氣候干濕帶界線分布和10年際變化

氣候干濕帶界線分布和10年際變化

1彭曼公式關(guān)于自然地域及其干預(yù)區(qū)劃的研究氣候干燥帶的變化是氣候水分循環(huán)變化的反映。在中國(guó)北方，由于水資源嚴(yán)重不足，“水”問題是最嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境改善問題之一。在過去40年中,不僅全球和中國(guó)溫度升高了,而且氣候干濕帶界線也發(fā)生了變化。研究干濕帶界線的變化,是全球變化的重要研究?jī)?nèi)容。氣候干濕帶劃分的可靠指標(biāo)是大氣降水或是大氣濕潤(rùn)(干燥)指數(shù),前者表示大氣水分的收入;而后者則包括了在自然狀況下,大氣水分收、支的兩個(gè)重要分量:降水(r)和潛在蒸發(fā)或可能蒸發(fā)(E),體現(xiàn)了水量平衡和能量平衡的變化。我國(guó)完成的中國(guó)綜合自然區(qū)劃和中國(guó)氣候區(qū)劃(初稿),迄今仍為我國(guó)最完整、最系統(tǒng)的自然地域劃分,在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生很大影響,其干濕區(qū)劃是以干燥度D=0.16ΣtrD=0.16Σtr為指標(biāo),式中Σt為日平均氣溫≥10℃期間的積溫(等價(jià)于可能蒸發(fā)),r為≥10℃期間的降水,0.16是根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況,假定秦嶺、淮河一帶的可能蒸發(fā)和降水接近平衡調(diào)整出來的系數(shù)。秦嶺、淮河在熱量分布、水分平衡和地理景觀變化上,都可視為我國(guó)地理上非常重要的南北分界線。但這一方法運(yùn)用于中國(guó)北方,還存在著一些不足:因?yàn)楸狈降貐^(qū)在一年中有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的日平均氣溫<10℃,而這期間的降水和蒸發(fā)在水分平衡中起重要作用,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,秋冬季的降水貯存于土壤中,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的水資源,不能不預(yù)考慮。干濕指標(biāo)的關(guān)鍵因子在于潛在蒸發(fā)的計(jì)算,許多學(xué)者提出了不同的計(jì)算方法,并被引用于中國(guó),不同學(xué)者從不同的角度運(yùn)用不同方法得出的不同結(jié)果,彼此之間難于比較,更難于與世界范圍內(nèi)的區(qū)劃類比。彭曼公式計(jì)算潛在蒸發(fā),由于考慮影響因子較多,具有一定的物理基礎(chǔ),但把它直接引入中國(guó)運(yùn)用,遇到公式中參數(shù)如輻射平衡隨高度變化、風(fēng)速函數(shù)和反射率變化等問題。以降水量變化來確定干濕區(qū)域界線的變動(dòng)是干濕區(qū)劃的另一個(gè)重要指標(biāo)。最傳統(tǒng)、應(yīng)用最多是用400mm等雨量線作為中國(guó)半干旱與半濕潤(rùn)區(qū)分界線。400mm等雨量線是重要的自然地理區(qū)域分異指標(biāo):在大農(nóng)業(yè)上,是農(nóng)業(yè)與牧業(yè)交錯(cuò)地帶;在林業(yè)上,400mm雨量是營(yíng)造喬木林的基本水分條件;在水系上,是內(nèi)陸水系和外流水系的分界,在民族地域分布上,是少數(shù)民族和漢族雜居的區(qū)域,是氣候的敏感地帶。但降水只考慮水分收入部分,未能與地面能量和水分平衡相聯(lián)系,作為自然地理區(qū)劃指標(biāo)仍有不足之處。毫無疑問,上述區(qū)劃結(jié)果,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究起到巨大作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和氣象資料積累,我們有可能對(duì)干濕區(qū)劃作進(jìn)一步改進(jìn)和研究它的變化。