[科普中國(guó)]-干燥度

簡(jiǎn)介

干燥度(Aridity index , AI , 或其它縮寫(xiě)形式,如K 等)表征一個(gè)地區(qū)干濕程度的指標(biāo)，也稱(chēng)干燥度指數(shù)， 一般以某個(gè)地區(qū)水分收支與熱量平衡的比值來(lái)表示, 其倒數(shù)稱(chēng)為濕潤(rùn)指數(shù)(Humidity index, HI)。

干燥度表達(dá)公式如下： ，式中：K為干燥度；W0水面可能蒸發(fā)量；R為同期降水量。1

以K值為1.0的等值線來(lái)區(qū)分濕潤(rùn)地區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)的指標(biāo)。K4為干旱地區(qū)，植被為干荒漠，發(fā)展農(nóng)業(yè)需進(jìn)行灌溉;土壤中含有較多的可溶性鹽類(lèi)。

計(jì)算方法中外學(xué)者自1900 年以來(lái)提出了許多計(jì)算干燥度指數(shù)的方法, 簡(jiǎn)單的是以經(jīng)驗(yàn)公式如降水和氣溫的比值來(lái)表達(dá), 復(fù)雜的則是通過(guò)計(jì)算可能蒸散量(Potential evapotranspiration , PE), 以降水與可能蒸散的對(duì)比關(guān)系獲得干燥度。2

以下為幾種常用的干燥度指數(shù)計(jì)算方法與應(yīng)用：

降水量作為干燥度的代用指標(biāo)最簡(jiǎn)單直接的干燥度計(jì)算, 是以多年平均降水量(Precipitation , P)作為標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(Food and agriculture organization , FAO)認(rèn)為, 農(nóng)作物及草地生產(chǎn)潛力, 或者作物種類(lèi)、耕作制度以及草地管理方式的選擇, 取決于降水及土壤水分對(duì)植物或作物生長(zhǎng)期的有效性, 該生長(zhǎng)期的降水量是氣候區(qū)劃的重要指標(biāo)。

在我國(guó)以年降水量為指標(biāo)劃分干濕氣候區(qū)存在3 種不同的意見(jiàn):1)年降水量小于200 mm 為干旱區(qū), 200 ～ 400 mm 為半干旱區(qū);2)年降水量大于200 mm 為干旱區(qū), 200 ～450 mm 為半干旱區(qū);3)年降水量小于250 mm 為干旱區(qū), 250 ～ 500 mm 為半干旱區(qū)。任福民等(1995)利用全國(guó)160 個(gè)氣象站1951 ～ 1992 年的年降水標(biāo)準(zhǔn)化資料, 以年降水700 mm 為標(biāo)準(zhǔn), 將全國(guó)劃分為兩個(gè)大區(qū):干旱半干旱區(qū)和非干旱區(qū)。由此可見(jiàn), 干旱與非干旱的差別, 在年平均降水量上可表達(dá)為400 、500和700 mm 3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

此類(lèi)以降水量作為干燥度代用指標(biāo)的方法不僅在具體劃分的標(biāo)準(zhǔn)上存在分歧, 而且只考慮了水分收入, 未考慮水分的支出, 沒(méi)有水分平衡的概念, 不能定量說(shuō)明水分的盈虧, 無(wú)法如實(shí)反映自然界的真實(shí)面貌, 特別是植物與土壤的分布, 生態(tài)學(xué)意義不明確。因此, 降水量指標(biāo)作為干燥度指數(shù)的代用品, 僅可在其它氣象資料缺乏而只有降水量數(shù)據(jù)存在時(shí)使用, 如果有較豐富的其它氣候指標(biāo), 則需要配合這些指標(biāo)使用。

可能蒸散量計(jì)算的干燥度按Penman(1948)的定義, 潛在蒸發(fā)是“從不匱缺水分的、高度一致并全面遮覆地表的矮小綠色植物群體在單位時(shí)間內(nèi)的蒸騰量” , 包括從所有表面的蒸發(fā)與植物蒸騰?？赡苷羯⒘?PE)與降水量(P )之比即干燥度(K), 計(jì)算公式如下:

