陳　斐，楊沈斌，王春玲，王潤(rùn)元，王鶴齡，齊　月

(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. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇　南京　210044)

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基于SPEI指數(shù)的西北地區(qū)春旱時(shí)空分布特征

陳斐1，楊沈斌2，王春玲2，王潤(rùn)元1，王鶴齡1，齊月1

(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. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044)

摘要：利用西北地區(qū)128個(gè)氣象臺(tái)站1961~2010年的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，并結(jié)合氣候統(tǒng)計(jì)分析和小波分析方法，探討了西北地區(qū)春旱的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：(1)西北地區(qū)春旱程度重、次數(shù)多的地區(qū)位于新疆吐魯番盆地、塔里木盆地、青海柴達(dá)木盆地和甘肅隴南地區(qū)，程度輕、次數(shù)少的地區(qū)位于新疆天山以北的東部地區(qū)；(2)區(qū)域平均狀況下，春旱強(qiáng)度以0.259/10 a的速率顯著增強(qiáng)，中旱發(fā)生頻次以0.033次/10 a的速率顯著增加。1980年代春旱強(qiáng)度和總頻次降至最弱(少)，2000年代又增至最強(qiáng)(多)。不同省份內(nèi)近50 a春旱也普遍呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)；(3)春旱發(fā)生頻次具有3 a、9 a以及25 a以上尺度的周期波動(dòng)特征，其中3 a尺度通過紅噪聲顯著性檢驗(yàn)，周期信號(hào)最可靠。由此可見，西北地區(qū)春季干旱具有明顯的時(shí)空變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)；變化趨勢(shì)；周期波動(dòng)；小波分析

引言

干旱是一種常見的自然災(zāi)害，其發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成很大威脅[1]。近幾十年來隨著全球變暖，極端干旱事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度都呈增加趨勢(shì)，這很可能使旱災(zāi)的影響深度和廣度進(jìn)一步增加，使旱災(zāi)的突發(fā)性進(jìn)一步增強(qiáng)[2-4]。中國(guó)西北地區(qū)87%的面積都屬于干旱半干旱區(qū)[5]，全球變暖的背景下面臨的形勢(shì)更加嚴(yán)峻，因此，研究該區(qū)域的干旱發(fā)生規(guī)律和變化特征，對(duì)該區(qū)域適應(yīng)氣候變化以及決策部門制定防災(zāi)減災(zāi)政策具有重要的參考意義。

諸多學(xué)者從氣候成因、干旱指標(biāo)、監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬、災(zāi)害評(píng)估等方面對(duì)西北干旱進(jìn)行了研究[6-10]。在干旱時(shí)空規(guī)律方面，也有學(xué)者開展了相當(dāng)多的工作。例如，區(qū)域范圍上，楊建玲等采用綜合干旱指數(shù)(CI)分析了西北地區(qū)東部1961~2009年不同級(jí)別干旱日數(shù)的季節(jié)時(shí)空變化特征，結(jié)果表明，西北地區(qū)東部春、夏、秋季干旱呈加劇趨勢(shì)，冬季干旱呈減輕趨勢(shì)；3~11月重—特旱加劇趨勢(shì)比輕—中旱顯著，南部干旱化趨勢(shì)比北部更加明顯，寧夏同心地區(qū)是重—特旱最嚴(yán)重的地區(qū)[11]；任余龍等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)計(jì)算了相同時(shí)期西北5省(區(qū))的干旱頻率和面積率，對(duì)不同時(shí)段、不同級(jí)別的干旱時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究[12]。省級(jí)范圍上，蔡新玲等采用CI指數(shù)從干旱頻率、不同干旱強(qiáng)度等級(jí)的干旱日數(shù)、干旱強(qiáng)度及持續(xù)性干旱時(shí)間等方面分析了陜西省1961~2010年的干旱時(shí)空分布特征[13]；張耀宗等利用1960~2007年甘肅隴東地區(qū)的逐月降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)分析隴東地區(qū)近50 a來的干旱變化時(shí)空特征，并將分析結(jié)果與歷史資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SPEI指數(shù)在隴東地區(qū)有很好的適用性[14]；張調(diào)風(fēng)等基于SPEI指數(shù)，從干旱面積率、干旱頻數(shù)及干旱范圍等方面系統(tǒng)分析了1961~2012年青海省農(nóng)作物生長(zhǎng)季多時(shí)間尺度的干旱時(shí)空變化特征，在此基礎(chǔ)上分析了氣候變化對(duì)干旱風(fēng)險(xiǎn)的影響[15]。

