近60年河西走廊東部氣象干旱演變特征

楊曉玲, 丁文魁, 孫占峰, 聶 鑫

(1.甘肅省武威市氣象局, 甘肅 武威 733099; 2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，蘭州 730020)

干旱是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟發(fā)展最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]。大量事實表明，隨著全球氣候顯著變暖，全球極端干旱面積正在擴大[2-3]，干旱導(dǎo)致的水資源短缺日益嚴(yán)重。氣象學(xué)者和相關(guān)專家研究發(fā)現(xiàn)中國北方地區(qū)干旱化正在加?。黑w海燕等[4]通過分析農(nóng)業(yè)受旱面積和播種面積資料，認(rèn)為東北、內(nèi)蒙古和西北地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱有顯著加重趨勢；梁澤學(xué)等[5]發(fā)現(xiàn)半干旱區(qū)東移，河套地區(qū)四季均表現(xiàn)出干旱化；路桂華等[6]指出遼河平原—海河平原—黃土高原—四川盆地—云貴高原形成了一個干旱化帶狀區(qū)域，干旱頻率增加，特別是20世紀(jì)90年代中期以來，干旱連年發(fā)生，旱情較為嚴(yán)重；馬柱國等[7-8]認(rèn)為西北東部和華北的干旱化趨勢在不斷加劇，降水減少和氣溫升高是其主要原因；章大全等[9]指出未來5 a內(nèi)干旱發(fā)生概率較大的地區(qū)主要在中國華北，且有持續(xù)向南擴張的趨勢，降水減少仍然是中國東部干旱形成的主要因素；王春乙[10]研究指出，中國平均每年旱災(zāi)的受災(zāi)面積高達2 200萬hm2，占各種災(zāi)害受災(zāi)面積的40%以上，糧食損失約120億kg；劉勤等[11]發(fā)現(xiàn)中國氣候總體上呈暖干化的變化趨勢，預(yù)計未來幾十年北方地區(qū)將經(jīng)歷最干旱的時期，極端干旱的頻率和歷時將達最大。因此，干旱仍是未來中國要面臨的主要氣象災(zāi)害。

河西走廊東部位于祁連山東段，與騰格里沙漠和巴丹吉林沙南緣接壤，境內(nèi)山區(qū)、平原、戈壁荒漠并存，地形地貌極為復(fù)雜，由此造成該區(qū)災(zāi)害天氣復(fù)雜多樣，其中，干旱是該區(qū)域致災(zāi)最嚴(yán)重災(zāi)害天氣，造成年均經(jīng)濟損失超過5 460萬元，年均農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積超過31 639 hm2[12-14]，因此，筆者以河西走廊東部近60年降水和氣溫為基礎(chǔ)，構(gòu)造氣象干旱指數(shù)，詳細探討氣溫、降水和氣象干旱的演變特征，將對提高當(dāng)?shù)馗珊殿A(yù)測預(yù)警水平和應(yīng)對氣候變化能力提供參考依據(jù)，同時對防旱抗旱減災(zāi)、農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境改善和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河西走廊東部地勢南高北低，由西南向東北傾斜，海拔在1 300～3 100 m，從北向南依次為民勤、永昌、涼州、古浪、天祝，地理位置36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E(表1)。年氣溫在0.1～8.4℃，年降水量在110～410 mm，年蒸發(fā)量在1 500～2 700 mm，蒸發(fā)量是降水量的3.7～24.5倍，屬大陸性溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)[15]。

表1 河西走廊東部地理狀況

1.2 資料與指標(biāo)

選取1960—2019年河西走廊東部的涼州、民勤、永昌、古浪、天祝5個區(qū)(縣)自動氣象站月氣溫和降水觀測資料，60 a來，5個氣象站均未曾遷移，氣溫和降水觀測數(shù)據(jù)時間序列長，完整性和連續(xù)性好，可信度高。

1.3 研究方法

1.3.1 干旱指數(shù) 氣溫和降水是決定干旱發(fā)生、發(fā)展變化和終止最重要的因素，干旱通常具有高溫少雨的氣候特征，即氣溫高蒸發(fā)強烈與水份補給不足這兩個方面。因此，采用Д·A·ⅡeДb提出的大氣干旱指數(shù)公式，構(gòu)造出月干旱指數(shù)[17]：

