基于降水平均等待時間指數(shù)的西北綠洲干旱時空變化研究

陳麗麗，劉普幸，姚玉龍

干旱作為最嚴重的自然災(zāi)害之一，其發(fā)生頻率高，影響范圍大，持續(xù)時間長，因而成為近年來的一個熱點問題［1］。干旱是西北干旱區(qū)最常見的一種氣象災(zāi)害，隨著經(jīng)濟、社會的快速發(fā)展，人口的不斷增長，干旱災(zāi)害的影響已經(jīng)從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域擴展到了工業(yè)、城市、生態(tài)等多個領(lǐng)域，旱災(zāi)的損失也越來越大［2］。研究干旱的重要前提是干旱指數(shù)的確定，在這方面國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了很多重要的成果和突破［3－11］。然而這些干旱指數(shù)均是基于某段時間的累計降水量，計算干旱指數(shù)后再判斷干旱發(fā)生情況及確定干旱等級。但實際上，降水量的時空分布不均勻，也就導(dǎo)致降水量較多的年份也可能會出現(xiàn)嚴重的干旱；反之，降水量的時空分布較均勻，降水偏少的年份也會出現(xiàn)無干旱。因此，利用這些干旱指數(shù)來分析干旱的時空變化存在一定的局限性。而降水的平均等待 時 間 （averaged waiting time for precipitarion，AWTP）指數(shù)可以通過持續(xù)無降水日的分析，更能較好地反映干旱狀況［2］。目前，AWTP指數(shù)在我國的應(yīng)用還比較少［2，12－15］。西北綠洲位于中國西北干旱區(qū)，主體在新疆、甘肅河西走廊、青海的柴達木盆地等地區(qū)，土地總面積約2.48×106km2［16］。西北綠洲地處亞歐大陸的腹地，四周距海均比較遙遠，氣候干燥，自然降水稀少，因此干旱頻繁發(fā)生，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響非常大，據(jù)統(tǒng)計，1950—1994年西北地區(qū)發(fā)生旱災(zāi)24年次，重大災(zāi)害有8年次，其中特大農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)生率20%，大旱災(zāi)發(fā)生率33%，一般災(zāi)害發(fā)生率48%［17］。降水量的豐缺嚴重影響著綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因而分析降水量與干旱狀況的關(guān)系是研究綠洲形成、發(fā)展及建設(shè)的最基本的內(nèi)容［18］。綠洲的建設(shè)與發(fā)展其核心在綠洲農(nóng)業(yè)，而干旱是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要影響因素。加之近年來西北綠洲人口迅速增長，生態(tài)惡化加重，并且正面臨著大面積的衰退、消失［19－22］，因此對綠洲資源的科學(xué)利用和改造已成為亟待解決的問題。本研究選用AWTP指數(shù)轉(zhuǎn)化而來的相當(dāng)干期分析西北綠洲的干旱時空變化特征，以期為西北綠洲的抗旱工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西北綠洲位于亞歐大陸的腹地，高山與盆地相間分布，氣候干燥，年平均降水量小于200mm，冬季寒冷，夏季炎熱，氣溫變化劇烈，年較差和日較差大。西北綠洲的光熱資源非常豐富，太陽總輻射平均大于5.04×105J／（cm2·a），年日照時數(shù)大于2 800h，大于等于10℃的積溫在2 600℃以上，無霜期約為140d［16］。西北綠洲的地帶性植被主要以荒漠和荒漠草原為主，土壤以棕漠土、灰棕漠土和風(fēng)沙土為主。

2 資料和方法

2.1 資料來源

采用西北綠洲中的氣象站，并經(jīng)過了嚴格的篩選，具體的篩選過程是將資料缺測的剔除掉，如一年中有一個月缺測，則該年為缺測［9］，以及觀測年限不足52a（1960—2011年）的也剔除掉，最終得到了86個氣象站點1960—2011年逐日降水量資料。

2.2 AWTP指數(shù)

AWTP指數(shù)由Cubasch等［7］提出，它不僅考慮無降水日（干日，指日雨量＜0.1mm）的總天數(shù)，而且也考慮雨日（日雨量≥0.1mm）的隨時間分布情況。給定某時間長度為L天的時間序列，其AWTP指數(shù)定義為：

