“蒸发悖论”在秦岭南北地区的探讨

潜在蒸散量(ET0)是大气蒸发的估计值,已经广泛应用于灌溉管理和无实测蒸发资料地区的估算。分析ET0的时空变化是研究水资源对气候变化响应的基础工作,同时对于农业水资源的优化利用也具有重要意义。根据秦岭南北47个气象站1960—2011年逐日数据,利用FAO Penman-Monteith公式计算出各站的潜在蒸散量(ET0),研究了气温、降水与ET0之间的长期变化趋势关系,对导致ET0下降的主要原因进行了讨论,着重对秦岭南北地区是否存在"蒸发悖论"进行验证。结果表明:(1)秦岭南北整体气温经历了先降后升的变化过程,1993年为突变年份,1960—1993年的降温速率和1994—2011年的升温速率均表现出由南向北递减的规律,1960—2011年整体升温速率由北向南递减。(2)1979年和1993年是ET0变化的转折点,以1979和1993为界ET0经历了"升—降—降"的变化阶段。1960—1979年仅汉水流域和巴巫谷地存在"蒸发悖论"现象,1980—1993、1994—2011和1960—2011年3个时段区域整体和各子区均发现了"蒸发悖论"现象。秋季后18a和52a整体以及冬季前34a和52a整体均存在"蒸发悖论"现象,冬季最为明显。(3)近52年整体降水表现出不显著的下降趋势,相较于年尺度,夏季降水与ET0逆向变化趋势更为明显。(4)年尺度上,太阳辐射(日照时数)下降引起的潜热通量减少是造成ET0下降即"蒸发悖论"现象的主要原因。季节尺度,春季ET0下降的主导因素为风速,其它季节均为太阳辐射(日照时数)。

全球气候变化下秦岭南北气温变化特征

选取秦岭南麓1 000 m划分方案,运用气候倾向率、线性拟合方程、Mann-Kendall非参数检验、小波分析等气候数理统计方法,分析秦岭南北气温变化特征。结果表明:近50 a秦岭南北气候变化具有同步性,增温趋势明显;在气温突变方面,关中地区气温突变(1995年)早于陕南(1998年)。通过近10 a秦岭南北气温时空格局演变分析,认为秦岭地区气温变化符合全球变化规律,其变化是自然因素和人类活动共同作用的结果,在小尺度上人类活动干扰尤为明显(特别体现在快速城市化影响气温上升)。

秦岭南北风速时空变化及突变特征分析

根据秦岭南北47个气象站1960-2011年逐月风速和气温资料,采用样条曲线插值法（Spline）、Pettitt突变点检验、气候倾向率和相关分析等方法对该区风速的空间分布、时空演变特征及其可能影响因素进行了分析。结果表明：①秦岭南北风速空间分布呈东高西低、北高南低格局,按其大小排序为秦岭以北〉秦岭南坡〉汉水流域〉巴巫谷地。四季风速排序为春季〉冬季〉夏季〉秋季,均以秦岭以北最大。②近52 a来,秦岭南北整体和各子区年平均风速呈现一致的显著下降趋势,下降最快的为秦岭南坡,最慢的为汉水流域。四季风速下降速率排序为冬季〉春季〉秋季〉夏季。③年和季节尺度风速的突变集中出现在1969-1974、1978-1981和1990-1994年间,秦岭南北整体于1981年突变。④气象台站周边的城市化发展和风速测量仪器的更换都对风速的变化产生了一定影响,但都不是风速显著下降的主要原因,大气环流变化和气候变暖才是造成风速减小的可能原因。

秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系

基于秦岭南北地区1960—2011年的气象观测资料,分别利用绝对湿度计算公式和Penman-Monteith公式估算大气绝对湿度和潜在蒸发量,并进一步分析了绝对湿度的空间分布规律、时空变化特征及其与潜在蒸发量变化的响应关系。结果表明:(1)秦岭南北地区绝对湿度由南向北顺次递减,具有较好的海拔地带性和纬度地带性。季节平均湿度以夏季为最大,冬季最小。(2)近52年绝对湿度除巴巫谷地表现出不显著下降趋势外,其它子区均呈现出增加趋势。1986年和1998年是湿度变化的转折点,1960—1986年以微弱下降为主,此后直至1998年震荡上升,1998年以后呈下降趋势。(3)年尺度和春、秋两季,除巴巫谷地外,湿度和潜在蒸发量均表现出显著的负相关关系;而在夏季和冬季,除汉水流域和巴巫谷地不显著正相关以外,其它区域也均为负相关。年度和春、秋两季两个指标负相关的紧密程度随着区域的南移而逐渐减弱。1960—2011年间,年度和季节尺度潜在蒸发和绝对湿度呈反向变化趋势;而在1960—1989年间,两者同向变化;1990—2011年间,年度和春、冬两季潜在蒸发上升,而同期的绝对湿度则是先上升再下降。(4)实际蒸发量的增加导致空气中水汽含量(湿度)增加,反过来抑制了水面蒸发(潜在蒸发量)。秦岭以北、秦岭南坡、汉水流域和巴巫谷地部分地区绝对湿度和潜在蒸发量为互补关系,由北向南随着水分限制作用的不断减弱两者逐渐转化为不显著的正相关关系。

1960～2011年秦岭南北气温和降水变化对植被净第一性生产力的影响研究

基于秦岭南北1960～2011年月平均气温和降水量等气候要素资料,应用周广胜-张新时模型计算了近52年的植被净第一性生产力(NPP),分析其年际和年代际变化特征及其对温度和降水的响应。结果表明:(1)研究区多年平均气温呈南高北低分布格局,1993年为气温变化转折点,此前为降温趋势,秦岭以南降温更明显,此后研究区大面积升温,近52年间98%以上的站点呈升温趋势。(2)降水量由北向南递增,1985年为降水变化转折点,此前降水呈减少趋势,此后70%以上站点降水增多;1960～2011年间秦岭以北地区有变干趋势,而秦岭南坡以变湿为主,其余地区变化不明显。(3)周广胜-张新时模型的模拟结果与实测值的平均误差为11.1%,整体上精度较高,说明模型可以用于秦岭南北地区NPP的估算;研究区NPP呈南高北低分布格局,NPP增加的站点所占比例排序为汉水流域>秦岭南坡>巴巫谷地>秦岭以北;NPP年际波动较小,极值比介于1.34～1.89之间。(4)未来气候变化对NPP的可能影响预测结果显示,水热条件同时改善(a情景)的情况下NPP普遍增加14.8%以上,秦岭以北增加趋势更明显,温带落叶阔叶林增幅最大,温带草丛增幅最小;温度升高而降水减少(b情景)的情况下大部分站点NPP减少,亚热带(热带)常绿(落叶阔叶)林减幅最大,温带落叶阔叶林减幅最小;c情景下NPP增幅有限,明显小于a情景,秦岭以北地区的增加趋势更明显,不同植被类型的变化趋势与a情景一致,但明显小于前者。

秦岭以南地区降水量变化及其灾害效应研究

近年来气候变化诱发的灾害效应损失严重。利用秦岭以南地区1951-2001年28个站逐月降水资料,计算了降水量的线性趋势值及降水距平变化,分析了降水量的时间和空间演变特征。受地形影响,秦岭南北与东西降水量变化差异较大,西部大于东部,南坡多于北坡,季节性降水过程差异也很明显;年平均最大降水量为1 254.6 mm,出现在镇巴,最少降水量为690.7 mm,出现在丹凤;50年来降水量变化呈减少趋势,平均递减率为56.5 mm/10 a。分析表明,降水突变是触发其它灾害的主要因素。由强降水及连阴雨诱发的干旱、洪涝及地质灾害效应损失严重,在降雨强度达200 mm/d以上的区域成为泥石流、滑坡灾害,水土流失的多发区,主要分布在秦岭以南多暴雨中心的米仓山、大巴山、佛坪、商南及洛南一带。降水诱发的灾害效应与人类活动也密切相关,这些研究为未来防灾减灾和环境治理提供了依据。