X=ΔT/δt-ΔR/δr

(1)

(2)

(3)

式中：X為某時段干旱指數(shù)；氣溫距平ΔT=T-Tp；T為氣溫；Tp為平均氣溫；降水ΔR=R-Rp；R為降水量；Rp平均降水量;δt與δr分別為某時段氣溫、降水量的標(biāo)準(zhǔn)差；L為資料年數(shù)。

以往常用的干旱指數(shù)包括Palmer干旱指數(shù)(PDSI)[18]、作物水分指數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)等[19]。但均有一定的局限性，PDSI指數(shù)和作物水分指數(shù)在旱情等級界定上有主觀因素，在判斷極端旱情時可能會滯后幾個月；SPI指數(shù)僅考慮降水資料，未考慮影響干旱的其他因素如溫度、蒸散等。本文采用Д·A·ⅡeДb提出的干旱指數(shù)的優(yōu)點是即考慮了降水變化，又考慮了溫度升高引起蒸發(fā)的變化，適合于定量地描述月、季、年景干旱或雨澇的反常氣候狀況。

1.3.2 氣候傾向率 利用線性趨勢分析指標(biāo)的時間變化，計算指標(biāo)的氣候傾向率，線性方程[20]為：

yi=a+bti(i=1,2,3，…，n)

(4)

式中：yi為指標(biāo)變量；ti為yi對應(yīng)的時間；b為傾向率；b×10為每10 a的變化率。變化趨勢的顯著性,采用t與y間的氣候趨勢系數(shù)進行顯著性檢驗。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法[21]:通過信度α=0.1，0.05，0.01檢驗對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)臨界值依次為:0.306，0.365，0.443,當(dāng)氣候趨勢系數(shù)絕對值大于上述臨界值時,分別認(rèn)為較顯著、顯著、很顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫和降水演變特征

2.1.1 空間分布 河西走廊東部地處祁連山東麓，境內(nèi)地形復(fù)雜，高山平原沙漠并存，氣溫和降水的地域分布存在一定差異(圖1)。年、農(nóng)業(yè)季氣溫：全域分別為5.6℃，12.3℃；各地均為民勤最高，涼州次之，再次為古浪，天祝最低。即年和農(nóng)業(yè)季氣溫均為荒漠區(qū)和綠洲平原區(qū)明顯高于淺山區(qū)，淺山區(qū)明顯高于高寒山區(qū)。年、農(nóng)業(yè)季降水：全區(qū)域分別為253.3 mm，227.3 mm；各地均為天祝最多，古浪次之，再次為永昌，民勤最少。即年和農(nóng)業(yè)季降水均為高寒山區(qū)多于淺山區(qū)，淺山區(qū)多于荒漠區(qū)和綠洲平原區(qū)。

3．相關(guān)會議類。關(guān)于習(xí)近平共享發(fā)展的會議是比較多的，最具有代表性的會議有《決策論壇——公共政策的創(chuàng)新與分析學(xué)術(shù)研討會》、《中國國際共運史學(xué)會2016年年會暨學(xué)術(shù)研討會》《中國經(jīng)濟規(guī)律研究會第26屆年會暨“政治經(jīng)濟學(xué)創(chuàng)新與供給側(cè)改革”研討會》等，這些會議從不同角度闡明了習(xí)近平共享發(fā)展理念符合時代發(fā)展。準(zhǔn)確地理解習(xí)近平共享發(fā)展理念的理論來源、深刻內(nèi)涵以及與其他四大發(fā)展理念(創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放)的邏輯關(guān)系，同時準(zhǔn)確把握習(xí)近平共享發(fā)展理念的創(chuàng)新性，為習(xí)近平共享發(fā)展理念的進一步深入研究開拓了理論視野，對于習(xí)近平共享發(fā)展理念的研究具有重要借鑒意義。