然而以上研究中，關(guān)于整個(gè)西北地區(qū)的研究，選擇的指標(biāo)僅考慮了降水(水分)因素，而采用考慮溫度和水分平衡的指標(biāo)研究中，又多限于對(duì)某一省份或小區(qū)域進(jìn)行分析。為此，本文以西北地區(qū)作為研究區(qū)域，選取Vicente-Serrano等發(fā)展的兼具SPI指數(shù)和帕爾默指數(shù)優(yōu)點(diǎn)的SPEI指數(shù)[16-17]，計(jì)算了1961~2010年該區(qū)域發(fā)生較多，且對(duì)冬小麥分蘗、拔節(jié)、抽穗及春小麥、玉米和棉花播種階段影響較大的春季干旱的發(fā)生強(qiáng)度和頻次，分析其時(shí)空變化規(guī)律，明確西北地區(qū)近50 a來的春季氣候干旱特征，從而為該地區(qū)合理利用水資源、預(yù)防和減輕農(nóng)業(yè)干旱提供參考和理論依據(jù)。

1資料和方法

1.1研究區(qū)概況

西北地區(qū)位于73°25′E~110°55′ E、31°35′N~49°15′ N之間，行政上包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西5省(區(qū))，面積約占全國(guó)陸地面積的32%。該區(qū)大部屬中溫帶和暖溫帶，由于深居內(nèi)陸，加上地形對(duì)濕潤(rùn)氣流的阻擋，該區(qū)僅東南部為溫帶季風(fēng)氣候，其他區(qū)域?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?，冬季?yán)寒而干燥，夏季高溫且降水稀少，水熱狀況分布很不均勻，自東南向西北遞減[18]。氣溫的日較差和年較差都很大；年降水量從東部的400 mm左右，往西減少到200 mm，甚至50 mm以下。地形以高原、盆地和山地為主，自然景觀由東向西依次為森林草原、典型草原、荒漠草原和荒漠。

1.2數(shù)據(jù)來源

選取中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)提供的1961~2010年西北地區(qū)162個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日常規(guī)觀測(cè)資料。在對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算處理前，首先進(jìn)行缺測(cè)訂正與插補(bǔ)，剔除溫度和降水序列中缺測(cè)較多的站點(diǎn)，對(duì)缺測(cè)較少的臺(tái)站則進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)值取多年平均值，最終得到序列完整連續(xù)的128站，臺(tái)站分布如圖1所示。

圖1　研究區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)分布

1.3研究方法

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI的計(jì)算

SPEI指數(shù)通過計(jì)算降水與潛在蒸散量的差值偏離平均狀態(tài)的程度，從而表征某地區(qū)的干旱狀況[19]，計(jì)算方法如下：

計(jì)算逐月降水與潛在蒸散的差值Di：

(1)

式中，i為月份，Pi為月降水量(單位：mm)，PEi為月潛在蒸發(fā)量(單位：mm)，潛在蒸發(fā)量利用Thornthwaite方法[20]計(jì)算。

構(gòu)造不同時(shí)間尺度下的Di序列X：

(2)

式中，k為時(shí)間尺度，k=1，...，48。

(3)

(4)

式中，α、β和γ分別是尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)。

對(duì)概率分布函數(shù)F(x)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即可得到SPEI指數(shù)值：

(5)

(6)

式中，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

參考前人研究[21]， SPEI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)提出的SPI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)相同，具體見表1[22]。

表1　SPEI指數(shù)干旱等級(jí)劃分

1.3.2研究時(shí)段和時(shí)間尺度

選取的研究時(shí)段為春季，即每年的3~5月。對(duì)于具有多時(shí)間尺度特征的SPEI指數(shù)，3個(gè)月時(shí)間尺度可以反映季節(jié)的干旱狀況[16]，所以本文主要計(jì)算研究區(qū)1961~2010年3個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI值，并選用其中3~5月的值進(jìn)行干旱分析。

1.3.3干旱強(qiáng)度的計(jì)算

將某年3~5月SPEI值≤-0.5的值進(jìn)行求和，得到該年的干旱發(fā)生強(qiáng)度值，其值越小，干旱程度越強(qiáng)?？臻g分析時(shí)，某站的干旱強(qiáng)度為該站50 a的平均值。整個(gè)研究區(qū)某年的干旱強(qiáng)度為該年所有臺(tái)站的平均值。

