近57年來(lái)黃土高原干旱特征及其與大氣環(huán)流的關(guān)系

王佳瑞, 孫從建,*, 鄭振婧, 李曉明

1 山西師范大學(xué),地理科學(xué)學(xué)院, 臨汾 041000 2 山西省資源環(huán)境與信息化管理院士工作站, 臨汾 041000

干旱是一種水量長(zhǎng)期相對(duì)虧缺的自然現(xiàn)象[1],現(xiàn)已成為全世界共同面對(duì)并急需解決的難題。干旱有著發(fā)生面積廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大的特點(diǎn)[2],會(huì)導(dǎo)致區(qū)域水資源短缺,水資源供需矛盾加劇,生物多樣性銳減,農(nóng)作物減產(chǎn)等嚴(yán)重后果,是影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展及人民生活水平的重要桎梏。因此,認(rèn)識(shí)并分析區(qū)域干旱時(shí)空分布特征對(duì)保障國(guó)家的糧食生產(chǎn)安全及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

目前,常用的干旱指標(biāo)的計(jì)算方法有帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index,PDSI)[4]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI)[5]和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)[6]等。其中,PDSI由Palmer在1965年提出[7],是一種基于地表水分平衡原理的干旱指標(biāo),但其計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜,在干旱定義上具有較強(qiáng)的主觀性,不宜大范圍使用[8]；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)由Mckee在1993年提出[9],該方法簡(jiǎn)單易行且可以多尺度呈現(xiàn),只需運(yùn)用降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,但在全球氣候變暖的大環(huán)境下,氣溫同樣成為干旱指標(biāo)的重要依據(jù),基于此Vicente-Serranotal等人在2010年提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[10],其以SPI為基礎(chǔ),綜合了SPI和PDSI的優(yōu)點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景[11]。應(yīng)用不同的干旱指數(shù),研究者在歐洲、亞洲、美洲等地開展了眾多關(guān)于區(qū)域干旱的評(píng)估,同時(shí)近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)黃河流域的干旱時(shí)空特征及其影響因素做了部分研究：王飛等[12]運(yùn)用SPEI指數(shù)發(fā)現(xiàn)黃河流域近年來(lái)干旱呈增加趨勢(shì)；孫藝杰等[13]發(fā)現(xiàn)1960—2016年黃土高原的干旱與SPEI指數(shù)呈整體下降趨勢(shì),且利用主成分分析法得出印度洋偶極子指數(shù)(Indian Ocean Dipole Index,IOD)對(duì)黃土高原干旱解釋率較高；裴文濤等[14]發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)的強(qiáng)弱對(duì)河西地區(qū)的干旱事件有一定影響。同時(shí)相關(guān)研究表明,大尺度環(huán)流對(duì)氣候也有一定的影響：趙盼盼等[15]研究發(fā)現(xiàn)ENSO對(duì)渭河利于氣象具有顯著影響；馬京津等[16]發(fā)現(xiàn)東亞夏季風(fēng)的南風(fēng)北界的年際變化對(duì)華北地區(qū)水汽輸送有重要影響；趙思文等[17]發(fā)現(xiàn)太平洋年代際振蕩指數(shù)(Pacific Interdecadal Oscillation Index,PDO)和ENSO對(duì)我國(guó)華北地區(qū)夏季降雨存在關(guān)聯(lián)；趙樹云等[18]發(fā)現(xiàn)華北雨季降雨的多少與厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象的變換有關(guān)。現(xiàn)有的研究主要聚焦于個(gè)別典型區(qū)域的干旱評(píng)價(jià),涉及整個(gè)黃土高原的相關(guān)研究使用的方法也僅僅局限于單一指標(biāo),缺少針對(duì)不同地形區(qū)的多指標(biāo)評(píng)價(jià),需要加強(qiáng)不同干旱指數(shù)的適用性和對(duì)比研究。在全球氣候變化背景下,區(qū)域干旱特征與大氣環(huán)流間的關(guān)系目前尚不清楚。

