基于濕潤指數的吉林省1961-2017年地表干濕時空變化特征分析

馬艷敏，高樅亭，吳玉潔，李建平，吳 迪，高 巖

(1.吉林省氣象科學研究所，長春 130062；2.長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，長春 130062)

引 言

氣候變化問題是目前社會普遍關注的全球性問題。近年來，在氣候變化大背景下，全球的干濕狀況也發生著微妙的變化，有的區域變化比較顯著，大多數區域變化很細微[1]。一個地區氣候的干濕狀況決定著農作物水分條件的好壞，影響作物長勢，也會直接影農業生產類型和作物布局。因此氣候的干濕狀況及其帶來的影響越來越受到有關學者的關注和重視。目前，研究區域干濕狀況的指標有很多種，如降水距平、降水距平百分率、降水異常指數、標準化降水指標(SPI)、標準化降水蒸散指數(SPEI)、帕爾默干旱指數(PDSI)、Z指數、土壤濕度干旱指數、地表濕潤指數等[2]。其中，濕潤指數是一個比較理想的能夠表征地表干濕狀況的物理量，它的物理基礎在于體現了兩個最重要的地表水分收支分量：大氣降水和最大可能蒸散量。這兩個量是地表熱能和水分變化的關鍵參量，能較為客觀地反映地區的干濕狀況，與Palmer指數在表征中國區域地表干濕變化特征時具有較好的一致性，且計算方便，所需資料少，尤其適合當前資料條件下干濕變化問題的研究[3-4]。因此，近年來許多學者采用地表濕潤指數，分別對西北地區[5]、西南地區[6]、三江源[7]、西藏[8]、甘肅[9]、青海[10]、陜西[2,11]、貴州[12]、若爾蓋濕地[13]及全國[14-16]的干濕狀況進行了研究和探討。

吉林省處于北半球的中緯地帶，屬于溫帶大陸性季風氣候，自西向東有明顯的半干旱-半濕潤-濕潤的氣候差異，也是全國重要的農業、工業生產基地。因此，對吉林省干濕氣候時空分布規律進行研究，在農業生產、社會生活、防災減災等方面具有重要的理論和現實意義。目前對東北地區和吉林省的研究不多，研究時間基本截至2010年[17-19]。近些年來吉林省溫度、降水等氣象要素年內分布不均衡，年際波動大，旱澇災害也不斷發生，干濕狀況發生變化，因此不斷更新研究時間序列，選擇合適的方法對研究區干濕狀況進行研究是很有必要的。本文基于濕潤指數，利用GIS的空間化技術及統計方法，對吉林省近57年來地表干濕狀況的時空演變特征進行了全面分析。

1 資料與方法

1.1 數據來源

氣象觀測數據來自吉林省氣象局。為保證時間序列的完整性和連續性，刪除缺測較多的臺站，最終采用了46個觀測站點1961-2017年的氣象觀測數據(如圖 1 所示)。根據氣象學標準，結合東北地區特點，對吉林省季節進行劃分：春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-10月，冬季為11月-翌年2月。

圖1 吉林省氣象觀測站分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 濕潤指數

濕潤指數表達式為

W=R/ET0

(1)

式中，R為降水量(mm)，ET0為最大可能蒸散量(mm)。濕潤指數越大，表明氣候越濕潤，相反則越干燥。其中ET0通過基于FAO(聯合國糧農組織)推薦并修訂的Penman-Monteith模型(簡稱P-M模型)進行計算[20-24]，表達式為

(2)

式中：Rn為凈輻射，G為土壤熱通量密度，γ為濕度計算常量，T為2 m高處的平均氣溫，U2為2 m處的平均風速(當用氣象站常規高度的風速時，需乘以0.72)，es為飽和水汽壓、ea為實際水汽壓，es-ea為飽和氣壓差，Δ為水汽壓曲線斜率。Rn、G、γ、es、ea、Δ等參數的計算方法詳見文獻[22]。

本文依據中國干濕氣候區劃分標準[14]進行干濕分區(表1)。

表1 干濕氣候區的濕潤指數劃分標準

1.2.2 統計分析方法

變化趨勢分析：當r值為正值時表示n年中有線性增加的趨勢，當r值為負值時表示n年中有線性減少的趨勢。變化趨勢r公式為

(3)

