張 欽,唐海萍,崔鳳琪,戴路煒

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

干旱作為一種反復(fù)出現(xiàn)的極端氣候事件,對(duì)農(nóng)牧業(yè)、水資源以及自然和社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了許多負(fù)面影響[1]。據(jù)國(guó)際災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì),1960—2016年全球因干旱造成的損失平均每年約2210億美元。然而,隨著全球變暖強(qiáng)度的增加,干旱的發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間正在呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)[2- 3],全球陸地的極端干旱面積也在不斷擴(kuò)大[4],其中以亞歐大陸和非洲大陸最為顯著[5- 6]。大量的事實(shí)已經(jīng)揭示了近幾十年中國(guó)干旱發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間和范圍不斷擴(kuò)大的事實(shí)[7],尤其是發(fā)生在我國(guó)北方地區(qū)的重度和極端干旱事件更加頻繁[8- 10]。此外,旱災(zāi)的發(fā)生區(qū)域也開(kāi)始不斷地向我國(guó)南部和東部的濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)擴(kuò)展[11],這種趨勢(shì)可能繼續(xù)在21世紀(jì)持續(xù)下去[12]。有研究發(fā)現(xiàn),如果中國(guó)不對(duì)干旱災(zāi)害給予應(yīng)有的重視和積極有效的應(yīng)對(duì),到2030年,僅中國(guó)東北地區(qū),就可能造成3500萬(wàn)農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入損失一半以上[13]。

干旱指標(biāo)是干旱監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)與核心。為了評(píng)估氣候干旱的頻率、持續(xù)時(shí)間、嚴(yán)重程度和空間范圍,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了數(shù)百個(gè)干旱指數(shù)[14]。對(duì)于同一干旱事件的特征,不同的干旱指數(shù)因所需變量和計(jì)算方法差異,使其結(jié)果也不盡相同。干旱指標(biāo)均是建立在特定的時(shí)空范圍內(nèi),有其相應(yīng)的尺度[15],因?yàn)樵诓煌饔蚝偷貐^(qū),干旱變化特征及表現(xiàn)會(huì)因降水、氣溫、土壤水文等因素的空間分異而存在較大差異,因此,研究干旱指數(shù)的區(qū)域適用性具有重要的科學(xué)意義[16]。然而,對(duì)于何種干旱指數(shù)能夠充分表征干旱條件方面,學(xué)術(shù)界目前并未達(dá)成共識(shí)。但是,有一些干旱指數(shù)更受歡迎,例如由McKee等[17]提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI不僅計(jì)算簡(jiǎn)單,且能較好地反映不同時(shí)間尺度和不同區(qū)域的干旱狀況。然而,在全球變暖的情況下,SPI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,限制了該方法進(jìn)一步的適用。此外,考慮了溫度和前期天氣條件對(duì)干旱的影響的Palmer干旱指數(shù)(PDSI, Palmer Drought Severity Index),其物理機(jī)制較為明確,非常適用于干旱對(duì)全球變暖響應(yīng)的研究[18],但其計(jì)算繁雜,對(duì)資料要求較高,部分參數(shù)只能靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì),致使計(jì)算精度大大降低。加之時(shí)間尺度固定(9—12個(gè)月之間)而無(wú)法有效地應(yīng)用于干旱的多時(shí)間尺度研究中[19]。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI,Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)是Vicente-Serrano[20]為檢測(cè)全球干旱分布狀況,在SPI指數(shù)的基礎(chǔ)上提出的,可以反映干旱的持續(xù)時(shí)間和積累,擁有多尺度特征和能夠衡量溫度變化對(duì)干旱影響的雙重優(yōu)點(diǎn),使其成為評(píng)估、監(jiān)測(cè)和評(píng)估全球變暖背景下干旱的理想指標(biāo)[21- 23]。已有學(xué)者基于SPEI方法評(píng)價(jià)了中國(guó)西北[24-25]、西南[26]、東北[27-28]、華中[29]和華北[30]等區(qū)域的干旱時(shí)空格局,并得到了較好的驗(yàn)證。

