基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的1961-2020年昌吉地區(qū)氣象干旱趨勢(shì)分析

阿帕爾·肉孜，柳宏英，葉爾克江·霍依哈孜

（新疆昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100）

0 引 言

干旱是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大的自然災(zāi)害，具有發(fā)生頻率高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍廣的特點(diǎn)[1]。張景書[2]定義干旱為在降水極少或者無(wú)降水的情況下土壤水分匱乏，從而導(dǎo)致無(wú)法正常供應(yīng)作物生長(zhǎng)的氣候現(xiàn)象。氣象干旱主要是由氣象因素引起，主要表現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)因長(zhǎng)期無(wú)降水或降水異常偏少，降水和蒸散不均衡而導(dǎo)致的干旱現(xiàn)象，是發(fā)生普遍和最基本的干旱類型。一定程度的氣象干旱會(huì)引起其他幾種干旱的發(fā)生，尤其表現(xiàn)在當(dāng)降水明顯減少時(shí)，作物的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，河流的徑流和水位會(huì)明顯下降，人類的用水資源會(huì)出現(xiàn)短缺[3]。對(duì)氣象干旱的有效監(jiān)測(cè)是可以對(duì)其他幾種干旱做到有效的預(yù)警，減少干旱所造成損失的有效途徑[4]。近年來(lái)，眾多學(xué)者采用不同干旱指數(shù)對(duì)西北地區(qū)、新疆干旱進(jìn)行研究，開展了相當(dāng)多的工作，且取得了顯著的研究成果；陳斐等[5]研究了西北地區(qū)春旱時(shí)空分布特征，鄧興耀等[6]研究了中國(guó)西北干旱區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，翟祿新[7]等研究基于SPI的西北地區(qū)氣候干濕變化，姜大膀等[8]研究了新疆氣候的干濕變化及其趨勢(shì)預(yù)估，江遠(yuǎn)安等[9]研究了干旱指數(shù)CI 的確定及其在新疆應(yīng)用，吳燕峰[10]、唐高溶[11]、曹興[13,14]、葉爾克江·霍依哈孜[15]等研究新疆不同區(qū)域干濕變化特征得出不同的結(jié)論，且為北疆氣候干濕變化提供了豐富的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。但是對(duì)氣候變化極為敏感的昌吉地區(qū)，氣象干旱變化相關(guān)理論研究極少，而對(duì)最近20 a 氣象干旱的研究則很少涉及。因此現(xiàn)階段，利用長(zhǎng)時(shí)間序列的最新氣象資料來(lái)開展干旱趨勢(shì)變化的研究是十分必要的。通過(guò)前人的理論經(jīng)驗(yàn)和查閱歷史發(fā)生干旱資料中發(fā)現(xiàn)，氣候變暖背景下長(zhǎng)期少雨是導(dǎo)致昌吉地區(qū)氣象干旱的主要因素。因此本文選用降水量為基礎(chǔ)資料的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）來(lái)評(píng)估昌吉地區(qū)氣象干旱變化特征。SPI指數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，時(shí)間尺度靈活，在國(guó)內(nèi)外的干旱監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。SPI指標(biāo)能夠較好地反映干旱強(qiáng)度，對(duì)干旱變化反應(yīng)較敏感，同時(shí)多時(shí)間尺度應(yīng)用的特性可以為水資源評(píng)估和不同時(shí)間尺度的干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估[16]。

昌吉地區(qū)為新疆最重要的糧食、棉花、水果生產(chǎn)基地，也是國(guó)家級(jí)雜交玉米種子生產(chǎn)基地。2021年數(shù)據(jù)顯示昌吉地區(qū)種植作物47.67 萬(wàn)hm2。昌吉地區(qū)春、夏季農(nóng)業(yè)用水來(lái)源主要靠自然降水和高山冰川和積雪。近30年來(lái)中天山冰川面積萎縮明顯[17,18]，冬季積雪覆蓋率減少趨勢(shì)[19]。中天山北坡諸河流發(fā)源于天山山脈，也是昌吉地區(qū)的重要水源地。在此氣候背景下，昌吉地區(qū)降水量區(qū)域和季節(jié)分布不均勻，近幾年來(lái)，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，過(guò)度開采地下水，導(dǎo)致昌吉地區(qū)地下水水位持續(xù)下降，存在水土資源配置不平衡，區(qū)域資源性缺水矛盾較為突出。2015年以來(lái)，春、夏季出現(xiàn)的高溫干旱嚴(yán)重威脅到昌吉地區(qū)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定。因此，總結(jié)昌吉地區(qū)氣象干旱時(shí)空變化規(guī)律，為合理利用水資源，改善用水策略，防災(zāi)減災(zāi)、干旱監(jiān)測(cè)提供參考。

