生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能氣象影響指數(shù)編制說明

1、氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能氣象影響指數(shù)編制說明一、工作簡況1 .任務(wù)來源本標(biāo)準(zhǔn)由國家氣象中心提出，全國農(nóng)業(yè)氣象標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會 （以下簡稱SAC/TC539）歸口。2019年9月30日由中國氣象局政策法規(guī)司下達各?。▍^(qū)、市）氣象局，各直屬單位，各內(nèi)設(shè)機構(gòu)（氣法函201958號），項目編號 QX/T-2020-41 ,立項名稱為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能氣象影響指數(shù)。2 .起草單位本標(biāo)準(zhǔn)起草單位為國家氣象中心和中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心。國家氣象中心生態(tài)和農(nóng)業(yè)氣象中心早在2005年就成立了生態(tài)氣象業(yè)務(wù)科研團隊，2018年又成立生態(tài)氣象創(chuàng)新團隊，已開展生態(tài)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)10余年，是國家級生態(tài)氣象主要

2、業(yè)務(wù)服務(wù)單位。在科研業(yè)務(wù)方面，已構(gòu)建了全國植被生態(tài)質(zhì)量評估指標(biāo)和模型，開展了基于月或年尺度的全國生態(tài)質(zhì)量氣象監(jiān)測評估業(yè)務(wù)服務(wù)，完成了草地氣象監(jiān)測評價方法（國標(biāo)）、陸地植被氣象與生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測評價等級（行標(biāo)）以及陸地植被生態(tài)質(zhì)量氣象監(jiān)測評價業(yè)務(wù)規(guī)范等生態(tài)氣象業(yè)務(wù)規(guī)范。生態(tài)和農(nóng)業(yè)氣象中心的業(yè)務(wù)服務(wù)能力和標(biāo)準(zhǔn)編制經(jīng)驗，可為本標(biāo)準(zhǔn)制定提供較好的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用服務(wù)的支持。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，是我國第一個全國性生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域綜合性研究機構(gòu)。在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能方面的研究，編制人員具有較強的科研實力，完成了全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000-2010年）遙感調(diào)查與評估、全國生態(tài)功能區(qū)劃、北京水生態(tài)服務(wù)

3、價值研究、中國分區(qū)域生態(tài)需水等重大科研項目，參與了生態(tài)保護紅線劃定指南（2017年）»的編制。在生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能評估方面，具有較好的科研基礎(chǔ)，保障了本標(biāo)準(zhǔn)編制的科學(xué)性和適用性。3 .主要起草人及所做工作本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人為曹云、鄭華、錢拴、延昊、孫應(yīng)龍、黃斌斌、吳門新，其分工如下：曹云，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)調(diào)研、組織討論、標(biāo)準(zhǔn)的申報、標(biāo)準(zhǔn)編寫、修改和編寫編制說明等工作。鄭華，負(fù)責(zé)評估方法技術(shù)把關(guān)、水源涵養(yǎng)功能評估模型研發(fā)、參數(shù)調(diào)整、標(biāo)準(zhǔn)編寫與修改。錢拴，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)服務(wù)技術(shù)把關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)編寫、修改。延昊，負(fù)責(zé)蒸散發(fā)模型、標(biāo)準(zhǔn)修改、編制說明編寫的工作。黃斌斌，負(fù)責(zé)模型參數(shù)調(diào)整、評估結(jié)果應(yīng)用。孫應(yīng)龍、

4、吳門新負(fù)責(zé)相關(guān)信息調(diào)研及資料收集工作、初稿起草以及業(yè)務(wù)應(yīng)用。4 .主要工作過程成立起草組：2019年10月，根據(jù)氣法函201958號文件，國家氣象中心生態(tài)和農(nóng)業(yè)氣象中 心和中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心的專家和業(yè)務(wù)人員成立了標(biāo)準(zhǔn)起草小組，明確目標(biāo)和任 務(wù)，制定編制計劃，開始標(biāo)準(zhǔn)的編寫工作。組織起草：2019年11月，起草小組開展了相關(guān)調(diào)研及資料收集等工作，對已發(fā)布生態(tài)氣象相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及業(yè)務(wù)規(guī)范進行認(rèn)真學(xué)習(xí)，開始起草標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。完成初稿：2020年4月，在前期調(diào)研和預(yù)研究的基礎(chǔ)上，參考森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范(GB/T38582-2020 )、植被生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)( GB/T 34

