近57年中國北方氣候干濕變化及與太平洋年代際振蕩的關(guān)系*

賈艷青 張 勃

（1 忻州師范學(xué)院地理系，山西忻州 034000）

（2 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070）

在全球變化的背景下，氣候變暖及其環(huán)境影響已成為各國政府和民眾普遍關(guān)心的問題。全球氣溫升高使得海洋和陸地水分蒸發(fā)加速，大氣中的水汽含量增加，降水量總體呈現(xiàn)增加趨勢［1-2］。但降水增加的區(qū)域差異明顯，熱帶及高緯度降水增加，而中緯度降水減少［3］。降水時(shí)空分布格局的變化，改變了中國地區(qū)的水分循環(huán)，同時(shí)對氣候的干濕狀況及空間分布格局產(chǎn)生重要影響［4-5］。中國北方地區(qū)位于中緯度，氣候干濕程度對季風(fēng)降水變化依賴性強(qiáng)［6］，全球變暖對北方干濕的負(fù)面影響可能更為深刻，北方氣候干濕空間分布格局的變化同時(shí)也對農(nóng)業(yè)需水、作物布局和種植制度產(chǎn)生重大影響。因此，研究氣候變化背景下北方干濕氣候的時(shí)空變化特征及其成因，對防止生態(tài)脆弱帶自然環(huán)境的進(jìn)一步惡化以及區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的理論意義和科學(xué)價(jià)值。

全球和區(qū)域尺度干濕氣候的變化特征是應(yīng)對和適應(yīng)氣候變化的關(guān)鍵參考因素［7］。近年來，干濕變化的研究受到廣泛關(guān)注。吳紹洪等［8］在修正Penman-Monteith模型的基礎(chǔ)上，利用干燥度指數(shù)（潛在蒸散ET0與降水量之比）研究了1971—2000年中國氣候干濕狀況，指出綜合水分收支平衡的干燥度指數(shù)更能準(zhǔn)確表征中國陸地表層的干濕狀況。鄭景云等［9］利用干燥度指數(shù)作為干濕區(qū)劃的主要指標(biāo)，以年降水量作為輔助指標(biāo)，對中國1981—2010年的干濕氣候狀況進(jìn)行了區(qū)劃，得出干濕氣候界線的移動變化及干濕區(qū)域差異特征。申雙和等［10］對比了濕潤指數(shù)與傳統(tǒng)降水量指標(biāo)在干濕氣候區(qū)劃中的表現(xiàn)差異，發(fā)現(xiàn)基于Penman-Monteith的濕潤指數(shù)能夠更好地表征中國的干濕氣候狀況。馬柱國和符淙斌［11］利用60個(gè)氣象臺站的月平均氣溫和降水資料，分析了中國北方地區(qū)地表水分收支的歷史演變規(guī)律及區(qū)域差異。毛飛等［12］比較了五種濕潤度指標(biāo)在青藏高原的適用性，分析發(fā)現(xiàn)，采用濕潤指數(shù)分析1961—2006年青藏高原干濕狀況及其界線的動態(tài)變化較合理。

氣候干濕的核心是地表水分盈虧及收支的變化，要客觀表征干濕狀況需要綜合考慮地氣系統(tǒng)水分輸入（降水）和輸出（蒸散）的狀況及變化［11-13］。因此，對干濕狀況的客觀表征需要綜合降水和氣溫變化的共同影響。近年來，濕潤指數(shù)和干燥度指數(shù)在中國區(qū)域干濕變化的檢測中得到很好的應(yīng)用，其計(jì)算方案中包含了地表水分收支的兩個(gè)重要過程降水和潛在蒸散，同時(shí)考慮了氣溫和降水變化對氣候干濕的影響［11］。但由于研究目標(biāo)的差異，已有研究主要集中在區(qū)域大尺度和小流域干濕時(shí)空變化趨勢的研究，得出干濕氣候帶界線的移動規(guī)律和北方干旱化的事實(shí)［11,12,14-15］，對北方干濕的時(shí)空分異規(guī)律認(rèn)識不夠全面，且近期鮮有長時(shí)間序列的北方氣候干濕區(qū)域分異和時(shí)空演變的研究。有研究指出，增溫背景下北方地區(qū)干旱和洪澇可能會同時(shí)增多［16］。結(jié)合東北部分地區(qū)、西北西部、青藏高原有濕潤化趨勢的事實(shí)［14,17］，北方地區(qū)的干旱化程度是否有所緩解呢？目前還沒有相關(guān)的研究和探討。為此，本文利用北方424個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2016年逐日實(shí)測數(shù)據(jù)，分析中國北方地區(qū)干濕狀況的時(shí)空分異，旨在明確氣候變化背景下北方干濕分布和變化趨勢，為農(nóng)業(yè)規(guī)劃和作物布局、規(guī)避可能的氣候風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

