1961—2020年青海省...压差变化特征及影响因子分析_李素雲.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.0219612020年青海省饱和水汽压差变化特征及影响因子分析李素雲1,2，祁栋林1,2，温婷婷3，史飞飞1,2，乔斌1,2，肖建设1,2（1.青海省气象科学研究所，青海 西宁810001；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁810001；3.青海省气候中心，青海 西宁810001）摘要：饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit,VPD）作为蒸散的主要驱动因子之一，能够反映大气从地表获取水分的能力，厘清VPD时空变化特征有助于理解青藏高原地区大气干湿程度对气候变化的响应。利用Mann-Kendall检验、多元线性回归等方法分析了青海省19612020年VPD时空变化特征以及影响因子。结果表明：19612020年青海省平均VPD呈上升趋势，且在1998年发生突变；其季节平均值和对应的气候倾向率均表现为：夏季春季秋季冬季；不同的功能区，VPD平均值表现为：柴达木盆地东部农业区青海湖地区青南牧区，对应的气候倾向率表现为：东部农业区柴达木盆地青南牧区青海湖地区。多年平均VPD在空间上呈“鞍形场”分布格局，且除了青南牧区东北部的贵南站呈减少趋势，其余地区均为增加趋势。VPD突变前后的气象主导因子有所差异，但总体主要为最高温度和相对湿度。春、夏、秋3个季节以及多年VPD变化过程中，海拔贡献率最高，其次为经度；冬季海拔贡献率依旧最高，其次为纬度。关键词：饱和水汽压差；变化特征；影响因子；青海省蒸散在全球的能量平衡和水循环中占据非常重要的地位，被广泛应用于地表旱情监测、水资源评价、生态环境变化等研究中，而饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit,VPD）是蒸散的主要驱动因子之一，能够反映大气从地表获取水分的能力，其增加意味着通过植物蒸腾和土壤蒸发作用回到大气中的水汽含量增加，这在一定程度上会增加植物受干旱胁迫的程度，从而对其他生态系统产生更大胁迫1-3。青藏高原具有独特的地形地貌，寒冷的气候条件和恶劣的植物生长环境致使生态系统非常脆弱，青海位于青藏高原东北部，在该区域众多研究中很少考虑VPD对气候变化的响应4-5，因此开展VPD时空变化分析研究很有必要。研究表明，VPD控制着植物气孔的闭合，当VPD增大时能够促进植物叶片表面的气孔张开利于吸收水分，从而促进光合作用，但当VPD超过一定阈值时又将导致过多的水分流失，从而抑制植物的蒸腾、光合作用等过程6-8；同时VPD还会影响森林的死亡率，当其增加时会对植被造成水分胁迫，是火灾预警、植物病虫害、植被碳循环以及蒸散发模型研究中的重要变量9-11；此外，VPD还会影响粮食产量，如Lobell等12发现，极端高温对玉米产量的影响主要是通过改变VPD的变化引起的；Zhang 等13发现，除中国东南部小麦外，VPD的增大会导致作物产量下降。因此，VPD在生态系统中占据着非常重要的角色，但其重要性往往被忽视14。Mao等15研究表明，近几年全球VPD有普遍升高的趋势，必将加剧土壤温度的升高和土壤水分的流失，植被受干旱胁迫的风险增加，进而对生态系统产生一定的影响。VPD变化不仅会影响陆地植被生长，而且会对区域水循环产生重要影响，然而在西北地区大多数研究更多关注于气候变化下植被的动态变化，如植被蒸腾、蒸散发、碳交换等，对于饱和水汽压差的时空变化特征及其影响分析很收稿日期：2022-03-25；修订日期：2022-11-03基金项目：青海省科技厅项目（2021-SF-141，2021-ZJ-739，2019-ZJ-A10）；国家自然科学基金项目（41861049）作者简介：李素雲（1992-），女，工程师，主要从事生态气象应用研究.E-mail:lisuyun_qh 通讯作者：祁栋林.E-mail:173181页40卷干旱区研究少16。