呼倫貝爾草原作為亞歐大陸草原景觀的一部分[31],擁有森林、草原、疏林沙地和沼澤濕地等多種生態(tài)系統(tǒng)類型,是全球氣候變化過(guò)程中的生態(tài)敏感區(qū)和脆弱區(qū)[32-33]。同時(shí),該區(qū)也是我國(guó)北方地區(qū)重要的防風(fēng)固沙和水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)、京津上游的生態(tài)屏障區(qū)、生物多樣性維持區(qū)和重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地[34]。然而,干旱是生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力變化的重要驅(qū)動(dòng)因素[35],尤其在干旱和半干旱地區(qū),干旱還可能引發(fā)一系列的環(huán)境問(wèn)題[36-37],以及包括食物安全、環(huán)境難民、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等農(nóng)牧業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱等社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。近年來(lái)呼倫貝爾草原區(qū)的氣候變化,尤其是干旱的頻發(fā)對(duì)該區(qū)草原畜牧業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了重大影響,集中表現(xiàn)在草地群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、物種多樣性減少、土地沙化不斷擴(kuò)展、鼠蟲害頻發(fā)等[34,38]。因此,對(duì)呼倫貝爾草原氣象干旱發(fā)生的特征進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測(cè),不僅可為該區(qū)農(nóng)牧業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱提供研究背景[39]和干旱風(fēng)險(xiǎn)的管理依據(jù)[40],還可為該區(qū)農(nóng)牧民生活的改善以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部,大興安嶺以西,位于47°05′—53°20′N,115°31′—123°00′E。行政范圍包括海拉爾市、滿洲里市、陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、鄂溫克族自治旗,總面積約83350 km2。其中,陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、鄂溫克族自治旗是著名的牧業(yè)四旗,四旗的草原面積占到全市草原總面積的90%以上。

呼倫貝爾草原處于干旱半干旱、季風(fēng)與非季風(fēng)以及農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的過(guò)渡地帶[41-42],地形為平坦、遼闊、波狀起伏的高平原,海拔在650—700 m。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,春季干旱少雨,大風(fēng)頻發(fā)；夏季溫涼短促,水熱集中；秋季降溫迅速,日溫差大,秋霜早；冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng),冷空氣活動(dòng)頻繁。各區(qū)域間氣候差異較小,年均溫約-1.0—1.0℃,年均降水量250—350 mm。該區(qū)植被類型復(fù)雜多樣,草原植物資源約1000余種,是歐亞草原的重要組成部分[31]。該區(qū)東部由于受到大興安嶺山地的影響,氣候較濕潤(rùn),屬于森林草原交錯(cuò)帶；從大興安嶺西麓向西至呼倫湖方向,植被類型由森林草原,草甸草原過(guò)渡到典型草原。呼倫貝爾草原區(qū)域分布著額爾古納河、根河、海拉爾河、伊敏河等河流,以及零星分布的大小湖泊,河流和湖泊沿岸一般發(fā)育各類型草甸或者沼澤[43]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

圖1 研究區(qū)Fig.1 The study area

氣象及災(zāi)情數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/),該數(shù)據(jù)集已經(jīng)過(guò)基本的質(zhì)量控制,包括氣候極值范圍檢查、內(nèi)部一致性檢查和時(shí)間一致性檢查,數(shù)據(jù)可靠性和連續(xù)性均能滿足研究的需求。本文選取呼倫貝爾典型草原和草甸草原區(qū)的4個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)1960—2017年的逐月降水量及月均氣溫：海拉爾(49.22°N,119.75°E)、滿洲里(49.57°N,117.43°E)、新巴爾虎左旗(48.22°N,118.27°E)和新巴爾虎右旗(48.67°N,116.82°E)。此外,為驗(yàn)證本文計(jì)算的SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原區(qū)的有效性,選取了1960—1999年我國(guó)重大干旱(重旱、特大旱)災(zāi)害事件以及滿洲里和鄂溫克族自治旗的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)情旬值數(shù)據(jù)和2005—2016年《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》干旱事件發(fā)生的記錄作為驗(yàn)證。

2.2 方法

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是降水量與潛在蒸散發(fā)量差值序列的累積概率做正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。為了揭示以草原生態(tài)系統(tǒng)為主(天然草場(chǎng)面積占研究區(qū)總面積的80%以上)的區(qū)域整體干旱特征,對(duì)差異較小的4個(gè)氣象站點(diǎn)逐月的氣溫和降水取均值來(lái)計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)。在驗(yàn)證該指數(shù)表征呼倫貝爾草原區(qū)干旱事件發(fā)生的有效性時(shí),則分別計(jì)算各站點(diǎn)的SPEI指數(shù)。SPEI指數(shù)是降水量與潛在蒸散發(fā)量差值序列的累積概率做正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。首先,采用Thornthwaite法計(jì)算潛在蒸散量,然后計(jì)算逐月降水和蒸散的差值,并建立不同時(shí)間尺度的水分盈虧累積序列。由于原始數(shù)據(jù)序列中可能存在負(fù)值,所以,采用3參數(shù)的Log-logistic概率分布對(duì)累積概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,最終計(jì)算得出SPEI值,計(jì)算過(guò)程如下[19]：