干濕變化的成因是多方面的，普遍認(rèn)為氣候要素的變化影響了氣候干濕變化。有研究指出［18］，赤道中太平洋地區(qū)海表溫度年代際變化與中國東部旱澇36年周期密切相關(guān)。太平洋年代際振蕩（Pacific decadal oscillation, PDO）是北太平洋海溫年代際循環(huán)的海洋現(xiàn)象，不僅對北美乃至整個(gè)北半球大氣環(huán)流有重要影響［19］，還可以通過調(diào)制ENSO事件來間接影響氣候［20］。朱益民和楊修群［21］研究表明，東亞大氣環(huán)流及中國氣溫和降水年代際變化與太平洋年代際振蕩關(guān)系密切，且不同區(qū)域氣候變化與PDO的相關(guān)關(guān)系具有差異。過去的研究從不同方面揭示了中國氣候變化與PDO的關(guān)系，但未深入探討PDO對多年代際北方氣候干濕變化趨勢的影響和調(diào)制作用。鑒于此，本文分析PDO對北方干濕變化趨勢的影響，為深入認(rèn)識北方干濕變化特征和成因提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)為1月份0℃等溫線以北的地區(qū)，包括華北、東北、西北、青藏高原、內(nèi)蒙古地區(qū)，介于26°00′～53°33′N、73°40′～135°2′E之間（圖1）。北方424個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2016年的逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風(fēng)速及日照時(shí)數(shù)源自中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心。實(shí)際觀測中，部分氣象臺站由于遷址、儀器更換、觀測場周邊環(huán)境變化等原因造成氣候資料時(shí)間序列的非均一性問題，研究中參考20個(gè)省（市、自治區(qū)）氣象臺站簡史資料，使用RHtest方法對馬鬃山、五臺山、海陽等29個(gè)臺站的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了均一化檢驗(yàn)。太平洋年代際振蕩（PDO）指數(shù)1960—2016年逐月數(shù)據(jù)取自于http：//jisao.washington.edu/pdo//PDO.latest，年指數(shù)為12個(gè)月的算術(shù)平均值。

1.2 濕潤指數(shù)

采用濕潤指數(shù)作為氣候干濕狀況的評價(jià)指標(biāo)，計(jì)算方法為降水量與潛在蒸散之比：

式中，HI為年濕潤指數(shù)，P為年降水量，ET0為年潛在蒸散。

本文參照毛飛等［22］的干濕區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，將濕潤指數(shù)小于0.05的地區(qū)劃分為極端干旱區(qū)，濕潤指數(shù)介于0.05～0.2之間的為干旱區(qū)，0.2～0.5的地區(qū)為半干旱區(qū)，0.5～1.0的地區(qū)為半濕潤區(qū)，大于1.0的為濕潤區(qū)。

圖1 北方地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in the northern part of China

1.3 潛在蒸散

濕潤指數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵是ET0，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦使用的Penman-Monteith模型計(jì)算北方424個(gè)站點(diǎn)的ET0。公式如下：

