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188金宝搏

1971~2010年三江源地区干湿状况变化的空间特征


徐维新1,2   古松3,1   苏文将2   江莎3    校瑞香2   肖建设2   张娟2


1.中科院西北高原生物研究所 青海 西宁 810001

2.188金宝搏  青海 西宁 810001

3. 南开大学生命科学学院,天津300071


摘要:基于1971-2010年地面观测气象数据,计算了三江源地区湿润指数。利用经验正交函数分解(EOF)和偏相关系数,对近40年三江源地区干湿状况变化的时空特征及其影响因素进行了分析。结果表明,三江源地区干湿状况的变化在其北部与南部、东部与西部间存在明显反相位变化特征。北部和东部的部分区域分别在上世纪90年代和21世纪后表现出气候湿润化趋势,其余大部地区的持续干旱化趋势始于上世纪80年代初,其中南部与西部变干趋势显著,其湿润指数线性趋势率达到-8%/10a。虽然三江源地区干湿状况主要决定于降水量和相对湿度的变化,但上世纪90年代中期后气温的显著上升,使得气温也成为关键的影响因子之一,即使在降水明显增加的背景下,也引起三江源主体区域湿润指数的明显下降。气候变暖情景下,北部和东部地区在近十几年暖湿化趋势明显,其余大部地区表现为不同程度的暖干化趋势。


关键词:三江源;湿润指数;气候变化


1. 引言

        三江源是长江、黄河和澜沧江的源头区,处于青藏高原腹地,以高寒草甸为主构成的生态环境体系,以其独特而脆弱的生态系统,在全球气候变化及其响应研究中受到广泛关注[1]。该区域近几十年出现了草地生产力下降、土壤裸露、严重沙化等显著退化现象[2-6]。因此,2003年这里成立了我国最大的国家级自然保护区,并陆续投入超过100亿元开展大规模的生态保护和建设工程。为改善区域干湿状况,促进生态系统的恢复,三江源地区的人工增雨工程被作为重要建设性措施而长期开展。全球气候变化背景下三江源地区近几十年出现了显著变暖趋势,且其增温速率明显大于全球增幅[7-10],并可能进一步变暖[11, 12]。气候显著变化必将反映在和影响到干湿状况的变化中,从而对生态环境系统产生直接的影响。因此,作为气候变化的指示性因子和植被生态系统的影响因子,三江源地区干湿状况的研究不仅具有重要的科学意义,也具有很高的应用价值。

        湿润/干燥指数作为热量与水分的综合因子,控制陆地生态系统与大气之间能量和物质交换,可以指示一地区能量和湿度从地面到大气的转换情况,并直接影响到植被产量及水分需求[13]。近几年,我国基于湿润指数进行区域干湿状况变化的研究已取得大量成果[14-19],并就暖湿化和暖干化趋势进行了广泛的讨论[20, 21]。[13, 22]讨论了青藏高原湿润度的变化趋势,但大多数研究基于区域或地区大尺度干湿状况变化的讨论,有关三江源地区干湿状况的描述缺乏详细分析和专门的研究。李轶冰等人分析了1961-2002年三江源地区干湿状况的变化情况[23],但仅基于气温和降水数据,忽略了风速和相对湿度等因子的计算结果不能更准确地反映实际干湿状况,而气温、降水、风速等因子变化对干湿状况影响分析方面的不足也正是我们急需探讨的一个方面。此外,上世纪90年代后三江源地区气温显著变暖,干湿状况出现明显变化[16, 17],这种变化幅度和趋势在进入21世纪后表现更为突出。而目前的研究大多截止于21世纪初,近十年最新变化状况的研究尚未见报道。

        三江源地区面积广阔,地形复杂,气候条件的空间差异明显,气候变化带有明显的空间地理属性差异[24, 25],干湿状况的研究必须重视空间分布的差异[26]。因此,本文在湿润指数变化空间差异的分析基础上,重点讨论1971-2010年不同地域干湿状况变化特征,并进一步探讨气候变化对其干湿状况的影响以及热量与水分匹配状况的演变趋势。