1.3.4干旱頻次的計(jì)算

根據(jù)SPEI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)某年的SPEI值落在哪個(gè)等級(jí)內(nèi)，則該等級(jí)的干旱發(fā)生頻次記為一次?？臻g分析時(shí)，某站的干旱頻次為該站50 a的平均值。整個(gè)研究區(qū)某年的干旱頻次為該年所有臺(tái)站的平均值，在此基礎(chǔ)上，某年代的干旱頻次通過該

年代所有年份求和得到。

1.3.5時(shí)空分析方法

利用ArcGIS10軟件和反距離權(quán)重法(IDW)插值繪制春季干旱空間分布圖，采用線性趨勢(shì)分析法分析春季干旱的時(shí)間變化趨勢(shì)[23]，選用Morlet連續(xù)小波分析法分析春季干旱的周期特性[24]。

2結(jié)果分析

2.1SPEI指數(shù)在西北地區(qū)的適用性

已有研究證明SPEI及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在甘肅隴東、甘肅黃土高原區(qū)、陜西、青海等地均具有較好的適用性[14-15，25-26]，這些地區(qū)基本囊括了西北地區(qū)所有氣候類型，即干旱、半干旱、半濕潤(rùn)、高原氣候等，因此將研究區(qū)擴(kuò)展至整個(gè)西北地區(qū)，利用SPEI進(jìn)行干旱分析是可行的。

為了更直觀地反映SPEI指數(shù)的適用性，本文進(jìn)一步利用《西北干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)集》[27]和相關(guān)文獻(xiàn)[28]中記載的歷史干旱事件來進(jìn)行論證。選擇春季發(fā)生過重大干旱事件的1972年和2000年作為論證年份。據(jù)記載，1972年春季新疆、甘肅中東部、寧夏、青海中部、陜西大部均干旱少雨，2000年則發(fā)生了新中國(guó)成立以來最為嚴(yán)重的春夏干旱，除青海外幾乎整個(gè)西北地區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的春旱，旱情嚴(yán)重。為此，利用SPEI指數(shù)計(jì)算出干旱強(qiáng)度，繪制了1972和2000年西北地區(qū)的春旱強(qiáng)度分布圖(圖2)，可以看出，利用SPEI得到的干旱分布與西北地區(qū)實(shí)際旱情除細(xì)節(jié)差異外基本一致，由此表明SPEI指數(shù)能夠較好地表征西北地區(qū)的春旱，在該地區(qū)具有較好的適用性。

圖2　1972(a)、2000(b)年西北地區(qū)基于SPEI的春旱強(qiáng)度空間分布

2.2西北地區(qū)春旱空間分布

由圖3可以看出，1961~2010年西北地區(qū)春旱的年平均發(fā)生強(qiáng)度為0~-2.3，干旱程度從無旱—特旱均存在?？臻g上大致呈東西分布，西部的新疆強(qiáng)度大于東部其他4省(區(qū))，高值中心位于新疆吐魯番盆地，低值中心位于新疆天山以北東部地區(qū)。其中，新疆大致以天山為界，天山以北為輕、中旱區(qū)，以南為重、特旱區(qū)；其余東部4省(區(qū))中，干旱強(qiáng)度空間差異較小，多以中旱為主，大值區(qū)分布于青海柴達(dá)木盆地和甘肅天水、隴南一帶，為重旱區(qū)。從50 a的春旱平均發(fā)生頻次來看，輕旱的發(fā)生頻次為0~0.915次/a，地區(qū)之間差異較小，大片區(qū)域的發(fā)生頻次集中在0.284~0.495次/a，即大約每10 a發(fā)生3次輕旱；中旱發(fā)生頻次為0~0.604次/a，以0.24~0.36次/a為主，有4個(gè)高值區(qū)分別位于新疆塔里木盆地、青海柴達(dá)木盆地、甘肅烏鞘嶺和隴南，低值區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)和青海格爾木西部；重旱發(fā)生頻次為0~0.4次/a，以0.08~0.16次/a為主，新疆天山以南、青海北部、甘肅河西、寧夏西北和陜南陜北東部等區(qū)域頻次稍高，新疆吐魯番盆地為最高值區(qū)，天山以北中、東部為2個(gè)低值區(qū)；特旱發(fā)生頻次相對(duì)較少，為0~0.259次/a，大致呈東西分布，包括新疆大部、甘肅河西西部地區(qū)—青海柴達(dá)木盆地一線以西的干旱區(qū)發(fā)生頻次在0.05次/a以上，其余以東地區(qū)多在0.05次/a以下；總頻次為0~1.557次/a，全區(qū)以0.75~1次/a為主，新疆天山以北、吐魯番盆地、塔里木盆地、青海柴達(dá)木盆地、甘肅隴南、寧夏北部、陜西東部次數(shù)偏高，在1次/a以上，新疆天山以北東部地區(qū)為低值中心。由此可見，西北地區(qū)新疆天山以南的塔里木盆地、吐魯番盆地和青海西部柴達(dá)木盆地，因遠(yuǎn)離海洋、水汽較少、降水稀少，加之蒸散相對(duì)較大[29-30]，所以春旱程度重、次數(shù)多；甘肅隴南地區(qū)是另外一個(gè)春旱相對(duì)頻發(fā)、程度較為嚴(yán)重的地區(qū)，這可能與其處于黃土高原、青藏高原和秦巴山區(qū)交匯區(qū)域的地形以及近年來氣候變化導(dǎo)致的降雨和溫度的地區(qū)差異有關(guān)；天山以北的東部地區(qū)受西風(fēng)帶以及天山地形、北部河流湖泊的影響，水汽輸送充沛，降水較多[31]，所以春旱程度輕、次數(shù)少。

