林冠降水截留效应国内研究进展_王丽红
北京山区典型森林植被林冠截留特征及模拟
株进行树干茎流的监测 ， 样地特征见表 １ ， 各项 目具体监测方法如下．
表 １ 不同树种监测样地特征
Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｅ ｓ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｐ ｌ ｏ ｔ ｓ
测模 型的建 立 ， 目前 国内外提 出和广 泛 应 用 的林 冠 截 留模 型 主要 包 括 以统 计 为基 础 的经验 模 型 ， Ｈ ｏ ｒ ｔ ｏ ｎ提 出的概念模 型和应 用 最 为广 泛 的 Ｇ ａ ｓ ｈ解 析模 型 ” ． 经验 模 型操
作 简单 ， 但无 法较 好地 揭示林 冠截 留过 程机 理 ； 概 念机 理 模 型又 因参数 较 多 ， 在模 型 应用 和推广 方面 受到 较大 的限制 ¨ 引． 王彦 辉 在 总结 国 内外 截 留模 型研 究 的基 础 上 ， 提 出了
响 Ｊ ， 国 内外学 者 开展 了广泛 的研究 ， 掌握 了大量 的实 测 数据 ， 但 不 同森 林 类 型和 气候 条
件下林 冠对 降水 的再分 配 格 局 差异 较 大 Ｊ ． 一般情况下 ， 温 带针 阔 叶林 的穿 透 降 雨率 变 化范 围在 ７ ０ ％＿ 一 ９ ０ ％； 中国大部 分地 区 的树 干 茎 流率 低 于 ５ ％Ｅ ６ ３ ， 可 以忽 略不 计 ； 中国针 叶林 、 阔 叶林 的林 冠截 留率 变动范 围分 别为 １ ４ ． ５ ％—５ ０ ％和 １ １ ． ２ ％＿ ２ ６ ． １ ７ ％ ． 由于林冠 截 留过程 复杂 和各影 响因子 的测 定难 度 较 大 ， 研究 者 非 常关 注 林冠 截 留预
（ １ ． 北京林业 大学水土保持学院 ， 水土保持与荒漠化 防治教育部重 点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ； ２ ． 中国环境监测 总
1956—2016_年中国年降水量及其年内分配演变特征
第34卷第2期2023年3月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.2Mar.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.02.0031956 2016年中国年降水量及其年内分配演变特征杜军凯1,仇亚琴1,李云玲2,卢㊀琼1,郝春沣1,刘海滢1(1.中国水利水电科学研究院,北京㊀100038;2.水利部水利水电规划设计总院,北京㊀100120)摘要:为分析中国降水时空演变格局,本文在月尺度上对水利部门与国家基本气象站的降水量监测数据进行融合,针对融合后的4177个站点,使用趋势分析㊁突变检验和年内分配向量法等方法分析了集中度㊁集中期和最大4个月累积降水量占全年之比等多个指数的分布格局,分析了1956 2016年中国年降水系列的趋势性和突变性特征,以及降水年内分配过程的时空演变㊂主要结论如下:①中国降水时空分布不均,自东南到西北,年降水量总体递减,降水年内分布集中度递增;站点年降水量序列的变化趋势呈现较强的地带性,自东南到西北呈 增 减 增 的3个条带;显著增加条带分别位于东南和西部地区,显著减少的条带位于中部,从东北地区向西南绵延至边境;年降水序列的趋势性变化大多伴随着突变,发生在20世纪80年代的站点最多㊂②沿200mm 和400mm 年降水量等值线,中国北方出现1个 汛期降水减少 条带,但其时间尺度效应较强;在月尺度上,站点汛期降水占比下降,非汛期降水占比增加;而在日尺度上则相反,连续3~7d 累积降水量的波幅加大,表明降水事件的极端程度在增强㊂③降水序列变化与径流的同步性较好,中国西北和东南地区年降水量呈增加趋势,典型水文站的还原径流量同步增加;年降水量显著减少㊁且最大4个月累积降水量占比指数减少超过10%的区域集中在北方的辽河㊁海河与黄河流域等非湿润区,相应水文断面的还原径流量显著减少㊂关键词:降水;年内分配;降水集中度;降水集中期;演变规律中图分类号:P333㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)02-0182-15收稿日期:2023-01-04;网络出版日期:2023-03-26网络出版地址:https :ʊ /kcms /detail /32.1309.P.20230324.1649.002.html基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFC3201101);国家自然科学基金资助项目(52279030)作者简介:杜军凯(1987 ),男,河南禹州人,高级工程师,博士,主要从事流域水循环及其伴生过程模拟研究㊂E-mail:du_djk@通信作者:仇亚琴,E-mail:qyq@ 联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告[1]指出,人类影响造成的气候变暖速率前所未有,全球极端天气与极端气候事件发生频率不断增强,全球尺度的降水结构发生了显著变化[2],较大程度上影响了区域水安全和经济社会可持续发展[3]㊂水循环是联系地球系统大气圈㊁水圈㊁岩石圈和生物圈的纽带㊂降水是水循环过程的总输入,研究中国降水的时空分布与演变格局可为洪涝灾害应对㊁水资源情势分析及水生态修复等工作提供科技支撑,具有重要的意义㊂在降水时空分布与演变规律方面,已有较多学者开展了相关研究㊂如在降水年际变化趋势分析方面,王英等[4]基于730个气象站的监测数据进行空间插值法和趋势分析,结果表明中国降水量从20世纪60年代到90年代呈明显下降趋势;施雅风等[5]总结了西北地区气候变化特征,指出西北地区气候向暖湿转型可能是世纪性的;张强等[6]分析了西北地区气候湿化趋势,指出西北地区西部和东部从21世纪开始同时进入增湿期;王米雪等[7]研究了1960 2013年东南沿海地区年降水量变化特征,指出2000年后东南沿海地区形成 重旱-重涝并重 