2. 研究区概况

三江源地区位于青藏高原腹地青海省南部,总面积30.25万km2,覆盖北纬31º39'~36º12',东经89º45'~102º23'的区域(见图1)。该区域是长江、黄河和湄公河的发源地。大部地区海拔在4000m以上,地势高耸、气候寒冷,年平均气温在-5.4℃-4.2℃之间,年降水量由东南部的770 mm向西北逐渐递减至260mm,气候条件具有明显的区域分异特征。植被以高寒草甸和高寒草原为主要覆盖类型[27],生态系统非常脆弱,对气候变化敏感且响应迅速[1, 28]。2003年1月,三江源自然保护区(国家级)正式成立。2005年8月正式实施《青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划》,在该区域开展包括生态移民、退牧还草、人工增雨等大规模生态保护和建设工程。

图1. 三江源地区地理位置及气象站点分布

Fig.1 The illustration of study area and meteorological station.


3. 数据与方法

        采用经验正交函数分解(EOF)方法,进行三江源地区湿润指数的时空特征分解,并划分特征分区,讨论各分区空间分布及其时间变化特征。通过线性相关和偏相关分析方法,揭示不同区域湿润指数变化的影响因子。

3.1 数据

        收集三江源地区18个气象站(见图1)1971~2010年逐月气温、降水、气压、风速、相对湿度地面观测数据。数据来源于青海省气候资料中心。

3.2 方法

3.2.1 EOF

        EOF(Empirical Orthogonal Function),称为经验正交函数分解。可以对时空数据变量矩阵进行正交函数展开,并检测分解出该时空变量的空间变异特征及其随时间的动态变化状况,实现相似变化空间区域的划分。其计算方法和详细展开形式参阅文献[29, 30]。本研究EOF计算采用距平数据序列基于相关系数阵计算。

3.2.2湿润指数(K)

        湿润指数的计算基于下式:

        K=R/ET                                        ⑴

        式中:R为降水量,ET为潜在蒸散量。

        ET的计算采用中国气象局推荐的生态气象监测标准中的计算方法[31],该方法为刘多森和汪纵生提出的动力学模型的改进形式[32]。

              ⑵

        式中:i为月份,di为该月天数,Ui为10m高度月平均风速(m/s),Pi为月平均气压(mb),ti为月平均气温(℃),Woi为温度为ti时的饱和水汽压(mmHg),hi为月平均相对湿度。

        饱和水汽压Wo(mmHg)的计算,区分两种条件:

        当月平均温度0℃<t≤30℃时:

        ⑶

        当月平均温度-40℃≤t <0℃时:

     ⑷

        由于该式计算过程中区分了不同温度条件,包含了高海拔寒冷地区低温对潜在蒸散计算干扰的考虑,相比于其他计算公式,更接近高海拔寒冷地区的实际。

        干湿状况的划分采用基于《联合国关于在发生严重干旱和/或荒漠化的国家特别是在非洲防治荒漠化的公约》[33]制定的中国干湿气候分区标准。其中:

        K<0.03 极干旱气候区

        0.03<K<0.2 干旱气候区

        0.2<K<0.5 半干旱气候区

        0.5<K<1.0 半湿润气候区

        K>1 湿润气候区

3.2.3 偏相关分析

        偏相关分析是在对其他变量的影响进行控制的条件下,衡量多个变量中某两个变量之间的线性相关程度的指标。即在排除了其他变量的影响下计算两变量间的相关系数。当变量间具有较高的自相关性时,这种分析可以更合理、可靠地描述两个变量间实际的联系。本研究通过SPSS11.3软件进行偏相关系数的计算。


4. 结果分析

4.1 三江源区干湿状况分布

        从1971-2010年近40年平均年湿润指数的空间分布可以看出(图2.a)三江源地区总体处于湿润、半湿润气候区,气候湿润状况自东南向西北方向由湿润向半湿润、半干旱气候区过渡。东南部的黄南南部、果洛南部地区气候湿润,西部的可可西里西部地区处于半干旱区。但气候湿润状况年内分布差异明显,气温高于0℃的夏半年(4~10月)湿润指数均大于1.0,但气温低于0℃的冬半年气候干燥。

