应用气象学报  2009, 20 (6): 745-752   PDF    
引用本文
杨彬云, 吴荣军, 杨保东, 牛英洁. 近40年河北省地表干燥度的时空变化[J]. 应用气象学报, 2009, 20(6): 745-752.
Yang Binyun, Wu Rongjun, Yang Baodong, Niu Yingjie. The Spatial Distribution and Temporal Trend of Surface Aridity Index in Recent 40 Years in Hebei Province[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2009, 20(6): 745-752  
近40年河北省地表干燥度的时空变化
杨彬云1, 吴荣军2, 杨保东3, 牛英洁4     
1. 河北省气象与生态环境重点实验室, 石家庄 050021;
2. 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 南京 210044;
3. 河北省人工影响天气办公室, 石家庄 050021;
4. 衡水市气象局, 衡水 053000
2008-10-18 收到, 2009-06-19 收到修改稿.
资助项目: 河北省科技厅重大科技攻关项目(07227103D)、南京信息工程大学科研基金(20080023) 和河北省气象与生态环境实验室开放基金项目(Z20601) 共同资助    
摘要: 利用河北省1970-2007年48个气象台站逐日资料, 采用Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量, 由潜在蒸散量和降水量之比构建干燥度指数, 并采用Kriging插值法进行空间插值以分析其区域特征。结果表明:1970-1985年, 由于降水量减少和潜在蒸散量减少, 蒸散量的减少速率大于降水量的减少速率, 地表干燥度指数呈下降趋势, 潜在蒸散量的显著减少是地表干燥度下降的主要原因, 而风速和日照时数的显著降低决定了潜在蒸散量的显著下降; 1986-2007年, 由于年平均气温的显著升高, 潜在蒸散量增加, 使得地表干燥度略呈上升趋势。河北省地表干燥度高值区分布在张家口地区的桑洋盆地和坝西高原, 而低值区主要在燕山南麓低山丘陵地区的承德西南部、唐山的北部和秦皇岛中北部大部分地区。干燥度减少区域主要集中在河北省东北部至河北省西部的带状区域。
关键词: 气候变化    潜在蒸散量    干燥度指数    农业    
The Spatial Distribution and Temporal Trend of Surface Aridity Index in Recent 40 Years in Hebei Province
Yang Binyun1, Wu Rongjun2, Yang Baodong3, Niu Yingjie4     
1. Hebei Province Key Lab for Meteorology and Eco-Environment, Shijiazhuang 050021;
2. School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044;
3. Weather Modification Office of Hebei Province, Shijiazhuang 050021;
4. Hengshui Meteorological Bureau, Hengshui 053000
Abstract: Aridity index, used as an important parameter to measure regional dry and wet conditions, has become an important climatic indicator in global change research, especially widely applied in the climate change, drought and desertification research. Dry and wet changes of regional climate affect the local socio-economic and agricultural production severely, therefore attracted extensive attention and study. Hebei Province locates in the semi-arid areas, researching the temporal and spatial variation of surface aridity index there, determining the detailed climatic regionalization, will be helpful to mitigating the adverse effects of droughts and floods. The surface aridity index in Hebei Province is calculated from 1970 to 2007 on the basis of meteorological data in 48 stations, so as to investigate the impacts of climate change on surface dry-wet status. The aridity index is defined as a ratio of potential evapotranspiration to precipitation, and potential evapotranspiration is computed using FAO Penman-Monteith model. The spatial characters of aridity index are addressed by adopting Kriging interpolation, providing some decision-making evidences for the local government of Hebei Province. The results indicate that the variation of annual aridity index, potential evapotranspiration and precipitation could be divided into two periods: 1970-1985 and 1986-2007. Values of aridity index decrease generally in the period from 1970 to 1985. The decrease in potential evapotranspiration is greater than the reduction in precipitation, induced by a decrease of wind speed and hours of sunshine, particularly. The climatic tendency of aridity index is negative (-0.1/10 a), and its average value is 2.34. By contrast, the values of aridity index increase generally in the period from 1986 to 2007, which is attributed to the increase of potential evapotranspiration, caused by the significant increase of air temperature. The climatic tendency of aridity index is 0.14/10a, and its ave rage value is 2.32. Obviously, the ascent rate of yearly aridity index after 1986 is greater than decline rate of that before 1986. From 1970 to 1985, the higher values region of aridity index is located in Sangyang Basin and plateau of western dam in Zhangjiakou, mainly involving Xuanhua, Yangyuan, Huaian, Wanquan, Huailai and Zhuolu County. The range of aridity index is 2.81-3.39, and the higher values center is located in Yangyuan and Huailai County. Inversely, the lower values center of that is located in southwestern Chengde, northern Tangshan and middle-northern Qinhuangdao, mainly involving Luan county, Qian'an, Qianxi, Zunhua, Qinglong, Funing, Lulong and Xinglong county. The range of aridity index is 1.27-1.60. The overall trend of aridity index gradually increase from eastern to western, indicating that the surface wetting conditions of the eastern region is better than those of the western. Compared with the situations during 1970-1985, the increase and decrease trend of surface aridity index in Hebei Province is similar in 1986-2007. The decline region of aridity index is located in the majority of north-eastern part of Hebei Province. The decline trends of aridity index of sourthern Fuping and Laiyuan County in Taihang Mountain are significant, where the reduction value is 0.3. Inversely, the aridity index in the Kangbao, Shangyi, Zhangbei and Guyuan County in plateau of dam increase by 0.1, and it increase 0.1-0.2 in the region from southern Qinhuangdao to southern Handan, in eastern and southern Hebei respectively.
Key words: climate change     potential evapotranspiration     aridity index     agriculture    
引言