的格局㊂在降水序列突变研究方面,丁一汇等[8]对青藏高原年平均气温和降水量序列进行突变检验,研究指出气候要素突变方向㊁突变时间存在较大时空差异;贾路等[9]认为西北地区降水集中度指数均值序列存在显著的突变点;张阿龙等[10]认为锡林河和巴拉格尔河流域气候突变发生在20世纪90年代至2010年;Zuo 等[11]研究表明,海河流域年降水量系列在1979年发生突变㊂在降水年内变化研究方面,刘向培等[12]从 信息熵 角度分析了厄尔尼诺与南方涛动㊁太平洋年代际涛动对中国降水集中程度的影响;㊀第2期杜军凯,等:1956 2016年中国年降水量及其年内分配演变特征183㊀Zhang等[13]定义了降水年内集中度和年内集中期指数概念和计算方法,该方法被广泛用于区域年内多尺度降水不均匀性和集中程度,以及年际变化规律等研究中㊂此外,另有学者关注降水分区区划㊁降水变化的周期性㊁雨日数与雨强演变特征㊁季节降水结构演变与平稳性㊁城市化对降水的影响,以及极端降水时空变化特征等[14-19]㊂尽管当前研究取得了丰硕成果,但在以下几个方面仍有待提升㊂首先,受测站数量㊁密度㊁数据系列长度等条件制约,当前针对全国范围的研究较少;其次,中国幅员辽阔,地形㊁地貌复杂多变,降水时空演化具有很强的地带性特征,相关规律亟需总结;再者,针对降水年内丰枯变化的相关研究有待补充,尤其是汛期降水在长时间尺度上的演变及其径流效应㊂鉴于此,本文对气象站和水文站实测降水量进行月尺度融合,以提升监测资料的时空完整性,系统分析了多项指标的时空分布格局㊁地带性变化特征及其水文效应,为揭示中国降水时空演变规律提供科技支撑㊂1㊀数据与方法1.1㊀基础数据本文所用的降水量数据来源如下:一是国家基本气象站的逐日数据,来源于国家气象数据共享网;二是水文部门上报的逐月降水量观测数据,来源于全国第三次水资源调查评价上报的降水量数据集,时间序列为1956 2016年;另有水文部门提供典型站点的日尺度观测信息㊂对国家基本气象站和水文-雨量站的监测数据进行融合,处理原则如下:①删除重复站点,如水文-雨量站与基本气象站的空间位置相同,则优先使用国家基本气象站的监测数据;②舍弃监测不全的站点,如某站点在设站年份的监测数据缺失1个月以上,则放弃;③时间尺度统一,将日观测成果转换到月㊂按上述原则处理后,共得到4177个融合站点(图1)㊂本文所用降水量等值线图来自文献[20]㊂注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图1㊀气象站点分布Fig.1Location of the meteorological stations and the terrain landform of China1.2㊀分析方法(1)趋势与突变检验分别使用Mann-Kendall(后文简称MK)趋势检验法和PETTITT突变分析法进行趋势和突变检验㊂MK趋势检验法[21-22]是一种典型的非参数检验方法,该检验方法在气象和水文领域得以广泛应用㊂PETTITT检184㊀水科学进展第34卷㊀验[23]是一种非参数的突变检验方法,构造一个Mann-Whitney 统计量,根据构造统计量的特征进行数据序列的突变点分析㊂(2)集中程度分析采用降水年内分配的集中度(Precipitation Concentration Degree,PCD)指数和集中期(Precipitation Concen-tration Period,PCP)指数来表征降水分布的集中性特点,计算方法见式(1)和式(2)㊂PCD 指数取值介于0~1,值越大表示降水年内分配越不均匀;PCP 指数以角度为单位,将0ʎ~360ʎ分配到全年12个月,取值越大表明降水峰值越靠后㊂D PC,i =(ð12j =1r ij ˑsin θj )2+(ð12j =1r ij ˑcos θj )2/R i (1)P PC,i =arctan[(ð12j =1r ij ˑsin θj )/(ð12j =1r ij ˑcos θj )](2)式中:D PC,i 和P PC,i 分别为测站第i 年的降水年内分配PCD 指数和PCP 指数;r ij 为第i 年第j 月的降水量,mm;R i 为第i 年的年降水量,mm;θj 为第j 月中对应的角度,角度与1 12月份的对应关系参见文献[12]㊂使用年内最大4个月累积降水量占全年的比例(PEC)指数来表示站点汛期降水的分布特征,计算方法见式(3):C PE =ð4i =1P ∗i /ð12j =1P j ˑ100(3)式中:C PE 为测站PEC 指数,%;P j 为1 12月的月平均降水量,mm;P ∗i 为年内最大4个月的月均降水量,mm㊂2㊀降水量时空分布注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图2㊀测站多年平均降水量的空间分布Fig.2Spatial distribution of annual mean precipitation at the meteorological stations 2.1㊀年降水量分布格局中国幅员辽阔,东部属季风气候,西北部属温带大陆性气候,青藏高原属高寒气候,降水空间分布不均匀,总体呈 东南高㊁西北低 的特征㊂融合后站点降水量与多年平均降水量等值线[20]分布见图2㊂多年平均年降水量200mm 等值线为中国干旱区与半干旱区的分界线,该线北起内蒙古高原中部,大致沿阴山-贺兰㊀第2期杜军凯,等:1956 2016年中国年降水量及其年内分配演变特征185㊀山-六盘山-祁连山-柴达木盆地-昆仑山一线;多年平均年降水量400mm等值线沿东北 西南方向斜贯中国全境,系半干旱区与半湿润区分界线,北起大兴安岭,沿燕山-太行山-黄土高原北缘-祁连山东段分布;多年平均年降水量800mm等值线沿东西方向横贯全境,系湿润区和半湿润区的分界线;多年平均年降水量在800~1600mm的区域主要分布在 秦淮线 