江南丘陵地區濕潤指數變化特征及敏感性分析

劉 燕, 劉友存, 邊曉輝,2, 焦克勤, 陳 明, 侯蘭功, 丁倩倩,2

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院, 江西 贛州 341000; 2.江西理工大學 建筑與測繪工程學院, 江西 贛州 341000;3.中國科學院 西北生態環境資源研究院, 蘭州 730000; 4.西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽 621010)

在全球變化背景下，溫度升高所引起的氣候、環境問題已經引起了人類社會的極大關注。而氣候變化引起的水分狀況變化，即區域的干濕狀況變化不僅已成為氣候學研究的熱點，而且已成為農業氣候學家研究的焦點問題之一[1-2]。地表濕潤指數作為理想的表征地表干濕狀況的物理量，其物理基礎在于能夠較好的體現地表水分收支分量：大氣降水和參考蒸散量，而這兩個量正是地表熱能和水分變化的關鍵參量，它能客觀地反映一個地區的干濕狀況[3]。同時，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及正確評價農業氣候資源并合理有效進行農業氣候區劃。近年來，在地域分異和全球變化的研究過程中，學者們對地表干濕狀況給予了特別的關注，分別對我國北方[4]、西北[5]、三江源地區[6]、新疆[7-8]、甘肅[9]、西藏[10]、青海[11]、東北[12]、廣東[13]以及全國[14]等進行了研究和探討，并取得了較好的研究成果。

江南丘陵地區主要包括洞庭湖和鄱陽湖流域，是我國重要的農業生產區，但旱災頻發且持續時間長。20世紀70，80年代以及21世紀初洞庭湖流域發生過大小不等的農業旱災，且不同等級的旱災頻發率較高；近60 a來鄱陽湖流域的旱災頻率也越來越高，給當地農業生產和社會經濟發展造成巨大損失[15-16]。以前對我國西北[17]和西南地區的濕潤指數研究較多，但是對我國重要的農業生產區洞庭湖和鄱陽湖流域所在的江南丘陵地區地表濕潤指數變化的研究極少。因此，探討過去60多年來江南丘陵地區的參考蒸散量和地表濕潤狀況的時空分布特征、變化趨勢及其影響因素，不僅能為我國重要的農業生產區的農業生產提供科學參考，而且對認識該地區生態環境現狀與過去的差異、區域的農業生產以及經濟建設提供科學基礎，同時為探索區域生態與自然環境的變化原因以及未來氣候變化研究提供科學理論依據。

1 研究區概況

江南丘陵為東南丘陵的一部分，即主要為長江以南、南嶺以北、武夷山以西、雪峰山以東的廣大區域(25°—31°N，110°—120°E)。包括湖南省和江西省大部、湖北省東南部、安徽省南部、江蘇省西南部和浙江西部的大片丘陵地區，主要位于洞庭湖和鄱陽湖兩大流域，地形以200～500 m的低山丘陵為主(圖1)。研究區屬于典型的亞熱帶季風氣候，年均降水量為1 200～1 800 mm，年均氣溫為15～23℃，植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，土壤多為典型的紅壤。研究區域人口密集，經濟發達，農業耕作歷史悠久，是我國重要的糧食生產區。但是，江南丘陵地區的地表干濕狀況極大地影響著農作物的生長[18]。

圖1 研究區氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文選取江南丘陵及其周邊地區的69個國家氣象站1951—2013年的歷史觀測氣象資料(表1)，資料來源于中國科學氣象數據共享網(http:∥cdc.cma.gov.cn/)。主要以逐月降水量、月均氣溫、風速、日照百分率和相對濕度等資料，利用世界糧農組織推薦的penman修正公式，計算了江南丘陵地區63 a來的濕潤指數變化狀況，再利用ArcGIS分析平臺獲得參考蒸散量和濕潤指數的空間分布特征，最后用SPSS分析軟件分析濕潤指數和各氣候因子以及海拔的相關性。

表1 江南丘陵地區氣象站點

2.2 研究方法

2.2.1 參考蒸散量的計算方法 參考蒸散量作為一個表征地表水分蒸散的物理量，計算方法很多。本文參考蒸散量的計算采用1998年聯合國糧農組織推薦并修訂的penman-monteith模型來計算[19-20]，這是目前國內外學者們選用較多的計算方法。其表達公式為：

(1)

