引言

目前，干旱化是危及人类生存环境的严重问题，人类可利用水资源的严重匮乏及荒漠化的加剧是干旱化发展的具体表现^[1-6]。很多学者通过对降水的变化研究揭示了区域干旱的诸多事实^[7-9]。在增暖的背景下，全球和区域水发生了重大调整，而温度的升高使得地表的蒸发增加，降水和地表蒸发的变化最终导致地表水分收支平衡发生变化^[10]。全球性干旱的加剧引起人们的广泛关注。据测算每年因干旱造成的全球经济损失高达60~80亿美元，远远超过了其它气象灾害，我国也因旱灾每年损失粮食100亿公斤。随着社会经济的迅速发展、人口增长及由此引起的以气候变暖为标志的全球变化的发生，干旱有进一步加重的趋势，这已成为我国生态环境的严重问题^[11]。因而，不得不去寻求一种较客观的指标来表征环境的干湿变化。地表湿润指数(H)近年来在中国区域干湿变化的检测中得到很好的应用^[12-15]。在本文中，通过分析地表湿润指数的变化，揭示了增暖背景下江苏省湿润指数的年际和年代际变化特征及季节差异。

1 资料与研究区

江苏省地处长江、淮河下游地区，属亚热带湿润季风气候，地势平坦，冬夏季风长驱直入，气候很不稳定。受每年季风进退迟早、强弱不一的影响，降水和气温年际变化比较明显，在增暖和降水综合影响条件下，对地表的干湿状况有必要进行深入分析。干旱化趋势的加重会导致干旱的增加，如1978年全省出现春夏秋连旱，结果是河水断流，塘坝干涸，高亢区人畜饮水困难，农业生产遭受严重危害，据统计全省受旱面积386.7×10⁴hm²。20世纪90年代以来该省又多次在不同季节发生区域型干旱，因此加强对江苏省地表湿润状况的研究，对应对旱情具有重要的指导意义。

选用江苏省范围内记录比较齐全的60个气象站1961—2005年逐月降水量和平均气温资料以及月最小蒸发皿资料，在实际应用之前，对所用的资料进行了严格的质量检测和筛选，并对其中的缺测和错误记录进行了剔除和插补。江苏省政府按照地域和经济发展区划概念将江苏省分为三个区域，苏北、苏中、苏南。其中苏北区域包括18个气象站点，苏中包括28个气象站点，苏南包括14个气象站点。图 1所示为站点分布和区域划分，分区的目的就是为了更好地分析不同区域干湿变化趋势的特征和气候变率的关系。

2 干湿指标定义和分析方法

传统的利用降水作为干湿转化的研究对象在全球增暖的背景下是不完善的，必须考虑温度变化对地表水分收支的影响，只有这样才能客观地反映地表的水分状况，进而正确认识干湿的演变规律。根据文献[16]，地表湿润指数的定义可写成如下形式：

${H_\mathit{i}} = \frac{\mathit{P}}{{{\mathit{P}_\mathit{e}}}} $

(1)

其中H_i为地表湿润指数，P为月降水总量，P_e为最大潜在蒸发。我国各气象台站的实际蒸发是使用蒸发皿来测定的(量测仪器有E201和E601等类型)，由于该仪器口径较小，且水体温度与自由水面有很大差异，因此，测定值与实际蒸发有较大的误差^[17]。本文选择了用改进后的Thomthwaite^[18]方法来计算潜在蒸发量。这个方法的优点在于它仅依赖于温度变化，计算方便，所用参数少，计算的潜在蒸发量也较符合实际情况。它的计算可表示如下：

${\mathit{P}_\mathit{e}}\left\{ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{T_\mathit{i}} \le 0\;℃{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \\ 16d{\left( {10{\mathit{T}_\mathit{i}}/I} \right)^\mathit{a}}\;\;\;0\;℃ < {\mathit{T}_\mathit{i}} \le 26.5\;℃\\ {\mathit{a}_1} + {a_2}{\mathit{T}_\mathit{i}} + {\mathit{a}_\mathit{3}}T_i^2\;\;26.5\;℃ < {\mathit{T}_\mathit{i}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \end{array} \right. $

(2)

其中：P_e为最大潜在蒸发(mm)，T_i为月平均温度(℃)，d为每月天数除以30，α=0.49239+1.792×10^-2I-7.71×10^-5I²+6.75×10^-7I³，$I = \mathit{I}\sum\limits_{i = 1}^{12} i $为年总加热指数，$i = {\rm{|}}\frac{{{T_\mathit{m}}}}{5}{{\rm{|}}^{{\rm{1}}{\rm{.514}}}} $为月平均加热指数。α₁=-415.8547，α₂=32.2441，α₃=-0.4325。从式中可以计算月最大潜在蒸发。可以看出：当温度在0℃以下时，最大潜在蒸发为零。年潜在蒸发总量${P_e} = \sum\limits_{i = 1}^{12} {{P_{ei}}} $。通过计算得到P_e的逐年区域平均值与江苏省最小蒸发皿观测数据的逐年区域平均值的相关系数为0.471，并通过了99%的置信度检验，具有很好的相关性。