1900年以来, 中外学者陆续提出了22种干燥度的计算方法, 其中用潜在蒸散量和降水量之比来计算干燥度的方法使用较为普遍[1-2], 而对于潜在蒸散量的计算常用的有Penman-Monteith方法[3-4]、Thornthwaite方法[5]和Holdridge生命地带分类系统中的可能蒸散计算方法[6-7]等。而潜在蒸发是影响一个地区地理环境水热平衡的重要气候因子和参数, 是主要的水分支出项, 在很大程度上影响到气候的干湿状况[8]。因此, 干燥度作为衡量区域干湿状况的重要指标, 已成为全球变化研究中的重要气候指标之一, 尤其是在气候变化和干旱化、荒漠化等研究中得到了广泛应用[9-13]。

区域气候干湿变化是对气候变暖的响应, 对当地的社会经济尤其是农业生产影响很大, 因此受到广泛关注和研究[14]。而河北省属于温带大陆性季风气候, 四季分明, 冬寒夏热, 南北温差悬殊, 降水集中且地域分布不均, 同时降水变率和降水量年际变化大, 极端天气事件频发等。研究分析处在半干旱区[15]的河北省地表干燥度的时空变化, 明确区域尺度的详细气候分区, 对于相关部门采取应对措施, 减轻旱涝灾害及其不利影响有着重要意义。

本文通过降水量和基于Penman-Monteith模型的潜在蒸散量, 计算得到干燥度指数这一气候学指标, 探讨该地区1970-2007年地表干湿状况变化的时空特征, 为河北省积极应对气候变化提供参考。

1 数据及分析方法 1.1 数据

研究区域为河北省, 研究时段为1970-2007年。气象资料来源于河北省气象局, 考虑到资料的完整性和站点的代表性, 选取48个台站(图 1)。所用气象资料包括逐日最高、最低和平均气温、日照时数、风速、平均相对湿度和降水量等。

图 1. 河北省气象站点的空间分布 Fig 1. Spatial distribution of selected weather observation stations in Hebei Province

