滕懷頤馮克鵬

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750001；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

干旱是普遍發(fā)生在全世界的一種氣象災(zāi)害，是指由于水分收支或供求關(guān)系不平衡，從而形成的水分短缺現(xiàn)象[1]。我國季風(fēng)氣候明顯，逐年間季風(fēng)的不穩(wěn)定性和境內(nèi)由于地形、山脈等因素造成的水熱分布不均勻，導(dǎo)致我國干旱頻繁發(fā)生[2]。IPCC在《第三次評估報告》中指出，20世紀(jì)末期以來，全球氣溫普遍升高，且北半球變化更為明顯，氣溫升高導(dǎo)致了地表蒸散量加強，并且降水呈現(xiàn)出很強的地域性,從而使干旱趨勢進一步加強[3]。中國西北地區(qū)地處歐亞內(nèi)陸，同時受西風(fēng)帶、高原季風(fēng)氣候和東亞季風(fēng)氣候的共同影響，屬北半球中緯度干旱半干旱區(qū)，對全球氣候變化的響應(yīng)十分敏感[4]。西北地區(qū)干旱、半干旱區(qū)面積占全國總面積的30%，生態(tài)環(huán)境脆弱、氣候環(huán)境變化劇烈[5]，若西北地區(qū)干旱災(zāi)害進一步增強，將會影響該區(qū)作物的分布、產(chǎn)量以及生長發(fā)育，影響該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，同時會進一步導(dǎo)致該區(qū)植被退化、加劇土地荒漠化進程、生態(tài)環(huán)境進一步惡化，進而影響西北地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展?；谌蜃兣谋尘皸l件下，深入研究西北地區(qū)干旱的演變特征，為及時制定改善生態(tài)環(huán)境狀況的決策、調(diào)整區(qū)域農(nóng)業(yè)種植制度和促進西北經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展都有著十分重要的意義[6]。

由于干旱復(fù)雜性和對社會影響的廣泛性,干旱指標(biāo)都是建立在特定的地域和時間范圍內(nèi)，有其相應(yīng)的時空尺度[7]。許多學(xué)者從氣候成因、干旱指標(biāo)、監(jiān)測預(yù)測、數(shù)值模擬、災(zāi)害評估等方面對西北干旱進行了深入的研究。在干旱時空規(guī)律方面，也有很多學(xué)者對其開展了相應(yīng)的研究[8-12]，任余龍[13]等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)計算了相同時期西北5省的干旱頻率和面積率，對不同時段、不同級別的干旱時空分布特征進行了研究；楊建玲[14]等采用綜合干旱指數(shù)(CI)分析了西北地區(qū)東部1961—2009年不同級別干旱日數(shù)的季節(jié)時空變化特征，結(jié)果表明，西北地區(qū)東部春、夏、秋季干旱呈加劇趨勢，冬季干旱呈減輕趨勢；任培貴[15]等人利用1959—2011年西北地區(qū)的降水和氣溫數(shù)據(jù)，計算了該區(qū)1959—2011年的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)在過去的52a間呈變干趨勢，并通過與《西北干旱監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)集》對比，發(fā)現(xiàn)SPEI指數(shù)在表征西北地區(qū)干旱災(zāi)害方面具有較好的適用性。

