宁婷婷,刘文兆,韩晓阳,林文

(中国科学院水利部水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌;中国科学院大学,100049,北京)

干燥指数是表征一个地区地表干湿状况的指标,长期应用在地理学、生态学等学科研究中,近年来成为全球变化研究中经常涉及到的气候指标之一,一般以潜在蒸散量与降水量的比值表示[1]。在降水量小于潜在蒸散量的地区,其干燥指数大于1,气候比较干燥,相反,降水量大于潜在蒸散量的地区则较为湿润[2]。潜在蒸散量是指充分供水条件下的区域蒸散发能力[3]。干燥指数可以看作是区域的气候指示器,其变化会影响到区域水文循环、生态系统和水资源的管理[4]。

以气候变暖为主要特征的全球变化已成为一个不争的事实[5],气候变化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气候变化研究的热点[6]。一般认为,全球变暖应该使地表空气更加干燥从而导致水体和陆地的潜在蒸散量增加,但事实却与此相反。已有大量研究[7-9]表明,世界上许多地区潜在蒸散量在过去的几十年呈下降趋势[10]。尽管潜在蒸散量有减小的趋势;但是全球降水量的趋势却因地区而异,如近几十年来,北半球高纬地区和赤道地区降水量有增多趋势,而中国、澳大利亚和一些太平洋岛国部分地区降水量却是减少的[11]。在全球潜在蒸散量和降水量都发生变化的同时,地表的干湿状况又发生了怎样的变化,这同样也引起了广泛的研究。如H.Tabari等[12]发现,伊朗1966—2005年的干燥指数有减小的趋势,Zhang Qiang等[13]对珠江流域的干燥指数研究发现,1960—2005年流域西部有变干的趋势,而东南部则变得更湿润,Huo Zailin等[14]的研究表明,1955—2008年中国西北干旱地区的干燥指数有减小的趋势。由此可见,受潜在蒸散量和降水量地区间不同变化趋势的影响,干燥指数的变化也因地区而异,因此很有必要展开区域研究。

内蒙古东胜矿区地处毛乌素沙地与黄土丘陵沟壑区风、水复合侵蚀的中心地带(图1),多年平均降水量约为385 mm,潜在蒸散量为1 128.1 mm。行政上属伊盟东胜等旗市管辖(E 108°40′～110°50′,N 39°20′～ 40°15′)。 矿区南北长 100 km,东西最宽110 km,面积8 794 km2。矿区含煤面积1 030 km2,探明储量131 Gt,盛产低灰、低硫、低磷的优质动力煤和气化用煤[15]。煤矿开采是本区的支柱产业,但同时也带来了一系列的生态环境问题,如土地沙化及水土流失加重、水资源污染及水资源短缺扩大化等,人类活动的影响表现突出。选择这一区域,就长时段地表干湿状况的变化过程进行分析,查明主导气象因子,并说明其中人类活动的可能影响,对于东胜矿区乃至整个晋陕蒙接壤区的矿业发展与环境治理具有重要意义。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1 研究方法

1.1 数据来源

研究区为内蒙古东胜矿区,选择站点为国家级台站——东胜站(E 109.98,N 39.83),研究时段为1957—2012年。气象资料来源于中国气象数据共享服务网。所用气象数据包括逐日最高、最低和平均气温,日照时间,风速,相对湿度和降水量等。

1.2 干燥指数

自1990年以来,中外学者陆续提出了20多种干燥指数的计算方法[1],其中用潜在蒸散量和降水量之比来表达的较多,计算公式为

式中:φ为干燥指数;E0为潜在蒸散量,mm;P为降水量,mm。

潜在蒸散量的计算采用FAO 56推荐的Penman-Monteith模型,该方法较全面地考虑了影响蒸散的各种因素,而且在气候条件差异较大地区的应用中都取得了较好的结果,计算精度优于其他方法,目前被认为是计算潜在蒸散量精度最高、应用最广泛的一种方法[16-17]。其计算公式[3]为

