周澤江，李保琦，趙子岳，董曉勇，顧金普

（1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050021；4.青海省水利電力勘測設(shè)計研究院，青海 西寧 810001；5.貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 研究背景

由于全球氣候變化不斷深入和高強(qiáng)度人類活動的持續(xù)影響，水循環(huán)過程中的蒸散發(fā)環(huán)節(jié)在一定程度上發(fā)生了改變，因此區(qū)域干濕狀況也隨之出現(xiàn)變化。例如，IPCC第6次評估報告中指出，自1880至2012年全球平均地表溫度升高0.12℃/10a［1］，華北平原降水整體呈現(xiàn)顯著減少趨勢［2］，氣溫升高加速了水循環(huán)過程，降水減少則直接導(dǎo)致地表變干，而地表濕度變化又受太陽輻射、地表反射等能量循環(huán)因素的影響。因此，區(qū)域地表干濕程度演變及其影響因素的研究不僅可以正確認(rèn)識地表干濕變化趨勢及其原因，而且對合理應(yīng)對氣候變化具有一定的參考價值。

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，但是其水資源本底較差，比如其年降水量為500～900 mm，但是在春季，氣溫回升，蒸發(fā)量增加，降水量較少，常會出現(xiàn)春旱問題；與冬小麥生育期（10月份—翌年的6月份）需水分布錯位，導(dǎo)致該地區(qū)成為典型的補(bǔ)充灌溉區(qū)。另外，區(qū)域內(nèi)人口眾多、經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，對水資源的需求較大。加之高強(qiáng)度人類活動和氣候變化的影響，引發(fā)了生態(tài)、環(huán)境、地下水超采、區(qū)域最高氣溫驟增等一系列問題。因此，華北平原地區(qū)干濕狀況變化具有區(qū)別于其他區(qū)域的獨特性和差異性。

濕潤指數(shù)作為衡量區(qū)域水熱收支情況的指標(biāo)，即區(qū)域來水量與消耗量特點，可直接綜合表征區(qū)域地表濕度，進(jìn)而可從側(cè)面反映區(qū)域干濕狀況。所以，濕潤指數(shù)的長系列分析可以反映出區(qū)域干濕狀況在外界環(huán)境綜合影響下的演變情況。因此，近年來，在氣候變化和高強(qiáng)度人類活動的影響下，有關(guān)濕潤指數(shù)的研究受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如，在區(qū)域尺度上，西北［3］的天山西部地區(qū)［4］、甘肅河?xùn)|地區(qū)［5］以及石羊河流域［6］、黃土高原地區(qū)［7］，黃河流域［8］，青藏高原的三江源區(qū)［9］，還有位于華東的長三角地區(qū)［10］都有相關(guān)案例分析；在行政區(qū)劃尺度上，從市級的安康［11］到省級的陜西省［12］和云南?。?3］，乃至全國［14-16］，都從不同空間尺度和時間尺度針對不同的側(cè)重點及問題進(jìn)行了分析和探討。

盡管濕潤指數(shù)在不同地區(qū)及全國大區(qū)域尺度得到一些結(jié)論，但是不同區(qū)域及不同時間尺度的時空變化規(guī)律仍存在一定的差異。華北平原地區(qū)水資源本底差、人類活動強(qiáng)烈、供需水分布錯位，導(dǎo)致該地區(qū)干濕狀況呈現(xiàn)出高頻率和大振幅的變化，變化程度較其它區(qū)域更甚。為此，亟需進(jìn)行華北平原地表濕潤程度演變及其影響因素分析，以便為水資源本底較差區(qū)域更好的應(yīng)對氣候變化提供借鑒。

基于以上分析，本文對華北平原地表濕潤程度演變及其影響因素進(jìn)行分析，首先采用地表濕潤指數(shù)來探尋華北平原干濕程度的演變，然后通過Mann-Kendall趨勢檢驗來獲得干濕程度的年際變化規(guī)律，最后應(yīng)用正交函數(shù)分解對干濕程度空間分布進(jìn)行模態(tài)分析。

