新疆多時(shí)間尺度干濕變化特征分析

宋玉鑫，馬軍霞,2，左其亭,2,3，張志卓

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心，河南 鄭州 450001)

區(qū)域的干濕變化已受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，如何量化區(qū)域干濕狀況成為研究重點(diǎn)。由于干濕變化很大程度上與氣候變化相關(guān)，因此降水、溫度、徑流、蒸散發(fā)等水文要素常作為影響干濕現(xiàn)象的重要參數(shù)，并以其為基礎(chǔ)進(jìn)行干濕狀況量化，即計(jì)算干濕指數(shù)。目前常用的干濕指數(shù)包括Palmer干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)[1]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)[2]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index， SPEI)[3]等。PDSI是基于土壤水量供需平衡的原理計(jì)算得出的，計(jì)算過程涉及降水、徑流和土壤含水量等多個(gè)參數(shù)，計(jì)算過程復(fù)雜，且PDSI計(jì)算中的部分參數(shù)是基于美國中部地區(qū)得出的，對(duì)于其他地區(qū)適用性較差[4]；SPI的計(jì)算僅需要輸入降水?dāng)?shù)據(jù)，通過降水量出現(xiàn)的概率來評(píng)估研究區(qū)域的干濕強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)長，相比PDSI更簡便直觀，且可以測量地區(qū)不同時(shí)間尺度的干濕情況，但缺點(diǎn)在于考慮因素較少，如未考慮溫度等影響干濕情況的因素。近年來已有許多研究表明氣溫的上升對(duì)干濕情況有較大影響[5]，因此Vicente-Serrano等[6]提出了SPEI，通過潛在蒸散發(fā)量將溫度信息引入SPEI的計(jì)算，達(dá)到了結(jié)合PDSI和SPI兩者優(yōu)點(diǎn)的目的，且適用于多尺度和不同的氣候條件，因此該指標(biāo)可以有效表征不同區(qū)域的干濕現(xiàn)象并獲得了廣泛的應(yīng)用。Yang等[7]使用SPEI對(duì)加拿大干旱變化情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，與加拿大南部地區(qū)相比，北方地區(qū)的干旱時(shí)間更長；Wu等[8]研究了珠江流域SPEI演變情況，并分析了主要的驅(qū)動(dòng)因素；Shiru等[9]評(píng)估了尼日利亞SPEI變化對(duì)當(dāng)?shù)刈魑锏挠绊?，結(jié)果表明在作物的種植季節(jié)干旱更容易發(fā)生。

新疆位于我國西北部，屬于典型的干旱區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)量大。年平均降水量僅為147 mm，而年平均蒸發(fā)量達(dá)到了1 512 mm，對(duì)氣候變化的敏感程度很高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1961—2000年新疆發(fā)生了17次嚴(yán)重干旱和9次重大干旱[10]。普宗朝等[11]基于新疆101個(gè)氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)分析了新疆1961—2008年的干濕氣候時(shí)空變化特征，結(jié)果表明，1961—2008年新疆各地年干燥度指數(shù)均有不同程度的減小趨勢，新疆的氣候總體呈“變濕”趨勢；胡文峰等[12]采用新疆55個(gè)氣象站點(diǎn)的月數(shù)據(jù)，計(jì)算了不同時(shí)間尺度SPEI指數(shù)，結(jié)果表明，新疆區(qū)域保持西北濕、東南干的格局，局部干濕有差異且新疆的干旱多以輕度干旱為主。

目前，國內(nèi)對(duì)新疆區(qū)域進(jìn)行干濕研究多基于氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，但是站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域代表性較低，而CRU格點(diǎn)數(shù)據(jù)集具有較高的空間代表性和連續(xù)性[13]，可以更好地反映出區(qū)域干濕變化特征。鑒于SPEI能比較準(zhǔn)確反映新疆的干濕變化情況[14]，本文使用CRU數(shù)據(jù)集計(jì)算SPEI來分析新疆不同時(shí)間尺度的干濕時(shí)空變化情況，以期為新疆水資源規(guī)劃和管理提供參考。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 SPEI的計(jì)算