5、815-2017 )等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范及其 研究成果，結(jié)合生態(tài)氣象業(yè)務(wù)的服務(wù)需求，完成標(biāo)準(zhǔn)初稿。完成征求意見稿：2020年5月，起草小組在小范圍內(nèi)征求了生態(tài)功能評估、生態(tài)氣象業(yè)務(wù)等方 面專家意見，經(jīng)過內(nèi)部討論和修改，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)編寫格式，形成標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿。二、編制原則和主要內(nèi)容確定的依據(jù)1 .編制原則標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T1.1-2009標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第 1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫的規(guī)則起草，參考出 版的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)編寫規(guī)定，遵照相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章、技術(shù)政策、標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范，結(jié)合氣象 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的特點，本著科學(xué)性、可操作性、適用性等原則進行編制。(1)科學(xué)性原則生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要生

6、態(tài)功能之一。在影響水源涵養(yǎng)的眾多因素中，氣 象條件是生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)變化的重要驅(qū)動因子。其中，溫度、降水等氣象因子的變化會影響地表 徑流和蒸散量等重要指標(biāo)變化，最終導(dǎo)致水源涵養(yǎng)功能的變化。因此可以從氣象影響角度，通過評 估時段氣象條件影響下的生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水量，與常年平均氣候條件下涵養(yǎng)水量的比值，來表征在生 態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水量變化中氣象影響程度，開展水源涵養(yǎng)功能變化的氣象影響評估。本標(biāo)準(zhǔn)編制，充分 參考森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范(GB/T38582-2020 )、生態(tài)環(huán)境部和國家發(fā)展改革委發(fā)布的生態(tài)保護紅線劃定指南(2017年)中水源涵養(yǎng)功能的評估方法，結(jié)合全國生態(tài)功能區(qū)劃、全國生態(tài)環(huán)境十年變化(

7、2000-2010)評估等前期研究成果，規(guī)范水源涵養(yǎng)功能評估的算法，構(gòu)建生態(tài) 系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化中氣象影響評估指標(biāo)，在全國以及海河流域等不同尺度下開展研究和應(yīng)用，為 本標(biāo)準(zhǔn)制定提供了科學(xué)的依據(jù)和基礎(chǔ)。(2)可操作性原則本標(biāo)準(zhǔn)基于水源涵養(yǎng)功能的普遍定義，將森林、灌叢等生態(tài)系統(tǒng)視為一個“黑箱”，以水量的輸入和輸出為著眼點，從生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡角度，基于降水量與蒸散量以及地表徑流量等主要消耗 量的差值，來開展水源涵養(yǎng)量的評估，進而利用涵養(yǎng)水量與常年氣候條件下的比值來定量評估氣象 影響。本標(biāo)準(zhǔn)制定了參考了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和部委規(guī)范，評估模型和指標(biāo)具有很好的代表性，保證了標(biāo)準(zhǔn) 的科學(xué)性和通用性。同時結(jié)合生態(tài)氣象

8、業(yè)務(wù)服務(wù)需求和能力，盡量在評估中采用氣象業(yè)務(wù)科研和服 務(wù)中常見的數(shù)據(jù)資料和計算方法，保證評估指標(biāo)直觀明確，計算方法簡便易行，從而提高標(biāo)準(zhǔn)的實 用性，滿足生態(tài)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)需求，方便在氣象行業(yè)服務(wù)中推廣應(yīng)用。（3）適用性原則水源涵養(yǎng)在各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中處于重要地位，是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要生態(tài)服務(wù)功能之一。作為影響水源涵養(yǎng)功能的重要驅(qū)動因素，構(gòu)建統(tǒng)一、規(guī)范的氣象影響指標(biāo)，實現(xiàn)水源涵養(yǎng)量變化中 氣象影響的定量化評估，有助于滿足生態(tài)功能評估的業(yè)務(wù)需求，推動生態(tài)氣象服務(wù)領(lǐng)域拓展，提高 生態(tài)文明建設(shè)的氣象保障能力，為各省市乃至全國的生態(tài)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)工作提供了技術(shù)支撐，具有 廣泛的普遍性和社會性。2 .主要內(nèi)