黃土高原的地理位置十分重要,地處我國(guó)季風(fēng)與非季風(fēng)的交匯處,屬干旱與半干旱地區(qū)[19],降水變率大且降水多集中在夏秋兩季[20]。由于自然因素和人為因素[21-22]的共同作用,導(dǎo)致該區(qū)域干旱頻發(fā),區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。因此研究黃土高原干旱時(shí)空分布特征及其與大尺度環(huán)流間的相互關(guān)系已成為決策者迫切關(guān)注的焦點(diǎn),這對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)、農(nóng)業(yè)方針的制定以及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估都具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

黃土高原(圖1)地處中國(guó)中部偏北,主要包括日月山以東,太行山以西,秦嶺以北,長(zhǎng)城以南的地區(qū)[23],橫跨山西、陜西、甘肅、青海、內(nèi)蒙古、寧夏及河南等7個(gè)省及自治區(qū)。黃土高原主要有河套平原、汾渭平原、寧夏平原、太行山地、呂梁山地、中部丘陵溝壑區(qū)、西部山地區(qū)組成,地處我國(guó)第二級(jí)階梯上[24]。研究區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候,半濕潤(rùn)半干旱區(qū),降雨主要集中在夏秋兩季,降水變率大,植被主要以溫帶落葉闊葉為主,該區(qū)同時(shí)也是世界上最大的黃土堆積區(qū),水土流失嚴(yán)重,加上人類不合理的亂砍亂伐,使得黃土高原成為生態(tài)環(huán)境最為脆弱的區(qū)域,是全國(guó)水土保持綜合治理的重點(diǎn)區(qū)域[25]。該地區(qū)自然災(zāi)害頻發(fā),尤其以干旱和洪澇最為突出。

圖1 黃土高原范圍及不同地形區(qū)的劃分圖Fig.1 Range of the Loess Plateau and division of different terrain areas

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的氣象數(shù)據(jù)下載自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),包括1961—2017年研究區(qū)及臨近的52個(gè)站點(diǎn)(圖1)的逐日降水量、平均風(fēng)速、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、年內(nèi)日序數(shù)等。計(jì)算得到該區(qū)域57年的SPI6、SPEI6、SPI12和SPEI12的值,并整理出不同地形區(qū)不同干旱指標(biāo)的值。氣象環(huán)流因子數(shù)據(jù)：西太平洋指數(shù)(WPI)、太平洋北美指數(shù)(PNA)、北大西洋濤動(dòng)(NAO)、厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)、北極濤動(dòng)(AO)、大西洋多年代際振蕩(AMO)下載于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA氣象預(yù)報(bào)中心。

2.2 研究方法

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI是美國(guó)科學(xué)家McKee在1993年開發(fā)的干旱指數(shù)[9],該指數(shù)采用分布概率來(lái)描述降水量變化,然后再對(duì)偏態(tài)概率分布的降水量進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理,求得 SPI 值[26- 27]。

2.2.2標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

由Vicente-Serranotal等人在2010年提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI是一個(gè)同時(shí)考慮了降水和蒸散的干旱指數(shù)[10]。蒸散量采用Penman-Monteith模型計(jì)算,通過(guò)計(jì)算逐月降水量與潛在蒸散的差值,建立不同時(shí)間尺度的水分盈虧累積序列,由于存在正負(fù)數(shù)值,采用三個(gè)的參數(shù)log-logistic概率分布函數(shù)對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到相應(yīng)的多尺度SPEI指數(shù),具體計(jì)算過(guò)程參見文獻(xiàn)[28]。本文將SPI和SPEI按照表1進(jìn)行了等級(jí)劃分。

表1 SPI/SPEI干旱等級(jí)劃分

2.2.3區(qū)域干旱評(píng)估指標(biāo)

從干旱發(fā)生頻率[29]、干旱發(fā)生站次比[30]和區(qū)域干旱強(qiáng)度[31]等3個(gè)方面評(píng)價(jià)較大范圍內(nèi)的區(qū)域干旱變化。

2.2.4交叉小波變換

本文運(yùn)用交叉小波變換[32-33](XWT)來(lái)分析不同尺度的干旱指標(biāo)與大氣環(huán)流(WPI、PNA、NAO、ENSO、AO、AMO)因子之間的關(guān)系。