K =PE/P

目前, 以可能蒸散量計(jì)算干燥度的方法在國(guó)際上比較流行。按照計(jì)算可能蒸散量的方法不同, 可以分為Penman 和Thornthwaite 方法以及目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的Holdridge 生命地帶分類(lèi)系統(tǒng)中的可能蒸散計(jì)算方法。

溫度與降水計(jì)算的de Martonne干燥度最簡(jiǎn)單的計(jì)算氣候干燥度的方法就是利用溫度與降水這兩個(gè)氣候因子來(lái)計(jì)算干燥度, 此類(lèi)方法主要有de Martonne 干燥度計(jì)算方法。

de Martonne(1926)提出了一種簡(jiǎn)單的干燥度計(jì)式中, 式中, IdM 即de Martonne 干燥度, P 為平均降水量(mm), T 為平均溫度值(℃)。

干燥度值小于10 , 表明嚴(yán)重干旱, 河流斷流, 農(nóng)作物需要強(qiáng)制人工灌溉；干燥度值在10 ～ 30 之間,表明中等干旱, 河流暫時(shí)性有水, 流量中等, 植被類(lèi)型為草原；干燥度大于30 , 表明氣候濕潤(rùn), 河流常年有水, 不斷流, 并水量充足, 植被類(lèi)型為森林。

IdM更利于月干燥度的計(jì)算, 并且其計(jì)算簡(jiǎn)單,但精確度不高, 比較適合于在大尺度的研究中應(yīng)用。

以積溫來(lái)計(jì)算干燥度以積溫來(lái)計(jì)算干燥度的方法主要有兩種, 一種是以日溫度大于或等于10 ℃的年積溫計(jì)算的Selianinov干燥度計(jì)算方法；另一種就是以月平均氣溫高于5 ℃的年積溫計(jì)算的Kira 干濕度指數(shù)。

（1）Selianinov 干燥度

謝良尼諾夫在1937 年提出一經(jīng)驗(yàn)公式, 利用溫度與降水量計(jì)算干燥度。原公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0 .10 , 我國(guó)科學(xué)家根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況經(jīng)過(guò)大量推算, 將0 .10 改為0 .16(中國(guó)科學(xué)院自然區(qū)劃工作委員會(huì), 1959)。修正的謝良尼諾夫公式為:K=0.16*（全年≥10℃的積溫/全年≥10℃期間的降水量），其中K 為干燥度。

中國(guó)科學(xué)院自然區(qū)劃工作委員會(huì)(1959)的中國(guó)氣候區(qū)劃即根據(jù)干燥度進(jìn)行的；用16 .0 等值線作為極干旱與干旱區(qū)的分界, 此線與塔里木、柴達(dá)木盆地、巴旦吉林和滕格里沙漠邊緣一致, 年降水量在60 mm 以下, 與我國(guó)荒漠景觀大體吻合；用4 .0 等值線作為干旱與半干旱區(qū)的分界線, 此線與旱作農(nóng)業(yè)西界相一致, 用1 .5 等值線作為干旱亞濕潤(rùn)與半干旱區(qū)的分界指標(biāo), 用1 .0 等值線作為濕潤(rùn)與干旱亞濕潤(rùn)區(qū)的分界線, 此線與淮河秦嶺一線基本一致。

謝氏干燥度計(jì)算方法相對(duì)容易獲得所需數(shù)據(jù),以氣象觀測(cè)臺(tái)站所記錄的各個(gè)溫度基點(diǎn)的年積溫資料, 不需作很大調(diào)整即可滿足計(jì)算需要, 相對(duì)較為簡(jiǎn)便可行, 比較適合中高緯度地區(qū)。但謝氏干燥度的計(jì)算方法是經(jīng)驗(yàn)性的, 它假定一定的活動(dòng)溫度總和可以代表一定的可能蒸發(fā)量, 這一假定缺乏物理意義,是經(jīng)驗(yàn)性的, 只在少數(shù)的地方經(jīng)過(guò)初步驗(yàn)證, 未必適用于全國(guó)。它只計(jì)算日均溫持續(xù)在10 ℃以上的時(shí)期, 而溫度較低的季節(jié)仍有生物活動(dòng), 并且此時(shí)的降水可以部分留在土壤中, 供溫暖季節(jié)利用。所以, 只計(jì)算10 ℃以上時(shí)期的溫度, 在有些地方可能造成很大的誤差。

