1961—2010年青藏高原—黄土高原过渡区可能蒸散率的变化特征

王建兵 ,汪治桂, 蒋友严

(1.甘肃省甘南州气象局,甘肃 合作 747000；2.西北区域气候中心，甘肃 兰州 730020)

青藏高原到黄土高原的交汇过渡区，同时也是农牧过渡带，区域内各地海拔高度变化大，气候差异明显[1-4]。由于全球气候变化，青藏高原—黄土高原过渡区内气候发生了明显变化，主要表现为气温上升，青藏高原东北部边坡地带气温在1987年出现暖突变[5]，生长季降水量减少[6]，在青海高原东部秋季降水量从20世纪80年代后出现了明显的减少趋势[7]，区域内干旱频发，造成草地年干燥指数变化呈显著上升趋势，使牧区草场产草数量和质量下降，劣等牧草、杂草和毒草的比例越来越高，草场生产力进一步下降[8，9]，洮河径流量减少[10]，对当地的农牧业生产和生态环境造成了明显的影响。

目前对青藏高原—黄土高原过渡区气候变化的研究，主要集中在降水和温度变化方面，对其地表干燥度的变化研究较少[11-12]。由于地表干燥度是从大气水分平衡角度出发，真实的反映了实际气候的干湿状况，因此对其进行研究，对进一步研究青藏高原—黄土高原过渡区内的气候变化，同时对应对气候变化，开发利用气候资源，保护生态环境等也有十分重要的意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究范围为100°-105.7°E，33.5°-36.5°N(图1)，行政区域包括青海省海东藏族自治州、海南藏族自治州、黄南藏族自治州三个州的部分地方和甘肃省甘南藏族自治州、临夏回族自治州、定西市、兰州市4市(州)的大部分地方。

图1 研究区位置及站点示意图(▲：站点位置)Fig.1 The sketch map of the study area(▲：the meteorological station)

1.2 资 料

研究资料选取区域内18个气象站1961—2010年月平均气温、月降水量等地面气象观测资料进行分析，气象数据来自西北区域气候中心，资料序列完整。在18个气象站中青海有5个，甘肃有13个，站点海拔高度在1 728.8 m(陇西，甘肃)—3 663.8 m(泽库，青海)之间。

1.3 研究方法

本研究采用Holdridge可能蒸散率(PER)计算方法[13-16]。自1990年以来，提出的干燥度指数算法达22种，较常用的Penman公式法虽然计算合理，精确度高，有较好的物理学意义，但计算复杂，所需的气象要素较多。Holdridge方法计算干燥度十分简便，在近年来研究全球变化对生态系统的影响评价中发挥了极大的作用，在气候与生态环境变化研究中得到了广泛应用[11,17-20]。

Holdridge方法计算干燥度的公式为：

PER=PE/P

PE=58.93×ABT

式中,PER为可能蒸散率(potential evapotranspiration rate)；PE为可能蒸散量(potential evapotranspiration)；P为年降水量(annual precipitation)；ABT为年生物温度(annual biotemperature)。

ABT(annual biotemperature，年生物温度)是出现在植物营养生长范围内的平均温度，一般认为在0～30℃之间，日均温低于0℃与高于30℃者均排除在外，超过30℃的平均温度按30℃计算，低于0℃的按0℃计算。

可能蒸散率(Potential Evapotranspiration Rate, PER)为可能蒸散量(PE)与年降水量(P)的比率，其值愈高，表明愈干燥，其所在地区的植被愈趋于干旱化，PER值0.125～0.25的地区为超湿润区，0.25～0.50为极湿润区，0.50～1.00为湿润区，1.00～2.00为亚湿润区，2.00～4.00为半干旱区，4.00～8.00为干旱区，8.00～16.00为极干旱区，16.00～32.00为超干旱区[13,14]。

2 结果与分析

2.1 区域内PER的空间分布特征

区域内PER有明显的自南向北逐渐上升的特点(图2)，西南部及南部部分地方属于极湿润区，中部、东南部及西部大部分地方属于湿润区，另外位于东部但海拔较高的华家岭也属于湿润区，东部及北部大部分地方属于亚湿润区，位于北部的循化属于半干旱区。PER空间上变化最剧烈的地方出现在甘肃省和青海省交界的区域内，从34°N到36°N之间，出现了极湿润区、湿润区、亚湿润区、半干旱区四个不同的气候区，该区域也是过渡区内海拔高度、地形等变化最大的地方。

图2 青藏高原—黄土高原过渡区内PER的空间分布(▲：站点位置)Fig.2 The spatial distribution of PER in the transition regionbetween the Qinhai-Xizang Plateau and theLoess Plateau (▲：the meteorological station)

