章古臺1954—2021年氣象因子變化初步研究

韓輝，郎明翰，張亞偉，宋鴿

(1.遼寧省沙地治理與利用研究所，遼寧 阜新 123000；2.國家林業(yè)和草原局重點國有林區(qū)森林資源監(jiān)測中心，黑龍江 大興安嶺 165100)

彰武縣章古臺因20世紀(jì)50年代引種樟子松成功而遠(yuǎn)近聞名。為了研究氣象因子對當(dāng)?shù)刂脖患稗r(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的影響，原遼寧省固沙造林研究所一直對氣象因子及環(huán)境因子進行了監(jiān)測。總體來說，章古臺的氣候特點是空氣干燥、土壤干旱、風(fēng)大沙多，由于自然因素和人為因素的雙重影響及其疊加作用，當(dāng)?shù)赝嘶恋乇憩F(xiàn)出土壤貧瘠化、沙化、干旱化[1]。很多專家學(xué)者研究了氣象因子的變化對農(nóng)林業(yè)的影響，比如氣象要素對長白山落葉松毛蟲暴發(fā)的影響[2]，對小麥產(chǎn)量的影響[3]，對蒸散發(fā)的影響[4，5]，對植被蓋度的影響[6]，對文冠果物侯期的影響[7]等等。本文擬通過對章古臺地區(qū)多年的氣象因子和環(huán)境因子的統(tǒng)計，分析其氣候變化情況，以期對當(dāng)?shù)氐闹脖唤ㄔO(shè)及農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供幫助。

1 研究區(qū)概況

彰武縣章古臺鎮(zhèn)地處科爾沁沙地南緣，屬科爾沁沙地的一部分，就其起源屬于古代沖積沙地，是第四紀(jì)冰川后期西遼河及其支流泛濫沉積的沙層，后被西遼河下切及泛濫面縮小而形成的沙質(zhì)階地。新中國成立前夕，這里已由原來的“灌叢成林、草層茂密的肥美草原”變成了“一望無際的白花花的沙坨子”。在20世紀(jì)50年代初，遼寧省固沙造林研究所在章古臺進行了防護林工程和固沙造林試驗，成功營造了以樟子松和楊樹為主要樹種的防風(fēng)固沙林。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測方法

1954—2010年多采用人工監(jiān)測方法測量氣溫(℃)、相對濕度(%)、水面蒸發(fā)量(mm)、風(fēng)向、風(fēng)速(ms-1)、降水量(mm)、地下水位(mm)等，2010年以后采用CAWS600B自動氣象站監(jiān)測，地下水位還是采取人工監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2003 進行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 17.0軟件進行差異性分析，用Origin2017軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 年際間、月際間降水量差異

降水距平百分率反映了某時段降水量相對于同期平均狀態(tài)的偏離程度。根據(jù)國家氣象中心以降水距平百分率為主要指標(biāo)的旱澇等級定義(表1)標(biāo)準(zhǔn)對章古臺地區(qū)1954—2021年的降水情況進行了分析。

表1 降水距平百分率的旱澇等級

3.1.1 年際間降水量差異 章古臺1954—2021年年均降水量為488.3 mm，最大值1 010.7 mm(2021年)，最小值262.3 mm(1967年)，多年觀測結(jié)果顯示，降水量沒有明顯的上升或者下降趨勢，只是在2021年發(fā)生的強降水為百年不遇(圖1d)。68年間發(fā)生重澇、大澇、輕澇、正常和輕旱的比例分別為1.5%、2.9%、13.2%、64.7%和17.9%。同時可以看出，20世紀(jì)90年代以后，年際間的降水變率比以前要大得多。

圖1 章古臺1954—2021年氣象因子變化

3.1.2 月際間降水量差異 不同月份間降水的分配具有明顯的不均衡性，平均67%的降水集中在6—8月，其中最高月份是7月，其次是8月和6月(圖2)。章古臺地區(qū)大部分植物在4月中下旬開始生長，10月中下旬停止生長，多雨季節(jié)正是植株生長旺盛的季節(jié)。

圖2 月際間降水量差異

對生長季(5—9月)降水量進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)5、6、7、8和9月在輕旱以上的比例分別為45%、32%、47%、42%和55%(表2)。