本文主要分析12個(gè)月和3個(gè)月時(shí)間尺度的SPI，因?yàn)?2個(gè)月時(shí)間尺度的SPI能比較清楚地反映干旱階段性變化，而3 個(gè)月時(shí)間尺度SPI可以反映季節(jié)干旱，與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

昌吉回族自治州（下稱昌吉地區(qū)或昌吉州）位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地東南緣。位于北緯43°20′～45°00′，東經(jīng)85°17′～91°32′。地勢(shì)南高北低，由東南向西北傾斜，南部是天山山地，中部為廣袤的沖積平原，北部為浩瀚的沙漠盆地。昌吉地區(qū)轄有五縣兩市，自西向東為西部的瑪納斯縣、呼圖壁縣和昌吉市，東部的阜康市、吉木薩爾縣、奇臺(tái)縣和木壘縣。其中瑪納斯縣、呼圖壁縣、昌吉市、阜康市、吉木薩爾縣、奇臺(tái)縣和蔡家湖7個(gè)站點(diǎn)代表平原區(qū)，天池、北塔山和木壘縣等3 個(gè)站點(diǎn)代表為山區(qū)。昌吉地區(qū)10 個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)所在位置見圖1。

圖1 昌吉地區(qū)地形圖Fig.1 Topographic map of Changji area

昌吉回族自治州處在歐亞大陸腹地，四周環(huán)山的盆地中，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫變化劇烈，為典型的大陸性干旱氣候。

1.2 資料來(lái)源

本文選用1961-2020年新疆昌吉地區(qū)各縣市10 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站逐月降水量數(shù)據(jù)計(jì)算得出昌吉地區(qū)年、季尺度的SPI值，SPI-12 表征年時(shí)間尺度，SPI-3 表征季時(shí)間尺度。SPI-3（5月）為春季、SPI-3（8月）為夏季、SPI-3（11月）為秋季、SPI-3（2月）為冬季。

1.3 分析方法

本文運(yùn)用Matlab 環(huán)境下進(jìn)行突變檢驗(yàn)和周期分析，利用Origin和Excel軟件進(jìn)行趨勢(shì)變化分析。

1.3.1 突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱M-K)檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并被廣泛用于實(shí)際研宄的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，是時(shí)間序列趨勢(shì)分析方法之一。在M-K 突變檢驗(yàn)中，對(duì)于含有n個(gè)樣本的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序數(shù)列[20-25]。

秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列上隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量:

式中：UF1= 0；E(Sk)，Var(Sk)是累積數(shù)Sk的均值和方差，在x1,x2,…,xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，它們可由下式算出。

UF系列為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，當(dāng)k增加時(shí)，UF很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x順序x1,x2,…,xn計(jì)算出來(lái)的統(tǒng)計(jì)量序列，在給定顯著性水平a下，于正態(tài)分布表中查出臨界值Ua/2，當(dāng)Ua/2<|UFi|，說(shuō)明序列具有顯著的變化趨勢(shì)。將時(shí)間序列x逆序排列xn,xn-1,…,x1，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使UBk= -UFk，k=n,n- 1,…,1，到最后UB1= 0，經(jīng)過(guò)分析繪出的正序UFk和逆序UBk曲線圖，即可得到變化趨勢(shì)、突變時(shí)間以及突變區(qū)域，當(dāng)UFk或UBk值大于0 時(shí)，表明序列呈上升趨勢(shì)，當(dāng)UFk或UBk值小于0 時(shí)，表明序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)他們超過(guò)顯著性水平線(信度為0.05的顯著性水平臨界線為±1.96)時(shí)，則表明上升或下降趨勢(shì)顯著，當(dāng)他們超過(guò)0.01 顯著性水平線(臨界線為±2.58)時(shí)，則表明上升或下降趨勢(shì)十分顯著，超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域，當(dāng)UFk與UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)時(shí)，且交點(diǎn)在顯著性水平線之間(臨界線之間)，則表示該時(shí)刻為突變開始時(shí)刻。若交點(diǎn)位于顯著性水平線之外，或者存在多個(gè)明顯交點(diǎn)，則不能確定是否為突變點(diǎn)；若不能確定是否為突變點(diǎn)，用其他方法對(duì)可能存在的突變點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的原理和等級(jí)劃分

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI是最早由Mckee[26]等在1993年提出的，表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)，其特點(diǎn)是計(jì)算不同時(shí)間尺度的干旱指數(shù)，該指標(biāo)適用于月以上尺度的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）采用Γ分布概率分布函數(shù)來(lái)擬合降水量時(shí)間序列計(jì)算累積概率，再通過(guò)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到。具體物理含義和計(jì)算方法步驟參見文獻(xiàn)[27-30]，此處不再贅述。

干旱劃分等級(jí)參照表1（國(guó)標(biāo)GB/T20481-2017）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)干旱等級(jí)劃分表Tab.1 Classification of drought grades by standardized precipitation index