3 結(jié)果分析

3.1 不同指標(biāo)的干旱時(shí)間變化特征

圖2顯示,1961—2017年四個(gè)干旱指標(biāo)起伏明顯,旱澇交替頻繁,但整體都呈下降趨勢(shì),說(shuō)明研究區(qū)整體呈現(xiàn)變干旱的趨勢(shì),以1999年為節(jié)點(diǎn)劃分為兩個(gè)階段：1961—1999年干旱發(fā)生較少,2000—2017年進(jìn)入全面干旱期,旱澇指數(shù)基本上屬于低位振蕩,但整體上有降低的趨勢(shì)。

過(guò)去57年間,基于SPI6指標(biāo)分析顯示(圖2),在1999年、2000年和1997年研究區(qū)呈現(xiàn)干旱,SPI6指數(shù)分別達(dá)到-0.67、-0.65、-0.55,但屬于輕旱；基于SPI12指標(biāo)分析顯示(圖2),在1966年(-0.77)、1987年(-0.64)、2000年(-0.76)、2001年(-0.51)和1992年(-0.50)發(fā)生干旱,均屬于輕旱級(jí)別。

圖2 1961—2017年黃土高原SPI6、SPI12、SPEI6、SPEI12變化圖Fig.2 SPI6, SPI12, SPEI6, and SPEI12 changes in the Loess Plateau from 1961 to 2017 SPI:標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)Standardized Precipitation Index;SPEI:標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)Standardized Precipitation Evapotranspiration Index

SPEI指數(shù)的下降速率較SPI更為明顯,但兩種SPEI指標(biāo)都呈現(xiàn)自1999年增加的趨勢(shì),表明研究區(qū)自1999年以來(lái),干旱頻次有增加的趨勢(shì),其中1999年是這一時(shí)期最為干旱的一年。

SPI和SPEI兩種指標(biāo)的尺度對(duì)干旱的反映程度有所不同,時(shí)間尺度越大,干旱變化幅度越小,其值變化程度也較小。研究區(qū)在1961—2017年間,SPEI6指標(biāo)下出現(xiàn)干旱的年數(shù)為8年,而基于SPI6指標(biāo)出現(xiàn)的年份為4年,因此SPEI6較SPI6相比,計(jì)算結(jié)果偏重,干旱變化趨勢(shì)更為明顯,干旱程度更深,干旱的年份也更多。SPEI12與SPI12也呈現(xiàn)同樣的結(jié)果,這可能是因?yàn)镾PEI指標(biāo)考慮了蒸散發(fā)因素的關(guān)系。而相同時(shí)間尺度的干旱指標(biāo)間具有較為相似的變化趨勢(shì)。根據(jù)《氣象災(zāi)害大典》的記載[34],黃土高原在1972、1974、1977、1978、1980、1986、1997和1999年為干旱較為頻繁的年份,本文研究發(fā)現(xiàn)基于SPEI12指標(biāo)在1966、1978、1980、1986、1999、2000、2005、2006和2009年發(fā)生干旱,基本符合《氣象災(zāi)害大典》的實(shí)際情況,這說(shuō)明SPEI12比較適合作為該區(qū)域進(jìn)行干旱研究的指標(biāo)。

3.2 不同指標(biāo)下的年度干旱特征

從整體來(lái)看(圖3),研究區(qū)不同干旱指標(biāo)的站次比和干旱強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì),這說(shuō)明研究區(qū)1961—2017年間發(fā)生干旱的覆蓋范圍和干旱發(fā)生的強(qiáng)度都呈增加趨勢(shì),且二者呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性,不同指標(biāo)的分析結(jié)果顯示：

基于SPI6分析顯示(圖3),該區(qū)域只有1999年和2000年發(fā)生全域性干旱,分別有59.65%和54.39%的站點(diǎn)出現(xiàn)干旱,有11年出現(xiàn)區(qū)域性干旱,有5年出現(xiàn)部分區(qū)域性干旱,有15年出現(xiàn)局域性干旱；干旱強(qiáng)度最高值出現(xiàn)在2000年(0.65)和1999年(0.60)最高,均屬于輕度干旱,研究區(qū)大部分地區(qū)干旱強(qiáng)度不明顯。基于SPI12分析顯示,發(fā)生全域性干旱的年份有1966年、1987年和2000年(其中1966年的站次比達(dá)到63.16%),有12年出現(xiàn)區(qū)域性干旱,有8年出現(xiàn)部分區(qū)域性干旱,有15年出現(xiàn)局域性干旱；干旱強(qiáng)度以2000年(1.15)和1982年(1.10)最高,屬中度干旱。

