基于MCI的1961—2016年中國(guó)北方不同等級(jí)干旱趨勢(shì)研究＊

陳 敏，顏鵬程，張鐵軍，周甘霖△

（1.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730020；2.甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制室，甘肅蘭州 730020）

1 引言

中國(guó)北方地區(qū)干旱呈現(xiàn)“西多東少”的分布特征[1]，但近幾十年來(lái)西北地區(qū)干旱減緩[2]、華北干旱增強(qiáng)[3]。其中西北地區(qū)干旱自1960年以來(lái)主要呈現(xiàn)年代際干旱變化的特征，1980年代以前西北地區(qū)干旱主要發(fā)生在西北地區(qū)西部，以后主要發(fā)生在西北地區(qū)東部[4-5]。而華北地區(qū)干旱存在持續(xù)增加的趨勢(shì)[6]，20世紀(jì)80—90年代最為顯著[7]，之后干旱趨勢(shì)趨向于平緩[8-9]。影響中國(guó)北方干旱影響因子繁多，不同因子之間非線性作用強(qiáng)、關(guān)系復(fù)雜[10-12]，加之全球增暖背景下，西風(fēng)環(huán)流、季風(fēng)、西太副高等大尺度環(huán)流背景也發(fā)生調(diào)整[13-16]，受此影響，中國(guó)北方干旱的時(shí)空分布呈現(xiàn)新的規(guī)律，不同程度的干旱分布特征也發(fā)生相應(yīng)改變，亟需開展更為詳細(xì)的研究。

研究不同等級(jí)干旱需用合適的干旱指數(shù)，目前，用于定量描述干旱的指數(shù)主要包括Palmer干旱指數(shù)（PDSI）[17]、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)（MI）[18]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）[19-21]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[22]等，這些干旱指數(shù)從降水、蒸散等角度考慮干旱的發(fā)生程度，但是在計(jì)算和準(zhǔn)確描述干旱方面存在一些不足[23]，如PDSI指數(shù)利用土壤水份平衡原理，考慮降水、蒸散、徑流以及土壤有效儲(chǔ)水等要素，實(shí)際計(jì)算中大多地區(qū)難以獲得完整（準(zhǔn)確）的參數(shù)使得指數(shù)的區(qū)域代表性不足[24]，而SPI指數(shù)、MI指數(shù)以及SPEI指數(shù)考慮氣象要素相對(duì)單一難以準(zhǔn)確描述干旱的連續(xù)性，更難以反映干旱的累積效應(yīng)[25]。為此，2017年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)》出版并提出新型氣象干旱綜合指數(shù)（Meteorological drought Composite Index，MCI）[26]，該指數(shù)能夠充分反映干旱的連續(xù)性、累積效應(yīng)以及區(qū)域差異性的特征，具體來(lái)說(shuō)：（1）通過(guò)引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)有效減少干旱發(fā)展過(guò)程中不合理跳躍現(xiàn)象；（2）通過(guò)引進(jìn)150天標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)代表干旱發(fā)展過(guò)程的累積效應(yīng)；（3）通過(guò)引進(jìn)季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)以適應(yīng)不同區(qū)域、不同季節(jié)的干旱[27-28]。MCI指數(shù)具有處理非平穩(wěn)序列、動(dòng)態(tài)表征干旱的特性，綜合表征干旱的能力更強(qiáng)。近年來(lái)，不少學(xué)者利用該指數(shù)研究了中國(guó)的干旱變化情況[29-32]，如成青燕等[33]利用MCI指數(shù)研究了甘肅近50年干旱情況，認(rèn)為不同等級(jí)干旱均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其中春季、夏季較為顯著；廖要明和張存杰[34]利用該指數(shù)研究認(rèn)為我國(guó)總體干旱趨勢(shì)是增加的，其中甘肅南部、寧夏、陜西等北方地區(qū)干旱趨勢(shì)增加更為顯著，這意味著MCI指數(shù)對(duì)我國(guó)區(qū)域干旱具有更好的表征能力。MCI指數(shù)劃分的不同干旱等級(jí)，能夠進(jìn)一步衡量干旱的嚴(yán)重程度，從“輕旱、中旱、重旱、特旱”4個(gè)不同等級(jí)來(lái)具化干旱的影響。因此，本研究利用MCI指數(shù)開展中國(guó)北方1961—2016年不同等級(jí)干旱日數(shù)的年代際變化研究，揭示不同等級(jí)干旱發(fā)生頻次的時(shí)空演變規(guī)律。

2 方法與數(shù)據(jù)