1.3.3 評(píng)估干旱過(guò)程的方法

本文選用干旱發(fā)生頻率、強(qiáng)度和站次比等指標(biāo)評(píng)估干旱[31-33]。

干旱發(fā)生頻率(F)：干旱發(fā)生頻率是評(píng)價(jià)一定年份內(nèi)干旱發(fā)生的頻繁程度，其公式為：

式中：n為發(fā)生干旱的年數(shù)；N為研究時(shí)段的總年數(shù)。

干旱強(qiáng)度(Sij)：干旱強(qiáng)度是用于評(píng)價(jià)干旱的嚴(yán)重程度，干旱強(qiáng)度代表一定時(shí)間可以反映的干旱指數(shù)值，SPI絕對(duì)值越大，表示干旱越嚴(yán)重。計(jì)算公式為：

式中：m為該地區(qū)的干旱站數(shù)量；|SPIι|為發(fā)生干旱時(shí)干旱指數(shù)的絕對(duì)值。

當(dāng)Sij＜0.5 時(shí)為干旱強(qiáng)度不明顯；1＞Sij≥0.5 時(shí)為輕度干旱；當(dāng)1.5＞Sij≥1時(shí)為中度干旱；當(dāng)Sij≥1.5時(shí)為重度干旱。

干旱站次比(Pj)：干旱站次比是干旱站數(shù)量與特定區(qū)域主要站數(shù)的比率。該指標(biāo)可以反映給定地區(qū)干旱的直觀程度，并且可以間接反映干旱影響的嚴(yán)重性。計(jì)算公式為：

式中：m為發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)；M為該區(qū)的站點(diǎn)總數(shù)；j表示某一年。

干旱發(fā)生站次比表示一定區(qū)域干旱發(fā)生的范圍的大小，也間接反映干旱影響范圍的嚴(yán)重程度。

干旱的影響范圍定義：當(dāng)Pj≥50%時(shí)，即研究區(qū)域內(nèi)一半以上的站發(fā)生干旱，為全域性干旱；當(dāng)50%＞Pj≥33%時(shí)為區(qū)域性干旱；當(dāng)33%＞Pj≥25%時(shí)為部分區(qū)域性干旱；當(dāng)25%＞Pj≥10%時(shí)為局域性干旱；當(dāng)Pj＜10%時(shí)為無(wú)明顯干旱發(fā)生。

1.3.4 Morlet小波周期分析方法

本文選用水文氣象常用的Morlet 小波變換，Morlet 小波方法在時(shí)域和頻域上具有良好的局部性質(zhì)，能更清楚地看出各周期隨時(shí)間的變化特征。小波系數(shù)的模是不同時(shí)間尺度變化周期所對(duì)應(yīng)的能量密度在時(shí)間域中分布的反映，系數(shù)模的值越大，說(shuō)明其所對(duì)應(yīng)尺度的周期性就越強(qiáng)。小波系數(shù)大小表示信號(hào)強(qiáng)弱，等值線中心為正表示該年份偏濕，為負(fù)則表示該年份偏旱。

2 結(jié)果分析

2.1 SPI指數(shù)在昌吉地區(qū)的適用性分析

干旱災(zāi)害是昌吉地區(qū)發(fā)生頻繁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的一種氣象災(zāi)害，根據(jù)昌吉州氣象局災(zāi)情資料庫(kù)及氣象災(zāi)害大典記載的昌吉地區(qū)1961-2020年災(zāi)害情況，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)季尺度（SPI-3）在昌吉地區(qū)氣象干旱評(píng)價(jià)結(jié)果，將歷史旱災(zāi)與干旱指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體情況見表2，其中，大旱指的是重旱和特旱，旱指的是輕旱和中旱。從表2可以看出，昌吉地區(qū)1961-2020年發(fā)生旱災(zāi)的年數(shù)為34 a，將干旱指標(biāo)評(píng)價(jià)中的特旱和重旱標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)定重大旱災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)，中旱和輕旱評(píng)定為一般旱災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)，從而得到SPI評(píng)價(jià)結(jié)果。SPI評(píng)定的旱災(zāi)年與歷史旱災(zāi)年吻合年數(shù)為31 a，吻合率較高，達(dá)91%，說(shuō)明SPI評(píng)價(jià)干旱結(jié)果與實(shí)際干旱過(guò)程吻合的較好，能較客觀反映實(shí)際干旱變化，表明SPI指數(shù)在表征昌吉地區(qū)干旱方面有一定的適用性，可以來(lái)分析昌吉地區(qū)干旱特征。

表2 1961-2020年昌吉地區(qū)歷史旱災(zāi)情況與干旱指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of historical drought situation and drought index evaluation results in Changji region from 1961 to 2020

2.2 SPI指數(shù)的時(shí)間分布特征

2.2.1年變化及突變檢驗(yàn)