以南,包括淮河中下游㊁长江中下游㊁四川盆地㊁云贵高原和广西大部等地;多年平均年降水量超过1600mm的区域主要分布在东南沿海㊁湘赣山区㊁西南(云南㊁四川㊁西藏)部分山区,其中,海南岛部分区域㊁台湾岛[20]大部分地区降水量超过2000mm㊂2.2㊀年内分配特征根据式(1)和式(2),分别计算了所有站点逐年月降水量的PCD指数㊁PCP指数和最大4个月降水量占全年比例,各站点多年平均月降水量的年内集中度空间分布见图3,集中期空间分布见图4㊂(1)月降水量的年内集中度㊂由图3可见,各站点PCD指数为0.077~0.768,大体呈现北高南低的分布格局㊂0.077ɤD PC<0.200的站点主要分布在长江以南,即长江流域㊁珠江流域㊁东南诸河区和西南诸河区的大部分区域,另有黄河河源区㊁渭河南山支流㊁伊洛河等流域,以及位于天山北支与中支之间的伊犁河流域㊂0.200ɤD PC<0.320的站点集中分布在辽河区南部㊁海河区东部㊁淮河区大部和黄河中游部分区域,以及阿尔泰山南麓的额尔齐斯河流域㊂0.320ɤD PC<0.520的站点主要分布在西北诸河区,包括塔里木盆地㊁柴达木盆地及黑河上游等内陆河流域㊂0.520ɤD PCɤ0.768的站点大多散乱分布在400mm降水等值线两侧,包括松花江区西部㊁辽河区北部㊁太行山区,以及黄河上游大通河与湟水等流域㊂综上所见,中国干旱区域PCD指数值大,年降水量年内分配不均匀性强于降水量丰沛的区域㊂注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图3㊀测站月降水量的PCD指数Fig.3PCD indexes of monthly precipitation at the meteorological stations(2)月降水量的年内集中期㊂由图4可见,各测站月降水量PCP指数为116.9ʎ~234.0ʎ,自东南至西北总体呈低 高 低的分布特征,两边PCP指数低㊁中部高㊂116.9ʎɤP PC<150.0ʎ(即集中期在6月中旬以前)的站点集中分布在长江中下游㊁东南诸河与珠江中下游地区,这与梅雨气候有关㊂150.0ʎɤP PC<175.0ʎ(集中期6月中旬至7月中旬)的站点分布在长江中游江北地区㊁长三角㊁珠江中游南岭南麓区域㊁武夷山以东的沿海地带,以及天山山区㊂175.0ʎɤP PC<190.0ʎ(集中期7月中下旬)的站点分布最广,沿东北 西南方向斜贯全国,包括东北大部㊁华北地区中部㊁青藏高原东部㊁四川盆地大部以及云贵高原东缘㊂190.0ʎɤP PCɤ234.0ʎ(集中期8月上旬至9月中旬)的站点主要分布在黄河流域大部㊁山东半岛和辽东半岛沿海地带㊁186㊀水科学进展第34卷㊀太行山区大部㊁金沙江上游㊁西南诸河以及海南岛等区域㊂注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图4㊀测站月降水量的PCP指数分布Fig.4Distribution of PCP indexes of monthly precipitation at the meteorological stations(3)最大4个月累积降水占比㊂由图5可见,各测站PEC指数介于53.7%~97.8%,空间分布与PCP 指数类似,总体呈西北高㊁东南低的格局㊂53.7%ɤC PE<65.0%的站点绝大多数分布在长江中下游和东南诸河区,少部分位于南岭以南的柳江㊁西江流域,以及地处西北的天山山区㊂65.0%ɤC PE<75.0%的站点在上一分级(53.7%~<65.0%)的外层,东北地区主要分布在长白山以东,中部集中在祁连山东侧-秦岭-淮河沿线,以及西南的四川盆地㊁云贵高原大部,华南的珠江流域大部等区域㊂75.0%ɤC PE<85.0%的站点分布在东北平原㊁华北平原㊁黄土高原大部,以及西南的金沙江流域等㊂85.0%ɤC PEɤ97.8%的站点分布在大兴安岭山区㊁河套平原㊁柴达木盆地西部和塔里木盆地,以及青藏高原西南部等广袤地区㊂注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图5㊀测站PEC指数分布Fig.5Distribution of proportion indexes of the maximum accumulated precipitation in4months to annual precipitation㊀第2期杜军凯,等:1956 2016年中国年降水量及其年内分配演变特征187㊀3㊀降水量时空演变3.1㊀年降水量序列的趋势性采用MK检验法对年降水量序列进行趋势分析,共有337个站点通过显著性检验(显著性水平α=0.05,详见图6)㊂通过显著性检验站点中,呈显著增加趋势的站点共142个,各站点年降水量的年际变化梯度为2.9~8.5mm/a;呈显著减少趋势的站点共195个,变化梯度为-11.7~-2.0mm/a㊂在空间分布上,各站点年降水量的变化趋势的规律性较强,自东南到西北明显呈 增 减 增 的3个条带㊂据图6可知,站点年降水量显著减少的条带位于中部,从中国东北地区向西南绵延至边境区域㊂站点年降水量显著增加的条带有2个,分别位于西北和东南地区:西北地区各站点变化趋势在空间上比较一致,基本呈增加态势;东南地区以增加为主,但空间变异性更强,沿海少数站点呈减少趋势㊂注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图6㊀测站年降水量序列的MK趋势检验结果Fig.6Mann-Kendall trends of annual precipitation series at the meteorological stations3.2㊀年降水量序列的突变性采用PETTITT检验法对年降水量序列进行突变分析,共有282个站点通过显著性检验(显著性水平α= 0.05,详见图7)㊂各站点突变年份介于1965 2005年,具体如下:1965 1969年的站点共2个;1970 1979年的站点共70个;1980 1989年的站点共128个;1990 1999年的站点共58个;2000 2005年的站点共24个㊂对比图6和图7可知,在空间分布上,发生突变的站点与趋势变化显著的站点比较一致㊂这意味着站点年降水序列的趋势性变化大多与突变相伴㊂3.3㊀最大4个月累积降水量占比变化针对序列超过50a的2575个测站,计算各站点1960 1969年㊁2007 2016年平均PEC指数及其相对变幅㊂以1960 1969年为基准,2007 