式中：L——研究時間序列長度（d）；J——該時間序列中某相鄰兩次降水（雨日）日間干期（連續(xù)干日）的天數(shù)（d）；I——研究時間序列中某相鄰兩次降水日間干期的總天數(shù)；N——研究時間序列中出現(xiàn)的最長干日的天數(shù)；F（I）——在研究時間序列內(nèi)出現(xiàn)上述長度為I天的干期的次數(shù)。為了比較方便，可以將AWTP值轉(zhuǎn)換為一次等效的連續(xù)干期I，即一次持續(xù)無雨時段的天數(shù)，即相當(dāng)干期（equivalent dry period，EDP），則有

因此，可通過求解一元二次方程得到I值：

3 結(jié)果與分析

3.1 年際及年代際干旱變化

為了分析西北綠洲干旱的時間變化趨勢，將西北綠洲逐年平均AWTP值轉(zhuǎn)化為EDP，得到了西北綠洲年平均相當(dāng)干期的逐年變化特征（圖1）。從圖1可以看出，西北綠洲年平均相當(dāng)干期總體呈緩慢下降趨勢，相當(dāng)干期的傾向率為－1.109／10a，表明西北綠洲的降水呈現(xiàn)增加趨勢，干旱狀況有微弱的緩解但不顯著，與施雅風(fēng)［23］對西北地區(qū)氣候研究由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的資料一致。在52a中，1991年的相當(dāng)干期最大，為108.9d，干旱程度最強；而1970年最小值，僅為34.9d，干旱程度最小，最高值和最低值相差74d，說明了年相當(dāng)干期的極端變化較大。從5a滑動平均曲線來看，西北綠洲的相當(dāng)干期變化大致可分為2 個 階 段：1960—1964 年、1979—1990、2002—2011年為平緩時期，相當(dāng)干期小于多年平均值（60.9 d）；1965—1978年、1991—2001年為劇烈時期，相當(dāng)干期大于多年平均值，平均周期為10a左右。

圖1 西北綠洲相當(dāng)干期年際變化趨勢

西北綠洲相當(dāng)干期的年代際變化也比較明顯（圖2）。1960s至1970s年均相當(dāng)干期呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，增加幅度較小，但都高于多年平均相當(dāng)干期60.9d，與中國氣候的干濕變化資料一致［24］。1970s至1980s年均相當(dāng)干期呈減小趨勢，比1960s和1970s分別減小了6.5和8.1d，減幅較小。1980s至1990s年均相當(dāng)干期迅速增加，比1980s增加了10.6 d，增幅較大，1990s是52a以來相當(dāng)干期最大的時期，與程國棟［25］對西北干旱在1990s最嚴重的研究結(jié)論一致。1990s到2001—2011年的年均相當(dāng)干期又迅速減小并低于多年平均值（60.9d）。1960—1990年相當(dāng)干期的平均值為60.8d，1991—2011年相當(dāng)干期的平均值為61d，20世紀90年代相當(dāng)干期增加了0.2d，說明了1990年之后西北綠洲的干旱發(fā)生較之前呈現(xiàn)增加的趨勢，21世紀以來，相當(dāng)干期的變化較緩和。已有研究表明，1981年以來西北地區(qū)整體上呈現(xiàn)出干旱增加的趨勢，西北西部轉(zhuǎn)濕區(qū)域在1991年以后又出現(xiàn)了干旱化的趨勢，這與氣溫持續(xù)升高有密切的關(guān)系［26］的結(jié)論一致。

3.2 干旱指數(shù)的季節(jié)變化

為了更好地分析西北綠洲干旱的空間分布特征，首先根據(jù)傳統(tǒng)氣候?qū)W中季節(jié)的劃分方法，將四季劃分為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12至翌年2月為冬季。

