近110年（1901—2012年）全球平均地表溫度上升了0.89℃（IPCC，2013）。全球變暖使水循環過程變化速度加快，對地表的水熱平衡狀況產生影響，使地表干濕狀況以及生態環境系統發生改變。因此，近年來有關干濕氣候變化的研究受到學術界的廣泛關注［2－4］。而研究濕潤指數的長期變化有助于了解在全球變暖背景下氣候干濕狀況的演變特征，它能夠客觀地反映某一地區的水熱平衡狀況，優點在于綜合考慮溫度、降水對水分收支的影響，在區域生態景觀區劃以及生態環境評價中具有重要意義。其有相關文獻表明，濕潤指數作為一個理想的指標在中國典型干旱區研究中得到較好的應用［5］。

柴達木盆地是我國的干旱半干旱氣候區，地處西北內陸，受夏季風影響較弱，加之青藏高原的隆升阻擋了來自印度洋、孟加拉灣的水汽，使得該地成為青藏高原氣候變化最為敏感的地區，其水熱平衡狀況必將會影響到整個青藏高原干濕狀況的變化。近年來國內外基于濕潤指數進行區域干濕狀況的研究已取得大量成果，并就暖濕化與暖干化趨勢進行了廣泛的討論［6－8］。柴達木盆地濕潤程度的變化趨勢也得到了一定的關注，有大量文獻表明自20世紀80年代中后期以來該區域正在由暖干化向暖濕化轉型［9－12］，但大多數學者對該區域的干濕程度研究僅就氣溫降水的時空變化進行討論，利用濕潤指數討論干濕變化空間差異的研究還很少。因此，本文以濕潤指數來研究柴達木盆地地表干濕狀況的時空演變特征，在研究1977—2010年時空變化的基礎上，討論各個氣候因子的演變趨勢，研究地表濕潤狀況特征與氣象因子的關系，更好地揭示在氣候變暖的背景下柴達木盆地干濕程度分布的空間差異性，為該區內區域變化甚至青藏高原氣候的變化研究提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

柴達木盆地位于青藏高原北部，海拔高度2 675～3 350m，是我國四大盆地海拔最高的高原型盆地，總面積約275 000km2。地處青海省西北部，東臨青海省的海北和海南兩個自治州，西達新疆，南通西藏，北抵甘肅，地理位置在東經90°16′—99°16′、北緯35°00′—39°20′，位于中緯度西風帶和東亞季風系統的交界地帶。屬西北干旱區，典型的高原大陸性氣候。盆地內年平均氣溫為2℃，但年內變化差異較大，最低在1月份，平均為－15～－10℃，最高在7月份，平均為15～17℃。年降水量的地域分布不均勻，大部分地區在150～300mm，中心地區年降水量小于50mm，西北部僅為25mm左右。盆地內太陽輻射強，日照時數在3 100h以上。

1.2 數據來源

選取柴達木盆地8個氣象站點（大柴旦、德令哈、都蘭、格爾木、冷湖、茫崖、諾木洪、小灶火）1977—2010年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、氣壓、相對濕度、風速、日照時數資料。統計基本氣候要素的月、季、年平均序列資料，季節劃分：3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季。上述數據由中國氣象局國家氣象信息中心（http：∥www.nmic.gov.cn）提供。

1.3 研究方法

1.3.1 濕潤指數（K） 濕潤指數的計算基于下式：

K＝R／ET

式中：R——月降水量（mm／d）；ET——月潛在蒸散量（mm／d）；其中對于ET的計算采用聯合國糧農組織（FAO）推薦的計算蒸散量的標準方法Penman－Monteith模型。P－M模型是目前公認的無論在濕潤還是干旱地區計算潛在蒸散量精度較高的方法之一。許多研究結果也表明在不同的氣候條件下P－M公式計算的潛在蒸散量都與實測值非常接近［13－17］。