1.2 干燥度指数计算方法 1.2.1 潜在蒸散量计算

潜在蒸散量的计算采用1998年联合国粮农组织修订推荐的参考作物蒸散量估算方法, 即FAO Penman-Monteith模型[4], 该模型定义了一个参考作物, 高度为0.12m, 阻抗为70s/m, 反射率为0.23, 类似于高度一致、表面开阔、生长旺盛、完全覆盖地面、水分充足的绿色植被, 该潜在蒸散量的计算, 避免了植被类型、高度、生长状况等与气候要素无关的因素, 增加了地区和年份间的可比性, 可适应于不同的环境条件, 在国际上已得到广泛应用。

该模型表达式为:

(1)

式(1) 中, ET0为潜在蒸散量, 单位:mm/d; Rn为净辐射, 单位:MJ/(m2 · d); G为土壤热通量, 单位: MJ/(m2 · d)(逐日计算可以忽略); T为日平均气温, 单位:℃; U2为2 m高度处风速, 单位:m/s; es为饱和水汽压, 单位:kPa; ea为实际水汽压, 单位: kPa; Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率, 单位: kPa/ ℃; γ为干湿表常数, 单位:kPa/ ℃。其中, U2, Δ, es和ea分别利用式(2)、(3)、(4) 和(7)[4]计算。

(2)
(3)
(4)

式(4)中, e0(Tmax), e0(Tmin) 分别由式(5)和(6) 计算。

(5)
(6)
(7)

式(2)~(7) 中, U为10m高度处风速, 单位:m/s; Z=10m; Tmax和Tmin分别表示日最高气温和日最低气温, 单位:℃; hR表示相对湿度。此外, 饱和水汽压差(pVD) 的计算利用式(8):

(8)
1.2.2 干燥度指数计算

干燥度指数是从大气水分平衡角度出发, 能真实地反映出一个地区的全年气候干湿状况, 对农业具有更大的现实意义[14]。干燥度指数计算公式为:

(9)

式(9) 中, IA为干燥度指数; ET0为潜在蒸散量, 单位:mm; P为降水量, 单位:mm。某一地区的干燥度指数值越大, 表明该区气候越干燥; 反之, 干燥度值越小, 则气候越湿润。

1.2.3 数据处理与空间化

根据各站点气象资料, 利用式(1) 计算得到各站点逐日潜在蒸散量。将一年内逐日潜在蒸散量累加获得年总量, 各站年降水量亦按逐日值累加获得。区域年潜在蒸散量和降水量估计以各站点计算结果为基础, 利用K rig ing法进行空间插值[16], 插值后各栅格的潜在蒸散量与降水量之比即为该栅格的干燥度指数。潜在蒸散量、降水量和干燥度指数的时间变化趋势采用区域平均值, 该值为空间化后区域内所有栅格的算术平均。

2 结果与讨论 2.1 地表干燥度变化趋势

将1970-2007年河北省地表年干燥度、年潜在蒸散量和年降水量的变化划分为两个时段进行考察, 分别为1970-1985年和1986-2007年(图 2) 其中, 年干燥度在1970-1985年呈下降趋势, 气候倾向率为-0.1/10a, 平均干燥度指数为2.34; 1986-2007年变化呈略微上升趋势, 气候倾向率为0.14/10a, 平均干燥度指数为2.32 (图 2a), 可见1986年以后的年干燥度上升速率大于之前的下降速率。

图 2. 1970-2007年河北省地表干燥度(a)、潜在蒸散量(b) 和降水量(c) 变化趋势 Fig 2. Variation trends of surface aridity index (a), potential evapotranspiration (b) and precipitation (c) in Heibei Province from 1970 to 2007

1970-1985年, 河北省年降水量呈减少趋势, 气候倾向率分别为-23.70mm/10a (图 2c), 潜在蒸散量显著减少, 气候倾向率为-69.12 mm/10a (达到0.05的显著性水平)(图 2b), 可以看出, 蒸散量的减少速率大于降水量的减少速率, 因此, 1970-1985年间河北省地表干燥度下降的主要原因是潜在蒸散量的显著减少。

1986-2007年, 潜在蒸散量和降水量没有显著的变化趋势, 但降水量略呈下降趋势, 潜在蒸散量略呈增长趋势(图 2b和图 2c), 气候倾向率分别为-40.42 mm/10a和8.06 mm/10a。因此, 由于潜在蒸散量的增加和降水量的减少, 导致地表干燥度呈上升趋势, 气候倾向率为0.14/10a。

