在气候变暖条件下, 全球水循环加快, 将会改变水资源的时空分布^[1-2]。区域气候干湿变化是对气候变暖的响应^[3], 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。在国内众多的研究成果中, 我国北方干旱、半干旱地区的干旱化问题因与水资源严重匮乏以及植被减少和荒漠化加剧等生态环境问题密切相关而受到特别关注^[3-7]。由于气候变暖导致极端气候事件增多, 半湿润和湿润地区季节性干旱发生的频率和严重程度也在加剧。安徽省地处我国东部半湿润和湿润过渡地区, 是我国旱涝灾害最严重的地区之一, 其中沿淮淮北70%~90%的年份, 其他地区50%~80%的年份旱涝灾害交替发生^[8-9]。目前, 有关这一半湿润和湿润过渡带干湿状况的分布及时间演变特征研究的报道尚不多见, 因此, 分析安徽省地表干湿状况的时空变化及其对农业的影响, 对于明确半湿润和湿润过渡地区的气候主要矛盾, 采取应对措施, 减轻旱涝灾害及其不利影响有重要意义。

研究所需的气象资料, 包括安徽省36个气象台站 (发报站)1971—2003年的逐日气温 (最高、最低温度)、降水量、日照时数、风速、水汽压等, 以及合肥、屯溪两个日射观测点的逐日辐射资料。

蒸散量的计算采用FAO 1998年推荐的参考作物蒸散量估算方法, 即FAO Penman-Monteith模型^[10] (以下简称FAO P-M), 该模型定义了一个高0.12 m, 表面阻力为70 s·m^-1, 反射率为0.23的假想参考作物面, 代表同一高度、生长旺盛、完全覆盖地面、水分充足的广阔绿色植被, 并采用气候学业务计算方法来计算参考作物蒸散量E_T0, 避免了植被类型、高度、生长状况等与气候要素无关的因素, 保证了E_T0仅为气候要素的函数, 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。毛飞等^[11]对该模型3种修正式在我国的应用进行了比较检验, 认为FAO P-M模型的适用性较强, 既适合计算区域月总量和年总量, 也适于计算单站逐日参考作物蒸散量。由于本文主要探讨地表干湿变化对农业的影响, 这些特性符合本研究的需要, 因此采用该模型进行参考作物蒸散量的计算。

该模型表达式为^[10]:

(1)

式 (1) 中, E_T0为参考作物蒸散量, R_n为地表净辐射, G为土壤热通量, e_s为某时段的平均饱和水汽压; e_a为实际水汽压, Δ为饱和水汽压曲线斜率, γ为干湿表常数, t为平均气温, U₂为离地面2 m高的风速。

净辐射 (R_n) 是FAO P-M模型计算的基础, 其中由日照时数估算短波辐射 (R_ns:R_ns=(1-α)(a +b) R_a, R_a为大气上界辐射) 的经验系数a, b值又是计算的关键, FAO的推荐值为a=0.25, b=0.50, 本文利用安徽省辐射观测资料对a, b值进行地区订正, 以提高短波辐射估算值的精度。

利用安徽省境内分别代表长江以北和以南的合肥和屯溪两个日射观测站近10年 (1994—2003年) 的逐日太阳辐射和日照百分率资料, 分别推算两站各月所对应的a, b值 (表 1)。采用本地化的a, b系数后, 合肥与屯溪两地短波辐射近10年的逐月估算值与实测值的相关系数分别为0.9751和0.9853, 达0.01显著性水平。经误差分析, 两者的平均相对误差 (绝对值) 分别为6.42%和4.86%, 比用推荐值的计算结果精度提高2.07%和4.34%。

表 1

表 1 安徽省合肥、屯溪各月a, b值列表 Table 1 Values of a and b in monthly of Hefei and Tunxi in Anhui Province

表 1 安徽省合肥、屯溪各月a, b值列表 Table 1 Values of a and b in monthly of Hefei and Tunxi in Anhui Province

衡量某一区域干湿程度的气候指标有干燥度或湿润指数。本文采用基于FAO P-M模型的干燥度指标。其公式为:

