陰曉偉，吳一平，趙文智，趙富波，孫彭成，宋燕妮，邱臨靜

（1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/臨澤內(nèi)陸河流域研究站，甘肅 蘭州 730000）

潛在蒸散量（Potential evapotranspiration，PET）能夠反映供水充分條件下的蒸發(fā)能力。由于難以觀測實(shí)際蒸散量，通常用潛在蒸散量反映缺水情況，因此潛在蒸散量是干旱監(jiān)測評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素[1]。氣候變化背景下，由于潛在蒸散量與氣候因子呈非線性關(guān)系，致使其變化復(fù)雜且不確定性較大[2]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)過去幾十年潛在蒸散量在某些區(qū)域呈下降趨勢[3-4]，這一現(xiàn)象被稱作“蒸發(fā)悖論”并引發(fā)廣泛關(guān)注；但也有研究指出近年來潛在蒸散量出現(xiàn)上升趨勢[5]。因此，解析潛在蒸散發(fā)的氣候驅(qū)動(dòng)因子，對揭示氣候變化的水文響應(yīng)機(jī)理尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量的研究，劉昌明等[6]對影響中國地表潛在蒸散發(fā)的氣象因子進(jìn)行了敏感性分析，其敏感程度由高到低排序?yàn)椋核麎海咀罡邭鉁兀咎栞椛洌撅L(fēng)速＞最低氣溫；Goyal[7]認(rèn)為印度干旱區(qū)潛在蒸散發(fā)對溫度和凈輻射極為敏感；Dinpashoh等[8]發(fā)現(xiàn)伊朗北部的潛在蒸散發(fā)主要受到風(fēng)速和相對濕度的影響；楊林山等[9]認(rèn)為洮河流域潛在蒸散發(fā)對凈輻射敏感性最高，氣溫和凈輻射的變化是該流域潛在蒸散量增加的主要原因。上述研究大都采用了局部敏感性方法，相比之下，全局敏感性方法可以支持分析潛在蒸散發(fā)與各氣象因子間的非線性關(guān)系以及不同因子之間的相關(guān)性[10]，因此近年來得到了廣泛重視。Guo等[11]采用全局敏感性方法評(píng)估了影響澳大利亞潛在蒸散發(fā)的氣候敏感因子，發(fā)現(xiàn)在干旱區(qū)域溫度和風(fēng)速敏感性較高，在濕潤區(qū)域溫度和相對濕度敏感性較高；Xu等[12]采用相同的方法分析了影響浙江省未來潛在蒸散發(fā)的氣候敏感因子，認(rèn)為2011—2040年該區(qū)域潛在蒸散量的變化主要由太陽輻射、相對濕度和日最低氣溫引起。

在氣候變化以及人類活動(dòng)影響逐漸加劇的背景下，極端氣候頻發(fā)，水文循環(huán)更加劇烈，因而區(qū)域性干旱越來越受到關(guān)注。干旱指數(shù)能夠量化干旱程度，在干旱實(shí)時(shí)監(jiān)測方面扮演著重要的角色[13]。Palmer[14]提出了以水量平衡原理為基礎(chǔ)的帕默爾干旱指數(shù)（Palmer drought severity index，PDSI）。為了使PDSI在空間上更具可比性，Wells等[15]建立了自校準(zhǔn)帕默爾干旱指數(shù)（Self-calibrating PDSI，scPDSI），該指數(shù)用動(dòng)態(tài)計(jì)算值代替了PDSI計(jì)算公式中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（持續(xù)時(shí)間因子、氣候特征系數(shù)和其他環(huán)境常數(shù)等）。已有相關(guān)研究表明[16]，scPDSI能夠更合理地監(jiān)測極端干旱事件。

中國西北旱區(qū)位于歐亞大陸的腹地，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，是世界上最干旱的地區(qū)之一，對氣候變化的響應(yīng)也極為敏感[17]。干旱缺水是困擾西北旱區(qū)發(fā)展的主要障礙之一，也是專家學(xué)者一直關(guān)注的熱點(diǎn)問題。鑒于此，本研究利用西北旱區(qū)163個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith公式、scPDSI干旱指數(shù)、Sobol全局敏感性方法以及非參數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，分析了西北旱區(qū)潛在蒸散發(fā)以及干旱的時(shí)空分布特征，并根據(jù)各氣候要素的敏感系數(shù)對潛在蒸散量的變化趨勢進(jìn)行了歸因分析。