2 數(shù)據(jù)來源

以可靠性、一致性、代表性為標(biāo)準(zhǔn)，對氣象站點資料進(jìn)行審查篩選，在滿足精度要求的前提下剔除數(shù)據(jù)缺測的氣象站點，最終選取華北平原及其周邊82個站點數(shù)據(jù)作為本文的研究數(shù)據(jù)，研究區(qū)位置及站點分布如圖1所示。數(shù)據(jù)系列為1960—2017年日尺度實測數(shù)據(jù)，包含逐日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、空氣相對濕度、日平均風(fēng)速及日照時數(shù)等7個氣象要素。本文涉及的氣象數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn）。

圖1 氣象站點及研究區(qū)域分布圖

3 研究方法

3.1 地表濕潤指數(shù) 本文采用濕潤指數(shù)來綜合反映華北平原干濕狀況，該指數(shù)可由地面降水量（P）與潛在蒸發(fā)量（ET0）來計算：。式中P為氣象站實測降水量；ET0采用1998年FAO推薦的Penman-Monteith（PM）公式，其計算方法見文獻(xiàn)［15］。

用濕潤指數(shù)k表示干濕程度的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)文獻(xiàn)［4］的干濕進(jìn)行分級，具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 中國干濕程度分級

3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗Mann-Kendall（M-K）方法可定量分析時間序列趨勢，適用于氣象、水文等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)分析。為進(jìn)一步分析華北平原地表濕潤程度演變趨勢，并對各影響因素進(jìn)行置信度為0.01的顯著性檢驗，本文采用Mann-Kendall趨勢檢驗法［13］進(jìn)行計算。

3.3 正交函數(shù)分解 影響地表濕潤程度的要素復(fù)雜繁多，本文采用正交函數(shù)分解法來分析華北平原地表濕潤程度演變的主要影響因素。正交函數(shù)（EOF）分解在多元統(tǒng)計分析中又稱主成分分析［17］，它是利用較少的幾種空間分布模態(tài)對原變量場進(jìn)行描述，可基本涵蓋原變量場的信息，通常以向量場的貢獻(xiàn)率來表示。其優(yōu)點在于EOF沒有固定的函數(shù)，可以在有限區(qū)域?qū)﹄S機(jī)分布的站點分解，容易將變量場的信息集中于幾個分布模態(tài)上，且分離出來的變量場具有物理意義。

4 結(jié)果分析

4.1 干濕程度空間分布 年均濕潤指數(shù)為四季濕潤指數(shù)空間分布的疊加，研究區(qū)各站點多年平均地表濕潤指數(shù)介于0.5～1.3之間，空間差異顯著，總體上表現(xiàn)為從河南省中部向山東省中部呈現(xiàn)出西南-東北走向的區(qū)域界線，表現(xiàn)出由東南向西北逐漸遞減的態(tài)勢（圖2（a））。其中，低值區(qū)（0.5左右）主要位于西北部，高值區(qū)（1.3左右）位于南部和東南部。南北差異較為明顯，濕潤指數(shù)差異值約為0.8左右。一般來說，南部大部分區(qū)域濕潤指數(shù)在1.0以上，而北部則為0.6左右。按照文獻(xiàn)［4］的干濕程度分級，華北平原濕潤指數(shù)在0.3～1.0之間，屬于半濕潤地區(qū)，即整體來看華北地區(qū)全部位于半濕潤氣候地帶，屬于半濕潤氣候區(qū)，且大時間尺度內(nèi)不會過渡為濕潤區(qū)和半干旱區(qū)。

