孫樹(shù)鵬，廖云琛，吳 洋，尹紫薇，趙玥

（天津市津南區(qū)氣象局 天津 300350）

0 引 言

自2018年起天津市在中心城區(qū)和濱海新區(qū)之間陸續(xù)開(kāi)展綠色生態(tài)屏障區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“綠屏區(qū)”）建設(shè)以來(lái)，至2022年，綠色生態(tài)屏障已基本成形。近年來(lái)，天津市綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量持續(xù)向好，生態(tài)保護(hù)和修復(fù)成效明顯。開(kāi)展綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)對(duì)于客觀評(píng)估建設(shè)綠屏區(qū)的生態(tài)質(zhì)量具有十分重要的意義。2010年，陳振華［1］以白龍江流域甘肅部分為研究對(duì)象，結(jié)合研究區(qū)域環(huán)境的特點(diǎn)，構(gòu)建了研究區(qū)域生態(tài)質(zhì)量氣象指標(biāo)體系，開(kāi)展了生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)方法及實(shí)例研究。另外，國(guó)內(nèi)外有多位學(xué)者［2-7］對(duì)不同地域開(kāi)展了生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)相關(guān)研究。本文擬在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，充分利用津南八里灣綠屏區(qū)生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，對(duì)以八里灣為核心的綠屏區(qū)開(kāi)展生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)研究。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用的資料有津南區(qū)綠屏·八里灣生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)站2021年11月至2022年10月（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“研究時(shí)段”）植被生態(tài)自動(dòng)觀測(cè)儀采集的植被覆蓋度、宇宙線區(qū)域土壤水分自動(dòng)觀測(cè)儀采集的土壤含水量，以及常規(guī)自動(dòng)氣象觀測(cè)站采集的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量等數(shù)據(jù)和津南國(guó)家氣象觀測(cè)站1980—2022年逐日觀測(cè)資料，主要利用日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速和日降水量等數(shù)據(jù)。

1.2 方法

生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)就是基于氣象因素對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響進(jìn)行生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)。本文擬采用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)法，利用地面生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，從氣象角度對(duì)綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行氣象評(píng)價(jià)。根據(jù)濕潤(rùn)指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)和氣象災(zāi)害指數(shù)等指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響程度賦以相應(yīng)的權(quán)重，從而得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中植被覆蓋指數(shù)和土壤濕度指數(shù)均可通過(guò)地面生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到，氣象災(zāi)害指數(shù)可通過(guò)參照津南區(qū)氣象災(zāi)害閾值計(jì)算得到。以下主要對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行說(shuō)明。

①濕潤(rùn)指數(shù)計(jì)算方法。濕潤(rùn)指數(shù)指降水量與潛在蒸散量之比，月濕潤(rùn)指數(shù)計(jì)算方法如下：

其中：K為月濕潤(rùn)指數(shù)；Ri為月降水量，mm；Pi為月平均氣壓，hPa；Ti為月平均氣溫，℃；di為該月的天數(shù)；Ui為月平均風(fēng)速，m/s；w0i為溫度為T(mén)i時(shí)的飽和水汽壓，hPa；hi為月平均相對(duì)濕度，%；i為月份編號(hào)。

飽和水汽壓計(jì)算方法如下：

當(dāng)0 ℃＜Ti≤30 ℃時(shí)：

當(dāng)-40 ℃≤Ti＜0 ℃時(shí)：

其中：w0為飽和水汽壓，hPa；t為氣溫，℃。

當(dāng)K＜1時(shí)，表示大氣降水少于植被生理過(guò)程需水量；當(dāng)K＝1時(shí)，表示該區(qū)域大氣降水量與植被生理需水量達(dá)到平衡；當(dāng)K＞1時(shí)，表示該區(qū)域大氣降水量大于植被生理需水量，此時(shí)降水條件不是當(dāng)?shù)刂脖簧硇杷南拗埔蜃?。在?jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，如果K＞1，則規(guī)定K＝1。

②綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法。對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)和氣象災(zāi)害指數(shù)進(jìn)行屬性同一化處理（即對(duì)非正的指數(shù)進(jìn)行正向化處理），然后采用加權(quán)求和方法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值，用公式表示如下：

其中：P為生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)指數(shù)；Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；Yj為第j項(xiàng)指標(biāo)值。

2 津南綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)

2.1 濕潤(rùn)指數(shù)

濕潤(rùn)指數(shù)可通過(guò)計(jì)算降水量與潛在蒸散量之比得到，其可以反映某一地區(qū)氣候干、濕程度，能較客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況。通過(guò)計(jì)算津南八里灣綠屏區(qū)的濕潤(rùn)指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的濕潤(rùn)指數(shù)在2022年7至8月有一個(gè)較明顯的峰值，在2021年11月有一個(gè)次極值，見(jiàn)圖1。在研究時(shí)段中，僅有這3個(gè)月的濕潤(rùn)指數(shù)大于1，即在這3個(gè)月中該區(qū)域大氣降水量大于植被生理需水量。在2021年12月至2022年6月和9至10月則處于較低的水平，在此期間，大氣降水少于植被生理過(guò)程需水量。這與該地區(qū)的降水量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，2022年7、8月的降水量分別為319.1、166.6 mm，6月份降水量為93.7 mm，10月份降水量為62.5 mm，在降水量值占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的時(shí)段，濕潤(rùn)指數(shù)總體也較大。而在6月份，降水量為全年第三高，但因其降水量總體數(shù)值有限，且6月份氣溫較高，導(dǎo)致蒸散量也較大，所以6月份的濕潤(rùn)指數(shù)在研究時(shí)段的12個(gè)月中僅排在第5位，因其小于1，所以在2022年6月份，大氣降水少于植被生理過(guò)程需水量。2021年11月降水量雖然居第5位，但因該時(shí)段氣溫較低，蒸散量較小，所以其濕潤(rùn)指數(shù)較高，居第3位，大氣降水量也大于植被生理需水量。

圖1 津南八里灣綠屏區(qū)的濕潤(rùn)指數(shù)Fig.1 Humidity index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

2.2 植被覆蓋指數(shù)

植被覆蓋指數(shù)由布設(shè)在八里灣生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)站的植被生態(tài)自動(dòng)觀測(cè)儀采集的植被覆蓋度轉(zhuǎn)換得到。由圖2可知，在2021年11月至2022年4月的秋末、初冬至春季，植被覆蓋指數(shù)較小，基本處于0.22以下，這是因?yàn)樵摃r(shí)段綠屏區(qū)種植的喬木樹(shù)葉脫落，導(dǎo)致該區(qū)域的植被覆蓋度降低。而在2022年5至10月，樹(shù)木枝葉繁茂，植被覆蓋指數(shù)整體較大，最大達(dá)到0.47。由于綠屏區(qū)不少樹(shù)木仍處在移栽種植初期，樹(shù)木冠層還不夠發(fā)達(dá)，所以距離將地面完全嚴(yán)密覆蓋仍有差距。通過(guò)對(duì)植被覆蓋指數(shù)的擬合分析可以發(fā)現(xiàn)，從秋季進(jìn)入冬季植被覆蓋指數(shù)呈下降趨勢(shì)，由春入夏則呈明顯的上升趨勢(shì)；在研究時(shí)段，植被覆蓋指數(shù)總體呈明顯的上升趨勢(shì)。

2.3 土壤濕度指數(shù)

土壤濕度指數(shù)由布設(shè)在八里灣生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)站的宇宙線區(qū)域土壤水分自動(dòng)觀測(cè)儀采集的區(qū)域土壤水分情況轉(zhuǎn)換得到。宇宙線區(qū)域土壤水分自動(dòng)觀測(cè)儀是根據(jù)近地表自然環(huán)境中宇宙射線快中子強(qiáng)度與土壤含水量呈反比關(guān)系的原理，利用架設(shè)在地表上方的探測(cè)器測(cè)量宇宙射線快中子強(qiáng)度，進(jìn)而反演出土壤含水量，并通過(guò)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)鷧^(qū)域地表土壤水分的監(jiān)測(cè)。由圖3可知，在研究時(shí)段，土壤濕度峰值出現(xiàn)在7月份，這與該區(qū)域最大降水量時(shí)段相對(duì)應(yīng)；另外，土壤濕度指數(shù)有2個(gè)低谷，分別出現(xiàn)在2022年5月和9月前后，主要是因?yàn)樵摃r(shí)段降水量較少且蒸散量較大。

