基于相对湿润度指数的近56年若尔盖湿地干湿变化

强皓凡, 靳晓言, 赵 璐, 卢泽华

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院, 成都 610065;2.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室, 成都 610066; 3.四川省农田水利局, 成都 610000)

IPCC第五次报告指出，全球变暖已成不争的事实，由此引发的气候异常时有发生[1]。气候变化将改变全球和区域水分循环，影响干湿状况，进而对农牧业生产和生态环境产生广泛而深刻的影响，因此近年来干湿变化受到越来越多的关注[2]。目前，研究区域干湿状况的指标达数十种，如降水距平百分率、标准化降水指数(SPI)、Z指数、相对湿润度指数(M)等[3]。其中M是指某时段降水量与可能蒸散量的差占同时段可能蒸散量之比，该指数以土壤水分收支平衡为基础，适用于季、年尺度干旱监测和评估[4]。由于地表干湿状况受多种自然因素如降水、气温、相对湿度、蒸散等综合作用的影响，因此，单因子干湿指标存在很大局限性[5]，而M综合考虑多因子的指标逐渐被科学界所认可并得到广泛应用。王芳芳等运用M研究了石河子垦区近52 a干旱变化特征，发现该区干旱频发但旱情总体有所减轻[6]。王莺等用M研究了石羊河流域近52 a干湿特征，发现流域有微弱变干趋势，湿润度与降水、风速、相对湿度正相关而与潜在蒸散、平均气温、日照时数负相关[7]。姚玉璧等基于M研究了中国西南近55 a干旱特征，发现该区干旱以冬、春为主且未来数年干旱强度仍将增加[8]。

若尔盖高原湿地位于青藏高原东缘，是高原面积最大、最典型的高寒沼泽湿地，其主导功能是水源涵养，并具有径流调节、生物多样性保护、水土保持、沙化控制、调节局部区域小气候、环境自净及固碳等辅助生态功能[9]。若尔盖是长江、黄河源区重要的水源涵养地，素有黄河“蓄水池”之称，每年供给黄河超过30%的水量[10]。同时，若尔盖是我国生态脆弱敏感区，近年来，由于人类活动和自然因素的双重作用，湿地逐渐退化，沙漠化面积与强度明显增加，环境不断恶化[11]。目前针对若尔盖湿地生态环境和气候变化的研究较多，但主要集中于单气候因子变化特征等方面，还未深入探讨气候变暖背景下湿地季节性干湿变化特征及其原因。本文基于M，采用Mann-Kendall法、Morlet小波分析、Pearson相关系数等对若尔盖湿地1960—2015年干湿变化特征及其气候影响因子进行分析，对进一步研究湿地气候与环境变化具有重要意义。

1 材料与研究方法

1.1研究区概况和资料

若尔盖湿地(32°20′—34°00′N，101°36′—103°30′E)地处青藏高原东缘，主体位于若尔盖县和红原县，面积约1.6万km2，是我国特有的沼泽分布区，还是全球面积最大的高原湿地，生态研究意义重大。该区域属大陆性高原气候，平均海拔3 500 m，年均降水量650～750 mm，平均气温0.7～1.1℃[11]。依据该区地势地貌和资料的连续完整性等标准，选取5个代表气象站点(表1)。

表1 若尔盖湿地5个气象站地理位置

本文气象数据来源于中国气象数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，包括5个气象站1960—2015年逐日气象资料，即降水量(P)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、平均气温(Tmean)、相对湿度(RH)，10 m风速(U10)、大气压强(p)和日照时数(n)。采用气象学标准划分季节，即3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—翌年2月为冬季。

1.2 相对湿润度指数

相对湿润度指数(M)综合降水与需水信息，适于旬以上尺度干湿研究[12]，其公式如下[13]：

(1)

式中：P为某时段降水量(mm)；PE为某时段可能蒸散量(mm)。采用1998年世界粮农组织(FAO)推荐的修正Penman-Monteith公式计算[14]，即PE=ET0：

(2)

式中：Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃)；γ为干湿计常数(kPa/℃)；U2为2 m高处风速(m/s)；Rn为净辐射(MJ/m2)；G为土壤热通量(MJ/m2)；T为平均气温(℃)；es和ea分别为饱和水汽压和实际水气压(kPa)。除净辐射Rn应进行地区校正外[15]，各变量根据FAO方法计算[14]。本文采用左大康等的经验系数计算Rn[16]，公式如下：

