阿帕爾·肉孜，柳宏英，葉爾克江·霍依哈孜

（新疆昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100）

0 引 言

干旱是對農業(yè)生產影響最大的自然災害，具有發(fā)生頻率高，持續(xù)時間長，影響范圍廣的特點[1]。張景書[2]定義干旱為在降水極少或者無降水的情況下土壤水分匱乏，從而導致無法正常供應作物生長的氣候現(xiàn)象。氣象干旱主要是由氣象因素引起，主要表現(xiàn)區(qū)域范圍內因長期無降水或降水異常偏少，降水和蒸散不均衡而導致的干旱現(xiàn)象，是發(fā)生普遍和最基本的干旱類型。一定程度的氣象干旱會引起其他幾種干旱的發(fā)生，尤其表現(xiàn)在當降水明顯減少時，作物的生長會受到抑制，河流的徑流和水位會明顯下降，人類的用水資源會出現(xiàn)短缺[3]。對氣象干旱的有效監(jiān)測是可以對其他幾種干旱做到有效的預警，減少干旱所造成損失的有效途徑[4]。近年來，眾多學者采用不同干旱指數(shù)對西北地區(qū)、新疆干旱進行研究，開展了相當多的工作，且取得了顯著的研究成果；陳斐等[5]研究了西北地區(qū)春旱時空分布特征，鄧興耀等[6]研究了中國西北干旱區(qū)蒸散發(fā)時空動態(tài)特征，翟祿新[7]等研究基于SPI的西北地區(qū)氣候干濕變化，姜大膀等[8]研究了新疆氣候的干濕變化及其趨勢預估，江遠安等[9]研究了干旱指數(shù)CI 的確定及其在新疆應用，吳燕峰[10]、唐高溶[11]、曹興[13,14]、葉爾克江·霍依哈孜[15]等研究新疆不同區(qū)域干濕變化特征得出不同的結論，且為北疆氣候干濕變化提供了豐富的理論依據(jù)和經驗。但是對氣候變化極為敏感的昌吉地區(qū)，氣象干旱變化相關理論研究極少，而對最近20 a 氣象干旱的研究則很少涉及。因此現(xiàn)階段，利用長時間序列的最新氣象資料來開展干旱趨勢變化的研究是十分必要的。通過前人的理論經驗和查閱歷史發(fā)生干旱資料中發(fā)現(xiàn)，氣候變暖背景下長期少雨是導致昌吉地區(qū)氣象干旱的主要因素。因此本文選用降水量為基礎資料的標準化降水指數(shù)（SPI）來評估昌吉地區(qū)氣象干旱變化特征。SPI指數(shù)計算簡單，穩(wěn)定性好，時間尺度靈活，在國內外的干旱監(jiān)測中得到廣泛應用。SPI指標能夠較好地反映干旱強度，對干旱變化反應較敏感，同時多時間尺度應用的特性可以為水資源評估和不同時間尺度的干旱監(jiān)測評估[16]。

昌吉地區(qū)為新疆最重要的糧食、棉花、水果生產基地，也是國家級雜交玉米種子生產基地。2021年數(shù)據(jù)顯示昌吉地區(qū)種植作物47.67 萬hm2。昌吉地區(qū)春、夏季農業(yè)用水來源主要靠自然降水和高山冰川和積雪。近30年來中天山冰川面積萎縮明顯[17,18]，冬季積雪覆蓋率減少趨勢[19]。中天山北坡諸河流發(fā)源于天山山脈，也是昌吉地區(qū)的重要水源地。在此氣候背景下，昌吉地區(qū)降水量區(qū)域和季節(jié)分布不均勻，近幾年來，隨著現(xiàn)代農業(yè)的快速發(fā)展，過度開采地下水，導致昌吉地區(qū)地下水水位持續(xù)下降，存在水土資源配置不平衡，區(qū)域資源性缺水矛盾較為突出。2015年以來，春、夏季出現(xiàn)的高溫干旱嚴重威脅到昌吉地區(qū)生態(tài)環(huán)境和農業(yè)生產的安全穩(wěn)定。因此，總結昌吉地區(qū)氣象干旱時空變化規(guī)律，為合理利用水資源，改善用水策略，防災減災、干旱監(jiān)測提供參考。