表2 章古臺生長季降水量旱澇情況

通過多年觀測，雨季連續(xù)降水日數(shù)在減少，連續(xù)無降水日數(shù)明顯增加，干旱發(fā)生的概率增大。5—9月作物主要生長季輕澇以上發(fā)生概率多年平均為32%，輕旱以上發(fā)生概率多年平均為44%，只有6月旱災(zāi)發(fā)生的概率較低，為32%；5月、7月、8月和9月旱災(zāi)發(fā)生的概率均超過40%(表2)。

3.2 氣溫及風(fēng)向變化情況

對1954—2021年間的章古臺空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、降水量、蒸發(fā)量進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，空氣溫度年均值為6.3 ℃，1991—2021年均值(6.7 ℃)比1954—1990年均值(6.0 ℃)上升了0.7 ℃(圖1，a) ；相對濕度年均值為61%，1991—2021年均值(62%)比1954—1990年均值(59%)上升了近3年百分點(圖1，b) ；風(fēng)速年均值為3.0 ms-1，1991—2021年均值(2.5 ms-1)比1954—1990年均值(3.8 ms-1)下降了1.3 ms-1，下降比例接近為35%(圖1，c)；降水量年均值為488.3 mm，1991—2021年均值(495.8 mm)比1954—1990年均值(482.1 mm)增加了13.7 mm，變異系數(shù)由0.22變?yōu)?.33；蒸發(fā)量年均值為1 496.6 mm，1991—2021年均值(1 401 mm)比1954—1990年均值(1 576 mm)下降了175 mm(圖1，e) 。

經(jīng)對章古臺風(fēng)向進行統(tǒng)計分析可知，各風(fēng)向出現(xiàn)頻率為西南風(fēng)31.3%，西北風(fēng)17.4%，南風(fēng)14.2%，西風(fēng)13.0%，北風(fēng)5.8%，東北風(fēng)5.2%，其他風(fēng)向13.1%。春季以西南風(fēng)和西北風(fēng)為主，夏季和秋季主要以西北風(fēng)為主，冬季主要以西北風(fēng)為主，其次是西南風(fēng)。全年以春季有風(fēng)次數(shù)最多。

3.3 年際間地下水位變化量與年降水量的響應(yīng)關(guān)系

章古臺大一間工區(qū)地下水位監(jiān)測的時間較長，從1999—2021年，統(tǒng)計年地下水位變化量(Gw)與年降水量(Pr)的關(guān)系，結(jié)果為Gw= 0.186 4Pr- 91.633 (R2= 0.75)，定義一年中每個月地下水位的變化量的均值為年地下水位變化量，大約年降水量超過500 mm時地下水位就會上升(圖3)。

圖3 地下水位變化量與降水量的響應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論與討論

總體來看，雖然在全球氣候變暖的背景下，章古臺地區(qū)年降水量基本沒有變化，但是章古臺旱災(zāi)卻呈現(xiàn)多發(fā)狀態(tài)，5、6、7、8、9月作物主要生長季發(fā)生輕旱以上的比例分別為45%、32%、47%、42%和55%，說明即使是在高于或等于年均降水量的年份里，生長季也有可能發(fā)生階段性旱災(zāi)。人為把時間周期分為1954—1990年和1991—2021年2個時間段，每個時間段30年左右，最近30年和前30年相比，降水量增加了13.7mm ，蒸發(fā)量下降了175 mm，年均空氣溫度上升了0.7 ℃，風(fēng)速下降了35%，相對濕度上升了3%。

1954—2021年間，章古臺降水量變化幅度不大，可以看作基本沒有變化，空氣溫度在升高，風(fēng)速在減小，這與當(dāng)?shù)氐囊恍┭芯拷Y(jié)論相一致[8]。相對濕度稍有增加，蒸發(fā)量在減小。地下水位多年來呈現(xiàn)下降趨勢[9]，通過研究年地下水位變化量與年降水量的關(guān)系，一般來說，年降水量超過500 mm以上時才對地下水有補充。這些研究結(jié)論，期望對當(dāng)?shù)匾运值纳鷳B(tài)植被建設(shè)和農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)提供幫助。