中國(guó)西北地區(qū)氣象干旱時(shí)空演變特征

劉楊奕， 毛文靜， 李思琦， 趙鑫雨， 張學(xué)武， 吳海江，粟曉玲

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

干旱是水分收支不平衡而導(dǎo)致水分短缺的一種水文現(xiàn)象[1]。其中，氣象干旱是指在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，某一區(qū)域內(nèi)的蒸發(fā)量大于降雨量，導(dǎo)致持續(xù)的水分收支不平衡而出現(xiàn)的水分虧缺現(xiàn)象[2]。近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，干旱無(wú)論是在歷時(shí)或者強(qiáng)度上都有著增強(qiáng)的趨勢(shì)[3]。此外，在氣候變化下區(qū)域性干旱事件的發(fā)生越來(lái)越頻繁，對(duì)生產(chǎn)及生活均造成了極大影響，引起了人們的廣泛關(guān)注[4]。

我國(guó)西北地區(qū)位于歐亞大陸腹地，經(jīng)緯度范圍為72°25′～110°55′E，31°35′～49°15′N，面積約為311×104km2。主要行政區(qū)劃包括陜西省、青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)5個(gè)省(區(qū))。該地區(qū)深居內(nèi)陸、地形復(fù)雜，水汽來(lái)源不足，年降水量小于400 mm，是同一緯度下最干旱的地區(qū)之一[5]。

目前關(guān)于西北地區(qū)氣象干旱的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：(1)氣象干旱指數(shù)在西北地區(qū)的適用性。氣象干旱指數(shù)多以降水為基礎(chǔ)，如帕爾默干旱指數(shù)(Palmer drought severity index, PDSI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index, SPI)[6]。西北地區(qū)具有降水量小、蒸發(fā)量大的特點(diǎn)，因此，選擇既考慮降水又考慮蒸發(fā)的干旱指數(shù)來(lái)表征西北地區(qū)氣象干旱較為合理。Vicente-Serrano等[7-8]提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)，該指數(shù)通過(guò)降水與蒸散發(fā)之間的差值計(jì)算水平衡，并通過(guò)水平衡來(lái)表示干旱特征。SPEI不僅同時(shí)考慮了降水與蒸散發(fā)，且充分結(jié)合了SPI與PDSI兩者的優(yōu)勢(shì)，能夠客觀地反映地表的干濕變化[9]，在西北地區(qū)具有一定的適用性。例如，莊少偉[10]研究指出時(shí)間尺度大于12個(gè)月的SPEI對(duì)降水量不足200 mm的干旱區(qū)具有較好的適用性；王芝蘭等[11]研究表明SPEI在西北地區(qū)東部適用性較好；陳斐等[12]基于SPEI探討了西北地區(qū)春旱的演變情況，證實(shí)了SPEI在西北地區(qū)應(yīng)用的合理性；高濤濤等[13]基于SPEI分析了秦嶺南北發(fā)生干旱的頻率并進(jìn)行了歸因分析。以上研究均表明，SPEI可以監(jiān)測(cè)西北氣象干旱。(2)西北地區(qū)氣象干旱的演變趨勢(shì)。黃小燕等[14]分析了西北地區(qū)地表濕潤(rùn)情況，指出該地區(qū)1960-2015年表現(xiàn)出顯著的變濕趨勢(shì)；張華等[15]認(rèn)為西北地區(qū)在2001-2018年間干旱有減輕的趨勢(shì)；徐榮璐等[16]研究發(fā)現(xiàn)西北干旱區(qū)相對(duì)濕度整體表現(xiàn)為不顯著減小的趨勢(shì)，且在21世紀(jì)以后出現(xiàn)了顯著減小的趨勢(shì)；初萍萍[17]研究了西北地區(qū)1960-2018年的干旱變化趨勢(shì)，認(rèn)為西北地區(qū)有干旱加劇的趨勢(shì)，且在2000年左右有明顯突變；李明等[18]總結(jié)了西北地區(qū)近50年來(lái)的干濕演變特征，發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)西部向暖濕化轉(zhuǎn)變而東部向暖干化轉(zhuǎn)變。