圖3為西北綠洲各季節(jié)相當(dāng)干期的時間變化曲線。由圖3可以看出，近52a來，西北綠洲四季的相當(dāng)干期變化均呈現(xiàn)出微弱的降低趨勢，表明西北綠洲四季的干旱狀況整體上有所緩解，干旱程度降低。其中，以春季的相當(dāng)干期變化傾向率最小，為－0.970／10a，干旱程度減小對春季農(nóng)作物播種及發(fā)芽等具有重要的現(xiàn)實意義；而夏季最小，為－0.283／10a，說明夏季的相當(dāng)干期減小趨勢最微弱，秋季和冬季的變化相類似。有研究［27］表明，西北地區(qū)春、夏季的氣溫增加較小，大部分的地區(qū)不到0.5℃；春季降水量雖然少，但增加卻最大，而夏季降水占全年的50%，因此得出以上結(jié)果與以往資料一致。從四季平均相當(dāng)干期天數(shù)來看，春夏秋冬平均相當(dāng)干期為分別為14.9，1.4，21.1和37.9d，其中冬季的相當(dāng)干期最長；其次是秋季、春季，而夏季最短。因此，西北綠洲秋、冬季的相當(dāng)干期比春、夏季平均長20～30d左右，說明西北綠洲秋、冬兩季發(fā)生干旱的可能性最大，干旱的累積效應(yīng)也較春、夏季更顯著。

圖2 西北綠洲各年代平均相當(dāng)干期

圖3 西北綠洲相當(dāng)干期季節(jié)變化趨勢

3.3 西北綠洲相當(dāng)干期的突變檢驗

采用t滑動檢驗和累計距平法對1960—2011年西北綠洲年相當(dāng)干期進行了突變分析（圖4），通過兩種方法的比較來確定比較可靠的突變年份。由圖4可以看出，西北綠洲相當(dāng)干期的t滑動檢驗表明突變年份在1976和1996年，而累計距平則表明西北綠洲相當(dāng)干期的突變年份為1976，1990和1996年，1976年之后相當(dāng)干期呈現(xiàn)減少趨勢，而1996年之后呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。比較得出，西北綠洲相當(dāng)干期的突變年份在1976和1996年比較顯著，其中1976年與林學(xué)椿［27］對中國年代際氣候躍變大都發(fā)生在70年代后期至80年代初的結(jié)論一致，而1996年的突變與賈文雄研究祁連山區(qū)氣候變化的結(jié)論一致［28］。顯然西北綠洲相當(dāng)干期的變化對全球氣候的變化非常敏感。

3.4 西北綠洲相當(dāng)干期的周期分析

為了進一步分析西北綠洲的干旱狀況隨時間的變化，將西北綠洲劃分為了5個區(qū)域，分別為北疆、南疆、青海柴達木盆地、河西走廊、寧夏平原，利用Morlet小波分析方法對5個分區(qū)1960—2011年相當(dāng)干期的時間序列進行小波分析。結(jié)果表明，西北綠洲相當(dāng)干期的年際及年代際變化存在不均勻、多尺度、多層次的周期變化結(jié)構(gòu)特性。其中，北疆綠洲存在2，5，13和26a的周期，其優(yōu)勢周期為13a；南疆綠洲存在2，5，12和26a的周期，其優(yōu)勢周期為12a。通過比較南疆和北疆綠洲的周期變化得出，兩者的短、中長周期變化幾乎一致，這與南疆和北疆共同受西風(fēng)控制的影響因素有關(guān)［29］。柴達木盆地綠洲存在2，5，9，16和26a的周期，其優(yōu)勢周期為9和5a；河西綠洲存在2，6，13，20和26a的周期，其優(yōu)勢周期13a；寧夏綠洲存在2，4，10和26a的周期，但存在20及26a的周期因時間序列短而不可靠，因此寧夏綠洲的主周期為10a。通過比較得出，西北綠洲具有共同的2a周期，這與2和4a左右的周期與副高脊線位置的準3a的周期有關(guān)，其中12和13a左右的周期與太陽黑子活動周期相關(guān)，5a左右的周期與厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)［30－31］。