青海省位于青藏高原东北部，具有地形复杂、植被覆盖度低、降水稀少的特点，属于典型的生态脆弱区和气候敏感区17。本研究基于青海省42个站点气象数据计算了近60 a VPD值，分析了其时空变化特征，同时划分不同功能区进一步分析了VPD地域差异，最后分析了VPD突变前后影响其变化的气象主导因子以及地理因子对VPD的影响，以期清晰认识和了解高寒地区VPD的变化特征，为青海省气候、生态和植被模型等研究提供参考，为青海省不同功能区提高生态管理水平以及应对未来气候变化以实现生态可持续性发展提供科学依据。1数据与方法1.1 研究区概况青海省位于青藏高原东北部，海拔介于16596726 m之间，地形和下垫面复杂多样，属于典型的高原大陆性气候。年平均气温在-5.19.0 之间，冬季漫长、夏季凉爽，气温日较差大，年较差小；年平均降水量少且主要集中在69月，并呈东南多，西北少的分布格局18；日照时数长、辐射强，东部地区相对湿润，西部地区干燥多风。为进一步分析VPD的区域差异，本研究将青海省分为青南牧区、东部农业区、青海湖地区、柴达木盆地等生态功能区19（图1）。1.2 数据来源为了获取长时间序列的稳定气象数据，本研究选取青海省19612020年共42个站点（图1）的逐月平均气温、最高/低气温、降水量、降水日数、相对湿度、绝对湿度、风速等资料，所有气象数据均来源于青海省气象局信息中心。此外采用气象学标准，即35月为春季，68月为夏季，911月为秋季、12月至翌年2月为冬季对青海省季节进行划分20；DEM高程数据来源于中国科学院资源与环境科学数据中心（https:/），空间分辨率为250m；计算饱和水汽压差VPD时首先利用站点月资料计算出各站点VPD月值，后按照季节划分标准对VPD取平均后获得各站季节值，最后采用Anuspline方法进行空间插值19。2研究方法2.1 饱和水汽压差的计算方法水汽压是空气中水汽所产生的分压力，是间接表示大气中水汽含量的一个物理量，分为饱和水汽压和实际水汽压，两者之差即为饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit,VPD），其计算公式如下21：VPD=es-ea（1）es=e0(Tmax)+e0(Tmin)2（2）ea=esmean100（3）式中：VPD为饱和水汽压差（kPa）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；mean为月平均相对湿度（%）；e0(Tmax)和e0(Tmin)分别为月平均最高气温和月平均最低气温（）时的水汽压，可由Tetens22-23经验公式计算得到：e0(T)=0.6108exp17.27TT-237.3（4）式中：T为空气温度（）；e0(T)为温度T时的饱和水汽压（kPa）。2.2 数据处理本研究使用Mann-Kendall（MK）非参数检验法来检测VPD的长时间序列突变点24-25，MK突变检验不受异常值的影响，在生态、水文、气象数据检验中广泛应用26；利用SPSS 19.0软件来进行相关性分析、共线性检验以及多元线性回归，建立多元回归方程并计算贡献率，从而量化各地理因子和气象因子对VPD的相对贡献率27-28；利用气候倾向率来量化VPD的变化趋势29。图1 青海省高程与四大生态功能区分布Fig.1 Distribution of elevation and four ecological functionzone in Qinghai Province1742期李素雲等：19612020年青海省饱和水汽压差变化特征及影响因子分析3结果与分析3.1 VPD的时间变化特征3.1.1不同季节VPD时间变化特征青海省VPD年际变化和 MK 检验统计值如图 2 所示。19612020年青海省多年平均VPD值为4.6 kPa，最低值出现在 1967 年（3.7 kPa），最高值出现在 2013 年（5.5kPa），且多年平均 VPD 值总体呈显著上升趋势0.142 kPa(10a)-1,r=0.70,P0.05，这与全国各气候区长期变化趋势一致20。