圖2 濕潤指數(shù)空間分布圖

濕潤指數(shù)的各季節(jié)空間分布整體與年均濕潤指數(shù)基本相似，但并不完全一致，指數(shù)值的區(qū)間范圍和空間分布均有差別。冬、春季節(jié)全區(qū)濕潤指數(shù)大體以河南省中南部和山東省南部為分界線，其該分界線以北大部分地區(qū)濕潤指數(shù)小于0.5，以南則為0.6～1.3左右，且呈向南增加的趨勢。但與春季相比，冬季南北濕潤指數(shù)分界線相對靠南，位于山東省南部和河南省南部。夏季華北平原地區(qū)大部分區(qū)域濕潤指數(shù)在0.9以上，盡管空間分布上仍呈現(xiàn)出東南地區(qū)相對西北地區(qū)較高的差別，但二者的差異較小，不超過0.2。秋季濕潤指數(shù)的變化介于冬春季和夏季之間，區(qū)域間差異明顯，整體上南部濕潤指數(shù)大于北部，但以北京、天津和河北省大部分地區(qū)最小，不足0.5，河北南部、山東北部和河南北部為0.6～0.8，河南南部、山東南部及其以南地區(qū)大于0.8。

4.2 干濕程度年際變化規(guī)律 反距離權(quán)重（IDW）插值法是空間插值方法之一，具有能夠綜合反映插值點與樣點之間距離對插值點貢獻(xiàn)的特點，認(rèn)為離插值點越近的樣本點賦予的權(quán)重越大，其權(quán)重貢獻(xiàn)與距離成反比。為此，本文采用此方法，在ArcGIS 10.2中對82個站點逐月濕潤指數(shù)進(jìn)行空間插值獲得華北平原逐月平均濕潤指數(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行整個研究區(qū)濕潤指數(shù)年際演變特征分析。

由圖3可知，華北平原地區(qū)年均濕潤指數(shù)變化在0.5～1.35之間波動，其多年平均值為0.79，最大值出現(xiàn)在1964年，最小值出現(xiàn)在1997年，最大值與最小值相差約為0.7。近58年濕潤指數(shù)總體呈0.011/10a減少趨勢。華北平原地區(qū)1960 s、1970 s、1990 s和2000—2009年年尺度下濕潤指數(shù)偏大，相對多年平均值分別偏大4.42%、0.92%、0.19%和2.58%；而1980s和2010—2017年則分別偏小3.82%和5.37%。

圖3 1960—2017年華北平原年平均濕潤指數(shù)變化

為了分析濕潤指數(shù)年際變化的空間差異性，對華北平原82個站點58年濕潤指數(shù)進(jìn)行傾向率計算，并繪制空間變化傾向率分布圖，如圖4所示。

圖4 濕潤指數(shù)空間變化傾向率分布

1960—2017年華北平原地區(qū)年平均濕潤指數(shù)大部分地區(qū)呈現(xiàn)出變小趨勢，即氣候變干趨勢，變化率為0～0.03/10a，山東半島和江蘇東北部等局部地區(qū)濕潤指數(shù)減小較多，約為-0.06/10a左右。在河南省中東部、安徽省北部等地區(qū)濕潤指數(shù)呈略微增加趨勢，變化率約為0.03/10a。

就整個華北平原而言，春季、夏季和秋季濕潤指數(shù)均呈減小趨勢，減小速率分別為0.009/10a、0.015/10a和0.018/10a；冬季濕潤指數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，增加速率為0.041/10a。各季節(jié)多年平均濕潤指數(shù)分別為0.43、1.23、0.78和0.37，年內(nèi)四季濕潤指數(shù)差異較大，夏季最大，為春、冬季的3倍左右。

不同季節(jié)的濕潤指數(shù)，在局部地區(qū)的變化趨勢與華北平原整體略有不同。其中，春季河北、天津、北京和山東中部西北部濕潤指數(shù)呈增大趨勢，約為0～0.03/10a左右；河南南部、江蘇、安徽等區(qū)域呈現(xiàn)減小趨勢，約為-0.06/10a左右。夏季東北部呈現(xiàn)減小趨勢，西南呈現(xiàn)增大趨勢。秋季在安徽北部、江蘇西北部、河南東部和山東南部以及北京市周圍等地濕潤指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，變化率介于0～0.06/10a之間，其他地區(qū)呈減小趨勢，其中，山東東部和江蘇東北部減小程度較大，變化率約為-0.09/10a。冬季研究區(qū)域濕潤指數(shù)整體呈現(xiàn)增加趨勢，且增幅由北向南增大，河北地區(qū)濕潤指數(shù)變化率較小，在0～0.03/10a之間，河北指南的河南、山東和安徽、江蘇北部地區(qū)濕潤指增加率較大，在0.06～0.09/10a之間。