式中，ET0為日潛在蒸散（mm）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa?℃-1）；U2為2 m高處風(fēng)速，m?s-1；ea為空氣飽和水汽壓（kPa）；ed為空氣實(shí)際水汽壓（kPa）；T為日平均氣溫（℃）；γ為干濕常數(shù)（kPa?℃-1）；Rn為太陽凈輻射（MJ?m-2?d-1）；G為土壤熱通量密度（MJ?m-2?d-1）。Yin等［23］修正了該模型中計(jì)算太陽輻射Rn的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使其更好地適應(yīng)中國氣候特點(diǎn)。修正后的計(jì)算公式為：

式中，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)（4.903×10-9MJK-4?m-2?d-1），Tmax,k為日最高氣溫絕對溫標(biāo)（K），Tmin,k為日最低氣溫絕對溫標(biāo)（K），n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)（h），N為可照時(shí)數(shù)（h），Rso為晴天太陽總輻射（MJ?m-2?d-1）。

1.4 氣候傾向率

傾向率是研究某一特征量在某段時(shí)間內(nèi)變化趨勢時(shí)常用的表達(dá)方式。用xi表示樣本量為n的某一氣象變量，ti表示xi所對應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：

b為回歸系數(shù)，b＞0時(shí)，表示氣候要素隨時(shí)間增加呈上升趨勢，b＜0時(shí)，氣象要素隨時(shí)間增加呈下降趨勢。式中，a為回歸常數(shù)，b為年際傾向率（（10a）-1），a和b可以用最小二乘法估算。采用F檢驗(yàn)法對擬合的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié) 果

2.1 北方陸地氣候的平均干濕狀況及年代尺度空間變化

圖2a是近57 a北方年濕潤指數(shù)的平均格局?？傮w來看，北方氣候濕潤程度自東南向西北內(nèi)陸逐漸減少。由圖2a可以看出，東北長白山脈以東、遼寧東北角和吉林東南角濕潤指數(shù)大于1.0，氣候濕潤。濕潤指數(shù)介于0.5～1的半濕潤區(qū)包括大興安嶺以東的東北地區(qū)、黃淮地區(qū)、黃土高原以南至青藏高原的東部地區(qū)。東北平原以西、賀蘭山以東穿過寧夏、甘肅的中南部向西經(jīng)青海中部至青藏高原的中南部地區(qū)，新疆的西北和東北角濕潤指數(shù)在0.2～0.5之間，屬于半干旱氣候區(qū)。北方的干旱區(qū)和極端干旱區(qū)主要集中在西北，干旱區(qū)包括新疆大部分地區(qū)、西藏西北部地區(qū)、青海北部和甘肅西北部以及內(nèi)蒙古西部地區(qū)，濕潤指數(shù)在0.05～0.2之間。極端干旱區(qū)主要位于新疆南部地區(qū)、西藏、青海和甘肅的西北角，濕潤指數(shù)小于0.05。1960—2016年，北方極端干旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)、濕潤區(qū)的面積分別為6.018×105、1.779×106、2.021×106、2.048×106、3.856×104km2，分別占北方陸地總面積的9.28%、27.42%、31.15%、31.56%、0.59%。

圖2b顯示，1990—2016年較1960—1990年，37%的站點(diǎn)變干，52.2%的站點(diǎn)變濕，10.8%的站點(diǎn)干濕狀況未發(fā)生明顯變化。變干的站點(diǎn)主要分布在北方東部地區(qū)，包括華北大部分地區(qū)和東北部分地區(qū)，變濕的站點(diǎn)主要分布在西北、青藏高原、華北東南部和東北大部分地區(qū)，干濕狀況未發(fā)生明顯變化的站點(diǎn)零星分布在各區(qū)。圖2c顯示，極端干旱區(qū)的界線呈現(xiàn)西界東移、南北界線收縮的變化，總體上，西北西部變濕的區(qū)域增加，表現(xiàn)為極端干旱區(qū)向干旱區(qū)轉(zhuǎn)變，極端干旱區(qū)面積顯著縮小。干旱—半干旱區(qū)界線西段北移、中段東移，在青藏高原北部和青海中西部變濕的區(qū)域增加。半干旱—半濕潤區(qū)界線西段西移、中段向東南方向擴(kuò)張、東段西移南退，青藏高原和松花江流域變濕的區(qū)域增加，具體表現(xiàn)為半干旱區(qū)向半濕潤區(qū)轉(zhuǎn)變；在華北和內(nèi)蒙古東部變干的區(qū)域增加，具體表現(xiàn)為半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)轉(zhuǎn)變。

