中國生態(tài)脆弱區(qū)高溫熱浪和干旱歷史變化特征分析

尹德震 李芳 林中達

1 中國科學院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學中心，北京 100029

2 中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049

3 中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京 100029

1 引言

隨著平均氣溫升高，近些年來全球各地高溫熱浪和干旱事件頻發(fā)（Lewis et al., 2011; Xu et al.,2020）。IPCC 第五次評估報告（IPCC, 2014）指出受當前氣候變率的影響，某些生態(tài)系統(tǒng)和許多人類系統(tǒng)具有明顯的脆弱性和暴露度（很高信度）。例如，極端天氣氣候事件可以顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程及生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能（樸世龍等, 2019）。在各種極端天氣氣候事件中，一般認為干旱對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響最大、最廣泛；而高溫熱浪同樣具有重要影響，且常與干旱相伴發(fā)生，進而造成更嚴重的影響（Frank et al., 2015）。

生態(tài)脆弱區(qū)也稱生態(tài)交錯區(qū)（Ecotone），是兩種及兩種以上不同類型生態(tài)系統(tǒng)交界的過渡區(qū)域。生態(tài)脆弱區(qū)不同于生態(tài)系統(tǒng)的核心區(qū)域，其環(huán)境及生物因子均處于相變的臨界狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境變化明顯，具有對氣候變化敏感、系統(tǒng)抗干擾能力弱、時空波動性強、邊緣效應顯著、環(huán)境異質性高等特征。因此，生態(tài)脆弱區(qū)更易遭受高溫熱浪和干旱等極端氣候的影響甚至破壞。如Will et al.（2013）研究指出：森林草原生態(tài)交錯區(qū)的樹木幾乎處于其正常生長所需水分的極限，因而對水分和氣溫的變化十分敏感。Rai et al.（2012）對2010～2011 年喜馬拉雅山西部生態(tài)脆弱區(qū)的極端天氣氣候事件的生態(tài)影響進行分析，指出這些極端事件會損害生態(tài)脆弱區(qū)各種植物的組織。Barros et al.（2017）針對阿爾卑斯山的生態(tài)交錯區(qū)樹線對干旱等的響應的研究表明，干旱會抵消氣候變化和土地利用變化所導致的林木擴張。中國是世界上生態(tài)脆弱區(qū)分布面積最大、脆弱生態(tài)類型最多、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最為明顯的國家之一（中華人民共和國環(huán)境保護部, 2008），各脆弱區(qū)目前正面臨氣候干旱等環(huán)境壓力。在此背景下，研究中國生態(tài)脆弱區(qū)高溫熱浪和干旱的歷史變化特征對我國生態(tài)系統(tǒng)的保護具有重要的指導意義。

以往對中國高溫熱浪或干旱的研究多聚焦于全國范圍或地理分區(qū)。一般認為，我國高溫熱浪的發(fā)生呈階段性變化，全國區(qū)域平均高溫熱浪頻次在20 世紀60 年代到80 年代有減弱趨勢，到20 世紀90 年代前后轉為增加（葉殿秀等, 2013; 賈佳和胡澤勇, 2017）。從空間分布來看，南方地區(qū)、新疆地區(qū)高溫熱浪事件的發(fā)生頻率相對較高，華南和西北地區(qū)有顯著增加趨勢（張嘉儀和錢誠, 2020）。華北地區(qū)的高溫熱浪在20 世紀70 年代中期至90年代中期前后相對較少，之后明顯增多，其多發(fā)地區(qū)位于華北西部和南部（邢佩等, 2020）。此外，東北地區(qū)的年高溫日數(shù)在近五十年整體也呈增加趨勢，主要位于內(nèi)蒙古東北部、黑龍江北部以及長白山以南（Wang L et al., 2018）。另一方面，我國干旱也有頻次增加、范圍擴大、程度加劇的趨勢（廖要明和張存杰, 2017; 韓蘭英等, 2019）。具體來看，在過去幾十年間我國東部地區(qū)“南澇北旱”的格局正在發(fā)生顯著的變化（馬柱國等, 2018），而北方則呈現(xiàn)“西濕東干”的變化趨勢（馬柱國和符淙斌, 2006）。西南地區(qū)的干旱災害在近60 年間有頻率增加、范圍擴大的趨勢（韓蘭英等, 2014）。而張強等（2010）研究表明：盡管西北部分地區(qū)近50 年來的降水量有所增加，但伴隨氣溫的升高，除少部分地區(qū)有暖濕化傾向外，整體呈暖干化趨勢。

