利用de Martonne方法对我国20世纪干旱化趋势的研究

孟 猛, 宗美娟

(1.山东理工大学, 山东 淄博 255049; 2.淄博职业学院, 山东 淄博 255314)

荒漠化作为全球变化的重要方面，特别是对因对农业生产的重要影响受到了广泛关注。联合国防治荒漠化公约1994年对荒漠化有着明确定义，“荒漠化系指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化”。而对“干旱、半干旱和亚湿润干旱地区”的划分依据的主要气候指标则是干燥度。干燥度(Aridity Index，AI，或K等)，在此特指气候干燥度，是表征一个地区干湿程度的指标，一般以某个地区水分收支与热量平衡的比值来表示，其倒数则称为湿润指数(Humidity Index，HI)。干燥度的计算对于了解气候—植被之间的相互关系，研究和预测全球变化对人类及生物赖以生存的生态环境的影响，以及制定应对的策略、方法与途径具有重要的理论和现实意义。

孟猛等[1]通过对现有的22种干燥度指数中应用最为广泛的8 种指数进行比较和分析，包括各自的原理、计算方法和在生态学与地理学研究中的应用等方面，结合其在中国应用的实际状况，分别阐述了各自的优缺点。最简单的计算气候干燥度的方法就是利用温度与降水这两个气候因子来计算干燥度，此类方法应用最广泛的就是de Martonne干燥度计算方法，因为其计算简单，指标明确，与植被和水分对应性强，所以经常用在气候区划上。Weck[2]根据建立了德国的气候模型。Botzan[3]利用de Martonne干燥度计算方法划分的水文特征提供了定义农业干旱的新指标。陈金等[4]把de Martonne干燥度作为衡量区域气候干湿状况的综合指标，通过对干燥度指数的栅格空间数据进行分析，研究了1981—2007年锡林郭勒盟的气候状况，以及气候干燥度等值线的空间位移与动态变化规律等。

de Martonne干燥度计算方法利于月干燥度的计算，并且其计算简单，但精确度不高，比较适合于在大尺度的研究中应用。本文利用de Martonne干燥度计算方法和气象数据，对我国1901—2000年的干燥度进行计算，并结合GIS软件Mapinfo的应用，对20世纪我国干旱区的变化趋势进行了初步探讨。

1　数据与方法

1.1　气象数据

采用英国的东安格利亚大学气候研究中心(Climatic Research Unit)CRU TS 2.0数据集为基础数据。该数据集是由CRU提供的在时间尺度(TS)上变化的气象数据。TS 2.0是1901—2000年间以0.5度为一间隔的点上的气象数据集。其提供的气象数据包括月降水量、平均温度、云层盖度和水汽压。该数据集可以用来比较气候的变化研究[5]。

1.2　干燥度的计算

de Martonne在1926年提出了一种简单的干燥度计算方法，其计算公式如下所示：

式中：IdM即de Martonne干燥度；P为平均降水量(mm)；T为平均温度值(℃)。在本研究中，平均降水量是年平均降水量，每十年的平均年降水量为P值，每10年的每天平均温度为T值，计算0.5度点上的十年的平均干燥度值。

根据Crowe[6]在1971年对干旱气候的划分依据：干燥度值小于10，表明严重干旱，河流断流，农作物需要强制人工灌溉；干燥度值为10～30，表明中等干旱，河流暂时性有水，流量中等，植被类型为草原；干燥度大于30，表明气候湿润，河流可以常年有水，不断流，并水量充足，植被类型为森林。

1.3　空间插值

利用CRU气象数据中的0.5°精度的经纬度点使用GIS软件Mapinfo创建点元素地图，然后利用TIN即不规则三角网进行空间插值。不规则三角网插值是直接利用原始采样点进行区域平面的重建，由连续的相互联接的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。经过比较分析，TIN插值的设置为单元大3.8 km；格网尺寸：1 770×1 024；允许距离：0.005；距离：42；特征角度：25°。de Martonne计算的干燥度指数TIN插值的样式方法：自定义范围；变形数：2；舍入精度：0.1。分界线两个，分别是干燥度指数30，10。

2　结果与分析

2.1　全国de Martonne干燥度计算结果

图1是根据1901—1910年我国de Martonne干燥度计算结果进行区划，湿润、半湿润半干旱和干旱地区的具体分布情况，图2则是1991—2000年各区域的具体分布情况。中国总的干旱气候变化及百年间的动态分布面积见图3。1901—1910年间的干旱气候分布最小，只有163.1万km2。1961—1970年间的干旱气候分布最广，有205万km2，约占国土总面积的21.8%。从1961—1970—2000年总的趋势是干旱区面积减少，不过，1991—2000年间的干旱气候面积又比1981—1990年间的又有稍微增加，增加了0.8%。1991—2000年间的干旱气候面积为165.9万km2，约是国土总面积的17.5%。