SPEI是使用月降水量和潛在蒸散發(fā)量的偏差來描述干旱狀態(tài)的指標(biāo)，能客觀地描述區(qū)域的干濕變化，具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[15]。為了反映研究區(qū)干濕變化的總體特征，分別計(jì)算月、季、年3種不同時(shí)間尺度下的SPEI(SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12)來探討新疆干濕變化的總體情況，其中3月尺度的SPEI-3是使用當(dāng)前月和前兩個(gè)月輸入要素的平均值來計(jì)算的，例如3月的SPEI-3代表1月、2月、3月的干濕變化情況，因此選用5月、8月、11月以及次年2月的SPEI-3來表示春夏秋冬四季的干濕情況，而選用12月的SPEI-12來表征年際變化。SPEI對(duì)應(yīng)的干濕等級(jí)[16-17]如下(SPEI的值用I表示)：I>2.00為極端濕潤，1.50

1.2 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)分析SPEI在年與四季的變化趨勢，Mann-Kendal非參數(shù)檢驗(yàn)不需要樣本遵從特定的分布，且不受少數(shù)異常值的干擾，定量化程度高，在檢驗(yàn)序列的變化趨勢方面有很大的優(yōu)勢，因此得到了廣泛的運(yùn)用[18-19]。

1.3 連續(xù)小波周期分析

小波變換可以將時(shí)間序列分解到時(shí)頻域中以表征信號(hào)局部特征，是分析變量時(shí)間序列周期性變化的有效工具。本文使用連續(xù)小波變換(continuous wavelet transform, CWT)分析月、季、年3種尺度的SPEI的周期變化特征。小波分析的主要思路是由基本小波函數(shù)(母小波)伸縮和平移而得到的小波族函數(shù)去逼近處理信號(hào)，從而將非平穩(wěn)的序列轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的時(shí)間序列，再對(duì)處理后的序列進(jìn)行分析研究，繼而總結(jié)出序列的變化周期及不同時(shí)間尺度下的變化趨勢。本文選用Morlet復(fù)小波作為母小波進(jìn)行分析，其優(yōu)勢在于可以提供連續(xù)、平滑的小波能量譜圖[20]。

1.4 數(shù)據(jù)來源

使用1963年1月至2018年12月的月尺度降水量與潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來計(jì)算SPEI，數(shù)據(jù)來源于英國東英吉利大學(xué)(University of East Anglia)氣候研究中心開發(fā)的CRU TS v4.03再分析數(shù)據(jù)集(http://www.cru.uea.ac.uk/data/)，其空間分辨率為 0.5°×0.5°。該數(shù)據(jù)集已通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和同質(zhì)性檢驗(yàn)，時(shí)間序列較長且具有較高的空間分辨率，在干旱分析中得到了廣泛的應(yīng)用[7，21]。該數(shù)據(jù)集的潛在蒸散發(fā)是使用FAO-56 Penman-Monteith方法計(jì)算的，具體計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 月、季、年尺度的SPEI時(shí)間變化

圖1為月、季、年尺度的SPEI時(shí)間變化趨勢?？傮w來看，SPEI在短時(shí)間尺度內(nèi)波動(dòng)頻繁，隨著時(shí)間尺度拉長，SPEI的變化情況變得穩(wěn)定，干濕狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間更長。本文以I<-1表示干旱事件開始，I>0表示干旱事件結(jié)束，-1≤I≤0表示地區(qū)處于干旱狀態(tài)，-1≤I≤0的時(shí)間長度為干旱持續(xù)時(shí)間[23]，對(duì)區(qū)域的干濕變化特征進(jìn)行分析。

a. SPEI-1為月尺度的干濕變化情況，在該尺度下，SPEI的干濕變化較為頻繁且振幅較大，其中最大值為1.93，出現(xiàn)在1988年5月，屬于嚴(yán)重濕潤狀態(tài)；最小值為-2.40，出現(xiàn)在1979年10月，屬于極端干旱狀態(tài)；1963—2018年SPEI-1平均值為 -0.04，屬于正常范圍。整體來看，在月尺度下共發(fā)生49次干旱事件，其中輕度干旱35次，嚴(yán)重干旱11次，僅發(fā)生了3次極端干旱事件，分別發(fā)生在1971年10月、1979年10月和1984年10月。由此可見極端干旱事件多發(fā)生在秋季，最長干旱持續(xù)時(shí)間發(fā)生在1964年10月至1965年6月，達(dá)9個(gè)月之久。