計(jì)算昌吉地區(qū)1961-2020年年尺度SPI值，由圖2（a）可知，根據(jù)SPI指數(shù)測(cè)定結(jié)果顯示，在全州年變化中60 a 有18 a達(dá)到干旱閾值，占統(tǒng)計(jì)年份的30%。SPI值的最大值為2.0（2007、2015、1987、1998年），最小值為-2.17（1962年）、-2.07（1974年）、-1.93（1997年），其次是-1.49（1968年）、-1.78（1977年）、-1.38（2020年）。最小值為-2.17（1962年）、-2.07（1974年）、-1.93（1997年）。

圖2 昌吉地區(qū)1961-2020年年SPI指數(shù)變化及其M-K突變檢驗(yàn)Fig.2 Annual SPI index change and M-K mutation test in Changji area from 1961 to 2020

在年代變化上看，20世紀(jì)60年代至80年代逐年濕潤(rùn)化，90年代后濕潤(rùn)化趨勢(shì)平緩，干旱年主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，70年代中后期，80年代初期，90年代后期至2000年代初，2019年至2020年SPI值基本較低，此時(shí)段內(nèi)，昌吉地區(qū)處于干旱階段，60 a傾斜率為0.20/10 a的顯著上升趨勢(shì)，通過(guò)0.01 顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)Mann-Kendall 檢驗(yàn)順序統(tǒng)計(jì)量UF和逆序統(tǒng)計(jì)量UF的曲線有一個(gè)交點(diǎn)（突變點(diǎn)1982年），整個(gè)時(shí)段可分為突變前期（1961-1982年）和突變后期（1982-2020年）。前期SPI正負(fù)交替變化，大部年份處于干旱狀態(tài)，是近60 a來(lái)最干旱時(shí)段；后期除少數(shù)年份為干旱狀態(tài)外，其他年份均為顯著的濕潤(rùn)狀態(tài)，且UF值在1998-2020年超過(guò)a=0.05 的臨界線，表明這段時(shí)間濕潤(rùn)趨勢(shì)顯著提升，但2018年開始轉(zhuǎn)變減少，表明昌吉地區(qū)2018年又開始進(jìn)入干旱化。

2.2.2 季節(jié)變化及突變檢驗(yàn)

春季的SPI波動(dòng)與年變化波動(dòng)基本一致，但波動(dòng)強(qiáng)度比年變化強(qiáng)（圖3）。在60 a 有13 a 達(dá)到干旱閾值，占統(tǒng)計(jì)年份的22%。最小值為-2.48（1991年），其次為-2.35（1989年）、-2.16（1965年）、-2.04（1962年）、-1.84（2020年），在年代變化上看，20世紀(jì)60年代至70年代濕潤(rùn)化趨勢(shì)明顯，80-90年代平緩，2000-2010年又濕潤(rùn)化趨勢(shì)發(fā)展，2010年后又向干旱趨勢(shì)發(fā)展。60 a 里干旱主要集中在20世紀(jì)60年代、80年代末至90年代初、2019年至2020年。年際波動(dòng)傾斜率為0.19/10 a，為弱上升趨勢(shì)，趨勢(shì)不顯著。從M-K 突變檢驗(yàn)曲線可以看出，在1992年發(fā)生突變。

圖3 昌吉地區(qū)1961-2020年四季SPI指數(shù)年際變化及M-K突變檢驗(yàn)Fig.3 Inter-annual Changes of SPI Index and M-K Mutation Test in the Four Seasons of Changji Region from 1961 to 2020

夏季的SPI波動(dòng)與春季有所不同，波動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)弱于春季，在60 a 有18 a 達(dá)到干旱閾值，占統(tǒng)計(jì)年份的30%。SPI最小值為-2.26（1962年）、-1.92（1968年）、-1.8（2014年），其次為-1.65（1974年）、-1.64（1977年）。在年代變化上看，20世紀(jì)60年代較濕潤(rùn)，70年代氣候偏旱，80年代至90年代逐年回升濕潤(rùn)化，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)偏旱趨勢(shì)發(fā)展。60 a 里干旱主要集中在20世紀(jì)60年代至80年代初和2010-2020年，其傾斜率為0.07/10 a，為弱上升趨勢(shì)，趨勢(shì)不顯著。通過(guò)M-K 突變檢驗(yàn)得知，SPI夏季變化和年變化基本一致，在1982年發(fā)生突變，整個(gè)時(shí)段可分為突變前期（1961-1982年）和突變后期（1982-2020年）。突變前SPI平均值為-0.38，突變后平均值為0.22，突變前和突變后相差為0.60。突變前SPI正負(fù)交替變化，處于干旱狀態(tài)年份比例較多，該階段是近60 a 來(lái)干旱時(shí)段；突變后1982-2004年處于平緩的濕潤(rùn)化，2004年以后又逐年減少，說(shuō)明昌吉地區(qū)夏季2004年開始逐年進(jìn)入干旱化。