图11901-1910年间deMartonne干燥度

图21991-2000年间deMartonne干燥度

图3各气候区域面积变化

1961—1970年间的半湿润半干旱气候面积最小为162.6万km2，1991—2000年间的半湿润半干旱区面积最大，为256.6万km2，约占国土总面积的27%。总的变化趋势为1901—1910年间到1921—1930年间逐步增加，1921—1930年向后逐步减少，直至最小年份，以后逐步增加至最大年份。最近四、五十年来，半湿润半干旱气候面积是逐步增加的。1991—2000年间比1981—1990年间增加了大约13.4%。

从图3可以看出，1991—2000年间的湿润气候面积最小，只有524.5万km2，是国土总面积的55.2%。1951—1960年间的湿润气候面积最大，有597.9万km2。1991—2000年间比1951—1960年间湿润气候面积大约减少了12.3%。湿润气候面积的变化趋势是：1901—1910年间到1921—1930年间逐渐减少，1921—1930年间到1951—1960年间湿润气候是增加的，特别是1951—1960年间比1941—1950年间增加了53万km2，是1951—1960年间的湿润气候总面积的9.7%；从1951—1960年间到1991—2000年间湿润气候面积逐渐减少，1981—1990年间到1991—2000年间变化最大，减少了32.2万km2，大约是1981—1990年间湿润气候总面积的5.8%。

2.2　区域de Martonne干燥度计算结果

本研究以地理区域划分将中国大陆及主要岛屿划分为6个区域分别对其区域内的各气候区域面积变化进行了研究。东北地区面积大约是786 400 km2，包括：黑龙江、吉林、辽宁；华北地区面积大约1 515 000 km2，包括：内蒙古、河北、山西、北京、天津；西北地区面积大约是3 012 000 km2，包括：陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆；西南地区面积约2 332 000 km2，包括：四川、重庆、贵州、云南、西藏；华中地区面积大约564 000 km2，包括：湖北、湖南、河南；华东地区面积约788 400 km2，包括：山东、江苏、安徽、上海、浙江、江西、福建；华南地区包括：广东、广西、海南、台湾和港澳特别行政区。

东北地区百年以来没有出现干旱气候，只有湿润气候和半湿润半干旱气候。其中绝大部分地区是湿润气候，湿润气候分布变化见图4。自20世纪初到1951—1960年间，东北地区的湿润气候分布面积是逐步扩大的。1951—1960年间的湿润气候面积最大，共767 000 km2，约占东北地区总面积的97.5%。1951—1960年间至1991—2000年间湿润气候面积逐步缩小，即半湿润半干旱气候面积在逐步扩大。1981—1990年间到1991—2000年间变化最大，湿润气候面积减小了57 100 km2，占总面积的7.3%。

华北地区3种气候类型都有，其分布变化见图5。华北地区主要的气候类型为半干旱半湿润气候。其干旱气候类型面积变化不大，主要是湿润气候面积和半湿润半干旱气候面积变化显著。1951—1960年间的湿润气候面积最大共553 200 km2，而半湿润半干旱气候面积最小为635 000 km2，其相差不大。自世纪初到1951—1960年间湿润气候面积是增加的，而从1951—1960年间到1991—2000年间湿润气候面积是逐步缩小。其半湿润半干旱气候面积变化则正好相反，1991—2000年间比1951—1960年间的半湿润半干旱气候面积增加了大约52.3%。

图4　东北地区湿润气候面积变化

图5　华北地区各类型气候面积变化

西北地区主要的气候类型是干旱气候，我国的干旱气候也主要是分布在西北地区。其次是半湿润半干旱气候，湿润气候面积最小。其各气候面积变化见图6。西北地区的湿润气候面积变化不大，半湿润半干旱气候面积和干旱气候面积变化较大。其中1961—1970年间干旱气候面积最高为1 674 000 km2，同时半湿润半干旱气候的面积最小650 500 km2，甚至低于湿润气候面积。近几十年西北地区的干旱气候面积在减少，只是1991—2000年间比1981—1990年间略有增加，但是同时湿润气候面积也在减少，即半湿润半干旱气候在增加。

图6　西北地区各类型气候面积变化

西南地区绝大部分为湿润气候，半湿润半干旱气候和干旱气候面积很小，1991—2000年间甚至没有干旱气候。其湿润气候面积变化见图7。其湿润气候面积在1941—1950年间最小，有2 294 000 km2，其次就是1991—2000年间面积小，有2 251 000 km2。变化最显著的年份是1981—1990年间到1991—2000年间，湿润气候地区减小了49 000 km2，占西南地区总面积的2.1%。

华中地区的主要气候类型是湿润气候，其次是半湿润半干旱气候，无干旱气候。其各气候类型面积变化见图8。湿润气候面积在1921—9130年间最小，只有400 300 km2，在1971—1980年间湿润气候面积最大，有498 400 km2。最近30 a间湿润气候面积在逐步减少。1991—2000年间比1971—1980年间减少了57 400 km2,约占华中地区总面积的10.2%。

图7　西南地区各类型气候面积变化

华东地区绝大部分地区是湿润气候，其余的地区是半湿润半干旱气候。其湿润气候变化见图9。其中1931—1940年间的湿润气候面积最小为605 900 km2。1971—1980年间湿润气候面积最大为730 900 km2。自1971—1980年间至世纪末湿润气候面积是逐步减小的，1991—2000年间的湿润气候面积是613 400 km2。