計算公式如下：

式中：ET——潛在蒸散量 （mm／d）；Rn——凈輻射［MJ／（m2·d）］；Rns——凈短波輻射；Rnl——凈長波輻射；G——土壤熱通量密度［MJ／（m2·d）］；γ——干濕常數 （kPa／℃）；Δ——飽和水汽壓曲線斜率（kPa／℃）；T——月平均氣溫（℃）；U2——2m 高處風速（m／s）；es——飽和水汽壓（kPa）；ea——實際水汽壓（kPa）；σ——Stefan－Boltzmann常數（4.903×10－9MJ／（K4·m2·d）；Ra——大氣頂層的太陽輻射［MJ／（m2·d）］；n——實際日照時數（h）；N——最大日照時數（h）；α——地表反射率，取值0.23；Tmax，k——最高 絕 對 氣 溫 （K）；Tmin，k——最 低 絕 對 氣 溫 （K）；a——云全部遮蓋下（n＝0）大氣外界輻射到達地面的分量；b——晴天（n＝N）大氣外界輻射到達地面的分量。這里a和b的取值沒有采用FAO推薦的值（a＝0.25，b＝0.5），而是根據祝昌漢的研究［18］按照青藏高原區給出經驗系數，柴達木盆地屬于青藏高原的一部分，這樣取值更符合研究區實際情況（a＝0.183，b＝0.681），其余各項參數的計算均采用FAO的標準；i——月份；Ti＋1，Ti－1——第i＋1，i－1月的氣溫（℃）。

干濕狀況的劃分基于《聯合國關于在發生嚴重干旱和／或荒漠化的國家特別是在非洲防治荒漠化的公約》［19］制定的中國干濕氣候分區標準。其中：K＜0.03極干旱氣候區；0.03＜K＜0.2干旱氣候區；0.2＜K＜0.5半干旱氣候區；0.5＜K＜1.0半濕潤氣候區；K＞1濕潤氣候區。

1.3.2EOF EOF（Empirical Orthogonal Function），稱為經驗正交函數分解，是一種分析矩陣數據結構特征，提取主要數據特征向量的方法。這種分析方法是對時空數據變量矩陣進行正交函數展開，將變量場分解為正交空間場與正交空間系數的乘積，實現給定模態的時空變化規律。公式如下：

S（x，y，t）＝∑Vn（x，y）Tn（t）

式中：S（x，y，t）——m×n的矩陣，代表m個空間點n次觀測值構成的變量；Vn（x，y）——m×n的空間特征向量；Tn（t）——m×n的時間系數特征向量；n——第n個模態的時空分布特征。本研究根據經驗正交函數原理，將濕潤指數分解成空間分布和時間系數并得出二者的特征值，將特征值由大到小排列，根據North檢驗方法對特征向量進行顯著性檢驗，選取前34個主要模態，再根據Scree檢驗規則，選取其中4個主要模態來解釋二者的時空變化。

1.3.3 偏相關分析 偏相關分析是對其他變量的影響進行控制的條件下，研究多個變量中某兩個變量之間的線性相關程度。此方法考慮了各變量之間的相互影響，比起相關分析能夠合理地描述兩個變量間實際的相關程度。本研究通過Matlab軟件進行偏相關系數的計算。