本文主要分析12個月和3個月時間尺度的SPI，因為12個月時間尺度的SPI能比較清楚地反映干旱階段性變化，而3 個月時間尺度SPI可以反映季節(jié)干旱，與農業(yè)干旱關系密切。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

昌吉回族自治州（下稱昌吉地區(qū)或昌吉州）位于天山北麓，準噶爾盆地東南緣。位于北緯43°20′～45°00′，東經85°17′～91°32′。地勢南高北低，由東南向西北傾斜，南部是天山山地，中部為廣袤的沖積平原，北部為浩瀚的沙漠盆地。昌吉地區(qū)轄有五縣兩市，自西向東為西部的瑪納斯縣、呼圖壁縣和昌吉市，東部的阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘縣。其中瑪納斯縣、呼圖壁縣、昌吉市、阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣和蔡家湖7個站點代表平原區(qū)，天池、北塔山和木壘縣等3 個站點代表為山區(qū)。昌吉地區(qū)10 個國家氣象站點所在位置見圖1。

圖1 昌吉地區(qū)地形圖Fig.1 Topographic map of Changji area

昌吉回族自治州處在歐亞大陸腹地，四周環(huán)山的盆地中，降水少，蒸發(fā)強烈，氣溫變化劇烈，為典型的大陸性干旱氣候。

1.2 資料來源

本文選用1961-2020年新疆昌吉地區(qū)各縣市10 個國家氣象觀測站逐月降水量數(shù)據(jù)計算得出昌吉地區(qū)年、季尺度的SPI值，SPI-12 表征年時間尺度，SPI-3 表征季時間尺度。SPI-3（5月）為春季、SPI-3（8月）為夏季、SPI-3（11月）為秋季、SPI-3（2月）為冬季。

1.3 分析方法

本文運用Matlab 環(huán)境下進行突變檢驗和周期分析，利用Origin和Excel軟件進行趨勢變化分析。

1.3.1 突變檢驗法

Mann-Kendall(簡稱M-K)檢驗法是世界氣象組織推薦并被廣泛用于實際研宄的非參數(shù)檢驗方法，是時間序列趨勢分析方法之一。在M-K 突變檢驗中，對于含有n個樣本的時間序列x，構造一秩序數(shù)列[20-25]。

秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。在時間序列上隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量:

式中：UF1= 0；E(Sk)，Var(Sk)是累積數(shù)Sk的均值和方差，在x1,x2,…,xn相互獨立，且有相同連續(xù)分布時，它們可由下式算出。

UF系列為標準正態(tài)分布，當k增加時，UF很快收斂于標準正態(tài)分布，它是按時間序列x順序x1,x2,…,xn計算出來的統(tǒng)計量序列，在給定顯著性水平a下，于正態(tài)分布表中查出臨界值Ua/2，當Ua/2<|UFi|，說明序列具有顯著的變化趨勢。將時間序列x逆序排列xn,xn-1,…,x1，再重復上述過程，同時使UBk= -UFk，k=n,n- 1,…,1，到最后UB1= 0，經過分析繪出的正序UFk和逆序UBk曲線圖，即可得到變化趨勢、突變時間以及突變區(qū)域，當UFk或UBk值大于0 時，表明序列呈上升趨勢，當UFk或UBk值小于0 時，表明序列呈下降趨勢。當他們超過顯著性水平線(信度為0.05的顯著性水平臨界線為±1.96)時，則表明上升或下降趨勢顯著，當他們超過0.01 顯著性水平線(臨界線為±2.58)時，則表明上升或下降趨勢十分顯著，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域，當UFk與UBk兩條曲線出現(xiàn)交點時，且交點在顯著性水平線之間(臨界線之間)，則表示該時刻為突變開始時刻。若交點位于顯著性水平線之外，或者存在多個明顯交點，則不能確定是否為突變點；若不能確定是否為突變點，用其他方法對可能存在的突變點進行進一步驗證。