趋势检验的方法为常用的Mann-Kendall方法^[18](简称M-K法)，当检验值的绝对值大于1.29、1.96和2.56时，变化趋势分别达到90%、95%和99%的信度检验被认为存在显著的变化趋势；正值表示增大趋势，反之为减小趋势。

3 结果分析 3.1 近45年的干湿变化趋势

图 2为利用M-K法计算的1961—2005年江苏省降水、气温和地表湿润指数的变化趋势。在图 2a上，虚线区域为降水减少的地区，虚线阴影区为降水量显著减少的地区；实线区域为降水增加的区域，实线阴影区为降水显著增加的区域。在图 2b上，实线区域为增温区域，实线阴影区为增温显著的地区(由于全球变暖，整个江苏省区域均显著增温)。图 2c上虚线阴影区为干旱化趋势显著的地区，实线阴影区为显著变湿的地区。分析图 2a可以发现，降水显著减少的地区分布在苏北邳县，降水显著增加的区域主要分布在苏南江浦、宜兴、昆山和启东地区，其余地区有减少或增加的趋势，但变化均不显著，在近45年来江苏省降水主要为苏北苏中为减少趋势，苏南地区为增加趋势。

从图 2b分析可知，整个江苏省都处于显著增温区且通过了95%的显著性检验。但是，无法从图 2a、b上判断江苏省苏北、苏中和苏南三个地区的干湿趋势，这是因为温度升高导致蒸发量增大，蒸发增大将减少地表的水分(与降水量对地表贡献相反)。所以，无法用降水量的变化来判断其干湿趋势，这正是引入干湿指标的目的。从图 2c可以看出，尽管苏南部分地区出现了降水量显著增加，由于受增暖的影响，但并不存在显著变湿趋势，反而变干趋势的地理范围扩大了。通过分析还可以发现，苏中，苏北的大部分区域明显变干，干旱化趋势最显著的地区在苏北地区，与增暖最强烈的地区对应，这是温度变化对干湿变化影响的一个有力证据，说明在近45年，江苏南部地区尽管降水增加了，但由于温度升高所导致的蒸发力增加量抵消了降水的增加量。在45年来大部分地区表现为一个干旱化的趋势，并且苏北部分地区干旱化趋势明显，由此可见，温度变化在干湿变化趋势所起的重要作用。

为了更充分地说明温度变化对干湿变化的影响，把苏南地区作为一个典型个例进行探讨。图 3给出了苏南地区区域平均干湿指标H_i和降水P的年变化曲线及其各自的线性趋势(其中粗黑色趋势线为降水趋势线，虚线趋势线为地表干湿趋势线)。可以看出，降水的线性趋势是显著增加的，而干湿指标的趋势变化不太明显，两条曲线的线性趋势可以看出来降水在对干湿变化的影响较小。这充分说明温度变化在分析干湿变化中的重要性。

3.2 区域地表湿润指数的年际及年代特征

为了比较江苏省内各区域之间的特征差异，对不同区域站点分别进行区域平均，对区域总体特征进行分析，认识不同区域干、湿变化趋势区域差异。图 4为苏北、苏中、苏南的区域平均地表湿润指数的10年滑动平均曲线及Mann-Kendall法对地表湿润指数10年和气温10年滑动平均变化的趋势分析。图 4中上图为10年滑动平均，下图为M-K方法检验结果。

由图 4可以看出苏北地区地表湿润指数从20世纪60年代以后总趋势为减小(地表变干)，一直到1980年代初以后湿润指数呈现显著的减少趋势且达到95%的显著性检验(对应于M-K法检验结果图中曲线的纵轴的绝对值大于2)；对应气温在1980年代末以后显著增温，增温趋势达到95%的显著性检验，且苏北降水近45年来呈下降趋势。由此看来，当前苏北干旱化的趋势具有暖干的特征，降水减少，区域增温是干旱化的主要原因。苏中地区在1960年代到1990年代初湿润指数是一个增加的时段(地表变湿)，之后显著减少趋势且达到90%的显著性检验，与苏南地区相比较苏中地区的地表湿润指数变化趋势较快，而苏南地区的变化平缓；苏南地区湿润指数总体呈现上升趋势且达到90%的显著性检验，但是在1990年代后呈现下降趋势这与1990年代后苏南地区降水显著减少以及显著增温的趋势相对应，苏南地区正处于一个暖湿的时段。归纳以上结果认为，苏北和苏南地区的年际变化趋势基本相反，前者为变干趋势，后者为变湿趋势。1990年代后苏南地区干旱化的趋势与苏南地区的区域增暖有关，而干旱化将进一步使得气温上升，不断加剧干旱化的发展。