(2)

式 (2) 中, I_a为干燥度, E_T0为参考作物蒸散量, P为降水量。

根据文献[12]对国内外目前存在的22种干燥度指数的描述和分析, 由于各种干燥度指数的计算原理和公式各不相同, 所形成的指标体系也不一致。因为本文只涉及到半湿润和湿润区的划分, 故采用潜在蒸散公式计算干燥度的指标, 取I_a=1作为湿润区和半湿润区的分界。

用经订正a, b值的FAO P-M模型计算的1971—2000年安徽省参考作物蒸散量, 其变幅为850~1050 mm, 30年平均值为880~980 mm, 多数台站在920~960 mm, 高值区位于沿江西部, 其次是淮北至江淮中部, 大别山区和皖南山区中南部最小 (图 1a)。

图 1

图 1. 1971—2000年安徽省年参考作物蒸散量 (单位:mm)(a) 和年干燥度 (b) 分布图 Fig 1. The distribution chart of annual reference evapo transpiration (unit:mm)(a) and aridity index (b) in Anhui

安徽省年干燥度 (I_a)30年平均值分布见图 1b, 其半湿润区和湿润区的分界线 (I_a=1) 在淮河以南, 霍邱、合肥、定远、嘉山一线 (年降水量等1000 mm线), 与席承藩等“中国自然区划概要”半湿润的划分标准 (I_a为1.00~1.49, 年降水量为500~1000 mm)^[13]基本一致。此分界线比干湿气候的自然分界线———淮河及20世纪80年代安徽省气候区划的干湿分界线^[14]有所偏南。

以上干湿指标均为年干燥度, 其中席承藩计算潜在蒸散量用的是彭曼公式, 而安徽省气候区划中潜在蒸散量计算用的是张宝根据中国情况改进的Selianinov G T方法, 即不低于10 ℃期间的积温与降水的比值^[15]。本文采用FAO推荐的PenmanMonteith公式计算得到的年干燥度的结果与席承藩的划分标准应具有可比性。

进一步分析近30年I_a=1的等值线的年代际变化情况。由图 2可见, 安徽省半湿润区和湿润区的分界线20世纪70年代位于淮河以南, 距淮河约40~100 km。80年代北移, 主线与淮河基本一致, 但在淮河以南的东部区域有一小片I_a=1的高值区, 考虑该区域, 70—80年代年代际的波动幅度为20~60 km。90年代该线再度南移, 与80年代相比, 波动幅度为30~90 km (东段约175 km, 西段与80年代基本一致)。根据以上分析, 本文将近30年I_a=1北界以北的地区定义为半湿润区, I_a=1南界以南的地区为湿润区, 年代际波动区域为波动区。

图 2

图 2. 安徽省20世纪70—90年代Ia=1的等值线分析 Fig 2. The isoline (Ia=1) of Anhui in 1970s, 1980s and 1990s

干燥度 (I_a) 的数值取决于降水量和参考作物蒸散量两者的变动。因此在分析I_a=1等值线位置的年代际变化及原因时, 需要了解降水量和参考作物蒸散量的年际间变化特征。分别选择宿州、合肥、屯溪作为半湿润区、波动区及湿润区的代表站, 分析降水和参考作物蒸散量各自的变化及I_a的变化。

由各区代表站I_a, E_T0和P的年变化趋势 (图 3) 可以看出, 在半湿润区和湿润区内, E_T0呈下降趋势, P呈上升趋势, I_a表现为下降趋势。而波动区内, E_T0和P的变化趋势正好与之相反, 因而I_a呈上升趋势。

图 3

图 3. 安徽省代表站Ia, ET0和P年变化趋势 (粗线条为11年滑动平均值) Fig 3. The trend of annual Ia, ET0 and P changes of the representative stations in Anhui (thick line is 11-year running mean)