华南地区只有湿润气候类型，无变化。

图8　华中地区湿润气候面积变化

图9　华东地区湿润气候面积变化

3　结 论

de Martonne的计算结果显示，我国干旱气候面积在过去的1个世纪里，增加了2.8万km2，约是我国国土总面积的0.3%。1991—2000年间干旱气候的南界是北纬35.475°,而1901—1910年间的干旱气候的南界是北纬35.568°，说明干旱气候略有北移。1901—1910年间的干旱气候的东界是东经108.765°，西界是东经75.531°;1991—2000年间的干旱气候的东界是东经108.565°，西界是东经75.311°。这样看来干旱气候是西移的。干旱气候主要是在西北地区，华北地区内蒙古自治区的西部也是干旱气候，其他地区无干旱气候。丁一汇等[7]通过对国家气候中心的数据进行分析，认为我国过去近百年来的温度变化与北半球的变化大致相同，我国温度出现最高的时期是在40年代。此结论与Martonne计算的干旱气候面积最大时期相符。周晓东等[8]利用Penman和Thornthwaite方法计算我国的干燥度指数，认为现阶段我国干旱区面积约占国土总面积的17%。此干旱区面积与本研究所得的干旱气候面积大体一致，并且分布范围基本相同。

半湿润半干旱气候面积在1991—2000年间比在1901—1910年间增加了43.6万km2，是我国国土面积的4.6%。1901—1910年间和1991—2000年间的半湿润半干旱气候的北界都是北纬49.847°，无变化。1991—2000年间半湿润半干旱气候的南界是北纬30.988°，1901—1910年间的南界是北纬32.795°。说明我国的半湿润半干旱气候在20世纪有较大的南扩现象。半湿润半干旱气候1901—1910年间的东界是东经125.099，1991—2000年间是东经125.047，湿润半干旱气候最西始终到我国的西边境，这样看来半湿润半干旱气候有较小的东扩。半湿润半干旱气候在我国的西北地区、华北地区有较大的分布，而华中地区和华东地区的北部也有一定的分布，东北地区的西南部有少量的地区也是半湿润半干旱气候。

湿润气候的面积世纪末比世纪初减少了49.8万km2，是国土总面积的5.2%，有较大的变化。我国的各个地区都有湿润气候分布。1991—2000年间湿润气候面积，西北地区减少了31.8%，华北地区减少了17.7%，东北地区少了2.4%，西南地区少了2.7%，华中地区减少了9.7%，华东地区减少了8.3%。从减少面积的绝对值来看也是西北地区最大，减少了256 700 km2，华北地区次之，共减少了58 300 km2。慈龙骏[9]在研究全球变化对我国荒漠化的影响时认为我国过去30 a间的湿润气候平均面积是国土面积的61.7%，与本研究所得出的面积大体相等。

由计算结果得出，我国湿润气候面积在逐步减少，半湿润半干旱气候和干旱气候面积在增大，特别是半湿润半干旱气候面积增幅较大，这与李新周等[10]研究的全球干旱化趋势相符。自我国的东南地区到西北地区，气候逐步变的干燥。干旱化的趋势主要是由西北地区和华北地区向南，向东扩展。在全球增暖背景下，由于温度的升高导致地表蒸发量的增加；同时，廉毅等[11]研究表明中国的气候过渡带降水量线性下降较显著。这应该是20世纪我国干旱化加剧的两个重要因素。

参考文献：

[1]孟猛,倪健,张治国.地理生态学的干燥度指数及其应用评述[J].植物生态学报,2004,28(6):853-861.

[2]Weck J. An improved CVP-index for the delimitation of the potential productivity zones of the forest lands of India. [J]. Journal of The Australian Mathematical Society, 1970,2(3):321-333.

[3]Botzan M. Consideratii asupra indicilor climatici pentru proiectarea irigatiilor[J]. Hidrotehnica, 1974,19:41-48.

[4]陈金,李政海,贾树海,等.锡林郭勒草原区气候干旱化的时空变化规律[J].内蒙古大学学报,2011,42(3):304-310.

[5]闻新宇,王绍武,朱锦红,等.英国CRU高分辨率格点资料揭示的20世纪中国气候变化[J].大气科学,2006,30(5):894-904.

[6]Crowe P R. Concepts in Climatology[M]. London:Longman, 1971.

[7]丁一汇,戴晓苏.中国近百年来的温度变化[J].气象,1994,20(12):19-26.

[8]周晓东,朱启疆,孙中平,等.中国荒漠化气候类型划分方法的初步探讨[J].自然灾害学报,2002,11(2):125-131.

[9]慈龙骏.全球变化对我国荒漠化的影响[J].自然资源学报,1994,9(4):289-303.

[10]李新周,刘晓东,马柱国.近百年来全球主要干旱区的干旱化特征分析[J].干旱区研究,2004,21(2):97-103.

[11]廉毅,沈柏竹,高枞亭,等.中国气候过渡带干旱化发展趋势与东亚夏季风、极涡活动相关研究[J].气象学报,2005,63(5):740-749.