圖1 河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫和降水量空間分布

氣溫和降水的地域分布與影響當(dāng)?shù)靥鞖庀到y(tǒng)關(guān)系較大，平原區(qū)和荒漠區(qū)主要受西北和偏北氣流環(huán)流背景影響，大氣攜帶水汽相對較少，晴天較多，陰雨天少，氣溫高，降水少；山區(qū)位于祁連山東北側(cè)，受西南季風(fēng)影響，西南暖濕氣流活躍，陰雨日數(shù)較多，氣溫低，降水多。另外，氣溫和降水的分布還與海拔高度有一定的關(guān)系，平原區(qū)和荒漠區(qū)海拔低，氣溫高，山區(qū)正好相反；山區(qū)位于祁連山東北側(cè)，受高海拔動力和高原本身的熱力等作用，致使水汽極易堆積抬升凝結(jié)，降水多比平原區(qū)和荒漠區(qū)多。

2.1.2 時間變化 河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫隨年份呈升高趨勢(圖2)，其中，年氣溫的氣候傾向率為涼州>古浪>民勤>全區(qū)域>永昌>天祝，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定，全區(qū)域及各地氣候趨勢系數(shù)均通過了α=0.01顯著性水平檢驗，升高趨勢很顯著；農(nóng)業(yè)季氣溫的氣候傾向率為涼州>民勤>古浪>全區(qū)域>永昌>天祝，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定，全區(qū)域及各地氣候趨勢系數(shù)也均通過了α=0.01顯著性水平檢驗，升高趨勢很顯著。

圖2 河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫的變化趨勢

河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季降水隨年份呈增多趨勢(圖3)，其中，年降水的氣候傾向率為天祝>永昌>全區(qū)域>涼州>民勤>古浪，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定，永昌氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.01顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，天祝氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.05顯著性水平檢驗，增多趨勢顯著，全區(qū)域氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.1顯著性水平檢驗，增多趨勢較顯著，涼州、民勤、古浪氣候趨勢系數(shù)沒有通過顯著性水平檢驗，增多趨勢不顯著；農(nóng)業(yè)季降水的氣候傾向率為天祝>永昌>全區(qū)域>涼州>古浪>民勤，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定，永昌氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.01顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，天祝氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.1顯著性水平檢驗，增多趨勢較顯著，全區(qū)域及涼州、民勤、古浪氣候趨勢系數(shù)沒有通過顯著性水平檢驗，增多趨勢不顯著。

圖3 河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季降水量的變化趨勢

從表2可知，河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫隨年代呈升高趨勢，20世紀(jì)60—80年代為負距平，氣溫偏低，其中70年代最低；90年代距平在0℃左右，氣溫持平；21世紀(jì)以來為較大的正距平，氣溫明顯偏高，10年代氣溫最高。

表2 河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫、降水量年代距平

河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季降水隨年代總體呈增多趨勢，20世紀(jì)60—80年代為負距平，降水偏少，但民勤和古浪70年代為較大的正距平，降水最多；90年代距平有正有負，除涼州和天祝外，距平的絕對值均較?。?1世紀(jì)以來為較大的正距平，但個別縣區(qū)不一致，00年代古浪、天祝為較小的負距平；除民勤和古浪外，10年代降水最多。

2.2 干旱演變特征

2.2.1 空間分布 河西走廊東部各地干旱的地域分布差異不大(圖4)。年景干旱出現(xiàn)年數(shù)、頻率：全區(qū)域26 a，43.3%；永昌最多30 a，50.0%；涼州、古浪次之27 a，45.0%；再次為天祝25 a，41.7%；民勤最少22 a，36.7%，即干旱年數(shù)為北部淺山區(qū)多于綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)，綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)多于高寒山區(qū)，高寒山區(qū)多于荒漠區(qū)。農(nóng)業(yè)季干旱出現(xiàn)年數(shù)、頻率：全區(qū)域25 a，41.7%；天祝最多29 a，48.3%；民勤次之27 a，45.0%；再次為涼州和古浪均為25 a，41.7%；永昌最少24 a，40.0%，說明農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)為高寒山區(qū)多于荒漠區(qū)，荒漠區(qū)多于綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)，綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)多于北部淺山區(qū)，即年景干旱與農(nóng)業(yè)季干旱南北幾乎呈相反的變化趨勢。