考虑到气象要素随时间的变化趋势会受年际波动的影响, 本文采用年P, E_T0和I_a的11年滑动平均值表征各自近30年的平均变化趋势, 并对其拟合的线性方程进行相关显著性检验 (表 2)。结果表明, 除年降水量的时间变化趋势在半湿润区和波动区为0.05显著性水平外, 其他均达0.01显著性水平。由此可见干燥度存在随年代的变化趋势, 但是由于年际波动大, 使变化趋势的显著性减弱。由于波动区的参考作物蒸散量和降水量表现出与半湿润区和湿润区相反的变化趋势, 尤其是降水量随年代而减少, 导致I_a值变大, I_a=1等值线位置在20世纪90年代明显南移。

表 2

表 2 各代表站P、ET0和Ia 11年滑动平均值变化趋势及检验 Table 2 The variations trend and test of 11-year running mean among annual P, ET0 and Ia of the representative stations in Anhui

表 2 各代表站P、ET0和Ia 11年滑动平均值变化趋势及检验 Table 2 The variations trend and test of 11-year running mean among annual P, ET0 and Ia of the representative stations in Anhui

采用标准差 (σ) 和变异系数 (v=σ/x×100%) 反映P, E_T0和I_a的年际变化情况, 计算结果表明, 近30年各区域降水量的年际变化均大于参考作物蒸散量 (表 3)。I_a由于数值小, 所以绝对值变化小, 但是变异系数的量级与降水量相当。从各年代看, 参考作物蒸散量变异系数在3%~6%之间, 以20世纪70年代最大, 其次是90年代, 80年代最小; 各年代的变异系数均以波动区最大。降水量的变异系数为13%~30%, 在半湿润区和波动区以90年代最大, 70年代次之, 80年代最小; 在湿润区则是70年代最大, 80年代和90年代相当。干燥度的变异系数为16%~35%, 在半湿润区以90年代最大, 70年代次之, 80年代最小; 在湿润区和波动区则是70年代最大, 90年代次之, 80年代最小。

表 3

表 3 各代表站ET0、P和Ia年代际变化的统计特征 Table 3 The statistical features of decades change among annual ET0, P and Ia of the representative stations in Anhui

表 3 各代表站ET0、P和Ia年代际变化的统计特征 Table 3 The statistical features of decades change among annual ET0, P and Ia of the representative stations in Anhui

上述分析表明, 安徽省地表干湿状况的时间变化表现出明显的区域特征。一方面受降水量和参考作物蒸散量随年代变化趋势的影响, 干燥度在波动区呈显著上升趋势, 在半湿润区和湿润区呈下降趋势; 另一方面受降水量变异系数大的影响, 干燥度的变异系数也很大, 这一点在波动区表现更为突出。因此在波动区干旱威胁最大, 半湿润区和湿润区旱涝危害并存, 20世纪90年代表现更为显著。

由于安徽省绝大部分地处暖温带, 冬半年以喜凉作物冬小麦、油菜为主, 夏半年则是喜温作物水稻和秋收旱作物的生长季节。因此本文进一步讨论冬半年和夏半年的干湿状况和变化。

由表 4可见, 在冬半年, 降水量宿州为188 mm, 约占全年降水量的1/4, 合肥为313 mm, 屯溪为554 mm, 均占全年降水量的1/3;参考作物蒸散量宿州为240 mm, 合肥为246 mm、屯溪为253 mm, 也占全年降水量的1/3。夏半年则反之, 虽然降水量和参考作物蒸散量的绝对值不同, 但是各区降水量、参考作物蒸散量占全年总量的比值除宿州降水量占3/4外, 其余均占年总量的2/3。因此体现在地表干湿 (I_a) 的平均状况上, 除半湿润区冬半年偏干外, 其夏半年以及波动区和湿润区的全年都是湿润的。从干燥度的年际波动看, 冬半年变异系数以半湿润区最大, 波动区其次, 湿润区最小。夏半年变异系数以波动区最大, 湿润区其次, 半湿润区最小。变化幅度占平均值的1/3左右, 其中波动区和湿润区夏半年变异率大于冬半年。

表 4

表 4 1971—2003年各代表站不同季节ET0, P和Ia年际变化统计特征 Table 4 The statistical features of annual changes of seasonal ET0, P and Ia of the representative station in Anhui during 1971—2003