圖3　1961~2010年西北地區(qū)春旱發(fā)生強(qiáng)度和頻次空間分布

2.3西北地區(qū)春旱時(shí)間變化

2.3.1年代和年代際變化

由圖4可以看出，西北地區(qū)1961~2010年春旱強(qiáng)度在1996年以前波動(dòng)較小，強(qiáng)度也較弱(基本都>-2)，1990年為最低值(-0.19)，1996年之后開始呈現(xiàn)大幅波動(dòng)上升趨勢(shì)，2008年達(dá)到最高值為-3.587，50 a均值為-1.33。50 a來春旱發(fā)生強(qiáng)度整體呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)(P<0.05)，增強(qiáng)速率為0.259/10 a。春旱發(fā)生頻次中，輕旱波動(dòng)較大，但其值都圍繞50 a均值(0.41次)在0.2~0.6次之間振蕩，1990年次數(shù)最少(0.07次)，2000年和2001年最多(0.695次)。中旱1961~1990年呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，1990年以后呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，其發(fā)生頻次最少的年份為1988年和1990年(0.023次)，最多的為2008年和2009年(0.633次)，50 a均值為0.31次。重旱和特旱與春旱強(qiáng)度特征類似，1996年以前波動(dòng)較小、發(fā)生次數(shù)較少，1996年以后呈大幅波動(dòng)增加趨勢(shì)。其中，重旱在1970、1988、1989、1990年發(fā)生次數(shù)均為0，2008年為發(fā)生次數(shù)最多年(0.594次)，50 a均值為0.16次；特旱發(fā)生次數(shù)相對(duì)較少，50 a中有13 a都沒有發(fā)生，1997年出現(xiàn)了一次極大值(0.5)，其50 a均值為0.07次。干旱發(fā)生頻次中，輕旱>中旱>重旱>特旱。50 a來，春季不同等級(jí)的干旱發(fā)生頻次均呈增加趨勢(shì)，增加速率分別為0.016次/10 a、0.033次/10 a、0.027次/10 a、0.018次/10 a，但只有中旱通過了95%的顯著性水平檢驗(yàn)。

圖4　1961~2010年西北地區(qū)春旱強(qiáng)度和頻次的年際變化

從表2可以看出，西北地區(qū)春旱發(fā)生強(qiáng)度(總頻次)的年代際變化均表現(xiàn)為1960年代為次強(qiáng)(大)值，1970年代有所減弱(減小)，1980年代持續(xù)減弱(減小)，為50 a中最弱值(最小值)，1990年代有所回升，其中強(qiáng)度值與1960年代持平，總頻次仍小于1960年代，到2000年代繼續(xù)增強(qiáng)(增大)，達(dá)到50 a來最強(qiáng)值(最大值)，強(qiáng)度值約為最弱值(1980年代)的3倍，總頻次約為最小值(1980年代)的2倍多。不同等級(jí)的干旱頻次中，中旱、重旱、特旱與春旱強(qiáng)度和總頻次的變化特征一致，即經(jīng)歷了“減小—減小—增大—增大至最大值”的波動(dòng)過程，其2000年代的值分別增長(zhǎng)至1980年代值的2.5倍、5倍和10倍。輕旱發(fā)生頻次則表現(xiàn)為“增大—減小—減小至最小值—增大至最大值”的波動(dòng)特征，最大值比最小值增大了約1/2。整體來說，與前40 a相比，西北地區(qū)2000年代春旱呈現(xiàn)加重、頻發(fā)的變化特征，且以輕旱為主，中旱次之，重旱再次之，特旱最少。