因此, 地表干燥度变化的主要驱动因子是潜在蒸散量的变化, 而影响潜在蒸散量的主要因素包括太阳辐射、气温、风速和水汽压差等[17-18]。河北省1970-1985年平均气温没有显著变化(未达到0.05的显著性水平)(图 3b), 而风速(图 3a) 和反映太阳辐射变化的日照时数(图 3b) 有显著的变化, 气候倾向率分别为-0.43m/(s · 10a)(达到0.01的显著性水平) 和-0.317 h/10 a (达到0.05的显著性水平), 同时, 尽管饱和水汽压的增加可能导致潜在蒸散量增加[19], 但这一时段的饱和水汽压差虽略有上升趋势, 气候倾向率为0.018 kPa/10 a, 但变化不显著(达到0.05的显著性水平)。因此, 风速和日照时数的显著降低决定了1970-1985年河北省潜在蒸散量的显著减少。与1970-1985年相比, 1986-2007年平均气温显著升高, 气候倾向率为0.472 ℃/10 a (达到0.01的显著性水平), 同时, 日照时数也显著降低, 气候倾向率为-0.369 h/10 a (达到0.01的显著性水平), 风速减少不明显, 气候倾向率为-0.06 m/(s · 10 a)(未达到0.05的显著性水平)。因此, 由于气温的显著上升, 使得日照时数显著减少和风速降低导致河北省潜在蒸散量略有增加, 同时, 这一时段的饱和水汽压上升趋势显著, 气候倾向率为0.036 kPa/10 a (达到0.05的显著性水平), 可能也是其潜在蒸散量增加的原因之一。这与其他研究结果[20]较为一致。研究表明:北半球通过蒸发皿观测的蒸发量在过去几十年中的减少趋势具有普遍性[21-23], 而我国大部分地区通过小型蒸发皿观测的水面蒸发量也呈减少趋势[17, 24-25], 而安月改等[26]对河北省近50年20 cm蒸发皿年蒸发量变化分析表明:近50年河北省年平均蒸发量呈明显下降趋势。而20cm蒸发皿年蒸发量与对应潜在蒸散量存在高度显著的相关性[19]。因此, 1970-2007年河北省地表潜在蒸散量的减少趋势, 与国内外其他研究是一致的。

图 3. 1970-2007年河北省风速(a)、平均气温(b)、日照时数(c) 和水汽压差(d) 变化趋势 Fig 3. Variation trends of wind speed (a), mean air temperature (b), hours of sunshine (c) and vapour pressure difference (d) in Heibei Province from 1970 to 2007

2.2 地表干燥度变化的空间分布特征

河北省地表干燥度1970-1985年平均值、1986-2007年平均值和两时段差值的空间分布见图 4。从图 4a、图 4b可以看出, 地表干燥度高值区分布在张家口地区的桑洋盆地和坝西高原, 主要包括宣化、阳原、怀安、万全、怀来和涿鹿等县, 干燥度指数范围为2.81~3.39之间, 其中阳原和怀来是高值中心, 而低值区主要在燕山南麓低山丘陵地区的承德西南角、唐山的北部和秦皇岛中北部大部分地区, 包括滦县、迁安、迁西、遵化、青龙、抚宁、卢龙和兴隆等县, 干燥度指数范围为1.27~1.60之间。总体表现为由东向西逐渐升高, 表明东部区域地表湿润状况优于西部。

图 4. 1970-1985年(a) 和1986-2007年(b) 河北省平均干燥度及其差值(c) 空间分布 Fig 4. Spatial distribution of the mean aridity index from 1970 to 1985 (a) and that from 1986 to 2007 (b) with their difference (c) in Hebei Province