秦岭南北近地面水汽时空变化特征

利用秦岭南北地区47个气象站1960—2011年的观测资料,借助Spline空间插值、Pettitt突变点检验、Morlet小波分析等方法对水汽的空间分布、时空演变、突变特征和周期特征及其可能影响因素进行分析。结果表明:①秦岭南北近地面水汽呈南高北低、东高西低的空间分布格局,各子区水汽由南向北递减,季节分布规律与年尺度基本一致,以夏季最大,冬季最小。②近52年平均水汽压呈上升趋势,秦岭南坡和汉水流域上升速率较快,巴巫谷地呈下降趋势;③53%的站点冬季水汽压发生突变,集中分布于秦岭以南的部分地区,突变集中发生在1985—1988年间,与冬季气温突变时间一致,其余季节突变现象不明显。④水汽在21a时间尺度下经历了4次干湿交替变化,各季节水汽变化规律与年尺度基本一致,未来一段时间该地区仍然处于相对干旱状态。⑤水汽压受到包括气温、风速、日照在内的多种气象因素的综合作用,影响力大小排序为气温>降水量>日照时数>相对湿度。

秦岭南北日照时数时空变化及突变特征

根据秦岭南北47个气象站1960-2011年逐月数据,采用样条曲线插值法(Spline)、气候倾向率、Pettitt突变点检测、相关分析等方法对该区日照时数的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行了分析。结果表明:(1)研究区多年平均日照时数为1838.7 h,空间分布呈东北向西南递减格局,按各分区日照长短排序为秦岭以北>秦岭南坡>汉水流域>巴巫谷地。四季日照时数分布特征与年尺度上的结论基本一致,4个季节按其大小排序为夏季>春季>秋季>冬季,四季均以秦岭以北的日照时数最大。(2)近52 a各区年日照时数变化趋势较为一致,绝大部分站点呈下降趋势。下降的站点占本区站点总数的比例排序为巴巫谷地>汉水流域>秦岭以北>秦岭南坡,秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北日照下降更明显。春季47%的站点呈上升趋势,显著上升的站点集中于中部地区;夏季98%的站点呈显著下降趋势;秋季和冬季变化特征及其空间分布无明显规律。(3)年尺度、春季和夏季突变年份集中于1978-1981年间,秋季的突变特征不甚明显,突变年份和空间分布无明显规律性可言,冬季日照时数突变年份同步性和一致性较差。(4)绝大部分站点日照时数与风速、最高气温、平均气温呈正相关关系,与降水和相对湿度呈负相关关系,与最低气温关系不明显。

气候变化对秦岭南北植被净初级生产力的影响(Ⅰ)——近52年秦岭南北气候时空变化特征分析

根据秦岭南北54个气象站1960—2011年逐日数据,利用FAO Penman-Monteith公式计算各站的潜在蒸散量和湿润指数;采用样条曲线插值法(Spline)、气候倾向率、相关分析等方法对该区气温、降水、潜在蒸散和湿润指数的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行分析。结果表明:1)秦岭南北多年平均气温由北向南逐步上升,1993年是气温变化的转折点,1993年以前秦岭以南地区降温更明显,1994年起绝大部分站点气温显著(P<0.01)上升,秦岭南北无明显差异;2)多年平均降水量由南向北递减,1995年以前各区降水量均表现出下降趋势,秦岭以北地区降水量下降更明显,1995年以后70%以上站点降水量增多,秦岭以北地区有变干趋势,秦岭南坡微弱变湿,其余地区整体升降趋势不明显;3)潜在蒸散量呈东高西低的分布格局,各子区蒸散量呈现较为一致的下降趋势(P<0.05),但无明显转折点,秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北蒸散量下降更明显;4)湿润指数由南向北递减,秦岭以北地区以暖干化为主,而秦岭以南以暖湿化为主,季节尺度上,4个子区表现出的变化规律较为一致,春季和秋季绝大部分站点的湿润指数呈下降趋势,而夏季和冬季则以上升趋势为主;5)湿润指数与日照时数、最高气温、平均气温和蒸散量呈显著水平(P<0.01)的负相关关系,与最低气温和风速相关关系不显著,降水量和空气湿度的增加会对湿润状况的改善起到正向作用。