秋季SPI年際波動(dòng)多于春季和夏季，在60 a 有16 a 達(dá)到干旱閾值，占統(tǒng)計(jì)年份的27%。最小值為-2.32（1997年），其次是1991年和2020年，SPI值分別為-1.98和-1.70。在年代變化上看，20世紀(jì)60年代至80年代往濕潤(rùn)化趨勢(shì)發(fā)展，1990-2010 平緩，2011年開始又進(jìn)入濕潤(rùn)化趨勢(shì)發(fā)展。干旱主要集中在20世紀(jì)60年代至70年代初，90年代、21世紀(jì)以來(lái)。秋季SPI年傾斜率為0.06/10 a，呈微弱上升趨勢(shì)，趨勢(shì)不顯著。從M-K 突變檢驗(yàn)曲線可以看出，自2008年以來(lái)一直處于增加的趨勢(shì)，但有發(fā)生突變。

冬季SPI年際變化與春、夏、秋季完全不同，有逐年明顯的增加趨勢(shì)，傾斜率為0.36/10 a，通過(guò)0.001 顯著性檢驗(yàn)，尤其是20世紀(jì)90年代以來(lái)往濕潤(rùn)趨勢(shì)發(fā)展明顯。在60 a 有17 a達(dá)到干旱閾值，占統(tǒng)計(jì)年份的28%。干旱年主要集中在20世紀(jì)60年代至80年代。極小值是-3.5（1968年），其次是-2.11（2000年）。根據(jù)M-K 檢驗(yàn)順序統(tǒng)計(jì)量UF和逆序統(tǒng)計(jì)量UB的曲線有一個(gè)交點(diǎn)（突變點(diǎn)1986年），整個(gè)時(shí)段可分為突變前期（1961-1986年）和突變后期（1986-2020年）。突變前SPI有2～4 a 周期正負(fù)交替變化，突變后均為平緩的濕潤(rùn)狀態(tài)，突變前SPI平均值為-0.72，突變后平均值為0.54，突變前和突變后相差為1.24。UF值在2002年超過(guò)a=0.05的臨界線，表明2002年冬季濕潤(rùn)趨勢(shì)顯著提升。

綜上可見，昌吉地區(qū)21世紀(jì)以來(lái)春、夏、秋旱頻繁，尤其是近10年夏旱和秋旱頻繁較明顯，而且昌吉地區(qū)干旱往往兩季、甚至三季連旱，如1962、2001、2012、2019年春夏連旱，1964、1974、1997 春夏秋三季連旱，1963、1975、1977冬春連旱，1985、2006年夏秋連旱等。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)春、夏、秋極端干旱較頻繁，冬旱基本減弱，如1991年春季、2014年夏季、1997年秋季最為干旱。

2.3 干旱頻率分析

通過(guò)計(jì)算可得昌吉地區(qū)年和各季度SPI的干旱頻率統(tǒng)計(jì)值（表3）。昌吉地區(qū)干旱年發(fā)生頻率為30%。對(duì)比不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率得：中度和輕度干旱發(fā)生頻率最高，重度干旱和特大干旱次之，說(shuō)明昌吉地區(qū)年干旱主要中旱和輕旱為主。在季尺度分析來(lái)看，夏旱發(fā)生頻率較高，為30%，其次是秋旱和冬旱，頻率分別為27%和28%，春旱頻率為22%，且春季易發(fā)生特旱。不同等級(jí)干旱在季尺度上發(fā)生頻率也有明顯差異，通過(guò)分析得知昌吉地區(qū)41%降水量集中在夏季，秋季和春季降水量占全年降水量的22%和28%，冬季降水量占9%。如雨季推遲易導(dǎo)致春末夏初發(fā)生干旱，而雨季提前結(jié)束則容易導(dǎo)致秋冬連旱。

表3 昌吉地區(qū)年和各季度SPI的干旱頻率統(tǒng)計(jì)值%Tab.3 Statistical value of annual and quarterly drought frequency of SPI in Changji region