2 結果與分析

2.1 濕潤指數時空變化特征

2.1.1 濕潤指數年際變化及四季變化特征 研究期間，柴達木盆地的濕潤指數呈波狀增加趨勢，增加速率為0.000 97a－1，相關系數為0.120 8，未通過顯著性檢驗。7a滑動平均變化趨勢大致可分為3個階段，1990年前上升趨勢最為顯著，90年代有所下降，之后緩慢上升，最大的波峰值出現在1989年和2003年。濕潤指數的變化受降水量和潛在蒸散這兩個氣候因素變化速率的制約，計算得到研究區內平均降水量由70年代末的82.3mm增加到2000年代的106.6 mm，34a間增加速率達0.736mm／a。蒸散量整體呈波浪型減小趨勢，變化速率為－3.03mm／a，自1977—2000年代平均潛在蒸散量下降了近100mm。可見蒸散量的下降速度比降水量增加的速度快，加之氣溫正在以每年0.077℃的速度在上升，使研究區內近年來暖濕化趨勢愈加明顯。對1977—2010年濕潤指數進行Mann－Kendall突變檢驗可知，在α＝0.05的顯著性水平下，UFk與UBk相交于1987年左右，且交點在臨界線之間，說明在1987年柴達木盆地發生了由濕向干的轉變，這可能是由于當年的降水量偏少而氣溫較高造成蒸發旺盛所導致的。

不同季節的濕潤指數（K值）年際變化也存在著顯著差異（圖1）。夏季的濕潤指數最大，多年平均值為0.168 4，其次是冬（0.076 6）春（0.074 3）季，秋季（0.062 4）最低。相對于濕潤指數的年際變化而言，夏季（傾向率為0.001 5a－1）和冬季（傾向率為0.000 3 a－1）的變化趨勢與年際變化相類似，先后經歷了“增加—減少—增加”的趨勢，變化幅度較為平緩。春季增減變化趨勢相比夏季、冬季更為明顯，各個階段的變化速率較大，但整體變化速率卻為0.000 3a－1。秋季的濕潤指數變化傾向率最大（0.001 5a－1），變化趨勢與其他季節不同，先后經歷了“減少—增加”的趨勢。從整體來看，夏季是濕潤程度最高的季節，秋季是濕潤化程度最快的季節。

圖1 濕潤指數四季變化趨勢

2.1.2 濕潤指數的空間分布特征及變化傾向率 柴達木盆地濕潤指數的空間分布主要表現為東西部差異（圖2a），濕潤程度由東向西逐漸遞減，各站點平均濕潤指數為0.01～0.23。東部德令哈和都蘭地區屬干旱半干旱氣候區，向西逐漸過渡為干旱氣候區，冷湖和小灶火地區為極干旱區。這與降水量的分布規律基本一致。干濕程度的分布與當地地理位置和地理環境差異是密不可分的，由于該地盛行西風，西部受風速的影響較大，強化了該地的干旱程度。東部由于受青藏高原地形的影響，西風的北支氣流與南支氣流在青藏高原東部匯合，形成準靜止氣團，而柴達木盆地的東部處于青藏高原東北部，距離濕潤氣流較近，因而濕潤程度比西部高。

如圖2b所示，柴達木盆地內濕潤指數年際變化總體上呈弱的增加趨勢，傾向率為0.000 97a－1［0.000 13a－1～0.003 43a－1］。其中東北部的德令哈地區濕潤化程度最快，向西擴展濕潤指數逐漸減小。對比圖2a和圖2b可以發現，東部濕潤指數較高的地區傾向率增加幅度也較為明顯，反之亦然。二者的空間變化分布型相一致。濕潤指數較高的地區空間變化傾向率也較大，如德令哈，但變化不顯著。中西部的濕潤指數較低，空間變化率也較低。變化傾向率最小的茫崖顯著性通過了0.01，此外，小灶火、大柴旦、都蘭傾向率稍高，變化也較為顯著（P＜0.05）。

圖2 濕潤指數空間分布及空間變化傾向率

2.1.3 濕潤指數異常空間分布 圖3為柴達木盆地濕潤指數的4個主要EOF模態的空間分布型。圖3a是第一特征場，是方差貢獻率（95.43%）最大的空間分布型。從空間分布及時間系數（圖略）來看，1977—2010年柴達木盆地濕潤指數常年保持著東到西逐漸遞減的變化趨勢，西部和南部出現負的高值區，并且這種分布型呈上升趨勢，以1989年和2002年最為典型。對比圖3a與圖2a可以發現，EOF異常空間分布第一模態與各站點濕潤指數的空間分布極為相似。從地形分布來看，東部海拔較高，多鹽湖與沼澤地，西部有大片沙漠，表明東部地表濕潤程度確實比西部濕潤程度高。