2016年平均PEC指数相对变幅超出ʃ10%的站点共有123个,空间分布见图8㊂其中,共106个站点的PEC指数下降超过10%,共17个站点的PEC指数增加10%㊂PEC指数变幅超出ʃ10%的站点空间分布同样具有较强的地带性特征㊂减幅超过10%的站点大多数位于北方地区,少部分位于南方地区;这些站点空间分布与200mm和400mm年降水量等值线走势基本一致,集中分布在2条等值线两侧,如海河流域与黄河流域过渡地带㊁三江源地区,以及天山西段㊁阿尔泰山之间的广大区域㊂增幅超过10%的站点集中分布在南方地区,大多数位于800mm等值线之南㊂188㊀水科学进展第34卷㊀注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图7㊀测站年降水量序列的PETTITT突变检验结果Fig.7Results of PETTITT abrupt detections of annual precipitation series at the meteorological stations㊀㊀200mm㊁400mm多年平均年降水量等值线分别是中国半干旱与干旱区㊁半湿润与半干旱区的分界线, PEC指数从月尺度上反映了汛期降水的集中性㊂上述分析结果表明,在中国北方较为干旱的区域,站点年降水量的年内分配呈现一定程度的 平均化 倾向,汛期降水占比下降,非汛期降水占比增加㊂注:该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2022)4307号的标准地图制作㊂图8㊀测站2007 2016年平均PEC指数较1960 1969年均值的变化Fig.8Relative change of the mean PEC index from2007to2016compared with that from1960to19694㊀讨㊀㊀论4.1㊀合理性分析(1)PCP指数和PCD指数分析结果的合理性㊂降水PCD指数和PCP指数分布与气候类型密切相关,中㊀第2期杜军凯,等:1956 2016年中国年降水量及其年内分配演变特征189㊀国的降水主要受夏季风控制,具有雨热同季特点㊂习惯上,中国将大兴安岭-阴山山脉-贺兰山-乌鞘岭-巴颜喀拉山-唐古拉山-冈底斯山系作为季风区与非季风区的分界线[24](图4)㊂春季,中国大部分地区冷空气较强,来自海洋的暖湿气流在华南㊁东南一带与之交锋,这些区域进入降水集中的第1个时段,即春雨期;随时间推移,季风强度不断加大,暖湿气流在初夏时节运动到江淮地区,产生梅雨锋面系统,形成1条降水丰富的锋面雨带;暖湿气流在夏㊁秋季节到达东北㊁华北和西北部分地区时,集中产生夏雨和秋雨;之后,夏季风强度不断减弱,雨带重回东南㊁西南和华南等地㊂总体而言,降水年内分配过程存在多峰的地区,集中度较低㊁集中期较早,反之则集中度较高,集中期相对延后㊂据图4可知,中国季风区降水体现出时空上的高度集中性[25],东北㊁华北和西南等地区月降水的PCP 指数值大多高于非季风区㊂月降水量PCP指数空间分布与季风活动密切相关,如梅雨气候控制的江南㊁江淮和长江中下游地区(见‘梅雨监测指标:GB/T33671 2017“)集中期明显提前至6 7月㊂海南岛雨源主要有锋面雨㊁热雷雨和台风雨等类型,每年5 10月为多雨期,其中台风多发生在8 10月[26]㊂受台风调节,海南岛月降水量集中期相对偏后㊂自东南向西北跨过分界线后,非季风区月降水集中期有所提前㊂如北疆的天山和阿尔泰山地区,其降水受盛行西风控制,月降水PCP指数明显低于东北和华北等地㊂与已有成果进行对比,刘向培等[12]指出40ʎN附近是中国年降水集中度分布的高值区,35ʎN以南是其分布的低值区;张天宇等[27]指出华北地区年内各候降水PCD指数为0.19~0.58,PCP指数多集中在7月;张运福等[28]指出东北地区年内各旬降水量PCD指数为0.59~0.79,PCP指数集中在7月中到8月上;张录军等[29]的研究结果表明,长江流域年内各旬降水量的PCD指数为0.35~0.51,PCD指数集中在4 7月;杨金虎等[30]指出西北五省(区)绝大部分地区年内各月降水量的PCD指数为0.16~0.76,PCP指数集中在6 7月㊂本文有关PCP指数计算结果与已有成果一致,PCD指数计算结果比部分文献偏低㊂究其原因, PCD指数计算结果受时段长短的影响,时间尺度越大(如侯 月 年),其取值则越低㊂为提升监测数据时空完整性,本文据月尺度降水量数据进行分析,故PCD指数计算结果偏低㊂(2)年降水量系列趋势分析结果的合理性㊂与年降水量系列趋势分析相关成果进行对比,王米雪等[7]的研究表明,中国东南沿海地区降水呈波动上升趋势,年际增速约为1.91mm/a;徐东坡等[15]的研究表明,中国西北地区和西藏等区域年降水系列存在显著增加趋势,华北和东北部分地区降水量呈减少趋势,上述成果与3.1节的趋势分析结果一致㊂本文得出全国降水年际变化在空间分布上呈 增 减 增 条带状分布的结论,与‘中国气候变化蓝皮书2021“[31]有关中国年降水量变化速率分布图是一致的㊂为进一步分析趋势检验结果的稳定性,本文将北京㊁郑州和广州3个气象站的监测资料延长到2020年,对比1956 2016年序列与1956 2020年序列的异同,结果见表1㊂据表1可知,同一测站不同序列降水量的年际变化梯度值有所差别,但其序列增/减趋势及显著性检验结果是一致的㊂需要说明的是,降水演变过程和机理相当复杂,针对1956 2016年序列的分析结果在未来是否能持续,仍有待开展进一步的研究㊂表1㊀典型站点不同序列趋势分析结果Table1Trend analysis results of different time series at the3meteorological stations站点名称年际梯度值/(mm㊃a-1)MK检验Z统计量1956 2020年1956 2016年1956 2020年1956 2016年北京气象站-2.21-2.16-1.66-1.48郑州气象站0.020.660.010.45广州气象站 6.64 6.84 2.16∗ 