近50年来中国西北地区干湿状况时空分布

近50年来中国西北地区干湿状况时空分布 第59卷第6期 2004年11月 地理 ACTAGEoGRAPHICASINICA VO1.59.No.6 Nov.,2004 近50年来中国西北地区干湿状况时空分布 靳立亚1,李静1,王新1,陈发虎-., f1.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,中德干旱环境联合研究中心,兰州730000: 2.北京大学物理学院大气科学系,北京100871; 3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与干旱化重点实验室.兰州730000) 摘要:根据西北地区77个气象台站气候资料,并利用改进的Penman公式,计算了该地 1958年,2001年的44年平均潜在蒸散量的时空分布,并 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了与降水量变化之问的关系,得 到4种类型潜在蒸散量与降水量年际变化的组合分布型.其中年平均潜在蒸散量减小而年降 水量增大的组合占研究区站点总数的40%以上.分析潜在蒸散量及观测蒸发量与各气候因f 的相关性,发现干旱区的蒸发与太阳辐射和风速有关.定义干燥指数为潜在蒸散量与降水量 的比值,用来描述西北lF旱区的T湿状况.对干旱区四个季节f春,夏,秋,冬1干燥指数近 5O年的线性变化趋势分析结果显示,干旱区春季大部分区域干燥指数呈增加趋势,即趋于变 干;夏季大部分地区趋于变湿,但仅在新疆东部和甘肃西部较为明显;秋季新疆人部,目’肃 西部和青海北部等地区趋于变湿,而干旱区东部区域则趋于变干.冬季干旱区大部分L×:域趋 于变湿,只有新疆西南部和西北部及东部部分地区,甘肃西部和内蒙西部等地有变干趋势. 关键词:西北干旱区;干湿分布状况;潜在蒸散;干燥指数 1引言 我国西北干旱,半干旱区面积占全国总面积的30%,这里生态环境脆弱,气候环境 变化剧烈,是造成西北地区大面积沙漠化的重要原[11.近年来,随着人们对全球气候变 化研究的深入,全球和区域气候在近百年来变暖这一现象己被广为关注.有关在气候变 暖的大背景下,全球和区域水分循环以及未来气候可能出现的变化成为全球变化研究中 的热点[2】.一般认为,随着气温的上升,水分循环加快,同时导致冰川消融增强,河川径 流量加大引起局部区域湖泊水位上升;同时,气温的升高也可以使地表(tg括植被1及水 体蒸发蒸散加强,从而有利于干旱趋势的发展.然而,最近的观测研究表明,随着全球 气温的升高,蒸发量并未同步增加,近5O年来北半球的观测蒸发量呈减少的趋势.张 存杰,宋连春等[5-61对20世纪西北地区气温和降水量的分析表明,气温变化的总趋势是明 显变暖,而降水量的变化则并不一致,其中新疆大部,祁连山山区和河西走廊中西部等 地区降水明显增加,而甘肃河东地区,青海东部,陕西,宁夏和内蒙西部则是明显减少. 施雅风等[7】通过多种资料综合分析发现,西北以新疆天山北部为主的地区从1987年以来 出现了由暖干气候向暖湿气候转型的强劲信号,其表现就是这些地区气温上升J时降水 量增加.杨建平等[8]分析了近50年来中国干湿气候界限的10年年际波动,发现进入90 年代西北东部气候有变干迹象.而张家宝,史玉光等的研究[91表明,南疆近40年降水增 多的现象与大的气候背景变化关系较小,主要与人类活动有关.因此,不论从近5O年来 收稿日期:2004—02—07;修订日期:2004—07一l9 基金项目:国家自然科学基金项目(40275022);国家自然科学杰出青年基金项目(40125001)fFoundation:National NaturalScienceFoundationofChinaNo.40275022;NationalNaturalScienc ePhenomFoundationofChina,No. 40125001] 作者简介:靳立亚(1964一),男,青海大通县人,副教授.主要从事干旱区气候环境变化研究.E.mail:iinly@Izuedu.cn 通讯作者:王新,女,博士研究生.E—mail:xinwang@pku.edu.cn 847—854页 地理 西北干旱区气候50 变化本身,还是 从引起这种气候 变化的机理来说, 都需要做更深入 的研究.本文根 据近50年的气象 常规观测资料分 析了西北干旱区 地表水分状况的 时空演变特征. 2资料与方法 Fig.1Thedistributionofselectedstations 本文研究区的范围选为35~N以北,105~E以西的中国地区,包括新疆,甘肃,青海 的大部分和陕西,宁夏,内蒙古的一部分区域(图1),根据站点分布选取了位于该区域中 的77个气象台站,引用资料为国家气候中心整理的1958年1月,2001年l2月的月平均 降水量,平均气温,相对湿度,平均风速和曰照百分率等. 采用干燥指数来描述研究区域的干湿分布状况.