2.3.2變化趨勢(shì)空間分布

圖5為1961~2010年西北地區(qū)春旱強(qiáng)度和總頻次的氣候傾向率空間分布，用以反映50 a來不同地區(qū)春旱發(fā)生強(qiáng)度和總頻次隨時(shí)間變化的趨勢(shì)特征。可以看出，西北地區(qū)的春旱強(qiáng)度以增加為主，有57站的氣候傾向率呈不同程度的顯著增加趨勢(shì)，分布于西北各省，占研究臺(tái)站的44.5%，增加范圍為0.231~0.700/10 a，平均為0.466/10 a，其中新疆顯著增加的臺(tái)站分布于天山以南，青海分布于該省東南部，甘肅主要分布于河?xùn)|地區(qū)，寧夏除北部1站外均呈顯著增加趨勢(shì)，陜西則主要分布于西部地區(qū)；其余71站變化趨勢(shì)不顯著。春旱頻次大部分臺(tái)站變化趨勢(shì)不顯著，僅有23站的氣候傾向率有顯著增加趨勢(shì)，新疆天山以北有8站，青海南部5站，甘肅河?xùn)|地區(qū)3站，寧夏中南部5站，陜南、陜北各1站，增加幅度為0.195~0.425次/10 a，平均為0.31次/10 a。由此可見，西北地區(qū)近50 a來春旱強(qiáng)度普遍顯著增強(qiáng)，頻次增加但大部分地區(qū)的增加趨勢(shì)不顯著。

表2　1961~2010年西北地區(qū)春旱強(qiáng)度和頻次的年代際變化

圖5　1961~2010年西北地區(qū)春旱強(qiáng)度(a)和頻次(b)的氣候傾向率空間分布

2.3.3周期波動(dòng)特征

對(duì)西北地區(qū)1961~2010年的春旱發(fā)生總頻次進(jìn)行小波分析，結(jié)果如圖6所示。由小波系數(shù)圖可見，春旱發(fā)生頻次具有3個(gè)尺度的周期波動(dòng)特征。在10 a以下的年際尺度上，存在3 a周期的小尺度信號(hào)，該信號(hào)具有全域性，振蕩中心1998年后由3 a逐漸向上偏移至4 a尺度上。另一個(gè)年際尺度是9 a尺度，分布于整個(gè)研究時(shí)段，振蕩中心由初始的9 a尺度逐漸偏移到7 a，1985年后又恢復(fù)至9 a，呈反拋物線形，振蕩能量也在后期加強(qiáng)。年代際尺度上僅存在一個(gè)25 a以上的大尺度信號(hào)，在整個(gè)研究時(shí)段經(jīng)歷了“多—少—多—少—多—少”的3次往復(fù)循環(huán)，從等值線密度來看，25 a以上尺度的振蕩能量要強(qiáng)于年際尺度信號(hào)。從方差圖可以看出，在整個(gè)時(shí)間域的平均狀況下，春旱發(fā)生頻次具有3 a、9 a和25 a以上周期波動(dòng)信號(hào)，9 a尺度能量最弱，3 a尺度次之，25 a以上尺度最強(qiáng)。3個(gè)尺度中，3 a尺度信號(hào)最可靠，通過了α=0.05顯著性水平的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)，由此說明，大約每3 a西北地區(qū)的春旱就會(huì)出現(xiàn)一次由多發(fā)到少發(fā)或由少發(fā)到多發(fā)的轉(zhuǎn)變。

圖6　1961~2010年西北地區(qū)春旱發(fā)生頻次的小波系數(shù)(a)和方差(b)

3結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

(1)西北地區(qū)春旱的年平均發(fā)生強(qiáng)度為0~-2.3，新疆特別是南疆程度較重，其他4省(區(qū))空間差異較小，多以中旱為主；年平均發(fā)生頻次在不同等級(jí)表現(xiàn)出各自不同的空間分布特征。綜合來看，新疆吐魯番盆地、塔里木盆地、青海西部柴達(dá)木盆地和甘肅隴南地區(qū)春旱程度重、次數(shù)多，新疆天山以北的東部地區(qū)程度輕、次數(shù)少。

