氣候變暖背景下中亞地區(qū)極端降水事件變化及其對(duì)植被覆蓋的影響

陸 晴, 劉根林, 閆 冰, 焦琳琳, 趙東升

(1.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院, 南昌 330013; 2.江西省科學(xué)院 能源研究所, 南昌 330096; 3.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 河北 唐山 063210; 4.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

當(dāng)前，全球氣候變化以氣候變暖為主要特征，1880—2012年，全球平均地表溫度升高了0.85℃，特別是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，升溫速率約為1880年以來(lái)的兩倍[1-2]。相關(guān)研究表明，全球氣候變暖及其導(dǎo)致的水循環(huán)改變將加劇極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度[3-4]，并將進(jìn)一步對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響[5-7]。近期在全球發(fā)生的極端氣候事件對(duì)植被生長(zhǎng)的影響研究有助于預(yù)估植被對(duì)氣候極值變化的彈性和敏感性[8]。在未來(lái)氣候變化下，極端氣候事件將進(jìn)一步對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)經(jīng)常用于表征植被覆蓋、生長(zhǎng)狀況和監(jiān)測(cè)植被動(dòng)態(tài)變化[9]，以及氣候變化對(duì)植被影響等方面的研究[10]。氣溫和降水通常被認(rèn)為是植被分布的最重要影響因子[11]，與氣候平均態(tài)相比，極端氣候?qū)χ脖桓采w的影響具有敏感度高、破壞性強(qiáng)、地域差異性更突出等特點(diǎn)[12]。Li等[13]研究了內(nèi)蒙古6個(gè)子區(qū)對(duì)極端氣候指數(shù)的響應(yīng)，結(jié)果顯示，NDVI與極端降水和極端低溫的變化趨勢(shì)一致，與極端高溫則相反。Liu等[14]基于GIMMS NDVI數(shù)據(jù)分析了全球植被變化及其對(duì)極端氣候的響應(yīng)，表明在亞馬遜及半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化最為顯著，對(duì)極端降水事件更為敏感。

在濕潤(rùn)的溫帶或寒溫帶地區(qū)，氣溫是植被生長(zhǎng)的主要限制因子，而在干旱半干旱地區(qū)或者干濕季差異較明顯地區(qū)，則降水對(duì)植被活動(dòng)具有顯著的脅迫性[13,15-16]。中亞地區(qū)地處干旱半干旱地帶，地形結(jié)構(gòu)和氣候狀況的相互作用形成了該地區(qū)較為復(fù)雜的景觀格局，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，對(duì)氣候變化響應(yīng)非常敏感[17-18]。中亞地區(qū)近130 a增溫幅度達(dá)0.073℃/10 a[19]，降水在1980s急劇增加，氣候變化導(dǎo)致中亞地區(qū)NDVI呈上升趨勢(shì)，灌叢分布面積增加[20]。Zhang等[21]指出，中亞地區(qū)極端降水指數(shù)除持續(xù)干旱日數(shù)(CDD)外，均呈顯著增加趨勢(shì)，特別是在東部山地和丘陵區(qū)。Xu等[22]研究表明中亞地區(qū)水是區(qū)域植被變化的主要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因素，夏季干旱事件導(dǎo)致大量植被退化，其中草原對(duì)水分脅迫最為敏感?？梢?jiàn)，對(duì)中亞地區(qū)的氣溫、降水、極端氣候變化及其對(duì)植被生長(zhǎng)的影響已有研究，該地區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)降水敏感程度較高，而生長(zhǎng)季極端降水對(duì)中亞地區(qū)植被覆蓋影響研究較缺乏。

本文利用線性趨勢(shì)法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、相關(guān)分析等方法，揭示1982—2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季極端降水事件、NDVI時(shí)空變化特征以及二者之間的相關(guān)性，以期能夠加深了解全球極端氣候事件長(zhǎng)期變化的地區(qū)差異性及植被覆蓋對(duì)極端氣候事件變化響應(yīng)的區(qū)域性，可以為干旱半干旱地區(qū)水資源管理、自然災(zāi)害的預(yù)防和減緩以及未來(lái)氣候變化預(yù)測(cè)提供幫助，有利于區(qū)域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

