塔里木河流域氣象干旱的時(shí)空演變特征研究

馮劉成 王亞軍

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾 843300)

干旱是全球范圍內(nèi)發(fā)生最為頻繁的自然災(zāi)害之一，對(duì)于糧食安全和人類(lèi)引水以及生產(chǎn)生活具有重要影響。加強(qiáng)干旱研究對(duì)于干旱預(yù)警和防治、調(diào)整引水供水策略和合理布局水利工程設(shè)施具有重要意義[1-4]。

塔里木河是我國(guó)第一大內(nèi)陸河，位于我國(guó)西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，是古絲綢之路和“一帶一路”的必經(jīng)之地。由于特殊的地理位置、氣候環(huán)境以及人類(lèi)活動(dòng)的影響，導(dǎo)致塔里木河流域的干旱問(wèn)題十分嚴(yán)重。降雨量少、蒸發(fā)量大是塔里木河流域最主要的氣候水文特征，而塔里木河產(chǎn)水和用水區(qū)在空間上又是分離的，產(chǎn)水區(qū)位于山區(qū)，用水區(qū)集中于平原，產(chǎn)水區(qū)的水源到達(dá)用水區(qū)的過(guò)程中，會(huì)損失很大一部分水量，這就加劇了當(dāng)?shù)氐乃Y源緊缺和干旱問(wèn)題。氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱、社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱之間有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，但氣象干旱是其他類(lèi)型干旱的先兆，因此，有必要對(duì)塔里木河流域的氣象干旱特征進(jìn)行研究[5-10]。

本文結(jié)合最近60年來(lái)塔里木河流域的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)的氣象干旱時(shí)空演變特征進(jìn)行了探討分析，以期能為干旱預(yù)警和水資源政策制定提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

塔里木河地處我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)，全長(zhǎng)2486km(其中干流全長(zhǎng)1321km)，流域面積超過(guò)100萬(wàn)km2，流域地形復(fù)雜，山地、平原和沙漠占比分別為47%、20%和33%(見(jiàn)圖1)。流域年平均降雨量116.8mm，且空間分布極不均勻，降雨最多的地區(qū)主要為天山山區(qū)；流域年平均溫度16.7℃，其中極端最高溫度43.8℃，極端最低溫度-48.1℃；流域多年平均徑流量45.89億m3(其中，冰川積雪融水、降水、地下水占比分別為47.9%、27.9%和24.2%)，流域年平均日照數(shù)為2847h，年平均太陽(yáng)輻射量為618kJ/cm2，流域總?cè)丝?082.07萬(wàn)，流域生產(chǎn)總值2576.39億元。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔里木河上、中、下游的多年平均徑流量分別較20世紀(jì)50年代減少14.22%、40.68%和79.35%，流域水資源困乏問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，這很大程度上是由于區(qū)域氣象干旱導(dǎo)致的(降雨量少、蒸發(fā)量大)，而流域氣象干旱是其他類(lèi)型干旱的先兆，因此，有必要對(duì)流域氣象干旱的時(shí)空演變特征進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)及指數(shù)選取

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用到的主要數(shù)據(jù)包括日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速、日照小時(shí)數(shù)、氣壓、徑流量等，數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為1961—2019年，氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和美國(guó)國(guó)家宇航局提供的全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Global Land Data Assimilation System，GLDAS)氣象數(shù)據(jù)。

2.2 干旱指數(shù)選取

為實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象干旱的定量評(píng)價(jià)，首先需對(duì)氣象干旱指標(biāo)進(jìn)行選取。當(dāng)前常用的氣象干旱指標(biāo)主要包括標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)和降水距平百分率等四種。其中，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)可以用于反映地區(qū)多時(shí)間尺度下的干旱時(shí)空變化特征，因此，應(yīng)用最為廣泛[9-10]。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)只需考慮降水這一個(gè)變量，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，且數(shù)據(jù)容易獲取，可用于短期干旱或者長(zhǎng)期干旱的定量評(píng)價(jià)，適用于日尺度、月尺度、季尺度或者年尺度的計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)不僅考慮了降水因素，還考慮了潛在蒸散發(fā)因素，在計(jì)算潛在蒸散發(fā)時(shí)，涉及氣溫、氣壓、日照小時(shí)數(shù)、風(fēng)速等多個(gè)因素，因此，計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜?？紤]到塔里木河流域站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失比較嚴(yán)重，很多影響因素?zé)o法準(zhǔn)確獲得，因此，本文選用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)作為干旱指數(shù)進(jìn)行定量分析，并根據(jù)SPI的得分情況將干旱等級(jí)劃分為五個(gè)等級(jí)：無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱和特旱(見(jiàn)表1)。