1 研究區(qū)概況

西北旱區(qū)包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西以及內(nèi)蒙古等地。該地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，屬干旱半干旱氣候，年降水量僅約400 mm。地貌格局以山地和荒漠戈壁為主，綠洲面積較少（圖1），水資源的急劇緊張及其時(shí)空分布的高度異質(zhì)性導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱[17]，對氣候變化的響應(yīng)非常敏感。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situation of the study area

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 研究方法

（1）潛在蒸散發(fā)計(jì)算公式

本研究采用Penman-Monteith公式[18]對西北旱區(qū)的潛在蒸散量（PET）進(jìn)行估算：

式中：Δ——飽和水汽壓—溫度曲線斜率/（kPa·℃?1）；

Rn——凈輻射/（MJ·m?2·d?1）；

G——地表熱通量/（MJ·m?2·d?1）；T—平均溫度/℃；

γ—干濕計(jì)常數(shù)/（kPa·℃?1）；

u2—2 m處風(fēng)速/（m·s?1）；

es—飽和水汽壓/kPa；

ea—實(shí)際水汽壓/kPa。

（2）scPDSI干旱指數(shù)

PDSI通常表示某一地區(qū)在一段時(shí)間內(nèi)實(shí)際供水持續(xù)低于正常水平的干旱的嚴(yán)重程度，是水分虧缺量與持續(xù)時(shí)間的函數(shù)：

式中：Xi、Xi?1——第i月與第i?1月的PDSI指數(shù)；

Zi——第i月的水分異常指數(shù)；

q、p——持續(xù)因子。

式中：K′——?dú)夂蛱卣飨禂?shù)近似值；

K?——?dú)夂蛱卣飨禂?shù)；

式（2）中自變量的系數(shù)（q、p）固定，稱之為持續(xù)因子，分別是1/3和0.897，能夠反映PDSI受地表前期干濕狀況影響的程度，以及對當(dāng)月水分異常指數(shù)Zi的敏感性。

盡管PDSI的提出是基于水分平衡方程原理且其具有明確的物理意義，但其計(jì)算公式中包含了一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，這些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是基于美國半干旱區(qū)的氣象觀測數(shù)據(jù)得到，致使PDSI在美國半干旱區(qū)以外的氣候區(qū)的適用性有待驗(yàn)證。Wells等[15]提出了scPDSI干旱指數(shù)，該指數(shù)能夠基于每一個(gè)臺(tái)站的歷史觀測資料，對式（2）中的持續(xù)因子q、p以及式（4）中的氣候特征系數(shù)K?逐一修正，使其符合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，從而具有較好的空間可比性。其具體改進(jìn)方法見文獻(xiàn)[15]。scPDSI干旱等級(jí)分級(jí)見表1。

表1 scPDSI干旱等級(jí)Table 1 Classification of scPDSI

（3）Sobol全局敏感性分析

Sobol法是一種基于方差分配的全局敏感性分析方法[19]，該方法可以考慮到Penman-Monteith公式中各因子之間的非線性關(guān)系，能夠分析潛在蒸散發(fā)對氣象因子的獨(dú)立敏感性與總敏感性，優(yōu)于傳統(tǒng)的局部敏感性分析方法。其原理如下：

式中：X——模型總方差；

Xi——變量i貢獻(xiàn)的方差；

Xi,j——變量i與j相互作用貢獻(xiàn)的方差。

上述方差均由蒙特卡羅數(shù)值積分[20]近似得到，此外，根據(jù)Sobol法的定義，一階與全階敏感系數(shù)分別表示為：

式中：Si——變量i的一階敏感系數(shù)；

Si,j——變量i的二階敏感系數(shù)；

STi——變量i的總階敏感系數(shù)。

（4）非參數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)

非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)法是經(jīng)過世界氣象組織（WMO）推薦并被廣泛應(yīng)用的趨勢檢驗(yàn)方法，用于辨別某一自然過程處于自然波動(dòng)狀態(tài)還是具有一定的變化趨勢。該方法無需假定樣本的統(tǒng)計(jì)分布，可自動(dòng)排除少量異常值干擾，適用于順序變量和類型變量。其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S及檢驗(yàn)值Z計(jì)算公式如下：