圖3b是第二特征場，代表了南北空間差異，南部出現了負的高值區，北部出現了正的高值區，即北部地表濕潤程度比南部高。時間系數正負交替出現且變化比第一模態較大，1993年和2008年出現正向典型分布，1987年，1998年，2005年出現了反向典型分布，即北部地表較干旱，南部地表較濕潤。從長期變化趨勢來看，這種分布型呈上升趨勢。圖3c是第三特征場。空間分布出現了明顯的正負值中心區域。正值中心分布在大柴旦附近，負值中心分布在德令哈附近。時間系數年際震蕩較為明顯，且正負交替變化頻繁，1991年和2009年正向分布型最典型，2009年反向分布型最典型。這種分布趨勢從長期變化看呈下降趨勢。

圖3d是第四特征場。代表了東西空間差異，東部出現了閉合的負高值區，西部出現正的高值區。時間系數震蕩比其他模態更為明顯，并且負值逐漸比正值有優勢，典型性有所增加。正負空間分布型處于交替變化中，其中2005年和2008年正向空間分布非常典型。

2.2 濕潤指數與氣候因子影響分析

為分析研究區內影響濕潤指數變化的主導氣候因子，本文選取柴達木盆地各站點的氣壓、風速（動力因子）、氣溫、日照時數（熱力因子）、相對濕度、降水量（濕度因子）等氣候要素討論對地表濕潤特征的影響。由于各氣候因子的單位、量綱和范圍都不盡相同，所以對各個氣候因子進行標準化處理并做趨勢分析（圖4）。由于以上6個氣候因子之間存在很強的自相關性，為避免多重共線性的影響，本文計算偏相關系數（圖5）。其結果在一定程度上可以表明濕潤指數的變化是多種氣侯因子共同作用的結果。

1977—2010年平均氣壓的標準化年際波動變化不大（圖4a），總體呈弱的減小趨勢，未通過顯著性檢驗。最高值變化起伏不大，只有在1984年出現一次最低值。平均風速（圖4b）的年際變化趨勢在34a間呈顯著下降趨勢（速率為－0.065／10a），并通過了0.01水平的顯著性檢驗。年際變化震蕩相對平緩，風速的減小使得空氣中的水分容易聚集，地表濕潤指數增加。1977—1983年風速的下降速率最大，此外2003年的風速達最低。34a平均氣溫（圖4c）的變化趨勢呈顯著上升（速率為0.077／10a），并通過了0.01水平的顯著性檢驗。34a氣溫變化與濕潤指數年際變化的走向相一致，說明二者呈正相關。圖4d為相對濕度的變化趨勢，圖中可以看出34a間相對濕度年際起伏變化震蕩相當明顯，但總體呈微弱上升的趨勢，最明顯的波谷出現在1985年，1991年，2001年，最明顯的波峰出現在1989年，1993年，2003年。日照時數的年際變化趨勢（圖4e）呈顯著的下降趨勢（速率為－0.055／10a），通過0.01水平的顯著性檢驗。1990年和1998年出現兩次明顯的波動，1990年之前和1998年之后均為平穩下降趨勢，與濕潤指數的增加呈負相關。降水量（圖4f）的變化在2001年出現了一次明顯的轉折，自2001年之后呈現顯著上升趨勢。它與濕潤指數呈正相關性，并且相關系數高達0.803。