与1970-1985年(图 4a) 相比, 1986-2007年(图 4b) 河北省大部分地区地表干燥度的增加和减少趋势的区域相当(图 4c), 干燥度减少区域主要集中在河北省东北部至河北省西部一线的大部分带状分布区域。其中, 太行山区的阜平、涞源以南地区减少趋势最明显, 减少幅度为0.3以上。而坝上高原区的康保、尚义、张北和沽源等地, 干燥度指数上升0.1, 以及河北省东部的秦皇岛南端到河北省南部的邯郸南部一线, 干燥度指数上升0.1~0.2左右。

河北省地表潜在蒸散量1970-1985年平均值、1986-2007年平均值和两时段差值的空间分布见图 5。从图 5a、图 5b可以看出, 潜在蒸散量总体由东北向西南方向逐渐增加。高值区主要分布在冀南平原区, 潜在蒸散量变化幅度为1100~1250 mm/a, 而低值区主要分布在承德地区和燕山山麓, 潜在蒸散量变化幅度为850~950 mm/a。与1970-1985年(图 5a) 相比, 1986-2007年(图 5b) 河北省的潜在蒸散量总体呈减小趋势(图 5c), 减少幅度最大的地区主要位于太行山脉的阜平等地, 以及河北省南部的大名至吴桥一线, 减少幅度约为80~100 mm/a。而只有燕山的部分县域和承德北部地区略有增加, 增加幅度约为1~5 mm/a。

图 5. 1970-1985年(a) 和1986-2007年(b) 河北省年平均潜在蒸散量及其差值(c) 空间分布(单位: mm · a-1) Fig 5. Spatial distribution of the mean potential evapotranspiration from 1970 to 1985 (a) and that from 1986 to 2007 (b) with their difference (c) in Hebei Province (unit:mm · a-1)

同样, 图 6给出了河北省年降水量1970-1985年平均值(图 6a)、1986-2007年平均值(图 6b) 和两时段差值的空间分布(图 6c)。从图 6a、图 6b可以看出, 降水量增加区域与干燥度的减少区域大体相互吻合, 也是东北和西南走向的带状分布(图 6c )。降水增加幅度最大的区域位于太行山地区和承德的部分地区, 最大增加幅度约为25~35 mm/a。降水减少区域主要位于坝西高原、滨海平原和冀南平原的东南部, 最大减少幅度约为60~90 mm/a, 减少高值区位于迁安、唐海一带, 高值为90 mm/a左右。

图 6. 1970-1985年(a) 和1986-2007年(b) 河北省年降水量及其差值(c) 空间分布(单位:mm · a -1) Fig 6. Spatial distribution of the mean annual precipitation from 1970 to 1985 (a) and that from 1986 to 2007 (b) with their difference (c) in Hebei Province (unit:mm · a-1)

因此, 比较图 5c和图 6c可以看出, 河北省东北区值西部区的带状区域内, 潜在蒸散量的减少大于降水量的增加, 使得该区域干燥度减少。其他区域降水量呈减少趋势, 但潜在蒸散量增加不甚明显, 因此干燥度呈增加趋势。因此, 河北省地表干燥度变化的空间分布特征(图 4) 与降水量(图 5) 和潜在蒸散量的变化(图 6) 是一致的。同时, 本文开展的空间分布研究结果与刘剑锋等[20]的研究基本一致, 但本文对空间分布特征进行了时间序列的分割, 有助于更好地将空间分布特征和年际尺度的趋势变化结合起来。

3 结论

1)1970-1985年, 河北省由于降水量减少和潜在蒸散量减少, 蒸散量的减少速率大于降水量的减少速率, 地表干燥度指数呈下降趋势, 潜在蒸散量的显著减少是地表干燥度下降的主要原因, 而风速和日照时数的显著降低决定了潜在蒸散量的显著下降; 1986-2007年, 由于年平均气温的显著升高, 潜在蒸散量增加, 使得地表干燥度略呈上升趋势。

2) 河北省地表干燥度高值区分布在张家口地区的桑洋盆地和坝西高原, 而低值区主要在燕山南麓低山丘陵地区的承德西南部、唐山的北部和秦皇岛中北部大部分地区。干燥度减少区域主要集中在河北省东北部至河北省西部的带状区域。