首先,計(jì)算潛在蒸散量(PET),Vicente-Serrano推薦使用Thornthwaite方法：

(1)

(2)

式中,PET為潛在蒸散量；Ti為月平均溫度；H為年熱量指數(shù)；A為常數(shù),由H決定,A=0.49+0.179H-0.0000771H2+0.000000675H3。

其次,計(jì)算逐月降水量與蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi

(3)

式中,Di為降水量與蒸散量的差值,Pi為月降水量,PETi為月蒸散量。

第三,采用3個(gè)參數(shù)的Log-logistic概率分布對(duì)Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化,計(jì)算每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI指數(shù)：

(4)

其中,參數(shù)α、β、γ的計(jì)算如下：

(5)

(6)

γ=ω0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(7)

其中,Γ為階乘函數(shù),ω0、ω1、ω2為數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩：

(8)

(9)

N為參與計(jì)算的月份數(shù)。

最后對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

P=1-F(x)

(10)

當(dāng)累計(jì)概率P≤0.5時(shí)：

(11)

(12)

式中,常數(shù)c0,c1,c2,d1,d2,d3同SPI計(jì)算過(guò)程,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。

由于該方法是基于“歷史同月的累積水分虧缺量服從Log-logistic分布”這一假設(shè),因此,為了驗(yàn)證呼倫貝爾草原累積水分虧缺量是否符合Log-logistic分布,本文對(duì)1個(gè)、3個(gè)和12個(gè)月尺度下的累積水分虧缺量序列與Log-logistic分布進(jìn)行了K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗(yàn)。結(jié)果表明,在1個(gè)、3個(gè)和12個(gè)月尺度下,K-S檢驗(yàn)的概率P值(分別為0.241、0.167、0.508)均大于顯著性水平α=0.05,沒(méi)有足夠理由拒絕零假,即累積水分虧缺量樣本來(lái)自Log-logistic分布總體。因此,可判定該序列來(lái)自Log-logistic分布總體,基于該分布的SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原干旱表征上具備數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)。

此外,為了反映研究區(qū)干旱過(guò)程的細(xì)節(jié)與總體特征,分析各個(gè)站點(diǎn)月、季以及年際干旱演變特征(分別記作SPEI- 1、SPEI- 3和SPEI- 12)。3個(gè)月時(shí)間尺度SPEI與草原生長(zhǎng)季的關(guān)系密切；12個(gè)月時(shí)間尺度SPEI能較清晰的反映長(zhǎng)期干旱變化特征,因此,本文以3個(gè)月為時(shí)間尺度(SPEI- 3)的5月、8月、11月和次年2月作為表征春季、夏季、秋季、冬季，12個(gè)月為時(shí)間尺度的SPEI(SPEI- 12)表征年際干旱,并參照相關(guān)文獻(xiàn)[19,23]對(duì)干旱等級(jí)進(jìn)行了劃分(表1)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)干旱等級(jí)劃分

SPEI：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) Standardized Precipitation Evapotranspiration Index

2.2.2Hurst指數(shù)和R/S分析法

Hurst指數(shù)通常是用來(lái)分析時(shí)間序列的分形特征和長(zhǎng)期記憶過(guò)程。它是由Hurst在分析尼羅河水文數(shù)據(jù)時(shí)提出的,經(jīng)常用于分析長(zhǎng)時(shí)間序列相關(guān)性。其中,R/S分析法(也被稱為重標(biāo)極差分析法)被廣泛用于計(jì)算H指數(shù)。R/S原理簡(jiǎn)述如下[44]：

設(shè)有時(shí)間序列,{ξ(t)},t=1,2,3…,對(duì)于任意正整數(shù)≥1,有均值序列：

(1)

由此求得累計(jì)離差：

(2)

極差R定義為：

R(τ)=maxX(t,τ)-min(t,τ),1≤t≤τ=1,2,…

(3)

標(biāo)準(zhǔn)差S定義為：

(4)

R、S、τ滿足一般關(guān)系式：

(5)

式中,c為常數(shù)；R(τ)/S(τ)為重標(biāo)極差；H為Hurst指數(shù)。

H范圍從0到1。當(dāng)H=0.5時(shí),表明該時(shí)間序列為隨機(jī)序列；H>0.5時(shí)表示該過(guò)程具有連續(xù)特性,并且未來(lái)趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)一致,而H<0.5時(shí)則表示未來(lái)趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)相反。

2.2.3其他方法

采用氣候傾向率法研究SPEI的時(shí)空變化趨勢(shì),Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)用于研究SPEI時(shí)間序列的突變,Morlet小波分析用于計(jì)算本研究中干旱發(fā)生的周期性。