(2)西北地區(qū)平均狀況下，春旱強(qiáng)度在1996年以前波動(dòng)較小，1996年之后波動(dòng)加大且呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)。輕旱頻次圍繞多年均值呈緩慢增加趨勢(shì)；中旱1990年前、后由減少變?yōu)樵黾于厔?shì)；重旱和特旱也是1996年以后波動(dòng)增大且呈增加趨勢(shì)；各等級(jí)頻次的增加趨勢(shì)以中旱最為顯著。1980年代春旱發(fā)生強(qiáng)度和總頻次最弱(少)，2000年代最強(qiáng)(多)。近50 a來不同省份的春旱普遍顯著增強(qiáng)，頻次增加但大多趨勢(shì)不顯著。

(3)春旱發(fā)生頻次具有準(zhǔn)3 a、9 a 以及25 a以上3個(gè)尺度的周期波動(dòng)特征。其中，25 a以上尺度振蕩能量最強(qiáng)，3 a尺度信號(hào)最可靠。

3.2討論

任余龍等[12]利用SPI指數(shù)對(duì)西北地區(qū)1961~2009年干旱的時(shí)空變化分析結(jié)果顯示，西北地區(qū)春季干旱發(fā)生頻率最高的區(qū)域是新疆北部、甘肅河西及青海中部，而本文則認(rèn)為是新疆吐魯番盆地、塔里木盆地、青海西部柴達(dá)木盆地和甘肅隴南地區(qū)，造成這一結(jié)論差異的原因主要是吐魯番盆地、塔里木盆地和柴達(dá)木盆地的蒸散要高于西北其他地區(qū)，基本都在1 200 mm以上，同時(shí)新疆東北部和塔里木盆地南部、柴達(dá)木盆地、甘肅隴南地區(qū)這段時(shí)期春季升溫顯著[32]，這勢(shì)必會(huì)使蒸散量進(jìn)一步加大，SPI僅考慮了降水因素，而蒸散與土壤濕度、作物蒸耗有很好的相關(guān)性[33]，與干旱程度密切相關(guān)，因此用SPEI來表征西北干旱程度會(huì)更加合理。另外，其結(jié)果也顯示，相比于1980年代，1990年代后干旱發(fā)生率呈一定的上升趨勢(shì)，干旱趨勢(shì)有所增強(qiáng)，與本研究結(jié)果一致，也與全國(guó)春季干旱平均趨勢(shì)一致[34]。

從省級(jí)尺度來看，馬瓊等[25]利用SPEI分析認(rèn)為甘肅黃土高原區(qū)天水、平?jīng)觥c陽的西部和定西東部的環(huán)六盤山地區(qū)春旱發(fā)生頻率高，而烏鞘嶺和隴東南部頻率稍低；隴東地區(qū)以慶陽、崆峒、西峰為中心，包括其周圍區(qū)域呈干旱化趨勢(shì)；春季干旱從20世紀(jì)90年代起干旱頻繁發(fā)生且強(qiáng)度增強(qiáng)，這些研究結(jié)論與本文一致。周丹等[26]研究發(fā)現(xiàn)陜西全省春旱普遍，關(guān)中中西部和陜北中部地區(qū)頻次較高，這與本文結(jié)論一致。蔡新玲等[35]通過CI指數(shù)分析也認(rèn)為陜北和關(guān)中干旱頻率較高，但其認(rèn)為陜北北部和關(guān)中中東部地區(qū)是干旱高發(fā)區(qū)，與本文結(jié)果不太一致，說明不同指數(shù)在西北地區(qū)結(jié)論會(huì)有所差異，采用適用于本區(qū)域的指數(shù)是分析的關(guān)鍵。對(duì)于新疆地區(qū)，普宗朝等[36]認(rèn)為年降水量南疆大于北疆、東部大于西部、盆(谷)地大于山區(qū)，年潛在蒸散量正好相反，受二者共同影響，年干燥度指數(shù)K總體表現(xiàn)為南疆大于北疆、東部大于西部、盆(谷)地大于山區(qū)，與本文結(jié)果一致，但其認(rèn)為年平均降水的增加和蒸散的減少造成干燥度呈減小趨勢(shì)與本文有所差異，這說明由于降水、溫度在空間和各個(gè)季節(jié)分配上的不均及變化差異，新疆地區(qū)春季與年水平上的干旱變化趨勢(shì)不一致，因此，新疆乃至西北地區(qū)其他季節(jié)是否也有如相關(guān)研究指出的在年水平上一樣表現(xiàn)出暖濕化跡象還有待論證。

本文僅引用相關(guān)文獻(xiàn)來說明SPEI指數(shù)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)在西北地區(qū)的適用性，并沒有用實(shí)際干旱事件來對(duì)其適用性進(jìn)行論證，這有賴于今后進(jìn)一步收集相應(yīng)的歷史資料來完成。另外，氣候變暖背景下，由于考慮了蒸散因素，SPEI指數(shù)相對(duì)于只考慮降水的干旱指標(biāo)顯然能更加合理地表征干旱狀況，但是干旱發(fā)生、發(fā)展機(jī)理復(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)深入研究干旱的發(fā)生機(jī)制，開發(fā)更為合理、可靠和具有可比性的干旱指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚玉璧，張強(qiáng)，李耀輝，等. 干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)及其科學(xué)問題與展望[J]. 資源科學(xué)，2013， 35(9): 1884-1897.