基于SPEI6分析顯示(圖3),有5年出現(xiàn)全域性干旱(1999年最高,為75.44%),有8年出現(xiàn)區(qū)域性干旱,有4年出現(xiàn)部分區(qū)域性干旱,有12年出現(xiàn)局域性干旱；從干旱強(qiáng)度看,研究區(qū)未發(fā)生重度、中度干旱,只有部分年份發(fā)生輕度干旱(1999年最高,為0.95),大部分年份干旱不明顯?；赟PEI12分析顯示,有9年出現(xiàn)全域性干旱(1966年最高,為68.42%),有11年發(fā)生區(qū)域性干旱,有5年發(fā)生部分區(qū)域性干旱,有11年出現(xiàn)局域性干旱；干旱強(qiáng)度以1966年(0.90)最高,屬輕度干旱。

圖3 1961—2017年黃土高原區(qū)SPI6、SPI12、SPEI6、SPEI12站次比和干旱強(qiáng)度變化Fig.3 Based on the SPI6, SPI12, SPEI6, and SPEI12 indicators, the change of the percent of drought station and drought strength during 1961—2017 in the Loess Plateau Area

綜上,SPEI6較SPI6相比,年際變化趨勢(shì)、站次比及干旱強(qiáng)度的高值出現(xiàn)年份都極為相似,但SPEI6的站次比和干旱強(qiáng)度的變化幅度更劇烈?；赟PEI6,研究區(qū)出現(xiàn)全域性干旱的年份有5年,而基于SPI6指標(biāo)只有3年,且SPEI6干旱覆蓋范圍更大,最大站次比為75.44%,而SPI6指標(biāo)最大站次比只有59.65%。SPI12與SPEI12比較發(fā)現(xiàn),站次比和干旱強(qiáng)度二者變化趨勢(shì)亦大致相同,都在1966年達(dá)到頂峰,但SPEI12的全域性干旱的年份為9年,峰值更高,為68.42%,而基于SPI12對(duì)應(yīng)的只有3年和63.16%。但是干旱強(qiáng)度卻是SPI12更高,多個(gè)年份出現(xiàn)中度干旱,而基于SPEI12指標(biāo)未出現(xiàn)中度干旱。

3.3 不同地形區(qū)域各干旱指標(biāo)的比較

以往研究表明,黃土高原內(nèi)部不同地形區(qū)域氣候變化差異顯著[32],通過(guò)對(duì)于研究區(qū)不同地形區(qū)多種干旱指標(biāo)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)(圖4、圖5),基于SPI6和SPEI6：在山地區(qū),兩種指標(biāo)都呈現(xiàn)黃土高原西部山地區(qū)為干旱多發(fā)區(qū),主要以輕旱和中旱為主；在黃土高原中部的丘陵區(qū),兩種指標(biāo)所顯示的干旱頻率也大致相同；而在平原區(qū),SPI6和SPEI6的結(jié)果顯示在寧夏平原和汾河平原呈現(xiàn)干旱的態(tài)勢(shì)?；赟PI12和SPEI12,在整個(gè)黃土高原地區(qū)干旱發(fā)生的區(qū)域較為一致,黃土高原各地形區(qū)干旱發(fā)生的頻率更高,對(duì)干旱的表征也更強(qiáng)烈,干旱的影響范圍也更大。

為了詳細(xì)分析黃土高原不同地形區(qū)的干旱頻率,本文將干旱事件劃分為輕旱、中旱、重旱、特旱四個(gè)等級(jí)[35](圖4、圖5)。

圖4 黃土高原基于SPI6、SPI12不同地形區(qū)的干旱頻率分布圖Fig.4 Distribution of drought frequency in different terrain areas based on SPI6 and SPI12 on the Loess Plateau

圖5 黃土高原基于SPEI6、SPEI12不同地形區(qū)的干旱頻率分布圖Fig.5 Distribution of drought frequency in different terrain areas based on SPEI6 and SPEI12 on the Loess Plateau