中亞地區(qū)(35.1°—55.5°N，46.4°—87.4°E)包括5國(guó)，分別為哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、土庫(kù)曼斯坦和塔吉克斯坦。中亞地區(qū)地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，為干旱、半干旱氣候，是北半球溫帶面積最大的干旱區(qū)[23]。地勢(shì)東南高、西北低，東部山區(qū)最大海拔高度超過(guò)7 000 m[16]，屬于典型的山盆結(jié)構(gòu)。受地勢(shì)差異影響，中亞地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型包括山地、綠洲和荒漠，對(duì)全球氣候變化響應(yīng)具有一定的特殊性和復(fù)雜性，主要土地利用類型為草原、裸地或低植被覆蓋地、開放灌叢等。

中亞地區(qū)降水主要依賴于大西洋濕潤(rùn)氣團(tuán)，年際變化格局不同于亞洲季風(fēng)區(qū)[24]。受極地急流和阿拉伯海氣流擾動(dòng)影響，季節(jié)降水具有一定的不確定性，再者，綠洲濕島效應(yīng)和副熱帶急流北移效應(yīng)共同作用形成了中亞地區(qū)的復(fù)雜氣候變化格局。1982—2014年中亞地區(qū)多年月NDVI、降水、氣溫均值變化特征見(jiàn)圖1，中亞地區(qū)氣溫1—12月呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，7月達(dá)到最大值，為23.5℃；降水在月度分配上波動(dòng)較大，最大值和最小值分別發(fā)生在4月(28.5 mm)和9月(11.4 mm)，春季降水量約占全年總降水量的32%，總體表現(xiàn)為雨熱不同期。植被生長(zhǎng)主要分布在4—10月，集中分布在5—9月，NDVI值在6月達(dá)到最大(0.33)，2月最小(0.10)。

圖1 1982-2014年中亞地區(qū)多年月NDVI、降水、氣溫均值變化特征

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

2.1.1 氣候數(shù)據(jù) 本文采用的日均溫和日降水氣候數(shù)據(jù)為全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Global Land Data Assimilation System)提供的GLDAS-2.0版本數(shù)據(jù)集，空間分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1 d，時(shí)間長(zhǎng)度序列為1982—2014年[25-26]。

2.1.2 NDVI數(shù)據(jù) 本文使用的NDVI數(shù)據(jù)為Global Inventory Modeling and Mapping Studies(GIMMS)提供的時(shí)間序列為1982—2014年的GIMMS NDVI 3g.v1.0數(shù)據(jù)集，是GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)的升級(jí)產(chǎn)品，在3 g數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上進(jìn)行了降噪處理。時(shí)間分辨率15 d，空間分辨率0.083°×0.083°，數(shù)據(jù)為nc格式，每個(gè)nc4文件包含6個(gè)月NDVI數(shù)據(jù)，共12景(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3 g.v1/)。

為進(jìn)一步消除大氣氣溶膠、云、陰影、太陽(yáng)高度角等對(duì)數(shù)據(jù)的影響[27]，采用最大合成法MVC(maximum Value Composites)生成月尺度NDVI值。本文生長(zhǎng)季為4—10月[11]，將生長(zhǎng)季各月NDVI求平均獲得每年生長(zhǎng)季NDVI均值。1982—2014年生長(zhǎng)季NDVI求平均，獲得多年生長(zhǎng)季NDVI均值柵格數(shù)據(jù)，為排除非植被因素的影響，剔除NDVI小于0.05的像元[28]，得到中亞地區(qū)的植被覆蓋區(qū)域。

2.2 研究方法

2.2.1 極端降水指數(shù)定義與計(jì)算 世界氣象組織工作組的氣候變化檢測(cè)和指數(shù)專家組(ETCCDI)試圖通過(guò)確定一套極端氣候指數(shù)來(lái)促進(jìn)對(duì)極端氣候的分析，這些氣候指數(shù)對(duì)溫度和降水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面概述，尤其側(cè)重于極端方面[29]。到目前為止，這些極端氣候指數(shù)已被研究者廣泛使用，不僅適用于全球研究[30]，也適用于區(qū)域研究[31-33]。本文采用了其中10個(gè)極端降水指數(shù)(表1)。

