黄河生态保护对郑州邙山局地小气候的影响

李庆祥，张绪兰，胡瑜洁，范霄寒，朱莎莎，吴 卿

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.黄河水利委员会 新闻宣传出版中心，河南 郑州 450003）

资源环境改变尤其是气候变化被社会各界广泛关注［1］。 近年来，受气候变化和人类活动影响，黄河流域生态环境脆弱性增强［2］。 气候变化导致各类自然灾害时有发生，给人们生产生活带来巨大影响［3-4］。为减小气候变化导致的负面影响，采取了大量生态保护措施，生态保护对气候变化的影响得到广泛研究，并取得了丰富的研究成果。 姚玉璧等［5］研究发现，植被生态功能与气温、湿度、降水、日照等气象要素密切相关；李辉霞等［6］提出，不同植被对气候变化的响应具有差异性，生态保护与建设工程的实施会对区域气候变化产生一定影响。 一元线性拟合、距平法、线性趋势、Sen 斜率估计、Mann-Kendall 突变检验等方法在生态保护与气候变化研究中得到广泛应用［7-8］，量化生态保护对局地气候要素变化的影响，是布局生态工程的重要决策依据之一［9］。

邙山是黄河郑州段的天然堤岸和郑州西北部重要的生态屏障，其生态状况对郑州市环境具有重大影响，2008年郑州市政府与水利部黄河水利委员会联合完成了黄河郑州邙山水土保持生态建设与保护工程，自2010年起河南省林业部门在荥阳北部邙山建立了生态观测基站并开始对其气象要素进行连续定位观测。本文以荥阳生态观测基站实测数据为基础，分析黄河生态保护对郑州邙山局地小气候的影响，以期为郑州市环境质量改善和生态治理提供依据。

1 研究区概况

郑州西北部沿黄河邙山是黄土高原向黄淮平原的过渡区，属黄土高原东部末端，沟道发育，水土流失严重，是郑州市区沙尘的集中来源地。 本研究以黄河郑州邙山水土保持生态工程建设区为核心区，研究范围涉及郑州市惠济区、上街区、荥阳市，北至黄河南岸、南至连霍高速公路，研究区面积约260 km2。

2 数据处理与分析

2.1 数据订正

以荥阳生态观测基站实测气象要素数据为基础，根据2010—2020年的气温、年最高气温、年最低气温、空气湿度、降水量等实测数据，分析计算黄河郑州段水土保持生态建设与保护工程实施完成后郑州邙山局地小气候的变化。 受观测仪器维护及灾害天气等因素影响，生态观测基站各气象要素数据观测起始时间存在差异，部分数据缺失，为保证气象要素序列数据的完整性和一致性，基于同一大气环流控制下与邻近测站气象要素所对应的比值近于稳定常数的特点，利用比值法［10］补齐生态观测基站缺失的气温、降水等气象要素数据（公式1）。 利用中国地面气象站新郑站观测数据和《2010年荥阳市统计年鉴》中的气象要素数据对2010年生态观测基站缺失数据及错误数据进行补齐、订正，其他年份缺失数据利用生态观测基站前后2 a相同时间的观测数据取算术平均值进行填补。

式中：y、x分别为荥阳生态观测基站、新郑站2010年气象要素值；yt、xt分别为荥阳生态观测基站、新郑站t年气象要素值。

当需要补齐荥阳生态观测基站某个年份、季度的气象要素数据时，应先计算荥阳生态观测基站与新郑站中其他年份、季度气象要素数据的相关系数，先确定是否相关并进行显著性检验，再确定是否采用比值法补齐、订正数据。

（1）相关系数。 Pearson 相关系数是用来描述两个随机变量线性相关性的统计量［11］。 用r来代表Pearson 相关系数，其值-1.0＜r＜1.0，当r＞0 且接近1.0时两变量正相关且相关性显著；当r＜0 且接近-1.0 时两变量负相关且相关性显著；当r＝0 时，两变量相互独立。 计算公式为

式中：r为荥阳生态观测基站与新郑站气象要素数据的相关系数；xi为新郑站第i年气象要素的观测值为新郑站n年气象要素的平均值；yi为荥阳生态观测基站第i年气象要素的观测值为荥阳生态观测基站n年气象要素的平均值。

根据大样本原理［12］，样本量大于30 统计意义较大。 小样本计算的结果可能偏离总体相关系数，可用无偏相关系数r*加以矫正［11］。

式中：m为样本数量。

（2）显著性。 查t分布表，取显著性水平为5%，验证其相关性是否显著。

（3）比值法确定。 利用式（3）、式（4）计算荥阳生态观测基站与新郑站共有数据年份某个气象要素的标准差，当荥阳生态观测基站与新郑站之间的相关系数r满足式（5）条件时，相关气象要素数据可用比值法进行补齐、订正。