綜上所述，由于采用的指數(shù)和研究年限不同，對(duì)西北地區(qū)干旱演變趨勢(shì)的分析結(jié)論也不相同，本文利用西北地區(qū)136個(gè)氣象站1961-2016年逐月的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算SPEI指數(shù)并以此分析西北地區(qū)及5個(gè)省(區(qū))年尺度(12個(gè)月尺度)和季節(jié)尺度(3個(gè)月尺度)下氣象干旱的時(shí)空變化規(guī)律，以期為該地區(qū)的防旱抗旱以及水資源規(guī)劃等提供依據(jù)。

2 資料來(lái)源及研究方法

2.1 資料來(lái)源

計(jì)算西北5省(區(qū))的136個(gè)氣象站1961-2016年逐月SPEI指數(shù)的降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)。

2.2 研究方法

2.2.1SPEI指數(shù)的計(jì)算 本文采用世界糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)推薦的Penman-Monteith公式[19]計(jì)算潛在蒸散量ET0：

(1)

式中：Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕常數(shù)，kPa/℃；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；es為平均飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；U2為2 m高處的風(fēng)速，m/s。

然后計(jì)算水分虧缺量，即逐月降水量與蒸散發(fā)量的差值Di：

Di=Pi-(ET0)i

(2)

式中：Pi和(ET0)i分別為某一時(shí)間尺度下(如3個(gè)月和12個(gè)月)降水量和潛在蒸散量，mm。

采用三參數(shù)的Log-logistic概率密度函數(shù)擬合水分虧缺量Di數(shù)據(jù)序列，其累積概率密度函數(shù)的表達(dá)式為：

(3)

其中參數(shù)α、β、γ分別計(jì)算如下：

(4)

(5)

γ=w0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

式中：Г為階乘函數(shù)；w0、w1、w2為水分虧缺量Di序列的概率加權(quán)矩，計(jì)算方法見(jiàn)公式(7)、(8)。

(7)

(8)

式中：N為參與計(jì)算的月份數(shù)，s=0，1，2。

(9)

(10)

式中：常數(shù)c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

2.2.2 線性回歸 采用線性回歸計(jì)算SPEI的變化率，識(shí)別西北地區(qū)SPEI序列的時(shí)間變化趨勢(shì)。一元線性回歸方程的表達(dá)式為：

yi=α+βxi+εi

(11)

式中：α、β為回歸參數(shù)；xi為自變量；yi為因變量；εi為誤差項(xiàng)。

回歸參數(shù)α、β計(jì)算如下：

(12)

(13)

2.2.3 突變點(diǎn)檢驗(yàn) 采用Pettitt突變分析法診斷SPEI序列的突變點(diǎn)，即找出一個(gè)結(jié)點(diǎn)，時(shí)間序列在該點(diǎn)前后的均值發(fā)生了顯著的變化，則該點(diǎn)為序列的顯著變異點(diǎn)，使用Mann-Whitney統(tǒng)計(jì)量Ut,n：

(14)

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Kn及k(t)的公式分別為：

(15)

(16)

式中：n為序列長(zhǎng)度；η為選定的顯著性水平。

如果k(t)>Kn，則在序列Xt處存在突變點(diǎn)，否則不存在突變點(diǎn)[20]。

2.2.4 周期分析 對(duì)SPEI12和SPEI3指數(shù)序列進(jìn)行小波分析，得到年尺度和季節(jié)尺度下西北地區(qū)的干旱周期變化。Morlet小波分析是將某種信號(hào)用一組小波函數(shù)代替，其函數(shù)為：

(17)

式中：ψa,b(t)為子小波；a為尺度因子，b為平移因子，a,b∈R，a≠ 0。在水文研究中，通常使用離散的時(shí)間序列，設(shè)函數(shù)f(kΔt)(k= 1, 2,…,N；Δt為取樣間隔)，則公式(17)的離散形式為：