表1 極端降水指數(shù)的定義

2.2.2 變化趨勢(shì)及相關(guān)分析計(jì)算方法 為了解近33 a中亞地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫、降水量、極端降水以及NDVI的變化趨勢(shì)，采用線性回歸方法計(jì)算了各指標(biāo)的變化速率。利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法分析了中亞地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫、降水量、極端降水、NDVI在時(shí)間序列上的突變現(xiàn)象。基于SPSS 23.0和MATLAB 2017b軟件，采用相關(guān)分析方法，分析時(shí)間、空間上中亞地區(qū)各極端降水指數(shù)和植被覆蓋的相互關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 生長(zhǎng)季氣溫變化特征

1982—2014年中亞地區(qū)多年生長(zhǎng)季均溫在空間上表現(xiàn)為從東北到西南逐漸增溫趨勢(shì)(圖2A)，最大值達(dá)24.79℃，高溫區(qū)域主要分布在土庫(kù)曼斯坦地區(qū)，屬于典型的溫帶荒漠氣候；低溫區(qū)主要分布在高海拔山地和丘陵區(qū)，包括天山一帶、阿爾泰山區(qū)域及哈薩克丘陵。中亞地區(qū)增溫顯著，升溫幅度達(dá)0.43℃/10 a(p<0.001)(圖2B)。通過(guò)M-K非參數(shù)檢驗(yàn)方法，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季均溫在2003年發(fā)生突變，2003年以前生長(zhǎng)季氣溫上升趨勢(shì)較為緩慢(0.21℃/10 a)，2003年之后為較快增溫時(shí)期(0.53℃/10 a)。近33 a來(lái)，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫變化速率表現(xiàn)出一定的空間差異(圖2C)，約85%的區(qū)域呈現(xiàn)顯著增溫趨勢(shì)(p<0.05，顯著性分布見(jiàn)圖2D)，主要分布在中亞地區(qū)的西南部。最大增溫速率達(dá)0.69℃/10 a(p<0.01)，分布在哈薩克斯坦的西部地區(qū)。

圖2 1982-2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫時(shí)空變化特征

3.2 生長(zhǎng)季降水極值變化特征

3.2.1 生長(zhǎng)季降水量變化特征 中亞地區(qū)多年生長(zhǎng)季降水量均值從西南到東北呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)(圖3A)，西南部地區(qū)最小值僅為29.87 mm，最大值分布在阿爾泰山地區(qū)，達(dá)422.3 mm。近33 a，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季降水量均值為142.0 mm，多年來(lái)呈波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)，變化速率僅為2.3 mm/10 a(p>0.05)；通過(guò)10 a滑動(dòng)平均曲線可知(圖3B)，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季降水量在1982—1990年、1997—2002年、2008—2014年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在1990—1997年、2002—2008年為減少趨勢(shì)。圖3C顯示，近33 a中亞地區(qū)大部分地區(qū)降水量呈增加趨勢(shì)，約占總面積的71.8%，最大增加速率達(dá)20.5 mm/10 a，但通過(guò)顯著性分析發(fā)現(xiàn)(圖3D)，僅有小部分區(qū)域生長(zhǎng)季降水量呈顯著增加趨勢(shì)。

圖3 1982-2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季降水量時(shí)空變化特征

3.2.2 生長(zhǎng)季極端降水事件時(shí)間變化 1982—2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季各極端降水指數(shù)多年均值及變化速率見(jiàn)表2，各指數(shù)數(shù)值多年來(lái)均呈增加趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著。1日最大降水量(RX1day)在2003年發(fā)生突變，2003年之后增量更為明顯，而5日最大降水量(RX5day)突變年份發(fā)生在1998年、1998年之后均值更大但存在減小趨勢(shì)，變化速率為-0.32 mm/10 a?？偨邓?PRCPTOT)和降水強(qiáng)度(SDII)的突變年份也出現(xiàn)在1998年，突變年份之后時(shí)間段內(nèi)降水總量和強(qiáng)度均值較之突變年份之前均有增加，分別增加了約10，0.3 mm；突變年份之后降水總量和強(qiáng)度變化速率均呈減小趨勢(shì)。中雨日數(shù)(R10)多年均值約為3 d，在1998年突變前后速率均為減少趨勢(shì)，1998年后均值較大；大雨日數(shù)(R20)變化可分為3個(gè)階段：1982—1998年、1999—2007年和2008—2014年，均值分別為0.513，0.646，0.604 d，1999—2007年均值最大，但在該階段內(nèi)存在減小趨勢(shì)，變化速率為-0.23 d/10 a。持續(xù)干旱日數(shù)(CDD)的多年均值為50 d，而持續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)(CWD)僅為2.88 d，且CDD的增加速率大于CWD；CDD不存在突變點(diǎn)，CWD在1993年發(fā)生突變，突變后均值和變化速率較突變前均變小，表明中亞地區(qū)持續(xù)干旱時(shí)間更長(zhǎng)，降水更為集中。強(qiáng)降水量(R95p)和極強(qiáng)降水量(R99p)的突變年份均發(fā)生在1999年，后期強(qiáng)降水量均值更大，但是變化趨勢(shì)呈逐漸降低。