式中：∂y、∂x分别为荥阳生态观测基站、新郑站共有数据年份气象要素的标准差。

2.2 一元线性拟合

设y为气象因子因变量，t为时间样本序列自变量，建立y与t一元线性拟合方程，计算气象要素斜率k变化，分析2010—2020年郑州邙山局地小气候变化情况。

3 郑州邙山局地小气候变化分析

3.1 各气象要素年际变化特征分析

对年均气温、年降水量、年最高气温、年最低气温、年均空气湿度的时间序列进行一元线性拟合分析，结果见图1，年均气温、年降水量、年最高气温、年最低气温、年均空气湿度的多年均值分别为15.7 ℃、406.35 mm、40.35 ℃、-9.15 ℃、54.53%。年均气温、年最低气温绝对值最大值出现在2017年，年降水量、年最高气温均在2011年达到最大值，2020年年均空气湿度达到最大值。 由线性拟合斜率可以看出，年均气温、年最高气温、年最低气温、年均空气湿度均呈上升趋势，上升速率依次为 1.564 ℃ ／（10 a）、0.155 ℃ ／（10 a）、0.691℃ ／（10 a）、1.333% ／（10 a），气温变化最显著，年降水量呈下降趋势，下降速率为28.582 mm／10 a。

图1 郑州邙山局地小气候要素年际变化情况

郑州邙山局地气象要素距平年际变化见表1，年均气温负距平最小值出现在2011年，除2010年、2011年、2012年、2015年外其余年份年均气温距平均为正，表明 2013年、2014年、2016年、2017年、2018年、2019年、2020年年均气温均高于多年平均气温，2017年达到年均气温正距平峰值；年降水量在2011年、2015年、2016年、2020年距平均为正值，其余年份均为负值，2011年达到年降水量正距平峰值；2016年为年最高气温负距平的最小值，除2011年、2012年、2017年、2018年、2019年、2020年外其余年份年最高气温距平值均为负值，2011年为年最高气温正距平的最大值；2017年年最低气温正距平达到峰值，除2013年、2014年、2015年、2017年、2018年、2020年外其余年份距平均为负值；2020年年均空气湿度正距平达到峰值（4.4%），负距平最小值（-2.2%）出现在 2019年。年均气温、年降水量、年最高气温与其多年平均值的最大差值均出现在2011年，年最低气温与其多年平均值的最大差值出现在2017年，2020年年均空气湿度与其多年平均值的差值达到最大，表明邙山近10 a 有关年均气温、年降水量、年最高气温、年最低气温、年均空气湿度等气象要素极端天气出现概率最大的年份为2011年。

表1 郑州邙山局地气象要素距平年际变化

3.2 生态保护与各气象要素相关性分析

为探讨生态保护对邙山局地小气候的影响，选用生态脆弱性指数间接表示生态保护效果。 利用遥感和GIS 技术，基于压力-状态-响应评价模型，运用主成分分析法，计算生态脆弱性指数。 生态脆弱性指数越小表明生态保护效果越好。 2008年水利部黄河水利委员会与郑州市政府联合完成了黄河郑州邙山水土保持生态建设与保护工程，核心区面积约100 km2，通过植被重建、生态修复、建坝拦蓄洪水泥沙、建立生态科教示范区、调整农业种植结构等措施对郑州邙山进行生态保护。 通过对2010—2020年郑州邙山生态脆弱性评价，得到近10 a 生态脆弱性指数总体呈下降趋势（见图2），生态保护效果显著，郑州邙山生态系统对于外界干扰的自我恢复能力整体增强。

图2 生态脆弱性年际变化趋势

已有研究表明，引起气象要素变化的原因众多，其中植被净初级生产力、植被类型等与生态保护相关的因素均会对气象要素产生影响，因此利用近10 a 生态观测基站实测数据分析黄河生态保护实施对郑州邙山各气候要素变化的影响。 生态脆弱性指数与年均气温、年降水量、年最高气温、年最低气温的Pearson 相关系数和无偏相关系数见表2。 取显著度为5%，经显著性检验，生态脆弱性指数与年降水量、年最低气温的相关性最强，其中生态脆弱性指数与年最低温度的无偏相关系数为（-0.98），与年降水量的相关性次之，与年最高气温的相关性最弱，具体表现为生态脆弱性指数与年最高气温正相关，与年均气温、年降水量、年最低气温均负相关。

表2 2010—2020年郑州邙山生态脆弱性指数与各气象要素的Pearson 相关系数与无偏相关系数

4 结 语

2010—2020年郑州邙山局地小气候变化明显，除年降水量外，年均气温、年最高气温、年最低气温、年均空气湿度均呈上升趋势，年降水量减小，气温升高，年空气湿度增大，土壤及地表植被持水量及保水功能增强。 生态脆弱性指数与年最高气温正相关，与年均气温、年降水量、年最低气温均负相关，当生态保护效果越来越显著（生态脆弱性指数逐渐降低）时，年最高气温将会整体下降，年均气温、年降水量、年最低气温整体上升，极端天气出现概率降低。 黄河郑州邙山水土保持生态建设与保护工程的实施，有效降低了黄河郑州邙山极端天气出现的概率，改善了郑州邙山局地小气候，说明实施生态保护可以有效改善区域气候条件，对黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。