植被覆盖率变化对气象要素的影响研究

易永力，李艳君

(1.承德市气象局，河北 承德 067000；2.承德护理职业学院，河北 承德 067000)

陆地植被覆盖变化对全球、区域和局地尺度的气候变化存在反馈作用。植被变化通过改变地表反照率、地面湿度和地面粗糙度等陆面参数,直接影响地表感热、潜热通量和地表长波辐射的变化,还通过对大气 CO2的作用间接影响生地化循环过程[1]。

以往大多数研究多采用敏感性试验来分析陆地尺度植被覆盖变化对气候的影响,较少采用统计方法来定量分析局地植被覆盖率变化对气象要素的影响。通过理解局地植被覆盖变化与气象要素的关系,对理解区域乃至全球植被覆盖变化在气候变化中的作用有所帮助。本文采用1951—2008年河北省围场满族蒙古族自治县(以下简称围场县)国家基本气象观测站观测数据来分析植被覆盖变化与气象要素之间的关系,关注的气象要素主要包括最大风速、平均风速、浮尘日数、年降水量、年雨日数,其中主要对风速做了具体分析。

1 研究区概况

围场县位于承德市北部，县境东西长138 km，南北宽118 km，总面积 9 219 km2，为承德市面积最大的县。地理坐标为41.58°～42.67°N，116.53°～118.23°E。围场县地处内蒙古高原与冀北山地的过渡地带。地势西北高,东南低,海拔为700～2 000 m[2]。全县根据海拔高度分为北部坝上地区和中南部坝下地区，坝上地区地势平坦开阔，其中始建于1962年的塞罕坝机械林场就坐落于此；坝下地区山岭沟壑密布，无高峰，许多山峰海拔在2 000 m以下。

目前围场县拥有林地面积51.27万 hm2，森林覆盖率达57.6%。围场县大面积植树造林分为2个时期，分别为1962—1993年以及2000—2012年。第一个时期共植树造林17万 hm2，封山育林8万 hm2；第二个时期共植树造林4.97万 hm2，退耕还林6.67万 hm2。其中：1962—1982年塞罕坝机械林场建设时期共造林8.51万 hm2，保存5.33万 hm2[3]；1978—1993年实施“三北”防护林体系建设二期工程，即首都周围绿化工程，共完成人工造林11.67万 hm2，封山育林8万 hm2[4]；2000年开展京津风沙源治理以及退耕还林，至2012年共造林4.27万 hm2，退耕还林6.67万 hm2[5]；2004年中德财政合作河北二期造林项目在围场县共造林0.69万 hm2[6]。

2 数据来源与分析方法

2.1 数据来源

气象数据来源于围场、承德国家基本气象观测站。围场国家基本气象观测站始建于1951年，并于2009年迁至新址，对气象数据的延续性产生了一些影响，故主要选取1951—2008年各项气象要素数据。作为对比的承德国家基本气象观测站观测数据，也同样选取1951—2008年气象要素数据。日最大风风速为一天内任意10 min平均值的最大值。因围场国家基本气象观测站于1971年才开始使用电接风进行风速测量，故最大风风速选取的为1971—2008年资料。其中平均风数据使用的是每日02时、08时、14时、20时风速的平均值。年大风日数表示一年内出现瞬时风速等于或大于17.0 m/s的天气日数。

2.2 分析方法

气候变化趋势分析采用最小二乘法求气候要素长时间序列趋势,气候趋势用线性倾向表示，气候要素变化趋势采用Mann-Kendall非参数趋势检验法检验分析[7]。全年最大风日数和平均风日数为全年最大风风速、平均风风速达到相应取值范围的天数。

3 植被覆盖率变化对气象要素的影响

3.1 最大风

把最大风风速设为6个检验区间，按照不同风速检验区间对应日数进行统计，并统计变化速率(表1)。

从表1可以看出，从1971年开始，最大风风速在6 m/s以上的日数呈下降趋势，其中风速在8 m/s以上的日数下降幅度最大(通过了0.01信度检验)。再将下降趋势明显的2个风速区间按照年际划分为2个阶段，分别为1971—1990年和1991—2008年。可以发现，最大风风速在8 m/s以上的日数在第一个阶段降幅更大，这与1962—1993年第一次大规模植树造林阶段相对应。可以看出，植被覆盖率的增加对最大风的风速降低有正向作用，主要作用于最大风风速在8 m/s以上的大风。