(a) SPEI-1

b. SPEI-3反映不同季節(jié)的干濕變化情況，在這一尺度下，1963—2018年共發(fā)生了21次干旱事件且均為輕度干旱。SPEI-3值主要在正常的范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為0.03，沒有嚴(yán)重以及極端干旱事件發(fā)生，干旱最長持續(xù)時(shí)間為13個(gè)月，于1963年2月開始到1964年2月結(jié)束。

c. SPEI-12為年尺度的干濕變化情況，在該尺度下，研究區(qū)干濕變化較為明顯，由SPEI-12的時(shí)間序列可以看出新疆在1963—2018年主要呈現(xiàn)由干旱向濕潤的轉(zhuǎn)變，在1988年后呈現(xiàn)暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的態(tài)勢，但是這種干旱與濕潤的變化并不平穩(wěn)，在年內(nèi)均存在著干濕變化的周期性震蕩。與SPEI-3相似，SPEI-12的時(shí)間序列在1963—2018年僅發(fā)生了30次輕度干旱事件，沒有嚴(yán)重以及極端干旱事件發(fā)生，最長的輕度干旱事件達(dá)21個(gè)月之久，持續(xù)時(shí)間為1985年9月至1987年5月。

施雅風(fēng)等[24]的研究表明，新疆于1987年前后出現(xiàn)了暖濕變化。這一現(xiàn)象的發(fā)生原因很可能是新疆在20世紀(jì)70—80年代降水量從減少階段轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾与A段，同時(shí)氣溫也一直上升，且在20世紀(jì)90年代增幅達(dá)到最大[25]。除了降水與溫度變化的影響外，季風(fēng)的影響也不可忽視。東亞地區(qū)有40%～50%降水量是由東亞季風(fēng)決定的，因此東亞夏季風(fēng)的水汽輸送對(duì)該地區(qū)的降水起著關(guān)鍵作用。已有的研究結(jié)果表明東亞夏季風(fēng)于1986年經(jīng)歷了一次突變[26]，這也與新疆發(fā)生干濕轉(zhuǎn)變的時(shí)間相近。

2.2 年和四季SPEI時(shí)空變化趨勢

整體來說，新疆SPEI在1963—2018年呈現(xiàn)以上升趨勢為主的變化，除了春季呈現(xiàn)顯著性上升趨勢的區(qū)域較少外，其他季節(jié)以及新疆全年呈現(xiàn)顯著性上升的區(qū)域主要分布在新疆北部；呈現(xiàn)下降趨勢的區(qū)域分布在新疆的東南以及西南等地，僅在春、秋、冬3季可以檢測出顯著下降趨勢，且主要集中在阿爾金山和昆侖山脈。

為了更好地分析新疆地區(qū)干濕的空間變化情況，使用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)來評(píng)估新疆年和四季的SPEI變化趨勢。圖2(a)為新疆年SPEI的變化情況，可以看出大部分地區(qū)SPEI為增長趨勢，其中顯著增長趨勢的區(qū)域主要集中在新疆西北部；在新疆西南及東南部的部分地區(qū)表現(xiàn)出下降趨勢，但顯著性并不明顯。

由圖2(b)～(e)可以看出，不同季節(jié)SPEI空間分布情況不一，但整體上看增長地區(qū)范圍明顯大于下降地區(qū)范圍。與其他季節(jié)相比，新疆春季(圖2(b))SPEI呈現(xiàn)顯著性上升的區(qū)域較少，集中分布在昌吉等地；下降趨勢的區(qū)域主要分布在新疆東部的阿爾金山以及哈密北部的部分地區(qū)，這些區(qū)域呈顯著的下降趨勢。夏季(圖2(c))新疆SPEI呈現(xiàn)顯著上升的區(qū)域主要分布在新疆的中部以及西南部的昆侖山脈等地區(qū)，呈下降趨勢的區(qū)域集中在新疆東南部，但均不顯著，其空間分布與圖2(a)基本一致。同春、夏季相比，秋(圖2(d))、冬(圖2(e))季新疆北部及南部等地區(qū)SPEI均呈現(xiàn)顯著性的增長趨勢，其中冬季尤為明顯，整個(gè)新疆北部地區(qū)基本都呈現(xiàn)顯著的增長趨勢；西南以及東南部等地則呈現(xiàn)下降趨勢，其中秋季昆侖山脈及阿爾金山脈等地區(qū)、冬季阿爾金山脈地區(qū)下降趨勢顯著。