表2 1982-2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季極端降水事件時(shí)間變化特征

綜合來(lái)看，大部分極端降水指數(shù)在20世紀(jì)90年代產(chǎn)生突變，且大多數(shù)發(fā)生在1998年和1999年，表明極端降水事件在20世紀(jì)末前后有較大變化，具體表現(xiàn)為表征降水總量、降水強(qiáng)度的指數(shù)在21世紀(jì)來(lái)多年均值大于20世紀(jì)，但是表征降水日數(shù)的CWD多年均值則為變小，說(shuō)明21世紀(jì)以來(lái)中亞地區(qū)生長(zhǎng)季降水更為集中。21世紀(jì)以來(lái)，雖然降水總量和降水強(qiáng)度更大，但是變化速率總體呈逐漸減小趨勢(shì)。

3.2.3 生長(zhǎng)季極端降水事件空間變化 1982—2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季極端降水指數(shù)除CDD外，各指數(shù)的多年均值空間分布特征與多年生長(zhǎng)季降水量均值較為一致，哈薩克斯坦北部行政邊緣地帶、天山一帶地區(qū)和阿爾泰山區(qū)域的值較大。近33 a來(lái)，極端降水指數(shù)變化速率空間分布特征見(jiàn)圖4，RX1day和RX5day空間異質(zhì)性較強(qiáng)，最大增加速率分別為0.65，0.82 mm/a，分布在天山一帶的南端地區(qū)，主要在哈薩克斯坦局部地區(qū)呈顯著增加趨勢(shì)。PRCPTOT在天山一帶呈增加趨勢(shì)，最大值為2.0 mm/a，但是在降水量較多的哈薩克斯坦北部行政邊緣地帶和阿爾泰山地區(qū)PRCPTOT呈減小態(tài)勢(shì)，但未通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；SDII增加速率的高值區(qū)主要分布在溫度較高而降水較少的干旱荒漠灌叢區(qū)，最大增加速率為0.11 mm/(d·a)，通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域面積大于其他極端降水指數(shù)，表明中亞地區(qū)多地降水更為集中，日降水量更強(qiáng)。R10和R20增加速率的高值區(qū)主要分布西伯利亞平原、哈薩克丘陵和天山一帶地區(qū)，表明這些區(qū)域中雨和大雨日數(shù)增加，但是在哈薩克斯坦西北部的降水量高值區(qū)則為減小趨勢(shì)。CDD在烏茲別克斯坦地區(qū)增加速率最大，達(dá)2.0 d/a，干旱荒漠灌叢區(qū)持續(xù)干旱天數(shù)增加；CWD變化速率的空間異質(zhì)性較強(qiáng)，呈增加和減少趨勢(shì)的區(qū)域面積相當(dāng)，在降水量高值區(qū)表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。圖4I—J顯示，R99p的增加速率明顯大于R95p，主要分布在哈薩克斯坦地區(qū)和中亞地區(qū)的東南部，在哈薩克斯坦中部部分地區(qū)通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，表明降水量的強(qiáng)度變得更大。與降水量的變化速率空間分布相比，除CDD之外，各極端降水指數(shù)呈增加趨勢(shì)的范圍更大，且通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域更廣。