變化趨勢顯著性檢驗：對于序列xi在i時刻，i=1,2，…，n-1，有

統計量

(4)

Z值在1～-1之間變化，給定顯著性水平ɑ，假定ɑ=0.05，則

若|Z|>Z0.05，認為變化趨勢在ɑ=0.05顯著水平下是顯著的[25]。

利用氣候傾向率對變化過程和趨勢進行分析，基于氣候要素時間序列構建回歸方程，變化過程的擬合直線的斜率的10倍來表征序列變化的傾向度。

本文采用累積距平法對變化趨勢的階段性進行分析，采用滑動t檢驗方法[25]對突變情況進行分析。選用變異系數來分析吉林省地表濕潤指數的多年變異程度。變異系數CV公式如下：

(5)

1.2.3 空間插值方法

利用ArcGIS軟件統計分析功能中的反距離權重插值法(IDW)，進行濕潤指數及相關數據的空間內插。這種內插方法基于相近相似原理，易于操作，是一種較優的內插方法[26]。

2 結果分析

2.1 地表干濕的時間變化特征

2.1.1 1961-2017年年際干濕變化特征

1961-2017年，吉林省地表濕潤指數平均值為0.73，在波動中略有上升的趨勢，變化趨勢r=0.1036，沒有通過顯著性檢驗。氣候傾向率為0.0075/10a，表明吉林省具有不顯著的年際變濕發展趨勢。累計距平可以判斷時間序列的變化趨勢和階段性，由圖 2可以看出，吉林省近57年濕潤指數曲線變化分為4個階段：(1)1961-1982年，年均地表濕潤指數為0.70，累計距平表現為下降趨勢，距平值以負值為主，其中1975-1979年連續為負距平，說明20世紀70年代末變干趨勢明顯。(2)1983-1994年，年均地表濕潤指數為0.79，累計距平呈現增長趨勢，以正距平為主，20世紀80年代及90年代初總體相對偏濕。(3)1995-2009年，年均地表濕潤指數為0.70，累計距平表現為下降趨勢，距平值以負值為主，其中1997-2009年間只有2年為正距平，說明20世紀90年代后期及21世紀00年代有明顯的干旱化趨勢。(4)2010-2017年，年均地表濕潤指數為0.80，較前15年增加約14%。自2010年以來，正距平次數多，且正距平較大，處于歷史高值水平，有明顯變濕趨勢。總體來看，1961-2017年吉林省地表經歷了“干-濕-干-濕”的交替變化。

圖2 1961-2017年吉林省地表濕潤指數距平與累計距平年際變化

2.1.2 1961-2017年干濕變化的突變點

采用滑動t檢驗方法對1961-2017年地表濕潤指數進行突變分析，時間子序列長度設為10 a。分析結果表明，吉林省1961-2017年濕潤指數變化過程中存在兩個突變點，分別為1984年和1994年，均通過了0.05的顯著性檢驗(圖 3)。1984年濕潤指數表現出由下降趨勢向上升趨勢的轉變，體現出變濕的發展趨勢。1994年是濕潤指數由上升趨勢向下降趨勢的轉變，體現出干旱化的變化趨勢。

圖3 1961-2017年吉林省濕潤指數突變檢驗

2.1.3 不同季節的干濕變化特征

近57年，吉林省各季節濕潤指數呈現出夏、秋季下降，春、冬季上升的變化趨勢，特別是春季濕潤指數上升趨勢顯著。表明近57年來，吉林省夏、秋季有變干趨勢，而春、冬季有變濕趨勢(圖4)。