針對生態(tài)脆弱區(qū)的研究則多關注于某一特定脆弱區(qū)，且不同研究對同一脆弱區(qū)的定義范圍多不相同。杜華明等（2015）對北方農(nóng)牧交錯帶干旱災害的研究顯示，近52 年北方農(nóng)牧交錯帶呈暖干化趨勢，干旱發(fā)生的強度和頻率增加。張成福等（2020）發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古荒漠草原區(qū)氣溫增加，降水減少，整體呈暖干化趨勢。而青藏高原則呈暖濕化趨勢，在此背景下青藏高原的干旱趨于緩解（李林等, 2018; 梁晶晶等, 2019）。孫藝杰等（2020）發(fā)現(xiàn)1960～2016 年黃土高原的高溫熱浪呈增加趨勢，旱澇表現(xiàn)為由澇轉旱，且干旱和熱浪同時發(fā)生的事件也呈增加趨勢。Wang X Y et al.（2018）研究了我國北方農(nóng)牧交錯帶的16 個極端溫度指標的變化情況（未包含高溫熱浪），發(fā)現(xiàn)1960～2016 年該地區(qū)的極端冷事件顯著減少而極端暖事件顯著增加。這些研究多針對于某一特定區(qū)域的高溫熱浪和旱澇事件，而對中國生態(tài)脆弱區(qū)的整體歷史變化特征尚不清楚。孫康慧（2019）和孫康慧等（2019）發(fā)現(xiàn)20 世紀80 年代以來中國各生態(tài)脆弱區(qū)均為升溫，空氣變干，風減弱；2000 年后，北方脆弱區(qū)降水增多，南方減少；除青藏高原外，其他生態(tài)脆弱區(qū)到達地表的太陽輻射增強。相關工作主要集中在氣溫、降水、風速、日照時數(shù)等氣象要素的變化特征的分析，并未涉及到中國生態(tài)脆弱區(qū)高溫熱浪和干旱的時空變化特征。

本文基于統(tǒng)計方法，全面分析了中國典型生態(tài)脆弱區(qū)（北方農(nóng)牧林草區(qū)、黃土高原脆弱區(qū)、干旱半干旱脆弱區(qū)、青藏高原脆弱區(qū)、南方農(nóng)牧脆弱區(qū)和西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)）在1980～2014 年發(fā)生的高溫熱浪和干旱的時空分布，進而了解我國生態(tài)脆弱區(qū)近35 年間高溫熱浪和干旱的歷史變化特征。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文統(tǒng)計高溫熱浪事件所用的日最高氣溫數(shù)據(jù)來自CN05.1 格點化觀測數(shù)據(jù)集。CN05.1 格點化觀測數(shù)據(jù)集是吳佳和高學杰（2013）基于中國氣象局所屬2400 余個臺站（基本、基準和一般站）的觀測資料，分別采用薄盤樣條函數(shù)法和角距權重法對氣象要素的氣候平均和距平進行插值并疊加得到的0.25°（緯度）×0.25°（經(jīng)度）分辨率逐日觀測數(shù)據(jù)，包含日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、降水量、平均風速、相對濕度和蒸散發(fā)等氣象要素。本研究采用了CN05.1 的日最高氣溫數(shù)據(jù)，根據(jù)吳佳和高學杰（2013）關于數(shù)據(jù)質量和可信度的討論，該數(shù)據(jù)在中國生態(tài)脆弱區(qū)基本適用，可信度較高。

干旱指數(shù)采用Vicente-Serrano et al.（2010）提出的標準化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）。所用數(shù)據(jù)集來自Vicente-Serrano et al.（2015）利用CRU TS3.2氣象數(shù)據(jù)集和Penman-Monteith 潛在蒸散發(fā)計算公式計算得到的全球1901 年1 月至2015 年12 月的0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度）分辨率逐月SPEI 格點數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)說明和下載地址為https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/standardized-precipitationevapotranspiration-index-spei[2021-01-29]。莊少偉等（2013）研究表明：在不同時間尺度的SPEI 中，12 個月尺度的SPEI 對我國不同等級降水區(qū)域的適用性最好，因此本文采用數(shù)據(jù)集中的12 個月尺度的SPEI 進行分析。

2.2 方法

2.2.1 分區(qū)

本文依照“全球變化及應對”重點專項項目“全球變化對生態(tài)脆弱區(qū)資源環(huán)境承載力的影響研究”，參考《全國生態(tài)脆弱區(qū)保護規(guī)劃綱要》（中華人民共和國環(huán)境保護部, 2008）和其他相關研究，劃分了6 個中國典型生態(tài)脆弱區(qū)，即：林草交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)、農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)、干旱半干旱生態(tài)脆弱區(qū)、黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)、青藏高原生態(tài)脆弱區(qū)和西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)（于貴瑞等, 2017），其中部分生態(tài)脆弱區(qū)之間存在重疊。本文研究根據(jù)地理分布特征對分區(qū)作了兩個調整：（1）因為農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)的南部和北部地理上不連通，我們將農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)分為南北兩部分；（2）北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)與林草交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)基本重疊，所以我們將二者合并為北方農(nóng)牧林草區(qū)。最終得到本文的分區(qū)包括北方生態(tài)脆弱區(qū)和南方生態(tài)脆弱區(qū)兩大部分（圖1），其中北方生態(tài)脆弱區(qū)包括北方農(nóng)牧林草區(qū)、黃土高原脆弱區(qū)和干旱半干旱脆弱區(qū)，主要位于干旱、半干旱地區(qū)，降水量少；盡管冬季氣溫低，該脆弱區(qū)夏季也常有高溫熱浪發(fā)生。南方生態(tài)脆弱區(qū)包括青藏高原脆弱區(qū)、南方農(nóng)牧脆弱區(qū)和西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)，地形相對復雜，其西南地區(qū)水土流失嚴重、青藏高原地區(qū)氣候惡劣，生產(chǎn)力都比較低，生態(tài)系統(tǒng)易遭極端事件破壞（中華人民共和國環(huán)境保護部, 2008）。

圖1 中國生態(tài)脆弱區(qū)區(qū)劃Fig. 1 Distribution of ecologically fragile zones (EFZs) in China