式中：ET0為參照蒸發速率(mm/d)；Rn為地表凈輻射量[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T為平均氣溫(℃)；U2為2 m高度處的風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；es-ea為飽和水汽壓差(kPa)；Δ為水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；γ為濕度計常數。

凈輻射的計算方法有多種[21]，本文采用的凈輻射量的計算方法是凈短波輻射減去凈長波輻射的方法：

Rn=Rns-Rnl

(2)

式中：Rns為太陽短波輻射；Rnl為太陽長波輻射：

(3)

式中：a為反射率，以草地為理想的參考作物其值為0.23；Ra為天頂輻射[MJ/(m2·d)]；n為實際日照時數(h)；N為最大可能日照時數(h)；as為回歸常數；as+bs為晴天天頂輻射到達地面部分。此處取as=0.25，bs=0.50。

(4)

式中：Gsc為太陽常數[MJ/(m2·min)]，Gsc=0.0820；dr為日地間相對距離的倒數；ws為太陽時角(rad)；φ為地理緯度；δ為太陽磁偏角(rad)。

Rnl為太陽長波輻射，太陽的長波輻射受水蒸氣、溫度等多種因素影響，根據Stefan-Boltzmann定律，本文采用的太陽長波輻射計算公式為：

(5)

2.2.2 濕潤指數的計算 地表濕潤指數的計算表達式為：

W=P/ET0

(6)

式中：W為地表濕潤指數；P為降水量(mm)；ET0為月最大參考蒸散量(mm)。

2.2.3 地表濕潤指數傾向率 地表濕潤指數傾斜率是通過歷年來的各氣象要素數據擬合而成的直線向率。但為了凸顯變化趨勢通常將斜率乘以10倍，用10 a變化傾斜率表示。本文中的地表濕潤指數傾向率即為地表濕潤指數10 a變化率，其表示公式為[22]：

Xi=a+bti

(7)

式中：Xi為濕潤指數傾向率；a為回歸常數；b為變化系數，以b的10倍作為10 a變化傾向率。

3 結果與分析

3.1 地表濕潤指數變化特征

3.1.1 地表濕潤指數的時間變化 如圖2A所示，63 a來江南丘陵地區的濕潤指數呈現緩慢下降的趨勢，且達到了0.01顯著性檢驗，(R2=0.113 8，N=63，p<0.01)，這也是全球變暖大背景[23]下地表變干的反映。研究區平均濕潤指數為1.51，1959年地表濕潤指數達到最高值為2.045,在2011年達到最低值為0.908。在濕潤指數的距平上(圖2B)1951—1989年濕潤指數在多年平均值上下波動，1989—2000年濕潤指數基本上高于多年平均值，但2001—2013年濕潤指數大都明顯低于多年平均值。濕潤指數正距平最大值的年份是1959年，最大正值為0.533；濕潤指數負距平最大值的年份是2011年，最大負值為-0.604。說明濕潤指數距平的負值變化幅度(-0.604～0)大于正值變化幅度(0～0.533)，也就是說研究區地表變干加劇，變濕減緩。但是濕潤指數高于多年平均值的年份(32個)和低于多年平均值的年份接近(31個)，表明地表濕潤指數在高于和低于平均值的年份上是比較穩定的。

圖2 江南丘陵地區年濕潤指數變化趨勢和濕潤指數距平

季節劃分在我國南方和北方存在一定差異。本文以12月—翌年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季。表2給出了1951—2013年6個時段的季節和年平均地表濕潤指數的年代際變化，江南丘陵地區20世紀50年代地表濕潤指數最高(1.63)，即為濕潤期，20世紀60年代的地表濕潤指數明顯降低，70—90年代又呈現微弱上升，但未達到50年代的最高值，到21世紀初期地表濕潤指數又降低到最小值(1.21)，即為干燥期。從季節上看，不論是哪個年代際，春季地表濕潤指數都高于其他季節，秋季地表濕潤指數都低于其他季節。江南丘陵地區為典型的亞熱帶濕潤性季風氣候，春季降水量較多，氣溫較低，參考蒸散量較小，故春季濕潤指數最高，地表比較濕潤；秋季降水量少，氣溫偏高，參考蒸散量大，故濕潤指數較低，地表比較干燥。春季和冬季濕潤指數最大值都出現在20世紀50年代，夏季和秋季濕潤指數最大值則分別出現在20世紀90年代和20世紀80年代，春、夏、秋3個季節的濕潤指數最小值都出現在21世紀初，冬季濕潤指數最小值則出現在20世紀60年代。