對(duì)比兩種指標(biāo)同時(shí)發(fā)現(xiàn)：平原地區(qū)的汾渭平原、寧夏平原和河套平原為輕旱頻率高發(fā)區(qū),其中以汾渭平原最為突出；而寧夏平原和河套平原等地為中旱頻率的高發(fā)區(qū)；重旱的高發(fā)區(qū)集中于寧夏平原和渭河平原部分地區(qū),其中寧夏平原發(fā)生重旱的頻率更高。丘陵地區(qū)的輕旱在中部及東西兩側(cè)發(fā)生頻率較高,中旱在丘陵區(qū)的中部、西部是高發(fā)區(qū),重旱主要位于丘陵區(qū)西側(cè)的中寧、同心兩地,特旱僅在中部的烏審旗出現(xiàn)。黃土高原西側(cè)的山地區(qū)是干旱較為嚴(yán)重的區(qū)域,不同級(jí)別干旱事件在該區(qū)域均有發(fā)生。除西部山區(qū)外,山地地區(qū)輕旱主要出現(xiàn)在秦嶺北部、呂梁山,中旱在太行山附近時(shí)有發(fā)生,重旱在烏鞘嶺地區(qū)頻發(fā)?；诓煌笜?biāo)共同發(fā)生干旱的地區(qū),當(dāng)?shù)卣訌?qiáng)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施的維修管理和農(nóng)村飲水工程建設(shè),組織好抗旱應(yīng)急工程和節(jié)水改造,并大力推廣耐旱作物種植。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

為了進(jìn)一步分析黃土高原地區(qū)干旱分布特征與大尺度環(huán)流間的關(guān)系,本文將不同干旱指標(biāo)與不同大氣環(huán)流因子通過(guò)交叉小波的方法進(jìn)行了遙相關(guān)分析,結(jié)果如圖6顯示：

圖6 不同環(huán)流因子與不同干旱指標(biāo)的交叉小波功率譜Fig.6 Cross wavelet power spectrum of different circulation factors and different drought indicatorsWPI：西太平洋指數(shù)PNA：太平洋北美指數(shù)NAO：北大西洋濤動(dòng)指數(shù)ENSO：厄爾尼諾和南方濤動(dòng)的合稱AO：北極濤動(dòng)AMO：大西洋多年代際振蕩Period：時(shí)期

4.1.1基于SPI6、SPEI6與不同環(huán)流因子的遙相關(guān)關(guān)系

分析結(jié)果顯示：SPI 6和SPEI 6與WPI在1987—1991年和1970—1980年分別表現(xiàn)出周期為0—2.5 a的顯著共振關(guān)系和7—8 a的共振關(guān)系,二者各自為0.4—2.3 a的提前期和1.5—2.3 a的滯后期；和SPI 6相比,SPEI 6與WPI的相關(guān)性更強(qiáng),在1995—2002年二者存在周期為7—8 a的顯著的負(fù)位相共振關(guān)系,SPEI 6滯后WPI約2.9—3.3 a。SPEI 6與PNA在1985—1994年存在周期為3.5—5.0 a的負(fù)位相共振關(guān)系,SPEI 6提前PNA約2.0—3.3 a；SPI 6和SPEI 6與NAO在1964—1970年和1985—2000年都存在正位相共振關(guān)系,此外,SPEI 6與NAO的相關(guān)性更強(qiáng),二者不僅在2000—2008年存在負(fù)位相共振關(guān)系,在2003—2006年仍存在周期為3.0—5.0 a的顯著的正位相共振關(guān)系,SPEI 6滯后NAO約0.4-0.6 a。SPI 6和SPEI 6與ENSO關(guān)系密切,除在1984—1989年間都存在0—2.0 a的負(fù)共振關(guān)系,且都提前ENSO約0—1.3 a外,兩種指標(biāo)對(duì)ENSO的響應(yīng)也各有不同：SPI 6在1998—2000年存在周期為0—2.0 a的顯著的負(fù)位相共振關(guān)系,SPI 6提前ENSO約0—1.3 a,而同一時(shí)期SPEI 6對(duì)ENSO的響應(yīng)不如SPI 6強(qiáng)烈,但SPEI 6在1976—1980年存在顯著的共振關(guān)系,SPEI 6提前ENSO約0.8—3.0 a。SPI 6和SPEI 6與AO在1965—1970年和2001—2010年存在正位相共振關(guān)系,在2006—2010年存在負(fù)位相共振關(guān)系,但SPEI 6對(duì)AO的響應(yīng)更為明顯,在1980—2000年存在正位相的共振關(guān)系；SPI 6和SPEI 6與AMO存在較弱的相關(guān)性。