圖4 1982-2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季極端降水事件變化速率的空間分布特征

3.3 NDVI變化特征及其對(duì)極端降水事件的響應(yīng)

3.3.1 生長(zhǎng)季NDVI變化特征 1982—2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI均值空間分布特征與生長(zhǎng)季降水量多年均值較為一致(圖5A)，由西南到東北呈逐漸增加趨勢(shì)，均值超過(guò)0.4的區(qū)域主要分布在哈薩克斯坦北部行政界線邊緣、天山一帶地區(qū)以及阿爾泰山區(qū)域，面積約占中亞地區(qū)總面積的59%。中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI多年均值為0.276，從時(shí)間變化特征來(lái)看(圖5B)，變化不明顯，呈略微下降趨勢(shì)；通過(guò)10 a滑動(dòng)平均曲線可知，1982—1990年植被覆蓋呈顯著增加趨勢(shì)(0.026/10 a，p<0.05)，1991—2003年為穩(wěn)定期，2003年之后變?yōu)檩^快減少時(shí)期(-0.027/10 a，p>0.05)，最大值出現(xiàn)在1993年，其值為0.293；經(jīng)過(guò)M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，近33 a來(lái)生長(zhǎng)季NDVI均值變化無(wú)顯著突變點(diǎn)。

近33 a來(lái)，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI變化速率空間分布如圖5C所示，增加速率高值區(qū)主要分布在中亞地區(qū)的東南部和東部地區(qū)，地屬天山、阿爾泰山及哈薩克丘陵區(qū)域一帶，年最大增加速率達(dá)0.02(p<0.05)；呈顯著減小速率的區(qū)域主要分布中亞地區(qū)的中西部和北部地區(qū)，前者為干旱荒漠灌叢區(qū)，后者為半干旱草原區(qū)，年最大減小速率為-0.015(p<0.05)。結(jié)合氣溫、降水均值和變化速率可知，生長(zhǎng)季NDVI增加速率高值區(qū)出現(xiàn)在氣溫低、降水量多的區(qū)域，而低值區(qū)則在增溫顯著、降水量少的區(qū)域。

3.3.2 生長(zhǎng)季極端降水事件對(duì)植被覆蓋的影響 中亞地區(qū)生長(zhǎng)季極端降水指數(shù)、生長(zhǎng)季均溫(TEMP)與NDVI進(jìn)行相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。極端降水指數(shù)除CDD外均與生長(zhǎng)季NDVI呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.4，特別是RX5day，SDII，R10，R20，R99p，與NDVI的關(guān)系為極顯著正相關(guān)(p<0.01)，表明表征降水頻度和降水強(qiáng)度的極端降水事件對(duì)植被覆蓋的影響更為強(qiáng)烈。CDD和生長(zhǎng)季均溫(TEMP)與NDVI之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)(p>0.05)，但是通過(guò)偏相關(guān)分析可知，CDD，TEMP與NDVI之間為顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.429，-0.477(p<0.05)，表明持續(xù)干旱和升溫作用會(huì)降低中亞地區(qū)植被的覆蓋度。

表3 1982-2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與極端降水事件在時(shí)間尺度上的相關(guān)系數(shù)

1982—2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與各極端降水指數(shù)之間通過(guò)顯著檢驗(yàn)(p<0.05)的相關(guān)系數(shù)空間分布特征見(jiàn)圖6。RX1day，RX5day與NDVI的相關(guān)系數(shù)在空間分布上較為一致(圖6A—B)，但是RX5day與NDVI呈正相關(guān)的區(qū)域面積更大(約占總面積84.4%)，特別在西伯利亞平原和哈薩克丘陵部分區(qū)域呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，最大相關(guān)系數(shù)為0.75，RX1day與NDVI的最大相關(guān)系數(shù)為0.69。PRCPTOT與NDVI呈正相關(guān)的分布范圍大(圖6C)，約占中亞地區(qū)總面積的90%，最大相關(guān)系數(shù)為0.81，在哈薩克斯坦北部行政區(qū)劃線邊緣、阿爾泰山以及天山一帶地區(qū)，PRCPTOT與NDVI呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；SDII與NDVI相關(guān)系數(shù)的空間分布(圖6D)與RX1day，RX5day較一致，最大相關(guān)系數(shù)為0.75，通過(guò)0.05顯著水平檢驗(yàn)的區(qū)域主要分布在哈薩克斯坦北部及天山一帶南端地區(qū)。R10，R20與NDVI呈正相關(guān)的區(qū)域面積分別占總面積的85.6%，77.9%(圖6E—F)，R10與NDVI的相關(guān)性通過(guò)0.05顯著水平檢驗(yàn)的區(qū)域主要分布在哈薩克斯坦北部及天山一帶地區(qū)，而R20則分布較為零散。CDD與NDVI之間的相關(guān)關(guān)系主要為負(fù)相關(guān)(圖6G)，約占中亞地區(qū)總面積的59.2%，最大負(fù)相關(guān)系數(shù)為0.65(p<0.05)，分布在哈薩克斯坦的圖爾蓋高原；CWD與NDVI相關(guān)系數(shù)的空間分布異質(zhì)性較大(圖6H)，正相關(guān)系數(shù)高值區(qū)主要分布在阿爾泰山區(qū)域(p<0.05)。R95p，R99p與NDVI呈正相關(guān)的相關(guān)系數(shù)在空間分布上較為一致(圖6I—J)，主要分布在天山一帶、哈薩克丘陵及哈薩克斯坦北部的邊緣地區(qū)，R95p，R99p與NDVI呈顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占總面積的22.5%，17.3%。