2數(shù)據(jù)來源和計(jì)算方法2.1逐月和年份濕潤(rùn)指數(shù)法本文涉及的中國(guó)北方是指淮河、秦嶺和昆侖山以北的廣大區(qū)域。選取207個(gè)氣象臺(tái)(站)1961～2000年逐年逐月降水、氣溫、風(fēng)速、日照百分率、絕對(duì)濕度,計(jì)算逐月和逐年濕潤(rùn)指數(shù),資料來源于中國(guó)氣象局。2.2風(fēng)速觀測(cè)高度本文以年濕潤(rùn)指數(shù)作為氣候干濕帶區(qū)劃指標(biāo)。年濕潤(rùn)指數(shù)(W)的計(jì)算方法為年降水與年潛在蒸發(fā)之比:W=rE(1)W=rE(1)式中,r為年降水量(mm),E為年潛在蒸散量(mm),潛在蒸發(fā)(E)用公式(2)進(jìn)行計(jì)算,公式(2)是在對(duì)中國(guó)太陽輻射的研究、對(duì)公式中的參數(shù)進(jìn)行訂正的基礎(chǔ)上,并在農(nóng)田實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證的彭曼公式,如下式表示:E=δ/(δ+γ)1/L{(Q+q)0i(0.248+0.752n/N)(1-R)-σTa4(0.56-0.08ed??√)8ed)(0.1+0.9n/N)}+γ/(δ+γ){0.26(1+a0.7491×10-3U2)(ea-ed)}(2)式中,E為潛在蒸發(fā)(mm),δ/(δ+γ)和γ/(δ+γ)為加權(quán)因子,它們是氣溫和海拔高度的函數(shù),其中δ為氣溫等于Ta時(shí)飽和水汽壓的曲線斜率(hpa/℃),γ為干濕表常數(shù)(hpa/℃),L為蒸發(fā)潛熱(J/cm3),(Q+q)0i各月晴天總輻射月總量(MJ/cm2.月),i=1,2,…,12(月),n/N為日照百分率,R為不同季節(jié)并引入積雪指數(shù)的反射率,σTa4為氣溫等于Ta時(shí)的黑體輻射(J/m2.s),ed為實(shí)際水汽壓(hpa),(ea-ed)水汽壓差(hpa),U2為2m高度處風(fēng)速(m/s),a為風(fēng)速觀測(cè)高度的換算系數(shù),在中國(guó)氣象臺(tái)站網(wǎng)中,風(fēng)速觀測(cè)高度為10m,在計(jì)算時(shí),需將10m高的風(fēng)速換算成2m高的風(fēng)速。3氣候干法帶的劃分和年降水量的分布自然地理區(qū)劃是建立在確切的生態(tài)學(xué)意義上的,干濕界線的確定應(yīng)以闡明客觀存在的地域和反映分異的自然變動(dòng)地理單元為基礎(chǔ),這個(gè)界線既有突變性,也有漸變性,存在著不同等級(jí)的自然綜合體的復(fù)雜鑲嵌,應(yīng)考慮自然要素間相互作用和相互聯(lián)系的綜合體的一致性。在中國(guó),極具生態(tài)學(xué)意義、又被公認(rèn)的自然地理界線有二條:一條為秦嶺、淮河一線,干燥指數(shù)等于1.0;另一條為降水量等于400mm農(nóng)牧交錯(cuò)帶。氣候干(濕)帶的劃分,首先應(yīng)與這兩條線相符,同時(shí)也應(yīng)與世界干濕氣候帶的劃分具有可比性,因?yàn)闅夂蚝铜h(huán)境變化是全球性的,這樣,就需要一個(gè)既能夠反映國(guó)內(nèi)生態(tài)環(huán)境,又能與全球大范圍相類比的干(濕)指標(biāo)。聯(lián)合公式(1)和(2),計(jì)算出了濕潤(rùn)指數(shù)。本文為分析我國(guó)北方干濕狀況,參考了我國(guó)自東向西植被帶的分布特征,對(duì)聯(lián)合國(guó)環(huán)境計(jì)劃署、世界糧農(nóng)組織、教科文組織和氣象組織的專家于1977年根據(jù)生物氣候帶特征,對(duì)世界沙漠化問題確定的劃分氣候干濕帶標(biāo)準(zhǔn),即r/E<0.03為超干旱,也稱極端干旱,r/E=0.03～0.20為干旱氣候帶,r/E=0.20～0.50為半干旱氣候帶,r/E=0.50～0.70為半濕潤(rùn)氣候帶,進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷暮脱a(bǔ)充:即r/E=0.50～0.75為半濕潤(rùn)氣候帶,r/E=0.75～1.0為比較濕潤(rùn)氣候帶,r/E>1.0為濕潤(rùn)氣候帶。