4.1.2基于SPI12、SPEI12與不同環(huán)流因子的遙相關(guān)關(guān)系

SPI 12和SPEI 12與WPI在1970—1980年、1995—2008年和1980—1992年分別存在周期為6.0—8.0 a、7.0—10.0 a和14.0—16.0 a的正、負(fù)、正位相的共振關(guān)系；SPI 12和SPEI 12與PNA的關(guān)系較為密切,在1982—1998年存在周期為0.5—6.0 a的顯著的負(fù)位相共振關(guān)系,二者提前PNA約0.3—3.8 a,此外在1964—1966年同樣存在相同的共振關(guān)系,但PNA對(duì)SPI 12的響應(yīng)更為明顯,在1974—1980年二者存在周期為9.0—11.0 a的正位相共振關(guān)系,SPI 12滯后PNA約1.0—1.2 a；與SPEI 12相比,SPI 12和NAO的相關(guān)性較弱,SPI12在1995—1996年存在周期為1.0—2.0 a的顯著負(fù)位相共振關(guān)系,SPI 12滯后NAO約180°,滯后期約為0.5—1.0 a,SPEI 12不僅在2005—2009年存在周期為3.0—4.0 a的顯著正位相共振關(guān)系,還在2001—2008年和1983—1999年分別表現(xiàn)出負(fù)、正位相共振關(guān)系；基于ENSO因子,SPI 12的相關(guān)性強(qiáng)于SPEI 12,二者在1968—1970年存在周期為3.0—4.0 a的正位相共振關(guān)系,SPI 12和SPEI 12均提前ENSO約3.5—4.4 a,此外,SPI 12與ENSO在1972—1980年存在相關(guān)性,而SPEI 12未表現(xiàn)出；SPI 12和SPEI 12與AO無(wú)顯著相關(guān)性,但AO對(duì)SPI 12的響應(yīng)強(qiáng)于SPEI 12；與半年干旱指標(biāo)相同,AMO對(duì)SPI 12和SPEI 12無(wú)明顯相關(guān)性。

綜上所述：SPI6和SPEI6、SPI12與SPEI12整體上對(duì)WPI、ENSO、PNA及NAO等環(huán)流因子具有較高的相關(guān)性,但在個(gè)別年份SPI對(duì)大氣環(huán)流因子的遙相關(guān)的強(qiáng)弱略低,如PNA、NAO和ENSO都很好的印證了這一點(diǎn)。WPI和ENSO對(duì)SPI6和SPEI6的相關(guān)性強(qiáng)于SPI12和SPEI12的相關(guān)性；PNA對(duì)SPI12和SPEI12的相關(guān)性反而強(qiáng)于SPI6和SPEI6。

大量研究結(jié)果證明,大尺度環(huán)流因子的變化對(duì)我國(guó)北方地區(qū)的降水和氣溫造成一定的影響：當(dāng)WPI處于不顯著的時(shí)段,我國(guó)冬季的氣溫、降水與WPI之間的相關(guān)性較弱[36]。當(dāng)PNA處于負(fù)位相,夏季西太平洋副高減弱,導(dǎo)致黃土高原地區(qū)水分異常,冷暖空氣在上方交匯較少,降水偏少,夏季易旱[37]； 1964—1966年、1988—1995年P(guān)NA主要處于負(fù)位相[38],導(dǎo)致研究區(qū)夏季降水較少,導(dǎo)致區(qū)域干旱,這與本文結(jié)果相符。當(dāng)冬季NAO偏強(qiáng)時(shí),北方地區(qū)春季降水偏少,區(qū)域干旱加劇[39]。ENSO的波動(dòng)已被證明對(duì)于黃土高原地區(qū)的干旱產(chǎn)生一定的影響[40],厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致海溫異常升高,氣象干旱頻發(fā)；1986—1987年、1997—1998年發(fā)生厄爾尼諾現(xiàn)象,研究區(qū)干旱加劇,這與本文結(jié)果相近。當(dāng)AO位于高指數(shù)位相時(shí),黃土高原地區(qū)夏季風(fēng)減弱,降水變少,從而加劇了區(qū)域干旱[41]。