3 結(jié)果分析

3.1 呼倫貝爾草原氣候變化趨勢(shì)

圖2 1960—2017年呼倫貝爾草原年均降水量與氣溫變化 Fig.2 Annual average precipitation and temperature changes in Hulun Buir Grassland from 1960 to 2017

由圖2可知,1960—2017年呼倫貝爾草原多年平均降水量為286.66 mm,且以3.65 mm/10a的速率呈不顯著減少趨勢(shì),其中,1986年和1998年分別是近58年來(lái)該區(qū)域降水量最少和最多的兩個(gè)年份,年均降水量分別為137.4 mm和567.225 mm。過(guò)去58年該區(qū)域多年平均氣溫為-0.06℃,并以0.35℃/10a的速率呈上升趨勢(shì)(P<0.001),其中,1969年和2007年分別是過(guò)去58年來(lái)該區(qū)域年平均溫度最高和最低的年份,其值分別為-2.30℃和2.31℃。

由圖3可知,過(guò)去58年呼倫貝爾草原春季多年平均降水量為32.68 mm,占年平均降水量的11.40%,并以1.75 mm/10a的速率呈不顯著增多趨勢(shì),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1972年(6.65 mm)和2005年(68.6 mm)的春季。過(guò)去58年該區(qū)域多年春季平均氣溫為1.58℃,并以0.46℃/10a的速率呈上升趨勢(shì)(P<0.001)。其中,1966年和1998年分別是多年春季平均氣溫的最低值和最高值,分別為-1.77℃和5.08℃。同樣地,夏季多年平均降水量為202.72 mm,占年平均降水量的70.72%,過(guò)去58年以7.75 mm/10a的速率呈減少趨勢(shì),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是2016年(80.05 mm)和1998年(432.68 mm)。該區(qū)域夏季多年平均氣溫為19.28℃,過(guò)去58年以0.39℃/10a的速率呈上升趨勢(shì)(P<0.001),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1983年(17.44℃)和2001年(22.12℃)的夏季。

秋季多年平均降水量為43.42 mm,占年平均降水量的15.15%,過(guò)去58年以1.142 mm/10a的速率呈增加趨勢(shì),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1986年(4.8 mm)和1998年(103.55 mm)。該區(qū)域秋季多年平均氣溫為0.25℃,過(guò)去58年以0.28℃/10a的速率呈上升趨勢(shì)(P=0.002),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1981年(-1.68℃)和2004年(2.79℃)。冬季多年平均降水量為7.82 mm,占年平均降水量的2.73%,過(guò)去57年以1.33 mm/10a的速率呈增加趨勢(shì)(P<0.001),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1973年(1.9 mm)和2012年(17.925 mm)。該區(qū)域冬季多年平均氣溫為-21.34℃,過(guò)去57年以0.24℃/10a的速率呈不顯著上升趨勢(shì),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1986年(-26.59℃)和2004年(-17.35℃)。

圖3 1960—2017年呼倫貝爾草原春、夏、秋、冬季節(jié)平均降水量與氣溫變化Fig.3 Seasonal precipitation and temperature changes during the spring, summer, autumn, and winter seasons in Hulun Buir Grassland from 1960 to 2017

3.2 SPEI 指數(shù)的年際變化特征

圖4為呼倫貝爾草原平均SPEI指數(shù)年際變化及其Mann-Kendall (M-K)檢驗(yàn)曲線。呼倫貝爾草原的年尺度的SPEI值在1960—2017年間呈下降趨勢(shì),線性傾向率為-0.218/10a(P<0.01),表明,近58年來(lái)呼倫貝爾草原呈干旱化趨勢(shì),其中,1999年和2001年分別是該地區(qū)近58年來(lái)最濕潤(rùn)和最干旱的兩個(gè)年份,其SPEI值分別為2.012和-2.284。UF曲線顯示近58年呼倫貝爾草原平均SPEI指數(shù)經(jīng)歷了下降上升和下降的趨勢(shì),其中UF值在1984—1994年間(除了1986和1987年)為正值,表明SPEI指數(shù)在此期間總體呈上升趨勢(shì),1984年之前以及1994年之后,UF值均小于0,尤其是2004年之后,UF曲線超出了0.05的置信區(qū)間,說(shuō)明SPEI指數(shù)下降的趨勢(shì)顯著。在置信區(qū)間內(nèi),UF和UB曲線相交于1998年,說(shuō)明1998年是SPEI指數(shù)突變的開(kāi)始,也表明了呼倫貝爾草原自1998年之后干旱開(kāi)始加劇。

