胡文峰，陳玲玲，姚俊強(qiáng)，何 清，王 婭

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830013；2.阜陽師范大學(xué)，安徽 阜陽 236037；3.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊 830013)

干旱是指一段時間內(nèi)，陸地降水持續(xù)低于正常值的一種極端氣候事件[1]。在氣候變化和人類活動共同影響下，全球干旱問題日益嚴(yán)峻。干旱是影響人類社會最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，一直是備受關(guān)注的科學(xué)問題[2-6]，更是氣候變化研究的熱點領(lǐng)域[7]。當(dāng)前國內(nèi)外用各類干旱指標(biāo)對干旱進(jìn)行定量化的監(jiān)測與評價，并對各種指數(shù)進(jìn)行了評價研究[8-9]，但各干旱指數(shù)在使用中均有一定的局限性。Palmer干旱指數(shù)(PDSI)把所有降水處理成雨水不夠嚴(yán)謹(jǐn)[10]，不能很好區(qū)分干旱起止點[11]，難以反映交替干旱現(xiàn)象，對溫度變化敏感，潛在蒸發(fā)計算誤差大，缺乏人為因素的影響[12-13]；綜合氣象干旱指數(shù)CI計算簡便，適合實時氣象干旱監(jiān)測和歷史同期氣象干旱評估[14]，但未考慮人類活動影響，不能完全反映農(nóng)業(yè)干旱[15]；地表供水指數(shù)(SWSI)能指示降雪的情況和地表水的供應(yīng)，但不同的流域不能對比，只能計算季節(jié)的指數(shù)[16]；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)具有多時間尺度特征，計算性穩(wěn)定，但忽略了氣溫變化對干旱的貢獻(xiàn)，易受極端降水事件的影響，無法識別旱澇頻發(fā)的區(qū)域[17]。在使用過程中，無論是PDSI還是SPI， 均不能合理地揭示氣候變化背景下大區(qū)域氣象干旱的時空格局。為了解決其局限性，Vicente-Serrano等[18](2010)提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI),該指數(shù)考慮了氣溫異常對干旱的貢獻(xiàn)，保留了PDSI考慮蒸散對溫度敏感的特點，且具備SPI計算簡單、適合多尺度、多空間比較的優(yōu)勢，被國內(nèi)外學(xué)者較多地用于干旱時空特征和變化趨勢等方面的研究[19-25]，表明SPEI能較好地體現(xiàn)氣候變暖導(dǎo)致的干旱加劇趨勢。

當(dāng)前全球氣候變暖已經(jīng)成為一個不爭的事實[26]，從而導(dǎo)致全球極端干旱面積正在擴(kuò)大[27-28]。大量的事實也表明中國北方地區(qū)干旱正在加劇[4,29-34]，使生態(tài)環(huán)境惡化，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[35]。新疆位于中緯度歐亞大陸腹地，是典型的大陸性干旱氣候區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，對全球氣候變暖尤為敏感[36]。施雅風(fēng)等[37]研究指出，在全球氣候變暖的背景下，中國新疆地區(qū)的氣候由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變，而氣候變暖驅(qū)動水循環(huán)加劇，使新疆地區(qū)氣候環(huán)境發(fā)生變化，極端氣候事件增多等現(xiàn)象[38-40]。相關(guān)學(xué)者用各類干旱指數(shù)[41-45]對全疆或局部區(qū)域的干旱特征進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論也不盡相同，考慮到這些干旱指數(shù)多利用降水量來表征干旱變化，忽視溫度上升導(dǎo)致的干旱加劇，為了解決溫度對干旱的影響，有學(xué)者采用SPEI干旱指數(shù)[25,36,46]對新疆進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明新疆有不同程度的變干趨勢，尤其是近15 a，暖干化趨勢明顯，但這些研究沒有考慮新疆干旱變化的區(qū)域差異以及對干旱進(jìn)行相關(guān)的評價。為進(jìn)一步研究新疆地區(qū)干旱時空格局演變，對干旱進(jìn)行評估，這對一帶一路的戰(zhàn)略發(fā)展，區(qū)域水資源的管理、災(zāi)害防控等有著重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)1961—2015年月平均地面各氣象要素數(shù)據(jù)，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評估，選擇數(shù)據(jù)連續(xù)好的55個氣象站作為新疆的代表性臺站(圖1)。有研究表明3個月、6個月和12個月這3種時間尺度的SPEI可以分別代表氣象干旱、生態(tài)干旱和水文干旱[47]，故本文分別計算3個月、6個月和12個月3種時間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)，采用這3種尺度的SPEI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 研究區(qū)及站點空間分布