圖4 河西走廊東部年景和農(nóng)業(yè)季干旱頻率空間分布

2.2.2 時間變化 由上節(jié)的分析可知，河西走廊東部出現(xiàn)年景干旱和農(nóng)業(yè)季干旱的頻率基本在50%以下，即有一半以上的年份未出現(xiàn)干旱，年變化的偶然性較大，因此在時間變化上，選取年代際進行分析。

從表3可知，河西走廊東部年景和農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)隨年代先減少后明顯增多趨勢。20世紀(jì)60—80年代較少，在0～4 a，其中70年代最少；90年代開始增多，90年代在4～7 a；21世紀(jì)00—10年代干旱年數(shù)明顯偏多，在6～10 a，各地變化不太一致，特別是00年代涼州、永昌、古浪年景干旱和天祝農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)高達9 a，10年代民勤、古浪年景干旱和民勤農(nóng)業(yè)季干旱高達年數(shù)10 a，涼州、古浪農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)高達9 a。這主要是由于本研究所用干旱指數(shù)是基于氣溫和降水得到的，胡實等[22]研究發(fā)現(xiàn)增溫引起的地表蒸發(fā)增加是干旱頻發(fā)的主要原因。由2.1.2節(jié)分析可知，河西走廊東部氣溫出現(xiàn)顯著升高，升溫率均通過了α=0.01顯著性水平檢驗；降水也出現(xiàn)了增多，但增多率大部分沒有通過顯著性水平檢驗，特別是90年代以來，氣溫增幅非常明顯，降水增幅不明顯，因此，90年代以來干旱年數(shù)增多，特別是21世紀(jì)前20 a出現(xiàn)了明顯增多的現(xiàn)象。這與廖要明等[23]研究的中國干旱事件明顯增多和金紅梅等[24]、程文舉等[25]分析的中國西北地區(qū)氣象干旱呈增強趨勢相對一致，但與張利利等[26]研究的石羊河流域干旱事件的變化不一致。這可能與表述干旱事件所用的氣象要素和計算方法不同有關(guān)，有待于進一步研究。

表3 河西走廊東部年景和農(nóng)業(yè)季干旱各年代年數(shù) a

2.2.3 各等級干旱變化 由大氣干旱指數(shù)分布劃分的干旱等級能反映不同時間和地點的氣候特征，其干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)具有一定的氣候意義，可適用于不同時段不同地區(qū)。

從表4可知，河西走廊東部年景和農(nóng)業(yè)季各級別干旱年數(shù)變率較大，隨著干旱等級的加重，干旱年數(shù)總體上在減少，特旱年數(shù)最少，但年景干旱年數(shù)個別站為重旱略多于中旱，農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)均為中旱多于輕旱，這與柏慶順等[27]研究的中國西北地區(qū)各級別干旱年數(shù)的變化(輕旱>中旱>重旱>特旱)不太一致，這可能是干旱指數(shù)的計算和各干旱等級分級有所不同。在年景干旱中，輕旱年數(shù)占干旱總年數(shù)的22.7%～53.3%，中旱年數(shù)占14.8%～27.3%，重旱年數(shù)占16.7%～28.0%，特旱年數(shù)占6.7%～27.3%；在農(nóng)業(yè)季干旱中，輕旱年數(shù)占干旱總年數(shù)的24.0%～39.3%，中旱年數(shù)占25.0%～48.0%，重旱年數(shù)占16.0%～29.2%，特旱年數(shù)占3.4%～20.0%。特旱和重旱出現(xiàn)概率雖小，但仍會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來了嚴(yán)重的影響[28-29]。