2.4 干旱強(qiáng)度分析

2.4.1年干旱強(qiáng)度

以昌吉地區(qū)近60 a 里干旱指數(shù)超過(guò)干旱閾值的年份為總數(shù)，對(duì)昌吉地區(qū)年干旱強(qiáng)度進(jìn)行分析。近60 a 來(lái)干旱強(qiáng)度在0.57～2.06，平均干旱強(qiáng)度為1.1，且有19 a 干旱強(qiáng)度都在1.0以上，這表明昌吉地區(qū)發(fā)生干旱多數(shù)年份為中度干旱（圖4）。干旱強(qiáng)度高值出現(xiàn)在2.16（2020年）、1.67（1974年）、1.60（1962年）、1.52（1997年）、1.51（2017年），干旱強(qiáng)度低值出現(xiàn)在1979、1980、1989、1995、1974、2003、2011、2012、2013年。年干旱強(qiáng)度逐年減少，但趨勢(shì)不明顯。干旱強(qiáng)度在年代變化中20世紀(jì)60年代至70年代干旱強(qiáng)度是增加趨勢(shì)，其中70年代增加最明顯，20世紀(jì)80年代至2000-2010年減少趨勢(shì)，其中80年代減少最明顯，2011-2020年又進(jìn)入增加趨勢(shì)，其中20世紀(jì)60年代干旱強(qiáng)度最大。

圖4 干旱強(qiáng)度年際變化圖Fig.4 Inter annual variation chart of drought intensity

2.4.2 季節(jié)干旱強(qiáng)度

如表4 所示，春季干旱強(qiáng)度年際間在0.50～2.03 之間波動(dòng)，過(guò)去60 a里36 a達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)，占研究年份的60%，春旱強(qiáng)度最大年份是1989年和2020年，強(qiáng)度為2.0 以上，達(dá)特旱等級(jí)，其次是1962、1965、1991年，強(qiáng)度為1.7～1.9，達(dá)重旱等級(jí)，是春旱干旱最嚴(yán)重的年份，其余年份干旱強(qiáng)度在0.5～1.3 之間。從各年代看，20世紀(jì)60年代和2011-2020年春旱強(qiáng)度最強(qiáng)，2000-2010年最弱，年際變化趨勢(shì)略有減弱，趨勢(shì)不明顯。

表4 昌吉地區(qū)年和各季節(jié)干旱強(qiáng)度年代變化及變化趨勢(shì)率Tab.4 The annual and seasonal variation of drought intensity in Changji region and its change trend rate

夏季干旱強(qiáng)度年際間在0.54～1.88之間波動(dòng)，過(guò)去60 a里40 a 達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)，占研究年份的66%，干旱強(qiáng)度1.5 以上的有7 a，占干旱年份的18%，干旱強(qiáng)度1.0～1.5 的有9 a，站干旱年份的23%，其中夏旱強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在2014年和1962年，強(qiáng)度為1.88 和1.79 達(dá)重旱等級(jí)，是夏旱最嚴(yán)重的2 a。從各年代看，20世紀(jì)60、70年代和2011-2020年夏旱強(qiáng)度最強(qiáng)，20世紀(jì)90年代最弱，年際變化趨勢(shì)略有減弱，趨勢(shì)不明顯。

秋季干旱強(qiáng)度年際間在0.53～1.83之間波動(dòng)，過(guò)去60 a里35 a 達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)，占研究年份的58%，干旱強(qiáng)度1.5 以上的有5 a，占干旱年份的14%，干旱強(qiáng)度1.0～1.5 的有6 a，占干旱年份的17%，其中秋旱強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在1962、1968、1991、1997、2020年，強(qiáng)度為1.61～1.88，達(dá)重旱等級(jí)，是秋旱最嚴(yán)重的5 a。從各年代看，20世紀(jì)60 至70年代秋旱強(qiáng)度有所減弱，20世紀(jì)90年代秋旱強(qiáng)度最大，進(jìn)入20世紀(jì)又進(jìn)入減弱趨勢(shì)，年際變化趨勢(shì)略有減弱，趨勢(shì)不明顯。

冬季干旱強(qiáng)度年際間在0.50～3.16之間波動(dòng)，過(guò)去60 a里21 a 達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)，占研究年份的35%，干旱強(qiáng)度1.5 以上的有2 a，占干旱年份的10%，干旱強(qiáng)度1.0～1.5的有13 a，站干旱年份的66%，其中秋旱強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在1967年和1968年、強(qiáng)度為1.85 和3.16 達(dá)重旱等級(jí)，是冬旱旱最嚴(yán)重的2 a。從各年代看，20世紀(jì)60年代冬旱強(qiáng)度最強(qiáng)，20世紀(jì)90年代至今減弱，年際變化趨勢(shì)明顯減弱，趨勢(shì)顯著。

綜上，2011-2020年春、夏、秋季干旱強(qiáng)度明顯增大，即昌吉地區(qū)春、夏季氣候呈變干趨勢(shì)，干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利的態(tài)勢(shì)增加。