干燥指数作为指示气候干燥(或湿 润)程度的指标有许多定义方法【埘.本文采用我国开展气候区划时应用的干湿指标『l0],即 定义干燥指数: PE/R(1) 式中:为干燥指数,咫为潜在蒸散量(mm),R为降水量(mm). 当厶>5以上为干旱区;5?>2为半干旱区;2?>1.3为半湿润区, 其中 ?16为极端干旱区. 潜在蒸散量PE(Potentialevapotranspiration)又称最大可能蒸发量或蒸发力,是指下 垫面足够湿润条件下(包括了地上植被含水量和林地土壤含水量均达到饱和以上的情况1, 水体保持充分供应的蒸发量.自然界的各种蒸发过程,包括水面,土壤的或植被的(总称 为蒸散1,其过程由大气的状况和下垫面自身的状况共决定.大气的状况是这种蒸发过 程的天气气候原因,而潜在蒸散量便可以用来表达天气气候条件决定各种下垫面蒸发过 程的能力,常用于气候区划中的干湿系数,水分余亏量(灌溉定额)等气候指标,它不仅 代表某地区的干湿情况,同时亦表示热力条件,是气候学上的一个重要特征量.它与气 象站使用蒸发皿测定的蒸发量不同.研究表日月【”】,当水体面积增大到20mz以上时,其蒸 发量才趋于稳定而接近于自由水面的蒸发量.因此,气象站的小型蒸发皿(2ocm或70 cm口径)观测,数值偏大,不能有效地确定大范围的蒸发量[12】.正由于观测条件的限制, 常采用经验公式计算潜在蒸散量.其中Penman经验公式[13】应用较为普遍.高国栋等【】, 钱纪良和林之光【】以及1966年中央气象局开展的《中国气候区划》研究【0]都采用 Penman经验公式计算了年干燥度的分布,并据此划分了中国一级干湿气候区划.近年, 张新时【,于东升等【”】,尚宗波等【】利用改进的Penman经验公式研究了植被.气候类型 的分类,我国土壤水分状况的分布以及中国水分状况对全球气候变化的敏感性.本文利 用改进的Penman公式计算西北干旱区潜在蒸散量的分布,并在此基础上定义干燥指数分 析西北干旱区干湿状况的变化趋势.改进的Penman公式如下【]: E0=?/(?+)[Ra(1一r)(0.29cos~+0.52n/肿】一 6} . (—1[占71to.】O+o.9oJ’3,3l0.56—0.08)1+ v?f+v)『()26(1一h20000)(1十.tll00)(—ed)I 其.{:=7×(679[).5—5028087’十4q168×104...”×7一174209x【I】”.): =0.0(}061×10?::”l=6[08×l0”..(糯J望时的饱水汽 mm):=846289—0.0情 来看,以新勰I蒂龋地,塔 水缸地f柯缘(1_L术l{哒小翁 地砖【冷刹I为j生线锄晌【域 以及腾格i沙漠地芷滞蕉敬 一一,一一一,一一,一一一一,一一一一,一一一,一一一,一一一一一一一一一一一一一一一一一 地理59卷 图3我国西北干旱区不同季节降水量(mm)(左 轴)与潜在蒸散量(rrlir1)(右轴)年际变化 Fig.3SeasonalandinterannualvariationsofPEand precipitationinnorthwesternChina 趋势比降水量的增加趋势明显,并且各个季节均为下降趋势(图3).但不同的区域变化不 尽一致,图4给出了降水量和潜在蒸散量不同变化的站点分布.以下是不同站点降水量 与潜在蒸散量年际变化的几种类型: 类型1:降水量增加而潜在蒸散量下降,该类型占研究区的比例为4O.3%; 类型2:降水量与潜在蒸散量同时增加,该类型占研究区的比例为24.6%; 类型3:降水量减少而潜在蒸散量增加,该类型占研究区的比例为 19.5%; 类型4:降水量与潜在蒸散量同时减少,该类型占研究区的比例为15.6%. 需要指出的是,以上潜在蒸散量与降水量年际变化的几种类型,是在西北地区的气 温年际变化表现为上升趋势的背景下的结果.西北地区气温的这种变化与全球温度变化 趋势是一致的,即表现为上升趋势,特别是近20年温度有明显的增加趋势;而在空间分 6期靳立亚等:近50年来中国西北地区干湿状况时空分布851 布上,变暖地区主要50 在新疆北部,西北尔 部以及青海东北部, 变暖的季节主要是在 冬季【. 由图3和图4可 见,在西北地区气温 升高的气候背景下, 西北地区潜在蒸散量 和降水量并未同步增 加,特别是潜在蒸散 量在较大范围内(类型 1和41出现下降趋势. 图4中国西北干旱区降水量与潜在蒸散量不同组合的站点分布图 Fig.4ThedistributionofPEandprecipitationvariationinnorthwesternChina 根据图4,可以将研究区域划分为三个区,北疆地区为1区,南疆地区为2区,西北地区 东部为3区.1区共有26个站点,其中类型1有13个站,占到总数的一半,其他几个类 型分布比较均匀;2区主要为类型1,2,仅有一个站点为类型4;3区共有37个站点, 其中青海东部,甘肃东南部降水下降明显.从总体来看,1区,2区降水量有明显的增 加,而3区的东部降水量呈下降趋势,但蒸发量的变化则没有明显的区域特征,其中2 区大部分区域是沙漠地带,站点较少,都分布在沙漠边缘,对于沙漠地区的干湿变化由 于资料不足,还有待于进一步的研究. 