9、容及確定依據(jù)2.1 主要內(nèi)容生態(tài)氣象作為氣象部門拓展的新型服務(wù)領(lǐng)域，近年來隨著業(yè)務(wù)服務(wù)迫切需求，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)規(guī)范逐漸增加。本標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中， 氣象影響指數(shù)構(gòu)建參考了 植被生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù) （國 標(biāo)）中氣象評價指數(shù)的方法，涵養(yǎng)功能評估參考了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范（國標(biāo)）和生態(tài)保護紅線劃定指南（2017年）中有關(guān)技術(shù)方法，結(jié)合全國生態(tài)功能區(qū)劃、全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000-2010）評估等前期研究應(yīng)用成果，規(guī)范生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能算法、構(gòu)建水源涵養(yǎng)功能氣象影響評估指標(biāo)。本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容如下：（1）生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能（EWC）評估本標(biāo)準(zhǔn)基于水源涵養(yǎng)功能的普遍定義，將森林、灌叢等生態(tài)

10、系統(tǒng)視為一個“黑箱”，以水量的輸入和輸出為著眼點，從生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡角度，降水量作為輸入量，與蒸散量、地表徑流量等作 為輸出量的差值，即為涵養(yǎng)水量，開展生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能評估。因此，基于水量平衡方程的生 態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能（Ecosystem Water Conservation, EWC）評估，采用公式（1）計算：EWC PRE - QF - AET （1）式中：EWC 水源涵養(yǎng)量，單位為毫米（ mm）;PRE降水量，單位為毫米（ mm）;QF 地表徑流量，單位為毫米（ mm）,計算方法見附錄 A;AET 實際蒸散量，單位為毫米（mm）,計算方法見附錄 B;(2) EWC氣象影響指數(shù)(M

11、II EWC )(GB/T 34815-2017)中氣EVVC基于生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能模型，參考植被生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù) 象評價指數(shù)構(gòu)建方法，通過評估時段氣象條件下的生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水量與常年平均氣候條件下涵養(yǎng)水量的比值，構(gòu)建氣象影響指數(shù)，表征在生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水量變化中，氣象影響程度的無量綱指標(biāo)。EWC氣象影響指數(shù)(MII Ewc )采用公式(2)計算:MIIEWC 一EWC EWCcs(2)式中:EWC 評估時段氣象條件下的水源71養(yǎng)量，單位為毫米( mm);EWCcs常年平均氣候條件下的水源涵養(yǎng)量，單位為毫米( mm);當(dāng)MIIewcVI時，表示評價區(qū)域評估時段氣象條件不利于水源涵養(yǎng)功能增加，數(shù)

12、值越小，氣象條件越差，水源涵養(yǎng)量下降越多；當(dāng)MEIewc =1時，表示評估時段氣象條件與常年氣候條件相似，水源涵養(yǎng)量相當(dāng)；當(dāng)MIIewc>1時，表示評價區(qū)域評估時段氣象條件利于水源涵養(yǎng)功能增加，數(shù)值越大，氣象條件 越好，越有利于水源涵養(yǎng)量的增加。2.2 標(biāo)準(zhǔn)確定的依據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)的編制過程中，參考了國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及生態(tài)環(huán)境部等相關(guān)部門的規(guī)范，并加強 了對已有的期刊文獻著作研究成果應(yīng)用，主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和參考文獻：(1) GB/T 34815-2017植被生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù).(2) GB/T 38582-2020森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范.(3) LY/T 1721-2008森林生態(tài)系統(tǒng)

13、服務(wù)功能評估規(guī)范(4) LY-T 1606-2003森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測指標(biāo)體系(5) QX/T 200-2013生態(tài)氣象術(shù)語.(6)生態(tài)環(huán)境部和國家發(fā)展改革委發(fā)布的生態(tài)保護紅線劃定指南(2017年)(7) Ouyang, Z., Zheng, H., Xiao, Y., Polasky, S., Liu, J., Xu, W., Daily, G. C. Improvements in ecosystem services from investments in natural capital. Science, 2016, 352(6292): 1455-1459.(8)龔詩涵，肖洋，關(guān)B

