辽宁西部地区的气候变化及干湿状况年代际变化特征
孙凤华1 , 吴志坚2, 李丽光1
(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110016; 2.沈阳建材地质工程勘察院，辽宁 沈阳 110016)
摘要：辽西是气候及生态环境脆弱区，因其特殊性使之成为相关科研人员关注的焦点，在全球气候变暖背景下增温显著的辽西地区气候及地表干湿气候界线如何变化是本文研究的问题。应用1961～2004年辽宁省内52个气象站的温度、降水、湿度、风、日照等气候资料，分析了辽西近50年来的气候变化特点，采用改进的Penman 模型计算潜在蒸发量，讨论了其时空代表性及分布特征；进一步计算了干燥度指数，并在10年代际尺度上详细分析了辽西干湿气候变化特征。研究表明：辽西地区近44年的总体气候变化趋势是气温升高、降水减少。20世纪60年代以来该区域干湿气候界线波动显著，呈现出整体移动、南北异相波动的特征。干湿气候年代际变化特征为60年代最湿润；70年代北部明显变干，南部不明显；80年代干湿气候存在一次突变，半干旱与半湿润界线明显东移，为最干期；90年代又跳跃性西移，明显变湿，尤其在北部表现更为显著，接近60年代。辽宁西部的气候干湿年代际变化与西太平洋副热带高压和东南季风波动有较好的对应关系。
关键词：辽宁西部；气候变化；干湿状况；年代际波动
中图分类号: P467文献标识码: A
辽西位于辽宁、内蒙古及河北3省交界处，北起阜新，南到锦州，濒临渤海湾，东起黑山，西至凌源。按地势可划分为辽西走廊和辽西北部低山丘陵2个区域：辽西走廊包括沿海狭长的平原和丘陵地，海拨低于200m，年降水量500 mm左右，土壤脊薄；辽西北部低山丘陵区域属高丘陵山地，气候干燥，年降水量400mm左右，北部风沙较大。历史上的辽西北地区，曾是风景宜人、林草丰美、山清水秀的好地方[1]，但近几十年来由于降水少，气候条件差，该地区沙漠化趋势加剧，生态环境恶化[2-5]。辽西地区沙漠化土地面积已经达到1000多万亩，占辽宁省沙漠化土地的90％。部分地区已由科尔沁沙地的南缘转为南端。总之，地处农牧交错带的辽西地区是气候变化敏感区和生态环境脆弱区[6-10]。土地沙漠化已经成为严重制约辽宁西部地区生产建设和人民生活水平提高的主要环境问题。要有效地改造利用沙漠，防治沙漠化发展，研究辽西地区气候变化和干湿状况年代际变化这些重要要素对其生态环境的可能影响非常必要。
对历史时期生态环境恶化、沙漠化发展迅速的成因分析，已经证实了气候变化是最重要的原因之一[11-12]。在全球气候变暖的大背景下变暖幅度存在着很大的区域差异，比较一致的看法是北半球中高纬度地区的增温最强[13-16]，辽西处于强增温区域，初步分析表明该地区的气候具有向暖干化发展的趋势[17-20]。这种影响归根到底是由地表水分状况的变化所造成的，而这种变化是多种气候要素综合作用的结果，而不仅仅是温度或者降水。
辽宁西部地区由东南向西北气候由温带的半湿润向半干旱过渡[21]。本地区属我国气候变化最敏感的
区域之一，变暖幅度远远大于全球和全国的平均增温幅度，而气温升高会使水分循环加快，也会使地表（包括植被）及水体蒸发蒸散加强，从而有利于干旱趋势的发展。在此背景下，研究其气候干湿状况如何变化非常必要，且对预测该区域未来气候的干湿变化也具有一定的理论价值。此外，由气候变化引起的水资源短缺是农业生产防灾减灾的重要研究课题，而正确评价和认识由于辽宁西部地区的气候变暖而导致的该区域水资源的时空变化特征和规律，是合理利用现有水资源、趋利避害的基础。
收稿日期：2006-02-14 ； 改回日期：
基金项目：科技部社会公益类项目（2002DIB20069）；辽宁省自然科学基金项目（20042041）共同资助.