然而在以上關(guān)于整個西北地區(qū)的研究中，所選擇的干旱指標(biāo)或僅考慮了降水因素，或在考慮氣溫和蒸散發(fā)因素時，或又僅限于分析西北地區(qū)的某一區(qū)域，綜上所述，本文選取整個西北區(qū)域(陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆和內(nèi)蒙古西部)作為研究對區(qū)域，選取Vicente-Serrano等研究的兼具標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和Palmer干旱指數(shù)優(yōu)點的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[16,17]，收集研究區(qū)域145個國家級氣象站點的逐月降水和氣溫數(shù)據(jù)，計算了不同時間尺度的(1個月、3個月、6個月、12個月、24個月)SPEI值，分析了西北地區(qū)年際、年代際和季節(jié)干旱發(fā)生的時空分布特征，明晰了西北地區(qū)干旱演變規(guī)律，從而為該地區(qū)合理利用水資源、預(yù)防農(nóng)業(yè)干旱，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國西北地區(qū)(E73°25′～110°55′，N31°35′～49°15′)包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆以及內(nèi)蒙古的西部，面積約占國土總面積的35%。該區(qū)大部屬中溫帶和暖溫帶，由于深居內(nèi)陸，加上地形對濕潤氣流的阻擋，該區(qū)僅東南部為溫帶季風(fēng)氣候,其它區(qū)域為溫帶大陸性氣候，冬季嚴(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]。由于本區(qū)域的氣溫和降水受地形和氣候類型復(fù)雜性的影響，使年均氣溫和降水從東南向西北呈逐漸減少趨勢[19]，最終使本地區(qū)成為一個多氣候并存的區(qū)域，大部屬中溫帶和暖溫帶大陸性氣候，局部屬于高寒氣候，從東到西自然景觀按照大類可分為黃土高原、戈壁沙灘、荒漠草原、戈壁荒漠。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)所提供的1960—2017年西北地區(qū)153個國家級標(biāo)準(zhǔn)氣象站點逐日常規(guī)觀測資料，包括逐日降水和逐日氣溫等資料。在對資料進行處理時，首先對西北地區(qū)氣象觀測站點的數(shù)據(jù)連續(xù)性進行校驗，將累計缺測時間超過1a的氣象站點予以剔除，然后對剩余的站點異常數(shù)據(jù)或缺測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)訂正和插補，插補時采用多年線性法和鄰近站點同年數(shù)據(jù)進行插補，最終選取153個站點中的145個數(shù)據(jù)連續(xù)完整的臺站建立了1960—2017年連續(xù)時間序列氣象數(shù)據(jù)集，臺站分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)

Vicente-Serrano[20]提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，其計算過程如下。

計算潛在蒸散量：

(1)

式中，T為月平均氣溫，℃；I為年熱指數(shù)，其計算公式為12個月指數(shù)值的總和；m為系數(shù)，取決于I，m=6.75×10I3-7-7.71×10-5I2+1.79×10-2I+0.492；K為緯度和月份函數(shù)的校正系數(shù)。

計算不同時間尺度上月降水量和的差值，計算公式：

Di=Pi-PETi

(2)

(3)

式中，Di,j為第j年第i月P和PET之差，mm。

利用log-logistic概率分布標(biāo)準(zhǔn)化D序列，從而獲得SPEI指數(shù)序列。概率密度函數(shù)：

(4)

式中，α、β和y分別是尺度、形狀和位置參數(shù)。

D序列的概率分布函數(shù)由下式算出：

(5)

由F(x)的標(biāo)準(zhǔn)化值可以計算得出SPEI值：

(6)

表1 SPEI指數(shù)干旱等級劃分

1.3.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall[23]檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，亦稱無分布檢驗,其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便，可以用來檢驗長時間序列的變化趨勢，明確突變開始的時間，定量反映變化趨勢的顯著性[24]。本文中檢驗給定的水平為α=0.05。

1.3.3 小波周期分析法

小波分析[25]是在傅立葉(Fourier)變換的基礎(chǔ)上引入的窗口函數(shù)，對于獲取一個復(fù)雜時間序列的調(diào)整規(guī)律，診斷出氣候變化的內(nèi)在層次結(jié)構(gòu)，分辨時間序列在不同尺度上的演變特征等十分有效[26]。小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵，其是指具有震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù)[27]。在水資源系統(tǒng)小波分析中，使用較多的是Morlet小波[28]、Mexican hat小波[29]和Haar小波[30]等。本文采用常用的Morlet小波函數(shù)對西北地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)時間序列進行連續(xù)小波變換，其小波函數(shù)形式：

φ(t)=eicte-t2/2

(7)

式中，c為常數(shù)，取6.2；i表示虛數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 西北地區(qū)干旱時間變化

2.1.1 西北地區(qū)干旱年際變化

不同時間尺度下西北地區(qū)SPEI值年際變化過程如圖2所示。在過去的57a間，西北地區(qū)均有旱澇災(zāi)害發(fā)生，在1995年之前，西北地區(qū)有逐漸濕潤的趨勢，干旱發(fā)生頻率較低，干旱強度小且持續(xù)時間較短，這與施雅風(fēng)[31]等人研究提出的西北地區(qū)氣候由19世紀(jì)末—20世紀(jì)70年代的暖干趨勢，并在20世紀(jì)80年代后期向暖濕化發(fā)展相一致，并且在1995年之前，西北地區(qū)SPEI值有略微的上升趨勢，而在1995年之后，西北地區(qū)SPEI值波動較大，整體呈現(xiàn)減小趨勢，本文發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)在1995年由濕潤趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊第厔荩珊祻姸茸兇笄页掷m(xù)時間較長，在時間尺度為12個月和24個月時，1997—2000年、2005—2007年西北地區(qū)發(fā)生較強連續(xù)干旱，而在1個月、3個月和6個月時間尺度下，干旱強度較小且持續(xù)時間較短。