1.3.2 標準化降水指數(shù)的原理和等級劃分

標準化降水指數(shù)SPI是最早由Mckee[26]等在1993年提出的，表征某時段降水量出現(xiàn)概率多少的指標，其特點是計算不同時間尺度的干旱指數(shù)，該指標適用于月以上尺度的干旱監(jiān)測與評估。

標準化降水指數(shù)（SPI）采用Γ分布概率分布函數(shù)來擬合降水量時間序列計算累積概率，再通過正態(tài)標準化得到。具體物理含義和計算方法步驟參見文獻[27-30]，此處不再贅述。

干旱劃分等級參照表1（國標GB/T20481-2017）。

表1 標準化降水指數(shù)干旱等級劃分表Tab.1 Classification of drought grades by standardized precipitation index

1.3.3 評估干旱過程的方法

本文選用干旱發(fā)生頻率、強度和站次比等指標評估干旱[31-33]。

干旱發(fā)生頻率(F)：干旱發(fā)生頻率是評價一定年份內干旱發(fā)生的頻繁程度，其公式為：

式中：n為發(fā)生干旱的年數(shù)；N為研究時段的總年數(shù)。

干旱強度(Sij)：干旱強度是用于評價干旱的嚴重程度，干旱強度代表一定時間可以反映的干旱指數(shù)值，SPI絕對值越大，表示干旱越嚴重。計算公式為：

式中：m為該地區(qū)的干旱站數(shù)量；|SPIι|為發(fā)生干旱時干旱指數(shù)的絕對值。

當Sij＜0.5 時為干旱強度不明顯；1＞Sij≥0.5 時為輕度干旱；當1.5＞Sij≥1時為中度干旱；當Sij≥1.5時為重度干旱。

干旱站次比(Pj)：干旱站次比是干旱站數(shù)量與特定區(qū)域主要站數(shù)的比率。該指標可以反映給定地區(qū)干旱的直觀程度，并且可以間接反映干旱影響的嚴重性。計算公式為：

式中：m為發(fā)生干旱的站點數(shù)；M為該區(qū)的站點總數(shù)；j表示某一年。

干旱發(fā)生站次比表示一定區(qū)域干旱發(fā)生的范圍的大小，也間接反映干旱影響范圍的嚴重程度。

干旱的影響范圍定義：當Pj≥50%時，即研究區(qū)域內一半以上的站發(fā)生干旱，為全域性干旱；當50%＞Pj≥33%時為區(qū)域性干旱；當33%＞Pj≥25%時為部分區(qū)域性干旱；當25%＞Pj≥10%時為局域性干旱；當Pj＜10%時為無明顯干旱發(fā)生。

1.3.4 Morlet小波周期分析方法

本文選用水文氣象常用的Morlet 小波變換，Morlet 小波方法在時域和頻域上具有良好的局部性質，能更清楚地看出各周期隨時間的變化特征。小波系數(shù)的模是不同時間尺度變化周期所對應的能量密度在時間域中分布的反映，系數(shù)模的值越大，說明其所對應尺度的周期性就越強。小波系數(shù)大小表示信號強弱，等值線中心為正表示該年份偏濕，為負則表示該年份偏旱。