2.2.2 高溫熱浪及干旱指數(shù)定義

高溫熱浪是指在一定持續(xù)時間內(nèi)氣溫異常偏高的天氣過程，往往引起人和動植物對環(huán)境的不適應甚至死亡（徐金芳等, 2009）。本文根據(jù)中國氣象局的定義，將日最高氣溫≥35°C 視為一個高溫日，將連續(xù)3 天及以上的高溫視為一次熱浪事件（徐金芳等, 2009）。

一般認為，干旱主要是由降水減少或溫度升高造成的水分虧缺引起（莊少偉等, 2013）。12 個月尺度的SPEI 反映該月及前11 個月水分盈虧（降水量減去潛在蒸發(fā)量）的整體程度（Vicente-Serrano et al., 2010）。SPEI 大于0 代表該區(qū)域偏濕，而SPEI 小于0 代表該區(qū)域偏干。SPEI 干濕等級劃分見表1（劉珂和姜大膀, 2015），以下對不同程度干旱的判斷皆采用表1 等級劃分標準。

表1 SPEI 干濕等級劃分與概率Table 1 The standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) grade and its probability

2.2.3 統(tǒng)計分析方法

統(tǒng)計得到我國生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)各格點在1980～2014 年的逐年高溫日數(shù)、熱浪次數(shù)、年平均SPEI以及年中等和極端干旱發(fā)生月數(shù)序列，進而得到各要素在此35 年間的平均氣候態(tài)。之后分別計算各格點面積占相應區(qū)域總面積的面積百分比作為相應格點的加權系數(shù)，對各要素進行面積加權，計算得到各要素在各生態(tài)脆弱區(qū)以及全脆弱區(qū)平均的逐年序列。最后計算格點和區(qū)域平均序列的線性趨勢及其顯著性并對序列中可能存在的突變進行檢驗。其中，線性趨勢的計算采用最小二乘（Ordinary Least Squares，OLS）線性回歸方法，顯著性及突變檢驗采用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗法進行檢驗。

3 結果

3.1 高溫日數(shù)

對于1980～2014 年中國生態(tài)脆弱區(qū)年高溫日數(shù)氣候態(tài)而言（圖2a），北方生態(tài)脆弱區(qū)的高溫天氣較南方生態(tài)脆弱區(qū)更普遍。其中，北方農(nóng)牧林草區(qū)東部的大興安嶺以東部分地區(qū)、黃土高原脆弱區(qū)南部的關中平原、干旱半干旱脆弱區(qū)東部、干旱半干旱脆弱區(qū)中部河西走廊附近及西部的天山以北和塔里木盆地地區(qū)的年平均高溫日數(shù)超過3 d。南方生態(tài)脆弱區(qū)的高溫天氣多發(fā)生在西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)東部和青藏高原脆弱區(qū)南端等海拔相對較低的地區(qū)。

在變化趨勢上（圖2b），除干旱半干旱脆弱區(qū)西部極少部分地區(qū)的高溫日數(shù)呈下降趨勢外，中國生態(tài)脆弱區(qū)高溫日數(shù)在1980～2014 年間的變化趨勢均為增多，且多大于0.2 d/10 a。其中干旱半干旱脆弱區(qū)中部和西部部分地區(qū)、黃土高原脆弱區(qū)南部的關中平原、青藏高原脆弱區(qū)南端及西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)北部和東部的高溫日數(shù)增加趨勢通過了Mann-Kendall 顯著性檢驗（p＜0.05）。結合圖2a 和2b 可以發(fā)現(xiàn)，中國生態(tài)脆弱區(qū)中高溫天氣多發(fā)地區(qū)的趨勢多大于0.4 d/10 a（多通過顯著性檢驗）。圖3a 為全脆弱區(qū)和各生態(tài)脆弱區(qū)年高溫日數(shù)變化趨勢通過顯著性檢驗的面積比例，可見生態(tài)脆弱區(qū)中所有變化趨勢顯著區(qū)域均呈現(xiàn)高溫日數(shù)增加的趨勢，其中西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)的面積比率最大，接近25%；干旱半干旱脆弱區(qū)、黃土高原脆弱區(qū)超10%；南方農(nóng)牧脆弱區(qū)最少，幾乎為0。對于中國生態(tài)脆弱區(qū)整體而言，高溫日數(shù)增加顯著的面積比例約為11%。

圖2 1980～2014 年中國生態(tài)脆弱區(qū)年高溫日數(shù)（a）氣候態(tài)及（b）變化趨勢空間分布。（b）中斜線區(qū)域表示通過0.05 顯著性檢驗Fig. 2 Geographical distribution of (a) climatology and (b) linear trend of annual high-temperature days in EFZs in China during 1980-2014. Areas passing 0.05 significant trend in (b) are striped

圖3 1980～2014 年全區(qū)和各脆弱區(qū)年（a）高溫日數(shù)、（b）熱浪次數(shù)、（c）SPEI、（d）中等干旱發(fā)生月數(shù)及（e）極端干旱發(fā)生月數(shù)趨勢顯著的格點所占面積比率（紅色表示趨勢為增加，藍色表示趨勢為降低）Fig. 3 Area proportion of grids with significant trends in annual (a) high-temperature days, (b) heat wave frequency, (c) SPEI, (d) occurrence months of moderate drought, and (e) occurrence months of extreme drought in each EFZ and the entire area during 1980-2014. Red and blue denote downward and upward trends, respectively