式中：n——時(shí)間序列的長度；

Xj、Xi——第j年和第i年待檢驗(yàn)樣本的數(shù)值。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文的氣象數(shù)據(jù)來自中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（http://data.cma.cn），包括西北旱區(qū)內(nèi)163個(gè)氣象站，見圖1。主要?dú)夂蜃兞繛?964—2018年間的逐日降水、相對濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫和最低氣溫。此外，scPDSI需要輸入的土壤有效含水量（Available Water Capacity，AWC）數(shù)據(jù)由Dai等[21]制作的中國土壤水文數(shù)據(jù)集中的田間持水量和凋萎系數(shù)計(jì)算而來。

3 結(jié)果與分析

3.1 潛在蒸散發(fā)的時(shí)空變化特征

3.1.1 潛在蒸散量空間分布

1964—2018年，西北旱區(qū)潛在蒸散量在660.8～2 080.0 mm/a之間，年均值約為1 157.8 mm/a。從空間看（圖2），西北旱區(qū)潛在蒸散量具有明顯的空間分布差異，其高值區(qū)域位于新疆東部與內(nèi)蒙古西部，年均潛在蒸散量大于1 350.0 mm/a，并呈現(xiàn)出由該區(qū)域向周邊區(qū)域遞減的趨勢。風(fēng)速是影響潛在蒸散發(fā)的重要因素，由于西風(fēng)帶氣候區(qū)影響，該區(qū)潛在蒸散量明顯較高。低值區(qū)域位于青海南部，年均潛在蒸散量小于900.0 mm/a；整體而言，大部分區(qū)域的潛在蒸散量在900.0～1 500.0 mm/a之間。

圖2 1964—2018年西北旱區(qū)潛在蒸散量空間分布Fig.2 Spatial distribution of PET in the arid and semi-arid areas of northwest China from 1964 to 2018

3.1.2 潛在蒸散量時(shí)間變化趨勢

1964—2018年，西北旱區(qū)潛在蒸散量年際變化趨勢呈現(xiàn)不顯著（P=0.7）的上升趨勢，范圍在1 020～1 160 mm之間（圖3）。1993年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其潛在蒸散量在前后兩個(gè)時(shí)間段分別呈現(xiàn)出顯著（P=0.001 7）的下降與顯著（P=0.005 8）的上升趨勢，下降與上升的速率分別為?2.29，1.94 mm/a。

圖3 1964—2018年西北旱區(qū)潛在蒸散量變化趨勢Fig.3 The trend of PET in the arid and semi-arid areas of northwest China from 1964 to 2018

為了進(jìn)一步分析潛在蒸散量時(shí)間變化趨勢在空間上的分布狀況，對1993年轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)間段各氣象站點(diǎn)的年際潛在蒸散量進(jìn)行了Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)的Z值，并以α=0.05的置信水平將其分為顯著增加、顯著減少、不顯著增加和不顯著減少4類（圖4），1964—1993年共計(jì)126個(gè)站點(diǎn)潛在蒸散量呈現(xiàn)下降趨勢，其中下降趨勢顯著的站點(diǎn)主要分布在新疆、甘肅以及陜西等地；1994—2018年，共計(jì)111個(gè)站點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢，其中上升趨勢顯著的站點(diǎn)主要分布在新疆以及甘肅。前后兩個(gè)時(shí)間段下降與上升趨勢均顯著的站點(diǎn)共計(jì)35個(gè)，分布在新疆中部以及甘肅西北部。

圖4 西北旱區(qū)氣象站點(diǎn)潛在蒸散量的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)空間分布Fig.4 Spatial distribution of PET in the arid and semi-arid areas of northwest China by the Mann-Kendall trend test