圖4 1960—2017 年呼倫貝爾草原平均 SPEI 指數(shù)年際變化及 M-K 突變檢驗(yàn)Fig.4 Interannual variation and Mann-Kendall test of average SPEI in Hulun Buir Grassland for 1960—2017SPEI：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) Standardized Precipitation Evapotranspiration Index；M-K: Mann-Kendall； UF, Forward Standard normal distribution;UB, Backward Standard normal distribution; 在給定顯著性水平a=0.05,統(tǒng)計(jì)量UF和UB的臨界值為±1.96;UF>0,表示序列呈上升趨勢(shì)；反之,呈下降趨勢(shì),大于或小于±1.96,表示上升或下降趨勢(shì)顯著

圖5為呼倫貝爾草原季節(jié)尺度的SPEI指數(shù)年際變化及M-K突變檢驗(yàn)。由春季SPEI指數(shù)的年際變化可知,近58年來(lái)該地區(qū)春季呈干旱化趨勢(shì),其SPEI指數(shù)為-0.142/10a(P=0.05),2005年和2017年分別是最濕潤(rùn)和最干旱的兩個(gè)年份,其SPEI值分別為1.564和-2.077。在顯著性水平0.05的臨界線之間,UF、UB曲線相交于1982年,這是呼倫貝爾草原春季干旱突變的開(kāi)始。由夏季SPEI指數(shù)的年際變化可知,1960—2017年間呼倫貝爾草原夏季呈現(xiàn)顯著的干旱化趨勢(shì)(P<0.01)。其中,1998年和2006年的夏季是最濕潤(rùn)和最干旱的兩個(gè)年份,其SPEI指數(shù)分別為2.023和-1.9。由M-K檢驗(yàn)可知,1998年是呼倫貝爾草原夏季干旱突變的開(kāi)始。由秋季SPEI指數(shù)的年際變化可知,呼倫貝爾草原近58年秋季呈現(xiàn)不顯著干旱化趨勢(shì)。其中,1970和2007年的秋季是最濕潤(rùn)和最干旱的兩個(gè)年份,其SPEI指數(shù)分別為1.6和-2.333。UF和UB曲線交于1995年,可知1995年是呼倫貝爾草原秋季干旱突變的開(kāi)始。由冬季SPEI指數(shù)的年際變化可知,呼倫貝爾草原近58年冬季呈現(xiàn)濕潤(rùn)化趨勢(shì),其中,1973年和2012年的冬季分別是最干旱和最濕潤(rùn)的兩個(gè)年份,其SPEI指數(shù)分別為-1.960和1.665。UF和UB曲線交于1998年,可知1998年冬季是呼倫貝爾冬季濕潤(rùn)化突變的開(kāi)始。

圖5 1960—2017 年呼倫貝爾草原季節(jié)尺度的SPEI指數(shù)年際變化及M-K突變檢驗(yàn)Fig.5 Interannual variation and M-K mutation test of SPEI index at the seasonal scale in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

3.3 干旱事件頻率分析

根據(jù)表1中SPEI指數(shù)評(píng)估等級(jí),統(tǒng)計(jì)了近58年呼倫貝爾草原4個(gè)站點(diǎn)每月的SPEI值,得到該區(qū)域不同年代干旱發(fā)生的頻率和不同季節(jié)干旱發(fā)生頻次(圖6)。容易看出,1960—2017年呼倫貝爾草原不同等級(jí)干旱發(fā)生的頻率均呈增加趨勢(shì),其中,中旱發(fā)生頻率最高,重旱次之,極旱最少。此外,在1960s、1970s、1980s和1990s,中旱占同年代發(fā)生干旱的比率在74.16%—78.87%,而在21世紀(jì)初的18年,中旱發(fā)生頻率的占比下降到55.05%,同時(shí),與其他年代相比,該時(shí)期也是中旱及以上等級(jí)干旱發(fā)生頻率最高的年代?？梢?jiàn),21世紀(jì)初期該區(qū)域不但干旱發(fā)生頻率增加,而且發(fā)生重旱和極旱的頻率顯著提高。例如,2000—2017年極旱發(fā)生頻率為12.96%,顯著高于其他年代,而重旱發(fā)生頻率為32.41%,是發(fā)生最少年代(1970s)的4倍。

就不同季節(jié)干旱發(fā)生頻次而言,過(guò)去58年來(lái),夏季發(fā)生的干旱頻次最多,為123次,其次為冬季(120次),春季(116次)和夏季(112次),但總體而言差異不大。從不同等級(jí)干旱在4個(gè)季節(jié)的分布可以看出,中旱均是發(fā)生頻次最多的干旱,重旱次之,極旱最少。此外,冬季是發(fā)生中旱次數(shù)最多的季節(jié)(75次),夏季是發(fā)生重旱最多的季節(jié)(45次),秋季是發(fā)生極旱次數(shù)最多的季節(jié)(21次)。