2.1.3.1 春季干濕變化特征

吉林省春季多年平均地表濕潤指數為0.37，濕潤指數總體呈上升趨勢，變化趨勢r為0.4159，通過了顯著性檢驗。氣候傾向率為0.026/10a，表明吉林省春季具有顯著的年際變濕發展趨勢。吉林省1961-2017年春季濕潤指數曲線變化可以分為2個階段：(1)1961-2004年，年均地表濕潤指數為0.34，距平值以負值為主，累計距平表現為下降趨勢，特別是20世紀60-70年代變干趨勢明顯，之后則呈波動的緩慢下降趨勢。(2)2005-2017年，年均地表濕潤指數為0.46，累計距平呈現明顯的增長趨勢，以正距平為主，特別是在2010年以后連續為正距平，且2010和2016年出現最大正距平。總體來看，經歷了“干-濕”的交替過程。

2.1.3.2 夏季干濕變化特征

吉林省夏季多年平均地表濕潤指數為1.11，濕潤指數距平呈總體下降趨勢，變化趨勢r為0.0542，沒有通過顯著性檢驗。氣候傾向率為-0.007/10a，表明吉林省夏季具有不顯著的年際變干趨勢。可以分為4個階段:(1)1961-1965年，年均地表濕潤指數為1.18，累計距平表現為上升趨勢，距平值以正值為主。(2)1966-1982年，年均地表濕潤指數為1.03，累計距平呈現下降趨勢，17年中有13年為負距平，說明20世紀70年代前后有明顯的干旱化趨勢。(3)1983-1998年，年均地表濕潤指數為1.23，累計距平表現為上升趨勢，距平值以正值為主。(4)1999-2017年，年均地表濕潤指數為1.05，呈現波動緩慢下降的趨勢，較前15年增加約14%。總體來看，經歷了“濕-干-濕-干”的干濕交替變化過程。

2.1.3.3 秋季干濕變化特征

吉林省秋季57年平均地表濕潤指數為0.64，濕潤指數距平呈總體下降趨勢，變化趨勢r為0.1255，沒有通過顯著性檢驗。氣候傾向率為-0.017/10a，表明吉林省秋季具有不顯著的年際變干趨勢。秋季濕潤指數曲線變化可以分為5個階段：(1)1961-1969年，年均地表濕潤指數為0.60，累計距平表現為下降趨勢，1964年以后一直為負距平。(2)1970-1976年，年均地表濕潤指數為0.88，累計距平呈現上升趨勢。(3)1977-1985年，年均地表濕潤指數為0.52，累計距平呈現下降趨勢。(4)1986-1995年，年均地表濕潤指數為0.77，累計距平表現為上升趨勢，距平值以正值為主。(5)1996-2017年，年均地表濕潤指數為0.58，呈現比較明顯的下降趨勢。22年中僅有5年表現為正距平，表明20世紀90年代中期以來干旱化比較明顯。總體來看，經歷了“干-濕-干-濕-干”的干濕交替過程。

2.1.3.4 冬季干濕變化特征

冬季吉林省地表濕潤指數平均值為0.66，濕潤指數距平呈總體上升趨勢，變化趨勢r為0.3357，雖然沒有通過顯著性檢驗，但變化趨勢比較明顯。氣候傾向率為0.06/10a，表明吉林省冬季具有顯著的年際變濕趨勢。由累計距平圖(圖 4)可以看出，吉林省近57年的冬季濕潤指數曲線變化可以分為2個階段：(1)1961-1999年，年均地表濕潤指數為0.58，累計距平表現為下降趨勢，距平值以負值為主。

圖 4 1961-2017年吉林省春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)地表濕潤指數距平與累計距平年際變化

(2)2000-2017年，年均地表濕潤指數為0.83，累計距平呈現明顯增長趨勢，以較大的正距平為主，特別是在2010年以后，除2011、2014和2016年外，均出現較大正距平。總體來看，經歷了“干-濕”的變化過程。

2.2 地表干濕的空間分布特征

2.2.1 平均地表濕潤指數空間分布

吉林省地表濕潤指數空間差異明顯，呈現出東部的高于西部的、東南部的高于西北部的特點，與降水量分布特征比較類似。近57年來，吉林省多年平均地表濕潤指數為0.36～1.23。其中濕潤指數低值區分布在吉林省的西部和雙遼地區，濕潤指數基本在0.5以下，屬于半干旱氣候；吉林省東南部的吉林市南部地區、白山市和通化市，濕潤指數>1.0，處于濕潤指數的高值區，氣候濕潤(圖5a)。