1.96∗注:显著性水平α=0.05标准正态分布Z统计量的临界值为1.96;∗表示通过α=0.05的显著性检验㊂㊀㊀(3)降水变化与季风强度变化的关系㊂中国降水的趋势性与突变性变化与季风气候的变化密切相关㊂东亚夏季风在1961 2020年间总体呈减弱趋势[31],在20世纪60年代初至70年代后期偏强,在70年代末期至21世纪初偏弱,之后转强㊂中国东北地区㊁华北地区和西南地区降水量与东亚夏季风强度之间存在显著190㊀水科学进展第34卷㊀的正相关关系[32],西风带的水汽输送为中国西北大部分地区提供了基本的水汽来源[33],热带气旋降水量是中国东南沿海地区降水的重要组成部分㊂从地域分布分析,东亚夏季风强度减弱是年降水量减少条带呈 东北 西南 分布(图6)的重要原因㊂类似地,郝立生等[34]认为东亚夏季风减弱使得从南边界进入的水汽通量大量减少,进而导致了华北地区降水量减少;Zhang等[35]的研究表明,中国西北地区的西风环流和垂直方向的上升气流呈增强趋势,给西北地区输送了更多的水汽,导致区域降水量偏多㊂青藏高原的水汽来源[36]包括海源㊁陆源和再循环水汽三大部分,关于高原降水量增加的原因,众多学者认识不一:如Zhang等[37]认为大尺度环流变化导致的水汽输送增加是主因;汤秋鸿等[38]认为西南季风控制区和高原区本地水汽贡献增加是主因;黄伟[39]研究指出中国东南沿海地区热带气旋降水强度显著增加,这可能是该区域降水偏多的重要原因㊂已有研究表明,西北地区年降水量系列突变点多发生在20世纪80年代和90年代,东北地区年降水系列突变点多发生在1980 1988年[15,40];长江流域8个降水变化敏感区年降水量系列的突变点发生在1977 1998年;黄河流域上㊁中㊁下游年降水量系列突变点发生年份波动较大,变化范围介于1965 1995年[41-42]㊂本文成果与上述文献的计算结果总体一致,20世纪80年代是测站年降水系列突变较集中的一个时期,这与季风强度年代际转换有关㊂李明聪等[43]的研究结果表明,东亚夏季风关系在20世纪70年代末发生了年代际转变,南亚季风在20世纪80年代中期发生了 强 弱 转换㊂此外,由于数据来源㊁系列长度㊁突变分析方法存在差异,不同文献的分析结果有所不同㊂4.2㊀汛期降水变化的尺度效应2000年以来,中国极端天气现象频现,出现诸如北京 7㊃21 特大暴雨㊁郑州 7㊃20 特大暴雨和广州 5㊃22 特大暴雨等多个极端降水事件㊂为进一步探究汛期降水变化的尺度效应,本文选取分别位于北京市(A站)㊁郑州市(B站)和广州市(C站)的3个典型气象站,以1960 2021年逐日降水量序列为基础,分析年内连续3d㊁连续5d和连续7d最大降水量的代际变化特征,各年段相应的统计值见表2㊂典型测站年内连续3㊁5㊁7d最大降水量在代际间呈波动变化,但近期(2010 2021年均值)均处于全序列(1960 2021年)高值区㊂其中,A站和B站历史最大暴雨事件恰好发生在此时段内,拉高了近期平均水平;C站自1970年以后,日尺度降水集中度出现较稳定增长㊂年内连续3㊁5㊁7d最大降水量指标的空间异质性较强㊂A站连续3d降水量在代际间呈先减后增特点,从60年代的136.2mm减至2000 2009年的年均82.0mm,再增长到2010 2021年的年均142.9mm;B站则不同,连续3d降水量在代际间基本呈增长趋势;C站位于湿润区,代际间波动性小于A站和B站㊂表2㊀典型站点连续3 7d降水量最大值统计Table2Cumulative precipitation statistics from3to7days at the3meteorological stations单位:mm统计时段A站(北京市)B站(郑州市)C站(广州市)3d5d7d3d5d7d3d5d7d1960 1979年平均136.2159.2167.8102.5113.4124.0182.6207.8236.1 1970 1979年平均123.9141.7170.5110.9130.2138.2153.2195.0224.2 1980 1989年平均122.3136.1147.8104.6115.5123.1172.3220.4242.6 1990 1999年平均100.3111.4139.2112.4125.5137.8186.1218.9235.2 2000 2009年平均82.090.9105.9120.6137.6158.3194.9221.6251.7 2010 2021年平均142.9152.5162.4172.4198.4205.9225.7263.5291.3 1960 2021年极大值381.7381.8394.4948.4989.0990.9329.0409.3421.1极大值发生年份2016年2016年2016年2021年2021年2021年2001年1989年1989年㊀㊀典型测站的分析结果与前文 106个站点月尺度降水呈现一定程度的均化倾向 并不冲突㊂二者相结合,。
极端降水特性分析研究进展
极端降水特性分析研究进展江秀芳;李丽平;周立波【摘要】极端降水是极端天气气候变化的重要指标,研究其时空分布特征对于正确认识全球气候变暖背景下的极端天气气候过程具有重要意义.就近年来国内外极端降水的特征及其与大气、海洋异常的关系研究进行简要的回顾,最好提出了其存在的不足方面.【期刊名称】《气象与减灾研究》【年(卷),期】2012(035)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】极端降水;指数;变化特征;研究回顾【作者】江秀芳;李丽平;周立波【作者单位】南京信息工程大学电子信息工程学院,江苏南京210044;福建省气象局,福建福州350001;南京信息工程大学电子信息工程学院,江苏南京210044;中国科学院大气物理研究所,北京100029【正文语种】中文【中图分类】P426.6自20世纪90年代以来，在全球气候变暖背景下（IPCC，2001，2007），中国极端天气气候事件发生频率加剧，例如1998年、2008年的南方特大洪涝灾害、2002东北低温冷害、2008年南方冻雨、2010年夏季酷暑等事件频发。
其中，极端降水事件是极端天气气候变化的一个重要表现，是衡量极端天气气候的主要指标之一。