(3)

式中：σ为Stefan-Boltzmann常量(4.903×10-9MJ/K4·m2)；n为实际日照时数(h)；N为最大日照时数(h)；Rso为晴天辐射(MJ/m2)；Tmax,k，Tmin,k分别为最高和最低气温(K)。

参考国家标准《气候干旱等级》[13]并结合湿地实际情况，采用订正后的相对湿润度指数分级[12]，为便于分析，认为年尺度M≤-0.15及季尺度M≤-0.30即发生干旱(轻旱及以上)。

1.3 分析方法

采用气候倾向率[17]和非参数Mann-Kendall检验法[18]对M和气候因素进行趋势分析和突变分析，采用Morlet小波分析[19]研究干湿周期变化规律，采用Pearson相关系数[17]分析M和各气象因子之间的关系。

2 结果与分析

2.1 干湿变化年际分析

由图1A看出，近56 a若尔盖湿地年M变化区间为-0.184～0.342，仅1 a轻旱，多年平均值为0.131，但呈显著递减趋势(MK检验Z=-1.64，p<0.05)，倾向率为-0.018/10 a，说明近56 a若尔盖湿地有干旱化加重的趋势。由图1B—E看出，湿地春季M在-0.491～0.217间变化，共9 a发生干旱，平均-0.143，倾向率为0.026/10 a，呈显著递增趋势(Z=1.82，p<0.05)，说明近56 a来春季呈湿化趋势。夏季M在-0.042～0.826间变化，平均0.408，倾向率为-0.026/10 a，呈干化趋势但不显著。秋季M在-0.197～1.363间变化，平均值0.437，倾向率为-0.073/10 a，呈极显著递减趋势(Z=-2.60，p<0.001)，干旱化趋势显著。冬季M在-0.936～-0.429间变化，各年均发生不同程度干旱，平均-0.710，倾向率为0.003/10 a，呈干旱减缓趋势但不显著。总的来看，湿地不同时间尺度干湿差异较大，干旱程度依次为：冬>春>年>夏>秋，季节性干旱明显，干旱主要发生在冬、春两季且冬季极为严重，应重视防旱减灾工作，夏、秋两季则较为湿润。

2.2 干湿变化突变分析

为进一步分析不同时间尺度上的干湿变化特征，采用Mann-Kendall法对年、季相对湿润度指数变化进行突变分析(图2)。图2中UF，UB分别为顺、逆序曲线，若UF值>0(<0)，则序列呈上升(下降)趋势、趋于湿润(干燥)，超过临界值线则该趋势显著。若正反序列存在多个交点，受随机噪声干扰较大，这些点不是真实突变点，只有一个交点且位于临界值线之间，才能确定该点为突变点[17]。

由图2A看出，年M除1961年、1967年和1984年前后呈上升趋势外，其余年份均呈下降趋势，说明近年来年际干旱有持续加重的趋势，同时正反序列曲线在临界值线间有5个交点，说明年际干湿变化不存在明显突变。

图1 若尔盖湿地1960-2015年相对湿润度指数年、季变化

由图2B—E，春季M在1960—1963年、1973—1982年和1994年后均呈上升趋势，近年来春季干旱有所缓解，同样地，春季干湿变化无明显突变。夏季M除1983—1987年呈上升趋势外，其余年份均呈下降趋势，其中1968—1979年下降趋势显著(p<0.05)，近年来干旱化有所加重，同时夏季干湿变化无明显突变。秋季M在1986年以前呈波动变化，1986年以后呈下降趋势且2002年后下降趋势显著(p<0.05)。秋季正反序列曲线在显著性水平线之间仅在1995年处交叉，UF值在1995年后为负值且一直减小，说明秋季在1995年后发生趋干突变，地表干旱化程度加剧，突变前后年均M由0.516降至0.296，降幅为-74.4%。冬季M在1990年以前较为波动，1990年后持续上升，干旱有所缓解，且冬季干湿变化无突变。此外，结合Pettitt检验[17]对上述结果进行了验证，发现只有秋季于1995年发生突变(p<0.05)，其他时间尺度均无显著突变。

