李 瑋，陳曉俊，王文君，吳英杰，全 強，周泉成

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

全球氣候變化導(dǎo)致了自然生態(tài)系統(tǒng)中水熱環(huán)節(jié)的失衡，由此造成水分缺失進(jìn)而引發(fā)的干旱現(xiàn)象也愈發(fā)頻繁[1]。近幾十年來，隨著干旱強度、頻率、范圍及持續(xù)時間的不斷擴大，該現(xiàn)象也逐漸成為全球最為嚴(yán)重、對人類社會產(chǎn)生重大影響的水文氣象災(zāi)害之一[2]。據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計報道，全球氣象災(zāi)害約占自然災(zāi)害的70%，而干旱災(zāi)害又占?xì)庀鬄?zāi)害的50%。中國大部分地區(qū)受東亞季風(fēng)的影響，是受干旱災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家。據(jù)民政部統(tǒng)計，僅2017年全國受干旱災(zāi)害影響的農(nóng)作物耕地面積就超過了980×104hm2，其中75.24×104hm2絕收，直接造成經(jīng)濟(jì)損失375×108元。

隨著世界各地干旱形勢日趨嚴(yán)重，我國干旱的時空分布格局近年來也發(fā)生了顯著的變化[3]。為了揭示干旱的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，業(yè)內(nèi)學(xué)者就干旱特征做了大量的分析，而干旱指數(shù)的提出與應(yīng)用使相關(guān)研究有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。表征干旱的指數(shù)通常根據(jù)其影響因素類別分為單因子指數(shù)和多因子指數(shù)，其中，主要通過降水這一關(guān)鍵要素來描述干旱變化的指數(shù)通常稱為單因子指數(shù)，該類指數(shù)可以較為準(zhǔn)確地刻畫干旱時空特征，常用的單因子指數(shù)包括降水距平百分率(Pa)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)；多因子指標(biāo)主要從干旱形成機理的角度來描述干旱的發(fā)生過程，具有較好的物理機制，但該類指標(biāo)計算復(fù)雜且資料輸入具有不確定性，會在一定程度上降低指數(shù)的敏感性，常見指標(biāo)有帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等[4-6]。國內(nèi)外研究人員結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H旱情對各類指數(shù)的適用性進(jìn)行了檢驗分析[7]，其中，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為SPI的應(yīng)用消除了降水的時空差異，使干旱具有時空可比性[8]，同時指出該指標(biāo)具有參數(shù)容易獲取、計算特性穩(wěn)定以及對干旱響應(yīng)敏感等優(yōu)勢[9]。

位于干旱半干旱區(qū)的內(nèi)蒙古草原是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)最為脆弱的地區(qū)之一，其對氣候變化的響應(yīng)也最為敏感[10]。氣候變化使得該區(qū)域多旱少雨的形勢更為嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)、牧民的生產(chǎn)和生活，制約了地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。之前也有學(xué)者就該地區(qū)的干旱特征進(jìn)行過研究，但大多利用當(dāng)?shù)貧庀笳军c的降水監(jiān)測數(shù)據(jù)[11]，研究精度會受到氣象站點不足且分布不均的影響，因此，本研究嘗試以格點降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用SPI分析內(nèi)蒙古中部草原區(qū)——錫林郭勒盟在年、季尺度下干旱的時空分布特征，以期為牧區(qū)抗旱減災(zāi)和生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