4.3 影響因素分析 年均濕潤指數(shù)K值的時空分布情況，包含時間和空間兩個維度的變量。在時間上，若將n年序列存在n種空間分布情況，則時間變量有n種指標(biāo)。然而，各時間變量指標(biāo)與不同空間變量指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性，導(dǎo)致K值所反映的信息在一定程度上有所重疊。經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）是將不同研究變量的多個研究指標(biāo)進(jìn)行重新組合，形成新的互相無關(guān)的若干個綜合指標(biāo)，來代替原來指標(biāo)，即“降維思想”。

本文通過對華北平原82個站點58年的濕潤指數(shù)進(jìn)行逐年空間插值，得出1960—2017年58種空間分布形式，然后采用經(jīng)驗正交函數(shù)對華北地區(qū)濕潤指數(shù)進(jìn)行空間特征分析，按概率統(tǒng)計提取出5種空間分布形式，來代表原始58種空間分布形式，將復(fù)雜的空間態(tài)勢簡單化，以便清晰的揭示地表干濕程度空間分布的規(guī)律（見表2和圖5）。

圖5 華北平原年平均濕潤指數(shù)EOF分析

由表2可知，華北平原1960—2017年年均濕潤指數(shù)K值的前8個特征向量累計貢獻(xiàn)率為75.69%，前5個特征向量累計貢獻(xiàn)率趨近于70%，所以前5個特征向量可以較好的表示華北平原年平均濕潤指數(shù)K值的空間變化特征。第一、二特征向量貢獻(xiàn)率均大于10%，對空間分布代表性較高，因此，對前兩個特征向量進(jìn)行重點分析。

表2 華北平原濕潤指數(shù)K值前8個特征向量的貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率

由圖5可知，第一特征向量（EOF1）均為正值，貢獻(xiàn)率為34.33%，取值范圍在0～0.18之間（圖中標(biāo)注為特征向量值乘100），說明華北平原濕潤指數(shù)空間分布呈現(xiàn)出一致性，即全區(qū)均偏干或全區(qū)均偏濕潤；但特征向量在數(shù)值上呈現(xiàn)的南部大于北部，說明南部偏干或偏濕的程度大于北部。第二特征向量（EOF2）取值范圍在-0.24～0.30之間，貢獻(xiàn)率為16.08%，在空間上呈現(xiàn)沿山東省和河南省中南部東北方向分界線，其北部為負(fù)值區(qū)和南部為正值區(qū)，反映華北平原北部和南部干濕狀況呈相反形式，即北部偏干南部偏濕潤或北部偏濕潤南部偏干。

華北平原濕潤指數(shù)在空間分布整體上北部小于南部，在年際變化上呈現(xiàn)整體偏干趨勢，這與我國許多專家學(xué)者在不同空間尺度分析研究結(jié)果一致［14-15，18-22］。但是，濕潤指數(shù)是一個受多種氣象因素綜合影響的指標(biāo)，為揭示華北地區(qū)濕潤指數(shù)變化的主要影響因素，本文結(jié)合降水、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)等做了進(jìn)一步分析，結(jié)果見表3。

表3 1960—2017年華北地區(qū)濕潤指數(shù)與各要素的相關(guān)系數(shù)

可以看出，從多年平均尺度上看，濕潤指數(shù)與降水、相對濕度、氣溫呈顯著正相關(guān)，且相關(guān)性依次遞減；與風(fēng)速、太陽輻射呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性依次遞增。在各影響要素中，降水是濕潤指數(shù)變化的主導(dǎo)因素，二者整體變化規(guī)律呈現(xiàn)出相似的空間分布特點［23］，相關(guān)性達(dá)到0.889；其次為相對濕度和氣溫；而與濕潤指數(shù)呈負(fù)相關(guān)的太陽輻射和風(fēng)速的影響則相對較小。