2 結果分析

2.1 SPI指數(shù)在昌吉地區(qū)的適用性分析

干旱災害是昌吉地區(qū)發(fā)生頻繁、持續(xù)時間長的一種氣象災害，根據(jù)昌吉州氣象局災情資料庫及氣象災害大典記載的昌吉地區(qū)1961-2020年災害情況，結合標準化降水指數(shù)季尺度（SPI-3）在昌吉地區(qū)氣象干旱評價結果，將歷史旱災與干旱指標評價結果進行對比，具體情況見表2，其中，大旱指的是重旱和特旱，旱指的是輕旱和中旱。從表2可以看出，昌吉地區(qū)1961-2020年發(fā)生旱災的年數(shù)為34 a，將干旱指標評價中的特旱和重旱標準作為評定重大旱災的標準，中旱和輕旱評定為一般旱災的標準，從而得到SPI評價結果。SPI評定的旱災年與歷史旱災年吻合年數(shù)為31 a，吻合率較高，達91%，說明SPI評價干旱結果與實際干旱過程吻合的較好，能較客觀反映實際干旱變化，表明SPI指數(shù)在表征昌吉地區(qū)干旱方面有一定的適用性，可以來分析昌吉地區(qū)干旱特征。

表2 1961-2020年昌吉地區(qū)歷史旱災情況與干旱指標評價結果對比Tab.2 Comparison of historical drought situation and drought index evaluation results in Changji region from 1961 to 2020

2.2 SPI指數(shù)的時間分布特征

2.2.1年變化及突變檢驗

計算昌吉地區(qū)1961-2020年年尺度SPI值，由圖2（a）可知，根據(jù)SPI指數(shù)測定結果顯示，在全州年變化中60 a 有18 a達到干旱閾值，占統(tǒng)計年份的30%。SPI值的最大值為2.0（2007、2015、1987、1998年），最小值為-2.17（1962年）、-2.07（1974年）、-1.93（1997年），其次是-1.49（1968年）、-1.78（1977年）、-1.38（2020年）。最小值為-2.17（1962年）、-2.07（1974年）、-1.93（1997年）。

圖2 昌吉地區(qū)1961-2020年年SPI指數(shù)變化及其M-K突變檢驗Fig.2 Annual SPI index change and M-K mutation test in Changji area from 1961 to 2020

在年代變化上看，20世紀60年代至80年代逐年濕潤化，90年代后濕潤化趨勢平緩，干旱年主要出現(xiàn)在20世紀60年代，70年代中后期，80年代初期，90年代后期至2000年代初，2019年至2020年SPI值基本較低，此時段內，昌吉地區(qū)處于干旱階段，60 a傾斜率為0.20/10 a的顯著上升趨勢，通過0.01 顯著性檢驗。根據(jù)Mann-Kendall 檢驗順序統(tǒng)計量UF和逆序統(tǒng)計量UF的曲線有一個交點（突變點1982年），整個時段可分為突變前期（1961-1982年）和突變后期（1982-2020年）。前期SPI正負交替變化，大部年份處于干旱狀態(tài)，是近60 a來最干旱時段；后期除少數(shù)年份為干旱狀態(tài)外，其他年份均為顯著的濕潤狀態(tài)，且UF值在1998-2020年超過a=0.05 的臨界線，表明這段時間濕潤趨勢顯著提升，但2018年開始轉變減少，表明昌吉地區(qū)2018年又開始進入干旱化。

2.2.2 季節(jié)變化及突變檢驗

春季的SPI波動與年變化波動基本一致，但波動強度比年變化強（圖3）。在60 a 有13 a 達到干旱閾值，占統(tǒng)計年份的22%。最小值為-2.48（1991年），其次為-2.35（1989年）、-2.16（1965年）、-2.04（1962年）、-1.84（2020年），在年代變化上看，20世紀60年代至70年代濕潤化趨勢明顯，80-90年代平緩，2000-2010年又濕潤化趨勢發(fā)展，2010年后又向干旱趨勢發(fā)展。60 a 里干旱主要集中在20世紀60年代、80年代末至90年代初、2019年至2020年。年際波動傾斜率為0.19/10 a，為弱上升趨勢，趨勢不顯著。從M-K 突變檢驗曲線可以看出，在1992年發(fā)生突變。

圖3 昌吉地區(qū)1961-2020年四季SPI指數(shù)年際變化及M-K突變檢驗Fig.3 Inter-annual Changes of SPI Index and M-K Mutation Test in the Four Seasons of Changji Region from 1961 to 2020