式中:E0为潜在蒸散量,mm/d;Rn为作物表面净辐射量,MJ/(m2·d);G 为土壤热通量,MJ/(m2·d);γ 为湿度计常数,kPa/℃;Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率,kPa/℃;θ为平均气温,℃;v为在地面以上2 m处的风速,m/s;es为饱和水汽压,kPa;ea为实际水汽压,kPa。

1.3 Mann-Kendall趋势检验和突变检验

采用非参数Mann-Kendall(以下简称M-K法)趋势分析及突变检验法来检测干燥指数的突变。M-K法是用来评估气候要素时间序列的检验方法,以适用范围广、人为性少、定量化程度高而著称[18],其检验统计量公式为

式中sgn()为符号函数。当xi-xj小于、等于或大于零时,sgn(xi-xj)分别为-1、0或1,而M-K趋势检验的统计值文中用Zc表示。

1.4 水文频率分析

一般认为,皮尔逊Ⅲ型曲线[19]比较符合水文随机变量的分布,因此,采用该曲线来拟合干燥指数的多年变化,从而掌握其频率变化特征以及不同水文频率下的重现期。

1.5 小波分析

小波分析在气候变化研究中显现了年与年之间、波长与波长之间的波幅变化形态与特征,已广泛地应用于气象领域,并成为研究气象要素长期变化的重要工具[20]。通过Morlet小波分析方法研究内蒙古东胜矿区近56年干燥指数变化规律,分析方法参照文献[21]。

1.6 主导因子和贡献值分析

由干燥指数的计算公式可知,干燥指数是降水量 P、日照时间 th、实际水汽压 ea、最高气温 θmax、最低气温θmin和风速v的函数,即φ=f(P,th,ea,θmax,θmin,v)。当自变量只有时间t时,利用全导数公式可计算研究时段内各气象要素随时间发生变化后对干燥指数变化的贡献值:

式中,等号左边代表干燥指数在研究时段内的变化量,等号右边的6项是干燥指数对各变量的偏导与各变量的斜率乘积,代表研究时段内降水量、日照时间、实际水汽压、最高气温、最低气温和风速发生变化后对干燥指数年变化量的实际贡献值,并规定引起干燥指数上升为正贡献,引起干燥指数下降为负贡献。

以年为单位,通过多元线性回归方法,先求出式(4)中所对应的各变量偏导部分,作为干燥指数随各气象要素的平均变率,再乘以各要素随时间的平均变率,即可得到式(5)中各气象要素对干燥指数变化的贡献值。此外,各气象因子对干燥指数的相对贡献值可由 C(P)、C(θmax)、C(θmin)、C(v)、C(ea)和C(th)6项气象因子的相互比值来表示。

2 结果与分析

2.1 干燥指数的时程变化

图2显示的是近56年东胜矿区干燥指数的多年变化趋势。可知,该地区干燥指数的多年平均值为3.2,干燥指数的波动范围为1.5～6.3,波动范围较大,最干燥的一年是2000年,最湿润的一年是1961年,极值的出现很大程度上都与降水量有关,1961年是56年降水量最多的年份(709.7 mm),而2000年却是降水量最少的一年(181 mm)。通过线性回归分析可知,近56年干燥指数上升幅度仅为0.004/a。

对该区56年的干燥指数月均值作M-K检验(图3),可以看出:1、2、4、7、8 和 10 月的 Zc为正值,表示近56年这些月份地表有逐渐变干的趋势,而其他月份则有逐渐变湿润的趋势,但其中只有12月份达到了显著水平(P＜0.05);所以,在月尺度上,地表干湿状况值虽有波动变化,但是趋势不明显。根据郑景云等[22]对干湿区划分的标准,该区春季(3—5月)和冬季(12月—翌年2月)属于干旱气候类型,而到了夏(6—8月)、秋(9—11月)季节,又向半干旱过渡。