2.3 干湿变化周期分析

1960—2015年若尔盖湿地相对湿润度指数周期变化特征明显，存在多重时间尺度的强弱振荡周期变化，大时间尺度周期下镶嵌着更多的干湿交替(图3)，图中小波系数正值(实线)表示地表偏湿，小波系数负值(虚线)表示地表偏干。由图3A看出，年相对湿润度指数在25～30 a尺度上振荡最为显著且贯穿整个时间序列，呈现“干—湿—干—湿—干”的年际变化特征，干旱期为7～8 a；12～15 a尺度周期主要发生在1961—1989年，呈现4次“干—湿”循环，干旱期为4～5 a，年际干湿交替频繁；在7～10 a尺度上，1990—2010年出现更多的强弱振荡中心，干湿交替更加频繁，且2015年后负等值线未闭合，说明未来短期内地表仍然偏干。

由图3B可知，春季干湿变化存在3种尺度周期振荡。在15～22 a尺度上，经历了4次“湿—干”循环，干旱期为6～7 a；在9～13 a尺度上，出现多个强弱振荡中心，年际干湿交替频繁；在5～6 a尺度上，主要在1980—2015年振荡较强。由图3C看出，夏季干湿变化在24～30 a尺度上，呈现“干—湿—干—湿—干”年际变化特征，干旱期为7～9 a；11～15 a尺度周期振荡主要发生在1960—1995年，存在4次“干—湿”循环；4～10 a尺度周期振荡在整个时域内表现较为明显，且在1990—2015年振荡较强。由图3D看出，秋季干湿变化在25～30 a尺度上，呈现“干—湿—干—湿—干”年际变化特征，干旱期约9 a；在11～14 a尺度上，存在4次“干—湿”循环，且1995年以前信号较强；5～7 a尺度周期振荡在1962—1978年、1997—2010年较强，干湿循环交替频繁。整体来看，年际振荡时间尺度经历了“小—大—小”的变化过程。由图3E可知，冬季干湿变化的18～25 a尺度周期振荡在整个时域内表现较为明显，存在“湿—干—湿—干—湿—干—湿”的循环交替，干旱期为6～7 a；在9～13 a尺度上，干湿循环交替频繁，2012年等值线由负转正，短期内即将形成闭合中心，且18～25 a尺度周期已经形成新的负等值线，说明尽管冬季56 a来总体呈微弱趋湿倾向，但未来中短期内仍是干旱期，干旱程度可能较近几年有所加重，需提前做好防旱准备；4～5 a尺度在1960—1968年、2008—2015年振荡信号较强。

2.4 气候影响要素分析

由式(1)可知，M主要取决于降水与潜在蒸散的变化，而潜在蒸散受各种气象要素综合作用。为进一步探究气象要素对干湿状况的影响，计算各时间尺度气象要素变化趋势(表2)并对标准化处理后的气象要素和M作相关性分析(表3)。

由表2看出，近56 a若尔盖湿地年、季尺度平均气温均呈显著上升趋势(p<0.001)，其中冬季平均气温增速最大，为0.48℃/10 a，春季增速最小，为0.23℃/10 a。相对湿度则均表现为减小趋势，其中年、夏、秋季变化显著(p<0.001)且夏季降幅最大，为-0.74%/10 a。降水量仅春、秋两季变化显著(p<0.05)，其中春、冬为增加趋势，其余时间尺度为减少趋势。年、季风速均有所上升但不显著。日照时数在春、夏两季有所下降，其余时间尺度均上升，但变化均不显著。潜在蒸散各季均呈上升趋势，其中年、秋、冬季上升趋势显著(p<0.001)且年尺度增速最大，为7.16 mm/10 a，这与近年来气温上升、降水减少有关，也与本地区人口增加、过度放牧、植被减少[11]有关。

由表2看出，M与降水量关系最为密切，各季相关系数均达0.94以上(p<0.001)，说明降水量的变化直接影响湿地干湿状况的变化。具体来看，M与降水量、相对湿度呈显著正相关(p<0.001)，其中与降水量相关性在秋季最大(R=0.98)，与相对湿度相关性在冬季最大(R=0.86)，说明降水量和相对湿度的增加有利于M的提高。M与日照时数和潜在蒸散量呈显著负相关(p<0.05)，其中与日照时数在夏季相关性最大(R=-0.68)，与潜在蒸散量也在夏季相关性最大(R=-0.67)，说明日照时数和潜在蒸散增加会导致M的降低。M与风速在春、秋两季呈正相关，其他季节呈负相关，在冬季相关性最大(R=-0.36)且相关性显著(p<0.01)；M与平均气温也在春、秋两季呈正相关，其他季节呈负相关，相关性均不显著，说明风速和平均气温对M影响较小。总的来看，降水量、相对湿度的减少和日照时数、潜在蒸散量的增加对M的降低起主要作用，平均气温和风速的影响较弱。湿地干湿变化是各气象因素综合作用的结果，其中降水量是最主要影响因子。