（2）Kira 干濕度指數(shù)

Kira(吉良龍夫)的干濕度指數(shù)是以降水與溫暖指數(shù)的比值來(lái)表示的, 其計(jì)算公式為:

當(dāng)WI =0 ～ 100 ℃·月-1時(shí), k =P/(WI +20)；

當(dāng)WI >100 ℃·月-1時(shí), k =2P/(WI +140)；

式中, P 為年降水量;溫暖指數(shù)(WI)是采用月平均氣溫高于5 ℃的總和, 作為植物生長(zhǎng)的熱量條件,即： ，式中t為大于5的月氣溫。

Kira 的計(jì)算方法簡(jiǎn)便, 與植被的對(duì)應(yīng)性好, 值得推廣, 但這些指標(biāo)是從東亞植被與氣候的關(guān)系研究中發(fā)展起來(lái)的, 其干濕度指數(shù)得自于雨溫關(guān)系較單一的夏雨型氣候區(qū), 并不適用于高寒地區(qū), 在推廣應(yīng)用時(shí)需根據(jù)雨溫關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

輻射計(jì)算的Budyko干燥率1951 年布迪科和格里戈里耶夫合作, 創(chuàng)立了“輻射干燥指數(shù)”即干燥率(D), 在陸面充分濕潤(rùn)條件下, 陸面最大可能蒸散量可以利用與確定水面蒸發(fā)量相類(lèi)似的方法計(jì)算, 即水面或濕潤(rùn)表面的蒸發(fā)與按蒸發(fā)表面的溫度計(jì)算出來(lái)的空氣飽和差成正比。一般借用熱量平衡方程來(lái)確定蒸發(fā)面的溫度,從而可求蒸發(fā)力。表達(dá)式為:D =R/LP，式中R 為太陽(yáng)凈輻射, L 為蒸發(fā)潛熱, P 為降水量。

布迪科的干燥率雖然計(jì)算簡(jiǎn)單, 但目前利用卻不多, 主要是由于其基本函數(shù)之一的太陽(yáng)凈輻射目前缺乏足夠參考的數(shù)據(jù)。2

時(shí)空分布特征干燥度指數(shù)（AI）是干旱預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵參數(shù)，是反映干旱成因和程度的量度，監(jiān)測(cè)干旱發(fā)展過(guò)程，定量確定某一時(shí)段旱度及范圍的手段和工具，是表征一個(gè)地區(qū)干濕程度的指標(biāo)。如今，干燥度指數(shù)已成為全球變化研究中的重要?dú)夂蛑笜?biāo)之一，尤其是在氣候區(qū)劃、氣候變化和干旱化等研究中得到了廣泛應(yīng)用。3

華北平原（1）區(qū)域多年平均干燥度在0.97～3.50 之間，呈現(xiàn)出自西向東、自北向南、自西北向東南逐漸減少的空間特征。

（2）時(shí)間上，干燥度年際線性變化趨勢(shì)不顯著，不存在顯著的突變點(diǎn)，但存在周期結(jié)構(gòu)性，主周期為15 a 左右，且華北平原在2015-2016 和2024-2031 年左右將處于氣候偏濕潤(rùn)的周期內(nèi)，2016-2024 年左右將處于氣候偏干燥的周期內(nèi)；年內(nèi)季節(jié)變化為冬季>春季>秋季>夏季；空間上，河南省大部分地區(qū)干燥度指數(shù)呈減小趨勢(shì)，而河南外大部分地區(qū)呈增加趨勢(shì)；