3.4 干旱趨勢(shì)分析

3.4.1Morlet小波分析

對(duì)呼倫貝爾草原1960—2017年間的年尺度與季節(jié)尺度的SPEI值進(jìn)行了小波分析,選用了水文氣象常用的Morlet連續(xù)復(fù)小波變換,其中,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(干旱化指數(shù)偏高),為負(fù)則表示該年份偏旱。由圖7的小波系數(shù)等值線圖及小波方差圖可知,在年尺度上,明顯存在著8—11年和17—19年的短周期和40—50年的長(zhǎng)周期。其中,在17—19年的時(shí)間尺度上出現(xiàn)4次明顯的旱濕交替；8—11年的尺度上有明顯的7次旱濕交替,40—50年尺度上有1次明顯的旱濕交替。結(jié)合小波方差圖得知,在8年、11年、18年、30年和44年時(shí)間尺度上震蕩明顯,且44年、11年和8年分別為第一主周期和第二、三周期。由于當(dāng)前(2017年)的小波系數(shù)圖在44年長(zhǎng)周期和11年短周期上并未閉合,說(shuō)明呼倫貝爾草原在11年短期內(nèi)將持續(xù)偏旱趨勢(shì),而在44年長(zhǎng)周期上將持續(xù)偏濕趨勢(shì)。

圖6 1960—2017年呼倫貝爾草原不同年代干旱發(fā)生頻率和不同季節(jié)干旱發(fā)生頻次Fig.6 Frequency of drought in different decades and four seasons in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

圖7 1960—2017 年呼倫貝爾草原年尺度 SPEI 指數(shù)小波分析圖Fig.7 Wavelet analysis of SPEI index at the year-scale in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

從圖8可以發(fā)現(xiàn),呼倫貝爾草原近58年的春季SPEI在4—6年、10—12年、20—25年和43—48年尺度上存在著明顯的高低值交替現(xiàn)象,且由小波方差可以看出,22年、4年和44年分別為第一主周期和第二、三周期。在22年的主周期上,1960—2017年,呼倫貝爾草原春季SPEI經(jīng)歷了4次旱濕交替的周期,且當(dāng)前該區(qū)春季正處于旱濕交替的過(guò)渡時(shí)期,未來(lái)短期內(nèi)仍將有偏旱的趨勢(shì)。從夏季SPEI的小波系數(shù)和小波方差圖容易發(fā)現(xiàn),該區(qū)明顯存著9年、17年和44年的震蕩周期,其中,在44年周期上的信號(hào)最強(qiáng),為第一主周期,9年和17年分別為第二、三周期。在44年尺度上,該區(qū)域夏季目前處于偏濕期,且有持續(xù)偏濕的趨勢(shì)；在9年和17年尺度上,該區(qū)域夏季正目前處于偏旱期,且未來(lái)有持續(xù)偏旱的趨勢(shì)。從秋季SPEI的小波系數(shù)和小波方差圖容易發(fā)現(xiàn),在6年、15年、29年和44年的周期上存在較明顯的震蕩現(xiàn)象,其中,29年尺度的能量最強(qiáng),為第一主周期,44年和15年分別為第二、三周期。在29年和44年的周期上,目前正處于偏濕時(shí)期,且有持續(xù)偏濕的趨勢(shì)。然而,在15年尺度上,下一周期有轉(zhuǎn)向偏干的趨勢(shì)。由呼倫貝爾草原冬季SPEI的小波方差圖可知,冬季存在44年的第一主周期,29年和17年分別為第二、三周期。在44年和29年尺度上,目前該區(qū)冬季正處于偏干期,在17年尺度上,則處于偏濕期。

圖8 1960—2017年呼倫貝爾草原季節(jié)尺度(春、夏、秋、冬)SPEI指數(shù)小波分析圖Fig.8 Wavelet analysis of SPEI index at the seasonal scale (spring, summer, autumn and winter) in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