區(qū)域平均而言（圖4、表2），1980～2014 年全脆弱區(qū)和各生態(tài)脆弱區(qū)年高溫日數(shù)呈增加趨勢，且除北方農(nóng)牧林草區(qū)外，增加趨勢均通過顯著性檢驗。從高溫日數(shù)時間序列來看（圖4），北方各生態(tài)脆弱區(qū)以1995 年前后為界發(fā)生突變，之前區(qū)域平均年高溫日數(shù)少且年際變化也小，之后高溫日數(shù)及年際變化迅速增加。為驗證該突變，對北方各生態(tài)脆弱區(qū)的年高溫日數(shù)序列進行Mann-Kendall 突變檢驗，結果如圖5 所示。北方各生態(tài)脆弱區(qū)的UF 統(tǒng)計量和UB 統(tǒng)計量曲線在1995 年前后存在交點且交點位于0.05 顯著性水平的置信區(qū)間內(nèi)，北方各生態(tài)脆弱區(qū)的年高溫日數(shù)在1995 年前后發(fā)生突變，這與前人研究（賈佳和胡澤勇, 2017; 孫藝杰等, 2020; 邢佩等, 2020）得到的我國北方高溫熱浪在20 世紀90 年代中期之后發(fā)生變化的結論相似。而南方生態(tài)脆弱區(qū)的高溫日數(shù)則不存在如北方生態(tài)脆弱區(qū)的明顯的突變現(xiàn)象。各生態(tài)脆弱區(qū)中，南方農(nóng)牧脆弱區(qū)幾乎無高溫天氣發(fā)生，只在2012 年和2014 年出現(xiàn)了兩次。

圖4 1980～2014 年（a）全脆弱區(qū)、（b）北方農(nóng)牧林草區(qū)、（c）黃土高原脆弱區(qū)、（d）干旱半干旱脆弱區(qū)、（e）青藏高原脆弱區(qū)、（f）南方農(nóng)牧脆弱區(qū)、（g）西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)區(qū)域平均年高溫日數(shù)的時間變化。*、**分別表示通過0.05、0.01 顯著性檢驗Fig. 4 Changes in region-averaged annual high-temperature days in(a) the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs,(e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and(g) southwest karst rocky desertification EFZs, in which * and **denote passing 0.05 and 0.01 significant trends, respectively

圖5 1980～2014 年北方各生態(tài)脆弱區(qū)（a）北方農(nóng)牧林草區(qū)、（b）黃土高原脆弱區(qū)、（c）干旱半干旱脆弱區(qū)區(qū)域平均年高溫日數(shù)Mann-Kendall 突變檢驗Fig. 5 Mann-Kendall mutation test for region-averaged annual hightemperature days in (a) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (b) Loess Plateau EFZs, and (c) arid and semiarid EFZs in northern China during 1980-2014

3.2 熱浪

熱浪事件的持續(xù)時間長，對生態(tài)系統(tǒng)的影響大于普通的高溫天氣。1980～2014 年中國生態(tài)脆弱區(qū)年熱浪次數(shù)氣候態(tài)的空間分布（圖6a）與高溫日數(shù)相似（圖2a）。熱浪天氣在北方生態(tài)脆弱區(qū)較南方脆弱區(qū)更為頻發(fā)。北方生態(tài)脆弱區(qū)東部的熱浪發(fā)生次數(shù)較少，年平均熱浪次數(shù)多小于1 次，而西部的熱浪次數(shù)較多，部分地區(qū)超過3 次；與高溫相似，南方生態(tài)脆弱區(qū)的熱浪天氣發(fā)生的區(qū)域較小，多發(fā)生于海拔相對較低的西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)北部和東部及青藏高原脆弱區(qū)南端，其中青藏高原脆弱區(qū)南端的年平均熱浪次數(shù)甚至超過3 次。

生態(tài)脆弱區(qū)的熱浪次數(shù)多呈增加趨勢（圖6b），趨勢變化的空間分布與氣候態(tài)的空間分布具有很好的一致性。在趨勢為增加的區(qū)域中，除少部分地區(qū)外，多數(shù)地區(qū)熱浪次數(shù)的增加速率小于0.8 (10 a)-1，此外還有部分地區(qū)有不明顯的減少趨勢。與高溫日數(shù)相比，各脆弱區(qū)熱浪次數(shù)趨勢顯著的面積比更小，約為高溫日數(shù)的一半左右?？傮w而言，全脆弱區(qū)有約4%區(qū)域的熱浪次數(shù)呈顯著增加。與高溫日數(shù)相似的是，各脆弱區(qū)年熱浪次數(shù)顯著增加面積比最大的是西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)，最小的是南方農(nóng)牧脆弱區(qū)（圖3b）。

圖6 1980～2014 年中國生態(tài)脆弱區(qū)年熱浪次數(shù)（a）氣候態(tài)及（b）變化趨勢空間分布。（b）中斜線區(qū)域表示通過0.05 顯著性檢驗Fig. 6 Geographical distribution of (a) climatology and (b) linear trend of annual heat wave frequency in EFZs in China during 1980-2014. Areas passing 0.05 significant trend in (b) are striped

