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中国北方干旱和半干旱地区地表水文变量的年际特征

马柱国^* 符淙斌

中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室, 中国科学院大气物理研究所全球变化东亚研究中心, 北京 100029.

收稿日期 2002年7月25日

摘要

以1951年至1998年中国160个站点数据资料为基础，分析了地表湿度指数（SHI）的特征。表面湿度指数定义为SHI =（P）/（P_e），其中P_e是由Thornthwaite方法提出的潜在蒸发量。比较了中国北方典型干旱区（华北和西北）SHI演化特征的差异。结果表明，中国北方的华北地区SHI呈下降趋势（干燥趋势），而西北部分地区（湿润趋势）则呈上升趋势。在区域变暖的情况下，华北中部地区的干旱主要是由于降水减少，此外还有部分原因是蒸发量增加。该地区的历史数据显示，干旱期约为40年。温度升高引起的蒸发量增加可能会加剧该地区的干旱，但不是造成干旱的主要原因。目前华北地区干旱的主要原因是降水减少。此外，还分析了不同季节的SHI变化；结果表明季节间的SHI变化存在显著差异。最后，给出了中国年平均SHI变化的地理分布。

关键词 地表水温变量；气候变化；地表湿度指数（SHI）；干旱

1.简介

作为一个严重的环境问题，干旱与气候变化和其他地表水文过程密切相关。过去，许多研究仅通过分析降水等气候变量来讨论干旱问题。然而，干旱不仅是一个气候问题，而且也是一个受其他环境过程影响的因素，如蒸发、径流和地面气温，这决定了它应该从多学科的角度进行研究。如何表达干旱的总体特征是正确认识干旱成因的关键。

本文采用Hulme等(1992)提出的地表湿度指数(SHI)来分析华北干旱区地表的干湿状态。该参数可以合理地反映陆地表面的干湿状态，因为它同时考虑了两个主要的地表水文过程——降水和潜在蒸发（Manabe，1981）。同时，还讨论了影响地表干湿状态的其他过程，并研究了干旱与区域变暖之间的可能关系。

在中国北方的干旱和半干旱地区，气候变化已经被许多研究者（Wei和Cao，1998; Yan，1995,1999）研究过。这些著作详细分析了降水的时空变化，但没有描述干旱的总体特征。例如，降水量的减少并不意味着干旱是由蒸发的不确定性引起的。此外，降水的增加也不能代表润湿的地表。最近，一些研究（Hulme等，1992; Fu，1994; Thomas，2000）强调了干旱特征在多学科研究中的表现。在这些论文中，研究了蒸发、全球范围内的干湿状态和干旱指数。尽管如此，中国北方干旱地区地表干湿状态以及季节和地区之间的差异尚不清楚。这些研究没有分析干湿趋势及其与全球变暖的关系。 Manabe的结果（Manabe，1981; Wetherald和Manabe，1999）表明，在全球变暖的影响下，夏季中纬度地区的土壤水分会减少。在这种情况下，由于其对水资源管理和利用的影响，中国北方干旱和半干旱地区的情况是一个重要的科学和社会问题。因此，本文将研究时间和空间的变化，以及两个典型干旱地区之间的差异。

本文对年际变化的趋势和区域差异进行了研究，展示了SHI在各区域的趋势和地理分布的显著性检验。 此外，本文还研究了两个典型区域的地表水分平衡的长期变化。

2.数据和方法

这些数据来自中国气象局从1951年到1998年的数据。中国有160个观测站，每月记录降水和地表温度。 一些长串行数据来自二氧化碳信息分析中心（CDIAC）数字数据包NDP012和NDP039，由Tao等人提供的原始NDP数据包（1991）的更新和放大版本，并添加了近年来中国气候中心每月降水和地表温度的数据。 本文中使用了相同的数据。

根据Hulme等(1992)的建议，地表湿度指数(SHI)可以写成:

SHI=P/P_e （1）

其中P是观测月降水量，P_e是月潜在蒸散量。使用修正的Thornthwaite方案（Ma，1999），仅从月平均表面温度计算潜在的蒸发蒸腾量。在公式（1）中，很容易看出影响地表水分收支的两个重要因素，即降水和潜在蒸发。因此，它是用于分析地表干湿状态（WDS）的合理参数，但在华北冬季，由于表面温度始终低于0℃，因此P_eequiv;0，SHI→infin;。所以，SHI不适合用于表示该季节的WDS。在冬季，可用降水代表WDS。利用降水和蒸发之间的差异（P－E，其中P是月观测降水量，E是月蒸发量），探讨其历史特征。蒸发（E）使用Gao的方案计算（Yang和Song，1999）。