3.5 相當(dāng)干期的空間分布

通過計算西北綠洲86個氣象站點的平均AWTP值轉(zhuǎn)化為EDP指數(shù)，并以此為參數(shù)，基于ArcGIS的IDW插值方法計算得出52a來研究區(qū)AWTP和EDP指數(shù)的空間分布圖（圖5）。干旱指數(shù)的大小決定了干旱的嚴重程度，指數(shù)值越大，表明干旱程度越嚴重；指數(shù)值越小，表明干旱程度較輕。

從圖5可以看出，西北綠洲的AWTP變化的等值線梯度比較大，空間分布不均勻，高低值的分布比較集中，整個區(qū)域的干旱發(fā)生具有區(qū)域特性。西北綠洲的空間變化整體上呈現(xiàn)出兩個特征：（1）自東南向西北增加；（2）自山區(qū)向塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地和河西走廊增加，與塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地和河西走廊是西北地區(qū)降水最少的資料一致［32］。

由圖5得出，相當(dāng)干期的高值區(qū)域分為兩部分：（1）塔里木盆地的西北部，即柯坪、阿拉爾地區(qū)；（2）新疆吐魯番盆地、塔里木盆地的東南部和柴達木盆地西部圍成的區(qū)域，表明這兩個地區(qū)發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱的頻次要比其他地區(qū)多并且更明顯，然后以此為中心向四周減小。

從圖5可以看出，新疆地區(qū)北部及河西走廊中西部的干旱指數(shù)減小最顯著，河西走廊東部和寧夏綠洲減小幅度不顯著。研究［33］資料表明，西北西部降水呈增加趨勢，其中天山地區(qū)增加最多，則有利于準格爾盆地綠洲荒漠化的逆轉(zhuǎn)；而東部季風(fēng)邊緣區(qū)、西南部的塔里木盆地隨著氣溫的升高而降水量呈減少趨勢，將加劇土地荒漠化的迅速發(fā)展和干旱事件的發(fā)生。從圖5可以看出，塔里木盆地西北部的柯坪和阿拉爾地區(qū)最為干旱，就平均角度而言，該區(qū)的干旱累計狀況為一個450d的干旱期的后果，其次為新疆吐魯番盆地—塔里木盆地的東南部—柴達木盆地西部圍成的區(qū)域。綜合分析得出，西北綠洲的干旱空間分布呈現(xiàn)出明顯的空間差異性，整體上空間分布以塔里木盆地的西北部、新疆吐魯番盆地—塔里木盆地的東南部—柴達木盆地西部圍成的區(qū)域為兩個中心向四周減小的半環(huán)狀分布特征。

圖5 西北綠洲區(qū)AWTP（左）和相當(dāng)干期（右）的空間分布

4 結(jié)論

（1）西北綠洲相當(dāng)干期年變化總體呈現(xiàn)下降趨勢，其變化傾向率為－1.109／10a。在年際變化的同時還疊加著明顯的年代際變化，20世紀60年代初期，相當(dāng)干期的變化較平緩，而進入60年代中后期，相當(dāng)干期的變化波動比較大，而70—80年代處于震蕩的時期，90年代為明顯波動幅度劇烈時期，21世紀以來，相當(dāng)干期的變化較緩和。

（2）西北綠洲四季的相當(dāng)干期變化均呈降低趨勢，春季降低趨勢最明顯，而夏季降低趨勢最小。從四季平均相當(dāng)干期天數(shù)來看，冬季最長，夏季最短。

（3）近52a來，西北綠洲相當(dāng)干期的變化存在明顯的突變現(xiàn)象，突變點在1976和1996年，1976年之后相當(dāng)干期呈現(xiàn)減少趨勢，而1996年之后呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

（4）Morlet小波分析表明，北疆綠洲的相當(dāng)干期存在13a左右的主周期，南疆綠洲存在12a左右的主周期，柴達木盆地綠洲存在9和5a左右的主要周期，河西綠洲存在13a左右的主周期，寧夏綠洲存在10a左右的主周期。

（5）西北綠洲的干旱空間分布呈明顯的區(qū)域差異性，AWTP指數(shù)和相當(dāng)干期的空間格局整體上均以塔里木盆地的西北部和新疆吐魯番盆地—塔里木盆地的東南部—柴達木盆地西部圍成的區(qū)域為兩個中心向四周減小的半環(huán)狀分布特征。

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