圖6 1982-2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與極端降水各指數(shù)之間通過(guò)顯著檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的空間分布特征

4 討 論

全球正在經(jīng)歷以氣候變暖為主要特征的氣候變化，中亞氣溫變化在20世紀(jì)80年代初期發(fā)生突變[19]，出現(xiàn)較大增溫趨勢(shì)，1982—2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫的變化速率為0.43℃/10 a，與Hu等[34]的研究結(jié)果較為一致，顯著高于北半球陸地(0.3℃/10 a)和周邊地區(qū)的升溫速率。中亞地區(qū)降水量在1960s之后變化不顯著[21]，本研究結(jié)果與之較為一致，降水量呈略微增加趨勢(shì)(p>0.05)。極端降水事件呈增加趨勢(shì)，大部分極端降水指數(shù)在1990s出現(xiàn)突變點(diǎn)，自21世紀(jì)以來(lái)，量值相較于20世紀(jì)80，90年代更大，與Li等[20]的研究結(jié)果一致，而Zhang等[21]研究發(fā)現(xiàn)極端降水事件在1957年發(fā)生突變；空間分布上，Zhang等[21]研究結(jié)果表明東部高山和丘陵區(qū)降水量和極端降水指數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，中部荒漠區(qū)則減緩，但是本研究發(fā)現(xiàn)中亞地區(qū)中部增加更為顯著，研究結(jié)果差異可能由研究時(shí)段及年內(nèi)時(shí)長(zhǎng)不同導(dǎo)致。

長(zhǎng)期的植被生長(zhǎng)取決于降水的連續(xù)性和一致性較多，因此極端降水事件會(huì)在一定程度上影響植被生長(zhǎng)。本研究分析了1982—2014年中亞地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫、各極端降水指數(shù)與NDVI之間的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)相關(guān)分析可知，中亞地區(qū)植被覆蓋與除代表干旱的CDD之外的其他極端降水指數(shù)均呈顯著正相關(guān)，特別是與RX5day，SDII，R10，R20，R99p呈極顯著正相關(guān)，與生長(zhǎng)季均溫相關(guān)較弱，表明NDVI對(duì)降水變化響應(yīng)的敏感性較高，高溫、干旱事件對(duì)中亞地區(qū)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。殷剛[16]、韓其飛[35]等的研究結(jié)果也表明，中亞地區(qū)植被覆蓋與降水的相關(guān)性較高，而與氣溫關(guān)系則較弱，結(jié)果顯示在中亞地區(qū)降水是植被生長(zhǎng)的主要限制因子。