2.1.1 PER年际变化区域分布特征 区域内PER的年际变化趋势有一个明显的特征，其沿甘、青省界有一低值带，之后向东、向西逐渐增大，同时未通过显著性检验的站点也主要分布在这一区域(图3)，说明甘、青交界区域虽然是PER空间变化最剧烈的地方，但这一区域内地表干燥度的年际变化并不明显，这是一个非常明显的特点。区域内低值中心位于青海循化，为-0.02/10a，高值中心位于甘肃会宁，为0.14/10a。

为了进一步研究区域内PER的变化特征，根据区域内极湿润区、湿润区、亚湿润区和半干旱区的分布，按不同气候区对其PER的年际变化进行分析。

极湿润区有1个站，为青海泽库县，其PER的年际变化趋势为0.01/10a，通过90%显著性检验，说明在极湿润区有变干的趋势。

湿润区有10个站，是面积最大的区域，区域内PER的平均变化趋势为0.04/10a，各地的年际变化趋势为0.00-0.08/10a之间，其中青海贵南最小，为0.00/10a，无明显变化，其余各地均为正值，大值中心位于甘肃宕昌，为0.08/10a，有6个站(临洮、华家岭、合作、岷县、宕昌、同德)通过99%信度检验，1个站(临潭)通过95%信度检验，说明在湿润区内大部分地方存在着明显变干的趋势。

亚湿润区有6个站，区域内PER的平均变化趋势为0.06/10a，各地的年际变化趋势为0.01(临夏)-0.14(会宁)/10a之间，有2个站(会宁、定西)通过99%信度检验，1个站(陇西)通过95%信度检验，该区域内通过显著性检验的地方均在东部，离青藏高原主体较远的地方有明显的变干趋势。

半干旱区只有一个站，是青海省的循化县，其PER的年际变化趋势为-0.02/10a(未通过显著性检验)，说明在半干旱区PER降低，有变湿的趋势。

2.1.2 PER年际变化特征 由于本研究区域主要为湿润区和亚湿润区，为进一步分析PER的变化特征，分别选取合作、定西为湿润区、亚湿润区代表站(图4)，对其年际变化进行分析。

1961-2010年，合作、定西的PER均呈明显的波动上升趋势，其上升趋势分别为0.02/10a、0.08/10a，均通过99%信度检验。

注：■：通过90%信度检验，▲：通过95%信度检验，●：通过99%信度检验，○：低于90%信度检验。Note: ■：significance at the 90% level,▲：significance at the 95% level, ●：significance at the 99% level , ○：significance lower than the 90% level.图3 青藏高原—黄土高原过渡区PER的年际变化趋势分布(单位：/10a)Fig.3 The annual variety trend distribution about PER in the transition region between theQinhai-Xizang Plateau and the Loess Plateau(unit:/10a)

通过对其年代际变化分析发现，合作、定西的PER都是在20世纪90年代出现明显增大，1991-2010年PER的平均值比1961-1990年分别上升了0.23、0.07，定西上升幅度非常明显，有明显的暖干化趋势。

2.2 区域内PER的突变分析

为进一步对区域内PER的变化特征进行分析，利用Mann-Kendall法对各地的PER进行突变分析[21]，仍按不同气候区进行分析。

极湿润区中泽库的PER未发生突变，说明虽然在极湿润区部分地方有变干的趋势，但变化不显著。

湿润区10个站中只有渭源、贵南未检测到突变，其余各站均发生了突变，其中在1985年-1987年有3站，1991年-1997年有5站，宕昌发生突变时间最早，出现在1985年，同德最迟，出现在1997年，合作出现在1994年(图5a)。通过对湿润区8个检测到突变的站PER值突变前后的比较，发现湿润区PER突变后比突变前平均上升了0.14，变干趋势非常明显。

亚湿润区有6个站，其中有3个站(定西、陇西、会宁)检测到突变，定西(图5b)和陇西出现在1991年，会宁出现在1994年，突变前后PER的差值平均为0.6，远高于湿润区的平均值，说明在亚湿润区部分地方有非常明显的变干趋势。

属于半干旱区的循化未检测到突变。

图4 合作(a)、定西(b)PER的年际变化趋势(单位：/a)Fig.4 The annual variety trend of PER in the Hezuo(a),Dingxi(b)(unit: /a)

图5 合作(a)、定西(b)PER的M-K检验Fig.5 The Mann-Kendall test of annual PER about Hezuo(a),Dingxi(b)

3 讨 论

3.1 PER的变化原因分析

根据Holdridge可能蒸散率(PER)的计算方法，PER的变化主要由降水和生物温度决定，因此主要对区域内降水、气温及生物温度的变化进行分析。

区域内气温及生物温度均呈明显的上升趋势，气温上升趋势为0.2～0.73℃·10a-1, 其中青海同德上升趋势最明显，达0.73 ℃·10a-1(图6a)；生物温度上升趋势为1.31～4.75 ℃·10a-1，其中甘肃会宁上升趋势最明显，达4.75 ℃·10a-1。区域内气温及生物温度的变化趋势相似，均为北部小于南部，同时东部和西部大，甘肃和青海交界的区域内小的特征。