圖3 濕潤指數主要EOF模態空間分布

從濕潤指數與各氣象因子的偏相關系數（表略）可以得出，濕潤指數與降水量（系數為0.751）、相對濕度（系數為0.319）的顯著正偏相關（P＜0.01），對濕潤指數的上升起到了關鍵性的作用，與平均氣溫（系數為－0.254）呈顯著負偏相關（P＜0.01），與平均風速的偏相關系數為－0.054（未通過檢驗），與日照時數的偏相關系數為0.040（未通過檢驗），這些氣候因素的增加導致濕潤指數的減小，反之則增加。綜上所述，降水量、氣溫、相對濕度等因素對濕潤指數的影響較大，但由于各個因素對其影響程度存在差異，降水量和平均相對濕度的偏相關系數遠遠大于平均氣溫的上升以及平均氣壓下降對濕潤指數的影響，加之風速的顯著降低，日照時數的減少，導致降水量和相對濕度的上升是濕潤程度上升最顯著的因素。此外，平均氣壓的下降與氣溫的上升雖然會使地表濕潤程度降低，但是偏相關的結果說明其他氣候因子給濕潤程度帶來的影響遠遠超過了這兩個氣象因子的影響。

各個氣候因子偏相關系數的空間分布如圖5所示。濕潤指數與降水量的偏相關（圖5a）呈明顯的南北空間差異分布型，與濕潤指數EOF的第二空間模態極為相似。南部相關系數較高在諾木洪（0.913）和都蘭（0.868）地區形成兩個高值閉合中心，北部的冷湖（0.553）出現閉合的低值中心。濕潤指數與日照時數的偏相關（圖5b）空間分布與降水量的偏相關分布具有反向分布特征，高值區集中在大柴旦（0.191）附近，低值區與降水偏相關的高值區分布一致，分布在諾木洪（－0.057）和都蘭（－0.050）。濕潤指數與濕度的偏相關（圖5c）空間分布大致呈中部向東西遞減的分布狀況，并在東南部的諾木洪（0.094）形成低值閉合中心。濕潤指數與氣溫的偏相關（圖5d）空間分布大致呈現從東南向西北遞減的負相關分布。東南形成一個高值反相關閉合區，分布在都蘭（－0.402）；西北形成一個低值反相關閉合區，分布在冷湖（－0.135）。

圖4 各氣候因子的年際變化趨勢

圖5 各氣候因子的偏相關系數空間分布

3 結 論

本文基于Penman－Monteith模型，Sen趨勢，Mann－Kendall檢驗，Hurst指數以及EOF模型計分析了34a柴達木盆地地表濕潤程度的時空變化特征以及未來變化趨勢，并運用偏相關分析方法討論了影響地表濕潤程度變化的氣候因子，主要結論如下：

（1）研究期間，柴達木盆地地表濕潤指數表現為增加趨勢，增幅為0.000 97a－1，蒸散量的下降速度比降水量增加的速度快，加之氣溫的快速上升，使研究區內近年來暖濕化趨勢愈加明顯。經Mann－Kendall突變檢驗得出柴達木盆地內濕潤指數在1987年前后發生突變。從季節變化來看，夏季是濕潤程度最高的季節，秋季是濕潤化程度最快的季節。

（2）研究期間，柴達木盆地濕潤程度的空間分布表現為由東向西逐漸遞減，各站點平均濕潤指數為0.01～0.23。濕潤指數年際變化總體上呈弱的增加趨勢，傾向率為0.000 97a－1，其中東北部濕潤化程度最快，向西擴展濕潤指數逐漸減小。

（3）研究期間，柴達木盆地濕潤指數的異常空間分布模態主要分為“東西空間差異”和“南北反向差異”兩個類型，且這兩種分布型呈上升趨勢。其中空間分布的主要趨勢是從東向西逐漸遞減。

（4）影響柴達木盆地地表濕潤特征的氣候因素有很多。其中降水量和相對濕度的上升是影響濕潤指數上升最顯著的因素。濕潤指數與降水量、相對濕度呈顯著正偏相關，與日照時數呈弱的正偏相關，與平均氣溫、平均風速呈顯著負偏相關。

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