[2] IPCC. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working GroupⅠto The Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge, UK:Cambridge University Press, 2007.1-989.

[3] 李樹巖，劉榮花，師麗魁，等. 基于CI指數(shù)的河南省近40 a干旱特征分析[J]. 干旱氣象，2009，27(2): 97-102.

[4] 張利平，杜鴻，夏軍，等. 氣候變化下極端水文事件的研究進(jìn)展[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展，2011，30(11):1370-1379.

[5] 錢正安，吳統(tǒng)文，宋敏紅，等. 干旱災(zāi)害和我國(guó)西北干旱氣候的研究進(jìn)展及問題[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2001，16(1):28-38.

[6] 張存杰，謝金南. 東亞季風(fēng)對(duì)西北地區(qū)干旱氣候的影響[J]. 高原氣象，2002，21(2):193-198.

[7] 王勁松，任余龍，宋秀玲. K干旱指數(shù)在甘肅省干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用[J]. 干旱氣象，2008，26(4):75-79.

[8] 方鋒，梁東升，張存杰. 西北干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J]. 水土保持通報(bào)，2010,30(3):140-143.

[9] 鮑艷，呂世華，陸登榮，等. RegCM3模式在西北地區(qū)的應(yīng)用研究I：對(duì)極端干旱事件的模擬[J]. 冰川凍土，2006，28(2):164-174.

[10] 石界，姚玉璧，雷俊. 基于GIS的定西市干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃[J]. 干旱氣象，2014，32(2):305-309.

[11] 楊建玲，馮建民，穆建華，等. 西北地區(qū)東部季節(jié)干旱的時(shí)空變化特征分析[J]. 冰川凍土，2013，35(4):949-958.

[12] 任余龍，石彥軍，王勁松，等. 1961-2009年西北地區(qū)基于SPI指數(shù)的干旱時(shí)空變化特征[J]. 冰川凍土，2013，35(4):938-948.

[13] 蔡新玲，葉殿秀，李茜，等. 基于CI指數(shù)的陜西干旱時(shí)空變化特征分析[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013，31(5):1-8.

[14] 張耀宗，張勃，任培貴，等. 基于SPEI隴東地區(qū)近50 a干旱化時(shí)空特征分析[J]. 資源環(huán)境與發(fā)展，2014(1):18-26.

[15] 張調(diào)風(fēng)，李林，劉寶康，等. 基于SPEI指數(shù)的近52年青海省農(nóng)(牧)作物生長(zhǎng)季干旱動(dòng)態(tài)格局分析[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2014，33(8):2221-2227.

[16] Vicente-Serrano S M，Beguería S，López-Moreno J I. A multiscalar drought index sensitive to global warming: the standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate，2010，23(7):1696-1718.

[17] 李偉光，侯美亭，陳匯林，等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)的華南干旱趨勢(shì)研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2012，21(4):84-90.

[18] 李博. 生態(tài)學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2000.33-37.

[19] 王東，張勃，安美玲，等. 基于SPEI的西南地區(qū)近53 a干旱時(shí)空特征分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2012，29(6):1003-1016.

[20] 莊少偉，左洪超，任鵬程，等. 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)在中國(guó)區(qū)域的應(yīng)用[J]. 氣候與環(huán)境研究，2013，18(5):617-625.

[21] 高瑞，王龍，楊茂靈，等. 基于SPEI的南盤江流域近40年冬春干旱時(shí)空特征研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2013，32(3):67-70.

[22] 張強(qiáng)，鄒旭愷，肖風(fēng)勁. GB/T 20481—2006，氣象干旱等級(jí)[S]. 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[23] 陳斐，楊沈斌，申雙和，等. 長(zhǎng)江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害的時(shí)空分布[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，29(3):540-547.

[24] Torrence C，Compo G P. A practical guide to wavelet analysis[J]. Bulletin of the American Meteorological Society，1998，79(1): 61-78.

[25] 馬瓊，張勃，王東，等. 1960-2012 年甘肅黃土高原干旱時(shí)空變化特征分析[J]. 資源科學(xué)，2014，36(9):1834-1841.