3.4.2基于Hurst指數(shù)的未來(lái)干旱趨勢(shì)分析

對(duì)于呼倫貝爾草原年際干旱的未來(lái)趨勢(shì)運(yùn)用R/S分析法進(jìn)行預(yù)測(cè)(表2),年際SPEI的Hurst指數(shù)0.834>0.5,CM>0,表明時(shí)間序列前后具有持續(xù)性。未來(lái)呼倫貝爾草原的年際SPEI指數(shù)變化趨勢(shì)與過(guò)去58年變化趨勢(shì)一致,即SPEI指數(shù)將繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),干旱化的態(tài)勢(shì)也將繼續(xù)加劇,這與11年尺度的小波分析結(jié)果較一致。在季節(jié)尺度上,SPEI的Hurst指數(shù)均>0.5,且CM>0,表明未來(lái)四季的SPEI指數(shù)將與過(guò)去58a變化的趨勢(shì)一致。然而,不同季節(jié)變化趨勢(shì)的強(qiáng)度不同,其中,冬季的SPEI的Hurst指數(shù)最大(0.920),持續(xù)性變化最強(qiáng), 表明呼倫貝爾草原未來(lái)冬季SPEI指數(shù)持續(xù)上升的可能性高于其他各季,即未來(lái)研究區(qū)的冬季將呈現(xiàn)濕潤(rùn)的趨勢(shì),這與小波分析的第三主周期(17年尺度)分析的結(jié)果也較一致。夏季SPEI的Hurst指數(shù)次之(0.802),表明該區(qū)未來(lái)夏季SPEI指數(shù)將繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),干旱化將加劇,這與小波分析的第二、三周期(9年和17年尺度)分析的結(jié)果較一致。秋季SPEI和春季SPEI的Hurst指數(shù)也均大于0.5,表明呼倫貝爾草原未來(lái)春季和秋季的干旱趨勢(shì)將繼續(xù)加劇,但可能性小于冬季和夏季。秋季SPEI的Hurst分析結(jié)果與其小波分析的第三主周期(15年尺度)分析的結(jié)果一致,春季SPEI與其第一主周期(22年尺度)的分析結(jié)果較一致。

表2 R/S分析結(jié)果

H: Hurst指數(shù)Hurst index；CM：相關(guān)系數(shù)Correlation measurement

3.5 SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原的適用性分析

SPEI的適用性分析在全國(guó)尺度[45]、東北地區(qū)[46]、西北地區(qū)[23]、長(zhǎng)江中下游地區(qū)[47]和內(nèi)蒙古地區(qū)[48]均進(jìn)行過(guò)探討,然而,在以草原景觀尺度的適用性的研究較少。表3為1960—2016年來(lái)呼倫貝爾草原區(qū)典型干旱事件與同期SPEI驗(yàn)證結(jié)果,可以看出,在本區(qū)域?qū)嶋H發(fā)生的干旱事件與本文計(jì)算得到的同期SPEI所表征的干旱事件吻合度較高,表明SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)與分析中具有較好的適用性。

表3 1960—2016年來(lái)呼倫貝爾草原區(qū)典型干旱事件與同期SPEI驗(yàn)證比較

4 討論

事實(shí)上,多個(gè)研究表明了氣溫在干旱變化中所起的重要作用[20,49],而我國(guó)干旱事件持續(xù)增加主要和氣溫大幅升高、降水變化不顯著有關(guān)[50]。其中,中國(guó)北方的干旱化趨勢(shì)與太平洋海溫的年代際異常有關(guān),特別是與太平洋年代際振蕩(PDO, Pacific Decadal Oscillation)存在顯著的位相對(duì)應(yīng)關(guān)系[51-52]。在2000年以后,PDO由暖位相開(kāi)始轉(zhuǎn)換為一個(gè)冷位相,北方降水趨于增多[51]。然而本文基于SPEI指數(shù),對(duì)我國(guó)北方以呼倫貝爾草原為代表的草原生態(tài)系統(tǒng)的干旱特征的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),呼倫貝爾草原在氣溫顯著上升,降水減少的背景下干旱化趨勢(shì)顯著,這雖然與我國(guó)北方氣候變化的大背景是相似的[8],然而2000年以后該區(qū)域SPEI指數(shù)以及所發(fā)生的干旱事件均表明,該區(qū)域干旱化趨勢(shì)更加顯著。一方面,該區(qū)域降水量總量少,年內(nèi)分配不均,其中,夏季降水占全年降水總量的70.72%,可能更易出現(xiàn)旱情[53]。此外,馬柱國(guó)等[50]基于GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的陸地水儲(chǔ)量(TWS, Terrestrial Water Storage)對(duì)中國(guó)區(qū)域干旱化問(wèn)題的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方降水量從 2001年以后有一個(gè)增加的趨勢(shì),但陸地水儲(chǔ)量TWS卻是減小趨勢(shì),說(shuō)明我國(guó)北方干旱化仍在加劇。