2.5 干旱站次比分析

2.5.1年干旱站次比

昌吉地區(qū)近60 a年干旱站百分比來(lái)看（圖5），干旱站次比在14%～100%之間波動(dòng)變化。60 a 全域性干旱總共出現(xiàn)15 a，出現(xiàn)頻率為25%，分別出現(xiàn)在1961、1965、1967、1968、1973-1975、1977、1985、1991、1997、2006、2017、2019、2020年，主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60、70年代和21世紀(jì)的近10年；區(qū)域性干旱出現(xiàn)5 a，分別出現(xiàn)在1976、1986、2008、2010、2014年，主要出現(xiàn)在2010-2020年間；部分區(qū)域性干旱出現(xiàn)7 a；局域性干旱出現(xiàn)1 a，出現(xiàn)頻率均為10%以下，其中全域性干旱發(fā)生頻繁，干旱發(fā)生的區(qū)域面積有1961-2000年呈輕微減少的趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)干旱范圍向擴(kuò)大趨勢(shì)發(fā)展。

圖5 干旱站次比年際變化Fig.5 Inter annual variation of drought stations

2.5.2 季節(jié)干旱站次比

1961-2020年間春季發(fā)生干旱有38 a，無(wú)旱年有22 a，其中全域性干旱出現(xiàn)18 a，出現(xiàn)頻率為28%，區(qū)域性干旱出現(xiàn)2 a，部分區(qū)域性干旱5 a，出現(xiàn)頻率10%以下，局域性干旱13 a，出現(xiàn)頻率20%，春季全域性干旱和局域性干旱發(fā)生較為頻繁。近10 a 中干旱范圍有所擴(kuò)大趨勢(shì)。夏季全域性干旱出現(xiàn)18 a，區(qū)域性干旱出現(xiàn)5 a，部分區(qū)域性干旱3 a，局域性干旱13 a，夏季全域性干旱和局域性干旱發(fā)生較為頻繁。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)干旱范圍有所擴(kuò)大趨勢(shì)。秋季全域性干旱出現(xiàn)22 a，出現(xiàn)頻率為37%，區(qū)域性干旱出現(xiàn)4 a，部分區(qū)域性干旱2 a，局域性干旱3 a，出現(xiàn)頻率均為10%以下，秋季全域性干旱頻繁，20世紀(jì)90年代以來(lái)干旱范圍變化趨勢(shì)平緩。冬季全域性干旱出現(xiàn)13 a，出現(xiàn)頻率為21%，區(qū)域性干旱出現(xiàn)5 a，部分區(qū)域性干旱2 a，局域性干旱3 a，出現(xiàn)頻率均為10%以下，冬季全域性干旱較為頻繁，近10 a 中干旱范圍有所擴(kuò)大趨勢(shì)（見圖6）。

圖6 干旱站次比春、夏、秋、冬季變化Fig.6 Change of drought stations in spring, summer, autumn and winter

綜上，進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)春、夏、冬季干旱影響范圍擴(kuò)大趨勢(shì)發(fā)展，尤其是2020年擴(kuò)大趨勢(shì)比較明顯。

2.6 干旱周期分析

對(duì)昌吉地區(qū)1961-2020年年標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI值進(jìn)行小波分析，由圖7（a）的小波實(shí)部圖可知，年SPI指數(shù)有明顯的周期性，存在著3～5 a、8～18 a、20～30 a 的周期振蕩，且隨時(shí)間尺度降低，表現(xiàn)的“干－濕”交替頻繁，周期震蕩更加復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的氣候突變點(diǎn)也相應(yīng)增加。表明60 a 來(lái)SPI的變化周期并不固定，3 種不同長(zhǎng)短的多周期相互嵌套形式變化。小波系數(shù)模等值線圖7(b)，橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為時(shí)間周期，圖中深色代表模值大，淺色代表模值小，圖7 中可以看出8～18 a 模值最大，是影響未來(lái)該地區(qū)SPI的主要時(shí)間尺度，其中12 a 尺度周期最顯著，且集中體現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中期至2010年。小波方差圖7(c)可以看出，存在著3 個(gè)峰值，它們對(duì)應(yīng)著3 a、8 a 和27 a 的時(shí)間周期，其中最大峰對(duì)應(yīng)的是3 a，說(shuō)明3 a 左右的周期振蕩最強(qiáng)。

圖7 昌吉地區(qū)SPI指數(shù)周期分析Fig.7 Periodic Analysis of SPI Index in Changji Region

圖7 綜合分析可知，昌吉地區(qū)氣象干旱表現(xiàn)的“干－濕”交替頻繁。其中12 a 左右尺度周期較穩(wěn)定，因此可以判斷出。SPI在2017年開始小波波譜向負(fù)值發(fā)展，存在未閉合的周期，因此可以推測(cè)昌吉地區(qū)年小波曲線目前仍將向負(fù)值區(qū)域發(fā)展，表現(xiàn)為將處于較長(zhǎng)的干旱周期，需要在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理上加以重視。