秦岭南北典型流域径流特征及其降水变化响应

为探索秦岭南北典型流域径流特征及其降水变化响应,选择月河流域和灞河流域为典型流域,根据两流域干流站1960-2010年逐月径流资料,用距平累积法、非参数Mann-Kendall法和R/S分析法等方法对年代际、月尺度径流特征进行对比分析,并考虑年内降水变化,建立降水径流关系模型,定量分析降水变化和人类活动对径流的贡献率。结果表明,两流域径流具有较高的相关性,趋势变化规律大体一致,径流系数基本相同;径流年际变化中径流深接近,均呈震荡下降趋势,且灞河流域下降趋势更明显;年代际变化均呈W型,突变点均在1985-1987年之间,灞河流域通过显著性检验;灞河流域径流年内分配比月河流域更平均,灞河流域年内径流呈双峰型,月河流域径流年内变化呈单峰型;随着时间尺度的降低,两流域径流相关性降低。

气候变化对秦岭南北植被净初级生产力的影响(Ⅱ)——近52年秦岭南北植被净初级生产力

根据秦岭南北54个气象站1960—2011年逐日数据,采用周广胜—张新时模型、Penman-Monteith模型、气候倾向率、相关分析和Spline插值等方法分析近52 a气象要素的时空变化特征及其对植被净初级生产力的影响。结果表明:1)秦岭南北多年平均植被净初级生产力由北向南逐步上升,排序为巴巫谷地>汉水流域>秦岭南坡>秦岭以北,各子区植被净初级生产力变化趋势不一,植被净初级生产力上升的站点占本区站点总数的比例顺序为汉水流域>秦岭南坡>巴巫谷地>秦岭以北,秦岭以南地区增加更为明显,生态区23个站点中植被净初级生产力年际波动并不大,介于1.34～1.89之间;2)植被净初级生产力与湿润指数、降水量和相对湿度呈显著水平(P<0.01)的正相关关系,相关系数排序为降水量>湿润指数>相对湿度,降水的增多会促进植被净初级生产力的累积,水分是主要制约因素;3)植被水分利用效率由南向北递减,排序为巴巫谷地>汉水流域>秦岭南坡>秦岭北坡,绝大部分地区呈现不显著的上升趋势,近52 a来,水分利用效率普遍呈上升趋势,但并不显著,整体上维持相对稳定水平。

近40年秦岭南北地区气候变化及与El Nino/La Nina事件相关性分析

通过对近 40年来秦岭南北地区气候变化及与ElNino/LaNina事件相关性研究发现 ,秦岭南北地区气温与降水同步波动 ,但波动幅度有差别。二者都有暖干化趋势 ,秦岭以北变暖程度超过秦岭以南 ,而秦岭以南年降水量的绝对减少量大于秦岭以北 ,两地年平均气温和年降水量差值有缩小趋势。LaNina事件对秦岭南北地区的影响大于ElNino事件 ,LaNina年年平均气温明显下降 ,超过极显著相关水平 ,而降水增多。ElNino年气温略有升高趋势 ,降水略有减少趋势 。

秦岭南北典型流域径流变化规律的对比研究

为探索秦岭南北典型流域径流特征,选择灞河流域和旬河流域为典型流域,根据马渡王与向家坪水文站1956—2011年实测径流及流域降雨资料,采用Mann-Kendall趋势检验法和R/S法等分析径流演变规律,预测其未来变化趋势。利用滑动t检验、Mann-Kendall突变检验和双累积曲线法辨识径流序列突变点,确定基准期,采用径流还原法定量计算气候变化和人类活动对灞河及旬河径流的影响程度。结果表明:两流域径流变化趋势在1980年前具有相似性,1981年起相似性降低,但总体均呈现显著下降趋势且未来将持续减少,灞河流域径流下降趋势更为明显;在1956—2011年间,灞河流域突变年为1972、1992年,旬河流域突变年为1981年,不具有一致性。径流还原法分析结果表明:人类活动因素是导致两流域径流减少的主要原因,灞河流域径流减少受到人类活动的影响率为78.67%,旬河流域径流减少受到人类活动的影响率为98.58%。