3.2 潛在蒸散發(fā)的氣候敏感性

3.2.1 敏感系數(shù)的空間分布

西北旱區(qū)潛在蒸散發(fā)對各氣候因子敏感系數(shù)的空間分布如圖5所示。依據(jù)敏感性區(qū)間范圍（表2），西北旱區(qū)全境潛在蒸散發(fā)對溫差均不敏感。在空間上，各氣候因子的分布差異十分明顯，其中，潛在蒸散發(fā)對平均溫度與凈輻射的敏感性整體高出對風(fēng)速與相對濕度的敏感性一個(gè)量級(jí)。平均溫度的敏感系數(shù)波動(dòng)范圍為0.11～0.86，新疆北部、青海北部、甘肅西北部以及內(nèi)蒙古東北部的潛在蒸散發(fā)對其敏感性程度較高，見圖5（a）。凈輻射的敏感系數(shù)波動(dòng)范圍為0.09～0.64，敏感系數(shù)大致從西北向東南方向遞增，青海東部、甘肅南部的潛在蒸散發(fā)對其敏感程度較高，見圖5（b）。風(fēng)速的敏感系數(shù)波動(dòng)范圍為0.02～0.13，其緯向分布趨勢顯著，由南向北敏感系數(shù)逐漸增大，高值區(qū)域主要分布在新疆東南部，見圖5（c）。相對濕度的敏感系數(shù)波動(dòng)范圍為0.03～0.13，高值區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古東北部、新疆北部、青海西部以及黃河流域中部，見圖5（d）。

圖5 氣候因子敏感系數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution of sensitivity coefficients of climatic factors

表2 敏感區(qū)間范圍[22]Table 2 Ranges of sensitivity coefficients[22]

3.2.2 敏感系數(shù)的年內(nèi)變化

西北旱區(qū)潛在蒸散發(fā)對各氣候因子的敏感系數(shù)的年內(nèi)變化如圖6所示。除溫差外，其余氣候因子均表現(xiàn)為敏感或很敏感。其中，平均溫度與凈輻射年內(nèi)起伏較大，相對濕度與風(fēng)速年內(nèi)起伏較小且變化規(guī)律較為一致，4種氣候因子的敏感系數(shù)均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。平均溫度呈現(xiàn)春冬高、夏秋低的“單谷型”現(xiàn)象，表明潛在蒸散發(fā)對春冬季平均溫度比夏秋季更敏感，反映了水熱條件對潛在蒸散發(fā)的季節(jié)性影響；凈輻射呈現(xiàn)夏季高、秋冬春較低的“單峰型”現(xiàn)象，表明潛在蒸散發(fā)對夏季凈輻射最為敏感，可能與該區(qū)域夏季白晝時(shí)間較長有關(guān)；相對濕度與風(fēng)速在秋冬季的敏感系數(shù)均明顯高于其他季節(jié)，其中，相對濕度的高敏感性反映西北旱區(qū)秋冬季大氣水分含量波動(dòng)較大，風(fēng)速的高敏感性與該區(qū)域冬季風(fēng)盛行的氣候特征相對應(yīng)。

圖6 氣候因子敏感系數(shù)年內(nèi)變化Fig.6 Monthly variation of sensitivity coefficients of climate factors

3.3 干旱的時(shí)空變化特征

西北旱區(qū)1964—2018年scPDSI和不同等級(jí)的干旱站次比例見圖7。結(jié)果表明，西北旱區(qū)scPDSI呈現(xiàn)顯著（P＜0.000 1）的上升趨勢，其中，1970—1982年與1997—2002年分別為明顯的氣候干旱期，其余時(shí)期特別是2002年之后干旱程度均有所緩和。三種干旱等級(jí)的干旱站次比變化具有一致性，隨著scPDSI的上升而減小，通過對其時(shí)間變化的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)（表3）發(fā)現(xiàn)，中旱以及重旱站次比呈現(xiàn)顯著減小的趨勢。這表明，1964—2018年西北旱區(qū)的干旱災(zāi)害以及干旱的影響范圍有明顯減少的趨勢，整個(gè)區(qū)域普遍變得更加濕潤。

圖7 1964—2018年西北旱區(qū)scPDSI及不同等級(jí)干旱站次比變化趨勢Fig.7 Trend of scPDSI and the proportion of stations with different levels of drought in the arid and semi-arid areas of northwest China from 1964 to 2018

表3 不同等級(jí)干旱站次比Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)Table 3 The Mann-Kendall trend test on the proportion of stations with different levels of drought