圖1為北方地區(qū)1961～2000年40年平均干濕帶的分布圖,圖中也同時(shí)劃出同期降水量的分布。從圖中可以看出,濕潤(rùn)指數(shù)<0.03的極端干旱區(qū),主要分布在塔里木盆地東部和柴達(dá)木盆地的西部,年平均降水量在30mm以下;濕潤(rùn)指數(shù)在0.03～0.20的為干旱區(qū),分布于內(nèi)蒙古、甘肅、青海的中西部和新疆的大部分地區(qū),年濕潤(rùn)指數(shù)0.20線與年降水量200mm古線基本相符,經(jīng)內(nèi)蒙古的二連、百靈廟,寧夏的銀川,青海的都蘭;濕潤(rùn)指數(shù)等于0.20～0.50的半干旱區(qū),分布于新疆北部和西部山區(qū),東北平原西部,華北平原北部和黃土高原的中部;濕潤(rùn)指數(shù)0.5線,沿海拉爾以北、齊齊哈爾、阜新、豐寧、河曲、吳旗、固原一線,與400mm等雨量線相一致;濕潤(rùn)指數(shù)等于0.5～0.7的為半濕潤(rùn)區(qū),分布于東北平原中、東部,三江平原、和華北平原。華北平原半濕潤(rùn)區(qū)南界(濕潤(rùn)指數(shù)等于0.75)大致經(jīng)過山東的莒縣、臨沂,河南商丘、許昌、盧氏和陜西的安康,大致與750mm等雨量線相符;在東北地區(qū),濕潤(rùn)指數(shù)0.75線大致經(jīng)過內(nèi)蒙古的圖里河,黑龍江的北安、通河、牡丹江,遼寧的撫順,再東拐至丹東以南,在北部,雨量分布為500～550mm,南部為550～600mm;東北地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)等于0.75～1.0的比較濕潤(rùn)區(qū)分布于小興安嶺和張廣才嶺,年雨量為550～600mm;在黃淮海南部,濕潤(rùn)指數(shù)1.0線,沿江蘇淮陰,安徽的阜陽,河南的駐馬店,與年降水量1000mm等雨量線相當(dāng),也與綜合自然區(qū)劃的干燥度指標(biāo)等于1.0的數(shù)值一致,大致與淮河、秦嶺一線相符,這是我國(guó)最重要的氣候分界線;長(zhǎng)白山地區(qū),年濕潤(rùn)指數(shù)≥1.0,與年降水量≥800mm相當(dāng)。雖然在長(zhǎng)白山區(qū)和黃淮海南部,濕潤(rùn)指數(shù)都≥1.0,但前者雨量卻比后者少200mm左右,這顯然是因?yàn)榍罢邼撛谡舭l(fā)量較少的緣故。從上述分析可知,圖1中濕潤(rùn)指數(shù)1.0線與自然區(qū)劃中干燥度等于1.0的界線基本相符,濕潤(rùn)指數(shù)0.5線與400mm等雨量線基本相符,也就是說與中國(guó)兩條最重要的自然地理界線相符,故可以認(rèn)為本文所確定的濕潤(rùn)指標(biāo)的和干濕帶的劃分是可信的。4氣候動(dòng)態(tài)變化圖2以20世紀(jì)60年代(1961～1970)為基礎(chǔ),比較每10年際氣候干濕帶的變化,實(shí)線為60年代十年平均干濕氣候帶的劃分,虛線則為70年代(1970～1980)、80年代(1981～1990)和90年代(1991～2000)氣候干濕帶界線的變化。與60年代相比,70年代濕潤(rùn)指數(shù)等于0.5一線,由經(jīng)齊齊哈爾、河曲、蘭州,分別向北移到嫩江、向南移到太原、向東移到固原一線,最大移動(dòng)距離達(dá)170～200km,半干旱地域擴(kuò)大,半濕潤(rùn)地域縮小,東北地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)等于0.75～1.0和大于1.0的濕潤(rùn)氣候帶明顯縮小;西北區(qū)<0.03極端干旱區(qū)的面積也在縮小。80年代,東北地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)0.5線向西退縮,>0.75的區(qū)域增加,氣候變得較為濕潤(rùn);但華北和黃土高原,濕潤(rùn)指數(shù)0.5線仍向東推進(jìn),但強(qiáng)度比70年代弱;在中部的阿拉善高原,出現(xiàn)了<0.03的極端干旱區(qū)域;西部地區(qū)<0.03的范圍繼續(xù)縮小。