夏季的SPI波動與春季有所不同，波動強度相對弱于春季，在60 a 有18 a 達到干旱閾值，占統(tǒng)計年份的30%。SPI最小值為-2.26（1962年）、-1.92（1968年）、-1.8（2014年），其次為-1.65（1974年）、-1.64（1977年）。在年代變化上看，20世紀60年代較濕潤，70年代氣候偏旱，80年代至90年代逐年回升濕潤化，進入21世紀以來偏旱趨勢發(fā)展。60 a 里干旱主要集中在20世紀60年代至80年代初和2010-2020年，其傾斜率為0.07/10 a，為弱上升趨勢，趨勢不顯著。通過M-K 突變檢驗得知，SPI夏季變化和年變化基本一致，在1982年發(fā)生突變，整個時段可分為突變前期（1961-1982年）和突變后期（1982-2020年）。突變前SPI平均值為-0.38，突變后平均值為0.22，突變前和突變后相差為0.60。突變前SPI正負交替變化，處于干旱狀態(tài)年份比例較多，該階段是近60 a 來干旱時段；突變后1982-2004年處于平緩的濕潤化，2004年以后又逐年減少，說明昌吉地區(qū)夏季2004年開始逐年進入干旱化。

秋季SPI年際波動多于春季和夏季，在60 a 有16 a 達到干旱閾值，占統(tǒng)計年份的27%。最小值為-2.32（1997年），其次是1991年和2020年，SPI值分別為-1.98和-1.70。在年代變化上看，20世紀60年代至80年代往濕潤化趨勢發(fā)展，1990-2010 平緩，2011年開始又進入濕潤化趨勢發(fā)展。干旱主要集中在20世紀60年代至70年代初，90年代、21世紀以來。秋季SPI年傾斜率為0.06/10 a，呈微弱上升趨勢，趨勢不顯著。從M-K 突變檢驗曲線可以看出，自2008年以來一直處于增加的趨勢，但有發(fā)生突變。

冬季SPI年際變化與春、夏、秋季完全不同，有逐年明顯的增加趨勢，傾斜率為0.36/10 a，通過0.001 顯著性檢驗，尤其是20世紀90年代以來往濕潤趨勢發(fā)展明顯。在60 a 有17 a達到干旱閾值，占統(tǒng)計年份的28%。干旱年主要集中在20世紀60年代至80年代。極小值是-3.5（1968年），其次是-2.11（2000年）。根據(jù)M-K 檢驗順序統(tǒng)計量UF和逆序統(tǒng)計量UB的曲線有一個交點（突變點1986年），整個時段可分為突變前期（1961-1986年）和突變后期（1986-2020年）。突變前SPI有2～4 a 周期正負交替變化，突變后均為平緩的濕潤狀態(tài)，突變前SPI平均值為-0.72，突變后平均值為0.54，突變前和突變后相差為1.24。UF值在2002年超過a=0.05的臨界線，表明2002年冬季濕潤趨勢顯著提升。

綜上可見，昌吉地區(qū)21世紀以來春、夏、秋旱頻繁，尤其是近10年夏旱和秋旱頻繁較明顯，而且昌吉地區(qū)干旱往往兩季、甚至三季連旱，如1962、2001、2012、2019年春夏連旱，1964、1974、1997 春夏秋三季連旱，1963、1975、1977冬春連旱，1985、2006年夏秋連旱等。進入20世紀90年代以來春、夏、秋極端干旱較頻繁，冬旱基本減弱，如1991年春季、2014年夏季、1997年秋季最為干旱。