從西北旱區(qū)scPDSI的空間分布來看（圖8），1964—1982年新疆以及甘肅等區(qū)域干旱程度較為嚴(yán)重；1992—2009年，干旱則主要發(fā)生在黃河流域；2010年后，整個(gè)研究區(qū)普遍較為濕潤?？傮w看，過去55年研究區(qū)內(nèi)易旱區(qū)域的重心逐漸由西北部轉(zhuǎn)移至東南部。此外，20世紀(jì)80年代后，疏勒河流域北部（甘肅北部）連同黑河流域北部（內(nèi)蒙古西部）形成了一條明顯的干旱化帶狀區(qū)域。

為了進(jìn)一步分析干旱的時(shí)間變化趨勢在空間上的分布狀況，本研究同樣對各氣象站點(diǎn)的年際scPDSI進(jìn)行了Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)（圖9）。其中，共計(jì)67個(gè)站點(diǎn)呈顯著增加的趨勢，主要分布在新疆北部、青海中部以及甘肅境內(nèi)，表明這些區(qū)域有變濕的趨勢。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[23]，該區(qū)域降水自20世紀(jì)80年代中期以來呈“突變型”升高現(xiàn)象，scPDSI的變化特征與其具有高度的一致性。共計(jì)20個(gè)站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著減少的趨勢，主要分布在黃河流域西南部，說明這些區(qū)域干旱程度有加劇的趨勢。

圖8 西北旱區(qū)1964—2018年scPDSI空間分布Fig.8 Spatial distribution of scPDSI in the arid and semi-arid areas of northwest China from 1964 to 2018

圖9 西北旱區(qū)氣象站點(diǎn)scPDSI的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)空間分布Fig.9 Spatial distribution of scPDSI in the arid and semi-arid areas of northwest China by the Mann-Kendall trend test

4 討論

4.1 潛在蒸散發(fā)的季節(jié)變化趨勢

考慮到不同季節(jié)氣候因子的敏感系數(shù)不同，本研究對上述統(tǒng)計(jì)出的35個(gè)趨勢顯著站點(diǎn)的不同季節(jié)尺度的潛在蒸散量進(jìn)行了變化趨勢分析，見圖10。在季節(jié)尺度上，除冬季外的其余季節(jié)均表現(xiàn)出與年際變化趨勢相同的規(guī)律。以1993年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在前后2個(gè)時(shí)間段均呈現(xiàn)出顯著的下降與上升趨勢。其中，以夏季最為明顯，下降與上升的速率分別達(dá)到了?0.83，0.88 mm/a。

4.2 潛在蒸散發(fā)趨勢轉(zhuǎn)變原因解析

為了分析西北旱區(qū)夏季各氣象因子變化對潛在蒸散發(fā)的影響，本研究計(jì)算了上述35個(gè)站點(diǎn)各氣象因子夏季的逐年敏感系數(shù)（圖11）?？傮w上，凈輻射的敏感系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；風(fēng)速的敏感系數(shù)呈現(xiàn)微弱減少的趨勢；相對濕度、平均溫度與溫差的敏感系數(shù)整體波動(dòng)不大；敏感系數(shù)由大到小排序依次為凈輻射、風(fēng)速、相對濕度、平均溫度、溫差。在1993年之前，凈輻射對潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)較大且有增加的趨勢，其次為風(fēng)速、相對濕度；在1993年之后，盡管凈輻射對潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)仍然最高但呈現(xiàn)減小的趨勢。另外，風(fēng)速與相對濕度在21世紀(jì)初對潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)較為接近。

圖10 1964—2018年西北旱區(qū)不同季節(jié)潛在蒸散量變化趨勢Fig.10 Trend of PET in different seasons in the arid and semiarid areas of northwest China from 1964 to 2018

圖11 夏季氣候因子敏感系數(shù)年際變化Fig.11 Interannual variation of sensitivity coefficients of climate factors in summer