(18)

將小波系數(shù)的平方值在b域上積分，就可得到小波方差，如公式(19)所示：

(19)

式中：Var(a)為小波方差，該值反映了小波能量的變化情況，通過(guò)該值的峰值點(diǎn)可以判斷時(shí)間序列的主周期。

2.2.5 干旱等級(jí)劃分 用于表征氣象干旱的SPEI指數(shù)的干旱等級(jí)劃分見(jiàn)表1[21]。

表1 SPEI的干旱等級(jí)劃分表

3 結(jié)果分析

3.1 氣象干旱的時(shí)間演變趨勢(shì)

西北地區(qū)年尺度和季尺度SPEI的變化率以及Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，對(duì)整個(gè)西北地區(qū)來(lái)說(shuō)，年尺度和季尺度的SPEI均呈不顯著的增大趨勢(shì)，即氣象干旱呈減輕趨勢(shì)，但各省(區(qū))SPEI序列的變化趨勢(shì)有較大的差異。例如，年尺度下陜西、寧夏和甘肅的SPEI呈不顯著的減小趨勢(shì)，即氣象干旱表現(xiàn)為加劇趨勢(shì)，青海的氣象干旱呈不顯著減輕的趨勢(shì)，新疆的氣象干旱呈顯著減輕的趨勢(shì)；季尺度下，春季陜西、寧夏、甘肅的氣象干旱呈不顯著加劇的趨勢(shì)，青海、新疆的氣象干旱呈顯著減輕的趨勢(shì)；夏季寧夏、甘肅的氣象干旱均呈不顯著加劇的趨勢(shì)，陜西、青海的氣象干旱呈不顯著減輕的趨勢(shì)，新疆的氣象干旱呈顯著減輕的趨勢(shì)；秋季陜西、寧夏、甘肅的氣象干旱呈不顯著加劇的趨勢(shì)，青海的氣象干旱呈不顯著減輕的趨勢(shì)，新疆的氣象干旱呈顯著減輕的趨勢(shì)；冬季甘肅、青海的氣象干旱呈不顯著加劇的趨勢(shì)，陜西、寧夏的氣象干旱呈不顯著減輕的趨勢(shì)，而新疆的氣象干旱呈顯著減輕的趨勢(shì)。

表2 不同時(shí)間尺度西北地區(qū)及其各省區(qū)SPEI變化率和Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

3.2 氣象干旱的突變點(diǎn)分析

采用Pettitt檢驗(yàn)診斷西北地區(qū)年尺度和季節(jié)尺度下SPEI的突變點(diǎn)，結(jié)果如表3所示。

表3 西北地區(qū)不同時(shí)間尺度下SPEI的Pettitt檢驗(yàn)突變點(diǎn)

注：“*”表示通過(guò)α= 0.05的顯著性檢驗(yàn)。

由表3可知，年和春季尺度的SPEI的突變點(diǎn)均集中在20世紀(jì)80-90年代，夏季的突變點(diǎn)在20世紀(jì)70-90年代、21世紀(jì)00年代均有出現(xiàn)，秋季的突變點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)70-90年代，冬季的突變點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)80-90年代、21世紀(jì)00年代。此外，僅新疆年尺度和四季的突變點(diǎn)以及青海春季的突變點(diǎn)通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

以西北全區(qū)為例，年和季尺度下氣象干旱的突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可看出，年尺度下西北全區(qū)SPEI的突變點(diǎn)為1982年，因統(tǒng)計(jì)量U曲線未超出臨界值范圍，故此突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上不顯著(圖1 (a))。季尺度下西北全區(qū)Pettitt檢驗(yàn)的突變點(diǎn)年份分別為1982、1975、1998和1980年，且在統(tǒng)計(jì)意義上均不顯著(圖1 (b)～1 (e))。