3.2潜在蒸散量及小型蒸发量与各气候因子的相关分析 由公式(2)可知,潜在蒸散表1中国西北干旱区1958年1月2001年潜在蒸散量及小型蒸 量的变化是诸多气候影响因子, 如气温,降水量,日照百分率, 风速,相对湿度等共同作用的结 果,但不同气候因子对潜在蒸散 量或小型蒸发量的影响程度有所 不同,为此我们进一步分析了潜 在蒸散量与各个不同气候因子的 线性相关(表1). 发量与气候因子相关分析(号为达到O.O1显着性水平) Tab.1Thecorrelationanalysesbetweenthepotential evapotranspirationandtheclimaticfactors (reaching0.Olsignificanceleve1) 由表1可见,潜在蒸散量和小型蒸发量与相对湿度,降水量为显着负相关,而与风 速,日照百分率为显着正相关,但与气温并不存在显着线性相关,即气温的升高并不显 着地导致蒸散,蒸发的增加.这说明,西北干旱区气候干湿变化是多因素制约的结果. 我们还用Mann—Kendall方法[20-]分析了小型蒸发量与日照百分率和风速的变化趋势f图 5).Mann—Kendall方法是一种非参数统计检验方法,用于检测序列的变化趋势.图5中纵 坐标是M—K方法得出的统计值,若大于0,则表明序列呈上升趋势,小于0则表明呈下 降趋势,其中?1.96是显着性水平为0.05时的临界值,当超过临界值时,表明上升或下 降趋势显着.由图5可见,小型蒸发量与日照百分率及风速的变化趋势自20世纪70年 末期以来比较一致,特别是近15年以来表现为明显的下降趋势. 3.3西北干旱区干湿状况的时空分布 根据公式(1)和(2)计算的我国西北干旱区年平均干燥指数空间分布(图6)可见,除 天山山脉一带以北,沿祁连山从西北至东南地区以及柴达木盆地东部等地为干燥指数,d ?5的半干旱半湿润区外,西北干旱区绝大部分区域都为干燥指数,d>5的干旱区,其 中从敦煌经冷湖至塔里木盆地为极端干旱区,其干燥指数都超过了20以上.这一结果与 852地理 钱纪良,林之光【I4]计算的我国年干 燥度分布及任福民等[18]根据降水量 聚类分析的结果类似. 在年际变化上,我们用线性 倾向估计法[22]分别计算了近5O年 来西北干旱区春季(3,5月),夏季 (6,8月)和秋季(9,11月),冬季 (12-2月)干燥指数的线性变化趋 势(图7).由图可见,西北春季 (图7a)大部分地区干燥指数呈上 升趋势,有45个站点干燥指数呈 上升趋势.但仅有喀什,阿合奇, 兰州3站达到0.05的显着性水平. 西北夏季(图7b)大部分地区干燥 指数呈下降趋势,有59个站点干 燥指数呈下降趋势.共有11个站 点达到了0.1的显着性水平,其中 乌鲁木齐,若羌,和田,民丰,马 鬃山,安西,祁连,德令哈8个站 达到了0.05以上的显着性水平. 西北地区秋季(图7c)新疆大部, 甘肃西部和青海北部等地区干燥指 数呈下降趋势,而东部则呈上升趋 势.有41个站点干燥指数呈下降 趋势,共有12个站点达到了0.1 的显着性水平,其中哈巴河,哈 密,安西,格尔木,临洮,华家 岭6个站达到了O.O5以上的显着 性水平.西北地区冬季(图7d)大 1955196019651970197519801985199019952000 年代 图5西北干旱区小型蒸发量,日照百分率,风速的变化趋势 Fig-5Thetrendofevaporation,percentageofsunshineandwindspeed variationinnorthwesternChina 图6我国西北干旱区年平均干燥指数空『日J分布 Fig.6ThespatialdistributionofaridityindexinnorthwesternChina 部分地区干燥指数呈下降趋势,只有新疆西南部和西北部及东部部分地区,甘肃西部和 内蒙西部等地为上升趋势,有53个站点干燥指数呈下降趋势.共有16个站点达到了0.1 的显着I~7k-T,其中阿拉山lZl,温泉,奇台,伊宁,七角井,马鬃山,巴音毛道,德令 哈,乌鞘岭,诺木洪,五道梁,合作12个站达到了0.05以上的显着性水平.通过对西北 地区不同季节干燥指数线性变化趋势的分析,可以发现西北地区春季干燥指数呈上升趋 势,说明春季有变干的趋势;夏,秋季节干燥指数下降最明显的区域位于新疆东部和甘 肃西部;冬季干燥指数增大明显的区域在新疆东北部,甘肃北部和内蒙西部等地区,而 西北东南部地区则为干燥指数减小的区域. 通过对西北干旱区近50年潜在蒸散量和干燥指数的计算以及与降水量的关系分析表 明,新疆地区及青海西部降水量有明显的增加趋势,而西北地区的东部降水量呈下降趋 势;但潜在蒸散量的变化趋势则没有明显的区域特征.就西北地区整体而言,自1993年 以后潜在蒸散量呈波动式快速上升状态,而降水量的变化则存在区域差异.