1970—2020年秦岭南北夏季昼晴夜雨强度变化趋势及其影响因素

[目的]在陕西3大地理单元中,秦巴山区土壤侵蚀强度仅次于黄土高原。明晰秦岭南北夏季昼晴夜雨强度与气候变暖的响应关系,对区域土壤侵蚀防治具有重要的意义。[方法]基于1970—2020年逐日降水数据,辅以BG分割法、经验正交函数和Lasso回归等方法,对秦岭南北地区夏季昼晴夜雨强度时空变化特征及其影响因素进行分析。[结果]1970—2020年,秦岭南北夏季昼晴夜雨强度呈现显著增加趋势。空间上,秦岭南北夏季昼晴夜雨强度主导模态为全区一致增强。其中,1000 m以下的谷地和平原区,是夏季昼晴夜雨强度变化的敏感区。在影响因素上,秦岭南坡、汉江谷地夏季昼晴夜雨强度变化与气象因子相关性高于关中平原。其中,秦岭南坡夏季昼晴夜雨强度主导气象因子为日照时间,而汉江谷地则受日照时间和平均风速的共同影响。[结论]2003年后秦岭南北夏季昼晴夜雨强度存在突变增强。以白天高温、夜间强降水为侵蚀形态的降水类型,将成为秦岭南北水土保持防治的重点。

湿球温度动态阈值法在秦岭南北降雪时空规律分析的适用性研究

基于秦岭南北72个气象站点逐日观测数据,对湿球温度动态阈值法在中国南北过渡带降雪研究的适用性进行分析。结果表明:受冬季风、山地地形和下垫面性质等因素影响,秦岭南北降雪判断准确率的时空规律存在两阶段特征。第1阶段为:11月—次年1月,区域降雪判断准确率空间呈现“南北分异”分布,关中平原和秦岭山地,是降雪判断准确率的高值区;第2阶段为:次年2—3月,降雪判断准确率空间呈现“东西分异”分布,汉江流域上游、秦岭山地西段、关中平原东部为降雪判断准确率的高值区。[-2.0℃,2.0℃]气温区间,是秦岭南北降雪类型判断准确的关键温度区间。当区域强烈降温至0℃以下,湿球温度动态阈值法,可准确地识别11月—次年1月关中平原、秦岭山地和汉江流域上游的降雪相态。本研究结论启示,客观降雪相态方法验证研究可借鉴地理时空思维,关注不同时间、不同温度、不同地理单元的组合关系,重视雨雪相态判断准确率的时空差异规律。

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。

“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)。

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。

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。

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)。

秦岭南北年极端气温的时空变化趋势研究

依据1960～2009年秦岭南北地区60个气象站数据,主要应用M-K突变检验、kriging插值法对秦岭南北地区近50 a来年平均气温,年极端最高、最低气温的时空变化特征进行了分析。结果显示:①年均气温和极端最高、最低气温的气候倾向率关系为陕南<关中<全国、关中<全国<陕南、陕南≈关中<全国。②秦岭南北地区年均气温突变年份均为1997年,晚于全国;年极端最高温度突变都不显著,年极端最低气温的突变年份都为1978年。③年均气温和极端最低气温的空间分布为南高北低,沿纬向分布;极端最高气温为东高西低,呈经向分布。

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。

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。

陕西秦岭南北年均气温及降水量带的移动

依据秦岭南北地区1970—2009年气象数据,应用空间分析方法对秦岭南北地区年平均气温带、年降水量带的移动及其面积变化特征进行了分析.结果显示:(1)近40a来,秦岭南北地区年平均气温带发生了明显的移动,与标准时期(1971—2000年)相比,21世纪初的10a位置最北,北移0.5°,其余各年代中只有20世纪80年代稍微南移,南移0.15°;12～13℃气温带中面积最大为20世纪80年代,13～14℃带为90年代.(2)近40a来,秦岭南北地区年降水量带也发生了明显的移动,与标准时期相比20世纪80年代北移0.4°,其余年代都略有南移,南移0.15°;600～800mm年降水量带中面积最大时段为20世纪70年代,800～1 000mm带为80年代.(3)近40a来,秦岭南北地区气候暖干化趋势明显,经历了由暖干—冷湿—暖干的变化过程,这种移动变化可能会对该地区的种植制度产生影响.