因此，人们对极端降水的时空分布和变化特征等进行了许多研究，文中就极端降水定义、研究方法和研究进展等几个方面进行总结回顾。
早期关于极端降水事件的定义主要是按照不同气候要素来确定，比如把日降水量超过50 mm降水事件称为暴雨，日降水量超过25 mm的降水事件称为大雨等。
由此采用大雨或者暴雨这样的标准作为一个共同的阈值来研究极端降水。
然而，极端降水事件应该因地而异，比如对于干旱的中国西北［1-2］，部分台站历史上从未出现过暴雨甚至大雨，而这些区域一场中雨往往会造成山体滑坡等危害。
从季节上看，我国的强降水也主要集中在夏季。
所以，按照大雨或暴雨的标准来定义阈值去研究极端降水事件存在很大问题。
对于不同地区，极端降水事件是不能完全用统一固定的日降水量来简单定义的，而且对于不同的季节，极端降水的阈值也有所差异。
森林冠层结构的生态学研究现状与展望-林业与环境科学
森林冠层结构的生态学研究现状与展望3邱建丽 李意德 陈德祥 骆土寿(中国林业科学研究院热带林业研究所 广州 510520)摘要 林冠是树木光合作用的主要层次,林冠结构造成的林下光环境差异对于植物的生长和群落的更新演替有着重要的生态学意义。
冠层结构的重要作用已引起全球生态学家的高度重视,国际科学界已举行了三届国际冠层大会,认为合作并发展全球冠层研究计划是必须的。
文章较系统地介绍了国内外冠层结构、林内环境、林下植被组成及土壤环境之间的一系列相互关系的研究进展,并将近年来有关森林冠层结构最新研究方法作简单介绍,为今后的同类研究提供参考。
关键词 冠层结构 叶面积指数 天空开度 叶倾角 林下植被 土壤有机碳中图分类号:S718.5 文献标识码:A 文章编号:1006-4427(2008)01-0075-08The Resea r ch P r ogr ess an d the S i gn i f i canceof Canopy S tr uctur e i n For est EcologyQ iu J ianli L i Yide Chen D exiang Luo Tushou(R esea rch I nstitute of Tropical Fore stry,CAF,Guangzh ou,510520)Ab stra ct Light conditions a r e very i mportant deter m inant of f or e st understor y vegetati on pa tte r n.F orest canopy struc tur e is the m ain photosynthetic layer and deter m ined light status of the unde rst ory.I t is a consensus in for est ecol ogy tha t understor y light p lays a p r o m inent r ole in the gr owth of the p lant and affected the successi on of the f orest c ommunity.I nte r na tiona l scientists conside r ed it is nece ssary to devel op and co2operate the p lan of the canopy study in the world.The i mportance of the canopy study has attracted ecol ogist’s high attenti on.This pa pe r tries t o expatiate on the study of the correlation of the canopy str ucture,understory light,unde rst ory floristic compo2 siti on and s oil envir onment which have been m ade in this fie ld,and si mply intr oduces the late st study me thods on canopy,with the ai m of p r oviding inf or m ati on f or sa m e research.Key words f orest canopy structure,Leaf A rea I ndex,D iff use Non2interceptance,Mean Tilt Angle,un2 dergr owth,S OC森林是地球表面上生物量最为庞大的植被类型,林冠是树木的主要光合层次,是接受太阳能的主体,冠层结构的特征在一定程度上决定了森林生态系统的能流过程和强度[1]。
辽西低山丘陵区人工油松林和沙棘林的水文生态效应
第26卷第7期2006年7月生 态 学 报ACT A EC O LOGIC A SI NIC AV ol.26,N o.7Jul.,2006辽西低山丘陵区人工油松林和沙棘林的水文生态效应魏 晶,吴 钢3(中国科学院生态环境研究中心系统生态国家重点实验室北京 100085)基金项目:国家自然科学基金资助项目(40473054);国家科技部农业科技成果转化资金资助项目(05EFN216600446)收稿日期:2006201209;修订日期:2006204207作者简介:魏晶(1973～),女,山西人,博士,主要从事环境管理和恢复生态学研究.E 2mail :weijingrcees @ 3通讯作者C orresponding author.E 2mail :wug @Found ation item :The project was supported by National Natural Science F oundation of China (N o.40473054);Agriculture T echnological Production T ranslation of Science and T chnology of M inistry (05EFN216600446)R eceived d ate :2006201209;Accepted d ate :2006204207Biography :WEI Jing ,Ph.D.,mainly engaged in environment management and restoration ecology.E 2mail :weijingrcees @摘要:利用设置在不同地类内的径流小区,对辽西大凌河流域的沟壑丘陵区进行定位观察,探讨辽西半干旱区主要造林树种油松和沙棘的水文生态效应。