14、華，肖然 歐陽志云 .中國生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)空間特征及其影響因素.生態(tài)學(xué)報，2017, 37(7): 2455-2462.(9)龔詩涵，肖洋，方瑜，鄭華，肖然 歐陽志云.中國森林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流調(diào)節(jié)特征.生態(tài)學(xué)報，2016, 36(22): 7472-7478.(10)張宏鋒，歐陽志云，鄭華.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間尺度特征.生態(tài)學(xué)雜志，2007, 26(9): 1432-1437.(11)鄭華等.海河流域生態(tài)系統(tǒng)評估.科學(xué)出版社，2016.(12) Zhang L, Dawes W R, Walker G R. Response of mean annual evapotranspiration

15、 to vegetation changes at catchment scale J Water Resource Research, 2001, 37(3): 701- 708(13)尹云鶴，吳紹洪，趙東升，戴爾阜.過去30年氣候變化對黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)量的影響.地理研究，2016, 35(1): 49-57.三、主要驗證分析（綜述報告）及預(yù)期效果3.1 研究背景水源涵養(yǎng)功能是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要生態(tài)服務(wù)功能之一，包含著大氣、水分、植被等自然過程， 其變化將直接影響區(qū)域氣候水文、植被和土壤等狀況，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指示器。生態(tài)系 統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能是一個動態(tài)發(fā)展中的概念，其內(nèi)涵隨著人們對生態(tài)系

16、統(tǒng)與水關(guān)系認(rèn)識的不斷深入而 變化。本標(biāo)準(zhǔn)基于水源涵養(yǎng)功能的普遍定義，將森林、灌叢等生態(tài)系統(tǒng)視為一個“黑箱”，以水量的輸入和輸出為著眼點，從生態(tài)系統(tǒng)水量平衡角度，降水量作為輸入量，與蒸散量、地表徑流量等作 為輸出量的差值，即為水源涵養(yǎng)量，并基于水源涵養(yǎng)功能評估的規(guī)范算法，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng) 量變化中氣象影響評估指標(biāo)，客觀、定量評估氣象條件對水源涵養(yǎng)功能的影響，為生態(tài)文明建設(shè)的 氣象影響評價提供科學(xué)依據(jù)。生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能是植被、降水等共同作用的結(jié)果，與降水量、蒸散量、地表徑流量和植被覆蓋類型等因素密切相關(guān)。在影響水源涵養(yǎng)的眾多因素中，氣象條件是生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)變化的重要驅(qū)動因子，其中 降水、

17、氣溫等氣象因子是影響生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的變化重要波動因子。因 此作為水源涵養(yǎng)功能變化的主要驅(qū)動因素，通過評估時段氣象條件下生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水量與常年平均 氣候條件下涵養(yǎng)水量的比值，所構(gòu)建的水源涵養(yǎng)氣象影響指數(shù)，可反映出氣象條件對生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng) 水量變化的影響程度。通過涵養(yǎng)水量與氣象因子的相關(guān)分析，表明氣象因素與水源涵養(yǎng)量具有顯著 的相關(guān)性，其中降水量與涵養(yǎng)水量的相關(guān)系數(shù)明顯高于其他因子，是影響生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能變 化的重要驅(qū)動因素。這與尹云鶴等人（2016）的研究結(jié)果較為一致，降水量以及大氣水分需求能力的變化是影響生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量增減的主要因素。表1涵養(yǎng)水量與氣象因素的相關(guān)分析降水量蒸散量氣溫相

18、關(guān)性0.812*0.675*0.465*顯著性0.0000.0000.000樣本數(shù)2892289228923.2 全國尺度的空間驗證分析基于本標(biāo)準(zhǔn)的模型和方法，在全國尺度，對不同年份的全國生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)功能及其氣象影響程度進行了分析。中國生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能總體上呈現(xiàn)南方高北方低、由東南向西北總體呈現(xiàn)遞減趨勢，與降水量空間分布特征具有較好一致性（圖1）。其中，長江以南降水量較高地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的涵養(yǎng)功能，水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域主要集中在武夷山脈、南嶺、武陵山區(qū)、大巴山區(qū)，四川盆地以及云貴高原等地降水量較高的低緯度地帶的高山區(qū)。這是因為這些高山區(qū)域植被是以亞熱帶和熱帶常綠闊葉林為主，而且