選取錫林郭勒盟為研究區(qū)，該區(qū)域位于內(nèi)蒙古中部，地處東經(jīng)115°13′～117°06′、北緯43°02′～44°52′之間，總面積約20×104km2，其中草原面積占95%，是我國農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分。研究區(qū)屬于干旱半干旱大陸性氣候，且地勢高低起伏，降水空間分布差異較大。此外，研究區(qū)還經(jīng)常發(fā)生暴雨、干旱、霜凍、風(fēng)雪等自然災(zāi)害，其中尤以干旱為甚。2000年以后該地區(qū)發(fā)生連續(xù)的四季干旱，使當(dāng)?shù)卦馐芰藝?yán)重的損失。2000-2001年錫林郭勒盟旱情加劇，降水量和土壤水分達(dá)到歷史最低，致使牧草無法生長、牲畜大量死亡；2006年研究區(qū)遭受了大面積干旱，約有2×108hm2草場受災(zāi)，此次旱災(zāi)導(dǎo)致大量牲畜死亡，牧民經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失嚴(yán)重；2018年6月中旬，盟內(nèi)9個牧業(yè)旗的0.129×108hm2草場遭受旱災(zāi)，受災(zāi)牧民群眾達(dá)到12.6×104人，受災(zāi)牲畜651×104頭(只)。在此背景下，研究區(qū)草原退化嚴(yán)重，很多河流出現(xiàn)斷流等情況。

2.2 數(shù)據(jù)來源

由于研究區(qū)錫林郭勒盟具有長序列實測數(shù)據(jù)的氣象站點較少，不能全面覆蓋整個研究區(qū)，因此，本研究選用1962-2017年中國地面降水0.5°×0.5°降水格點數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱特征分布研究。該數(shù)據(jù)考慮了高程對降水空間分布的影響，由全國2 400多個國家氣象站實測降水?dāng)?shù)據(jù)插值而成，具有較高的精度[12]。同時，本研究選取SPI來描述研究區(qū)干旱的時空分布特征。研究區(qū)氣象站點和降水格點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)氣象站點和降水格點分布

2.3 研究方法

SPI是表征某時段降水量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)，該指標(biāo)可以較好地反映不同時空尺度上的干旱強度和持續(xù)時間。在SPI計算過程中，認(rèn)為序列內(nèi)降水量變化服從gamma(Γ)分布，通過正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理其降水Γ分布概率后，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分干旱等級[13]。計算公式[14]如下：

(1)

(2)

式中：α和β分別為形狀參數(shù)和尺度參數(shù)；Г(α)為gamma函數(shù)。

運用最大似然法估計α和β值：

(3)

(4)

(5)

式中：n為數(shù)據(jù)序列長度。

進(jìn)一步可以得出：

(6)

當(dāng)t=x/β時：

(7)

實際降水量可以為0，則累積概率可用方程式(8)表示。

H(x)=q+(1-q)G(x)

(8)

式中：q為降水量為0時的概率，即q=m/n，m為該序列中降水量為0的年份。

進(jìn)一步由方程式(9)～(12)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

當(dāng)0≤H(x)≤0.5時：

(9)

(10)

當(dāng)0.5

(11)

(12)

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

根據(jù)SPI指數(shù)的正態(tài)分布曲線及干旱等級標(biāo)準(zhǔn)[15]，干旱等級劃分如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)干旱等級

基于此，通過計算干旱頻率和干旱面積率來描述研究區(qū)的干旱特征。其中，干旱頻率為1962-2017年某格點達(dá)到某級別干旱的年數(shù)占總年數(shù)的比例；干旱面積率為1962-2017年達(dá)到某級別干旱的格點數(shù)與總格點數(shù)的比值，并將其影響范圍做如下劃分：0～10%為無明顯干旱；10%～25%為局域性干旱；25%～33%為部分區(qū)域性干旱；33%～50%為區(qū)域性干旱；50%～100%為全域性干旱[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年尺度干旱特征分析

通過計算1962-2017年研究區(qū)88個降水格點的SPI值，并進(jìn)一步識別其對應(yīng)程度的干旱事件，最終得出的不同時段各類干旱事件的頻次及其變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，各時段內(nèi)研究區(qū)發(fā)生輕旱的頻次最高，之后依次為中旱、重旱和特旱。1962-2017年研究區(qū)輕旱頻次有下降趨勢，其中20世紀(jì)80年代輕旱頻次最低，1991-2010年其頻次有所上升，而2010年之后，輕旱頻次又有大幅減少的趨勢。整個研究序列內(nèi)中旱頻次呈現(xiàn)上升趨勢，并在2001-2010年之間達(dá)到最高的133頻次，其次是2010年之后的69頻次。與此同時，重旱頻次也呈上升趨勢，且同樣在2001-2010年之間達(dá)到最高頻次。就特旱而言，其頻次也呈上升趨勢，但在1981-1990年間未檢測到特旱事件的發(fā)生，在此之后，特旱頻次大幅上升，并在2001-2010年間達(dá)到最高?？傮w而言，研究區(qū)輕旱頻次有所減少，但其余3類干旱事件的頻次均有增加趨勢，且各類干旱事件頻次均在2001-2010年間達(dá)到最高，由此可以判定，近年來研究區(qū)的干旱程度有所加劇。