由图2a显示：20世纪90年代后期以前，逐年的VPD值低于19612020年平均值，而在20世纪90年代后期以后高于平均值，这表明VPD在20世纪90年代后期VPD发生转折，这与Yuan等10揭示的全球VPD在20世纪90年代末增加现象一致。对VPD年际变化进一步做MK突变检验，结果发现：在显著性水平=0.05的置信线内UF与UB在1998年相交，即1998年为VPD突变开始的年份。分季节来看（图3），19612020年青海省多年平均VPD表现为：夏季（6.8 kPa）春季（5.2 kPa）秋季（3.9 kPa）冬季（2.3 kPa），这与袁瑞瑞等20在干旱和半干旱区得到的 VPD 季节特征相同。19612020年青海省VPD在4个季节均呈显著上升趋势，且4个季节的气候倾向率均表现为：夏季0.217 kPa(10a)-1,r=0.59,P0.05春季0.141 kPa(10a)-1,r=0.52,P0.05秋季0.121 kPa(10a)-1,r=0.58,P0.05冬季0.086 kPa(10a)-1,r=0.51,P0.05。图3中不同季节的累积距平曲线显示，VPD在春季、夏季、冬季的转折年发生在20世纪90年代后期，而秋季发生在 20 世纪 80 年代中后期。对VPD季节变化进一步做MK突变检验，结果发现：春季和夏季突变年份偏晚，分别出现在2001年和2000年，冬季突变年份出现在1996年，而秋季在显著性水平=0.05的置信线内UF与UB在20世纪80年代后期有多个交点，突变年份不稳定，因此需结合滑动t检验、pettitt突变检测等方法进一步确定30。3.1.2 不同功能区VPD时间变化特征依据刘义花等19的研究将青海省分为柴达木盆地、东部农业区、青海湖地区、青南牧区等4个生态功能区，进一步分析19612020年青海省VPD的地域差异（图4）。各生态功能区多年平均VPD表现为：柴达木盆地（7.0 kPa）东部农业区（5.0 kPa）青海湖地区（3.7 kPa）青南牧区（3.0 kPa）。19612020年各功能区平均VPD均呈显著上升趋势，但气候倾向率表现为：东部农业区0.212 kPa(10a)-1,r=0.67,P0.05柴达木盆地0.169 kPa(10a)-1,r=0.69,P0.05 青 南 牧 区 0.098 kPa (10a)-1,r=0.62,P0.05青海湖地区0.079 kPa(10a)-1,r=0.49,P0.05。对比不同生态功能区累积距平曲线发现，柴达木盆地在20世纪90年代前期发生转折，东部农业区和青海湖地区在20世纪90年代中后期发生转折，而青南牧区在21世纪初期发生转折。进一步对不同功能区的VPD年际变化做MK突变检验，结果发现：柴达木盆地VPD在1990年发生突变，东部农业区突变点发生在2003年，青海湖地区和青南牧区突变点分别发生在1998年和1999年。3.2 VPD的空间变化特征3.2.1 不同季节VPD空间分布特征由图5可以看出，春、夏、秋3个季节多年平均VPD在空间上表现图2 19612020年VPD变化与MK 突变检验Fig.2 The variation and MK mutation test of VPD from 1961 to 202017540卷干旱区研究出柴达木盆地大部、青海湖地区南部、东部农业区大部等低海拔地区高，而青海湖地区北部和青南牧区西部地区低的“鞍形场”分布格局；冬季VPD分布规律与其他3个季节略有不同，具体表现为柴达木盆地东北部和南部边缘地区、青南牧区西部、青海湖地区北部低于0.5 kPa，柴达木盆地大部、青海湖图3 19612020年VPD的季节变化Fig.3 Seasonal variation of VPD from 1961 to 2020图4 不同生态功能区VPD变化Fig.4 Variation of VPD in different ecological f