表 4 1971—2003年各代表站不同季节ET0, P和Ia年际变化统计特征 Table 4 The statistical features of annual changes of seasonal ET0, P and Ia of the representative station in Anhui during 1971—2003

从干燥度的变化趋势 (图 4) 看, 冬半年各区域代表站均有随年代而减小的趋势; 夏半年半湿润区和波动区均呈上升趋势, 湿润区呈下降趋势。显著性检验结果表明, 11年滑动平均变化趋势除波动区冬半年不显著外, 其他均达到0.01显著性水平 (表略)。联系到各区域降水量和参考作物蒸散量的年内分配和干燥度的年际变异率可以看出, 各区域全年地表干湿状况的变化均主要源自夏半年。

图 4

图 4. 安徽省代表站冬半年和夏半年Ia的年际变化趋势 (其中粗线条为11年滑动平均值) Fig 4. The annual changes trend of Ia in Anhui representative stations during winter half year and summer half year (thick line is 11-year running mean)

近30年来, 安徽省I_a=1的等值线的波动范围在31.7°~33°N之间。与I_a=1的半湿润和湿润的分界线相对应的农业种植制度为:I_a=1一线以北地区夏季农作物以玉米、大豆等旱作物为主, 冬季主种小麦; I_a=1一线以南地区夏季种植水稻, 冬季主种油菜。因此, I_a=1的分界线可以看作是安徽省冬小麦和油菜种植的分界, 分界线的年代际波动区域夏季以一季稻为主, 冬季小麦、油菜混作, 半湿润和湿润区分界的农业意义十分清晰。尽管由于气候变化和种植习惯的原因, 淮北中南部也有一季单晚种植, 但淮北地区的水稻受水资源制约, 面积和产量均低而不稳; 在安徽南部虽也少量种植旱粮, 但基本以自给自足为主。因此半湿润区旱粮和湿润区水稻的总体格局是稳定的。

地表干湿状况的变化直接影响干旱的发生发展。文献[16]定义了基于干燥度I_a的干旱等级标准 (I_a≤1.5为正常; 1.5 < I_a≤2.0为轻度干旱; 2.0 < I_a≤2.5为中度干旱; I_a >2.5为重度干旱)。对此标准以中国气象局推荐的湿润度指数月干旱指标为参照进行本地化验证, 结果表明, 两者逐月干旱频率趋势一致, 但湿润度指数干旱指标计算的干旱频率略偏小, 该结果与文献[17]分析的湿润指数与干燥度关系结论一致, 且干燥度干旱指标更符合实况。因此本文依据文献[16]的干旱等级标准统计年内各月干旱 (轻旱以上) 的出现频率, 分析逐月地表干湿状况的年际变异率对当地地表干旱程度的影响。

从图 5可以看出, 半湿润区全年各月干旱发生的频率都较高, 除雨季 (7月) 外, 各月的干旱频率均在40%以上, 最严重的4—5月干旱频率接近70%。波动区干旱状况仅次于半湿润区, 除1—3月和梅雨的6月干旱频率较低外, 其他月份的干旱频率均很高。7月干旱频率甚至高于半湿润区, 8—11月与半湿润区相当, 全年大部分时间干旱频率在30%以上。湿润区虽然在全年及多年平均意义上水分充足, 但是夏秋各月干旱频率也很高, 7—12月干旱频率达到30%~40%。

图 5

图 5. 安徽省各区域代表站逐月干旱频率统计图 Fig 5. The statistics chart of monthly dry frequencies of the representative stations in Anhui Province

半湿润区地处安徽省沿淮淮北地区, 是全省粮食主产区, 也是旱涝灾害最频繁的地区。旱涝灾害的受灾面积和成灾面积均占全省总受灾面积的一半以上。受水分亏缺和降水变率过大的共同影响, 夏季洪涝、夏秋旱和秋冬连旱的频率都很高。7月常常旱涝交替发生, 8月常出现高温伏旱, 造成玉米“卡脖旱”影响结实粒数, 大豆落花落荚, 是产量低而不稳的主要原因。特别是20世纪90年代降水呈上升趋势, 且降水变率最大, 因此大旱、大涝的威胁更加突出。