圖2 1962-2017年研究區(qū)年尺度不同干旱事件頻次及變化趨勢

將各格點1962-2017年的SPI值進(jìn)行整體分析，刻畫出研究區(qū)不同干旱程度的空間分布如圖3所示。由圖3可知，研究區(qū)各地均發(fā)生過輕旱事件，其干旱率在3.58%～26.76%之間(圖3(a))，中部區(qū)域干旱率較低，而中南部以及南部區(qū)域輕旱發(fā)生率相對較高；同樣地，中旱事件也覆蓋了整個研究區(qū)，其干旱率為1.79%～16.06%(圖3(b))，中旱發(fā)生的高頻區(qū)與低頻區(qū)空間分布并不集中，中南部地區(qū)為中旱相對高發(fā)區(qū)；與中旱頻發(fā)區(qū)相似，中南部地區(qū)也是重旱高發(fā)區(qū)，其干旱率最高為12.50%，同時，中部以及東部地區(qū)也有重旱事件發(fā)生，但并不是整個區(qū)域都發(fā)生過重旱事件(圖3(c))；研究區(qū)特旱頻率最高為7.14%，主要集中在西部、中南部和東北部地區(qū)(圖3(d))，而北部地區(qū)則無特旱事件。從干旱整體空間分布來看，研究區(qū)發(fā)生輕旱、中旱、重旱以及特旱的頻率逐級下降，即各地區(qū)更易發(fā)生輕旱，發(fā)生特旱的區(qū)域相對較少。此外，研究區(qū)中北部發(fā)生各類干旱事件的頻率較低，而中南部地區(qū)為各類干旱事件的頻發(fā)區(qū)。

圖3 1962-2017年研究區(qū)年尺度不同干旱程度空間分布

3.2 季尺度干旱特征分析

基于SPI的季尺度不同干旱事件隨時間變化的趨勢如圖4所示。由圖4可知，春季特旱頻次呈上升趨勢，其余3類干旱的頻次均趨于下降。在1970年之前和1981-1990年間沒有特旱事件發(fā)生，而到了2010年之后，春季特旱達(dá)到了89頻次，超過了同期輕旱的頻次，除此之外，其余各時段輕旱頻次都為最高(圖4(a))；夏季各類干旱事件的頻次均呈上升趨勢，研究區(qū)2001-2010年間中旱頻次為最高的162頻次，然后依次為輕旱、特旱以及重旱，且該時段各類干旱事件的頻次均高于其余時段相應(yīng)類型干旱的頻次，由此可知，研究區(qū)在2001-2010年夏季受到干旱影響最為嚴(yán)重(圖4(b))；秋季除中旱趨勢呈下降外，其余3類干旱均呈微弱的上升趨勢，且各時段各類干旱事件的頻次大小依次為輕旱、中旱、重旱和特旱(圖4(c))；研究區(qū)冬季特旱頻次呈微弱的上升趨勢，其余類型干旱頻次表現(xiàn)為下降趨勢。其中，在20世紀(jì)70年代中旱頻次為最高的159頻次，而在2001-2010年間，重旱為76頻次，超過了同期中旱的頻次(圖4(d))。通過比較各類干旱事件在不同季節(jié)的頻次可知，研究區(qū)輕旱多發(fā)生于秋季，該季節(jié)輕旱事件平均為136頻次；中旱和重旱事件則多發(fā)生于冬季，平均分別為84頻次和43頻次；而特旱事件常在夏季發(fā)生，平均為27頻次。