本研究時(shí)段選為1961—2016年，資料為基于MCI指數(shù)的逐年不同等級(jí)干旱日數(shù)。MCI指數(shù)[26]目前在中國(guó)氣象局氣象干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中投入使用，并由國(guó)家氣候中心提供逐日全國(guó)氣象干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果。不同等級(jí)干旱的劃分如表1所示，MCI指數(shù)越小，意味著干旱越顯著。研究中，逐年統(tǒng)計(jì)不同站點(diǎn)滿足不同等級(jí)干旱的日數(shù)，主要分析輕旱、中旱、重旱和特旱4類干旱，其中輕旱及以上干旱的干旱日數(shù)稱為總干旱日數(shù)。中國(guó)北方共有870個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，在西北，內(nèi)蒙古自治區(qū)和黃河以西的站點(diǎn)空間分布較為稀疏；而華北，山東、河南等地的站點(diǎn)空間分布較為密集。

表1 依據(jù)MCI劃分的不同干旱等級(jí)

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 中國(guó)北方干旱趨勢(shì)分布

為了初步了解中國(guó)北方干旱分布情況，繪制總干旱日數(shù)的多年平均和逐年的區(qū)域平均（圖1），年平均干旱日數(shù)東部地區(qū)要多于西部地區(qū),其中年平均干旱日數(shù)最多的區(qū)域主要位于河北（達(dá)到160 d）,其次是內(nèi)蒙古東部、甘肅東部、寧夏中部等地區(qū),平均干旱日數(shù)達(dá)到130 d；年平均干旱日數(shù)最少的區(qū)域主要位于新疆中南部、青海西部地區(qū),其中新疆中南部地區(qū)最少（平均干旱日數(shù)少于50 d）。從時(shí)間變化上來(lái)看,北方總的平均干旱日數(shù)在1961—1990年期間變化幅度較小，1990—1999年期間呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（達(dá)到9.46 d/a,通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)）,2000—2019年前后出現(xiàn)減小的趨勢(shì)（-1.94 d/a）,功率譜分析表明中國(guó)北方干旱呈現(xiàn)2～3 a和20 a的準(zhǔn)周期振蕩。從趨勢(shì)變化來(lái)看，包括新疆、青海、甘肅河西地區(qū)、內(nèi)蒙古在內(nèi)的區(qū)域干旱日數(shù)均顯著減少，負(fù)趨勢(shì)最顯著的區(qū)域位于新疆北部、青海東部，達(dá)到-2.0 d/a；而東部地區(qū)的干旱日數(shù)增加，其中增加趨勢(shì)顯著的區(qū)域位于甘肅東部、寧夏、陜西南部，達(dá)到1.5 d/a。不同等級(jí)的趨勢(shì)變化來(lái)看，輕旱和中旱日數(shù)在內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、青海等地減少，輕旱日數(shù)在新疆、青海以及內(nèi)蒙古東部減少顯著，中旱日數(shù)在新疆北部、青海中西部負(fù)趨勢(shì)顯著；北方其他省區(qū)輕旱和中旱日數(shù)增加。重旱和特旱日數(shù)趨勢(shì)在新疆、青海、內(nèi)蒙古中西部、甘肅中部、山西、河北等地呈現(xiàn)負(fù)趨勢(shì)，其余地方呈現(xiàn)正趨勢(shì)。

