1961—2009年昌吉市主要作物生长季干湿变化特征

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摘要  基于昌吉市1961—2009年主要作物生长季降水量和气温观测资料，采用Penman公式、Thornthwaite、Holdridge和de Martonne等方法计算了1961—2009年昌吉市生长季可能蒸散量和水分盈亏量、干燥度，并利用线性倾向估计法对生长季降水、温度、蒸散量、水分盈亏量和干燥度气候变化的主要特征进行了对比，分析了其变化趋势。结果表明：1961—2009年昌吉市生长季温度显著上升、潜在蒸散及水分亏缺量显著增加，导致昌吉市生长季的地表干旱呈现缓慢加重的趋势。但由于降水增加、地表干燥度略减少，使得地表干旱状况有所减缓，气候变化并未明显加剧该区的干旱化，即昌吉市主要作物生长季地表干湿状况总体呈缓慢暖干趋势。

关键词干湿状况;可能蒸散量;气候变化;干燥度;水分盈亏量

中图分类号：P463.3文献标识码：A文章编号：2095-3305（2019）03-036-04

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.03.014

气候干湿状况的变化对区域工农业生产和人民生活有重要影响，不仅决定了农作物水分条件的优劣，还直接影响农业生产类型和作物布局。在气候变暖条件下，全球水循环加快，将会改变水资源的时空分布。区域气候干湿变化是对气候变暖的响应，对当地社会经济尤其是农业生产影响很大，因此受到广泛关注[1]。

干燥度指数是表征一个地区干湿程度的重要气候指标，目前国内外定义了22种干燥度指数，文中结合其应用和实际情况，选择计算方法简单实用、有明确物理学和生态学意义的Holdridge、de Martonne和Thornthwaite干燥度指数[2-6]，来研究昌吉市1961—2009年作物生长季气候干湿变化趋势和变化特征。昌吉市农作物的生产种植集中在4—10月，因此定义4—10月为昌吉市的主要作物生长季。生长季是植物生命活动的旺盛时期，一年中的降水量和潜在蒸散量也主要集中在此时期内。文中结合气象资料对昌吉市1961—2009年主要作物生长季气候干湿变化进行了系统研究，明确昌吉市作物生长季需水规律，并根据昌吉市观测站的有效降雨量和温度等气象资料，获得了作物生长季水分亏缺规律，旨在为节水灌溉和提高作物产量提供科学依据。

1资料与研究方法

1.1研究区域概况

昌吉市位于天山北麓、亚欧大陆腹地、准噶尔盆地南缘，地处86°24′～87°37′E、43°06′～45°20′N，为典型的大陆性干旱气候，具有冬季寒冷、夏季炎热、昼夜温差大的特点。该市整体地势南高北低，地貌类型由南至北大体分为山地、平原和沙漠3个部分，南北高差超过4 000 m。

1.2资料来源

文中利用1961—2009年4—10月份昌吉市平均气温和降水量逐日观测资料（由新疆维吾尔自治区气象信息中心提供），对昌吉市过去50年主要作物生长季干湿变化特征进行分析。

1.3 研究方法

1.3.1 可能蒸散量计算的干燥度按Penman（1948）的定义，潜在蒸散量是“从不匮缺水分的、高度一致并全面遮覆地表的矮小绿色植物群体在单位时间内的蒸腾量”，包括从所有表面的蒸发与植物蒸腾。可能蒸散量（PE）与降水量（P）之比即干燥度（K），计算公式如下[3]：

某一地区的干燥度指数值越大，表明该区气候越干燥;反之，干燥度值越小，则气候越湿润。目前，以可能蒸散量计算干燥度的方法在国际上比较流行。按照计算可能蒸散量的方法不同，可以分为Penman和Thornthwaite方法以及目前在国内外应用较多的Holdridge生命地带分类系统中的可能蒸散量计算方法。

1.3.2Thornthwaite方法Thornth？鄄waite方法是一种国际上通用的计算可能蒸散量的方法，也是一种农业气候水分指标求算的主要方法之一，被广泛应用于气候分类和植被-气候关系研究[3]。Thornthwaite在美国中西部（半干旱地区）及墨西哥等地，根据大量实验数据建立了求算可能蒸散量的经验公式。Thornthwaite方法不僅给出了计算可能蒸散量的公式，还进一步根据月平均降水量与可能蒸散量的差值进行土壤水分平衡的计算，从而对估量各种土壤条件下的作物灌溉需水量有参考价值。该方法的主要特点是计算简便，以月平均温度为主要依据，并考虑温度因子（日照长度）建立的经验公式。用Thornthwaite方法计算可能蒸散量的公式为[3-6]：

式中，PEunadj是指每月按30 d，每日12 h日照计算出的日可能蒸散量（mm/d）;Ti为各月平均温度（℃）;I为年热指数;a为常数，可如下式计算：

干燥度值小于10，表明严重干旱，河流断流，农作物需要强制人工灌溉;干燥度在10～30之间，表明中等干旱，河流暂时性流水，流量中等，植被类型为草原;干燥度大于30，表明气候湿润，河流常年有水，不断流，并水量充足，植被类型为森林。