（3）1960-2014 年，潛在蒸散量、降水量、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、濕度以及水汽壓均顯著減小，氣溫顯著升高。氣候逐漸向“暖干”變化。同時(shí)，干燥度指數(shù)的氣象影響因子分析表明，水分因子對(duì)干燥度影響最大，且呈負(fù)作用；其次為日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速，呈正作用；空氣冷熱狀況對(duì)干燥度影響最小，呈正作用。3

東北三省(1)東北三省地表干濕狀況變化具有明顯的階段性。1960— 1979年間, 潛在蒸散增加和降水減少導(dǎo)致干燥度上升;1980— 2005年間, 降水顯著增加,平均潛在蒸散低于1960— 1979年均值, 地表具有增濕傾向, 但20世紀(jì)90年代中后期至2005年地表干燥度有上升趨勢(shì)。

(2)東北三省地表干濕狀況變化具有明顯的空間特征。黑龍江省大部、吉林東部在進(jìn)入80年代后降水顯著增加, 干燥度降低, 增濕傾向明顯;吉林西部、遼寧阜新地區(qū)和南部蓋縣、莊河以南地區(qū)干燥度指數(shù)略有增加。

(3)總體而言, 由于近20余年降水增加和潛在蒸散減少, 東北三省大部分地區(qū)地表干旱狀況有所減緩。4

內(nèi)蒙古( 1) 50年來(lái)內(nèi)蒙古荒漠草原年平均干燥度呈條帶狀自東南向西北逐漸遞增，干燥程度由東南向西北逐漸增加，平均干燥度等級(jí)在1． 63 ～ 4． 78 之間，半干旱區(qū)面積大于干旱區(qū)。

( 2) 干燥度變化趨勢(shì)區(qū)域特征比較明顯，除中部偏西地區(qū)( 海流圖) 干燥度減少，氣候趨于濕潤(rùn)化以外，其他地區(qū)干燥度指數(shù)呈增大趨勢(shì)。干燥度指數(shù)越大的地方，干燥度增加趨勢(shì)越明顯。影響干燥度增加的主要原因是氣溫的升高，降水量是影響干燥度變化的限制因子。

( 3) 1961—2010 年內(nèi)蒙古荒漠草原氣候干燥度表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，進(jìn)入21 世紀(jì)初，氣候急劇變干，2005 年為近50 a 來(lái)最干旱的年份。干燥度> 5． 0等級(jí)的面積隨年代明顯增加。干旱區(qū)面積由20 世紀(jì)60 年代占總面積的20． 01%，增加到21 世紀(jì)初占總面積的50． 98%。

( 4) 干燥度4.0 等值線位置基本上向東南方向推進(jìn)。以20 世紀(jì)60 年代為基點(diǎn)，90 年代前變幅相對(duì)較小，21 世紀(jì)初的偏移范圍最大，表明近10 多年來(lái)，研究區(qū)域的干旱化趨勢(shì)最為劇烈。5

干燥度與濕度的區(qū)別表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取薄Ｔ诖艘饬x下，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點(diǎn)等物理量來(lái)表示；若表示在濕蒸汽中液態(tài)水分的重量占蒸汽總重量的百分比，則稱(chēng)之為蒸汽的濕度。

表征氣候干燥程度的指數(shù)。又稱(chēng)干燥指數(shù)，通常有字母K表示。它是可能蒸發(fā)量與降水量的比值，反映了某地、某時(shí)段水分的收入和支出狀況。顯然，它比僅僅使用降水量或蒸發(fā)量反映一地水分的干濕狀況更加確切。由于可能蒸發(fā)量的計(jì)算方法不同，干燥度的表示方式也有多種。有以年平均氣溫或高于10℃積溫的0.1倍表示可能蒸發(fā)的，有以輻射差額反映可能蒸發(fā)的。干燥度的倒數(shù)稱(chēng)濕潤(rùn)度或濕潤(rùn)指數(shù)。以K值為1.0的等值線來(lái)區(qū)分濕潤(rùn)地區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)的指標(biāo)。K