中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI在1980s呈顯著上升趨勢(shì)，1990s為較為穩(wěn)定期，研究結(jié)果與Mohammat等[28]的較為一致，而進(jìn)入21世紀(jì)之后為較快下降期[35]，這可能是因?yàn)槌鼵DD外，各極端降水指數(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)前后發(fā)生突變，突變后各極端降水指數(shù)的變化速率減小，特別是與NDVI呈極顯著正相關(guān)的RX5day，SDII，R20，R99p，這4個(gè)極端降水指數(shù)的變化速率在突變點(diǎn)之前為增加趨勢(shì)，之后則為減少趨勢(shì)，表現(xiàn)為強(qiáng)度增強(qiáng)，而頻次減少。自21世紀(jì)以來(lái)，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季降水量變化不顯著，而NDVI呈減少趨勢(shì)，說(shuō)明極端降水事件的減少對(duì)中亞地區(qū)植被的生長(zhǎng)起到抑制作用。進(jìn)入21世紀(jì)后，半干旱草原地區(qū)的生長(zhǎng)季NDVI減小更為突出[16]，在氣候變暖背景下，年潛在蒸散量遠(yuǎn)大于年降水量[36-37]，半干旱生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文氣候變化的敏感性最高，超過(guò)了干旱和潮濕的生態(tài)系統(tǒng)，這一結(jié)果證明了半干旱生態(tài)系統(tǒng)在極端氣候條件下的脆弱性以及未來(lái)特大干旱事件可能喪失的生態(tài)系統(tǒng)彈性[38]。通過(guò)各極端降水指數(shù)與NDVI相關(guān)系數(shù)及顯著性水平的空間分布可知，呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在降水高值區(qū)，且與生長(zhǎng)季降水量與NDVI相關(guān)系數(shù)分布圖較為一致[16]，Li等[13]研究也表明荒漠草原和草原荒漠植被對(duì)極端氣候事件的敏感性較低。

本研究分析了中亞地區(qū)生長(zhǎng)季極端降水事件的時(shí)空變化特征及其對(duì)生長(zhǎng)季NDVI的影響，雖然在干旱半干旱地區(qū)，降水是植被生長(zhǎng)的主要影響氣候因子[39]，但是極端氣溫事件在一定程度上會(huì)促進(jìn)或抑制植被生長(zhǎng)，特別是春季氣溫影響更為強(qiáng)烈[28]，因此，需要進(jìn)一步分析中亞地區(qū)極端氣溫事件變化特征以及不同季節(jié)植被覆蓋對(duì)極端氣候事件的響應(yīng)。

5 結(jié) 論

(1) 近33 a來(lái)，在中亞地區(qū)生長(zhǎng)季均溫顯著上升背景下，生長(zhǎng)季降水量及各極端降水指數(shù)呈略微上升趨勢(shì)。除CDD外，其他極端降水指數(shù)都發(fā)生了氣候突變，大部分集中在1998年和1999年，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，極端降水總量和強(qiáng)度較之前均增大，但持續(xù)濕潤(rùn)時(shí)長(zhǎng)變小，降水發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率更大。

(2) 生長(zhǎng)季極端降水指數(shù)空間分布特征與降水量較為一致，表現(xiàn)為從西南到東北逐漸增加，高值區(qū)分布在哈薩克斯坦北部行政區(qū)劃線邊緣以及東部阿爾泰山、天山等高山丘陵區(qū)。大部分地區(qū)的生長(zhǎng)季降水量呈增加趨勢(shì)，所占面積超過(guò)中亞地區(qū)總面積的70%；除CDD外，各極端降水指數(shù)呈增加趨勢(shì)的區(qū)域比降水量更大，且通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)的范圍更廣，呈顯著增加趨勢(shì)的區(qū)域主要集中在哈薩克斯坦中部地區(qū)。

(3) 近33 a來(lái)，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI變化速率呈略微下降趨勢(shì)，多年均值空間分布與生長(zhǎng)季降水量較為一致，增加速率高值區(qū)為低溫高降水量地區(qū)，減少速率高值區(qū)則為干旱顯著增溫地區(qū)。通過(guò)相關(guān)分析表明，除CDD外，中亞地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與各極端降水指數(shù)均呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，特別是RX5day，SDII，R10，R20，R99p，為極顯著正相關(guān)(p<0.01)，即極端事件越強(qiáng)，影響作用越大；偏相關(guān)分析結(jié)果顯示，生長(zhǎng)季NDVI與CDD和TEMP為顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，持續(xù)干旱和升溫作用對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

(4) 生長(zhǎng)季NDVI與各極端降水指數(shù)相關(guān)系數(shù)的空間分布特征顯示，除CDD外，相關(guān)系數(shù)高值區(qū)主要分布哈薩克斯坦北部行政區(qū)劃線邊緣地區(qū)以及哈薩克丘陵、阿爾泰山和天山一帶的高海拔地區(qū)，這些區(qū)域也是降水量高值區(qū)，表明在降水量高值區(qū)，極端降水事件對(duì)植被生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。