3.3 年代际变化趋势

把1961—2000年的年均值或年总量每10年进行算数平均，每个值就代表它所在的年代，由于资料的时间限制用2001—2005年的算术平均表示2010年代。多年平均值用1961—2005年的气候平均值。表 1中距平为三个地区不同年代的平均值与各地区多年气候平均值的差值，借此来研究地表湿润状况的年代变化及其与降水、气温的可能联系。

由表 1可知，苏北地区1960、1970年代的地表湿润指数均为正的距平，是近45年来最湿润的年代。而1980、1990年代后该地区地表示湿润指数转为负距平，说明地表逐渐变干，原因是温度的升高，降水也减少了。苏中和苏南地区的地表干湿状况却明显不同，1960、1970年代地表湿润指数为负，而1980、1990年代转为正距平，说明地表转为一个相对湿润的时期，地表的湿润趋势(正距平)对应着降水的增加和气温的降低，苏中和苏南在1980、1990年代正处在一个湿润阶段。2010年代期间由于受温度升高影响，苏南苏中地区湿润指数明显降低。这些结果表明，地表湿润指数能很好地表示这种复杂关系。

3.4 年代际变化趋势的季节特征

地表湿润指数基本反映了江苏省年地表湿润状况的变化特征。但是地表湿润指数是否存在年际特征的季节性差异有必要进一步研究。

图 5给出了四季江苏区域平均地表湿润指数及气温10年滑动平均的距平分布，由图可得以下事实：气温，江苏省四季温度从1990年代以后呈现明显的上升趋势，并且都表现出15年的周期性变化，其中秋季气温周期变化比较明显。

湿润指数，冬季的温度一般都在0℃左右，这个时期地表的蒸发量相对来说比较少，地表处于一个相对比较湿润的状况。分析降水和温度发现，虽然冬季降水处于增加趋势，但是由于气温在1990年代后出现了增加趋势，地表湿润指数也急剧下降。春季地表湿润指数出现了10年的周期变化，夏季地表湿润指数出现了20年左右周期变化，并且近20年来出现正距平，这与江苏地区夏季降水多，有很大关系。秋季，1990年代后地表湿润指数下降，与温度的升高对应。

地表湿润状况趋势的地理分布也存在着季节性差异。图 6是利用M-K法所分析的不同季节地表湿润指数的变化趋势，实线是变湿趋势，虚线是变干趋势，其中阴影部分表示显著趋势(置信度超过90%检验)。由图 6可以看出春季和秋季绝大部分地区干湿趋势减少，且秋季大部分地区都有显著性减少趋势，夏季苏南大部分地区呈现显著变湿趋势。可以说，江苏省的干旱化趋势存在着季节和地域上的差异，江苏省的干化趋势主要发生在春秋季节。

4 结语

以上分析表明，地表湿润指数是一个理想的能够表征地表干湿状况的物理量，它的物理基础在于体现了两个最重要的地表水分收支分量：大气的降水和最大潜在蒸发，而这两个量正是地表热能和水分变化的关键参量^[19]。通过分析近45年来江苏省的区域平均及四季的干湿指标变化，可以得出以下几条结论：

(1) 地表湿润指数的结果分析表明，近45年来苏北、苏中和苏南的地表湿润状况的年代际变化存在着差异。苏北和苏中地区降水趋势减少，苏南地区降水趋势增多，只有部分地区存在显著趋势。由于受温度升高的影响，苏北地区显著变干的范围扩大，苏南地区则没有显著变湿区域。这说明了温度变化在干湿变化趋势所起的重要作用。

(2) 地表湿润指数的四季变化趋势的空间分布表明，江苏省的干化趋势存在季节和地域差异。江苏省的干化趋势主要发生在春秋季节，且苏南地区表现出向干旱化发展的趋势。

土壤湿度是表征地表干湿变化的客观指标，但是由于缺乏长时间大范围的观测数据，用土壤湿度进行干湿变化的分析具有局限性^[20]。所以建立干湿指标不失为一种理想的途径。由于所建立的地表湿润指数是从地表水分收支平衡出发，所以对潜在蒸发的计算还需要进一步的验证，但从分析结果来看，该指标的建立对单纯用降水量变化分析干湿变化有较大的改善。如果能考虑地表径流的影响，综合用(降水量－地表径流量)替代单纯降水量作为水份收入项，效果可能更好，因为地表径流量对水份收入的影响很大。由于地表径流量资料不易取得，将有待于进一步研究。