潛在蒸散發(fā)的時(shí)空差異主要受到溫度、風(fēng)速、相對濕度、日照時(shí)數(shù)等氣象因子的綜合影響，溫度升高、日照時(shí)數(shù)增長、風(fēng)速增加以及相對濕度降低會(huì)導(dǎo)致潛在蒸散量增加[24]。從夏季各氣候因子的變化趨勢看（圖12），凈輻射顯著減少，而風(fēng)速與相對濕度的變化趨勢則表現(xiàn)出與潛在蒸散量變化趨勢相同的特點(diǎn)，均以1993年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在前后2個(gè)時(shí)間段的趨勢發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。結(jié)合各氣候因子夏季敏感系數(shù)的年際變化（圖11）可知，1964—1993年，凈輻射與風(fēng)速的減少以及相對濕度的增加給潛在蒸散發(fā)帶來的負(fù)效應(yīng)，是造成其顯著減少的主要原因；1994—2018年，凈輻射持續(xù)減少給潛在蒸散發(fā)帶來的負(fù)效應(yīng)被風(fēng)速的增加以及相對濕度的減少帶來的正效應(yīng)全部抵消，潛在蒸散量呈顯著增加的趨勢。前人[25-27]對西北旱區(qū)的潛在蒸散發(fā)進(jìn)行局部敏感性分析時(shí)，均未在季節(jié)尺度發(fā)現(xiàn)其對相對濕度的高敏感性，且因相對濕度的年際波動(dòng)較小而忽略了該氣候因子對潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)，從而認(rèn)為風(fēng)速是導(dǎo)致該區(qū)域潛在蒸散量波動(dòng)的主要原因之一。這是由于局部敏感性分析法假設(shè)輸入因子與輸出結(jié)果之間是線性關(guān)系，而Penman-Monteith公式中潛在蒸散量與各氣象因子間是非線性關(guān)系，同時(shí)各氣象因子的局部敏感性排位與輸入氣象因子的取值有很大的關(guān)系[10]。此外，局部敏感性分析中輸入因子變幅一般不能超過10%，而以西北旱區(qū)上述35個(gè)站點(diǎn)7月的氣象數(shù)據(jù)為例，平均溫度、溫差、相對濕度、風(fēng)速、凈輻射的均值分別為23.11℃、13.74℃、53.45%、2.08 m/s、13.48 MJ/（m2·d），變幅超過10%的天數(shù)分別為58.02%、74.43%、79.27%、89.39%、69.96%，顯然，上述因素均不滿足局部敏感性分析的前提條件。

鑒于西北旱區(qū)風(fēng)速與相對濕度在夏季的波動(dòng)較大，且與潛在蒸散量的變化規(guī)律相似，見圖12（c）（d），本研究統(tǒng)計(jì)了夏季凈輻射、風(fēng)速及相對濕度在1964—1968年、1991—1995年、2014—2018年的均值變化，同時(shí)計(jì)算了在保持其他氣候因子數(shù)值不變的情況下，單一氣象因子對潛在蒸散量的影響，結(jié)果見表4。風(fēng)速的相對變化最為明顯，其次為相對濕度，二者對潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)均明顯高于凈輻射。由此結(jié)合潛在蒸散發(fā)對夏季相對濕度表現(xiàn)出的高敏感性可知，除風(fēng)速外，相對濕度也是引起西北旱區(qū)潛在蒸散量變化的主要原因。

4.3 潛在蒸散發(fā)與干旱的關(guān)聯(lián)分析

降水是決定地表干濕變化的一個(gè)重要因子。但在氣候變化背景下，溫度等地表氣象因素變化造成的蒸散發(fā)潛力的改變已經(jīng)對地表干濕狀況產(chǎn)生了顯著的影響[28]。此外，在影響西北旱區(qū)潛在蒸散發(fā)變化的諸多因素中，空氣動(dòng)力項(xiàng)對其變化趨勢起到了不可忽視的作用，風(fēng)速作為引起西北旱區(qū)潛在蒸散發(fā)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，一定程度上也會(huì)影響該區(qū)域地表水分收支平衡。scPDSI綜合考慮了蒸散發(fā)和降水對干旱的影響，研究表明在中國干旱區(qū)的適用性要明顯優(yōu)于其它干旱指數(shù)[29]。

圖12 1964—2018年西北旱區(qū)夏季氣候因子變化趨勢Fig.12 Trend of summer climate factors in the arid and semi-arid areas of northwest China from 1964 to 2018