圖4 1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱事件頻次及變化趨勢

1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱程度空間分布見圖5，根據(jù)圖5就不同季節(jié)的干旱空間分布進(jìn)行分析。

春季輕旱多發(fā)生于研究區(qū)中部和西部，其中西部地區(qū)干旱率最高，為28.57%，而東北部地區(qū)春季發(fā)生輕旱的概率相對較低(圖5(a))。春季發(fā)生中旱事件的概率在3.57%～17.86%之間，且多發(fā)生于中部及西南部地區(qū)(圖5(b))。春季重旱則多發(fā)生于研究區(qū)南部，而西部等局部地區(qū)并沒有重旱事件的發(fā)生(圖5(c))。春季特旱事件覆蓋了整個研究區(qū)，但其干旱率較低，尤其在中西部區(qū)域，干旱率僅為1.79%，而東北部特旱發(fā)生率相對較高，為7.14%(圖5(d))。研究區(qū)各地在夏季均有輕旱和中旱事件發(fā)生，只是其空間分布有所差異，其中輕旱主要分布于北部及東北部，其發(fā)生率最高為23.20%，而中旱則主要集中在研究區(qū)中部，頻率最高為16.06%，低頻區(qū)的干旱率為1.80%(圖5(e)、5(f))。與上述情形不同，重旱和特旱均只發(fā)生于局部區(qū)域，其中重旱常發(fā)生于研究區(qū)西部及南部地區(qū)，而特旱則主要分布在中部及東北部，其最大干旱率分別為10.71%與7.14%(圖5(g)、5(h))。研究區(qū)秋季輕旱頻率在3.61%～28.55%之間，其頻發(fā)區(qū)位于研究區(qū)中部及南部(圖5(i))，與輕旱的空間分布相似，中旱的高頻區(qū)也在研究區(qū)中部及南部，但其干旱率有所下降，在3.57%～17.86%之間(圖5(j))。此外，秋季重旱與特旱均未覆蓋整個研究區(qū)(圖5(k)、5(l))，其中，特旱事件的空間分布相對集中，其高頻區(qū)位于研究區(qū)北部及西北部。研究區(qū)冬季也常發(fā)生干旱，且中旱與重旱的干旱率在四季內(nèi)均為最高，分別分布在研究區(qū)東北部和南部地區(qū)，而冬季特旱主要集中在研究區(qū)中部，其干旱率最高為5.36%(圖5(m)～5(p))。

圖5 1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱程度空間分布

1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱程度事件站次比隨時間的變化如圖6所示。由圖6(a)可知，局域性輕旱在研究序列各季節(jié)均較為常見，且于1984年春季發(fā)生了全域性輕旱。夏季不僅有19 a發(fā)生過局域性輕旱，而且還出現(xiàn)了4 a部分區(qū)域性輕旱及3 a區(qū)域性輕旱，此外，在2017年夏季還出現(xiàn)了全域性輕旱。秋季和冬季局域性輕旱幾乎貫穿整個研究期，冬季在1982年發(fā)生全域性輕旱。

總體來看，各季在20世紀(jì)90年代均較為集中地出現(xiàn)了大范圍輕旱；就中旱而言(圖6(b))，夏冬兩季分別在2001和1974年發(fā)生過全域性中旱，同時，夏季還在1972和1997年發(fā)生過區(qū)域性中旱，而春、秋、冬三季分別有5、3和4 a出現(xiàn)區(qū)域性中旱，除此之外，研究區(qū)冬季還曾在70年代中期到80年代中期發(fā)生過4次部分區(qū)域性中旱。整個研究期內(nèi)，夏、冬兩季均有10 a發(fā)生了局域性中旱，且多數(shù)發(fā)生在2000年以后；由圖6(c)可以看出，研究區(qū)各季在1993年之后出現(xiàn)了大范圍重旱事件，但并未發(fā)生過全域性重旱，只有1986年春季和1989、2011年夏季發(fā)生了區(qū)域性重旱；由圖6(d)可知，夏季有7 a發(fā)生了特旱事件，其中在2010年發(fā)生了全域性特旱，1980年發(fā)生部分區(qū)域性特旱，2005、2007、2009、2014及2016年發(fā)生局域性特旱，僅冬季在2002年發(fā)生過區(qū)域性特旱，而春季在1974和1994年發(fā)生了局域性特旱，在2017年發(fā)生了全域性特旱。