Mann-Kendall方法（简称为M-K方法; Snyers，1990; Fu和Wang，1992）用于测试WDS趋势的显著性。

两个典型区域分别是华北地区（以下简称HR）和中国北方的西北地区（NR）。 HR从35°N到42°N，位于110°E以东。 由于地理位置复杂，气候条件复杂，我们将西北地区划分为两个分区，一个是延伸到35°N以北和95°E以西的第一区域（命名为NR 1），另一个是第2 区域（命名为NR 2）覆盖从95°E到105°E以及35°N的北部。 HR中有24个观测站，NR 1中有13个站，NR 2中有6个站。每个区域的范围如图1所示。

图1 三个分区内监测站的分布情况

3.两个典型干旱区的年际变化及其差异

为了方便地分析WDS的一般区域特征并比较两个区域之间的差异，计算了一个子区域的面积平均值。一些结果将整个证明描述如下。

3.1 汛期SHI的年际变化

在中国北方，降水主要发生在汛期（5月至10月），因此该时期的WDS可代表年度WDS。因此，从汛期的WDS，我们可以看到年度WDS。月降水量和月平均气温数据来自中国气象局从1951年至1998年的数据。

图2是不同分区汛期区域平均SHI的年际变化，采用M-K法计算得出。这是一个10年的平均值。图2显示，自20世纪50年代以来，HR地区中SHI呈下降趋势，并且在20世纪70年代之间出现了微弱的增长。 因此可以得出结论，自20世纪50年代以来，HR地区一直呈现干燥趋势（降低SHI）。干燥趋势达到了该地区95％的显著性。 相比之下，表面温度（T）呈上升趋势，并且趋势也达到了95％的显著性。 同时，我们可以发现SHI的趋势与该地区的T趋势相反。 分析还表明，20世纪70年代中期以后降水量呈下降趋势，这与目前HR地区WDS呈下降趋势一致。可能T的增加和P的减少是导致干旱趋势的主要原因，并且引入了一种温暖和干燥的情况。

图2 区域平均变化及其对SHI和气温的测试（H=10年运行平均值；T=年平均温度。上图为原始图，下限是Mann-Kendall方法对SHI趋势的测试）

从图2可以看出，20世纪80年代以后NR1地区在汛期时的SHI有少量增加趋势，但趋势不明显。在NR2地区中，在20世纪80年代之后SHI呈下降趋势。关于温度的变化，在20世纪80年代之后可以发现NR1地区的T减少和NR2地区呈相反趋势。

根据上述分析，可以得出一些结论：在HR和NR2地区，由于降水减少，温度升高加剧了地表的干旱趋势，然后干燥的地表将进一步使温度升高。这一事实与全球变暖下的模拟结果一致（Manabe，1981）。

3.2 不同季节的年际变化

虽然汛期的SHI基本上代表了全年WDS的特征，但它不能描述不同季节的年际变化及其季节之间的差异。在本节中，将探讨这些内容。

图3显示了三个分区9年运行区域的异常情况。可以得到如下事实。

华北地区冬季的T（月平均气温）一般在0°C以下，潜在的蒸散量不会发生，因此潜在的蒸散量为零。在这种情况下，降水基本上代表了WDS。从冬季的降水模式可以看出，中国西北地区的两个分区降水量呈增加趋势，从1951年到1998年，NR1地区的降水量呈现出显着的变化趋势。相比之下，两个分区的温度却显著升高。降水的变化趋势不明显，但HR存在约15年的振荡期。冬季三个分区有明显的温度上升趋势。

图3 三个分区的地表湿度指数异常值

在春季，三个分区存在一个湿润阶段（增加的WDS），特别是在NR1区，其中在20世纪80年代之后SHI急剧增加。通过比较降水量和温度的变化，我们可以看出湿润趋势是由于温度降低和降水增加而导致的。

然而，在NR2和HR地区中，湿润阶段仅与降水增加有关，因为由于温度升高而产生的潜在蒸发蒸腾量不足以抵消增加的降水量。因此，作为WDS的代表性参数，SHI增加了。这意味着NR1地区处于寒冷和湿润状态，但是HR和NR 2地区处于温暖和湿润状态。从图3中，我们还可以发现在不同时期，三个分区的降水和温度之间存在相位差。在NR1地区，降水趋势与20世纪50年代中期到70年代初的温度趋势一致。但是在20世纪70年代之后，两者之间的阶段显然是相反的。其它分区也存在不同时期之间的这些相位差异。在HR地区存在两个SHI（湿润期）的正异常期——一个在20世纪50年代中期；另一个则始于20世纪70年代初。后者弱于前者。在NR1和NR2地区中，最近的湿润期比其他湿润期更强。