圖2 不同時間尺度下西北地區(qū)SPEI值年際變化

2.1.2 西北地區(qū)干旱年代際變化

西北地區(qū)不同時間尺度下年代際干旱發(fā)生頻率見圖3。不同時間尺度下，1960—2017年，極旱、重旱以及中旱發(fā)生的頻率基本隨時間尺度變化而升高。其中，21世紀(jì)初的SPEI-24極旱發(fā)生頻率高達7.24%，重旱發(fā)生頻率高達13.57%，中旱發(fā)生頻率高達19.51%，說明在長時間尺度下，西北地區(qū)在21世紀(jì)初干旱強度最大。

圖3 不同時間尺度下西北地區(qū)年代際干旱發(fā)生頻率

2.2 西北地區(qū)干旱空間變化

2.2.1 西北地區(qū)干旱季節(jié)空間變化

已有研究表明，在干旱區(qū)(年均降水量<200mm)，只有12個月以上的大尺度SPEI適用性較好[32]?；诖?，以能較好識別西北地區(qū)干旱狀況的SPEI-12值為指標(biāo)，以3—5月、6—8月、9—11月和12月—次年2月分別代表春季、夏季、秋季和冬季，分析了西北地區(qū)季節(jié)干旱發(fā)生頻率空間分布，結(jié)果如圖4所示。春季極旱主要分布在新疆北部以及中西部、甘肅西部、內(nèi)蒙古西部以及寧夏中部，陜西省除北部有較大頻率發(fā)生春季極旱外，其余地區(qū)春季極旱發(fā)生概率較??；夏、秋兩季極旱發(fā)生頻率較高且主要集中在新疆大部分地區(qū)、甘肅中西部、青海北部以及內(nèi)蒙古西部，甘南和陜南夏、秋兩季極旱發(fā)生頻率較低；新疆冬季極旱發(fā)生頻率較夏秋兩季有所減緩，但減緩趨勢并不明顯，而陜西和寧夏冬季極旱發(fā)生頻率較高。西北地區(qū)春季重旱主要發(fā)生在新疆地區(qū)的噶順戈壁、塔里木盆地以及內(nèi)蒙古西部，夏、秋兩季重旱范圍有所減少，但寧夏、甘肅夏秋兩季重旱頻率增加，陜北冬季重旱頻率有明顯增加。西北地區(qū)四季中旱頻率均較高，春季中旱主要發(fā)生新疆中東部、新疆與青海交界處、陜西中部以及甘肅南部；新疆地區(qū)以及陜西中部地區(qū)夏季中旱會有所緩解，而寧夏地區(qū)夏季中旱發(fā)生頻率較高；秋季中旱會由新疆與青海交界處向青海腹地延伸，內(nèi)蒙古西部以及新疆中西部秋季中旱頻率有所增加，寧夏秋季中旱發(fā)生頻率較高，陜西秋季中旱發(fā)生頻率有所降低；新疆與青海交界處冬季中旱發(fā)生頻率仍較高，陜西南部、內(nèi)蒙古西部冬季中旱發(fā)生頻率較高。