圖2 1960—2016年中國北方地區(qū)干濕狀況（a）及年代尺度氣候干濕變化特征（b、c）Fig.2 Dry and wet status in the northern part of the China in the years of 1960—2016 (a) and variation of the dry-wet climate on a decade scale (b, c)

2.2 氣候干濕變化總體趨勢

1960—2016年，北方濕潤指數(shù)圍繞57 a平均值波動變化，氣候干濕狀況的線性變化趨勢整體不顯著（R2=0.0008）（圖3）。氣候干濕狀況波動較大的年份大多為厄爾尼諾年，如1965—1966年、1982—1983年、1986—1987年、1997—1998年、2001—2002年、2009—2010年，這可能是厄爾尼諾對中國季風(fēng)區(qū)氣候變化顯著影響的關(guān)系［24］。11年滑動平均曲線顯示，1980年之前北方總體氣候干燥，自20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入一段相對濕潤的時(shí)期。而且1987—1996年期間北方年平均濕潤指數(shù)較近57 a平均值偏高，說明這10年間北方氣候總體偏濕潤。吳紹洪等［25］指出，20世紀(jì)60年代以來，中國氣候先后經(jīng)過兩個(gè)時(shí)段，分別是相對冷的時(shí)段（1960—1986年）和相對暖的時(shí)段（1987—2011年）?？梢?，1987年前后可能是近五六十年北方氣候變化的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。苑全治等［17］的研究表明中國氣候整體干濕變化不明顯，本文研究結(jié)論與之一致。馬柱國和符淙斌［11］研究表明中國北方干旱趨勢明顯，本文研究結(jié)論與之存在差異，原因可能在于除青藏區(qū)外，2000年之后東北、華北和蒙新3個(gè)分區(qū)地表濕潤度均呈增加趨勢有關(guān)。

2.3 氣候干濕變化趨勢的區(qū)域差異

北方濕潤指數(shù)變化表現(xiàn)出較明顯的區(qū)域差異（圖4a）。北方61.3%的站點(diǎn)濕潤度增加，年際傾向率范圍1.72×10-5～0.06 (10a)-1，平均值為0.0009，其中20%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)，主要分布新疆、青藏高原、甘肅河西地區(qū)、華北南部和東北部分地區(qū)；其余38.7%的站點(diǎn)濕潤度減少，年際傾向率范圍-0.08～-1.9×10-5(10a)-1，平均值為-0.0012，其中8.5%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)，主要分布在華北。可見，北方濕潤化區(qū)域多于干旱化的區(qū)域，但干旱化進(jìn)程要大于濕潤化進(jìn)程。

圖3 北方濕潤指數(shù)年際變化趨勢Fig.3 Interannual changing trends of humidity index in the northern part of China from 1960 to 2016