图2 近56年干燥指数趋势变化Fig.2 Trend variation of aridity index in recent 56 years

图3 干燥指数多年月均值M-K检验Fig.3 M-K test results of monthly aridity index

2.2 干燥指数的突变分析

图4 是近56年东胜矿区各季节和全年干燥指数M-K突变检验结果。图中实线表示顺序变化曲线UF,虚线表示逆序变化曲线UB,2条临界线的值为±1.96(为显著水平0.05下的t检验值)。若UF大于0则表明序列呈上升趋势,反之则为下降趋势;当超过临界线时,表明上升、下降趋势明显。如果UF线和UB线超过y=±1.96信度线,并且2条曲线交于信度线之间,那么交点对应的时间即是突变开始时刻[21,23]。图中,虽然2条线在信度线之间有交点,但是都未突破信度线。说明近56年干燥指数并不存在统计上的突变点,但也不能忽视干燥指数发生的明显的阶段性变化。结合干燥指数多年变化趋势可知,几个交点中,1998年前后2个阶段干燥指数均值发生的变化最明显,1998年前后干燥指数分别为2.97和3.62,该年以前地表是逐渐变湿润的,而之后则逐渐变干。

2.3 重现期分析

采用皮尔逊Ⅲ型频率分布对1957—2012年东胜矿区干燥指数进行重现期分析,确定各干燥指数的概率分布和各种重现期下的干燥指数的极值。首先通过56年的干燥指数计算实际频率值,点绘在机率格纸上,然后通过“适线法”确定皮尔逊Ⅲ型分布曲线3参数(均值离势系数Cv、偏态系数Cs),从而得到皮尔逊Ⅲ型的理论频率曲线。从图5可以看出,实际频率曲线和理论频率曲线拟合较好,说明用皮尔逊Ⅲ型分布来推算该区不同干燥指数的重现期及不同重现期下干燥指数的极值估计结果是可信的。

图4 多年干燥指数的M-K突变检验Fig.4 M-K abrupt change test of annual aridity index

用适线法确定皮尔逊Ⅲ型分布曲线后,即可算出各种概率P对应的皮尔逊Ⅲ型分布的干燥指数理论值,50年一遇的干燥指数极大值和极小值分别为6.32和1.51,20年一遇干燥指数值分别为5.5和1.70,10年一遇干燥指数值分别为4.83和1.91。

2.4 周期特征分析

对干燥指数的时间序列进行小波分析,结果见图6。Morlet小波系数实部图表示东胜矿区干燥指数的时间尺度特征。图中横坐标为时间(年份),纵坐标为时间尺度(a),图中的等值曲线为小波系数实部值。当小波系数实部值为正时,代表干燥指数高值期,在图中用实线绘出,H表示正值中心,负值则表示干燥指数低值期,用虚线绘出,L表示负值中心。信号振荡的强弱是通过等值线的密集程度来表示,等值线越密集表示比常年越干燥。

由图6可以看出,干燥指数系列存在着时间尺度上的复杂嵌套结构,小尺度变化嵌套在较大尺度的变化下。较大尺度18～25年上的周期震荡非常明显,期间经历了逐渐变干—逐渐变湿的4个循环。其中,1957—1960年、1967—1974年、1982—1988年、1996—2002年、2009年以后地表有逐渐变干的趋势,其余年份则有逐渐变湿润的趋势。值得注意的是,在18～25年较大尺度上,2009年以后的等值线图未闭合,据此可推断未来一段时间里还将继续变干。中尺度变化以1985年为界,可分为2个阶段:1985年以前以10～15年的尺度为主,存在3个振荡循环;1985年以后则以7～12年的尺度为主,存在4个振荡循环。小尺度变化则以3～5年的尺度为主,震荡周期比较短。

图5 东胜矿区干燥指数的皮尔逊Ⅲ型分布曲线Fig.5 PearsonⅢdistribution curve of aridity index in Dongsheng mining area

图6 干燥指数的Morlet小波实部图Fig.6 Real part of Morlet wavelet of aridity index

图7 干燥指数小波方差图Fig.7 Wavelet variogram of aridity index

图7 是东胜矿区近56年干燥指数的小波方差图。可以看出,小波方差图中出现了4个较明显的峰值:5、7、12和24年,其中第1震荡主周期为12年,第2震荡主周期为7年,第3、第4主周期分别为24和5年。这说明上述4个周期的波动控制着该地区干湿状况在整个时间域内的变化特征。