表2 江南丘陵地區地表濕潤指數年代際變化

為進一步描述濕潤指數在時間上的變化，用M-K檢驗方法對近63 a來江南丘陵地區濕潤指數進行突變分析，時間子序列為5 a。圖3為江南丘陵地區地表濕潤指數突變分析，UF為濕潤指數的順序統計曲線(虛曲線)，UB為濕潤指數的逆序統計曲線(實曲線)，并給定顯著性水平a=0.05，臨界線U=±1.96。從圖中可以看出在1955年附近存在一個轉折點，UF和UB相交于1955年左右，且交點在臨界線之間，1955年以前較濕潤，濕潤指數較大，之后濕潤指數變小，即1955年為顯著變干的突變點。其變化趨勢和圖2中濕潤指數的年變化一致。

圖3 1951-2013年江南丘陵地區地表濕潤

3.1.2 地表濕潤指數的空間變化 通過江南丘陵地區地表濕潤指數和地表濕潤指數傾向率以及春夏秋冬四季濕潤指數傾向率的計算和分析。并用ArcGIS平臺進行插值分析，考慮到插值的精確性，本文選取了比較精確的反比距離插值法[24]，獲得了江南丘陵地區濕潤指數和濕潤指數傾向率以及春夏秋冬四季濕潤指數傾向率的空間分布狀況(圖4)。圖4A表示江南丘陵地區濕潤指數的空間分布，可以看出東南部和西南部濕潤指數較低，地表相對于北部和東部地區干燥。濕潤指數高值主要集中在東北部和北部地區，但在中部地區也存在濕潤指數的高值中心，如西北部的綠蔥坡，北部的嘉魚、黃石、石門，中部的長沙、南岳以及東北部的黃山等，濕潤指數達到3.69～4.09。江南丘陵地區濕潤指數傾向率空間分布比較復雜(圖4B)。研究區域內，大部分地區的濕潤指數傾向率都為負值，但在中部的南岳、衡陽和東部的七仙山附近負值更為顯著。只有在中南部的吉安、遂川以及東北部的寧國、天目山等部分地區為正值。表明63 a以來，江南丘陵地區(除少數地區外)濕潤指數呈現下降的變化趨勢，江南丘陵北部和中部地區的濕潤指數普遍較南部高，東部普遍較西部高，說明北部、中部和東部的濕潤條件更好。但是，中南部的吉安附近的濕潤指數傾向率呈現正值，表明其濕潤指數有上升的趨勢。從整體濕潤指數傾向率來看，江南丘陵作為我國南方重要的農業區，其大范圍地區的地表濕潤指數還是呈現下降趨勢，這種變化趨勢不利于農業生產發展。

江南丘陵地區地表濕潤指數季節傾向率(圖5),春季濕潤指數傾向率大部分為-0.63～-0.03，僅有吉安(0.16)和七仙山(0.30)的春季濕潤指數傾向率為正值。東南部的長汀附近、內部的南岳衡陽和東北的黃山(-0.53)附近春季濕潤指數呈現明顯的下降趨勢，濕潤指數傾向率大于零值。呈增加趨勢的僅有吉安、宜昌、七仙山和天目山附近，而全區域春季的濕潤指數傾向率大致呈下降趨勢。夏季濕潤指數傾向率大部分為0.01～0.34，除贛州(-0.03)、武夷山市(-0.547)和常德(-0.053)附近等極少數地區外，濕潤指數傾向率都為正值，而在黃山、天目山和長汀附近的濕潤指數還達到了0.56左右，表明江南丘陵地區的夏季濕潤指數整體呈現上升趨勢。秋季濕潤指數傾向率大部分為-0.11～0.09，若和春季濕潤指數傾向率相比，秋季濕潤指數傾向率負值變化比較小，僅有西北部的綠蔥坡、中部南岳和衡陽附近的濕潤指數下降明顯，而武夷山市(0.118)和長汀(0.309)附近濕潤指數上升顯著。故整個江南丘陵地區秋季濕潤指數傾向率變化不大，濕潤指數傾向率增加的地區主要是研究區的東南部。冬季濕潤指數傾向率大部分為-0.34～-0.02，冬季濕潤指數也呈下降的趨勢，濕潤指數的正傾向率變化主要在北部地區，而在東南部的長汀附近傾向率的負值顯著。顯然，除夏季外，江南丘陵地區其他季節濕潤指數傾向率大致負值顯著，春季和冬季濕潤指數下降趨勢顯著，秋季濕潤指數下降緩慢，僅有夏季濕潤指數上升區域較廣。春季正值農作物的播種季節，秋季又正值農作物收獲季節，若春秋季節濕潤指數下降的變化趨勢長期持續下去將嚴重影響江南丘陵地區的農業生產發展。因此，春秋季節要注重地表濕潤保持和農作物灌溉。