在季節(jié)上，春季濕潤指數(shù)的變化主要受降水、相對濕度和太陽輻射的影響，太陽輻射的影響逐年遞增；夏季濕潤指數(shù)受氣象因素作用的大小依次為降水、相對濕度、太陽輻射、氣溫和風(fēng)速的影響顯著；秋季為降水、氣溫、相對濕度和太陽輻射的影響；冬季氣溫較低，對濕潤指數(shù)影響不顯著。綜合來講，華北平原濕潤指數(shù)的變化受降水、相對濕度和太陽輻射的影響較大，且前二者占主導(dǎo)地位。

在空間上，由于華北地區(qū)降水量呈現(xiàn)從南向北逐漸遞增，相對濕度、日照等氣候因子均受地理位置、氣候條件及東南季風(fēng)等因素的影響，共同造成濕潤指數(shù)的空間差異性。

在此過程中，雖然降水量呈減少趨勢［23］，自然降水可用于蒸發(fā)的水量有限，但是灌溉用水也發(fā)揮著一定的作用。河北、北京、天津和山東西北部春季濕潤指數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢即濕潤化，這可能與灌溉有關(guān)，冬小麥返青，而冬春季降水較少，不能滿足小麥生長所需水分，越冬水和返青灌溉補(bǔ)水可增加空氣濕度，造成濕潤指數(shù)與相對濕度呈正相關(guān)且相關(guān)性顯著。冬季，由于全區(qū)降水量減少，氣溫下降，太陽輻射成為濕潤指數(shù)的另一主導(dǎo)因素。

5 結(jié)論

通過對華北平原地表濕潤程度演變及其影響因素分析，得出如下結(jié)論：

（1）空間分布：華北平原多年平均地表濕潤指數(shù)介于0.485～1.4之間，空間差異較大，總體上表現(xiàn)為由東南向西北變干的趨勢。位于研究區(qū)南端河南東部、安徽及江蘇北部濕潤指數(shù)在1.1～1.4之間；研究區(qū)中部的河南北部及山東中南部則為0.6～1.0；研究區(qū)北部的天津、北京及河北濕潤程度最低，為0.5～0.8之間。各季節(jié)濕潤指數(shù)空間分布規(guī)律整體與年均分布一致，但指數(shù)值的區(qū)間范圍和空間分布均有所差別。

（2）年際變化：1960—2017年華北平原大部分地區(qū)呈現(xiàn)出濕潤指數(shù)變小趨勢，即氣候趨于干燥，變干速率為0～0.03/10a。但是，局部地區(qū)，如河南省中東部、安徽省北部，濕潤指數(shù)呈略微增加趨勢，變化率約為0.03/10a。各區(qū)域春、夏、秋季濕潤指數(shù)呈下降趨勢，而冬季呈濕潤化趨勢。年內(nèi)變化：春季研究區(qū)北部出現(xiàn)變濕趨勢，濕潤指數(shù)增長率為0.001～0.030，中部和南部則逐漸變干，濕潤指數(shù)以0～-0.03和-0.09～-0.12的速度逐年減小；夏季研究區(qū)濕潤變化趨勢則與春季變化相反，濕潤指數(shù)南部逐年增大、中部和北部不斷減小；秋季濕潤指數(shù)南北出現(xiàn)變大趨勢，而中部不斷減??；冬季濕潤指數(shù)全研究區(qū)出現(xiàn)變大趨勢，南部增加速率最快，中部次之，北部最慢。

（3）影響因素：華北平原濕潤指數(shù)與降水、相對濕度、氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.889、0.838和0.549；與風(fēng)速、太陽輻射呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.355和-0.251。其中，春季降水、相對濕度和太陽輻射相關(guān)性顯著，各因素與濕潤指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.864、0.767和-0.528；夏季各要素對濕潤指數(shù)影響均顯著；降水、氣溫、相對濕度和太陽輻射對秋季濕潤指數(shù)影響顯著。

致謝：中國水利水電科學(xué)研究院李爍陽博士為本文提供了數(shù)據(jù)支持，在此致以最誠摯的謝意。