从气候角度分析西北地区水资源状况

省份 甘肃 内蒙古 宁夏 青海 陕西 新疆
年潜在蒸散平均值/ mm 年潜在蒸散最大值/ mm 年潜在蒸散最小值/ mm
1035. 1
124ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ. 1
832. 7
993. 4
1166. 8
819. 2
1041. 5
1105. 7
931. 4
798. 9
966. 6
524. 2
1090. 3
1148. 6
rad ;δ:太阳赤纬 ,rad.
dr = 1 + 0. 033cos
2π 365
J
,
(4)
δ=
0. 409sin
2π 365
J
-
1. 39
,
(5)
J 为一年中日序数 (1 ～ 365) 。
ωs = arccos (2 tanφtanδ) .
(6)
3. 2 年潜在蒸散分布规律
根据以上公式 ,逐站点计算其每一年的潜在蒸散 ,之后求出每个站多年潜在蒸散平均值 。西北地区
(1 中国科学院地理科学与资源研究所 ,北京 100101 ;2 南京气象学院资源环境与城乡规划系 ,南京 210044)
(2002 年 8 月 26 日收稿 ;2003 年 1 月 10 日收修改稿)
摘 要 西北地区水资源短缺 ,生态环境相当脆弱 。随着西部大开发战略的实施 ,原来水资源 的供需矛盾更为明显 。利用西北 91 个气象台站 40 年的气象资料 ,结合地理信息系统技术 ,从 降水量 、潜在蒸散 (蒸发力) 、干燥度等气候指标 ,分析了西北不同地区的干湿状况和水分盈亏 量. 所用资料详实 ,为西北不同地区的水资源状况评估和合理调配提供了重要依据 。 关键词 水资源 ,西部大开发 ,潜在蒸散 ,干燥度 中图分类号 TV211. 1
2 西北地区降水特征分析
将西北 91 个气象台站 40 年年降水求统计平均表明 :西北地区降水量空间差异较大 ,年降水量由东
3 国家重点基础研究发展规化项目 ( G19990436201) 资助
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1031. 7
1074. 5
1356. 7
651. 4
年潜在蒸散最大站 敦煌市 额济纳旗 中宁 冷湖 安康市
民丰县安德河
年潜在蒸散最小站 夏河县合作 化德 海源
唐古拉山伍道梁 铜川市
和静县巴音布鲁克
图 1 西北地区年潜在蒸散等值线图 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
年潜在蒸散等值线图见图 1. 从西北年潜在蒸散来看 ,总体趋势是与年降水量相反 ,即 :年降水越少的地
区年潜在蒸散越大 ,但不同地区两者之间的对应关系并不一致 。整个西北地区年潜在蒸散平均约为
1000 mm ,最大的地区在南疆塔克拉玛干沙漠 、塔里木盆地 、吐鲁番盆地 、哈顺戈壁和甘肃省墩煌地区 ,年
潜在蒸散达 1200 ～ 1300 mm 。年潜在蒸散最小的地区主要为海拔在 2000 m 以上的青海高原地带和属
天山山脉的新疆和静县巴音布鲁克地区. 这些地区由于海拔高 ,热量条件不足 ,年潜在蒸散为 500 ～ 800
mm 。西北各省的年潜在蒸散具体情况可参见表 2 :
表 2 西北地区各省份年潜在蒸散特征
第 20 卷 第 4 期 2003 年 12 月
中国科学院研究生院学报 Journal of t he Graduate School of t he Chinese Academy of Sciences
Vol120 No14 Dec1 2003
从气候角度分析西北地区水资源状况 3
曾 燕1 刘昌明1 邱新法2
日总量 ,MJ ·m - 2·d - 1 ; C0 :系数 ,为 0. 000939 ; Tmax - Tmin近似表征地表可用辐射能的大小 ,同时又是水
汽压差大小的指标. 晴天时 , Tmax - Tmin较大 ,而阴天则相对较小 。
Ra =
1440 π
Gsc
dr
(ωssinφ