圖4 濕潤指數和濕潤指數10 a傾向率空間分布

圖5 濕潤指數10 a傾向率季節分布

3.2 地表濕潤指數敏感性分析

3.2.1 氣象要素對濕潤指數的影響 從濕潤指數的定義來看，影響其值大小的主要因素是降水量和參考蒸散量，參考蒸散量則主要涉及到日照百分率、平均風速、相對濕度、氣溫等氣象要素。通常情況下，日照百分率越大，實際日照時間越長,溫度越高，地表水分的蒸散速率也就越快。同樣，風速的增大也會加快蒸散速率，但同時也可能帶來水汽，相對濕度的增大則會增加地表和空氣中的水分，減弱參考蒸散量。

降水量不僅影響蒸散量的變化還直接影響濕潤指數的大小，為此，本文利用皮爾遜相關分析，對濕潤指數與各氣象要素的相關性進行分析[25]，(r值介于[-1，1]，r>0表示正相關，r<0表示負相關。0.3>|r|≥0，0.5>|r|≥0.3，0.8>|r|≥0.5，|r|≥0.8分別表示弱相關、中等相關、強相關和極強相關)。

從表3中可以看出，江南丘陵地區日照百分率和季節濕潤指數呈弱負相關，且夏季的相關關系最大為-0.04，并通過了顯著性檢驗水平(p<0.05)。這是因為夏季日照時間長，潛在蒸散量增加，從而使得日照百分率與地表濕潤指數的負相關增強。但是，除夏季外，其他季節全年日照百分率和濕潤指數的相關性沒有通過顯著性檢驗,說明日照百分率和濕潤指數相關性不顯著。平均風速與濕潤指數在各個季節和全年都呈正相關，除冬季和全年外，其他的都通過了(p<0.01)的顯著性檢驗，但平均風速與濕潤指數的相關性不強，在夏季最大為0.401。風速增大往往會加速蒸發，但是風也可能攜帶水汽。對于江南丘陵地區，夏季相對濕度大,水汽含量多，風速的增大也可導致地表濕潤指數的上升。而相對濕度與濕潤指數在各個季節都通過了顯著性檢驗(p<0.01),相關性最大值出現在夏季，這與江南丘陵地區的氣候特點一致，夏季降水量大，增加了地表濕潤。春、夏季節的相對濕度與濕潤指數呈強正相關，其他季節和全年的相對濕度與濕潤指數呈中弱正相關。氣溫與濕潤指數存在弱負相關，除全年外的各個季節都通過了(p<0.01)的顯著性檢驗，其中，夏季負相關性最大，這是因為研究區夏季氣溫最高，蒸散量大。各季節和全年的降水量與濕潤指數呈強正相關。