2.5 主导因子分析

近56年,降水量、日照时间、实际水汽压与风速呈下降趋势,但经M-K趋势检验,除风速外均未达到显著水平;而最高气温和最低气温呈上升趋势,二者均达到了显著水平(P＜0.01)。近56年干燥指数的变化趋势为0.004/a,通过全导数的方法求得各气象因子对干燥指数年变化量的贡献值大小,其中,降水量对干燥指数年变化的贡献值为0.004 7,这可以解释为降水量与干燥指数呈负相关,而近56年降水量是呈减少趋势,所以其对干燥指数的贡献是正值。日照时间与干燥指数呈正相关,而56年其呈减小趋势,所以其对干燥指数的贡献是负值,为-0.000 8。同理,可以得到最高气温、最低气温和风速对干燥指数年变化量的贡献值分别为0.005 6、-0.002 7和-0.003 5。由表1可知,6个气象因子中,水汽压贡献值的绝对值最小,仅为0.000 1,令其为1,计算各气象因子对干燥指数变化的相对贡献大小,从而得到影响近56年干燥指数变化的主导气象因子主要为最高气温,其次为降水量和风速。

3 讨论

始于20世纪80年代中期开发的神府东胜露天矿区,到90年代逐渐进入开采高峰期。90年代初生产规模只有3 000万t/a,在2002年突破5 000万t之后,2003年飙升到7 384万t,2005年一举突破1亿t大关达到1亿241万 t,2011年突破2亿万t[24-25]。90年代以来的这种大规模开采应当对地表生态环境和区域气候带来影响,而突变检验的结果也很好地验证了这点。1998年虽然不是统计意义上的突变年,但是,该年前后干燥指数的均值差异明显,影响干燥指数的主导气象因子发生了明显变化:1998—2012年最高气温、降水量和风速这3个要素与1984—1997年相比都出现了较大差异,风速和降水量有所减小(前后2阶段风速均值分别为2.97和 2.63 m/s,降水量均值分别为 391.6和367.82 mm),而日最高气温却有所增大(分别为11.90和12.85℃)。

表1 各气象因子的多年变化率及其对干燥指数的贡献值Tab.1 Change rate of climate variables and contributions of climate variables to aridity index

煤矿开采特别是露天煤矿开采对下垫面影响很大,大面积开挖扰乱了地表土层和植被,严重破坏了原生地貌,而下垫面的大规模扰动可能通过破坏地表及地下水的循环系统而减少地表径流量。相关研究发现,1997年是东胜矿区所在窟野河径流量减少的突变点[26-27],同时,窟野河流域的基流量占总径流量的比例约为40%,但其基流分别在1980和1996年发生了2次减少的突变[28]。这些径流的变化标示着区域蒸散量以及潜在蒸散量发生重要的变化,进而导致干燥指数发生改变。地表径流变化与干燥指数变化的关系可能难以简单量化,从突变年份比较相近来看,其中的关联性是存在的,需要就降水量、径流量、蒸散量及潜在蒸散量的关系做进一步的研究。此外,在较小空间尺度上,地形、植被等因素对确定干燥指数的若干气象因子的影响会有所加强,这在地表有较大扰动情况下特别重要,其间的反馈与关联机制,也还有待于进一步探讨。

4 结论

1)内蒙古东胜矿区干燥指数的多年平均值为3.2,上升幅度仅为0.004/a。除夏季有逐渐变干的趋势外,其他季节都呈现出变湿的趋势,但变化都不显著。1998年可认为是一个突变年,该年以前地表是逐渐变湿润的,而之后则逐渐变干。

2)50年一遇的干燥指数极大值和极小值分别为6.32和1.51,20年一遇干燥指数值为5.5和1.70,10年一遇干燥指数值分别为4.83和1.91。

3)干燥指数年值在较大尺度18～25年上的周期震荡最明显,期间经历了逐渐变干—逐渐变湿的4个循环。中尺度和小尺度则分别以7～12年和3～5年震荡周期为主。第1震荡主周期为12年,第2震荡主周期为7年。

4)内蒙古东胜矿区干燥指数近56年波动较小,干燥指数最大值和最小值的重现期都超过了50年。

5)影响近56年干燥指数变化的主导气象为最高气温,其次为降水量和风速。