2.2.2 地表濕潤指數變化趨勢的空間分布

濕潤指數變化趨勢空間差異性也比較明顯(圖5b)。46個站中有33個站的變化趨勢是正的，平均為0.123；13個站變化趨勢為負，平均為-0.098。正向變化趨勢的變化幅度大于負向變化趨勢的變化幅度，表明有變濕的趨勢。有2個站通過了0.05的顯著性檢驗，分別為扶余市和長白縣。扶余市變化趨勢為正，表現出明顯的變濕趨勢；長白縣變化趨勢為負，表現出顯著的變干趨勢。變干趨勢的站點主要分布在白城市的大部，松原市的長嶺縣，長春市的榆樹市、農安縣和九臺區，吉林市的蛟河市，延邊州的南部，白山市南部和通化市南部。其中以白山市、集安市、洮南市、通榆縣和榆樹市變干趨勢比較顯著，也就是說吉林省半干旱區的南部和濕潤區的南部變干趨勢明顯。

濕潤指數與其變化趨勢在空間分布上表現出既有一致性，也有差異性的特點。例如吉林省西部濕潤指數低值區的白城南部向更干旱化的方向發展，而松原市北部則表現出地表濕潤化趨勢。吉林省東南部濕潤指數的高值區，其南部有明顯的干旱化發展趨勢。

2.2.3 地表濕潤指數變異程度的空間分布

由1961-2017年吉林省濕潤指數的變異系數空間分布圖(圖5c)可以看出，變異系數為18%～31%。吉林省濕潤指數的變異系數呈現由東向西遞增的分布特征，吉林省西部半干旱地區比半濕潤、濕潤地區多年的變異系數更大。半干旱氣候區的變異系數為25%～31%，半濕潤和濕潤氣候區的變異系數較小，為18%～25%。

圖5 1961-2017年吉林省平均地表濕潤指數(a)、濕潤指數變化趨勢(b)、濕潤指數變異系數(c)的空間分布

2.2.4 不同地區地表濕潤指數分布特征

吉林省西部地區包括白城市和松原市，中部地區包括長春市、四平市和遼源市，東部地區包括吉林市、延邊州、通化市和白山市。對吉林省西、中、東部地區的地表濕潤指數進行平均值、變化趨勢(r)和變異系數(cv)計算統計，結果見表2。

表2 1961-2017年吉林省各地區地表濕潤指數變化特征統計

吉林省西部、中部和東部地區全年和各季節平均濕潤指數均表現出東部的>中部的>西部的特點，變異系數為西部的>中部的>東部的。西部地區各季節濕潤指數為夏季的>秋季的>冬季的>春季的，多年平均濕潤指數總體變化趨勢為正，春季、秋季和冬季的也體現出正的變化趨勢。其中冬、春季變化趨勢r值最大，夏季表現出負的變化趨勢，各季節r值均通過了顯著性檢驗，西部地區年和各季節的變異系數在各地區中均最大。中部地區各季節濕潤指數夏季的>秋季的>冬季的>春季的，多年平均濕潤指數總體變化趨勢為正，春季和冬季也體現出正的變化趨勢，夏季和秋季的表現出負的變化趨勢，各季節r值均通過了顯著性檢驗。東部地區各季節濕潤指數夏季的>冬季的>秋季的>春季的，多年平均濕潤指數總體變化趨勢為正，春季和冬季的也表現出正的變化趨勢，夏季和秋季的表現出負的變化趨勢，只有冬季的r值通過了顯著性檢驗。

2.2.5 不同年代干濕區邊界的空間分布

吉林省濕潤指數年代際變化表明，20世紀60年代、70年代、2000-2010年吉林省年平均濕潤指數均小于多年均值，為負距平；20世紀80年代、90年代、21世紀10年代吉林省年平均濕潤指數均大于多年均值，表現為正距平(表3)。其中20世紀70年代干旱最明顯，2010年以來比較濕潤。