表1 SPI指數(shù)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 時(shí)空演變特征分析

3.1 時(shí)間演化特征

a.氣象干旱指數(shù)。對(duì)塔里木河干流及阿克蘇河、葉爾羌河、和田河以及開(kāi)孔河四個(gè)支流流域(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“四源一干”)氣象干旱指數(shù)進(jìn)行了分析(結(jié)果見(jiàn)圖1)。從圖1中可以看到：塔里木河流域并未出現(xiàn)比較嚴(yán)重的干旱現(xiàn)象，SPI指數(shù)均大于-0.5；從年代變化來(lái)講，大部分地區(qū)的SPI指數(shù)均有逐漸增大的變化特征，表明流域的氣象干旱在逐漸減弱，但阿克蘇河流域平原區(qū)以及葉爾羌河流域山區(qū)的氣象干旱指數(shù)在逐漸減小，表明這兩個(gè)地區(qū)的氣象干旱在逐漸增強(qiáng)；從年代時(shí)間變化情況來(lái)講，20世紀(jì)60～70年代，流域的氣象干旱指數(shù)大都呈減小特征，因此，氣象干旱呈增強(qiáng)趨勢(shì)，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，流域的氣象干旱有所緩解，但到了90年代，部分地區(qū)(開(kāi)孔河和和田河流域)的氣象干旱又達(dá)到一個(gè)頂峰，進(jìn)入21世紀(jì)后，干流流域的氣象干旱情況緩和明顯，但阿克蘇河流域和葉爾羌河流域的氣象干旱指數(shù)又出現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)，氣象干旱情況有所加重。

*>*表示在5%的水平上顯著，圖中的數(shù)字表示氣象干旱指數(shù)在各個(gè)階段的線性變化趨勢(shì)圖1 流域不同年代氣象干旱指數(shù)變化特征

圖2 干旱歷時(shí)隨時(shí)間的變化特征

b.干旱歷時(shí)。從流域平均干旱歷時(shí)情況隨時(shí)間的變化特征(見(jiàn)圖2)中可以看到：阿克蘇河流域的干旱天數(shù)變化幅度較大，并隨著時(shí)間呈先增加后減小再增大的變化特征，干旱天數(shù)最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代；葉爾羌河流域和開(kāi)孔河流域的干旱天數(shù)隨時(shí)間也呈先增加后減小再增大的變化特征，但平均干旱天數(shù)較阿克蘇河流域有較大幅度降低；和田河流域的干旱天數(shù)從60～70年代逐漸減小，之后干旱天數(shù)便基本穩(wěn)定在60天左右；干流流域的干旱歷時(shí)變化幅度也較大，突變情況發(fā)生在20世紀(jì)70年代中期；干旱歷時(shí)受徑流量的影響，徑流量增加，則干旱歷時(shí)會(huì)逐漸降低。

圖3 干旱烈度隨時(shí)間的變化特征

c.干旱烈度。從干旱烈度隨時(shí)間的變化特征(見(jiàn)圖3)中可以看到：塔里木河流域的干旱烈度基本隨時(shí)間呈逐漸減小的變化特征，和田河和葉爾羌河流域的干旱烈度變化幅度相對(duì)較小，沒(méi)有明顯的階段性變化過(guò)程，而阿克蘇河和干流流域在20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)生突變，這主要是由于氣候特征和地理環(huán)境因素的改變所導(dǎo)致的。

d.干旱強(qiáng)度。從干旱強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征(見(jiàn)圖4)中可以看到：“四源一干”的干旱強(qiáng)度在最近60年中的變化幅度相對(duì)較小，變化比較平穩(wěn)，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的階段性變化特征；從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著時(shí)間的推移，“四源一干”的干旱強(qiáng)度呈逐漸減小趨勢(shì)，表明塔里木河流域的氣象干旱嚴(yán)重程度在逐漸減弱，其中，阿克蘇河流域的減小趨勢(shì)最快，其次為開(kāi)孔河流域，之后依次為和田河流域、葉爾羌河流域和干流流域。