        对比春、夏、秋、冬四季湿润指数空间分布特征(图略),发现除冬季外,其余时段湿润指数空间分布与年平均状况基本一致,因此本文主要基于年平均湿润指数值的空间分布特征进行时空变化分析。

图2. 1971-2010年三江源地区湿润指数40年平均的空间分布(a)及月变化(b)。

Fig.2 Spatial pattern (a) and monthly variations of humidity index averaged for the period of 1971-2010 in Three-River Resource Region.

4.2 湿润指数变化的区域特征

        1971-2010年三江源地区18个气象站湿润指数EOF分解结果表明,前三个特征向量场收敛很快,其累计方差解释率达到63.3%,代表了三江源区干湿状况时空变化的最主要特征。第四向量场后收敛速度明显下降,且方差解释率均低于5%。因此,本文主要分析EOF分解前三个特征向量场。

        EOF分解第一特征向量场(EOF-1)方差解释率达到37.4%(图3a),代表了三江源地区干湿状况变化的最主要特征,主要指示了东部和中部主体区域近40年干湿状况的变化特征,说明三江源大部分地区干湿状况变化具有较强的一致性。第二特征向量场(EOF-2)反映出三江源地区干湿状况的南北反相位变化特征(图3c),揭示了三江源地区干湿状况变化在南部和北部地理空间上所存在的显著差异。第三特征向量场(EOF-3)则表明了三江源地区干湿状况变化的东西部差异(图3e)。EOF-2和EOF-3的空间分布特征清晰地表现了三江源地区干湿状况变化与地理位置的关系和依赖性,客观认识其变化特征必须考虑其在地理空间分布上的差异。

图3 三江源区湿润指数EOF分解前三个特征向量场(a、c、e)及其中心区(b、d、f)湿润指数三年滑动平均时间变化曲线

        实线代表正值区,灰线代表负值区,虚线为变化趋势

        Fig.3 Spatial pattern of first three humidity index eigenvector field of EOF (a, c, e) and its temporal variations in a basic of 3 years move meaning of humidity index in high value zone of EOF(b, d, f), where solid line shows the variations in positive zone and grey line is negative zone, dash line is its trend in (b), (d) and (f)respectively.


4.3干湿状况时间变化的区域差异

        以EOF分解特征向量场各气象站点因子载荷>0.5为中心区[34],挑出前三个EOF分区中心区代表站点。其中:EOF-1区代表站点为:曲麻莱、治多、清水河、玛多、兴海、同德、玛沁、达日、班玛和泽库10站;EOF-2区正值区以囊谦和玉树为代表站,负值区为曲麻莱和兴海;EOF-3区囊谦代表正值区,河南为负值区。图3b,d,f分别为前三个EOF分区正负中心区平均湿润指数三年滑动平均时间序列。

        图3b指示三江源主体区域(EOF-1)湿润指数总体呈下降趋势,其趋势约在1982年后表现更为明显,呈持续明显下降趋势,期间下降趋势百分率达到-5%/10a。表明三江源大部地区在上世纪80年代初就进入一个持续干旱化的时期,这种变化结果在21世纪初的几年表现最为明显,湿润指数的由高值向低值转换的幅度达到0.25左右。干湿状况也由上世纪80年代和90年代的湿润气候转变为半湿润气候。

        EOF-2区指示的三江源南部区域湿湿润指数总体呈下降趋势(图3d),且1980年后这种趋势更为明显,其下降趋势百分率达到-5%/10a,但其半湿润气候特征没有改变;而北部地区在1990年代进入一个明显低值期,其明显下降趋势也大约出现于1982年左右。与其他区域显著不同的是,三江源北部地区在上世纪90年代后期直到2010年湿润指数呈明显上升趋势,其上升趋势达到9%/10a,气候湿润化趋势明显。三江源西部区域湿润指数总体呈先升后降趋势(图3f),值得注意的是进入21世纪后,该区湿润指数迅速下降,其值降低约0.30,近10年干燥化趋势明显;东部区域总体呈下降趋势,约在1982年后下降趋势特别明显,趋势值达到-8%/10a。但大致在2001年后湿润状况出现改善趋势。