4 討 論

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古高原，為大興安嶺和陰山山脈所包圍，暖濕氣流難以入境，從而形成蒸發(fā)強烈、降水不足的氣候特征[17]。1962-2017年研究區(qū)的干旱類型主要為輕旱和中旱，其程度有加劇的趨勢，這與大多數(shù)學(xué)者的研究成果一致[11]，但在局部地區(qū)存在偏差，這可能與所選氣象數(shù)據(jù)有關(guān)，傳統(tǒng)干旱研究是基于降水站點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而本研究則是基于降水格點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在一定程度上克服了傳統(tǒng)站點數(shù)據(jù)以點概面的缺陷，提高了檢驗精度。

有研究表明，近幾十年來高緯度環(huán)流異常導(dǎo)致氣壓升高以及東亞季風(fēng)減弱使得水汽向北輸送減少，這是我國北方干旱嚴(yán)重的主要原因之一[18]。尤其是近30年來，錫林郭勒盟夏季降水量減少趨勢顯著，導(dǎo)致研究區(qū)在該時間段干旱程度加劇[19]，這一現(xiàn)象與本研究結(jié)果一致。而由于東亞季風(fēng)發(fā)生了由弱到強的年代變化，才使得近年來研究區(qū)各季干旱略有緩解[20]。此外，人類對流域下墊面改造引起的土地利用與覆被變化作為重要的輻射強迫也會對氣候變化產(chǎn)生重要影響，因此，研究區(qū)干旱的空間分布差異也與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)措施的實施有一定關(guān)系，在以后的研究中應(yīng)進(jìn)一步考慮相關(guān)因素。文中所選標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)僅包含了降水這一因子，而導(dǎo)致干旱的因素錯綜復(fù)雜，所以，進(jìn)一步綜合考慮各項水文氣象要素來明晰干旱的演變進(jìn)而對其進(jìn)行預(yù)測預(yù)警將是以后研究的重點。

5 結(jié) 論

本文基于降水格點數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)分析了錫林郭勒盟近1962-2017年不同時間尺度干旱的時空分布，研究結(jié)果較好地反映了研究區(qū)的干旱演變，主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)發(fā)生輕旱、中旱、重旱以及特旱的頻率在逐級下降，其中，中、南部地區(qū)為各類干旱事件的頻發(fā)區(qū)。1962-2017年研究區(qū)輕旱頻次有所降低，而中旱、重旱以及特旱的頻次均有所增加，由此可知，研究區(qū)的干旱程度有所加劇。

(2)研究區(qū)輕旱多發(fā)生于秋季，且主要分布于研究區(qū)中部及南部，中旱和重旱則多發(fā)生于冬季，分別集中在研究區(qū)東北部和南部，而特旱事件常在夏季發(fā)生，其高頻區(qū)位于研究區(qū)西部。此外，夏季不同程度干旱事件的頻次均呈上升趨勢，并在2001-2010年間受到干旱影響最為嚴(yán)重。

(3)研究區(qū)20世紀(jì)90年代各季均出現(xiàn)了大范圍輕旱，其中春、夏、冬三季分別于1984、2017和1982年發(fā)生全域性輕旱。夏、冬兩季還分別在2001和1974年發(fā)生過全域性中旱，而這兩季的局域性中旱主要發(fā)生在2000年以后。研究區(qū)各季節(jié)在1993年之后較為集中地發(fā)生了大范圍重旱事件，并于2010年夏季和2017年春季出現(xiàn)了全域性特旱。