2.3 周期分析

新疆不同尺度的SPEI計(jì)算結(jié)果表明，新疆地區(qū)的干濕變化波動(dòng)隨時(shí)間尺度增長而更加穩(wěn)定，年際變化更加明顯。20世紀(jì)80年代是新疆氣候由干燥變?yōu)闈駶櫟霓D(zhuǎn)折點(diǎn)。圖3為不同時(shí)間尺度SPEI的小波功率譜，其中U形代表小波影響椎(COI)，該范圍內(nèi)為有效譜值，粗黑線封閉區(qū)域(圖3(c)表明通過了顯著性水平5%條件下的紅噪聲譜檢驗(yàn)[27]。①從SPEI-1的小波功率譜可以看出，在1963—2018年不同時(shí)間段內(nèi)均存在著周期的變化，0.5～1.5 a周期在1965—1990年振蕩能量較強(qiáng)，在1980—2005年存在著1～3 a的周期變化，3～6 a周期可在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入21世紀(jì)后5～14 a 周期變化較為明顯；②SPEI-3周期變化情況基本與SPEI-1一致，20世紀(jì)80年代后期均存在振蕩能量強(qiáng)烈的區(qū)域，而在80年代之前振蕩能量較弱，僅在在20世紀(jì)70年代可檢測到1～3 a周期范圍內(nèi)的強(qiáng)烈周期振蕩，但大部分位于COI范圍外；③SPEI-12周期變化較為顯著，在1980—1998年、1980—1990年以及1990—2010年分別檢測出了2～4 a、4～8 a、8～16 a周期變化，整個(gè)研究期內(nèi)在 8～16 a周期上震蕩能量很強(qiáng)，但是僅在1990—2010年通過了95%的紅噪聲譜檢驗(yàn)。

(a) 年

(a) SPEI-1小波功率譜

總的來說，不同時(shí)間尺度的SPEI在20世紀(jì)80年代之前振蕩能量較小，進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后震蕩顯著，這種現(xiàn)象表明新疆在20世紀(jì)80年代中后期的由干旱向濕潤的轉(zhuǎn)變受到了SPEI周期變化的影響。

3 結(jié) 論

a. 新疆的干濕變化以1988年為界，發(fā)生從干旱向濕潤的轉(zhuǎn)變，有干旱緩解的趨勢。在月、季、年尺度上，新疆的干旱事件均多以輕度干旱為主，僅在月尺度上出現(xiàn)了個(gè)別極端干旱事件且發(fā)生時(shí)間多為秋季。

b. 新疆在年、季尺度上SPEI的變化以上升趨勢為主，除春季僅可在部分地區(qū)存在顯著上升趨勢外，其他季節(jié)新疆北部的大部分區(qū)域表現(xiàn)出顯著上升的趨勢，尤其是在冬季，幾乎整個(gè)北疆的上升趨勢均通過了95%的顯著性檢驗(yàn)；呈現(xiàn)下降趨勢的區(qū)域分布在新疆西南和東南等地，在阿爾金山脈和昆侖山脈可檢測到顯著下降趨勢。

c. 不同時(shí)間尺度的小波功率譜表明20世紀(jì)80年代后在2～4 a周期上存在振蕩能量強(qiáng)的區(qū)域，同時(shí)，20世紀(jì)90年代的高振蕩能量區(qū)多存在于8～16 a周期范圍內(nèi)，這表明新疆20世紀(jì)80年代后期由干旱向濕潤的轉(zhuǎn)變是年代與年代際變化共同影響的結(jié)果。