sinδ+
cosφ
co sδsi nωs)
第 4 期
曾 燕 ,等 :从气候角度分析西北地区水资源状况
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4 西北地区干燥度分析
干燥度用来反映地区气候的一般干湿状况 ,其定义为 :
D=
Ep P
,
(7)
D 为潜在蒸散与同期降水量之比 。将求得的西北 91 个气象站点多年潜在蒸散平均值除以各站点对应的
多年降水量平均值 ,即可求出各站点的年干燥度 ,西北地区年干燥度等值线见图 2 。气候上划分干湿状
年降水变差系数 0. 14 0. 25 0. 27 0. 11 0. 16 0. 19
最大年降水量/ mm 417 362 503 367 853 169
最小年降水量/ mm 213 102 149 243 421 82
注 :内蒙古的统计值仅指其西部地区而言 ,以下各表内蒙古含义与此相同 。
1 西北地区水文气象特征
西北地区包括陕 、甘 、宁 、青 、新 5 省区全部和内蒙古西部 ,总面积 334 ×104 km2 。西北地区远离海 洋 ,且由于地形阻挡 ,获得的水汽量很少 ,降水量较少 ,全区平均年降水量 246 mm ,仅为全国平均的 38 %。西北地区气候变化较大 ,中国极端最高气温 47. 7 ℃出现在新疆托克逊 ,中国年平均温度最低值 4. 3 ℃出现在青海托托河 。中国降水变率最大 (变差系数 Cv = 0. 83) 出现在新疆若羌 ,最小 (变差系数 Cv = 0. 09) 出现在青海清水河[5～7 ] 。降水季节分布很不均匀 ,70 %集中在夏季 ;常形成春旱 、伏旱 。黄土高 原有“年年有旱 ,三年一小旱 ,十年一大旱”之说 。内陆盆地也是三年两头发生不同程度的旱灾 ;热量分布 与降水分布正好相反 ,自东向西逐渐增加 ;水热分布不协调 ,西北面积占中国近 1/ 3 ,而水资源仅占中国 1/ 12 ,平均每平方公里水资源仅 7. 34 ×104 m3 ,相当于中国的 1/ 4 。地表径流属中国最少的地区 ,黄土高 原年径流深度仅为 10 ～ 50 mm ;内陆盆地径流深度不足 5 mm ;盆地周围的山脉 ,由于地形影响降水较 多 ,年径流可达 100 mm 以上[8 ] 。干旱缺水是西北自然条件中最突出的特点 ,一方面干旱对农 、林 、牧及 生态环境起主导的控制作用 ,尤其影响了种植业的发展 ,制约了工业 、城镇和经济的发展 ;另一方面干旱 地区光能 、热能资源丰富 ,温度日较差大 ,使得气候资源多种多样 。
年降水量多年平均/ mm 306 214 273 284 614 117
从表 1 可以看出 ,西北地区宁夏和内蒙古 (西北) 的年降水变差系数为最大. 说明这两个地区的降水 年际间波动最大 ,最大年降水量为最小年降水量的 3 倍以上 ;年降水量波动最小的省为青海 ,其最大年降 水量仅为最小年降水量的 1. 5 倍 ;甘肃省 、陕西省 、新疆年降水量的波动幅度基本相当 ,最大年降水量约 为最小年降水量的 2 倍左右 ;年降水量多年平均最大的为陕西省 ,达 614 mm ,最小的为新疆 ,仅为 117 mm ,是西北各省中最为干旱的省 。在 1958 ～ 1997 年 40 年中 ,最大年降水量是陕西省汉中 1983 年的 1463 mm ,最小年降水量是青海省玉树 1952 年的 2 mm 。
水是人类生产和生活不可缺少 、不可替代的重要资源 ,是人类生存的基础 ,水资源保障是经济建设的 前提和基础[1 ] 。西北地区主要属于干旱和半干旱气候 ,降水量少 ,蒸发量大 ,水资源短缺 ,生态环境相当 脆弱 ,水是其最为稀缺的资源 ,是绿洲的命脉[2 ,3 ] 。随着中国西部大开发战略的实施 ,西北原来水资源的 供需矛盾更为明显 。水利部水资源司司长吴季松曾指出 “: 对于严重缺水的西北地区而言 ,水是经济发展 的命根子 。西北地区水资源分布极不均匀 ,开发利用难度也极大 ,目前西北水资源的资料基础相对薄弱 。 就水而言 ,西北应率先进行水资源的评价工作”[4 ] 。因此 ,分析和研究中国西北水资源状况 ,实现水资源 的可持续利用 ,对西部大开发战略的实施具有重要意义 。