1.2 研究方法

SPEI指數(shù)是以月平均氣溫、月降水量和月、日照時數(shù)為輸入資料，通過計算月降水量與潛在蒸散量的差值并進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到。SPEI指數(shù)的計算方法[18]如下。

a) 計算氣候水平衡：

Di=Pi′-PETi

(1)

式中Pi′——降水；PETi——潛在蒸發(fā)量，Vicente-Serrano推薦用Thornthwaite方法求得。

b) 建立不同時間尺度氣候?qū)W意義的水分盈虧累積序列：

(2)

式中k——時間尺度，月；n——計算次數(shù)。

c) 將式(2)中所建序列采用3個參數(shù)的log-logistic概率密度函數(shù)擬合：

(3)

式中f(x)——概率密度函數(shù)；α、β和γ——尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和origin參數(shù)，可通過線性矩法進(jìn)行估算。

累積概率函數(shù)F(x)為：

(4)

d) 對序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)SPEI：

(5)

對于計算后SPEI指數(shù)干濕等級的劃分見表1。

表1 SPEI指數(shù)的干濕等級劃分

1.3 干旱評估方法

a) 干旱頻率(Pi)。Pi是用來評價某站有氣象資料年份內(nèi)干旱發(fā)生頻繁程度，計算公式見式(6)：

(6)

式中N——計算的總月份數(shù)；ni——i站發(fā)生干旱的月份數(shù)。

b) 干旱站次比(Pj)。Pj是指區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生站數(shù)占全部站數(shù)的比例，可用來評價研究區(qū)內(nèi)干旱影響范圍的大小，也可間接反映干旱影響的嚴(yán)重程度。計算公式見式(7)：

(7)

式中mj——j年發(fā)生干旱的站數(shù)；M——研究的總站數(shù)。

根據(jù)Pj大小，對干旱影響范圍定義如下[50]：當(dāng)Pj≥50%時，即研究區(qū)域內(nèi)有1/2以上的站發(fā)生干旱，為全域性干旱；當(dāng)50%>Pj≥33%時為區(qū)域性干旱；當(dāng)33%>Pj≥25%時為部分區(qū)域性干旱；當(dāng)25%>Pj≥10%時為局域性干旱；當(dāng)Pj<10%時可認(rèn)為無明顯干旱發(fā)生。在本研究中僅采用各站點12個月時間尺度SPEI計算干旱站次比。

c) 干旱強(qiáng)度(Sij)。Sij用來評價研究區(qū)內(nèi)干旱嚴(yán)重程度。計算公式見式(8)：

(8)

式中m——研究區(qū)發(fā)生干旱的站數(shù)；|SPEIi|——發(fā)生干旱時的SPEI的絕對值，與干旱站次比類似，根據(jù)SPEI干旱分級：當(dāng)在1.5>Sij>1.0時為輕度干旱；當(dāng)干旱強(qiáng)度在2.0>Sij≥1.5為中度干旱；當(dāng)Sij≥2.0時，為重度干旱。