厄尔尼诺对秦岭南北降水影响及致灾效应研究

根据1955—2007年秦岭南北59个气象站点资料,分析了厄尔尼诺现象对秦岭南北降水的影响,比较秦岭南北降水对厄尔尼诺现象的响应及致灾效应.研究表明:秦岭南北降水对厄尔尼诺现象响应的趋势基本一致,但幅度有别;厄尔尼诺年秦岭以北(岭北)降水减少幅度大于秦岭以南(岭南),而厄尔尼诺次年岭南降水增加量大于岭北;秦岭分界作用明显,全球变化下秦岭南北降水差值越来越大,厄尔尼诺现象在一定程度上加剧了这种差距.

52a来秦岭南北径流变化对比及影响因素

运用集中期、M-K突变检验法、径流系数等数理统计方法,基于1960-2011年马渡王与南宽坪径流数据及气象数据,对比分析灞河与金钱河流域径流变化特征,揭示秦岭南北气候变化差异得出:(1)52 a来灞河与金钱河年均径流深变化趋势相似,金钱河年径流深的变异程度大于灞河;(2)灞河与金钱河流域径流与降水在年内分配上存在滞后效应,秦岭南北从流域降水开始经过停蓄、漫流、河槽集流,然后汇流至金钱河河道大概需要20 d左右的时间;(3)秦岭南北气候因子突变的时间点具有一致性,均发生在1990年左右,该突变可能是由于大尺度的气候变化导致局部地区自然环境变化引起的;(4)径流变化的下降趋势是降水、气温、植被变化和人类活动综合作用的结果。20世纪90年代末的径流突变主要原因是气候变化引起的,人类活动对其影响十分微小,因此,某些明显的突变现象是由于大的气候变化引起的,人类活动的影响是一个长期的过程,所以对自然资源应采取开发与治理同时进行。

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。

全球气候变化下秦岭南北气候生产力时空对比研究

根据秦岭南北60个气象站点1961-2007年气象资料,利用Thornthwaite Memoriai模型计算了秦岭南北关中、陕南地区的气候生产力,分析了其时空分布特征,并对该地区气候生产力的长期变化趋势进行了初步估测。研究表明:秦岭南北气候生产力值介于9525.0～14156.2 kg/hm2.a之间,陕南大于关中;其空间分布由北向南逐步增加,西安、咸阳地区最小,安康地区最大;近半个世纪以来秦岭南北气候生产力呈递减趋势,关中趋势更为明显;就年代变化而言,秦岭南北变化步调一致但幅度有别:60、80年代为正距平,70年代、以及进入21世纪后变化不大,90年代急剧减少;随着气候日益暖干,气候生产力将进一步下降,农作物很可能因高温缺水而减产。

秦岭南北地区人口增长对水资源影响的比较研究

采用近30年来(1970-2000)关中地区33个县市、陕南地区26个县市气象观测数据及研究区内各主要县市的近50年来(1949-2000)人口数据,对比分析了人口增长对秦岭南北地区水资源的影响。分析表明近50年来,关中地区每年平均增长人口27.1万人,陕南地区每年增长人口8.9万人,关中地区人口总数和增长速率分别是陕南地区的2倍和3.5倍;关中地区和陕南地区的人均水资源量变化都呈现出下降的趋势,关中地区的下降速率为每年2.1%,陕南地区下降的速率为1.4%;从时间上看,关中地区90年代与60年代相比,人均水资源量减少了46.5%,陕南地区90年代与60年代相比,人均水资源量减少了16.5%;从空间上看,关中地区主要缺水区域位于渭河的中下游,大部分地区人均水资源量在1,400m3以下,而陕南地区只有汉中水资源受人类影响较大人均水资源量在1,400m3以下,其他县市水资源仍然很丰富,人均水资源量在2,800m3以上。由于人口增长迅速,关中地区的水资源较陕南地区在时间和空间上都存在严重的缺乏,前景不容乐观。因此,从人口和水资源两方面考虑陕南地区是支持关中经济发展的重要后方。

不同诱灾因子对秦岭南北旱涝灾害影响

运用旱涝指数模型,计算、分析了不同诱灾因子对秦岭南北旱涝灾害影响。研究表明:①秦岭南北旱涝灾害与太阳活动存在相关性。具体表现为:太阳黑子处于峰年或谷年时关中与陕南地区形成旱涝灾害,且20世纪60-80年代太阳黑子数与旱涝指数呈负相关,80年代以来呈正相关;②厄尔尼诺年与秦岭南北旱涝灾害有一致性。1957-2006年50年中,发生厄尔尼诺事件为15次,在事件当年和次年关中、陕南地区发生旱涝灾害概率分别为:75%与50%,且间隔6年以上的两次厄尔尼诺之间,必有一次干旱年和多雨年;③太阳黑子与厄尔尼诺对关中与陕南影响既具有一致性,又存在差异。

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 。