表3 江南丘陵地區地表濕潤指數與各氣象要素的相關系數

注：**表示通過顯著性(0.01)檢驗水平，*表示通過顯著性(0.05)檢驗水平,其他的則為未通過顯著性檢驗。

在江南丘陵地區各氣象要素與濕潤指數季節相關性的空間分布上。(1) 研究區69個站點的降水量與濕潤指數的季節相關性指數，春季為0.577(衢州)～0.96(三峽)，夏季為0.795(常德)～0.98(桑植)，秋季為0.752(常德)～0.981(巢湖)，冬季為0.475(廬山)～0.975(巴東)。而且各個站點的降水量在各個季節都通過了顯著性檢驗，說明降水對濕潤指數的影響在各氣象要素中最大。研究區相對濕度與濕潤指數季節相關性和降水量與濕潤指數季節相關性相似，相關性指數都為正值，同樣各站點在各季節都通過了顯著性檢驗。(2) 氣溫與濕潤指數的季節相關性指數除少數幾個站點呈微弱的正相關外，大部分氣象站點的氣溫和濕潤指數都呈顯著的負相關，而且各季節都是西部和北部的負相關強于南部和東部。(3) 根據濕潤指數的定義，風速越大參考蒸散量越大，濕潤指數越小。但是，研究區各季節不同站點風速和濕潤指數具有不同的正負相關性(圖6)。春季大多數站點的風速和濕潤指數呈正相關且通過了顯著性檢驗，而南部站點的風速與濕潤指數多呈負相關且未能通過顯著性檢驗；夏季風速和濕潤指數多為負相關，但通過顯著性檢驗的站點不多；秋季風速和濕潤指數呈負相關的站點居多，但通過顯著性檢驗的大多為北部呈正相關的站點；冬季風速與濕潤指數大多呈弱正相關，風速與濕潤指數呈負相關的站點主要分布西北部和東部狹長區域。(4) 各站點(除南昌、五峰外)春季日照百分率都和濕潤指數呈負相關(圖7)，相關系數主要為-0.8～-0.4，除少數幾個站點外都通過了顯著性檢驗。空間上東部和北部的負相關系數要大于西部和南部；夏季日照百分率與濕潤指數的相關系數為-0.4～-0.2，而日照百分率與濕潤指數的負相關不如春季顯著；秋季日照百分率與濕潤指數(除貴溪、五峰外)大多呈顯著的負相關，而中部和南部的負相關系數大，東北部和西北部負相關系數小；冬季相關系數空間分布和春季相似，東部和北部的負相關系數較大。

3.2.2 海拔對濕潤指數的影響 海拔高度和降水量、太陽輻射、風速等存在一定的相關性[26]。近63 a來，江南丘陵地區濕潤指數通過了顯著性檢驗(R2=0.4606，N=69，p<0.01(圖8)并與海拔呈正相關，即通常海拔低的區域，濕潤指數也較低，隨著海拔的升高濕潤指數增大。研究區域69個氣象站點的海拔為4.4～1 840.4 m,濕潤指數為0.85～4.79。海拔4.4～1 000 m處的濕潤指數為0.85～4.79，且大部分站點濕潤指數集中在1～2之間，平均值為1.71。海拔1 000～2 000 m處的濕潤指數為2.26～4.10，平均值為3.31。海拔高的地方一般云層較薄，太陽輻射較強，增加蒸散量,這與張克新等[27]對橫斷山區水分盈虧量和海拔關系的分析相似。但是很多區域海拔升高的同時會導致降水量增加，并且海拔越高溫度越低，濕潤指數越大。因此，江南丘陵地區的濕潤指數不僅受氣象因素的影響還和海拔高度密切相關。

圖6 風速與濕潤指數相關性空間分布

圖7 日照百分率與濕潤指數相關性空間分布

4 結 論

(1) 近63 a來地表濕潤指數呈現緩慢下降的趨勢，濕潤指數的變化幅度為0.908～2.045，多年平均值為1.51。濕潤指數距平呈現波動變化，負距平值變化幅度大于正距平值變化幅度，但總體而言濕潤指數波動不大。江南丘陵地區20世紀50年代地表濕潤指數最高為濕潤期，21世紀初期地表濕潤指數最小為干燥期。從季節上看，不論在哪個年代際，春季地表濕潤指數都高于其他季節，秋季地表濕潤指數都低于其他季節。

(2) 空間分布上，江南丘陵地區南部和西部濕潤指數較低，濕潤指數高值主要集中在東北部和北部區域。江南丘陵地區濕潤指數傾向率大都為負值，濕潤指數在空間上也表現為明顯的下降趨勢。各季節的濕潤指數傾向率，夏季濕潤指數傾向率為正值的區域較廣，說明夏季濕潤指數呈上升的趨勢，但其他季節的濕潤指數傾向率大部分為負值，表明春秋冬季濕潤指數大致呈下降的趨勢，這對江南丘陵地區未來的農業生產發展是不利的。

(3) 濕潤指數受氣象要素和海拔的影響。在氣象要素上，濕潤指數與降水量、相對濕度、風速等存在良好的正相關(p<0.01)，和氣溫存在顯著的負相關，日照百分率也影響著濕潤指數，但是相關性沒有其他氣象因素顯著；降水量與濕潤指數和相對濕度與濕潤指數呈顯著的正相關，氣溫和濕潤指數在西部和北部呈強負相關，風速和濕潤指數在各季節的各站點都存在正相關和負相關，日照百分率和濕潤指數的負相關性在春冬季節的北部和東部尤為突出。濕潤指數和海拔的關系上，海拔越高濕潤指數也越大,回歸系數為0.001 1。