图2 若尔盖湿地1960-2015年相对湿润度指数

图3 若尔盖湿地1960-2015年相对湿润度指数年、季变化小波分析

季节MPTmeanRHU2nET0全年-0.018*-4.070.33***-0.41***0.022.977.16***春季0.0265.94***0.23***-0.160.01-1.241.04夏季-0.026-3.690.27***-0.74***0.03-0.562.23秋季-0.073***-6.37*0.31***-0.71***0.023.772.29***冬季0.0030.720.48***-0.040.020.971.60***

注：“*，**，***”分别表示通过0.05，0.01，0.001置信度检验，下同。

表3 若尔盖湿地1960-2015年M与各气象要素的Pearson相关系数

3 讨 论

研究表明，近年来青藏高原大部分地区M呈增加趋势，主要原因是这些地区降水量的增加与潜在蒸散量的减少[20]。本文对位于高原东缘的若尔盖湿地的研究表明，湿地降水与相对湿度呈下降趋势，而潜在蒸散呈上升趋势，导致近56 a来M呈显著下降趋势(p<0.05)，同时气温显著上升(p<0.001)，暖干化趋势十分明显，表现出与高原主体气候湿润发展方向的差异性，亦与黄河源区21世纪以来暖湿化趋势不同。王建兵等[21]研究表明，青藏高原边坡地带的合作草地呈暖干化趋势；杨秀海等[22]研究表明，位于藏西北的阿里和那曲分别朝向暖干和暖湿方向发展。说明在相同气候背景下，不同地理位置呈现出不同的干湿变化趋势，进而对水资源利用与生态环境保护也会产生不同影响。同一地域在不同时间尺度下干湿状况与影响因素也不相同，本研究表明，若尔盖湿地在冬、春两季干旱严重但呈减缓趋势，主要是由于降水的明显增加；夏、秋两季及年尺度虽较为湿润但干旱化趋势加重，主要由降水与相对湿度的明显下降和潜在蒸散明显上升导致。此外，小波分析表明，各时间尺度上M均在20世纪80年代末至90年代末左右发生了明显的周期调整(图3)，21世纪后周期变化趋于稳定且普遍缩短，说明湿地的水热条件与生态系统稳定性发生了明显变化。

干湿变化在青藏高原气候变化的研究中备受关注，过去的研究多集中于高原主体，而对边坡地带研究较少[21]。若尔盖湿地作为黄河“蓄水池”，其气候干湿变化的深入研究对生态环境保护和黄河上游水资源利用具有重要意义[10]。本研究表明，近年来湿地呈暖干化趋势，降水减少而蒸散增加，这将加剧地表水分亏缺，导致作物受旱面积扩大，病虫害加重，加剧湿地退化和沙漠化，因此必须采取措施提高湿地应对干旱化的能力。另外，本文以M为干湿分析指标，然而干旱的发生不仅与气象要素的变化有关，冰雪融水补给、径流变化等下垫面要素均会影响干旱[6]，未来的研究需要结合其他条件进行区域干湿变化的综合分析。

4 结 论

(1) 若尔盖湿地年际M呈显著下降趋势(p<0.05)，其倾向率为-0.018/10 a，有干旱化发展趋势；冬、春两季干旱较为严重且近56 a有趋湿倾向，夏、秋两季较为湿润但近56 a有趋干倾向，干旱程度依次为：冬>春>年>夏>秋。

(2) 秋季于1995年发生显著趋干突变(p<0.05)，其他时间尺度无明显突变；

(3) 年际M存在25～30 a，12～15 a，7～10 a三种尺度的周期变化，春、夏、秋、冬各季亦存在多种时间尺度的周期振荡，未来中短期内冬季仍是干旱期。

(4) 湿地干湿状况受各气候因素综合作用，其中降水量是最主要的因子。降水量、相对湿度的减少和日照时数、潜在蒸散量的增加对湿地干旱化起主要作用，平均气温和风速的上升影响较小。

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