基于SPEI指数的秦岭南北地区干旱时空变化特征

基于秦岭南北地区47个气象站点1960—2016年实测气象资料,利用标准化降水蒸散指数(SPEI)定量分析了秦岭南北地区不同时间尺度干旱发生频率和强度的时空演变特征,并试图揭示该区域干旱发生的原因。结果表明:SPEI值能够较好的反映秦岭南北地区的干旱特征及干湿演变状况。从时间变化上看,近57 a来秦岭南北地区呈干旱化趋势,以20世纪90年干旱化趋势最为显著,干旱化趋势最显著的区域为秦岭以北地区,但近22 a秦岭南北地区开始出现湿润化趋势;从季节来看,四季大部分区域呈干旱化趋势,秋季干旱化趋势最显著且开始最早,春季次之,冬、夏干旱化趋势相对不显著。从空间来看,秦岭南北地区在年、季、月尺度上均有干旱发生且各地区分布极不均匀;其中秦岭以北地区干旱发生频率较高,其他子区域干旱发生频率的空间分布特征较为复杂。干旱发生强度呈现出中西部强,四周弱的特点,干旱发生强度最强的地方为陕西石泉,为14.7%,最弱的地方为四川阎中,为23.6%。

近30年来秦岭南坡与秦岭北坡气温波动变化趋势分析

秦岭南坡地区近30年,温度增加了2.28摄氏度,而秦岭北坡地区增加了约3.37摄氏度。也进一步反映出秦岭北坡地区的温度增加幅度比秦岭南坡地区的温度增加幅度更大一些。秦岭山区南坡和北坡的温度季节性变化十分明显。夏季温度较高,冬季温度基本都较低。从各个季节温度的数值上看,秦岭南坡的温度基本明显高于秦岭北坡的温度。冬季,秦岭南北坡温度基本均不足3℃,春季温度值次之,夏季秦岭南坡温度比秦岭北坡温度高约0.77℃,秋季秦岭南北坡温度处于向冬季过渡期,相对于夏季,温度明显变化,降幅较大。

基于SPOT VEGETATION的秦岭南坡近10年来植被覆盖变化及其对温度的响应

利用1km分辨率的SPOT VEGETATION(SPOTVGT)数据对秦岭南坡1998～2007年植被覆盖空间变化特征进行分析,并研究了温度与年最大NDVI(归一化植被指数)值的相关性.结果表明:秦岭南坡年最大NDVI值大于0.57的面积占总面积的97%.植被覆盖增加地区的面积总体大于退化的面积,但年最大NDVI值显著减小的像元占像元总数的4.45%以上,且部分阔叶林分布区的NDVI值显著降低;草灌丛是秦岭南坡退化最严重的植被类型.年最大NDVI值与前一年8月至当年7月平均温度具有显著的相关性,其大小随平均温度的变化符合y=-0.004x2-0.0015x+0.7168(p<0.05).在研究区范围内,当前一年8月至当年7月平均温度低于某一温度(约为(13.0±0.2)℃)时,其与年最大NDVI呈正相关,而高于另一温度界限(约为(14.4±0.2)℃)时则呈负相关,其中研究区南端的人为耕作区表现尤为敏感.

秦岭南北1951-2009年的气温与热量资源变化

根据47个地面气象站1951-2009年日气温资料,对秦岭南北近60年温度带划分指标(包括年平均气温、日平均气温稳定≥10℃的日数与积温、最冷月与最热月气温、极端最低气温等)的变化特征进行了分析,结果发现:秦岭南北气候增暖主要出现在20世纪90年代初之后,年平均气温、日平均气温≥10℃的日数和积温的变化趋势基本一致,1951-1993年在年代波动中略有下降,而1993年之后则快速上升;但存在着季节和区域差异。在季节上,冷季(1月)平均气温与极端最低气温变化趋势一致,1951-1985年均在波动中略有上升,1985年之后出现微弱下降;而暖季(7月)温度总体变化趋势不明显。在区域上,1993年之后,秦岭以北、秦岭南坡、汉水流域及巴巫谷地的日平均气温稳定≥10℃的日数分别较1993年之前增加了10天、10天、8天和5天,相应时段的积温分别增加了278℃、251℃、235℃和207℃;即20世纪90年代初以来,秦岭以北气温与热量资源增加幅度要比秦岭以南稍大一些。