2 結(jié)果分析

2.1 降水和溫度時空特征

圖2為1961—2015年新疆地區(qū)年平均氣溫(圖2a)和平均降水(圖2b)變化曲線。從圖2a可以看出，近55 a新疆地區(qū)氣溫整體呈波動上升趨勢，其中氣溫最低為6.03℃，出現(xiàn)在1984年，最高溫度達(dá)到8.80℃，發(fā)生在2015年，平均氣溫為7.47℃。Yao[25]在研究新疆氣候變化和干旱災(zāi)害時指出其氣候在1997年發(fā)生了突變，從圖2中也可以看出1997年開始，增溫趨勢停滯，并有微弱的下降趨勢。降水整體上(圖2b)也呈增多趨勢，其中降水最少為1985年，僅106.4 mm，降水最多為2010年，達(dá)到218.0 mm,平均降水量為149.7 mm，同樣在從1997年起，降水呈減少趨勢。這說明進(jìn)入21世紀(jì)，新疆地區(qū)溫度和降水都發(fā)生了新的變化。從近15 a來看，這種趨勢與施雅風(fēng)等[37]預(yù)測的西北氣候向暖濕轉(zhuǎn)型可能是世紀(jì)性并將長期存在的結(jié)論不完全相符，出現(xiàn)這個結(jié)論是其以2002年以前的數(shù)據(jù)作為預(yù)測基礎(chǔ)，然而進(jìn)入21世紀(jì)新疆地區(qū)溫度和降水有了新的變化。從年代際看，1961—1970年平均氣溫、降水分別為6.9℃和133.7 mm，1971—1980年平均氣溫、降水分別為7.0℃和132.8 mm，是2個相對“冷干”的10 a；21世紀(jì)第一個10 a平均氣溫和降水分別是8.2℃和168.8 mm，是相對“暖濕”的10 a。

a) 氣溫

b) 降水

為進(jìn)一步分析新疆地區(qū)氣溫與降水的空間配置，用各站點的年平均降水量和氣溫分別進(jìn)行反距離插值得到空間分布格局。從圖3a中可以明顯看出新疆地區(qū)降水存在明顯的區(qū)域差異，呈現(xiàn)西北多東南少的格局，降水最豐富的地區(qū)是天山西部的伊犁河谷，這是由于新疆地區(qū)降水很大程度上受西風(fēng)帶影響；而氣溫的分布格局是西北低東南高，見圖3b，氣溫最高的區(qū)域是吐魯番盆地和南疆的和田地區(qū)。新疆地區(qū)呈現(xiàn)一種“西北冷濕，東南暖干”的水、熱分布格局。

a) 降水

b) 氣溫

2.2 不同時間尺度SPEI指數(shù)變化特征

圖4分別給出了3、6和12個月3種時間尺度SPEI的時間變化序列。從圖中可以得出3種尺度的SPEI變化趨勢保持一致，但曲線變化頻率、振幅、位相存在差異。從變化頻率上看， SPEI-3波動最頻繁，SPEI-6次之，SPEI-12最小，說明時間尺度越小，SPEI波動越頻繁，也越能指示出干濕度的變化。由于這3種尺度的SPEI能分別指示氣象干旱、生態(tài)干旱和水文干旱[47]，從1961—1915年，3種尺度的SPEI值絕大部分在-1～1之間變化，說明新疆地區(qū)干濕變化大部分時間處于正常變化范圍內(nèi)。3個月時間尺度的輕度干旱以上事件共有33個，其中輕度干旱事件26個，中等干旱事件7個；6個月時間尺度的輕度干旱以上事件共有36個，其中輕度干旱事件29個，中等干旱事件7個；12個月時間尺度的輕度干旱以上事件共有36個，其中輕度干旱事件21個，中等干旱事件15個；3種時間尺度均沒有極端干旱事件。3個月時間尺度的連續(xù)3～4個月的干旱事件有6個，分別出現(xiàn)在1974年4—7月、1997年4—6月、1997年9—12月、2006年9—12月、2007年4—6月及2008年5—8月； 6個月時間尺度的連續(xù)6—10個月的干旱事件有3個，分別出現(xiàn)在1997年4月至1998年2月、2006年10月至2007年6月及2008年5—11月；12個月時間尺度的連續(xù)12個月干旱事件有1個，出現(xiàn)在2008年6月至2009年5月，時間尺度越長，干旱事件持續(xù)時間也越長。這也說明3個月尺度的SPEI值能反映出年內(nèi)或季節(jié)的干濕變化，而12個月尺度的SPEI可以反映出年或代際的干濕變化。