同时发现西 4321O12345 6期靳立亚等:近50年来中国西北地区干湿状况时空分布853 7我西北干旱区干燥指数小l_J李节线性变化趋势分布 Fig.7Thelineartendencydistributionofaridityindexindifferentseasonsinno rthwesternChina 北干旱区的潜在蒸散量和小型蒸发量与气温没有显着的线性相关,而与日照西分率和风 速相关较好.通过对干燥指数的分析,可以看出西北地区的干湿状况的时空分布,塔克 拉玛干沙漠及塔里木盆地,柴达木盆地为极端干旱区,仅天山山脉一带以北,沿祁连山 从西北至东南地区以及柴达木盆地东部等地为半干旱半湿润区,其 余地区均为干旱区. 从时间上来看,春季西北地区有变干的趋势,其余三个季节仅西北地 区的东部,东北部 有变干的趋势,整个新疆地区及柴达木盆地有明显的变湿趋势. 参考文献(RefeFences) [1]WangShigong,DongGuangrongeta1.Advancesinstudyingsand—dusts tormsofChina.JournalofDesertResearch, 2000,20(4):350.356.[王式功,董光荣,陈惠忠等.沙尘暴研究进展.中国 沙漠,2000,20(4):350—356.1 [2]ZhangYan.Energyandwatercycle:theresearchfocusonclimatology.MeteorologicalMonthly,2001,27(9):9-l7.[张 雁.能量与水分平衡一气候研究的热点.气象,200l,27(9):9一l71 【3】 AtsumuOhmura,MartinWild.isthehydrologicalcycleaccelerating?Science,2002,298(5597):l345—1346. 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TheTemporalandSpatialDistributionofSurfaceDry-wet ConditionsoverNorthwesternChinainRecent50Years JINLiya,LIJing,WANGXin,CHENFahu (1(E只Nat/ono/LaboratoryofWesternChina’sEnvironment0fS把 m,LanzhouUniversity,Lanz/to”730000,China; 2.CASDesertandDesertificationLab.,CAREER1,CAS,Lanzhozt730000,Ch,l) Abstract:Basedontheclimatedataof77meteorologicalstationscoveringl958.200lin northwesternChina(theareaiswithinthenorthof35.NandwestoflO5oEinChina).and usingtheintegratedPenmanformula,themeanpotentialevapotranspiration(PE)inourstudy areaiscalculated.FourpatternsofvariationsofPEandprecipitationweredetected.showing thatthesolarradiationandwindspeedaretwomainreasonsresponsiblefortheevaporation inthearidarea.ThearidityindexiSdefinedtotheratioofPEandprecipitationandisusedto describedistributionofthewet—dryconditionsinnorthwesternChina.Theli nearregression trendsofthearidityindexforthelast50yearsshowthatthereareadryingtrendinspring andawettingtrendinsummer(pronouncedonlyineastXinjiangandwestGansu)overlarge partsofthearidareas.andawettingtrendinautumninmostpartsofXinjiangandwest GansuaswellasnorthQinghai,andinwinter,partofthearidareatendstobewetter.and onlypartsofXinjiang,GansuandInnerMongoliatendtobedrier. Keywords:northwesternChina;dry—wetcondition;potentialevapotranspi ration;aridityindex