圖1 1961-2016年西北地區(qū)年和季尺度下氣象干旱的突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 氣象干旱周期分析

仍以西北全區(qū)為例，年和季尺度下SPEI的小波方差圖見(jiàn)圖2。小波方差圖中的峰值點(diǎn)可以用來(lái)判斷主周期，根據(jù)圖2得出的西北地區(qū)及其5省(區(qū))年和季尺度下SPEI序列主周期見(jiàn)表4。

圖2 西北地區(qū)年和季尺度下SPEI的小波方差圖表4 西北地區(qū)及其5省(區(qū))年和季尺度下SPEI序列主周期

由表4可知，西北全區(qū)年尺度下氣象干旱的第一、第二主周期分別為5和14 a；季尺度下，春季的氣象干旱分別存在10、18、13、5 a的第一、第二、第三、第四主周期；夏季的氣象干旱分別存在6、22、14 a的第一、第二、第三主周期；秋季的氣象干旱分別存在10、5、3 a的第一、第二、第三主周期，冬季的氣象干旱分別存在26、6、10 a的第一、第二、第三主周期。

3.4 氣象干旱的空間演變特征

西北地區(qū)及其5省(區(qū))年和季尺度下的SPEI序列傾向率的空間分布如圖3所示。

由圖3(a)可看出，在年尺度下，陜西、寧夏、甘肅整體表現(xiàn)為氣象干旱加劇的趨勢(shì)，而青海、新疆整體表現(xiàn)為氣象干旱減輕的趨勢(shì)。其中，北疆、天山地區(qū)以及青海中部地區(qū)的氣象干旱表現(xiàn)出較為顯著的減輕趨勢(shì)(通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn))，且SPEI傾向率達(dá)到(0.25～0.35)/10a；而甘肅南部的氣象干旱則表現(xiàn)出顯著的加劇趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(-0.25～-0.15)/10a。

a

圖3 西北地區(qū)及其5省(區(qū))年和季尺度下的SPEI序列傾向率的空間分布

由圖3(b)～3(e)可看出：(1)春季，陜西、寧夏、甘肅整體均表現(xiàn)為干旱加劇的趨勢(shì)，青海、新疆部分地區(qū)表現(xiàn)出干旱減輕的趨勢(shì)。其中，甘肅東部的干旱表現(xiàn)為顯著加劇的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(-0.3～-0.2)/10a；青海南部及中部、新疆天山地區(qū)及南疆表現(xiàn)為干旱顯著減輕的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(0.3～0.4)/10a。(2)夏季，陜西、寧夏、甘肅整體均表現(xiàn)為干旱加劇的趨勢(shì)，青海、新疆部分地區(qū)表現(xiàn)出干旱減輕的趨勢(shì)。其中，甘肅南部及東北部、寧夏北部表現(xiàn)為干旱顯著加劇的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(-0.2～-0.1)/10a；青海中部、新疆北疆及天山地區(qū)表現(xiàn)為干旱顯著減輕的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(0.3～0.4)/10a。(3)秋季，陜西、寧夏、甘肅及青海南部表現(xiàn)為干旱加劇的趨勢(shì)，其余地區(qū)表現(xiàn)為干旱減輕的趨勢(shì)。其中，陜西東部、寧夏南部和甘肅南部表現(xiàn)出干旱顯著加劇的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(-0.2～-0.1)/10a；青海中部、北疆地區(qū)、天山地區(qū)表現(xiàn)出干旱顯著減輕的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(0.2～0.3)/10a；(4)冬季，陜西、寧夏兩省北部小部分地區(qū)、甘肅東北小部分地區(qū)、青海及甘肅南部、新疆西部表現(xiàn)為干旱加劇的趨勢(shì)，其余地區(qū)表現(xiàn)出干旱減輕的趨勢(shì)。其中，陜西北部、甘肅南部、青海西南部表現(xiàn)為干旱顯著加劇的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(-0.2～-0.1)/10a，北疆地區(qū)表現(xiàn)出干旱顯著減輕的趨勢(shì)，SPEI傾向率達(dá)到(0.2～0.3)/10a。