圖4 西北地區(qū)SPEI-12干旱季節(jié)發(fā)生頻率空間分布

2.2.2 西北地區(qū)干旱年代際空間變化

以1個月時間尺度和更為準(zhǔn)確表征干旱區(qū)干旱狀況的12個月時間尺度[32]SPEI值為指標(biāo)，分析了西北地區(qū)干旱災(zāi)害在年代際條件下的空間分布和變化趨勢，如圖5所示。在表現(xiàn)短期干旱較好的1個月時間尺度下，20世紀(jì)60年代，西北地區(qū)干旱主要發(fā)生在新疆中西部、青海北部和南部以及甘肅與新疆接壤處；20世紀(jì)70年代，新疆以及青海大面積有干旱情況發(fā)生，陜西干旱也有所加強；20世紀(jì)80年代，青海干旱程度有所減弱，但內(nèi)蒙古中西部、寧夏北部和陜西北部干旱程度有所增強；20世紀(jì)90年代，全區(qū)干旱情況有所好轉(zhuǎn)，但青海與新疆接壤處干旱程度較為嚴(yán)重；21世紀(jì)初，新疆發(fā)生大范圍干旱，青海中西部干旱也有所增強，寧夏中部干旱化較為明顯；21世紀(jì)10年代，全區(qū)干旱情況有所好轉(zhuǎn)，干旱主要發(fā)生在新疆東部。在更為準(zhǔn)確表征干旱區(qū)干旱狀況的12個月時間尺度下，可以看出西北地區(qū)在不同年代際下均有極潤、極旱情況發(fā)生，但在20世紀(jì)80年代前，相比較于SPEI-1，西北地區(qū)干旱面積均有所下降，而在20世紀(jì)90年代后，西北地區(qū)干旱面積明顯增加且干旱程度也有所增強，尤其以新疆中部、內(nèi)蒙古西部以及寧夏中部最為明顯。

2.3 西北地區(qū)干旱周期波動特征

在干旱區(qū)(年均降水量<200mm)，只有12個月以上的大尺度SPEI適用性較好，因此，本節(jié)選取12個月時間尺度的SPEI值，對西北地區(qū)1960—2017年12個月時間尺度的SPEI值進行小波分析，小波系數(shù)實部等值線圖及其方差圖如圖6、7所示。由圖6可知，西北地區(qū)1960—2017年的SPEI指數(shù)包含不同尺度的周期變化，全區(qū)在年際以及年代際均可看到較為明顯的周期變化。在年際上存在著3～8a的周期的小尺度信號，在年代際上存在著12～15a和28～30a的大尺度信號。由圖7可知，SPEI指數(shù)小波實部方差圖中共有2個峰值，分別對應(yīng)時間尺度為7a和14a，說明這2個周期在西北地區(qū)過去57a的干旱變化中起了主要作用。其中，第1峰值為14a的時間尺度周期波動能量最強，并且存在SPEI指數(shù)正負(fù)循環(huán)交替變化，對西北地區(qū)干旱的影響最為強烈，14a的時間尺度為西北地區(qū)干旱變化的第1主周期；7a時間尺度則對應(yīng)著第2峰值，為第2主周期。上述2個周期的波動控制著西北地區(qū)整個時間域內(nèi)的干旱變化特征。

圖5 西北地區(qū)SPEI-1、SPEI-12不同年代際空間分布

圖6 西北地區(qū)1960—2017年SPEI小波系數(shù)實部等值線圖

圖7 西北地區(qū)年尺度SPEI小波系數(shù)實部方差圖

2.4 西北地區(qū)SPEI值突變檢驗

仍以SPEI-12為指標(biāo)進行西北地區(qū)平均SPEI-12值突變性檢驗，如圖8所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在顯著水平0.05的界限內(nèi)，UF和UB曲線相交于1995年，說明西北地區(qū)平均SPEI值在1995年開始發(fā)生突變；而UF曲線下降趨勢在2000年附近達到0.05顯著水平，說明在2000年后西北地區(qū)平均SPEI值下降趨勢明顯，表明西北地區(qū)在2000年后干旱化加重趨勢明顯。