90年代,三江平原和東北平原的東部相對(duì)較濕潤(rùn),黃土高原地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)0.5線,由60年代的河曲、榆林,向東、向南移動(dòng)到太原以東、運(yùn)城以南,最大移動(dòng)距離達(dá)510～580km,華北半濕潤(rùn)地區(qū)的面積仍在縮小,氣候逐漸變干;而西部<0.03的地區(qū)繼續(xù)縮小,新疆北部和西部濕潤(rùn)指數(shù)等于0.2～0.5的半濕潤(rùn)區(qū)在擴(kuò)大。綜上所述,40年來,中國(guó)北方地區(qū)干濕氣候帶是在不斷地波動(dòng)變化,這一變化可大致分為三個(gè)類型:(1)弱干濕交替型,以東北地區(qū)最為典型,60年代相對(duì)濕潤(rùn),70年代為40年中最干旱時(shí)期,80年代相對(duì)變濕,90年代又有變干跡象;(2)持續(xù)變干型,包括華北平原、黃土高原和淮北平原,半濕潤(rùn)和半干旱的分界線,即濕潤(rùn)指數(shù)等于0.5一線,40年來是波動(dòng)向東推進(jìn),60年代屬半濕潤(rùn)地區(qū)的汾渭谷地(太原、運(yùn)城等地),到90年代已變成半干旱氣候地區(qū)了;(3)持續(xù)變濕型(相對(duì)意義的變濕,這是因?yàn)闈駶?rùn)指數(shù)雖然變大,但氣候仍然干旱),主要分布在河西走廊和東疆盆地,北疆和南疆,濕潤(rùn)指數(shù)<0.03的極端干旱區(qū)域在持續(xù)變小,0.2～0.5的半干旱區(qū)在擴(kuò)大。5氣象變濕分析干濕帶界線的變化取決于濕潤(rùn)指數(shù)(W)的變化。根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃方案,把中國(guó)北方分成5個(gè)一級(jí)區(qū)、16個(gè)二級(jí)農(nóng)業(yè)類型區(qū),它們是東北區(qū)(包括四個(gè)二級(jí)區(qū):大小興安嶺、東北平原、長(zhǎng)白山區(qū)、遼寧平原丘陵),黃淮海區(qū)(華北平原、山東丘陵、淮北平原),內(nèi)蒙古高原及長(zhǎng)城沿線(冀東及長(zhǎng)城沿線山地、河套銀川平原),黃土高原區(qū)(汾渭谷地、陜北寧東丘陵沙地、晉陜甘黃土丘陵溝壑區(qū)、寧南隴中黃土丘陵),西北區(qū)(河西走廊和東疆盆地、北疆山地綠洲荒漠、南疆山地綠洲荒漠),表1列出中國(guó)北方地區(qū)5個(gè)農(nóng)業(yè)大區(qū)平均濕潤(rùn)指數(shù)10年際變化。從表中可以看出:40年來,中國(guó)北方的5個(gè)農(nóng)業(yè)類型大區(qū)中,有4個(gè)區(qū)的濕潤(rùn)指數(shù)是呈下降趨勢(shì),其中黃土高原區(qū)下降最為明顯,90年代比60年代下降了20.0%;西北區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)呈明顯上升趨勢(shì),90年代比60年代上升了36.4%。從濕潤(rùn)指數(shù)(W=rE)(W=rE)定義來看,它的變化取決于降水(r)和潛在蒸發(fā)(E)兩個(gè)分量,40年來,E和r都發(fā)生了明顯變化,氣候的變干或變濕則取決于這兩個(gè)分量的變化速率。中國(guó)北方大致以東經(jīng)100°為界,在東經(jīng)100°以東的地區(qū),40年來濕潤(rùn)指數(shù)呈下降趨勢(shì),氣候趨向干旱化;在東經(jīng)100°以西的地區(qū),濕潤(rùn)指數(shù)呈明顯上升趨勢(shì),氣候相對(duì)變濕。表2選取東經(jīng)100°以東的黃淮海區(qū)的華北平原和山東丘陵、黃土高原的汾渭谷地的3個(gè)農(nóng)業(yè)類型二級(jí)區(qū),和東經(jīng)100°以西的西北區(qū)的河西走廊和東疆盆地、北疆山地綠洲荒漠、南疆山地綠洲荒漠3個(gè)農(nóng)業(yè)類型二級(jí)區(qū),比較20世紀(jì)60年代和90年代降水、潛在蒸發(fā)和氣溫變化。