4 討 論

對(duì)西北地區(qū)1961-2016年的SPEI的分析結(jié)果表明，西北全區(qū)整體表現(xiàn)為不顯著變濕的趨勢(shì)，這與已有學(xué)者的研究結(jié)果相似[14,22]，但通過(guò)對(duì)西北地區(qū)5個(gè)省(區(qū))的分析可知，不同省(區(qū))的干旱變化趨勢(shì)并不相同，變濕的位置主要在青海省和新疆維吾爾自治區(qū)。任培貴等[21]、滕懷頤等[23]采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法的研究結(jié)果顯示，西北地區(qū)氣象干旱的突變點(diǎn)集中在1995、1996年左右，在20世紀(jì)70及80年代并沒(méi)有發(fā)生明顯突變，這與本文采用的Pettitt檢驗(yàn)法的研究結(jié)果不同，而本文得出的西北全區(qū)及其各省(區(qū))干旱存在3～9、10～15、17～23、25～27 a的主周期與滕懷頤等[23]的研究結(jié)論基本一致。從空間分布來(lái)看，表現(xiàn)為東部變干、西部變濕的趨勢(shì)，這與金紅梅等[24]的研究結(jié)果一致。

本文僅討論了西北地區(qū)氣象干旱的變化趨勢(shì)，并未討論導(dǎo)致西北地區(qū)氣象干旱演變的主要因素，實(shí)際上大氣環(huán)流、人類活動(dòng)影響等都可能使氣候發(fā)生轉(zhuǎn)變。下一步研究應(yīng)重點(diǎn)探討影響西北地區(qū)氣象干旱的因素，關(guān)注影響要素與西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)變的相關(guān)性。

5 結(jié) 論

本文采用線性回歸、Pettitt突變檢驗(yàn)、小波分析等方法對(duì)西北地區(qū)的氣象干旱時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)從時(shí)間演變趨勢(shì)來(lái)看，除新疆年尺度和4個(gè)季節(jié)以及青海春季的氣象干旱呈現(xiàn)顯著的減輕趨勢(shì)外，其余4個(gè)省(區(qū))和全區(qū)年、季尺度下的氣象干旱趨勢(shì)不顯著。

(2)年尺度和春季氣象干旱的突變點(diǎn)均集中在20世紀(jì)80-90年代，夏季的突變點(diǎn)在20世紀(jì)70-90年代、21世紀(jì)00年代均有分布，秋季的突變點(diǎn)分布在20世紀(jì)70-90年代，冬季的突變點(diǎn)在20世紀(jì)80-90年代、21世紀(jì)00年代均有分布，但僅新疆在年和四季以及青海春季的氣象干旱通過(guò)了突變點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)。

(3)西北全區(qū)及5個(gè)省(區(qū))的氣象干旱主周期在年尺度下集中在5～6、9～14、18～24 a。季節(jié)尺度下，春季的主周期集中在2～6、10～13、18～20 a；夏季的主周期集中在3～7、11～14、17～23 a；秋季的主周期集中在3～6、9～13、19～23 a；冬季的主周期集中在3～6、9～15、25～27 a。

(4)從空間演變趨勢(shì)來(lái)看，年尺度以及春、夏季的氣象干旱在陜西、寧夏、甘肅表現(xiàn)為加劇的趨勢(shì)，而青海、新疆卻表現(xiàn)為干旱減輕的趨勢(shì)；秋季的氣象干旱在陜西、寧夏、甘肅及青海南部表現(xiàn)為加劇的趨勢(shì)，其余地區(qū)均表現(xiàn)為減輕的趨勢(shì)；冬季的氣象干旱在陜西、寧夏、甘肅3省北部小部分地區(qū)、青海南部、新疆西部表現(xiàn)為加劇的趨勢(shì)，其余地區(qū)均表現(xiàn)為減輕的趨勢(shì)。