19、區(qū)域降雨充沛， 導(dǎo)致低緯度高山區(qū)域的水源涵養(yǎng)量也較高。而大小興安嶺、長白山區(qū)等北方山區(qū)植被以寒溫帶針葉林為主，加之區(qū)域降水量低于南方，植被蒸散量大，所以水源涵養(yǎng)量一般；蒙古高原、青藏高原等地植被主要以草地生態(tài)系統(tǒng)為主，年降水量在400mm以下，所以水源涵養(yǎng)量偏低。從氣象影響指數(shù)的對比分析來看（圖2）,降水對全國生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的影響較為明顯，降水量接近常年或偏多的區(qū)域，氣象影響指數(shù)基本均在0.5以上，降水量越偏多的區(qū)域，氣象指數(shù)也越大，表明這些區(qū)域氣象條件有利于水源涵養(yǎng)量的增加。例如， 2019年青海西北部、內(nèi)蒙古西部等地降水較常年偏多 3-8成，區(qū)域氣象影響指數(shù)達到 3.5以上；云南降水

20、偏少3-5成，加之氣溫偏高，氣象條件不利于水源涵養(yǎng)量的提高，區(qū)域氣象影響指數(shù)明顯下降，大部從 2010年0.5-1.5區(qū)間下降到0.1以下，表明生態(tài)系統(tǒng)水源功能氣象影響指數(shù)變化，能夠反映出降水、溫度等氣象因子變化對涵養(yǎng)水量增減的影響程度?？傊谌珖叨壬?，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其氣象影響指數(shù)空間分布規(guī)律，能顯示出氣象驅(qū)動因子的影響特征，與他人研究成果基本一致（陳東立等，2005;魯紹偉等,2005）,基本符合實際空間分布情況及區(qū)域變化特征，可用于定量評估氣象影響程度。圖1全國涵養(yǎng)水量及其降水量對比分析峰事距用仃分率中*氣*代圖2全國水源涵養(yǎng)功能氣象影響指數(shù)及其降水距平對比分析3.2 流域尺度的

21、空間驗證分析本標(biāo)準(zhǔn)涉及技術(shù)方法和評估指標(biāo)在流域尺度（以海河流域為例）也開展了研究應(yīng)用，為標(biāo)準(zhǔn)在 區(qū)域尺度開展業(yè)務(wù)應(yīng)用和服務(wù)提供支持。海河流域東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原， 地勢總體呈西北高、東南低的趨勢，且人口稠密、大中城市聚集，在全國經(jīng)濟社會發(fā)展格局中占有 十分重要的戰(zhàn)略地位。海河流域是我國七大流域中水資源最緊缺的區(qū)域，水資源供需矛盾十分突出，因而海河流域水資源變化更為敏感，流域水源涵養(yǎng)功能氣象影響也成為區(qū)域生態(tài)保護和建設(shè)的關(guān)注 熱點。從海河流域的涵養(yǎng)水量空間分布特征來看，北部燕山和西部太行山脈的森林灌叢等生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著重要涵養(yǎng)功能，是流域主要涵養(yǎng)水源功能區(qū)。結(jié)合氣象條件的對比分析來看（圖3）, 2019年海河流域大部降水偏少，部分地區(qū)較2018年偏少2-5成，加之氣溫偏高，出現(xiàn)不同程度旱情，流域氣象條件明顯不如 2018年，導(dǎo)致2019年海河流域水源涵養(yǎng)量總體出現(xiàn)下降，較 2018年減少45.7%, 尤其北部和西部主要水源涵養(yǎng)功能區(qū)的涵養(yǎng)水量減小了5成以上。2019年不利的氣象條件也造成北部和西部氣象影響指數(shù)出現(xiàn)明顯下降，從