参考文献
[1] Budyko M I, Climate and Life. Orlando: Academic Press, 1974: 1-508.
[2] 孟猛, 倪键, 张治国. 地理生态学的干燥度指数及其应用评述. 植物生态学报, 2004, 28, (6): 853–861.
[3] Penman H L, Natural evaporation from open water, bare soil, and grass. Proceedings Royal Society (Series A), 1948, 193: 454–465.
[4] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration-Guidelines for Computing Crop Water Requirements//FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome, 1998.
[5] Thornthwaite C W, An approach toward a rational classification of climate. Geographical Review, 1948, 38: 57–94.
[6] Holdridge L R, Determination of world plant formation from simple climatic data. Science, 1947, 105: 367–368. DOI:10.1126/science.105.2727.367
[7] Holdridge L R, Life Zone Ecology. San Jose, Costa Rica: Tropical Science Center, 1967.
[8] 马柱国, 魏和林, 符淙斌. 中国东部区域土壤湿度的变化及其与气候变率的关系. 气象学报, 2000, 58, (6): 278–287.
[9] 郭建平, 高素华, 毛飞. 中国北方地区干旱化趋势与防御对策研究. 自然灾害学报, 2001, 10, (3): 32–36.
[10] 孙力, 沈柏竹, 安刚. 中国东北地区地表干湿状况的变化及趋势分析. 应用气象学报, 2003, 14, (5): 542–552.
[11] 孙永罡, 白人海, 谢安. 中国东北地区干旱趋势的年代际变化. 北京大学学报(自然科学版), 2004, 40, (5): 806–813.
[12] 孙凤华, 吴志坚, 李丽光. 辽宁西部地区的气候变化及干湿状况年代际变化特征. 中国沙漠, 2006, 26, (6): 969–975.
[13] Rora V K, The use of the aridity index to assess climate change effect on annual runoff. J Hydrol, 2002, 265: 164–177.
[14] 杨建平, 丁永建, 陈仁升, 等. 近50年中国干湿气候界线的年际波动. 地理学报, 2002, 57, (6): 655–661.
[15] 杨建平, 丁永建, 陈仁升, 等. 近40a中国北方降水量与蒸发量变化. 干旱区资源与环境, 2003, 17, (2): 6–11.
[16] 庄立伟, 王石立. 东北地区逐日气象要素的空间插值方法应用研究. 应用气象学报, 2003, 14, (5): 605–615.
[17] Richard G A, Luis S P, Dirk R, et al. Crop Evapotranspiration-Guidelines for Computing Crop Water Requirements//FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome, 1998.
[18] 马晓群, 张辉. 近30年安徽省地表干湿时空变化及对农业影响. 应用气象学报, 2007, 18, (6): 784–790.
[19] 王亚平, 黄耀, 张稳. 中国东北三省1960-2005年地表干燥度变化趋势. 地球科学进展, 2008, 23, (6): 619–627.
[20] 刘剑锋, 刘学锋, 刘芳圆, 等. 河北省气候干湿状况变化特征分析. 地理与地理信息科学, 2007, 23, (2): 83–86;96.
[21] Brutsaert W, Parlange M B, Hydrologic cycle explains the evaporation paradox. Nature, 1998, 396: 30. DOI:10.1038/23845
[22] Roderick M L, Farquhar G D, The cause of decreased pan evaporation over the past 50 years. Science, 2002, 298, (15): 1410–1411.
[23] Linacre E T, Evaporation trends theoretical and applied. Climatology, 2004, 79: 11–21.
[24] 邱新法, 刘昌明, 曾燕. 黄河流域近40年蒸发皿蒸发量的气候变化特征. 自然资源学报, 2003, 18, (4): 437–442.
[25] 郭军, 任国玉. 黄淮海流域蒸发量的变化及其原因分析. 水科学进展, 2005, 16, (5): 46–52.
[26] 安月改, 李元华. 河北省近50年蒸发量气候变化特征. 干旱区资源与环境, 2005, 19, (4): 159–162.