作者简介：孙凤华(1963-)，女（汉族），辽宁沈阳市人，副研究员，主要从事气候变化与生态环境研究。
E-mail:sfh3910839@sina
以往对中国干湿状况的研究[3，4]也涉及到本地区，但基本使用国家基本基准气象站资料，使用辽宁站点一般在20个左右，辽西站点更是少之又少，对该区域的分析比较粗略，满足不了服务于当地的农业生产和生态环境建设的需要。鉴于此，本文将以更为详尽的数据，采用干燥度指数、蒸发比等多种
干湿指标并结合本地的气候和地理状况，在10年际尺度上详细地研究了其半干旱半湿润分界线的波动情况，从宏观上探讨界线波动的可能原因，以期对本区域气候的干湿变化及其影响因素有一个全面而又详细的了解。
1 资料与方法
有谐音的对联1.1 资料
基于气候带波动研究需要，使用资料扩大了范围，月温度、降水、湿度、风、日照等为全省52个气象观测站资料，除个别站点观测年代太短剔除外，基本包括了区域内所有的气象站（包括国家基准基本站和一般站）。年平均气温和年降水量数据使用了整个东北（东北三省和内蒙古东部）120站。研究区域为东经118.5°～126°，北纬38°～44°，研究区域及资料站点分布情况见图1(略)。
由于我省大多数测站是在50年代陆续建起来的，60年代初基本全部建设完成，且为增加研究的可靠性尽量不使用插补资料，研究时段确定为1961年～2004年。使用的要素有年和月平均的气温、水汽压、风速、日照百分率和年降水量等，资料来源于辽宁省气象局。
1.2 研究方法
采用一元回归、趋势系数等方法分析气候变化趋势。
在以往有关干湿气候区划和干湿气候分类研究中，使用了多种干湿指标。归纳起来主要有3种：一是直接使用年降水量划定分界线。在全球气候变暖的背景下，这种方法可能不能真实反映气候变化较显著的地区的干湿变化。因为降水本身的变化和气温升高加大蒸发量等诸气象因素都影响到某一区域的干湿状况；二是使用干燥度指数（D=E/R ）或湿润度指数，两者互为倒数。它们是建立在大气水分平衡方程基础之上，能较为客观的反映实际气候的干湿状况。三是使用蒸发比，既地面实际蒸发量与蒸发力之比。这种方法实际上就是以实际蒸发量代替了第二种方法中的降水量，由于实际蒸发量相当于降水量与径流量的差值，更能代表实际地面供水水平。这一指标对于径流量较大的高原山地地区更为适用。根据所研究区域的地理环境和气候状况，本文选用了第二项指标做为干湿气候指标进行分析。
潜在蒸散量采用改进的Penman 计算公式计算，即：
其中：
该式为McCulloch 在Penman 公式原型基础上，根据Ripley 认为Δ与γ随海拔高度、R a 随纬度不
同有明显变化的研究结论而改进。张新时先生在1989年又改进了γ和R a 的计算方法，
使得该模型适用于任何海拔高度、任何纬度的地区[22-23]。式中符号意义：T a -绝对温度；φ-纬度；h-海拔)]
)
(100/1)(2000/1(26.0)[/()08.056.0()/90.010.0()[/()]/52.0cos 29.0)(1()[/(2/140d a d a a e e u h e N n T N n r R E −++∆++−++∆∆−+−+∆∆=γγδγφγ)1043353.500566
.3(51000061.0h ×−×−×=γ)10174209108.491602808.55.6790(//88.130220304.02a a T a T a a a T T T e −−×+××+−×=∆)
9.241/(6326.710108.6t t a e +×=210301.001679.0289.846φ
φ−−=a R
高度；R a -无大气时达到单位面积地面上的太阳总辐射；Δ-温度为T a 时的饱和水汽压曲线斜率；γ-干湿球公式常数；r -下垫面反射率；n/N-日照百分率；δT a 4-气温为T a 时的黑体辐射；e a -温度为T a 时的饱和水汽压；e d -实际平均水汽压；u-2m 高度处的风速。
据《中国土壤系统分类（修订方案）》规定，在缺乏直接的土壤水分观测资料情况下，以Penman 经验公式计算得到的干燥度指数（D）作为划分土壤水分状况的干湿定量指标。按其更为细致的划分，有3大类土壤水分区，每大类又细分为2个亚区。在本研究中，对于辽宁西部地区涉及到的有半湿润亚区（ⅡA）,1.0≤D＜2.7，相当于偏湿润的半干润土壤水分状况；半干旱亚区（Ⅱ
B）, 2.7≤D＜3.5，相当于偏干旱的半干润土壤水分状况
[24-25]；干燥度的算式为：
P E D 0=
其中E 0为年潜在蒸散量，P 为年降水量。某一地区的干燥度值越大，则该表明该区气候越干燥；反之，干燥度值越小，则气候越湿润。
2计算结果分析
2．1 辽西主要气候因子变化特点及对干湿程度贡献