区域内降水量的变化趋势呈明显的西升东降的特点(图6b)，位于东部甘肃境内的会宁、华家岭、陇西、岷县和宕昌下降最明显，下降趋势为-17.4～-29.7 mm·10a-1, 而位于西部青海境内的循化、贵南和泽库呈上升趋势，上升趋势为5.5～11.0 mm·10a-1,降水量的年际变化趋势呈现明显的东部和西部大，甘肃和青海交界区小的特征。

根据区域内降水量、气温及生物温度的变化，东部PER升高主要是由于降水量的减少和气温上升；区域西部在降水量增加的情况下，PER仍出现上升的趋势，其主要原因是由于气温上升导致蒸散量增加，且蒸散量增加的幅度超过了降水量增加的幅度；在贵南、循化由于可能蒸散量的上升趋势和降水量的增加趋势非常接近，故其变化最小。

PER、温度和降水量的变化表明，在区域内处于半干旱区的青海省循化县有弱的暖湿化趋势，而在东部，则出现了明显了暖干化趋势，暖干化出现的时间主要在20世纪80年代末期到90年代，其余地方也出现了暖干化趋势，但比东部弱。

图6 青藏高原—黄土高原过渡区内气温(a,单位：℃·10a-1)和降水(b,单位：mm·10a-1)的年际变化趋势分布Fig.6 The annual variety trend distribution about temperature(a, unit：℃·10a-1)and precipitation (b, unit：mm·10a-1)in the transition region between the Qinhai-Xizang Plateau and the Loess Plateau

3.2 PER变化对当地生态环境的影响

在区域内除了处于半干旱区的青海省循化县有弱的暖湿化趋势外，大部分地区出现了明显的暖干化趋势。研究表明[22]，青海省东部地方地区自20世纪70年代以来，气温持续升高，降水量没有显著增加，河川径流略有减少，导致该地区干旱频繁发生；由于气候变暖[23]，导致青海高原中、东部地区多年冻土退化及消失，伴随着冻土退化，高寒环境也显著退化，地下水位下降，植被覆盖度降低，高寒沼泽湿地和河湖萎缩，土地荒漠化和沙漠化造成了地表覆被条件改变；暖干化对甘肃的影响也十分明显，20世纪90年代以来，洮河流域出现了明显的暖干化趋势，洮河流域的降水与径流总体呈下降趋势，1990年代径流比1980年代减少达35%[24-25]。由于暖干化的影响，甘南草原的生产性能和生态功能大幅下降，草地退化、沙漠化发展速度明显加快，甘南高原已经出现了水资源明显减少的趋势[26-27]。青海高原和甘南高原牧草的发育期发生了明显变化[28-29]，甘南草原生态系统的稳定性在减弱[11]。气候变暖，气温持续升高，蒸发量增大，是造成干旱受灾面积扩大、粮食大幅度减产的重要因素，影响影响粮食生产安全[30-31]。现有的研究表明，暖干化已经对青藏高原—黄土高原过渡区内的生态环境、水资源和农牧业生产造成了严重影响，但针对该区域地表干燥度变化的研究还比较少，因此对区域内的暖干化趋势及其影响还需要更进一步进行研究，才能更好地为应对气候变化和保护当地的生态环境提供科学依据。

4 结 论

在青藏高原—黄土高原过渡区内，由于地形、地理位置不同而造成了明显的气候差异。在区域内存在极湿润区、湿润区、亚湿润区和半干旱区四个不同的气候区，区域内PER的空间分布上有明显的自南向北逐渐上升的特征，PER空间变化最剧烈的地方出现在甘肃省和青海省交界的区域内。

区域内极湿润区、湿润区、亚湿润区和半干旱区PER的年际变化趋势分别为0.01/10a、 0.04/10a、0.06/10a和-0.02/10a，在湿润区、亚湿润区大部分地方有明显的暖干化趋势，而在半干旱区出现了暖湿化的趋势。突变分析表明，从20世纪80-90年代开始，在湿润区、亚湿润区大部分地方PER出现了突变，湿润区、亚湿润区PER突变后比突变前分别上升了0.14、0.6，在亚湿润区有非常明显的暖干化趋势。暖干化已经对青藏高原—黄土高原过渡区内的生态环境、水资源和农牧业生产造成了严重影响。

区域东部PER升高的主要原因是由于降水量的减少和气温上升，区域西部在降水量增加的情况下，PER仍出现上升的趋势，其主要原因是由于气温上升导致蒸散量增加，且蒸散量增加的幅度超过了降水量增加的幅度；而处于半干旱区的青海省循化县，由于可能蒸散量的上升趋势和降水量的增加趋势非常接近，故其变化最小，有暖湿化的趋势。