從這3種時間尺度SPEI值能同時看出新疆地區(qū)在1988、1993年是濕潤年，而1997、2007、2008年是干旱年，這與文獻(xiàn)及氣象報道[49-50]一致，這說明SPEI指數(shù)在新疆地區(qū)能客觀指示出干旱事件。Yao J Q[36]研究指出新疆地區(qū)氣候在1997年發(fā)生了突變，指出1997—2015年新疆地區(qū)出現(xiàn)變干的趨勢，在圖4中3種尺度SPEI值在1961—1996年期間擬合直線斜率均為正值，指示SPEI值有增大的趨勢；在1997—2015年期間擬合直線斜率均為負(fù)值,指示SPEI值均變小的趨勢，暗示著新疆地區(qū)在1961—1996年期間氣候變濕的趨勢，其中1997年是由干向濕轉(zhuǎn)變，這與姜大膀[51]和Yao J Q[36]研究結(jié)果基本一致, 尤其1987—1996年，長時間表現(xiàn)為濕潤，這也同慈暉[52]的研究結(jié)果相符。在1997—2015年氣候有變干的趨勢，從代際上來說，6個月尺度和12個月尺度的SPEI都指示出2001—2010年是最干的10 a。

為了進(jìn)一步分析新疆地區(qū)SPEI值代際的空間變化，對12個月尺度的各單站點SPEI進(jìn)行代際平均并在ArcGIS對其反距離權(quán)重插值法得到圖5。

a) 3個月

b) 6個月

c) 12個月

從圖中可以看出，12個月尺度的SPEI值在空間上，都在一個正常范圍內(nèi)變化，即新疆區(qū)域保持西北濕東南干的格局，局部干濕有差異。但從代際時間尺度上看，1981—1990年(圖5c)平均SPEI值為0.25，是新疆最濕潤的10 a，2001—2010年(圖5e)平均SPEI值為-0.36，是新疆最干的10 a。1961—2000年新疆具有明顯的變濕趨勢，2000年以后，新疆具有明顯的變干趨勢，且這種趨勢在2011—2015年表現(xiàn)更強(qiáng)。

a) 1961—1970年 b) 1971—1980年 c) 1981—1990年

d) 1991—2000年 e) 2001—2010年 f) 2011—2015年

2.3 干旱強(qiáng)度變化特征

圖6分別給出了3、6、12個月3種尺度干旱強(qiáng)度的時間變化序列。從圖中可以得出3種尺度的Sij變化趨勢保持一致，同干旱指數(shù)一樣，其曲線變化頻率、振幅、位相存在差異。從變化頻率上看，3個月尺度的干旱強(qiáng)度波動最頻，6個月尺度次之，12個月尺度最小，3種尺度的干旱強(qiáng)度值變化范圍存在一定的差異。3個月尺度的干旱強(qiáng)度值在1.00～2.32范圍內(nèi)波動，平均值為1.40，屬于輕度干旱，出現(xiàn)了14次極端干旱；6個月尺度的干旱強(qiáng)度值在1.00～2.27范圍內(nèi)波動，平均值為1.41，也屬于輕度干旱，僅出現(xiàn)了4次極端干旱；12個月尺度的干旱強(qiáng)度值在1.00～2.26范圍內(nèi)波動，平均值為1.45，同樣屬于輕度干旱，只有8次極端干旱。這說明新疆地區(qū)的干旱強(qiáng)度是以輕度干旱為主，極端干旱主要出現(xiàn)在短時間尺度的氣候干旱事件上。在1997、2007年，新疆地區(qū)干旱強(qiáng)度達(dá)到中等、極端干旱，且歷時長，是新疆地區(qū)最嚴(yán)重的干旱年。同時，在1961—1996年3種尺度的干旱強(qiáng)度呈明顯變?nèi)醯内厔荩?997—2015年呈明顯變強(qiáng)的趨勢，這與3種尺度的SPEI指數(shù)變化趨勢一致。