脆弱區(qū)的區(qū)域平均年熱浪次數(shù)的時間變化特征（圖7 和表2）與高溫日數(shù)也相似。全脆弱區(qū)的區(qū)域平均年熱浪次數(shù)增加速率為0.041 (10 a)-1，通過顯著性檢驗（p＜0.01）。除北方農(nóng)牧林草區(qū)和幾乎不發(fā)生高溫熱浪的南方農(nóng)牧脆弱區(qū)以外，其余生態(tài)脆弱區(qū)的增加趨勢均通過顯著性檢驗。其中，西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)的增加速率為0.086 (10 a)-1，通過顯著性檢驗（p＜0.01），是各脆弱區(qū)中增加最快的。以1995 年前后為界，北方生態(tài)脆弱區(qū)的區(qū)域平均年熱浪次數(shù)也發(fā)生了突變，之前的熱浪次數(shù)幾乎無變化，之后出現(xiàn)較大的年際變化，該突變要比高溫日數(shù)的更為明顯。同樣對北方各生態(tài)脆弱區(qū)的年熱浪次數(shù)序列進行Mann-Kendall 突變檢驗，結果如圖8?？梢?，北方各生態(tài)脆弱區(qū)的UF 統(tǒng)計量和UB 統(tǒng)計量曲線在1995 年前后存在交點且通過了顯著性檢驗（p＜0.05）。因此，北方各生態(tài)脆弱區(qū)的年熱浪次數(shù)在1995 年前后同樣發(fā)生了變化。值得注意的是，南方農(nóng)牧脆弱區(qū)在2014 年首次發(fā)生熱浪事件，該熱浪發(fā)生在5 月下旬至6 月上旬的四川攀枝花和涼山彝族自治州范圍內(nèi)，且還伴隨著西南地區(qū)干旱的發(fā)生。在此期間，西南大部地區(qū)環(huán)流平直，無明顯南支槽波動，同時副高強度也較常年平均明顯偏強，西南地區(qū)長期受副高控制，高溫少雨（段海霞等, 2015）。此次熱浪事件的發(fā)生主要和局地對流層中、高層出現(xiàn)異常的下沉運動有關：異常的下沉運動進一步增強了氣候態(tài)上、由于副熱帶西風氣流沿著該地區(qū)西側山地下沉導致的地表大氣增溫，進而出現(xiàn)極端的熱浪事件（圖略）。

圖7 1980～2014 年（a）全脆弱區(qū)、（b）北方農(nóng)牧林草區(qū)、（c）黃土高原脆弱區(qū)、（d）干旱半干旱脆弱區(qū)、（e）青藏高原脆弱區(qū)、（f）南方農(nóng)牧脆弱區(qū)、（g）西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)區(qū)域平均年熱浪次數(shù)的時間變化。*、**分別表示通過0.05、0.01 顯著性檢驗Fig. 7 Changes in region-averaged annual heat wave frequency in (a)the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs,(e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and(g) southwest karst rocky desertification EFZs during 1980-2014, in which * and ** denote passing 0.05 and 0.01 significant trends,respectively

圖8 1980～2014 年北方各生態(tài)脆弱區(qū)（a）北方農(nóng)牧林草區(qū)、（b）黃土高原脆弱區(qū)、（c）干旱半干旱脆弱區(qū)區(qū)域平均年熱浪次數(shù)Mann-Kendall 突變檢驗Fig. 8 Mann-Kendall mutation test for region-averaged annual heat wave frequency in (a) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (b) Loess Plateau EFZs, and (c) arid and semiarid EFZs in northern China during 1980-2014

表2 全區(qū)和各脆弱區(qū)年高溫日數(shù)、熱浪頻次、SPEI 和干旱發(fā)生月數(shù)（包括中等干旱和極端干旱）的變化趨勢及顯著性Table 2 Linear trend and its significance of annual high-temperature days, heat wave frequency, SPEI, and occurrence months of drought (includes moderate drought and extreme drought) over each FEZ and the whole area

3.3 干旱

3.3.1 干濕情況

從1980～2014 年干濕變化趨勢上看，中國生態(tài)脆弱區(qū)的東部多變干，中部和西部多變濕（圖9）。北方生態(tài)脆弱區(qū)的大興安嶺及以東地區(qū)和天山東部地區(qū)趨向變干，其中天山東部地區(qū)的變干趨勢多通過了顯著性檢驗；其余地區(qū)存在變濕的傾向，其中騰格里沙漠附近濕潤化速率甚至超過0.3 (10 a)-1（通過了顯著性檢驗）。南方生態(tài)脆弱區(qū)西部的青藏高原部分整體有變濕傾向，東部則整體為變干趨勢。從圖3c 來看，全脆弱區(qū)整體上顯著變干的面積與顯著變濕的面積相當。其中干旱半干旱脆弱區(qū)變干與變濕的面積相當；北方農(nóng)牧林草區(qū)以變干為主，占7%左右；南方農(nóng)牧脆弱區(qū)和西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)只存在顯著變干區(qū)域，分別占2%左右和20%左右；而青藏高原脆弱區(qū)和黃土高原脆弱區(qū)則只存在顯著變濕區(qū)域，分別占15%左右和8%左右。

圖9 1980～2014 年中國生態(tài)脆弱區(qū)年平均標準化降水蒸發(fā)指數(shù)（SPEI）的變化趨勢空間分布。圖中斜線區(qū)域表示通過0.05 顯著性檢驗Fig. 9 Geographical distribution of the linear trend of annual standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) in EFZs in China between 1980 and 2014. Areas passing 0.05 significant trend are striped