3 結(jié) 論

本研究利用昌吉地區(qū)10 個(gè)氣象站1961-2020年月降水量資料，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI-3）、（SPI-12），分析年、季尺度氣象干旱變化趨勢(shì)、時(shí)空分布特征、周期分析和本地區(qū)的實(shí)用性并得出以下結(jié)論：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）評(píng)定的氣象干旱結(jié)果與歷史記載干旱發(fā)生情況基本一致，表明該指數(shù)在昌吉地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警業(yè)務(wù)中具有一定的使用價(jià)值，可用于分析昌吉地區(qū)干旱特征分析。

（2）1961-2020年昌吉地區(qū)年SPI值呈明顯的階段性特征，年代變化趨勢(shì)呈變干-變濕-變干的變化波動(dòng)，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)變干趨勢(shì)較為明顯。近60 a 干旱強(qiáng)度減少，趨勢(shì)不明顯，但2011-2020年進(jìn)入增加趨勢(shì)。從干旱站次比來(lái)看，近60 a干旱發(fā)生的區(qū)域面積有輕微減少的趨勢(shì)，但進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)干旱范圍向擴(kuò)大趨勢(shì)發(fā)展，全域性干旱發(fā)生較為頻繁。從干旱頻率來(lái)看，昌吉地區(qū)年干旱主要以中旱和輕旱為主。通過(guò)周期震蕩分析得知，存在著3～5 a、8～18 a、20～30 a的多重周期振蕩，2017年開始小波波譜向負(fù)值發(fā)展，存在未閉合的周期，因此可以推測(cè)昌吉地區(qū)小波曲線目前仍將向負(fù)值區(qū)域發(fā)展，表現(xiàn)為將處于較長(zhǎng)的干旱周期。

（3）近60 a 來(lái)昌吉地區(qū)四季干旱呈現(xiàn)出不同的變化特征，其中春、夏、秋SPI呈弱增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，冬季增加趨勢(shì)明顯，通過(guò)0.001 顯著性檢驗(yàn)；春、夏、秋旱主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代以來(lái)，冬旱出現(xiàn)在20世紀(jì)60 至80年代。春、夏、秋、冬季干旱強(qiáng)度年際變化均呈減少趨勢(shì)，其中冬季減少最為明顯，在年代變化中看出，2011-2020年春、夏、秋季干旱強(qiáng)度明顯增大。從干旱站次比來(lái)看，60 a來(lái)四季均全域性干旱發(fā)生較為頻繁，進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)春、夏、冬季干旱影響范圍呈擴(kuò)大趨勢(shì)，尤其是2020年以后擴(kuò)大趨勢(shì)比較明顯。從干旱頻率來(lái)看，夏旱發(fā)生頻率較高，其次是秋旱和冬旱，春季易發(fā)生特旱。

4 討 論

本文研究得出昌吉地區(qū)60 a年季尺度的SPI弱增加趨勢(shì)，其中冬季增加趨勢(shì)顯著。從21世紀(jì)以來(lái)開始進(jìn)入干旱化趨勢(shì)發(fā)展的結(jié)論與吳秀蘭、張俊偉[34,35]等研究的結(jié)論具有良好的一致性。前人對(duì)全疆的干旱研究較多，但疆內(nèi)區(qū)域性研究報(bào)道較少。但全疆性的研究結(jié)論對(duì)地域遼闊、地形地貌復(fù)雜、氣候類型多樣的新疆來(lái)說(shuō)，難以滿足現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)區(qū)域性干旱監(jiān)測(cè)的需求。因此，研究區(qū)域性氣象干旱變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一定的技術(shù)支撐，更為當(dāng)?shù)鼐?xì)化防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)提供參考依據(jù)。

隨著氣候變暖，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，昌吉地區(qū)降水量呈弱增加趨勢(shì)，但氣溫和地表溫度明顯升高，導(dǎo)致潛在蒸散量增加，即水分的支出量大于增加量，一定程度上對(duì)氣候弱濕潤(rùn)化有抵消作用，干旱強(qiáng)度和干旱范圍逐年增大。目前，昌吉地區(qū)資源性缺水形勢(shì)嚴(yán)峻，尤其是4-5月份是農(nóng)業(yè)用水高峰期，也是大田作物播種期和幼苗生長(zhǎng)期，作物耐旱水平低，如果遇到長(zhǎng)期無(wú)有效降水，作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期（春、夏季）氣象干旱發(fā)生的可能性就增大。未來(lái)幾年氣候?qū)⒊掷m(xù)干旱化趨勢(shì)發(fā)展，地方政府及相關(guān)部門應(yīng)提高對(duì)農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)水利建設(shè)，實(shí)施有效科學(xué)的灌溉措施，建立健全自然災(zāi)害防御體系，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定發(fā)展。

本文只考慮降水因子分析干旱，但是干旱發(fā)生、發(fā)展機(jī)制復(fù)雜，風(fēng)速、地形、植被及環(huán)流等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。因此，今后應(yīng)深入研究，開發(fā)更為合理、可靠和可比性的干旱指標(biāo)。