表4 氣候因子對潛在蒸散量變化的貢獻(xiàn)Table 4 Contribution of climate factors to PET

此外，基于不同潛在蒸散發(fā)計(jì)算方法的scPDSI之間存在很大的差異。例如采用單一考慮溫度的Thornthwaite公式得到的潛在蒸散量計(jì)算scPDSI時(shí)，會(huì)高估氣溫變化對地表干濕狀況的影響，從而使干旱評(píng)價(jià)偏干，無法準(zhǔn)確刻畫西北旱區(qū)的干旱狀況。本研究采用Penman-Monteith公式計(jì)算了潛在蒸散量，再計(jì)算得到西北旱區(qū)的scPDSI。在考慮降水與溫度對該區(qū)域干濕狀況影響的同時(shí)，兼顧空氣動(dòng)力項(xiàng)對于干旱的作用，從而更合理地描述西北旱區(qū)的干濕變化特征。同時(shí)需要注意的是，在西北旱區(qū)降水量和潛在蒸散量與干濕變化特征的對應(yīng)關(guān)系上，降水量仍舊是影響其干濕狀況的主控因子，潛在蒸散量對于干濕變化的影響可能集中在特定的季節(jié)[1]，這與其氣候因子敏感系數(shù)的年內(nèi)變化特征一致。

雖然Penman-Monteith公式考慮的輸入因子較為完善，適用性較好，但仍然屬于半經(jīng)驗(yàn)公式。本研究在使用過程中并沒有根據(jù)不同區(qū)域的特征對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，在今后的研究中還需進(jìn)一步優(yōu)化。此外，盡管scPDSI在計(jì)算時(shí)依據(jù)各臺(tái)站的歷史觀測數(shù)據(jù)，利用動(dòng)態(tài)計(jì)算值修正了其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，空間可比較性有了進(jìn)一步的提升[30]，但其計(jì)算結(jié)果的取值范圍明顯小于PDSI，因此沿用PDSI的旱澇分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可能無法準(zhǔn)確描述西北旱區(qū)的干旱等級(jí)。同時(shí)，scPDSI僅考慮了氣象因素的單一影響，而干旱作為一種非常復(fù)雜的極端氣候事件，還受到地形因子、人類活動(dòng)等的影響，僅在宏觀角度討論氣象干旱，可能無法對干旱狀況進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估。

5 結(jié)論

（1）1964—2018年西北旱區(qū)潛在蒸散量年均值為1 154.8 mm，高值區(qū)域位于新疆東部與內(nèi)蒙古西部，低值區(qū)域位于青海南部。1993年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，西北旱區(qū)潛在蒸散量由顯著下降趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著上升。1964—1993年，77%的站點(diǎn)為下降趨勢，42%的站點(diǎn)下降趨勢顯著，主要分布在新疆、甘肅以及陜西南部；1994—2018年，68%的站點(diǎn)為上升趨勢，42%的站點(diǎn)上升趨勢顯著，主要分布在新疆和甘肅。

（2）在空間上，西北旱區(qū)各氣候因子的敏感系數(shù)呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性，新疆北部、青海北部、甘肅西北部以及內(nèi)蒙古東北部的潛在蒸散發(fā)對平均溫度最為敏感；青海東部、甘肅南部則對凈輻射最為敏感；潛在蒸散發(fā)對風(fēng)速的敏感區(qū)域主要分布在新疆東南部，相對濕度的敏感區(qū)域主要分布在西北旱區(qū)的東部。時(shí)間上，各氣候因子敏感系數(shù)的季節(jié)性差異也較為顯著，潛在蒸散發(fā)在冬春季對平均溫度最為敏感，在夏季對凈輻射最為敏感，在秋季對風(fēng)速最為敏感。

（3）潛在蒸散量的趨勢轉(zhuǎn)變在夏季最為明顯，在1964—1993年，凈輻射與風(fēng)速的降低、相對濕度的上升帶來的負(fù)效應(yīng)，是潛在蒸散量減少的主要原因；在1994—2018年，凈輻射持續(xù)下降帶來的負(fù)效應(yīng)被風(fēng)速的上升、相對濕度的降低帶來的正效應(yīng)全部抵消，是潛在蒸散量增加的主要原因。

（4）西北旱區(qū)干旱時(shí)空變化顯著，新疆北部、青海中部以及甘肅境內(nèi)干旱程度有緩解的趨勢，而黃河流域西南部干旱程度有加重的趨勢，其易旱區(qū)域的重心由西北部逐漸轉(zhuǎn)移至東南部，這將加劇該地區(qū)的水資源緊張程度，威脅生態(tài)安全。