1.3.5气候趋势分析用一元线性回归方程y（t）=ax+b，求其线性趋势变化率。式中，t为年序，a为线性方程的斜率，也就是气候要素的线性变化趋势和速率，其单位为℃/10年、mm/10年或h/10年等（各气候要素单位/10年），a>0表示气候要素随时间变化成增加趋势，a<0表示其变化呈下降趋势;10年称为每10年气候要素随时间变化的倾向率，b为常数，可通过最小二乘法求取[7-8]。

1.3.6水分盈亏量的计算干燥度是反映干湿程度的一个相对指标，为了了解一个地区的水量收支绝对量大小通常用水分盈亏量W0来表示，即[6，10]

式中，W0为降水量与潜在蒸散量之差。水分盈亏是反映一个地区水分有积余或亏缺的指标，当降水量大于潜在蒸散量时，W0>0，表示该地区水分有盈余;当降水量小于潜在蒸散量时，W0<0，表示该地区水分有亏缺，生态用水与社会经济用水呈共享状态;当降水量正好等于潜在蒸散量时，W0=0，表示水分的收入和支出相等。

1.3.7变差系数[10]变差系数能描述气象要素在不同年代的相对变化。通过对比不同年代的变差系数可以知道要素变化的大小及其变化的稳定性。变差系数为标准差（S）与平均值（x）之比，即

2.1降水量变化特征

1961—2009年来昌吉市作物生长季降水量总体呈上升趋势，年际变化较为显著，旱涝交替发生。由图1和表1可知，1961—2009年昌吉市作物生长季降水量气候倾向率为0.625 mm/10年（通过0.1水平的显著性检验），与全球降水量呈增加趋势[11-12]结论相一致，与我国降水量逐年减少[13-15]的结论相反，与新疆降水呈增加趋势[16-17]的结论相一致。昌吉市作物生长季降水量1961—2009年变差系数为0.25，表明降水量且年际差异较大。昌吉市作物生长季降水量趋势方程为y=0.625x+

123.71，R=0.257 1，式中y为降水量，x为年份，R为相关系数。1961—2009年昌吉市作物生长季的多年平均降水量为140.0 mm，降水量最多的年份是1998年，为226.3 mm;最少的是1977年，为73.3 mm，相差达153 mm;作物生长季降水量距平百分率为-47%～62%，表明作物生长季降水量的年际变化较大，容易形成干旱和夏季内涝。生长季降水量距平百分率30%以上的有7年，其中2年发生在1987和1988年，3年发生在1996、1998和1999年，2年发生在2003和2007年;年降水量距平百分率在-30%以下的年份有5年，发生在1962、1973、1974、1977和1991年。1961—2009年内正距平23年，负距平27年。

2.2生长季温度变化特征

从表1可以看出，1961—2009年昌吉市作物生长季多年平均气温为18.3℃。其中，平均气温最高的是1997年，为21.3℃;最低的是1960年，为16.2℃。由图2可知，昌吉市作物生长季平均气温呈上升趋势，趋势方程为y=0.051 2x+17.04，式中y为生长季温度，x为年份，相关系数R2=0.729 2，气候倾向率为0.51℃/10年（通过0.001水平的显著性检验）。

1961—2009年昌吉市作物生长季平均温度变差系数为0.06，变差系数明显小于降水量，表明和降水量相比温度年际变化较小。若把生长季各年平均气温资料与多年平均值相比，生长季平均气温偏高年份为21年，其中大多数在1990年以后出现;平均气温偏低年份为24年，大多数在1980年之前出现，说明1990年以后气温明显偏高。

2.3可能蒸散量趋势

利用Thornthwaite和Holdridge方法计算出来的近50年昌吉市作物生长季的多年平均可能蒸散量分别为609.7和1 081.1 mm，蒸散量最多的年份均为1997年，分别为702.2和1 252.1 mm;最少的均为1960年，分别为547.5和955.5 mm。蒸散量变差系数分别为0.05和0.06，表明蒸散量年际间波动较小、变化较平稳。2种方法计算出来的蒸散量差值较大，但均呈现增加的趋势（图3），趋势方程分别为y=1.565 3x+569.78和y=3.016 5x+1 004.2，式中y为蒸散量，x为年份，且均通过了0.001水平的显著性检验（表1）。

2.4生长季地表干燥度变化趋势

利用Thornthwaite、Holdridge和de Martonne方法计算出来的近50年昌吉市作物生长季的多年平均干燥度分别为4.68、8.30和4.94。变差系数分别为0.29、0.29和0.25，相對较大，表明年干燥度波动幅度大于降水量、温度以及蒸散量，年际差异较大。Thornthwaite和Holdridge方法计算出来的干燥度都呈逐年略减少的趋势（图4），减少趋势不明显，均未通过显著性检验;de Martonne方法计算出来的干燥度呈逐年略增加的趋势，增加趋势不明显，也未通过显著性检验。