3 西北地区潜在蒸散分析
潜在蒸散 (发) 又称为最大可能蒸散量或蒸发力 ,是指下垫面足够湿润条件下 ,水分保持充分供应的 蒸发量[10 ] 。潜在蒸散是从能量角度评判一个地区最大的可能蒸散量 ,在下垫面实际蒸散的计算中往往 要用到潜在蒸散 (发) 这一数值 。同时 ,潜在蒸散 (发) 也常用于气候区划中干燥度 、水分余亏量 (灌溉定 额) 等气候指标的计算 。通过气象资料计算西北地区的潜在蒸散 ,可把握西北不同地区地表水循环的基 本尺度 ,从气候的角度判断西北不同地区的干湿状况和水分余亏量 。
,
(3)
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中国科学院研究生院学报
第 20 卷
其中 Csc :太阳常数 ,为 0. 0820 MJ ·m - 2·min - 1 ; dr :日地相对距离的倒数 ;ωs :日没时角 ,rad ;φ:纬度 ,
3. 1 潜在蒸散计算方法
由于缺乏湿度 、日照 、风速等资料 ,潜在蒸散的计算没有采用传统的 Penman 公式 ,而是采用了 FAO
推荐的 Hargreaves 算法 ,其公式为 :
Ep = C0 ( T max - T min) 0. 5 ( T mean + 17. 8) R a ,
(2)
其中 Ep :潜在蒸散 ,mm ·d - 1 ; Tmax , Tmin :日最高和最低气温 , ℃; Tmean :日平均温度 , ℃; Ra :天文辐射
第 4 期
曾 燕 ,等 :从气候角度分析西北地区水资源状况
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南向西北递减 ,祁连山脉和东南部少部分能够受到季风影响地区的年降水量为 400 ～ 600 mm ,陕南地区 年平均降水量在 800 mm 以上 ;越过贺兰山 ,大部分地区年降水量低于 100 mm ,被高山包围的塔里木盆
地 、吐鲁番盆地 、柴达木盆地 ,年降水量在 50 mm 以下 ;受大西洋和北冰洋水汽输送的影响 ,新疆天山以 北年降水量为 100 ～ 200 mm ,天山山脉为 200 ～ 400 mm ;全区中新疆吐鲁番的年降水量最小 ,仅为 16 mm ,陕西汉中的年降水量最大 ,为 867 mm 。 西北地区各省份年降水量变化特征 为了了解西北各省份年降水量年际之间的变化幅度 ,引入年降 水变差系数 Cv ,其定义式如下[9 ] :
Cv =
n
6
i=1
(
Ki n
-
1) 2 1
,
(1)
式中 n 为观测年数 ; Ki 为第 i 年的年降水变率 , 即第 i 年的年降水量与多年平均年降水量的比值 , Ki
> 1 表示该年降水量比多年平均情况多 ,反之则少 。西北各省年降水量变差系数见表 1 :
表 1 西北地区各省份年降水量特征
省份 甘肃 内蒙古 宁夏 青海 陕西 新疆
况的基本指标见表 3.
表 3 干湿气候区划的物理指标
干湿区划
指标 年干燥度
潮湿 < 0. 5
湿润 0. 5 ～ 1
半湿润 1～2
半干旱 2～5
干旱 >5
图 2 西北地区年干燥度等值线图
与表 3 对照可以看出 ,西北绝大多数地区为干旱地区 ,少数为半干旱和半湿润地区 ,年干燥度整体水 平较高 ,均大于 1 ,平均为 11. 6. 年干燥度最高的地区为南疆塔克拉玛干沙漠 、塔里木盆地 、吐鲁番盆地 、 哈顺戈壁 、柴达木盆地和甘肃墩煌地区 ,这些地区年干燥度大于 30 ,最高达 84. 7 ,为新疆吐鲁番 ;其次为 内蒙古西北部的额济纳旗和中央戈壁 ,年干燥度在 20 ～ 30 ;年干燥度较小的地区为高海拔的青海高原 、 甘肃省最南端和陕西省南部 ,年干燥度在 1. 5 ～ 2. 0 ,其中秦岭附近的年干燥度最小 ,接近于 1 ;年干燥度 最小的地区为汉中市 ,为 1. 2 。西北各省的年干燥度具体情况可参见表 4 :