表4 河西走廊東部年景和農(nóng)業(yè)季各級別干旱年數(shù) a

2.3 干旱指標(biāo)識別與實際干旱對比

為探明Д·A·ⅡeДb提出的干旱指數(shù)識別的干旱是否符合河西走廊東部實際干旱情況，查找了研究區(qū)域的歷史干旱資料，以驗證該指數(shù)在河西走廊東部的適用性。由于輕旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較小，因此，選取了干旱指數(shù)識別的中旱等級以上干旱事件與武威市氣象局災(zāi)情統(tǒng)計和《甘肅省歷史氣候資料》記載的干旱事件進行對比(表5)，發(fā)現(xiàn)該指數(shù)識別出了河西走廊東部實際發(fā)生的大部分重要干旱事件，只有個別年份(1963年、1976年、1997年、2009年、2016年、2017年)識別的干旱與實況有出入，這種差異可能是由于評估指標(biāo)側(cè)重點及計算方法或者干旱事件記載的不詳?shù)仍驅(qū)е?。?jù)武威市氣象局災(zāi)情統(tǒng)計和《甘肅省歷史氣候資料》記載：1991年大旱使武威市農(nóng)作物受災(zāi)面積達39.5%，受災(zāi)嚴(yán)重；1999年、2013年、2018年特旱使河西走廊東部農(nóng)作物受災(zāi)面積分別達4.201×104hm2，8.566 6×105hm2，5.63×104hm2，經(jīng)濟損失分別達2.542 4×108元，4.450 5×107元，4.443 1×108元，這與指數(shù)識別的河西走廊東部特旱年份一致。

表5 干旱指數(shù)識別與實際干旱事件對比

總之，利用該指數(shù)識別出的主要氣象干旱事件與實際干旱事件基本一致，干旱等級也相對一致，說明使用該指數(shù)能夠較好地監(jiān)測到河西走廊東部干旱年份及干旱等級。

3 小 結(jié)

(1)河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫均為荒漠區(qū)和綠洲平原區(qū)明顯高于淺山區(qū)，淺山區(qū)明顯高于高寒山區(qū)；年和農(nóng)業(yè)季降水均為高寒山區(qū)多于淺山區(qū)，淺山區(qū)多于荒漠區(qū)和綠洲平原區(qū)。河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫隨年份呈顯著升高趨勢，區(qū)域及各地氣候趨勢系數(shù)均通過了α=0.01顯著性水平檢驗；年和農(nóng)業(yè)季降水隨年份呈增多趨勢，只有永昌、天祝氣候趨勢系數(shù)通過了顯著性檢驗。河西走廊東部年和農(nóng)業(yè)季氣溫隨年代在升高；年和農(nóng)業(yè)季降水隨年代總體上在增多，但各地變化不太一致。

(2)河西走廊東部年景干旱年數(shù)為北部淺山區(qū)多于綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)，綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)多于高寒山區(qū)，高寒山區(qū)多于荒漠區(qū)；農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)為高寒山區(qū)多于荒漠區(qū)，荒漠區(qū)多于綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)，綠洲平原區(qū)和南部淺山區(qū)多于北部淺山區(qū)。河西走廊東部年景和農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)隨年代呈先減少后明顯增多趨勢，70年代最少，21世紀(jì)00—10年代干旱年數(shù)較多。年景和農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)各等級變率較大，隨著干旱級別的加重，干旱年數(shù)總體在減少，特旱年數(shù)最少，但年景干旱年數(shù)個別站為重旱略多于中旱，農(nóng)業(yè)季干旱年數(shù)均為中旱多于輕旱。

(3)通過與歷史干旱記載事件對比發(fā)現(xiàn)，Д·A·ⅡeДb提出的干旱指數(shù)識別出的主要氣象干旱事件和實際干旱事件基本一致，干旱等級也相對一致，說明使用該指數(shù)能夠較好地監(jiān)測到河西走廊東部干旱年份及干旱等級。

(4)在氣候變暖的背景下，全球和區(qū)域尺度的干旱時空分布發(fā)生了變化[30]。選取河西走廊東部5個自動氣象站點的常規(guī)觀測資料討論氣候變化對河西走廊東部氣象干旱的影響，在一定程度上能夠清晰反映了氣象干旱對氣候變化的響應(yīng)，但河西走廊東部處于不同氣候區(qū)的交匯過渡帶，天氣特征和氣候變化受到季風(fēng)、環(huán)流系統(tǒng)、地形及海拔等因素的影響，局地氣候變化比較復(fù)雜，有待進一步研究。另外，僅用該地區(qū)5個自動氣象站點資料分析存在站點稀少、分布不均、網(wǎng)格較粗的弊端，在之后的研究中，需增加更多區(qū)域氣象站的觀測資料，結(jié)合河西走廊東部地形、地理位置及人類活動等相關(guān)信息，詳細分析河西走廊東部氣象干旱的地域差異，對氣象干旱等級劃分進行進一步修訂。