圖8 西北地區(qū)SPEI-12突變檢驗

2.5 西北地區(qū)SPEI指數(shù)適用性檢驗

本文應(yīng)用了SPEI指數(shù)對西北地區(qū)過去57a的干旱特征及其時空演變進行了分析，但其在西北地區(qū)的適用性僅引用了他人文獻來確定。因此，有必要對SPEI對于西北地區(qū)的適用性進行研究分析，將理論分析與實際干旱情況相結(jié)合，以便更為準(zhǔn)確可靠反映本研究區(qū)域的實際干旱情況。本文選取4次西北地區(qū)歷史干旱事件，即1969年春夏西北東部旱災(zāi)，1982年內(nèi)蒙古、甘肅等地大旱災(zāi)，1991年夏季西北旱災(zāi)以及2000年春夏北方大旱災(zāi)；本文所研究的歷史旱災(zāi)情況均來自《中國氣象災(zāi)害大典·綜合卷》[33]，其對應(yīng)的SPEI-12值分布如圖9至圖12所示，通過與《中國氣象災(zāi)害大典·綜合卷》所記載的歷史干旱事件對比發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)的SPEI分布基本與其歷史干旱事件一致。由《中國氣象災(zāi)害大典·綜合卷》所記載，1969年5—8月，陜西、甘肅、寧夏及青海大部缺雨干旱，其中陜西旱情最為嚴(yán)重；1981年西北東部發(fā)生大旱災(zāi)，陜北、關(guān)中、商洛地區(qū)干旱少雨，甘肅自1980年夏—1981年春一直少雨，中部地區(qū)干旱程度為近50a來最為嚴(yán)重；1991年夏季西北大部分地區(qū)降水量較往年顯著偏少，尤其是雨季的7—8月，旱區(qū)波及陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆、內(nèi)蒙古等省區(qū)，其中甘肅、陜西以及寧夏旱情最為嚴(yán)重；2000年春夏北方發(fā)生大旱災(zāi)，其中內(nèi)蒙古西部及甘肅西部部分地區(qū)降水量僅有10～50mm?！吨袊鴼庀鬄?zāi)害大典-綜合卷》所記載的歷史干旱分布情況雖有部分地區(qū)與西北地區(qū)SPEI的分布存在一定的差異，但大部分地區(qū)基本與西北地區(qū)SPEI的分布一致，這說明SPEI指數(shù)在表征西北地區(qū)干旱狀況有較好的適用性。

圖9 西北地區(qū)1969年5—8月SPEI分布圖

圖10 西北地區(qū)1981年SPEI分布圖

圖11 西北地區(qū)1991年夏季SPEI分布圖

圖12 西北地區(qū)2000年春夏SPEI分布圖

3 結(jié)論

從時間來看，通過分析西北地區(qū)過去57a不同時間尺度的平均SPEI值，西北地區(qū)在過去的57a的平均SPEI值持續(xù)降低，但是在1960—1995年，西北地區(qū)不同時間尺度的年際平均SPEI值有輕微上漲的趨勢，在1995年后該指數(shù)發(fā)生突變，呈現(xiàn)出明顯下降趨勢，表明在1995年后，西北地區(qū)干旱化呈現(xiàn)出加重的趨勢。

從季節(jié)來看，以中旱為例，西北地區(qū)四季均有干旱發(fā)生，但在不同季節(jié)全區(qū)干旱演變差異性較大。其中，新疆大部分地區(qū)、青海西部以及陜西春旱情況嚴(yán)重；甘肅和內(nèi)蒙古四季干旱變化并不明顯，且甘肅夏旱較為突出，而內(nèi)蒙古秋旱較為突出；寧夏春旱主要集中在北部，夏旱、秋旱和冬旱覆蓋寧夏大部分地區(qū)。

從空間分布來看，以SPEI-12為指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)在過去的57a中旱澇災(zāi)害均有所發(fā)生，在1990s前，全區(qū)干旱化程度有所減弱，以新疆中部以及東部、青海中部為最明顯；而在1990s后，全區(qū)干旱化趨勢明顯，以新疆大部分區(qū)域、甘肅北部、內(nèi)蒙古西部以及寧夏中部為甚。

小波方差圖表明西北地區(qū)存在著2個主周期，分別為14a左右的第1主周期以及7a左右的第2主周期。

M-K突變檢驗顯示西北地區(qū)平均SPEI值在1995年開始發(fā)生突變，其中UF曲線下降趨勢在2000年附近達到0.05顯著水平，說明在2000年后西北地區(qū)平均SPEI值下降趨勢明顯，表明西北地區(qū)在2000年后干旱化加重趨勢明顯。

本文選取《中國氣象災(zāi)害大典·綜合卷》所記載的西北地區(qū)4次干旱事件，通過與同時間段的SPEI指數(shù)分布對比，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果基本一致，因此說明SPEI指數(shù)在表征西北地區(qū)干旱狀況有著較好的適用性。

本文的不足之處：本文將西北地區(qū)看作一個整體進行研究分析，但西北地區(qū)幅員遼闊，氣候變化劇烈，將其看作一個整體會導(dǎo)致局部區(qū)域失準(zhǔn)，在后期研究中或因考慮依靠氣候帶對西北地區(qū)進行分區(qū)從而進行研究。