靳立亚等[26]曾分析了主要气候因子与潜在蒸发量之间的关系，结果为气温与潜在蒸发量有较小的正相关，风速和日照百分率为较大的正相关，湿度和降水为负相关。以下在分析这些主要气候因子的变化特征基础上，结合这一结论分析气候因子变化对干湿程度影响。
图2(略)给出了东北地区近44年来气温(a)和降水量(b)气候趋势系数的区域分布情况，方框内标志为辽西地区。趋势系数定义为n 年某气象要素序列与自然数列的相关系数，正值代表该序列有增加趋势，负值代表该序列有减少趋势。
可见，辽西地区气温趋势系数为正值，但增温幅度处于东北地区增温相对较弱的区域内，趋势系数基
本在0.5以下。降水趋势系数全区均为负值，为减少趋势，趋势系数一般在-0.1～-0.2之间。因此，近44年来辽西地区气候变化特点为气温增加，降水量减少。但从气温和降水的这种气候变化趋势来看可能会加大本地区的干燥程度。
以辽西区域内11个气象站年平均气温、水汽压、风速、小型蒸发量、日照百分率和年降水量的平均值代表辽西地区的各要素年变化序列，得到各时间序列的一元线性回归方程列于表1。牛杂
表1 辽西地区近44年各气象要素变化趋势及对干湿气候影响
Table 1. The tendency of each weather element and its effect on in Western Liaoning
Province in the last 44 years 要 素 名 称 一元线性回归方程 年均变化率(%) 对干湿影响
气 温 y = 0.0277x + 7.367 0.43 变干
降 水 量 y = -0.6435x + 481.13 -0.13 变干
小型蒸发量 y = -12.277x + 2226.3 -0.64 变湿
日照百分率
y = -0.1031x + 67.478 -0.16 变湿 水 汽 压
y = 0.0181x + 7.7525 0.22 变湿 风 速 y = -0.0359x + 3.261 -1.56 变湿 云 量 y = -0.02x + 41.51 -0.05 变干
辽西地区1961年以来气温为增加趋势，平均每10a 增加0.277℃；降水为减少趋势，平均每10a 减少6.435mm；小型蒸发皿测得的蒸发量为减少趋势，平均每10a 减少122.77mm，减少比小学生字谜语大全及答案
较明显; 日照百分率为减少趋势，平均每10a减少1.031%；水汽压为增大趋势，平均每10a增加
0.181hpa；风速为减小趋势，平均每10a减小0.359m/s；云量为减少趋势，平均每10a减少0.2%。
降水量的下降趋势与云量呈减少趋势是一致的，但与日照百分率的减少趋势存在矛盾。一般的，云量减少应使得日照百分率提高。导致这种矛盾的结果可能有2个主要原因：一是由于随着城市的发展、工业化以及大量化石燃料的使用，大气气溶胶浓度升高，灰霾天气出现频率较高，导致日照时数下降明显；二是云量的观测主要是气象观测员根据肉眼的观测来判断天空云量的多少，难免主观因素要占相当大的成分。
由于各要素量级差距较大，从绝对值变化不能比较出哪一要素的增加或者减小幅度更大。因此，以1971-2000年各要素的平均值为标准，求它们的相对变化百分率列于表1中第3列。根据气候因子与潜
在蒸发量之间的关系、干燥度指数的计算式判断出各气候因子的变化对干湿程度影响列在最后一列。从中可以看出该地区的气候因素中，除气温、降水和云量的变化趋势是使地表干湿状况变干外，其它因子如日照百分率、水汽压、风速等要素的变化均有利于改善本地的干旱状况。
表2辽宁西部各主要气候因子的年和季节变化趋势
Table 2. Annual and seasonal variation trends of climatic factors in Western Liaoning Province
春季夏季秋季冬季 年气温0.33a0.140.110.52a0.28a
降水 5.97b-12.760.83-0.47-6.44日照时数-8.32-11.06b-10.27a-13.23a-42.89a 云量-0.200.20-0.40-0.20-0.20
风速 -0.45a-0.27a-0.30a-0.42a-0.36a
a
置信度α=0.01; b置信度α=0.10
表2给出了各主要气候因子的季节变化趋势，上角标志a表示线性增加或减少趋势通过了置信度为99%
的信度检验，上角标志b表示线性增加或减少趋势通过了置信度为90%的信度检验。总体来看，气温的增加趋势、日照时数的减少趋势、风速的减小趋势较为明显，均通过了置信度99%的信度检验，降水和云量均为减少趋势，但不显著，都没有通过置信度90%的信度检验。各气候因子的变化趋势在不同季节表现出较大的差异：气温以冬季、春季增温较强，夏季、秋季较弱；降水在春季不但没有减少，反而表现出较为明显的增加趋势；日照时数除春季外，其它季节均减少明显；云量在各个季节均无明显的增减趋势；风速是这些因子中在各个季节均表现一致减少趋势的唯一的一个，且减少的趋势也非常明显。