對于區(qū)域平均年SPEI 變化趨勢，如圖10 和表2，由于脆弱區(qū)內(nèi)部干濕變化不一致，全脆弱區(qū)幾乎不存在趨勢，而各脆弱區(qū)的整體趨勢也并不顯著。對于北方生態(tài)脆弱區(qū)，北方農(nóng)牧林草區(qū)略有變干傾向，黃土高原脆弱區(qū)和干旱半干旱脆弱區(qū)則有變濕的傾向。南方生態(tài)脆弱區(qū)中的青藏高原脆弱區(qū)有變濕的傾向，南方農(nóng)牧脆弱區(qū)無明顯趨勢。而西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)則有較為明顯的變干趨勢，區(qū)域平均年SPEI 變化速率為-0.133 (10 a)-1，但也并未通過顯著性檢驗。

圖10 1980～2014 年（a）全脆弱區(qū)、（b）北方農(nóng)牧林草區(qū)、（c）黃土高原脆弱區(qū)、（d）干旱半干旱脆弱區(qū)、（e）青藏高原脆弱區(qū)、（f）南方農(nóng)牧脆弱區(qū)、（g）西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)區(qū)域平均年SPEI 的時間變化Fig. 10 Changes in region-averaged annual SPEI in (a) the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs,(c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs, (e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and (g) southwest karst rocky desertification EFZs during 1980-2014

3.3.2 干旱情況

基于表1 中對干旱的劃分，統(tǒng)計得到1980～2014 年中國生態(tài)脆弱區(qū)中等干旱和極端干旱發(fā)生月數(shù)氣候態(tài)和變化趨勢的空間分布（圖11）。中國生態(tài)脆弱區(qū)年平均中等干旱發(fā)生月數(shù)多大于1（嚴重地區(qū)甚至大于4），而年極端干旱發(fā)生月數(shù)多小于1（圖11a 和11c）。具體來看，北方生態(tài)脆弱區(qū)東部和中部的干旱更加嚴重，而西部準噶爾盆地地區(qū)的干旱較少。南方生態(tài)脆弱區(qū)東部在變干的同時，干旱也較為多發(fā)，但多為中等干旱；而西部青藏高原地區(qū)部分盡管有變濕的跡象，其干旱卻也不容忽視。

中等干旱和極端干旱發(fā)生月數(shù)變化趨勢的空間分布與干濕變化趨勢有一定的相似性（圖11b 和11d），整體呈現(xiàn)東部增加、西部減少的特征。北方生態(tài)脆弱區(qū)較為復雜：北方農(nóng)牧林草區(qū)東部的大興安嶺及以東地區(qū)極端干旱整體呈增加趨勢（少數(shù)地區(qū)通過了顯著性檢驗），中等干旱同樣也呈增加趨勢（部分地區(qū)通過了顯著性檢驗）；除關中平原呈顯著增加趨勢外，中部黃土高原脆弱區(qū)多數(shù)地區(qū)的中等干旱發(fā)生月數(shù)整體呈減少趨勢，而極端干旱在東北部增加，西部減少；除東部內(nèi)蒙古高原和西部吐魯番盆地以北等顯著變干區(qū)域的干旱呈顯著增加趨勢外，干旱半干旱脆弱區(qū)多數(shù)區(qū)域的干旱有減少趨勢。南方生態(tài)脆弱區(qū)西端少部分地區(qū)和東部地區(qū)的干旱有顯著增加趨勢，青藏高原脆弱區(qū)整體呈減少趨勢。

圖11 1980～2014 年中國生態(tài)脆弱區(qū)年平均（a、b）中等和（c、d）極端干旱發(fā)生月數(shù)氣候態(tài)（左列）及變化趨勢（右列）的空間分布。（b、d）中斜線區(qū)域表示通過0.05 顯著性檢驗Fig. 11 Geographical distribution of the average (left column) and the linear trends (right column) of annual (a-b) occurrence months of moderate drought and (c-d) occurrence months of extreme drought in EFZs in China during 1980-2014. Areas passing 0.05 significant trend in (b) and (d) are striped

區(qū)域來看，全脆弱區(qū)有近10%區(qū)域的年中等干旱發(fā)生月數(shù)呈顯著增加趨勢，只有近5%區(qū)域為顯著減少，而年極端干旱發(fā)生月數(shù)顯著增加與顯著減少的面積相近（圖3d 和3e）。具體來看，北方農(nóng)牧林草區(qū)的中等干旱以增加為主，占總面積的17%左右，極端干旱顯著增加的區(qū)域也明顯大于減少；黃土高原脆弱區(qū)和青藏高原脆弱區(qū)與之相反，以顯著減少為主；干旱半干旱脆弱區(qū)中等干旱發(fā)生月數(shù)顯著增加與顯著減少的區(qū)域相當，而極端干旱則以減少為主；南方農(nóng)牧脆弱區(qū)多數(shù)區(qū)域的中等干旱發(fā)生月數(shù)無顯著變化，但有13%左右區(qū)域的極端干旱發(fā)生月數(shù)顯著增加；西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)的干旱最為嚴重，中等和極端干旱顯著增加的面積比都超20%。如圖12 及表2，同樣由于脆弱區(qū)內(nèi)部變化的不一致，全脆弱區(qū)的年干旱發(fā)生月數(shù)也并沒有較為明顯趨勢。具體來看，北方生態(tài)脆弱區(qū)中只有北方農(nóng)牧林草區(qū)的干旱發(fā)生月數(shù)呈增加趨勢，但也未通過顯著性檢驗；而南方生態(tài)脆弱區(qū)中的西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)的區(qū)域平均年干旱發(fā)生月數(shù)以0.708 months/10 a（通過顯著性檢驗）的速率增加。