秦岭南北地区光合有效辐射时空变化及突变特征

基于秦岭南北地区47个气象站1960-2011年的逐日气象数据,通过Angstrom方程和Penman-Monteith公式计算了各站点的光合有效辐射(PAR),并借助Spline空间插值、Pettitt突变点检验和相关分析等手段对PAR的空间分布、时空演变、突变特征及其可能成因进行了分析。结果表明:①秦岭南北地区PAR的时间和空间分布特征明显,在空间上呈北高南低的分布格局;在季节分布上,夏季、春季、秋季、冬季依次减小。②52年间,该地区年PAR整体呈显著下降趋势,下降速率由南向北,由东向西递减;时间变化方面,春季PAR呈现不显著的上升趋势,其余季节均呈下降趋势,夏季减小最快,其次为冬季,秋季最小。③该地区89%的站点年PAR存在突变,突变站点中的85%发生于1979-1983年间;夏季89%的站点发生突变,突变站点中的90%发生于1979-1983年间;冬季68%的站点发生突变,但突变时间同步性和一致性较差;春季和秋季突变现象不甚明显。④气候变化(风速下降)、城市化进程加快以及工业生产导致的气溶胶增多是导致PAR显著下降的主要原因,而火山爆发引发的气溶胶增加则是PAR波动的主要原因。

1960～2014年秦岭南北无霜期时空变化特征及对比分析

全球气候变暖背景下,自然生态环境敏感区农业热量资源的时空特征研究具有重要的现实意义。依据1960~2014年秦岭南北47个气象站数据,利用线性趋势、M-K检验和kriging插值法对无霜期时空变化进行分析。结果显示:从时间上看,秦岭南北无霜期随纬度增加而减少,初霜日和无霜期在年际波动中略有下降后快速上升,终霜日在波动中略有上升后快速下降。55年来无霜期呈显著的延长趋势且发生增多突变,秦岭以北、秦岭南坡、汉水流域和巴巫谷地的延长速率分别为0.400 6、0.280 4、0.396 1和0.407 5 d/a,突变年份分别为1999、2002、2001和1990年。从空间上看,无霜期平均值和标准差由南向北增加,80%站点初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长。多数无霜期延长是初霜日推后与终霜日提前的共同影响。无霜期在28个站点呈波动变化,19个站点发生突变,突变时间多在1990s^2000s,2000s的突变区域面积最大且集中分布在东北部。分析结果可为气候变化对生态环境和农业生产布局的影响提供参考。

秦岭南北地区农业气候资源时空变化特征

利用秦岭南北地区1960~2016年47个气象站点的观测资料,运用气候倾向率、Mann-Kendall趋势检验、相关分析与反距离加权插值等方法分析了秦岭南北地区光、热、水等农业气候资源的时空变化特征。结果表明:1960年以来,秦岭南北地区气温、≥10℃活动积温呈显著增加趋势,1995年后气温快速上升,并在2002年增温达到显著水平。春、冬、秋季增温明显,空间上秦岭以北增温倾向率大于秦岭以南。1960~2016年,秦岭南北地区降水量总体呈微弱下降趋势,从时间上看,1995年前降水量以下降为主,1995年后降水量转为上升趋势;从空间上看,1960~2016年,下降较明显地区为秦岭以北、嘉陵江沿线,其次为汉水流域丹江口水库区域;部分地区呈现微弱上升趋势,主要分布在巴巫谷地、汉水流域大巴山等山地段和秦岭南坡东部。相对湿度呈微弱下降趋势;日照时数呈显著下降趋势,四季下降程度为夏>冬>秋>春,下降显著地区为研究区东部平原、汉中盆地、关中盆地及巴巫谷地。