從表2中可以看出:東經(jīng)100°以東的華北平原、山東丘陵和汾渭谷地,90年代潛在蒸發(fā)比60年代分別降低29.6mm、48.8mm和43.7mm,而同期降水則分別減少33.8mm、62.4mm和94.4mm,降水減少的速率大于潛在蒸發(fā)減少的速率;東經(jīng)100°以西的河西走廊和東疆盆地、北疆和南疆山地綠洲荒漠,1991～2000年平均降水比1961～1970年分別增加6.6mm、51.3mm和11.5mm,而同期潛在蒸發(fā)則分別減少161.6mm、75.8mm和71.3mm,潛在蒸發(fā)的下降速率絕對(duì)值大于降水增加速率,由此可得出:東經(jīng)100°以東地區(qū),濕潤(rùn)指數(shù)降低主要與降水的減少有關(guān),氣候干旱程度增加;東經(jīng)100°以西,濕潤(rùn)指數(shù)明顯增加,雖然與降水的增加有關(guān),但更與潛在蒸發(fā)的減小有關(guān),是氣候變濕的重要原因之一。彭曼公式對(duì)潛在蒸發(fā)的定義為“在土壤永不缺乏水分,植物生長(zhǎng)活躍,完全郁閉,且高度均一的短草條件下,土壤蒸發(fā)和植物蒸騰之和”,稱潛在蒸發(fā),也稱蒸發(fā)力。很明顯,這是大氣蒸發(fā)能力的一個(gè)量度,它標(biāo)志大氣中存在著一種控制各種下墊面蒸發(fā)過程的能力。表2列出的潛在蒸發(fā)量是按公式(2)的計(jì)算結(jié)果。本文又對(duì)近40年來中國(guó)北方地區(qū)70個(gè)氣象臺(tái)(站)觀測(cè)蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,表3列出中國(guó)北方地區(qū)東經(jīng)100a以東和以西各3個(gè)二級(jí)農(nóng)業(yè)類型區(qū)的蒸發(fā)皿測(cè)定蒸發(fā)量的10年際變化。從表中可以看出:蒸發(fā)皿測(cè)定的蒸發(fā)量呈明顯下降趨勢(shì),而且西部的下降速率大于東部。這一結(jié)果與國(guó)外有關(guān)研究是一致的,這說明在過去的50年來,蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量下降趨勢(shì)至少在北半球具有普遍性。潛在蒸發(fā)和蒸發(fā)皿的蒸發(fā)下降原因與太陽輻射和輻射平衡的變化有關(guān),由于篇幅的限制,有關(guān)這方面的研究,將另文作詳細(xì)的闡明。6突變開始時(shí)間區(qū)域利用Mann-Kendall法,對(duì)中國(guó)北方地區(qū)的濕潤(rùn)指數(shù)作突變性檢驗(yàn),圖3中的UFk為濕潤(rùn)指數(shù)的順序統(tǒng)計(jì)量曲線,UBk為逆序統(tǒng)計(jì)量曲線,并給定顯著性水平:當(dāng)α=0.05,臨界線U=±1.96。若UFk或UBk的值大于0,則表明濕潤(rùn)指數(shù)序列呈上升趨勢(shì),小于0,則表明呈下降趨勢(shì)。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在兩條臨界線之間,那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間便是突變開始時(shí)間。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量曲線超過臨界線U=±1.96時(shí),為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。本文只列出有明顯變濕的2個(gè)二級(jí)農(nóng)業(yè)類型區(qū)域的檢驗(yàn)結(jié)果,從圖中可以看出:河西走廊和東疆盆地,1965年以前氣候比較干旱,1971年發(fā)生突變,此后氣候逐漸變濕,至1987年顯著變濕,信度超出U0。05>+1.96;北疆山地綠洲荒漠,變濕突變點(diǎn)發(fā)生在于1984年前后,至1993年前后