由以上分析可进一步的看出地表干湿状况是多气象要素综合作用的结果，单要素分析不能判别出该地区的气候干湿状况变化，需要一个综合性的指标进行分析。
2.2 潜在蒸散量的时空分布与代表性
潜在蒸散量（Potential evapotranspiration）是指下垫面足够湿润、水体保持充分供应的条件下的蒸发量，可以用来表达天气气候条件决定各种下垫面蒸发过程的能力，既代表某一地区的干湿状况，也表示了该地区的热力条件。因此，它不仅是气候学上的一个重要特征量，其时空变化还具有重要的生态环境意义。气象站的小型蒸发皿观测的蒸发量（简称小型蒸发量，下同），由于观测仪器限制，测得数值较大，不能有效地确定大范围的蒸发量，所以需要采用经
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验公式来计算潜在蒸散量[27]。
图3(略)是辽宁省1961~2004年年潜在蒸散量(a)和年小型蒸发量(b)气候分布图，图中阴影由浅→深代表蒸发量由低→高的分布。可见，区域内潜在蒸散量和小型蒸发量有较为一直的空间分布规律，既由东到西蒸发量逐渐增加。年潜在蒸散量在539～999mm之间，年小型蒸发量在1114～2085 mm之间，小型蒸发量远远大于潜在蒸散量。潜在蒸散量最大区为辽宁西部的朝阳地区，多年平均值超过850mm，该地区多年平均降水量不足500mm，为全区雨量最少的区，因而朝阳成为辽宁省最干旱的地区；潜在蒸散量最小且降水量最少的区域分布在辽宁东部的丹东、本溪一带，多年平均潜在蒸散量少于700mm，多年平均降水量超过850mm，降水最多的宽甸、凤城（属丹东地区）的多年年均雨量甚至超过了1000 mm，它们是辽宁省最湿润的地区。
鱼鳔胶由于潜在蒸散量为经验模型计算得出，对其时空代表性需与实测值做定量对比验证分析。实际观测的小型蒸发量在数值上虽然远远大于潜在蒸散量，但两者应具有同步的时空变化规律。空间分布对比是由52个观测站按一定顺序排列组成了潜在蒸散量和实际观测的小型蒸发量两序列，两序列的相关系数达到0.655，达到了α=0.01的显著水平。从比较结果可以看出，两序列较吻合，即相关性较好的区域分布于区域的东南部（锦州、黑山一带），区域的西北部（朝阳、建平地区）的相关性稍差。时间分布对比，既潜在蒸散量和小型蒸发量逐年变化距平序列的相关系数为0.671，也达到了0.01的显著水平，两时间序列在70年代和80年代相关较好，60年代和90年代相关较差。总体上来说，无论是空间分
布还是时间分布，当小型蒸发量值较接近平均水平时，与潜在蒸散量值较吻合；当小型蒸发量值极端大或极端小时，与潜在蒸散量值差值较大，但并不说明在这种情况下潜在蒸散量值计算误差大，这可能是由于小型蒸发皿本身具有放大观测值的缺点。近44年来蒸发量有略微减小的趋势，年平均潜在蒸散量的线性趋势回归方程斜率为-0.2181，即整个研究区域潜在蒸发量逐年平均递减0.2181mm。远远小于小型蒸发量的逐年递减率，这同样是由上面提到的观测仪器的局限性造成的。
2.3 干湿气候界限的年代际波动
以年降水量作为区分干湿区的界线需根据研究的区域的气候和地理状况进行调整。杨建平等在对中国干湿气候界线空间变化研究中，以干湿界限与年降水量界限做了对比分析，认为在东北南部（辽宁地区）以300mm雨量线作为干旱半干旱分界线、700mm雨量线作为半干旱湿润分界线比较合适。我们对比辽宁省的具体情况，参考一般认为的辽西干旱区范围，界定550mm 雨量线作为半干旱半湿润分界线，基本对应于1.8干燥度指数等值线。针对所研究的区域，气候界线的年代际波动主要讨论每10年平均的年降水量550mm雨量线，1.8干燥度指数等值线的波动情况。550mm年雨量等值线和1.8干燥度指数等值线用以代表并讨论半干旱、半湿润界限的年代际波动。
图4a、b(略)分别给出了550mm年雨量等值线和1.8干燥度等值线年代际波动情况，它们基本可以代表了辽宁地区半干旱和半湿润之间的界限变化特点。图中粗实线为1961年以来的多年平均特征线，1标
志为1961～1970年平均550mm特征线，2、3、4分别标志为1971～1980年、1981～1990年、1991～2000年平均550mm特征线。比较而言，降水量特征线的变化幅度较大较倾向于东北-西南走向，干燥度特征线的变化幅度较小较倾向于南-北走向。但各年代界线的摆动基本一致。半干旱、半湿润界线年代际变化特点是：20世纪60年代以来该区域干湿气候界线波动显著，呈现出整体移动、南北异相波动的特征。干湿气候年代际变化特征为60年代最湿润；
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