圖3 津南八里灣綠屏區(qū)的土壤濕度指數(shù)Fig.3 Soil moisture index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

2.4 氣象災(zāi)害指數(shù)

氣象災(zāi)害指數(shù)主要用于衡量由于氣象原因直接或間接引起的會(huì)對(duì)綠屏區(qū)生態(tài)造成嚴(yán)重影響的災(zāi)害現(xiàn)象。綠屏區(qū)主要的氣象災(zāi)害為干旱、暴雨洪澇、大冰雹、連陰雨、低溫冷凍害、雪災(zāi)、大風(fēng)、霜凍、雷電和高溫?zé)崂说?。氣象?zāi)害指數(shù)主要根據(jù)綠屏區(qū)在研究時(shí)段的各項(xiàng)氣象要素觀測(cè)值在津南歷史氣候數(shù)據(jù)中的極端概率分布情況計(jì)算得到。根據(jù)孫樹(shù)鵬等［8］計(jì)算的各氣象要素不同極值重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)值，并依據(jù)不同性質(zhì)的氣象災(zāi)害對(duì)綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生的危害程度賦予不同的權(quán)重，得到最終的氣象災(zāi)害指數(shù)。在研究時(shí)段，影響最突出的氣象災(zāi)害是干旱，主要發(fā)生在春秋兩季，其次為高溫?？傮w而言，在研究時(shí)段，氣象災(zāi)害對(duì)綠屏區(qū)的生態(tài)質(zhì)量影響并不嚴(yán)重。

2.5 生態(tài)質(zhì)量綜合氣象評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)法是指在計(jì)算上述濕潤(rùn)指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)和氣象災(zāi)害指數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)各指數(shù)進(jìn)行屬性同一化處理（即對(duì)非正的指數(shù)進(jìn)行正向化處理），然后采用加權(quán)求和方法計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量的氣象評(píng)價(jià)。根據(jù)12個(gè)月的平均情況，正向化的氣象災(zāi)害指數(shù)最高，為0.74；其次為土壤濕度指數(shù)0.62；然后為濕潤(rùn)指數(shù)0.43；最后為植被覆蓋指數(shù)0.31；年平均綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值為0.47。由圖4可知，在研究時(shí)段的12個(gè)月中，2022年7、8月的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值最高，分別為0.74和0.72；其次是2022年10月，為0.66。2021年12月的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值最低，僅為0.21。

圖4 津南八里灣綠屏區(qū)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值Fig.4 Comprehensive evaluation index of green barrier in Jinnan Bali Bay of Tianjin

3 結(jié)論與討論

本文利用地面生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)法對(duì)津南八里灣綠屏區(qū)生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行氣象評(píng)價(jià)。

①?gòu)母黜?xiàng)指數(shù)的年變化情況來(lái)看，2022年7至8月，濕潤(rùn)指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土壤濕度指數(shù)均處于全年最高水平，該時(shí)段未發(fā)生嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，氣象災(zāi)害指數(shù)也處于較低水平。

②從生態(tài)質(zhì)量的氣象綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的年平均值來(lái)看，正向化的氣象災(zāi)害指數(shù)最高，為0.74；其次為土壤指數(shù)0.62；然后為濕潤(rùn)指數(shù)0.43；最后為植被覆蓋指數(shù)0.31；年平均綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值為0.47。這與處于初建階段的綠屏區(qū)實(shí)際情形較為相符。

③從生態(tài)質(zhì)量的氣象綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化情況來(lái)看，在研究時(shí)段的12個(gè)月中，2022年7、8月的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值最高，分別為0.74和0.72；其次是2022年10月，為0.66。2021年12月的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值最低，僅為0.21。