结果表明:2002年6月～2004年6月平均降水量为23819mm 时,油松和沙棘平均林冠截留量分别为5515mm 和76105mm ,其截留率分别为23108%和32128%,即约有1Π4～1Π3降水被林冠截留。
变化环境下的水源涵养能力评估研究进展
第 1 期水 利 水 运 工 程 学 报No. 1 2022 年 2 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Feb. 2022 DOI:10.12170/20210820001贾雨凡，杨勤丽，胡非池，等. 变化环境下的水源涵养能力评估研究进展[J]. 水利水运工程学报，2022（1）：37-47. （JIA Yufan, YANG Qinli, HU Feichi, et al. Prospect and progress of water conservation capacity evaluation in a changing environment[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022（1）: 37-47. （in Chinese））变化环境下的水源涵养能力评估研究进展贾雨凡1, 2, 3，杨勤丽4，胡非池4，鞠琴1，王国庆2, 3, 5(1. 河海大学水文水资源学院, 江苏南京 210098； 2. 水利部应对气候变化研究中心, 江苏南京 210029； 3. 长江保护与绿色发展研究院, 江苏南京 210098； 4. 电子科技大学资源与环境学院, 四川成都 611731； 5. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210029)摘要: 水源涵养功能属于生态学与水文学的交错领域，是近年来的研究热点。
水源涵养功能包涵广泛，水源涵养能力是针对不同区域特点和具体研究对象对水源涵养功能的量化评估。
将水源涵养能力定义为一个区域的最大持水能力，与区域的气候、土壤、植被等因素有关，并且由区域持或蓄的水量应能够补给地表或地下水，为区域的工农业发展提供相对稳定的水源，讨论了区域水源涵养能力的组成和影响因素，分析了变化环境下气候条件和人类活动对水源涵养能力的影响。
此外，水源涵养能力表征在干旱区和湿润区有所不同。
林冠截留容量及其确定方法
林 业 科 技
农业开发与装备
２ ０ １ ４ 年第６ 期
林冠截 留容 量及其确 定方法
高 雁 ，宋丹丹 ，范世香 ，王 晖
（ 山东农业大学水利土木工程 学院，山东泰安
摘要 ：在 林冠 截 留降雨研 究 中 ，为 了克 服采 用 “ 截 留率 ”和 “ 实测 截 留量 ”指 标 的缺 陷 ，本 文提 出了 截 留容 量 的概 念 及 近 似 确定 方 法 ，截 留容量 更 能体现林 冠 对降 雨截 留作用 的大 小 ，同 时还 能进 行 林分 或树 种之 间 的比较 。利用 两个 林分 的实 测资 料 ，进一 步介绍 了 截 留容量 的近 似确 定方 法并 进行 了相 互 比较 。 关键 词 ：林冠 ； 降雨量 ；实 测截 留量 ；截 留率 ：截 留容量 在森 林地 区 ， 由于林 冠对 降 雨的截 留作 用 ，将会 使得 降雨量 发 生第 一次 再分 配 ，减少 了到 达地 面 的实际有 效雨 量 ，从而 减少 流域 的产流量 。因此，研究林冠对降雨的截留作用，不仅具有重要的生 态 学意义 ，而 且还 具有 重要 的水 文学意 义 ｕ 。 以往 ，在 研 究林冠 截 留降雨 问题 时，大 多都 是采 用 “ 截 留率 ” 和 “ 实 测截 留量 ”这 两个 指标 。一方 面 ，截 留率 是 指截 留量 与 降雨 量 的 比值 （ 是个相对 量 ） ，小雨 的截 留率相 对就 高 ，而对 于大
第一章 水文效应
3.影响枯落物截留量的因素
①枯落物的水容量*
单位干重枯落物所能吸收的水分的数量，一般用它干 重吸水的百分数或相当的降雨毫米数表示。
LC(%)=SL/WL×100% LC(mm)=SL/(ρ·AL)×10
Lc－水容量；SL－截留降雨量(g)； WL－枯落物干重(g)；ρ－水的密度(g/cm3)； AL－样本面积(cm2)。
非饱和流：ψuf=ψm+ψg 饱和流：ψsf=ψg+ψp
土壤水吸力：S=-(ψm+ψs) PF= lg (S)
水分常数：
田间持水量： PF=2－2.52 1/10－1/3个大气压 100－333cm水柱高
凋萎湿度（系数）： PF=4.18 15个大气压 15000cm水柱高
有效土壤含水量: PF=2－4.18
备注
中国科学院地理研究所水文室，陕西黄龙林区仙姑河上游寺沟流域， 单丛观测。
（2）雨量、雨的性质
雨量与截留量：正变关系、非直线性 IC<C时成立，否则不成立。
林内雨量观测
油松、山杨林冠截留
mm
截 留
4
量
2
0 0
10 20
30 40 50
降雨量mm
3.林冠截留的作用
增加大气湿度 直接消减径流量 改变林下降雨的雨滴动能 相对延长降雨历时
E0:叶面蒸发强度
参数值表
参数
橡树 松树 杉 幼树 苹果 刺槐 油松 白杨
C
20 17 20 15 23 21 20 16
φ(m.△ 0.20 0.17 0.20 0.18 0.21 0.20 0.20 0.18 t)
2.枯枝落叶层截留量If测定
长期无雨
If＝Sl＝Lc·WL
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林冠对降雨截留再分配过程的影响，涉及到森林生态、森林水文、森林气象及水土保持等诸多方面，是森林涵养水源、减少地表径流的重要生态水文过程，对林地水分平衡和养分循环具有重要意义。