表1 全年不同风速最大风日数变化情况

注:*代表通过 0.1 信度检验；**代表通过 0.05 信度检验；***代表通过 0.01 信度检验。下同。

3.2 平均风

1951—2008年的各项数据可以看出，平均风风速在3m/s以上的日数下降幅度最大(通过了0.01信度检验)(表2)。把平均风风速在3 m/s以上的数据按照年际分为3个阶段，可以发现，随着1962年植树造林的开始，平均风大于3 m/s的日数从1971年开始由增长转为下降(均通过了0.01信度检验)，这与植被覆盖率的增长是相对应的，两者呈负相关关系(表3)。

表2 1951—2008年平均风日数变化速率

表3 1951—2008年大于3 m/s平均风日数变化速率

3.3 大风日数

对1951—2008年年大风日数及变化速率进行统计(表4)。如果单从1951—2008年的变化情况来看，大风日数呈下降趋势，变化速率为2.2 d/10 a。但把1951—2008年分为3个时间段，可以发现，第一个时间段(1951—1970年)大风日数呈上升趋势，变化速率为16.7 d/10 a；第二个时间段(1971—1990年)大风日数呈下降趋势，变化速率为12.2 d/10 a；第三个时间段(1991—2008年)大风日数呈下降趋势，变化速率为4.3 d/10 a(均通过了0.01信度检验)。第二个时间段的变化速率要强于第三个时间段。大风日数在这3个时间段的变化情况与植被覆盖率的增长是相对应的，两者呈负相关关系。从第二、第三个时间段的变化速率来看，植被覆盖率达到一定水平后，对大风日数降低的有效性将减弱。

表4 全年大风日数变化速率

3.4 降水

统计1951—2008年的年降水量、年雨日数、全年大于1.0 mm降水日数、全年大于5.0 mm降水日数数据(表5)。对降水数据进行统计分析，只有年雨日数的变化速率通过了信度检验，所以将同时段承德国家基本气象观测站年雨日数数据加入对比。将1951—2008年分为3个时间段，分别为1951—1970年、1971—1990年及1991—2008年。通过分析发现，相对于第一个时间段，承德站年雨日数增长速率变缓，围场站减少速率变缓(围场站年雨日数变化速率通过了0.01信度检验)；相对于第二个时间段，围场年雨日数减少速率再次变大，而承德站也由增长变为下降，说明在大尺度天气系统相同的背景下，植被覆盖率增长对年雨日数的增加有一定影响，而较强降水需要大规模水汽输送与大尺度天气系统活动相结合，与局地植被覆盖率变化无关(表6)。

表5 1951—2008年全年降水变化情况

3.5 浮尘日数

对1951—2008年年浮尘日数变化速率进行统计(表7)。

从表中可以看到，1951—2008年年浮尘日数是以0.4 d/10 a的速率在减少，随着1962年开始植树造林，1971—1990年年浮尘日数是以2.1 d/10 a的速率在加速减少(通过了0.05信度检验)。可以看出植被覆盖率的增长，对年浮尘日数的降低有一定正向作用。

表6 1951—2008年年雨日数变化速率对比

表7 1951—2008年年浮尘日数变化速率

4 小结

4.1 植被覆盖率变化对风的影响

1)随着1962—1993年以及2000—2012年2个阶段大规模的植树造林，植被覆盖率逐年上升。由于植被的增加，可以发现，围场县最大风风速在6 m/s以上的大风日数从1971年以后呈逐年减少态势，其中最大风风速在8 m/s以上的大风日数减少得最为明显。这与1962年开始建设的塞罕坝机械林场以及1978开始实施的“三北”防护林体系建设二期工程，在时间上较为统一。最大风风速在5～6 m/s以及3 m/s以下的大风日数无明显变化。最大风风速在3～5 m/s的大风日数增加较明显。大风日数从1951—2008年以-2.2 d/10 a的速率下降，大风日数变化情况与植被覆盖率的增长是相对应的，两者呈负相关关系。可以得出，防护林对最大风的风速以及瞬时风的风速降低有正向作用，主要作用于最大风风速在6 m/s以上的大风。

2)得益于1962年开始建设的塞罕坝机械林场，全年平均风大于3 m/s的日数从1971年开始由上升转为下降，这与植被覆盖率的增长是相对应的，两者呈负相关关系。可以得出，防护林对平均风的风速降低有正向作用，主要作用在平均风大于3 m/s的风。

4.2 植被覆盖率变化对降水的影响

对比承德、围场国家基本气象观测站降水数据发现，大尺度天气系统相同的背景下，植被覆盖率增长对年雨日数的增加有细微影响，而较强降水需要大规模水汽输送与大尺度天气系统活动相结合，与局地植被覆盖率变化无关。

4.3 植被覆盖率变化对浮尘日数的影响

随着1962年开始植树造林，1971—1990年年浮尘日数是以2.1 d/10 a的速率在加速减少。可以看出植被覆盖率的增长，对年浮尘日数的降低有一定正向作用。