        总体而言,三江源大部地区于上世纪80年代初出现较明显变干趋势,但地理空间差异在北部与南部、东部与西部表现明显,且呈明显反相位特征。进入21世纪的近10年东部和北部变湿趋势明显,南部和西部呈强烈变干趋势。

4.4不同区域干湿状况变化的季节特征

        由图2b可知三江源地区湿润指数季节差异明显。因此,不同区域不同季节干湿状况的变化特征也值得进一步探讨。EOF分解得到的5个特征区域春、夏、秋、冬四季湿润指数值的大小可以发现(图4),三江源地区湿润程度的季节差异非常明显,夏季和秋季气候湿润,而冬季和春季则处于干旱或半干旱状况。

        春季,以河南县为代表的东部局部地区湿润指数大致介于0.5 ~1.0(图4e),其余地区湿润指数均在0.5左右波动。三江源大部地区近40年总体呈下降趋势(图4a),上世纪80年代和90年代处于偏湿润时期,而70年代及21世纪则处于相对偏干时期,但变化幅度较小。北部和东部年代际变化幅度较大(图4c,e),自上世纪80年代初,表现出较明显的干燥化趋势。与此相反,南部和西部湿润指数总体呈持续、明显的上升趋势(图4b,d),湿润化趋势明显,进入21世纪后达到并超过湿润状况最好的70年代。

        夏季,三江源各地区均处于湿润气候状况,三江源主体区域及北部和东部地区干湿状况总体呈减少趋势,其中东部地区下降趋势显著,湿润指数自上世纪80年的最高值至21世纪初下降了1.0,但这些区域在经历了2001年的突然下跌后,又表现出明显的恢复上升趋势(图4a,c,e)。南部和和西部地区则表现出较为一致的年代际振荡特征(图4b,d),上世纪70年代末~80年代初、80年代末~90年代初、90年代末~21世纪初为湿润指数相对偏高时期,其余时期为相对偏低时期。但总体上南部呈弱下降趋势而西部呈增加趋势。

秋季,东部地区经历了一个比较明显的先降后升变化趋势(图4e),上世纪70年代~90年代末为下降期,其后进入一个持续上升期。其余地区则表现出较为一致的年代际波动特征,呈弱的下降趋势,但其相位却与夏季相反(图4a,b,c,d)。

冬季,由于湿润指数值较小,各区变化幅度小,但东部地区有较明显的增加(图4e),三江源主体区域和南部与西部地区呈下降趋势,这种趋势更明显地表现在上世纪90年代中期至21世纪的这一时期。

图4 三江源地区前三个EOF分解特征向量场代表站点1971-2010年春、夏、秋、冬季三年滑动平均湿润指数曲线。

其中:(a)EOF-1区,(b)EOF-2正值区,(c)EOF-2负值区,(d)EOF-3正值区,(e)EOF-3负值区.

        Fig.4 Spring, summer, autumn and winter 3-year move meaning humidity index of sampling stations from 1971-2010 in first three eigenvector field of EOF.

 Where (a) indicate EOF-1, (b) and (d) are positive zone of EOF-2 and EOF-3, (c) and (e) are negative zone of EOF-2 and EOF-3 respectively.