圖1 中國(guó)北方地區(qū)年平均干旱日數(shù)（灰色線）隨時(shí)間變化，單位：day

由此可見，不同等級(jí)干旱在中國(guó)北方西部干旱半干旱區(qū)呈現(xiàn)減少的特征，而東部地區(qū)主要呈現(xiàn)增加的特征。

2.2 干旱日數(shù)百分比

進(jìn)一步分析總干旱日數(shù)中不同等級(jí)干旱日數(shù)的比例，輕旱呈現(xiàn)“西高東低”分布特征，其中西部輕旱所占比例較大區(qū)域主要分布在新疆中南部、青海西北部、甘肅西部、內(nèi)蒙古西部，輕旱比例超過(guò)70%；而東部地區(qū)輕旱比例約占50%。中旱在總干旱日數(shù)中的比例呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征，北方東部地區(qū)（包括甘肅東部、寧夏中南部、陜西、山西、河南、山東、河北、北京、天津等）中旱比例約占30%；西部地區(qū)中旱比例較少，主要在新疆南部地區(qū)和青海西部地區(qū)，中旱比例少于20%。重旱的比例分布也呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征，其中山東、河南等地重旱比例超過(guò)12%，而西部地區(qū)重旱低于6%，其中新疆西南部甚至重旱比例接近0%。特旱所占比例總體來(lái)說(shuō)偏少，其中東部零星地區(qū)特旱所占比例超過(guò)4%，而新疆西部、內(nèi)蒙古西部重旱均接近于0%。由此可見，北方干旱的空間分布在西部主要以輕旱為主，在東部則以中旱及以上等級(jí)干旱為主。從不同等級(jí)干旱在總干旱日數(shù)中的百分比隨時(shí)間變化來(lái)看（圖2），輕旱所占比例最高，達(dá)到56.48%，其次是中旱（30.26%），再次是重旱（10.55%），最后是特旱（2.71%），其中1970年以前，在中旱所占比例變化幅度不大的基礎(chǔ)上，輕旱、重旱和特旱所占比例的變化幅度較大，之后一直到1990年都較為穩(wěn)定；1990年以后到2000年前后，中旱所占比例變化趨勢(shì)仍然較小，而輕旱所占比例呈現(xiàn)顯著負(fù)趨勢(shì)，重旱和特旱所占比例增加趨勢(shì)顯著；2000-2005年期間，輕旱所占比例增加，重旱和特旱所占比例減少。2005年以后，不同等級(jí)干旱所占比例變化趨勢(shì)不顯著。

圖2 不同等級(jí)干旱的區(qū)域平均干旱日數(shù)所占百分比隨時(shí)間變化

綜上所述，輕旱和中旱日數(shù)占總干旱日數(shù)中的絕大部分，并且總干旱日數(shù)中的年代際變化也主要由這兩種干旱貢獻(xiàn)的；重旱和特旱日數(shù)在1970年以前和1996—2005年期間的總干旱日數(shù)中占的比例較大。

3.3 不同時(shí)段干旱空間分布情況

上述結(jié)論也表明干旱日數(shù)變化呈現(xiàn)年代際變化的特征，為此利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)（Moving T Test，MTT）方法對(duì)總干旱日數(shù)進(jìn)行突變檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)量在1995年和2002年超過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，故以此為分界，分為3個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行研究?？偢珊等諗?shù)來(lái)看，在1961—1995年期間年平均干旱日數(shù)較少（120d），而1996—2001年期間年平均干旱日數(shù)顯著偏多（140 d），2002年以后干旱日數(shù)顯著減少（僅為110d）。不同時(shí)段干旱日數(shù)的空間分布來(lái)看，在1961—1995年期間，北方干旱日數(shù)空間分布東西部差異較?。?0～100 d），河北部分地區(qū)出現(xiàn)超過(guò)150 d干旱的分布、小于60 d的干旱主要分布在新疆東南部地區(qū)；1996—2002年期間，東西部干旱日數(shù)差異較大，其中河北、山西、山東地區(qū)的干旱日數(shù)明顯較前一時(shí)期顯著偏多，達(dá)到180 d，部分地區(qū)甚至超過(guò)210 d的干旱日數(shù)；而西部地區(qū)小于60 d的干旱區(qū)域較前一時(shí)段偏大，新疆中部和東部地區(qū)、青海西部均出現(xiàn)干旱日數(shù)小于60 d（甚至更少）的情況。2003—2016年期間，東部干旱日數(shù)的空間分布與1961—1995年較為類似，但西部干旱日數(shù)顯著偏少，其中干旱日數(shù)低于60 d的區(qū)域擴(kuò)長(zhǎng)至整個(gè)新疆地區(qū)、青海大部地區(qū)、甘肅河西地區(qū)以及內(nèi)蒙古西部區(qū)域。

綜上來(lái)看，中國(guó)北方東部干旱日數(shù)在不同時(shí)段都要多于西部地區(qū)，其中東部地區(qū)在1961—1995年期間，平均干旱日數(shù)為120 d，而1996—2002年干旱日數(shù)顯著增加，達(dá)到180 d左右，2003—2016年干旱日數(shù)減少至120 d。西部地區(qū)則呈現(xiàn)持續(xù)減少的特征，1961—1995年期間，僅在新疆東部部分地區(qū)干旱日數(shù)少于60 d，而1996—2002年期間這一范圍擴(kuò)大至新疆大部分地區(qū)和青海西部部分地區(qū)，2003年以后，整個(gè)西部地區(qū)干旱日數(shù)都少于60 d。