值得說(shuō)明的是,Hurst指數(shù)雖然在一定程度上可以預(yù)測(cè)呼倫貝爾草原未來(lái)的干旱趨勢(shì),但并不能預(yù)測(cè)未來(lái)的干旱趨勢(shì)所持續(xù)的時(shí)間。Morlet小波雖然可以判別時(shí)間序列中所包含多時(shí)間尺度周期性的大小及這些周期在時(shí)域中的分布,但其結(jié)果往往存在著多重時(shí)間尺度上的復(fù)雜嵌套結(jié)構(gòu),且在不同的尺度周期中,表現(xiàn)出不同的干濕振蕩規(guī)律,造成結(jié)果的不確定性。本文將R/S與Morlet小波分析相結(jié)合并考慮時(shí)間序列的變化趨勢(shì),有利于提高對(duì)呼倫貝爾草原未來(lái)尤其是近期干旱預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

此外,干旱具有發(fā)生的隱蔽性、形成的復(fù)雜性以及多尺度變化特征,目前開(kāi)發(fā)的任一干旱指標(biāo)均很難達(dá)到時(shí)空上的普適性條件,因?yàn)楦珊抵笜?biāo)大都建立在特定的時(shí)間和區(qū)域范圍內(nèi)[30]。因此,這給干旱的評(píng)估和預(yù)測(cè)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。雖然呼倫貝爾草原區(qū)過(guò)去58年發(fā)生的干旱事件均通過(guò)本文使用的SPEI方法得到了一致的驗(yàn)證,在很大程度上表征了該區(qū)域的干旱情況,但反過(guò)來(lái),仍存在SPEI指數(shù)較低的時(shí)期,而事實(shí)上并未發(fā)生干旱事件的現(xiàn)象。這也恰恰說(shuō)明了干旱事件的發(fā)生不僅取決于溫度、降水和蒸散等物理性質(zhì),還取決于生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)因素[54-55]。此外,本文未能揭示該區(qū)域干旱發(fā)生的物理機(jī)制以及受限于氣象站點(diǎn)的數(shù)量而忽略了空間異質(zhì)性,具有一定的局限性。因此,未來(lái)可通過(guò)使用多種觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括物理的、社會(huì)的和經(jīng)濟(jì)的)和評(píng)估方法(如模型的、指標(biāo)的)為特定區(qū)域和生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合的干旱指數(shù),并分析不同維度對(duì)干旱發(fā)生的相對(duì)貢獻(xiàn),以便進(jìn)一步了解干旱發(fā)生的機(jī)制。

5 結(jié)論

1960—2017年,呼倫貝爾草原的氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì),而降水呈不顯著減少趨勢(shì)。然而,季節(jié)性的溫度和降水變化趨勢(shì)差異較大。多年來(lái)夏季降水呈減少趨勢(shì),其他季節(jié)均呈不同速率的增加趨勢(shì),其中以冬季增加的趨勢(shì)最顯著,但冬季的氣溫并未發(fā)生顯著變化。春、夏和秋季的年際溫度變化均呈顯著上升趨勢(shì),其中春季氣溫上升速率最快,達(dá)到0.46℃/10a,夏季次之(0.39℃/10a)。

對(duì)不同年代干旱發(fā)生頻次及季節(jié)分布的分析發(fā)現(xiàn),中旱發(fā)生頻率在不同年代以及不同季節(jié)的分布均是最高的,重旱次之,極旱最少。與其他年代相比,21世紀(jì)初(2000—2017),干旱發(fā)生的總頻率以及重旱和極旱的頻率均顯著高于其他年代。雖然不同季節(jié)發(fā)生干旱的總頻次差異不大,但不同等級(jí)干旱的季節(jié)分配差異較大,其中,冬季、夏季和秋季分別是發(fā)生中旱、重旱和極旱次數(shù)最多的季節(jié)。

通過(guò)Morlet小波和R/S分析對(duì)呼倫貝爾草原未來(lái)干旱趨勢(shì)的分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)域在11年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的周期性的可能性較大,且未來(lái)幾年有持續(xù)偏旱趨勢(shì)。然而,不同季節(jié)的周期性和趨勢(shì)具有差異性,其中,春季在22年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來(lái)有持續(xù)偏旱的趨勢(shì)。夏季在9年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來(lái)有持續(xù)偏旱的趨勢(shì)。秋季在15年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來(lái)有持續(xù)偏旱的趨勢(shì)。冬季在17年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來(lái)有持續(xù)偏濕的趨勢(shì)。此外,SPEI指數(shù)與同期干旱事件發(fā)生的吻合度較高,表明該指數(shù)在呼倫貝爾草原區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)與分析中具有較好的適用性。