4.5 湿润指数对气候因子响应的区域特征

        为了分析不同区域湿润指数变化的主导气候因子,我们计算了三江源区EOF特征分区代表站点湿润指数与气温、降水、风速、相对湿度间的线性相关系数,由于以上四个气候因子间存在很强的自相关性,为了避免多重共线性的影响,进一步计算了偏相关系数(表1)。

        简单相关系数表明,降水和相对湿度是影响三江源地区湿润指数最主要的两个因子。但偏相关系数表明,在考虑了因子间的相关作用后,三江源主体区域(EOF-1区)及东部地区(EOF-3负值区)干湿状况的变化决定于降水、相对湿度、气温和风速的综合影响,降水量的大小主导了这些区域干湿状况,但气温和风速的增加将加大干旱的程度。在三江源南部(EOF-2正值区)和西部区域(EOF-3正值区)降水量和相对湿度大小决定着湿润指数的高低。三江源北部地区(EOF-2负值区)降水量虽然仍是干湿状况变化的主导因素,但气温也具有重要影响。

表1 三江源区湿润指数与气候因子相关系数和偏相关系数

Table 1 the linear and partial correlation coefficients between climate factors and humidity index in Three-River Resource Region.

空间分区

相关系数

偏相关系数

气温

降水

风速

相对湿度

气温

降水

风速

相对湿度

EOF-1

-0.2479

0.7196*** 

-0.0753

0.6384*** 

-0.5174***

0.9285***

-0.4315**

0.7700***

EOF-2正值区

-0.2669

0.7702***

-0.1958

0.6159***

-0.2308

0.9263***

-0.1781

0.7060***

EOF-2负值区

0.0721

0.8656***

-0.3270

0.6429***

-0.4522**

0.9059***

-0.3138

0.5348***

EOF-3正值区

-0.015

0.7844***

-0.3155

0.5426***

-0.0482 

0.9063*** 

-0.2738

0.7058*** 

EOF-3负值区

-0.2474

0.7405***

0.1571

0.4451**

-0.5343*** 

0.9219*** 

-0.3338*

0.7056*** 

注:*表示相关系数通过0.05显著性检验水平,**为通过0.01显著性检验水平,***为0.001显著性检验水平。

        选择各分区内偏相关系数通过0.05显著性检验水平的气候因子,将其与湿润指数距平百分率绘于图5,以便对比和进一步揭示气候因子对三江源干湿状况的影响。图5a表明,三江源主体区域1971~2010年湿润指数总体呈下降趋势,年际波动特征与降水在上世纪90年代初期前保持高度的一致性,但其后则与降水的变化差异明显,在年降水量明显增加的情形下,湿润指数仍表现出下降趋势。这表明,进入上世纪90年代后湿润指数受其他因子影响的比重加大。计算90年代前后两个时期各因子与湿润指数的相关系数发现,与降水的相关系数在90年代以前为0.90,之后下降为0.16,而气温的相关系数则由0.11变为-0.49(通过0.05的显著性检验),风速的影响略有下降,相对湿度的影响则有所提高。90年代后,气温表现出一个显著上升的趋势,相对湿度则在90年代中期后出现明显下降趋势,这说明气温的显著升高已经对三江源地区湿润状况带来直接影响,并已成为影响这一地区干湿状况的重要因子,气温显著上升和相对湿度的下降引起90年代后湿润指数的下降,使得气候趋向暖干化发展。

        三江源南部和西部地区湿润状况主要与降水和相对湿度的大小存在密切关系,该两区域湿润指数具有同位相的年代际波动特征,与EOF-1区相同的是,本区湿润指数大致在90年代以前与降水保持非常高的一致性,但90年代后其干燥化趋势主要缘于相对湿度的贡献。三江源北部地区湿润指数近40年与降水量的变化始终保持较高的一致性,该区域年平均降水量约390mm,明显低于其余地区,使得降水量的多少成为主导本区域湿润状况的决定性因子。但值得注意的是,进入90年代后气温呈明显升高趋势且与湿润指数的变化保持较一致的波动特征,在渡过了80年代明显湿润期并迅速进入90年代的相对干燥期后,本区域暖湿化特征明显。东部地区与北部区域具有较为相似的响应特征,只是湿润状况对降水的依赖程度略有减弱,在经历了80年代和90年代持续的干燥化趋势后,进入21世纪也表现出较明显的暖湿化趋势。

图5  1971-2010年三江源不同区域湿润指数及其高影响气候因子距平百分率。

其中:(a)为EOF-1区,(b)为EOF-2正值区,(c)EOF-2负值区,(d)为EOF-3正值区,(e)EOF-3负值区。

Fig.5 The percentage of anomaly humidity index and climate factors which are closely relate to humidity index in zone of EOF (same as Fig.4) 

in Three-River Resource Region.