濕潤指數(shù)的變化由降水量和ET0的變化共同決定。圖4b、圖4c分別為北方降水和ET0的空間變化趨勢分布圖。北方降水多年線性變化趨勢不顯著（圖4b），年際傾向率為-1.87mm?(10a)-1。北方48.3%的站點(diǎn)降水量增加，降水顯著增加的站點(diǎn)分布在新疆北部、東北和青藏高原的南部、東北部。51.7%的站點(diǎn)降水量減少，顯著減少的站點(diǎn)主要分布在華北和東北南部地區(qū)。1960—2016年，北方ET0以-6.71mm?(10a)-1的速率顯著減少（圖4c）。顯著減少的站點(diǎn)主要分布在新疆、華北南部和東部以及東北的中南部，顯著增加的站點(diǎn)主要分布在東北北部、華北西部和青藏高原。東北中部和西北西部降水增加而ET0減少，二者共同影響下濕潤度增加。青藏高原中部和西北西部部分地區(qū)降水和ET0均呈增加趨勢，但降水增加趨勢大于ET0增加幅度，導(dǎo)致地表濕潤度上升。華北中西部、內(nèi)蒙古東部和東北部分地區(qū)濕潤度的減少主要是降水減少和ET0增加的綜合作用。華北中東部和東北南部降水和ET0均呈現(xiàn)減少趨勢，但降水減少幅度大于ET0減少幅度，二者綜合作用下濕潤度總體減少。

圖4 1960—2016年北方濕潤指數(shù)（a）、降水（b）和ET0（c）氣候傾向率空間分布Fig.4 Spatial distribution of climatic trend rate of humidity index (a), precipitation (b) and ET0 (c) from 1960 to 2016 in the northern part of China

2.4 干濕分區(qū)面積、濕潤指數(shù)年際變化

圖5是1960—2016年北方不同干濕區(qū)域面積和濕潤指數(shù)的年際變化圖。分析可知，中國北方極端干旱區(qū)的面積顯著縮小，趨勢為-7.4×104km2?(10a)-1；半干旱區(qū)顯著擴(kuò)張，趨勢為4.2×104km2?(10a)-1；干旱區(qū)和濕潤區(qū)不顯著擴(kuò)張，趨勢分別為2.8×104km2?(10a)-1和0.4×104km2?(10a)-1；半濕潤區(qū)面積變化不明顯，趨勢為-3.0 km2?(10a)-1?？傊狈綐O端干旱區(qū)的范圍在縮小，干旱區(qū)、半干旱區(qū)和濕潤區(qū)的范圍在擴(kuò)大。曾有研究指出，1951—2002年中國半干旱區(qū)呈變干的趨勢，而干旱區(qū)干旱化有所緩和［26］。姜江等［27］研究得出中國極端干旱區(qū)和濕潤區(qū)在收縮，其余等級干濕區(qū)的范圍在擴(kuò)大，特別是半濕潤和半干旱區(qū)表現(xiàn)為明顯的擴(kuò)張趨勢。Huang等［28］也指出中亞干旱區(qū)有縮小的趨勢。此外，卞娟娟等［14］研究表明濕潤區(qū)和半干旱區(qū)范圍的增加主要表現(xiàn)為中溫帶地區(qū)濕潤半濕潤東界東移和大興安嶺中部與南部的半濕潤半干旱界線北擴(kuò)的特點(diǎn)，本文的研究結(jié)論與前期的多種研究結(jié)論一致。由于干旱半干旱區(qū)升溫顯著，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，對人類活動的響應(yīng)比較敏感，干旱半干旱區(qū)的擴(kuò)張表明各類生態(tài)環(huán)境敏感性高的區(qū)域正在擴(kuò)張。

圖5 1960—2016年北方極端干旱區(qū)（a1、a2）、干旱區(qū)（b1、b2）、半干旱區(qū)（c1、c2）、半濕潤區(qū)（d1、d2）和濕潤區(qū)（e1、e2）面積和濕潤指數(shù)年際變化Fig.5 Interannual changes in area and humidity index of the extremely arid, arid, semi-arid, semi-humid and humid regions in the northern part of China from 1960 to 2016