a) 3個月

b) 6個月

c) 12個月

為了進(jìn)一步分析新疆地區(qū)干旱強(qiáng)度的空間分布，對單站點3種尺度的干旱強(qiáng)度在ArcGIS中進(jìn)行反距離權(quán)重插值法得到圖7。從圖中可以看出3種尺度的干旱強(qiáng)度在空間上整體是西北弱東南強(qiáng)，但各時間尺度上又有局部的差異。圖7a為3個月尺度的干旱強(qiáng)度，可以看出新疆地區(qū)的東南部的干旱強(qiáng)度要強(qiáng)于西北部；圖7b為6個月尺度的干旱強(qiáng)度，可以看出天山的西部，伊犁河谷干旱強(qiáng)度?。晃髂喜亢吞?，東南部分若羌等地區(qū)干旱強(qiáng)度則能達(dá)到1.6～1.7；圖7c為12個月尺度的干旱強(qiáng)度，其中新疆東南部的若羌—鐵干里克一帶干旱強(qiáng)度較大，最大強(qiáng)度達(dá)到了1.7～1.8。這些都說明在新疆地區(qū)氣候干旱、生態(tài)干旱和水文干旱事件，其干旱強(qiáng)度在空間并不完全一致。結(jié)合圖3降水和氣溫的空間分布可以看出，新疆地區(qū)強(qiáng)干旱中心集中分布在降水少氣溫高的“東南暖干”中心。

a) 3_S

b) 6_S

c) 12_S

2.4 干旱站次比和干旱頻次特征

圖8為根據(jù)12個月時間尺度SPEI指數(shù)統(tǒng)計出輕度干旱以上事件的站次比隨時間變化序列。從圖中可以看出從1961—2015年間有56個月出現(xiàn)了全域性的干旱事件，占整個時間段的8.6%，集中出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代后期及2000年以后；97個月出現(xiàn)區(qū)域性的干旱事件，占整個時間段的15%，主要發(fā)生在20世紀(jì)70年代后期至80年代前期及2000年以后；77個月出現(xiàn)了部分區(qū)域性干旱事件，占整個時間段的11.9%；96個月出現(xiàn)了局域性干旱事件，占整個時間段的14.8%；其他月份則為無明顯干旱發(fā)生。從1961—1996年期間站次比呈現(xiàn)下降趨勢，且以局域性干旱和區(qū)域性干旱為主，而從1997—2015年站次比呈明顯上升趨勢，以區(qū)域性和全域性干旱為主。這說明新疆地區(qū)發(fā)生干旱的范圍在1961—1996年減少，在1997年以后出現(xiàn)了明顯的擴(kuò)大趨勢，頻次也在加強(qiáng)。

圖8 12個月時間尺度干旱站次比時間變化序列

為進(jìn)一步分析各站點3種尺度的干旱事件頻率的空間分布特征，對其進(jìn)行反距離權(quán)重插值，得到圖9。從圖中可以看出新疆地區(qū)，3種時間尺度的干旱頻率出現(xiàn)東南高西北低的趨勢，但存在一定的差異。從干旱頻次的大小來看，3個月尺度的干旱頻次平均值為18.7%，最小為16.7%，最大為22.6%；6個月尺度的干旱頻次平均值為19.7%，最小為16.5%，最大為26.4%；12個月尺度的干旱頻次平均值為20.5%，最小為15.4%，最大為29.3%。這說明時間尺度越長，干旱頻次越高，波動也越大。從空間上來看，3個月尺度的干旱頻率(圖9a)呈現(xiàn)明顯的東高西低的趨勢，在七里井附近出現(xiàn)1個高值中心；6個月尺度的干旱頻率(圖9b)呈現(xiàn)明顯的東南高西北低的趨勢，同樣在七里井附近出現(xiàn)1個高值中心；12個月尺度的干旱頻率(圖9c)也呈現(xiàn)明顯的東南高西北低的趨勢，但在七里井和且末附近出現(xiàn)2個高值中心，3個尺度中，新疆北部的阿爾泰地區(qū)干旱頻率都是處于低值區(qū)。這說明在新疆阿爾泰地區(qū)是干旱的少發(fā)區(qū)。同時，在圖9中還可以看出，時間尺度越長，干旱發(fā)生早空間上差異也就越大。