4.2 結(jié)論

本文通過(guò)研究黃土高原不同干旱指標(biāo)的年際變化和干旱特征,及其與大尺度環(huán)流因子的遙相關(guān)分析,可以得到以下結(jié)論：

(1)時(shí)間變化上,在1961—2017年間,黃土高原不同干旱指標(biāo)均呈下降趨勢(shì),整體逐漸變干旱。SPEI6指標(biāo)下出現(xiàn)干旱的年數(shù)為8年,SPI6為4年,SPEI6較SPI6相比,計(jì)算結(jié)果偏重,干旱變化趨勢(shì)更為明顯,干旱程度更深,干旱的年份也更多,SPEI12與SPI12也呈現(xiàn)同樣的結(jié)果,而四種指標(biāo)共同顯示,2000年以來(lái),黃土高原地區(qū)干旱頻發(fā),但整體有降低趨勢(shì)。

(2) 1961—2017年,SPEI6較SPI6相比,站次比和干旱強(qiáng)度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在1999年,但SPEI6的站次比和干旱強(qiáng)度的變化幅度更劇烈?；赟PEI6,研究區(qū)出現(xiàn)全域性干旱的年份有5年,而基于SPI6指標(biāo)只有3年,且SPEI6干旱覆蓋范圍更大,最大站次比為75.44%,而SPI6指標(biāo)最大站次比只有59.65%。SPI12相較于SPEI12,站次比和干旱強(qiáng)度較為相似,都在1966年達(dá)到頂峰,但基于SPEI12分析顯示,研究區(qū)出現(xiàn)全域性干旱的年份為9年,峰值更高,為68.42%,而基于SPI12對(duì)應(yīng)的只有3年(63.16%)。干旱強(qiáng)度卻是SPI12指標(biāo)更高,多個(gè)年份出現(xiàn)中度干旱,而基于SPEI12指標(biāo)未出現(xiàn)中度干旱。

(3)平原區(qū)的汾渭平原是輕旱多發(fā)區(qū),寧夏平原、河套平原易發(fā)生中旱,寧夏平原同時(shí)也是重旱多發(fā)區(qū)。丘陵區(qū)西部的中寧、同心兩地重旱高發(fā),特旱頻發(fā)的地區(qū)在丘陵區(qū)中部的烏審旗。山地區(qū)干旱頻率普遍較高,尤其是西部山地區(qū)為主,此外,秦嶺北部、呂梁山輕旱頻發(fā),太行山中旱頻發(fā),西部山區(qū)的烏鞘嶺出現(xiàn)重旱、特旱。

(4)SPEI對(duì)環(huán)流指數(shù)的變化更敏感。AMO對(duì)黃土高原不同地形區(qū)不同干旱指標(biāo)的影響較小,而ENSO、WPI對(duì)SPI6 、SPEI6有顯著的響應(yīng)；PNA對(duì)6個(gè)月尺度的干旱指標(biāo)(SPI6、SPEI6)影響小,對(duì)12個(gè)月尺度的干旱指標(biāo)(SPI12、SPEI12)影響大。

總之,區(qū)域干旱是一個(gè)復(fù)雜的自然現(xiàn)象,SPEI與SPI對(duì)黃土高原氣象干旱的年際變化、區(qū)域干旱站次比和干旱強(qiáng)度存在一定差異,這可能是因?yàn)镾PI僅僅考慮了降水因素,而SPEI在SPI基礎(chǔ)上將蒸散發(fā)因素加入所導(dǎo)致的差異,但是兩種干旱指標(biāo)均能大致說(shuō)明區(qū)域氣象干旱的時(shí)空變化。由于不同的干旱指數(shù)需要不同的水熱因子和氣象因子,因此需要進(jìn)一步探索不同干旱指標(biāo)在不同區(qū)域的運(yùn)用,必要時(shí)可采用多指標(biāo),從而避免單一指標(biāo)對(duì)結(jié)果的局限性。