圖12 1980～2014 年（a）全脆弱區(qū)、（b）北方農(nóng)牧林草區(qū)、（c）黃土高原脆弱區(qū)、（d）干旱半干旱脆弱區(qū)、（e）青藏高原脆弱區(qū)、（f）南方農(nóng)牧脆弱區(qū)、（g）西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)區(qū)域平均年干旱發(fā)生月數(shù)（中等干旱及極端干旱）的時間變化。*、**分別表示通過0.05、0.01 顯著性檢驗Fig. 12 Changes in region-averaged annual occurrence months of drought (both moderate drought and extreme drought) in (a) the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs, (e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and (g)southwest karst rocky desertification EFZs during 1980-2014, in which* and ** denote passing 0.05 and 0.01 significant trends, respectively

4 結論與討論

通過以上對我國1980～2014 年生態(tài)脆弱區(qū)高溫熱浪及干旱的分析，可得到如下結論：

（1）中國生態(tài)脆弱區(qū)年高溫日數(shù)整體呈增加趨勢，其氣候平均和趨勢的空間分布形態(tài)具有較好的一致性。其中，北方生態(tài)脆弱區(qū)的高溫天氣分布更廣泛，其變化特征在20 世紀90 年代中期前后發(fā)生突變，之前區(qū)域平均年高溫日數(shù)少且年際變化也小，之后高溫日數(shù)及年際變化迅速增加。南方生態(tài)脆弱區(qū)多位于高海拔地區(qū)，高溫天氣只發(fā)生在西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)東部和青藏高原脆弱區(qū)南端等海拔較低的地區(qū)，但這些地區(qū)高溫日數(shù)增加速率較北方生態(tài)脆弱區(qū)快。值得注意的是，基本不發(fā)生高溫天氣的南方農(nóng)牧脆弱區(qū)近些年也出現(xiàn)了高溫現(xiàn)象。

（2）熱浪的時空變化與高溫日數(shù)相似。北方生態(tài)脆弱區(qū)熱浪天氣的分布同樣更加廣泛，其變化特征在20 世紀90 年代中期前后同樣發(fā)生突變，且該突變比高溫日數(shù)更加明顯，突變之后熱浪天氣開始頻繁。南方生態(tài)脆弱區(qū)的熱浪事件同樣只在海拔相對較低的地區(qū)發(fā)生，其增加速率同樣較快，尤以西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)為著。在熱浪事件愈加頻發(fā)下，南方農(nóng)牧脆弱區(qū)也在2014 年首次有熱浪事件發(fā)生。

（3）干濕程度而言，中國生態(tài)脆弱區(qū)東部整體呈變干趨勢，而西部多為變濕趨勢。在區(qū)域平均上，各生態(tài)脆弱區(qū)的變化趨勢都比較小，且無生態(tài)脆弱區(qū)通過顯著性檢驗。

（4）大部分生態(tài)脆弱區(qū)都有至少1 個月達到中等干旱程度，而極端干旱發(fā)生月數(shù)則多小于1。干旱發(fā)生月數(shù)趨勢的空間分布與干濕變化相似，但黃土高原脆弱區(qū)例外：盡管多數(shù)地區(qū)存在變濕的趨勢，但其東北部地區(qū)的極端干旱發(fā)生月數(shù)卻呈增加趨勢。西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)的干旱事件增加最快且顯著。

Wang X Y et al.（2018）分析了北方農(nóng)牧交錯帶45 個站點的極端溫度指數(shù)變化情況，指出該地區(qū)的極端暖事件（如暖夜日數(shù)、暖晝?nèi)諗?shù)、夏季日數(shù)、熱夜日數(shù)等）呈顯著增加趨勢，且上升趨勢多在1980 年后；本文也指出北方農(nóng)牧林草區(qū)在1980年以后高溫熱浪有增加的趨勢，但該趨勢并不顯著。兩者之間的差異可能與采用的指數(shù)不同有關。本文統(tǒng)計的高溫熱浪是依據(jù)中國氣象局的定義：將日最高氣溫≥35°C 視為一個高溫日，將連續(xù)3 d 及以上的高溫視為一次熱浪事件。而Wang X Y et al.（2018）文章中統(tǒng)計的極端暖事件的定義是氣候變化檢測與指數(shù)專家組（ETCCDI）提出的指數(shù)（包括絕對指標、相對指標和極值指標等）。孫藝杰等（2020）利用日最高氣溫的90%分位數(shù)作為高溫閾值，超過該閾值時定義為一次高溫熱浪事件，通過對1960～2016 年黃土高原地區(qū)發(fā)生的高溫熱浪進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)高溫熱浪在1995 年以后呈明顯增加趨勢，這與本文的結果相似。張嘉儀和錢誠（2020）的研究中對高溫熱浪的定義與本文一致，其對西北地區(qū)高溫熱浪的分析發(fā)現(xiàn)1960～2018 年西北地區(qū)的高溫熱浪同樣呈增加趨勢。You et al.（2017）計算并比較了1961～2014 年全國和不同區(qū)域16 個不同熱浪指數(shù)的變化趨勢，其青藏高原和西南地區(qū)的計算結果與本文相似，多數(shù)指數(shù)顯示這兩個區(qū)域的熱浪呈顯著增加趨勢，其主要增加的時段為1991～2014 年。