近年我国对林冠截留、穿透雨、树干流的降水截留效应研究有较多报
道，本文对近几十年来我国林冠对降水
截留效应研究进展和现状进行简要整理
概括，从而为我国在该领域的研究提供
参考和帮助。
一、林冠截留
降雨落到植被的表面受到截留，于
是产生降雨的第一次分配。
在降雨继续
期间某时段时间内林冠上空的雨量即林
外雨量，从中减去林内雨量和树干流雨
量，剩下部分即该段降雨时间内从树体
表面通过蒸发返回到大气中的雨量和降
雨终止时树体表面还保留的雨量，这部
分雨量即称为该段时间内的林冠截留雨
量。
目前我国关于林冠层截留方面的研
究主要集中在林冠截留率、林冠截留模
型以及影响林冠截留量的因素等三个方
面。
１、林冠截留量的测定方法
林冠截留量的确定一般采用水量平
衡法原理，即通过实测得到的林外降
雨、树干茎流和穿透降雨量，由以下公
式来确定。
Ｉ＝Ｐ－Ｔ－Ｓ
其中：Ｉ、Ｐ、Ｔ、Ｓ分别代表林冠截留
量、林外降雨量、穿透降雨量和树干茎
流量（单位：毫米）。
２、林冠截留的影响因素
林冠截留主要受降水特性、林冠特
征和气象因子等诸多因素的影响。
林冠
截留量与降雨量的关系，在降雨开始阶
段或降雨量很小时，表现十分显著，此
时的降雨全部或大部被截留，但随着降
雨量的增加，截留的增长率迅速减小，
达到饱和状态后即不再增加或增加十分
缓慢。
降雨强度对林冠截留也有很大的
影响，在雨量相同的情况下，据张金池
等的研究表明，截留量和截留率均随雨
强的增大而减小，愈是稀疏的林冠差异
愈大，其差异可达３３．２％～４７．４％。
周跃
认为，林冠截留量与降雨量和季节有较
大关系，难以在不同类型森林间进行比
较。
林冠截留率过程可划分为三个阶
段：快变期、渐变期和稳定期。
不同的树
林冠降水截留效应
国内研究进展
文／王丽红周秉瑞李良
孟宪毅摄影
22
种组成和林分特征对截留影响不同。
降雨过程中风速及雨滴的大小对林冠截留影响也很大。
３、林冠截留模型
林冠截留模型主要包括经验、半经验半理论和理论模型。
经验模型多以一元线性和幂函数为主，如Ｉｃ＝ａ＋ｂＰ，Ｉｃ＝ａＰｂ，（Ｉｃ为林冠截流量，Ｐ为大气降雨量，ａ、ｂ为经验系数），刘世荣等曾进行过汇总。
理论模型则是基于林冠截留动态过程的物理描述、严谨的推理过程和坚实的数量基础所建立的模型，王佑民总结了我国林冠截留的理论模型。
张光灿对我国林冠截留的半经验半理论模型有过统计。
二、穿透雨
穿透雨由直接穿过林冠间隙的雨滴和经林冠及枝叶截持后滴落的雨水组成，是林下降水的主要输入方式，具有突出的生态水文意义。
１、穿透雨的测定方法
目前主要用标准雨量筒，或者用矩形受雨口的沟槽式收集器测定穿透雨。
雨量筒的布设数量一般比槽式收集器的数量多，另外具体布设位置及数量要视不同的森林类型、林冠结构、实验目的而定。
２、穿透雨的影响因素
穿透雨是一个非常复杂的过程，它的大小与降雨特征及林冠层特征和气象因子等都有密切的关系。
透过林空降水量的大小与林地郁闭度有很大关系，随着林地郁闭度的提高，透过林空降水量却呈现下降趋势，并表现出明显的季节变化，这主要与不同季节内的降雨量不同有关。
穿透降雨率随着雨量或雨强的增加而升高，并且在较高的雨量或雨强下逐渐趋于恒定。
同时还受前期降雨和
林内湿度的影响。
３、穿透雨模型
穿透雨模型多用于资料统计的线性
回归方程，即林内穿透降雨量与大气降
水量间有良好的直线相关关系，对于林
下穿透降雨率与降雨量的关系，一般的
研究均以对数方程或指数函数关系进行
模拟。
范世香根据水文预报中“蓄满产
流”模型的概念，从林冠截留降雨的作
用机理出发，在做出几个假设的基础
上，用数学方法建立了林内穿透雨量模
型。
三、树干流
树干流（茎流）是指林冠截持的雨水
经树叶、树枝沿树干流下的水，对土壤
水分的空间分布及森林生态系统养分、
矿质元素的输入影响很大。
１、树干流的测定方法
关于树干流的测定，多数研究者采
用按径级法选测株然后分别加权求算各
径级和林分的树干茎流量，惯常的方法
是在选定的每株标准木上，采用剖开的
胶皮管螺旋形地围在刮平树皮的树干上
（绕２～３圈）做成截水槽，中间缝隙用
橡皮泥封严，下端引入收集容器。
２、树干流的影响因素
大量研究发现，树干流率的高低主
要受林分特征与降雨特点两个因素的影
响。
不同树种的树干茎流量是不同的。
同时还与树干粗细、树干直立程度及树
干附生物有无有关，据已有的研究表
明，大部分树种随树干的增粗而树干茎
流量减小。
大多数研究认为树干茎流随
降雨量的增加而增大，在雨量相近的情
况下，雨强越大树干茎流量越大，但也
有研究表明树干茎流率与降雨强度呈负
相关性。
另外不同季节雾、露水对树干
茎流也有很大影响。
３、树干流对降水化学分配的作用
树干流作为森林水文循环过程的一
个环节，其干流所占降雨比重虽然很
小，但对森林生态系统的养分、矿质元
素的输入影响很大，鲍文统计表明，大
气降水经过林木水分循环过程中的养分
浓度变化趋势是树干茎流＞穿透雨＞林
外雨。
树干茎流雨顺树干留下，深入根
基周围土壤，其主要养分含量要高出林
外降雨数倍之多，并因不同月份、不同
树种、距污染源远近有很大差别。
因此
树干流对降水化学分配起着重要的作
用，对改善土壤环境，维持树木正常生
长具有重要意义。
４、树干流模型
树干流模型应用最多的主要是经验
模型，多数研究认为树干茎流量与降雨
量为直线相关，而干流率与降雨量则为
幂指数或对数关系。
目前，树干茎流和
茎流模型的研究是森林水文研究中的重
要内容，经验模型比较成熟，而综合考
虑降雨强度、降雨历时、林冠特征等参
数对树干茎流过程的影响的研究较少。
四、展望
森林与水的关系问题是当今生态学
与水文学研究的中心议题之一，目前林
冠对降水截留效应研究虽然提出了较为
理想的计算方法和数学模型，但尚未得
到统一的理论认识，缺乏对过程与机理
的深入研究。
今后的研究要加强多因子
的综合分析，综合考虑林冠截留分配的
时间空间异质性，阐明林冠截留的内在
机理，在研究的尺度上要与集水区、流
域、地域的研究相结合，从点的研究要
逐渐向面的研究转换。
（作者单位：乌兰察布市集宁区水利局、
乌兰察布市城投公司）
23。