干湿界限的年代际波动区域与安徽省江淮分水岭易旱地区基本吻合。该区域主要包括合肥、六安、滁州、淮南的大部分地区, 是安徽省粮、棉、油的重点产区之一; 由于气候多变、地形复杂, 也是安徽省干旱的多发区域。值得关注的是, 该区近30年来降水变化呈减少趋势, 与另两个区域相反, 导致干燥度呈上升趋势, 且夏半年上升趋势明显; 干燥度变率在3个年代均大于半湿润区和湿润区, 且20世纪90年代增大显著。该区夏季主要种植水稻, 随着气候变暖, 90年代以来水稻面积还有扩大的趋势。但是在一季稻需水临界期的7—8月, 常常遭受旱灾威胁, 成为江淮地区受旱减产最严重的区域。干旱胁迫已成为制约该区水稻高产稳产的瓶颈。

位于合肥一线以南的湿润区, 是安徽省水分盈余区, 也是安徽省水稻、油菜主产区, 其皖南山区还分布多种亚热带果树。虽然该区近30年来全年平均干燥度指数呈下降趋势, 但由于降水量和干燥度的年际变率大, 尤其在夏半年, 降水量和干燥度的年际变率甚至高于半湿润区, 因此季节性干旱发生也很严重。近10年来安徽省夏季梅雨有北多南少的趋势, 因此湿润区夏季干旱频率增大。沿江江南2000年、2001年和2003年频繁出现受旱面积大于300 ×10³ hm²的年份, 为以前所少见。而夏秋季节正是水稻需水关键期和亚热带果树旺盛生长期, 干旱已成为影响湿润区水稻及亚热带果树的主要气象灾害。

1) 采用通过a, b值订正的FAO Penman-Monteith模型计算安徽省的参考作物蒸散量可以反映本地的地表蒸发力。

2) 安徽省1971—2000年I_a=1的等值线为半湿润区和湿润区的分界线, 该分界线与安徽省年雨量1000 mm等值线有很好的一致性, 同时也具有清晰的农业意义。20世纪70—90年代I_a=1的等值线南北波动, 其波动区域正是安徽省江淮分水岭易旱区。

3) 安徽省地表干湿状况的时间变化表现出明显的区域特征。一方面受降水量和参考作物蒸散量随年代变化趋势的影响, 干燥度在波动区呈显著上升趋势, 在半湿润区和湿润区呈显著下降趋势; 另一方面受降水量年际变异率大的影响, 干燥度的年际变异率也很大, 其中以波动区最大, 其次是半湿润区。因此, 在波动区干旱威胁最大, 半湿润区和湿润区旱涝危害并存, 20世纪90年代更为显著。各区域全年地表干湿状况的变化均主要源自夏半年。

4) 地表干湿状况变化对各区农业生产的影响日趋严重。半湿润区受水分亏缺和降水变率过大的共同影响, 夏季洪涝、夏秋旱和秋冬连旱的频率都很高; 处于江淮分水岭易旱区域的波动区, 降水量和干燥度的年际变化趋势与其他两个区相反, 水稻和秋收旱作物的干旱威胁更加突出; 湿润区虽然平均状态湿润, 但夏半年降水量和干燥度的年际变率甚至高于半湿润区, 干旱频率增大, 季节性干旱对该区水稻及亚热带果树正常生长的威胁日益严峻。

本研究分析了作为我国东部半湿润、湿润气候过渡带的安徽省境内地表干湿的时空分布状况, 结果对于了解气候干湿变化及其影响, 指导当前农业生产是有意义的。受资料所限, 本文仅讨论了近30年安徽省干湿变化, 实际上地表干湿状况的变化是一个渐变过程, 用更长年代的资料分析有助于得到更科学、更客观的结果。因此继续补充收集资料, 进行长期观测研究是十分必要的。