[26] 周丹，張勃，任培貴，等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)的陜西省近50 a干旱特征分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2014，29(4):677-688.

[27] 中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所. 西北干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)集. 2011.

[28] 王勁松，李憶平，任余龍，等. 多種干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)在黃河流域應(yīng)用的比較[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2013，28(8):1337-1349.

[29] 俞亞勛，王勁松，李青燕. 西北地區(qū)空中水汽時(shí)空分布及變化趨勢(shì)分析[J]. 冰川凍土，2003，25(2):149-156.

[30] 劉憲鋒，潘耀忠，張錦水，等. 1960-2011年西北五省潛在蒸散的時(shí)空變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，24(9):564-570.

[31] 任宏利，張培群，李維京，等. 西北區(qū)東部春季降水及其水汽輸送的低頻振蕩特征[J]. 高原氣象，2006，25(2):285-292.

[32] 王勁松，費(fèi)曉玲，魏鋒. 中國(guó)西北近50 a來氣溫變化特征的進(jìn)一步研究[J]. 中國(guó)沙漠，2008，28(4):724-732.

[33] 陳仲全，何友松，嚴(yán)江平. 中國(guó)西北地區(qū)的干旱氣候及水熱資源的調(diào)節(jié)[J]. 中國(guó)沙漠，1984，14(4):108-112.

[34] 李偉光，易雪，侯美亭，等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)的中國(guó)干旱趨勢(shì)研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，20(5):643-649.

[35] 蔡新玲，葉殿秀，李茜，等. 基于CI指數(shù)的陜西干旱時(shí)空變化特征分析[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013，31(5):1-8.

[36] 普宗朝，張山清，王勝蘭，等. 近48 a新疆干濕氣候時(shí)空變化特征[J]. 中國(guó)沙漠，2012，31(6):1563-1572.

Spatial and Temporal Distribution of Spring Drought in Northwest China Based on Standardized Precipitation Evapotranspiration Index

CHEN Fei1，YANG Shenbin2，WANG Chunling2，WANG Runyuan1，WANG Heling1， QI Yue1

(1.InstituteofAridMeteorology，ChinaMeteorologicalAdministration,KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince/KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandDisasterReductionofChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020，China；2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters，NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology，Nanjing210044，China)

Abstract:In this paper temperature and precipitation data observed from 128 meteorological stations in Northwest China from 1961 to 2010 were used to explore the spatial and temporal distribution of spring droughts. For this purpose, the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI), the intensity and frequency of spring drought were calculated and analyzed with methods of climate statistical analysis and wavelet analysis. The results are as follows: (1) In Turpan Depression, Tarim Basin of Xinjiang, Qaidam Basin of Qinghai and Longnan of Gansu Province, the spring droughts were most serious and occurred frequently, while in the eastern region of north Tianshan Mountain in Xinjiang it occurred least. (2) The average intensity of spring droughts over the study area strengthened significantly with a rate of 0.259 per 10 years, and the frequency of moderate drought events increased significantly at a rate of 0.033 times per 10 years. In the 1980s the intensity of spring droughts fell to the weakest and the total frequency reduced, while in the 2000s both of them rose to the strongest and the maximum. Meanwhile, spring droughts presented general increasing trend in these 5 provinces in recent 50 years. (3) The frequency of spring droughts displayed cyclical oscillation with scales of 3 years, 9 years and 25 years above, and among them, the 3 years period passed through the significant test of red noise. The above results indicated that spring droughts in Northwest China presented distinct spatial and temporal variations.

Key words:standardized precipitation evapotranspiration index; variation trends；cyclical oscillation；wavelet analysis

中圖分類號(hào)：P467

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7639(2016)-01-0034-09

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0034

作者簡(jiǎn)介：陳斐(1988-)，女，陜西渭南人，助理工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究. E-mail：huizhaydxx@126.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所科研啟動(dòng)項(xiàng)目(KYS2014SSKY03)及江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程(PAPD)項(xiàng)目共同資助

收稿日期：2014-12-29；改回日期：2015-01-27

陳斐，楊沈斌，王春玲，等.基于SPEI指數(shù)的西北地區(qū)春旱時(shí)空分布特征[J].干旱氣象，2016，34(1)：34-42, [CHEN Fei, YANG Shenbin, WANG Chunling, et al. Spatial and Temporal Distribution of Spring Drought in Northwest China Based on Standardized Precipitation Evapotranspiration Index[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):34-42], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0034