極端干旱區(qū)和干旱區(qū)濕潤指數(shù)均呈增加趨勢，傾向率分別為0.002(10a)-1和0.005(10a)-1，并通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。11年滑動平均結(jié)果顯示，極端干旱區(qū)和干旱區(qū)在20世紀(jì)80年代以前氣候較干旱，進(jìn)入20世紀(jì)80年代后總體轉(zhuǎn)濕潤。半干旱區(qū)濕潤指數(shù)也表現(xiàn)為增加的趨勢，傾向率為0.002(10a)-1。半干旱區(qū)變濕的趨勢主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代和2010年以后，總體上該區(qū)變濕趨勢較極端干旱區(qū)和干旱區(qū)弱。半濕潤區(qū)干濕變化不明顯，濕潤區(qū)濕潤指數(shù)以-0.004(10a)-1的速率呈小幅下降趨勢。綜上，北方極端干旱區(qū)和干旱區(qū)顯著變濕潤，半干旱區(qū)有變濕潤的趨勢，半濕潤區(qū)干濕變化不明顯，濕潤區(qū)略變干。

2.5 北方干濕變化與太平洋年代際振蕩的關(guān)系

圖6a為PDO指數(shù)與氣溫、降水和濕潤指數(shù)相關(guān)系數(shù)分布圖。PDO年際指數(shù)與北方絕大多數(shù)區(qū)域氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，正相關(guān)顯著的地區(qū)主要分布在東北和內(nèi)蒙古東部。PDO指數(shù)與降水相關(guān)系數(shù)分布圖顯示（圖6b），PDO與北方35°N以北的地區(qū)年降水呈正相關(guān)，與35°N以南的地區(qū)呈負(fù)相關(guān)，顯著正相關(guān)的地區(qū)主要在新疆天山以北地區(qū)，顯著負(fù)相關(guān)的地區(qū)在西藏西南部和華北中東部部分區(qū)域。根據(jù)PDO與氣溫及降水的關(guān)系得知，PDO的暖相位時(shí)期北方大部分地區(qū)氣溫上升，降水多且地表偏濕潤，特別是西北、東北和青藏高原。而華北卻相反，PDO的暖相位對應(yīng)降水少地表偏干，冷位相對應(yīng)降水多地表偏濕潤?？梢姡狈綒鉁嘏c降水變化與PDO關(guān)系密切，那么由此引起的干濕變化是否受到PDO的影響呢？圖6c給出了PDO指數(shù)與北方濕潤指數(shù)的同期相關(guān)系數(shù)分布。濕潤指數(shù)與PDO的相關(guān)性空間分布與圖6b相似，只是顯著正相關(guān)的范圍明顯擴(kuò)大，特別是在天山以北、西北東部以及內(nèi)蒙古東北部和東北北部部分地區(qū)。比較發(fā)現(xiàn)，PDO對北方干濕變化的影響要大于對降水和氣溫的影響，可以將PDO作為監(jiān)測北方干濕變化的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖6 1960—2016年北方氣溫（a）、降水（b）、濕潤指數(shù)（c）與PDO的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficient of PDO with air temperature (a), precipitation (b), and humidity index (c) in the northern part of China from 1960 to 2016

為進(jìn)一步分析北方干濕變化與PDO的關(guān)系，對四個(gè)和PDO顯著相關(guān)的地區(qū)西北東部、西北西部、華北東部、內(nèi)蒙古東部及東北北部地區(qū)的平均氣溫、降水和濕潤指數(shù)距平進(jìn)行9 a滑動平均，與年P(guān)DO距平進(jìn)行對照比較。圖7為4個(gè)受PDO影響的典型區(qū)域平均氣溫、降水、濕潤指數(shù)和PDO指數(shù)距平9 a滑動平均，顯示了各典型區(qū)域干濕變化與PDO指數(shù)的關(guān)系。分析可知，近57 a，PDO指數(shù)時(shí)間序列變化存在兩個(gè)明顯的負(fù)位相和一個(gè)正位相，持續(xù)時(shí)間分別為18 a、21 a和8 a。因PDO第2個(gè)負(fù)位相持續(xù)時(shí)間較短，這里考慮持續(xù)時(shí)間較長的兩個(gè)PDO正負(fù)位相對應(yīng)的干濕變化。在西北東部、西北西部和東北北部及內(nèi)蒙古東部地區(qū)，年代際尺度PDO變化與干濕變化存在正相關(guān)關(guān)系，即在PDO暖位相，降水偏多地表偏濕；在PDO冷位相，降水偏少地表偏干。而華北地區(qū)卻相反，年代際尺度PDO變化與干濕變化反相關(guān)，即在PDO暖位相，降水偏少地表偏干；在PDO冷位相，降水偏多地表偏濕潤。這與裴琳等［29］得出的PDO暖位相對應(yīng)華北偏旱，而PDO冷位相對應(yīng)偏澇結(jié)論一致。