圖4 干旱強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征

3.2 空間演化特征

a.氣象干旱指數(shù)。塔里木河“四源一干”的氣象干旱指數(shù)基本均呈顯著增大趨勢(shì)，僅有開(kāi)孔河流域的部分區(qū)域沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，這表明塔里木河“四源一干”的氣象干旱在空間上均呈逐漸減弱特征，流域在逐漸濕潤(rùn)化，這主要是因?yàn)榻┠陙?lái)塔里木河流域的降水在逐漸增加，因而氣象干旱得到緩解。

b.干旱次數(shù)。氣象干旱的高發(fā)區(qū)域主要集中在阿克蘇河、葉爾羌河和和田河流域，其中阿克蘇河流域的氣象干旱高發(fā)區(qū)最為嚴(yán)重，基本覆蓋了整個(gè)流域，葉爾羌河流域的氣象干旱高發(fā)區(qū)主要集中在平原向山地的過(guò)渡地區(qū)，田河流域氣象干旱高發(fā)區(qū)主要分布在人口比較密集的縣城地區(qū)；干流流域?qū)儆跉庀蟾珊荡螖?shù)適中區(qū)，氣象干旱低發(fā)區(qū)則主要集中在開(kāi)孔河流域。

c.干旱歷時(shí)。氣象干旱歷時(shí)達(dá)到106～118天的地區(qū)比較少，主要集中在葉爾羌河流域的巴楚縣境內(nèi)，其他地區(qū)的干旱歷時(shí)分布比較均勻，大部分地區(qū)的干旱歷時(shí)介于61～90天，開(kāi)孔河流域的西部邊緣山區(qū)的干旱歷時(shí)最短，大約為45～60天。

d.干旱強(qiáng)度?！八脑匆桓伞钡臍庀蟾珊祻?qiáng)度指數(shù)大部分地區(qū)均在1.01～1.25之間，表明流域的氣象干旱平均強(qiáng)度基本處于中旱狀態(tài)，只有少數(shù)地區(qū)的氣象干旱指數(shù)介于0.8～1.0，這些地區(qū)零星地分布于開(kāi)孔河流域、和田河流域以及葉爾羌河流域，和田河和開(kāi)孔河的部分山區(qū)處于重度干旱狀態(tài)；總體而言，塔里木河的氣象干旱強(qiáng)度在空間上分布比較均勻，沒(méi)有較大的區(qū)域或者地域差別。

4 結(jié) 論

a.從時(shí)間上來(lái)看，塔里木河“四源一干”的氣象干旱呈逐漸減弱的變化特征，但某些流域表現(xiàn)出較為明顯的階段性特征，阿克蘇河流域、開(kāi)孔河流域以及干流流域的氣象干旱在上世紀(jì)70年代發(fā)生了突變。

b.從空間上來(lái)看，塔里木河“四源一干”的氣象干旱指數(shù)均呈顯著上升趨勢(shì)，僅在開(kāi)孔河流域部分地區(qū)呈下降趨勢(shì)；阿克蘇河、葉爾羌河和和田河流域?qū)儆诟珊蹈甙l(fā)區(qū)，開(kāi)孔河流域?qū)儆诟珊档桶l(fā)區(qū)；氣象干旱歷時(shí)最多的地區(qū)位于葉爾羌河流域的巴楚縣境內(nèi)；流域氣象干旱強(qiáng)度基本處于中旱狀態(tài)。

c.研究結(jié)果能為全面準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)流域干旱問(wèn)題提供幫助，并為后續(xù)其他類(lèi)型干旱的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。