在夏季，20世纪80年代中期之前存在变暖和干燥趋势，由于降水增加和温度降低，NR1地区出现了显著的寒冷和湿润阶段。在NR2地区，显著的湿润期出现在20世纪70年代之后，湿润状态在20世纪80年代中期减弱，然后又再次加剧。在此期间，温度从显着降低的温度变化到升高的温度趋势。换句话说，气候状态从寒冷湿润（CH）变化为温暖湿润（WH）。在HR地区，自20世纪50年代以来，SHI一直在下降，从20世纪60年代中期到20世纪70年代中期几乎没有发生变化。然后，SHI急剧下降，在夏季,HR地区形成了SHI持续干燥的趋势。同时，我们发现虽然降水量略有增加，但SHI随着该地区温度的逐渐升高而下降。因此，地表水文变量（如SHI）受降水和地表温度等地表气候变量的影响很大。

在秋季，20世纪70年代后NR1地区的SHI迅速增加。与此同时，温度和降水也迅速增加。这表明虽然温度升高会降低地表水分，但该地区的SHI增加主要是由于降水丰富。在NR2地区，SHI在20世纪80年代以后长期保持较小的值，并达到历史最小值。降水减少和温度升高可能是主要原因。然而，在20世纪80年代之前，由于降水增加和温度降低，寒冷和湿润（CH）状态是该地区的明显特征。在HR地区，自20世纪60年代中期以来，SHI的负异常变为正异常；换句话说，目前的WDS是湿润的。温度变化呈现显著的上升趋势，导致目前HR地区处于的温暖湿润的表面状态。

基于上述分析，可以得出一些结论。在NR2地区中，地表的干旱（SHI的负异常）发生在秋季，而在HR地区则发生在夏季。由于该地区的降水减少和表面温度升高，这些事实得以区分。换句话说，降水减少导致干旱形成，区域变暖进一步加剧了地表干旱，干旱地表对大气有积极影响。未来中国北方干旱和半干旱地区地表水文过程与大气的复杂相互作用有待深入研究。在HR地区，由于降水减少和地表温度升高，地表干旱主要发生在夏季。应该指出，在20世纪80年代中期之后，SHI在秋季的异常从负值变为正值，即HR地区由干旱状态改变为湿润状态。Manabe（1981）研究表明，由于该地区降水减少和地面气温升高，中纬度土壤水分将在2times;CO2浓度时下降。因此，我们看到HR地区和中国西北部东部地区的干旱与地区变暖呈现出反相关。在这种情况下，分区内的区域变暖是否是由于低于2times;CO2浓度造成还需要进一步讨论。

4.对三个分区的季节性SHI趋势的测试

图4 用M-K法得到的不同季节三个分区的SHI年变化趋势（实线表示SHI；虚线表示温度）

上述结果显示了SHI在不同季节和不同分区的显著趋势。然而，结果的可信度仍有待检验。在本节中，通过M-K方法（Mann-Kendall方法）测试了三个次区域不同季节的趋势。

图4给出了三个分区中SHI和各季节温度的测试曲线。如图4所示，冬季三个分区的温度趋势均显著增加，并且可以通过95％的显著性检验。然而，NR2地区的降水量呈增加趋势。尽管HR地区春季的SHI存在正异常，但这种潮湿趋势并未通过95％的显著性检验（绝对值大于2），且增加的温度通过了95％的显著性检验。同时，在NR1和NR2地区，春季的暖湿趋势均通过了95％的显著性检验。夏季，HR地区地表的干燥趋势可以通过显著性检验，没有明显的温度变化趋势。 NR2地区的WDS成功地保持了地表的冷湿状态。在NR2地区，温度的下降趋势通过了95％的显著性检验，但WDS的湿趋势没有通过。秋季，HR和NR2地区的WDS的变暖和干燥趋势通过了95％的显著性检验。温暖和潮湿的状态是NR1地区的主要特征。

5. SHI的地理差异

SHI的地理变化将有助于我们理解地表水文过程与大气之间相互作用的空间变化。在本节中，SHI的地理变化由M-K方法给出，如图5所示。为了突出华北干旱和半干旱地区年际变化趋势及其差异，以及华南潮湿地区的年际变化趋势，分析了中国南方地区的地理变化，原始数据为经过9年的平均值处理。从图5可以看出，一些证据表明SHI的地理差异很大，季节差异很大；在100°E以东和35°N以北的大部分地区，SHI正在下降。这表明这些地区的地表干燥趋势。

所有干旱趋势都通过了95％的显著性检验（模式中轮廓数的绝对值超过2）。一个有趣的事实是，35°N北部100°E两侧存在相反的变化趋势——东部干旱和西部湿润状态。此外，图5研究了汛期的地理变化。地表的显著干旱出现在西北和东北的东部，而在HR地区，西北部中西部出现了明显的湿润趋势。lt;

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