不同等級(jí)干旱不同時(shí)段的干旱日數(shù)空間分布來(lái)看，1996—2002年期間的干旱日數(shù)整體上要多于1961—1995年的情況，2003—2016年的干旱日數(shù)最少。具體來(lái)說(shuō)：（1）輕旱，1961—995年整個(gè)北方輕旱的空間分布較為一致，介于60～80 d之間，其中干旱日數(shù)最少的區(qū)域位于新疆東南部（少于30d）；1996—2002年的輕旱除了新疆東南部地區(qū)（少于30 d），大部分地區(qū)干旱日數(shù)均多于60 d，其中河北、內(nèi)蒙古東部、甘肅南部部分地區(qū)干旱日數(shù)超過(guò)90 d；2003—2016年的輕旱主要分布在東部地區(qū)，其中105°E以東地區(qū)輕旱日數(shù)超過(guò)45 d；（2）中旱，中旱日數(shù)要明顯少于輕旱的情況，3個(gè)不同時(shí)段中，中旱主要分布在105°E以東地區(qū)（超過(guò)30d），其中1996—2002年期間的中旱日數(shù)要明顯偏多，主要集中在河北南部、內(nèi)蒙古東部、甘肅南部等地區(qū)，干旱日數(shù)接近75 d；（3）重旱，重旱的空間分布較多的時(shí)段主要集中在1996—2002年期間，仍然以105°E以東為主（超過(guò)20 d），河北南部、山東西部、陜西中部部分地區(qū)重旱日數(shù)超過(guò)40 d，1961—1995年、2003—2016年的2個(gè)時(shí)段重旱日數(shù)較少，其中105°E以東干旱日數(shù)在16～24 d之間，西部干旱日數(shù)則更少。（4）特旱也主要發(fā)生在1996-2002年期間，主要分布在陜西中南部、山西中南部、山東等地區(qū)，干旱日數(shù)超過(guò)18 d，其余地區(qū)干旱日數(shù)少于6 d；1961—1995年期間，北方特旱日數(shù)幾乎為0；2003—2016年時(shí)段，105°E以西干旱日數(shù)接近于0，東部的干旱日數(shù)少于6 d。

總體來(lái)說(shuō)，中國(guó)北方不同等級(jí)干旱均存在“先增多、后減少”的年代際變化特征，其中相比較于1961—1995年時(shí)段，1996—2002年期間的干旱主要在北方東部地區(qū)增多、西部地區(qū)略有減少；而后一時(shí)段（2003—2016年）的干旱在整個(gè)北方地區(qū)均有所減少，西部地區(qū)干旱日數(shù)減少要多于東部地區(qū)，這一現(xiàn)象在輕旱和中旱中比較明顯。

4 結(jié)論與討論

文章基于MCI指數(shù)研究了中國(guó)北方不同等級(jí)干旱日數(shù)的趨勢(shì)特征，結(jié)論如下：

（1）中國(guó)北方東部干旱日數(shù)多于西部干旱日數(shù)，其中年平均干旱日數(shù)最多的區(qū)域主要位于河北，達(dá)到160 d，而年平均干旱日數(shù)最少的區(qū)域主要位于新疆中南部地區(qū)，少于50 d；從時(shí)間變化來(lái)看呈現(xiàn)年代際變化特征，1961—1990年期間干旱日數(shù)變化趨勢(shì)幾乎為0，1990—1999年期間增加趨勢(shì)達(dá)到9.46 d/a（通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)），而2000—2016年期間減小趨勢(shì)為-1.94 d/a。

（2）不同等級(jí)干旱，輕旱、中旱、重旱和特旱的多年平均干旱日數(shù)分別為65.50 d、37.13 d、13.68 d和3.75 d，意味著中國(guó)北方干旱主要以輕旱和中旱為主，且是北方干旱的年代際變化的主要貢獻(xiàn)；重旱和特旱所占比重較小，但這兩類干旱在1996—2005年期間的干旱日數(shù)異常高于多年平均值，分別達(dá)到18.95 d和7.12 d，是總干旱日數(shù)在此時(shí)段增加的主要原因。

（3）輕旱、中旱、重旱和特旱日數(shù)百分比的區(qū)域平均分別為56.48%、30.26%、10.55%和2.71%，主要以輕旱和中旱為主；從空間分布來(lái)看，輕旱干旱日數(shù)百分比主要呈現(xiàn)“西高東低”的分布特征，百分比最高區(qū)域位于新疆（超過(guò)70%），而東部區(qū)域百分位為50%左右，中旱、重旱和特旱則呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征，其中中旱在東部地區(qū)百分比為30%左右，而西部地區(qū)則少于20%；從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，1990年以前，不同等級(jí)的干旱日數(shù)百分比較為穩(wěn)定，沒有顯著的趨勢(shì)，而1990—1998年期間輕旱日數(shù)百分比呈現(xiàn)顯著負(fù)趨勢(shì)、重旱和特旱日數(shù)百分比顯著增加，1999—2005年期間這一情況相反，2006年以后不同等級(jí)干旱日數(shù)百分比趨勢(shì)幾乎為0，這一現(xiàn)象在輕旱和中旱日數(shù)中更為明顯。