杜華明等（2015）采用降水溫度均一化指標對北方農(nóng)牧交錯帶1961～2012 年的干旱情況進行了分析，盡管結果顯示北方農(nóng)牧交錯帶1961～2012年的干旱整體呈減少趨勢，但此地區(qū)干旱災害的發(fā)生頻率與強度在1997 年以后呈加強趨勢，這與本文結果相似。孫藝杰等（2020）使用標準化降水指數(shù)（SPI）分析了黃土高原1960～2016 年干旱情況，發(fā)現(xiàn)黃土高原整體存在由澇轉旱的趨勢，與本文結論相反；這可能是孫藝杰等（2020）所采用的SPI指數(shù)未考慮蒸散發(fā)的影響，而本文所采用的SPEI同時考慮了降水和蒸散發(fā)的影響。黃小燕等（2015）采用降水量比潛在蒸散量的地表濕潤指數(shù)分析了我國西北地區(qū)1960～2011 年極端干旱發(fā)生情況，盡管研究區(qū)域比干旱半干旱脆弱區(qū)大，其極端干旱同樣呈減少趨勢，且極端干旱變化趨勢的空間分布也與本文結果有一定相似。梁晶晶等（2019）采用SPEI 對青藏高原1980～2014 干旱趨勢的分析結果與本文相似，即青藏高原地區(qū)的干旱整體有緩解趨勢。王東等（2014）基于SPEI 對西南地區(qū)1960～2012 年干旱的分析顯示，西南各地區(qū)均呈干旱化趨勢，其中云貴高原部分的趨勢相對更加明顯，這也與本文西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)干旱增加最快且顯著的結論一致。

平均氣候的變化會導致其所對應的極端氣候的概率發(fā)生非線性變化（程炳巖等，2013）。孫康慧等（2019）的研究表明，自20 世紀80 年代以來中國生態(tài)脆弱區(qū)的日平均氣溫、日最高、最低氣溫幾乎都呈上升趨勢?？梢?，中國生態(tài)脆弱區(qū)高溫熱浪事件的增加可能在一定程度上是由于氣溫升高導致的。而我國北方生態(tài)脆弱區(qū)的干濕變化與孫康慧等（2019）分析的年均降水變化的空間分布基本一致，說明盡管SPEI 指數(shù)考慮了蒸散發(fā)，但北方生態(tài)脆弱區(qū)的整體干濕變化可能主要由降水變化決定。對于西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)干旱的顯著增加，溫度升高可能是其主要原因，而降水減少等也在一定程度上加重了干旱（韓蘭英等, 2014）。

除了與局地平均氣候的變化有關外，高溫熱浪和干旱的變化可能還與大氣環(huán)流、海表面溫度（SST）變化及人類活動有關。比如，西南地區(qū)的高溫熱浪變化與異常高壓的形成和維持有關（黃小梅等, 2020），北方生態(tài)脆弱區(qū)東部的干旱化趨勢與東亞季風自20 世紀70 年代中后期起的減弱有關（黃榮輝等, 2008），20 世紀90 年代中期北方生態(tài)脆弱區(qū)高溫熱浪的突變與大氣環(huán)流在1997 年前后發(fā)生的巨大轉變有關（李娟等, 2012）。Wang et al.（2017）發(fā)現(xiàn)熱帶西太平洋暖SST 通過激發(fā)向北傳播到東亞的Rossby 波增加中國北方地區(qū)（包括北方生態(tài)脆弱區(qū)）的熱浪發(fā)生的風險；而南方生態(tài)脆弱區(qū)東部、黃土高原脆弱區(qū)和干旱半干旱脆弱區(qū)西部的干旱變化受ENSO 等的調制（蘇明峰和王會軍, 2006; 王東等, 2014; 孫藝杰等, 2019）。此外，人類活動（如溫室氣體排放，土地利用等）對我國的干旱影響正在日益加強（Chen and Sun,2017; Omer et al., 2020）。

我國生態(tài)脆弱區(qū)高溫熱浪頻率和強度的增加以及北方農(nóng)牧林草區(qū)和西南巖溶山地石漠化脆弱區(qū)的干旱化會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列影響。比如，干旱和高溫熱浪均會減少通過光合作用進入生態(tài)系統(tǒng)的碳量并增加火災的發(fā)生風險，高溫熱浪會增加土壤呼吸（Li et al., 2012; Bonan, 2016）。在干旱條件下，水分脅迫導致植物生長受限，從而降低自養(yǎng)呼吸速率，同時由于植物碳底物的供應減少和微生物分解作用下降，土壤異養(yǎng)呼吸速率也呈降低趨勢；干旱還會導致樹木“水力傳導失效”或“碳饑餓”死亡并增加病蟲害（樸世龍等, 2019）。以上均會減弱生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能，增加生態(tài)系統(tǒng)脆弱性。同時北方農(nóng)牧林草區(qū)和南方農(nóng)牧脆弱區(qū)高溫熱浪的增加還會增強作物開花期附近的熱脅迫，從而導致減產(chǎn)（Siebert and Ewert, 2014）。相反，干旱半干旱脆弱區(qū)和青藏高原脆弱區(qū)變濕的趨勢可在一定程度上減緩這些地區(qū)的脆弱性。

致謝感謝高學杰研究員提供了CN05.1 格點化觀測數(shù)據(jù)集，同時感謝曾曉東研究員對本文進行了細致的檢查修改。