3 討 論

圖7 西北東部（a）、西北西部（b）、華北東部（c）、內(nèi)蒙古東部及東北北部（d）年氣溫、降水、濕潤指數(shù)及年P(guān)DO指數(shù)的9年滑動距平Fig.7 Nine year running anomaly of air temperature, precipitation, humidity index, and PDO index in the east part of Northwest China (a), the west part of Northwest China (b), the east part of North China (c), the east part of Inner Mongolia and the north part of Northeast China (d)

本文利用濕潤指數(shù)研究了北方氣候干濕時(shí)空演變特征，探討了PDO對北方氣候干濕變化的影響。總體而言，近57 a北方干濕變化不顯著，濕潤指數(shù)輕微上升。年代際尺度上，變濕區(qū)域面積多于變干區(qū)域面積。西北、東北、青藏高原、青海中西部以及松花江流域變濕的區(qū)域增加，華北和內(nèi)蒙古東部變干的區(qū)域增加。苑全治等［17］指出中國氣候干濕狀況線性變化趨勢整體不顯著，胡琦等［15］研究表明1961—2014年中國濕潤化地區(qū)增多，但干旱化進(jìn)程大于濕潤化進(jìn)程，本文結(jié)論與之類似。鄭景云等［9］和卞娟娟等［14］研究發(fā)現(xiàn)，北方半干旱及華北半濕潤區(qū)總體轉(zhuǎn)干，河西走廊、新疆及青藏高原的干旱、半干旱區(qū)總體轉(zhuǎn)濕。本文的結(jié)論印證了這一點(diǎn)，表明北方干濕變化的區(qū)域差異明顯。馬柱國和任小波［30］研究指出1951—2006年中國西北東部、華北、東北處于干旱化的過程，西北西部處在一個(gè)相對濕潤的階段，但氣溫的升高削弱了這種變濕的趨勢。本研究得出華北干旱化趨勢明顯，東北趨干與轉(zhuǎn)濕并存，西北整體有變濕潤的趨勢，尤其西北西部的濕潤化進(jìn)程并未因氣溫的升高而停止。造成這種差異的原因可能與氣候變化的多時(shí)間尺度周期有關(guān)，也可能與選取資料、資料處理方法及計(jì)算方法不同有一定的關(guān)系。

Feng 和Fu［31］指出全球干旱半干旱區(qū)面積呈現(xiàn)擴(kuò)張的趨勢。Huang等［32］發(fā)現(xiàn)了全球半干旱區(qū)的強(qiáng)化增溫和加速擴(kuò)張的事實(shí)，但中亞干旱區(qū)卻有縮小的趨勢。趙俊芳等［13］基于情景數(shù)據(jù)研究表明未來（2011—2050年）極端干旱區(qū)縮小以及半干旱地區(qū)的擴(kuò)大趨勢依然明顯。姜江等［27］研究表明，中國干濕氣候空間上表現(xiàn)為東部干旱化和西部濕潤化的特征，顯著縮小的是濕潤區(qū)和極端干旱區(qū)，半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)則顯著擴(kuò)大。這些結(jié)論與本文基本一致，但也存在一些差異。本研究得出北方干旱區(qū)、半干旱區(qū)擴(kuò)張的結(jié)論與上述研究結(jié)果基本一致，這表明北方氣候敏感區(qū)域正在擴(kuò)張。北方極端干旱區(qū)顯著縮小是對Huang等［28］指出的中亞干旱區(qū)面積縮小現(xiàn)象的響應(yīng)，表明西北干旱區(qū)的縮小是中亞干旱區(qū)縮小進(jìn)程中的一部分。本文的結(jié)論也印證了施雅風(fēng)等［2］提出的西北西部由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的假設(shè)。研究發(fā)現(xiàn)，西北西部變濕趨勢明顯，但干濕氣候轉(zhuǎn)型主要在西北西部（新疆），并未擴(kuò)大至西北東部。