a) SPEI-3

b) SPEI-6

c) SPEI-12

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文利用3種時間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)和反距離插值法，分析了近55 a新疆地區(qū)的干旱變化特征，研究結(jié)果表明如下。

a) 近55 a降水和氣溫整體呈波動上升趨勢，近15 a來氣溫在高位波動，而降水呈波動下降趨勢，引起區(qū)域干濕格局變化。新疆地區(qū)干旱主要是以輕度干旱和中等干旱事件為主，在1961—1996年期間有氣候變濕的趨勢，在1997—2015年氣候有變干的趨勢，新疆區(qū)域保持西北濕東南干的格局，局部干濕有差異。

b) 新疆地區(qū)的干旱強(qiáng)度是以輕度干旱為主，極端干旱主要出現(xiàn)在短時間尺度的氣候干旱事件上。1961—1996年間3種尺度的干旱強(qiáng)度呈明顯變?nèi)醯内厔荩?997—2015年呈明顯變強(qiáng)的趨勢。3種尺度的干旱強(qiáng)度在空間上存在明顯的差異，整體是呈西北弱東南強(qiáng)的趨勢。

c) 自1961—1996年在新疆地區(qū)發(fā)生干旱的范圍減少，且以局域性干旱和區(qū)域性干旱為主；在1997年以后出現(xiàn)了明顯的擴(kuò)大趨勢，以區(qū)域性和全域性干旱為主，同時干旱事件的頻次在加強(qiáng)，東南部是干旱事件的高發(fā)區(qū)。

3.2 討論

21世紀(jì)初施雅風(fēng)[37]提出了中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的觀點，得到各方的證實。研究同樣指出，新疆總的干旱氣候格局將不會有多大改變，在氣溫增高的情況下，蒸散量上升，干旱次數(shù)將有增多的可能[53]，在2000年后極端干旱面積率有增加的趨勢[41]，尤其在新疆北部和天山等地，自然氣候演變預(yù)示可能進(jìn)入一個多年代降水偏枯時期，致使未來特定區(qū)域和時段的合成降水量變化情景趨于復(fù)雜化[54]。慈暉[52]對多種氣象干旱指數(shù)在新疆應(yīng)用進(jìn)行了評價，研究表明SPEI綜合考慮了氣溫以及降水對“干”“濕”的共同作用，對新疆干濕監(jiān)測與實際災(zāi)情較為相符；并進(jìn)一步研究得出近50 a來，新疆年干旱主要以20世紀(jì)70—80年代初期區(qū)域性干旱及60—70、90年代及21世紀(jì)初期局域性干旱為主；Yao J Q(2018)[25,36]采用多源數(shù)據(jù)，從土壤濕度、河流徑流量及植被指數(shù)等多個角度研究證實了從1997年后新疆地區(qū)由暖濕向暖干轉(zhuǎn)變的實事。這些均與本研究結(jié)論相近。與這些研究相比，本研究主要采用的是3種時間尺度的SPEI指數(shù)，考慮了降水和溫度對干濕的共同作用，并結(jié)合ArcGIS空間分析，探討新疆地區(qū)3種時間尺度下干濕演變特征。要注意的是新疆地區(qū)近15 a暖干變化是長期趨勢還是階段性特征，還需要進(jìn)一步驗證和研究。