5. 小结

        三江源地区干湿状况的变化在北部与南部、东部与西部地区间存在显著的空间差异,并呈明显反相位变化特征,其余大部地区干湿状况的变化具有较强的一致性。其中北部和东部的部分区域分别在上世纪90年代和21世纪后表现出气候湿润化趋势,其余大部地区近40年总体呈持续干旱化趋势,南部和西部呈显著变干趋势,湿润指数线性趋势率达到-8%/10a。这些地区显著的干旱化趋势开始于上世纪80年代初。

        三江源大部地区属半湿润与湿润气候区,但季节差异明显,夏季和秋季气候湿润,而冬季和春季则表现为干旱或半干旱状况。近40年南部和西部地区春季表现出较明显的湿润化趋势,其余地区则总体呈干旱化趋势。夏季,三江源西部地区湿润指数总体呈增加趋势,其余区域干旱化趋势延续,但值得注意的是,进入21世纪后,西部地区出现干旱化演变特征,而其余大部地区,则表现为湿润化趋势。秋冬季,东部地区有湿润化趋势,其余地区湿润指数则呈弱下降趋势。

三江源干湿状况主要决定于降水量和相对湿度的变化,但在东部和中部的大部地区气温和风速也是影响干湿状况重要因子。在三江源北部和东部区域,降水量的多少是主导干湿状况的决定因子,随着降水增多湿润指数增加,在气温升高的背景下,这些区域在近十几年呈较明显暖湿化趋势。中部和东部的大部地区,自上世纪90年代中期后,气温的显著上升已引起湿润指数的明显下降,并已成为影响这一地区干湿状况的关键因子之一,在降水明显增加的背景下,这些地区仍然表现出显著的暖干化趋势。而西部和南部地区则由于相对湿度的下降,表现出较的干燥化趋势。



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Spatial pattern of aridity/humidity variations from 1971-2010 in Three-River Source Region on the Qinghai-Tibet Plateau


Weixin Xu1,2,3, Song Gu4,1, Juan Zhang2, Sha Jiang4, Ruixiang Xiao2, Wenjiang Su2,


(1.Northwest Institute of Plateau Biology, Chinese Academy of Sciences, 23 Xinning road, Xining, P.R. China; 2.Meteorological Institute of Qinghai Province, 19 Wusi road, Xining, P.R. China;3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 19A Yuquan road, Beijing, P.R. China;4. Nankai University, College of Life Sciences, 94 Weijin road, TianJin, P.R. China)

Abstract: The humidity indexes were computed by ground-observed meteorological data in the Three-River Source Region (TRSR) in the hinterland of Qinghai-Tibet Plateau, and spatio-temporal variation of aridity/humidity conditions and its dominated factor were analyzed using the method of Empirical Orthogonal Function (EOF), linear correlation and partial correlation analysis. The results show a clear of opposite mode in the zone of northern toward southern and western toward eastern in TRSR. It was found that there is a wet tendency after 1990s and 21 century in the zone of northern and eastern respectively, but a continual dry tendency since 1980s, especially in the zone of southern and western with a remarkable decreased trend(-8%/10a), occurred in other area of TRSR. Aridity/humidity conditions are controlled by precipitation and relative humidity in generally, but the situation is changed evidently after Mid-1990s in the most area of TRSR due to a significant warming, and temperature plays a key of factor to dominate a decreased trend of humidity index even if precipitation increases markedly since then. under climate warming scenarios, a tendency of heat and wet shows obviously in the zone of northern and eastern and heat and aridity in a certain extent in most area of TRSR.


Keyword: Three-river resource region; humidity index; climate change