2.5生长季水分盈亏量变化趋势

图5为昌吉市作物生长季1961—2009年水分盈亏量变化曲线。从Thornthwaite和Holdridge方法的计算结果来看，1961—2009年来昌吉市作物生长季水分盈亏量呈亏损状态，亏缺量总体呈增加的趋势;亏损趋势系数分别为0.272 6和0.474 6，分别通过了0.1和0.001显著性检验;2种方法算出来的水分亏缺量多年平均分别为470 mm和941.5 mm。

3结论

文中根据国内外目前存在的几种常用的干燥度指数、水分盈亏量、可能蒸散量的描述和分析方法，计算了昌吉市1960—2009年4—10月的潜在蒸散量、地表干燥度指数和水分盈亏量，并用线性回归法分析了昌吉市50年间的地表干湿转变状况。同时分析了主要农作物生长季气温和降水变化情况。由于各种计算方法的原理各不相同，所得到的计算结果和指标体系也不相一致。研究得出的主要结论如下：

（1）1961—2009年来昌吉市作物生长季降水量总体呈上升趋势并通过0.1水平的显著性检验，平均气温呈现显著上升趋势并通过0.001水平的显著性检验。

（2）利用Thornthwaite和Holdridge方法计算出来的可能蒸散量差值较大，但均呈现增大的变化趋势，变差系数较小，表明蒸散量年际间波动较小、变化较平稳。

（3）利用Thornthwaite、Holdridge和de Martonne方法计算出来的干燥度变差系数较大，干燥度波动幅度大于降水量、温度及蒸散量，变化不平稳，年际差异较大。Thornthwaite和Holdridge方法计算出来的干燥度均呈逐年略减少的趋势，减少趋势不明显，均未通过显著性检验;de Martonne方法计算出来的干燥度呈逐年略增加的趋势，增加趋势不明显，也未通过显著性检验。

（4）从Thornthwaite和Holdridge方法来看，1961—2009年来昌吉市作物生长季水分盈亏量呈亏损状态，亏缺量总体呈增加的趋势，亏损趋势系数分别为0.272 6和0.474 6，分别通过了0.1和0.001显著性检验。

总体而言，1961—2009年昌吉市生长季气温显著上升，潜在蒸散及水分亏缺量显著增加导致昌吉市生长季的地表干旱呈现缓慢加重的趋势。但由于降水增加、地表干燥度略减少，致地表干旱状况有所减缓，气候变化并未明显加剧该区的干旱化。由此可以得出昌吉市生长季地表干湿状况总体呈缓慢暖干趋势。

参考文献

[1] 马晓群，张辉.近30年安徽省地表干湿时空变化及对农业影响[J].应用气象学报，2007，18（6）：783-790.

[2] 张美玲，张慧.滕州市近50年气候干湿变化[J].气象科技， 2007，35（4）：495-499.

[3] 孟猛，倪健，张志国.地理生态学的干燥度指数及其应用评述[J].植物生态学报，2004，28（6）：853-861.

[4] 王旭东，刘克利，戴玉芝，等.1957-2007年额济纳荒漠绿洲暖干化趋势[J].干旱区研究，2009，26（6）：771-778.

[5] 曲曼丽.农业气候实习指导[M].北京：北京农业大学出版社，1991.

[6] 孙力，沈柏竹，安刚.中国东北地区地表干湿状况的变化及趋势分析[J].应用气象学报，2003，14（5）：542-552.

[7] 格日乐，邹学勇，吴晓旭，等.近45年内蒙古乌审旗气候变化对沙尘天气的影响[J].干旱区研究，2009，26（5）：613-620.

[8] 普宗朝，张山清，王胜兰，等.近36年天山山区潜在蒸散量变化特征及其与南、北疆的比较[J].干旱区研究，2009，26（3）：424-431.

[9] 曾燕，刘昌明，邱新法.从气候角度分析西北地区水资源状况[J].中国科学院研究生院学报，2003，20（4）：458-463.

[10] 周浩，杨宝钢，程炳岩.重庆近46年气候变化特征分析[J].中国农业气象，2008，29（1）：23-27.

[11] 王绍武.近百年气候变化与变率的诊断研究[J].氣象学报，1994，52（3）：261-273.

[12] 刘普幸.近54年民勤绿洲气候变化趋势与周期特征[J].干旱区研究，2009，26（4）：471-476.

[13] 林学椿，于淑秋.近40年我国气候趋势[J].气象，1990，16（10）：16-21.

[14] 李茂松，李森，李育慧.中国近50年旱灾灾情分析[J].中国农业气象，2003，24（1）：7-10.

[15] 李海涛，于贵瑞，袁嘉祖.中国现代气候变化的规律及未来情景预测[J].中国农业气象，2003，24（4）：1-4.

[16] 普宗朝，张山清，李景林，等.近36年新疆天山山区气候暖湿变化及其特征分析[J].干旱区地理， 2008，31（3）：409-415.

[17] 杨勇，普宗朝，张山清，等.近48年新疆博州地区气候变化趋势的分析[J].石河子大学学报：自然科学版，2010，28（4）：446-452.

责任编辑：刘赟

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