表3 吉林省地表濕潤指數的年代際距平

利用表1的干濕區劃分標準按不同年代對吉林省的干濕區進行劃分，得到不同年代地表干濕區邊界的空間分布圖(圖6)。由圖6可以看出，吉林省主要包括半干旱區、半濕潤區和濕潤區。濕潤指數>1.0的濕潤氣候區，主要分布在通化市和白山市；濕潤指數為0.5～1.0的包括長春市、吉林市、四平市大部、遼源市和延邊州，屬于半濕潤氣候區；濕潤指數為0.2～0.5的半干旱區，主要分布在白城市、松原市和四平市的雙遼市。在不同的年代分界線有小幅變動，各干濕區大體的分布范圍不變。可以明顯看出21世紀10年代、20世紀80年代最為濕潤，干濕區的分界線整體向西、向北移動，濕潤和半濕潤范圍擴大。20世紀60、70年代則最為干旱，干濕區的分界線整體偏向東、向南，濕潤和半濕潤范圍縮小。這與吉林省地表濕潤指數的年代際距平變化特征相一致。

圖6 吉林省不同年代地表干濕區邊界的空間分布圖

3 結論與討論

3.1 結 論

(1)1961-2017年，吉林省濕潤指數在波動中略呈上升趨勢，有不顯著的年際變濕趨勢。其中1984年、1994年分別向變濕和變干趨勢轉變；在季節變化上，相對干旱的春、冬季均有明顯變濕趨勢，而濕潤的夏、秋季則有不顯著的變干趨勢。

(2)21世紀10年代、20世紀80年代最為濕潤，干濕區的分界線整體向西、向北移動，濕潤和半濕潤范圍擴大。20世紀60、70年代最為干旱，干濕區的分界線整體偏向東、向南，濕潤和半濕潤范圍縮小。這與吉林省地表濕潤指數的年代際距平變化特征相一致。

(3)吉林省地表干濕狀況呈現出明顯的空間差異，濕潤指數表現為東高西低、東南高西北低的分布特點；從濕潤指數變化趨勢的空間分布看，變化趨勢為正的地區占大多數，以變濕趨勢為主導；吉林省半干旱區的南部和濕潤區的南部變干趨勢明顯。

(4)吉林省濕潤指數的變異系數西部的>中部的>東部的，半干旱地區比半濕潤、濕潤地區的變異系數更大。西部表現出顯著的春、秋、冬季變濕，夏季變干的變化趨勢；中部表現出顯著的春、冬季變濕，夏、秋季變干的變化趨勢；東部表現出顯著的冬季變濕趨勢，不顯著的春季變濕，夏、秋季變干趨勢。

3.2 討 論

已有研究結論中東北地區濕潤指數基本為下降趨勢，主要是由于研究時間截至2010年。從圖1可以看出，2010年開始濕潤指數有明顯的上升趨勢。從表2可以看出，21世紀00年代表現出干旱的特征，而10年代則比較濕潤。因此，整體趨勢呈現出不顯著的變濕趨勢，變化趨勢也由以負趨勢為主變為以正趨勢為主。其中1984年是濕潤指數由少向多的轉變，1994年是濕潤指數由多向少的轉變，這與吳文杰等[17]基于干燥度得出的東北地區干濕區變化趨勢是一致的。其結果中1985-1994年，東北地區呈現出明顯濕潤化發展，與20世紀60-70年代相比濕潤區明顯擴展，而1995年開始，則又表現出明顯的干旱化趨勢。此外，本研究中2010年之前的干濕區劃分結果與張淑杰[18]、張大偉[19]等的劃分具有一致性，其中與張大偉的略有差異，這些差異是因所選指數不同造成的。本研究得出吉林省濕潤指數的變異系數為18%～31%，與申雙和等[15]得出的全國濕潤指數變異系數圖中吉林省所處的范圍相一致。張淑杰等[18]研究表明，東北半干旱氣候區的濕潤指數變異系數較大，為25%～36%，半濕潤和濕潤氣候區則較小，為17%～20%。這與本研究的分布結果也基本一致。

綜上所述，盡管研究中使用的站點分布不夠均勻，在插值的過程中有可能會使部分地區的分析結果產生一些偏差，但本研究在反映吉林省近57年來的地表干濕狀況方面的結論具有一定合理性和可靠性。