中國北方地區(qū)干濕變化與PDO關(guān)系密切。相關(guān)顯著的地區(qū)分布在天山以北、西北東部以及內(nèi)蒙古東北部和東北北部部分地區(qū)。年代際周期估算的結(jié)果顯示，在PDO暖位相，西北東部、西北西部和東北北部及內(nèi)蒙古東部地區(qū)降水偏多地表偏濕；在PDO冷位相，上述地區(qū)降水偏少地表偏干；而華北地區(qū)卻相反。這與裴琳等［29］得出的PDO暖位相對應(yīng)華北偏旱，而PDO冷位相對應(yīng)偏澇結(jié)論一致。Zhou等［33］發(fā)現(xiàn)，在PDO負(fù)位相向正位相轉(zhuǎn)換過程中，東亞地區(qū)海陸熱力差異減小導(dǎo)致夏季風(fēng)減弱，致使北方降水偏少、偏旱。叢靖等［34］研究表明，當(dāng)PDO為暖相位時(shí)，印度洋區(qū)域及赤道西太平洋通過對流加熱的作用激發(fā)了太平洋—日本/東亞—太平洋（PJ/EAP）遙相關(guān)型的產(chǎn)生，有利于渤海灣暖濕水汽輸送至干旱半干旱區(qū)北部區(qū)域，增大降水概率；同時(shí)，在河套北部區(qū)域當(dāng)偏西和偏北氣流相遇時(shí)會形成降水中心。當(dāng)PDO位于冷位相時(shí)，結(jié)論相反。

本文僅從現(xiàn)有資料初步分析了中國北方干濕變化和PDO的相互關(guān)系，并未涉及它們之間聯(lián)系的機(jī)理。PDO對北方氣候干濕影響機(jī)理復(fù)雜，有研究指出，PDO還與中國氣候年代際變化及東亞大氣環(huán)流關(guān)系密切［35］。未來要全面了解PDO對北方干濕氣候的影響，有必要研究PDO對西風(fēng)帶及東亞季風(fēng)系統(tǒng)的影響及其物理機(jī)理，對這方面問題的進(jìn)一步研究將有助于深入了解中國北方干濕年際和年代際變化的形成機(jī)理。

4 結(jié) 論

近57年，北方氣候干濕變化總體不顯著。61%的站點(diǎn)濕潤度增加，極端干旱區(qū)和干旱區(qū)顯著變濕潤，半干旱區(qū)有變濕潤的趨勢，半濕潤區(qū)干濕變化不明顯，濕潤區(qū)略變干。北方極端干旱區(qū)的范圍顯著縮小，干旱區(qū)、半干旱區(qū)和濕潤區(qū)的范圍在擴(kuò)大。年代際尺度上，北方經(jīng)歷了變濕的過程。變濕的站點(diǎn)主要分布在西北、青藏高原、華北東南部和東北大部分地區(qū)，極端干旱—干旱區(qū)的界線呈現(xiàn)西界東移、南北界線收縮的變化。干旱化趨勢主要發(fā)生在華北和東北部分地區(qū)，華北黃河沿線一帶半干旱—半濕潤區(qū)界線向東南方向擴(kuò)張。東北中部和西北西部由于降水增加而ET0減少，氣候濕潤度增加。華北中西部、內(nèi)蒙古東部和東北部分地區(qū)降水減少和ET0增加，氣候變干旱。PDO暖位相時(shí)期，西北東部、西北西部和東北北部及內(nèi)蒙古東部地區(qū)，降水偏多地表偏濕潤；PDO冷位相時(shí)期，降水偏少地表偏干旱。而華北地區(qū)則相反。