2.3 干旱頻率分析

通過計算可得昌吉地區(qū)年和各季度SPI的干旱頻率統(tǒng)計值（表3）。昌吉地區(qū)干旱年發(fā)生頻率為30%。對比不同等級干旱發(fā)生頻率得：中度和輕度干旱發(fā)生頻率最高，重度干旱和特大干旱次之，說明昌吉地區(qū)年干旱主要中旱和輕旱為主。在季尺度分析來看，夏旱發(fā)生頻率較高，為30%，其次是秋旱和冬旱，頻率分別為27%和28%，春旱頻率為22%，且春季易發(fā)生特旱。不同等級干旱在季尺度上發(fā)生頻率也有明顯差異，通過分析得知昌吉地區(qū)41%降水量集中在夏季，秋季和春季降水量占全年降水量的22%和28%，冬季降水量占9%。如雨季推遲易導致春末夏初發(fā)生干旱，而雨季提前結束則容易導致秋冬連旱。

表3 昌吉地區(qū)年和各季度SPI的干旱頻率統(tǒng)計值%Tab.3 Statistical value of annual and quarterly drought frequency of SPI in Changji region

2.4 干旱強度分析

2.4.1年干旱強度

以昌吉地區(qū)近60 a 里干旱指數(shù)超過干旱閾值的年份為總數(shù)，對昌吉地區(qū)年干旱強度進行分析。近60 a 來干旱強度在0.57～2.06，平均干旱強度為1.1，且有19 a 干旱強度都在1.0以上，這表明昌吉地區(qū)發(fā)生干旱多數(shù)年份為中度干旱（圖4）。干旱強度高值出現(xiàn)在2.16（2020年）、1.67（1974年）、1.60（1962年）、1.52（1997年）、1.51（2017年），干旱強度低值出現(xiàn)在1979、1980、1989、1995、1974、2003、2011、2012、2013年。年干旱強度逐年減少，但趨勢不明顯。干旱強度在年代變化中20世紀60年代至70年代干旱強度是增加趨勢，其中70年代增加最明顯，20世紀80年代至2000-2010年減少趨勢，其中80年代減少最明顯，2011-2020年又進入增加趨勢，其中20世紀60年代干旱強度最大。

圖4 干旱強度年際變化圖Fig.4 Inter annual variation chart of drought intensity

2.4.2 季節(jié)干旱強度

如表4 所示，春季干旱強度年際間在0.50～2.03 之間波動，過去60 a里36 a達到干旱標準，占研究年份的60%，春旱強度最大年份是1989年和2020年，強度為2.0 以上，達特旱等級，其次是1962、1965、1991年，強度為1.7～1.9，達重旱等級，是春旱干旱最嚴重的年份，其余年份干旱強度在0.5～1.3 之間。從各年代看，20世紀60年代和2011-2020年春旱強度最強，2000-2010年最弱，年際變化趨勢略有減弱，趨勢不明顯。

表4 昌吉地區(qū)年和各季節(jié)干旱強度年代變化及變化趨勢率Tab.4 The annual and seasonal variation of drought intensity in Changji region and its change trend rate

夏季干旱強度年際間在0.54～1.88之間波動，過去60 a里40 a 達到干旱標準，占研究年份的66%，干旱強度1.5 以上的有7 a，占干旱年份的18%，干旱強度1.0～1.5 的有9 a，站干旱年份的23%，其中夏旱強度最大值出現(xiàn)在2014年和1962年，強度為1.88 和1.79 達重旱等級，是夏旱最嚴重的2 a。從各年代看，20世紀60、70年代和2011-2020年夏旱強度最強，20世紀90年代最弱，年際變化趨勢略有減弱，趨勢不明顯。

秋季干旱強度年際間在0.53～1.83之間波動，過去60 a里35 a 達到干旱標準，占研究年份的58%，干旱強度1.5 以上的有5 a，占干旱年份的14%，干旱強度1.0～1.5 的有6 a，占干旱年份的17%，其中秋旱強度最大值出現(xiàn)在1962、1968、1991、1997、2020年，強度為1.61～1.88，達重旱等級，是秋旱最嚴重的5 a。從各年代看，20世紀60 至70年代秋旱強度有所減弱，20世紀90年代秋旱強度最大，進入20世紀又進入減弱趨勢，年際變化趨勢略有減弱，趨勢不明顯。

冬季干旱強度年際間在0.50～3.16之間波動，過去60 a里21 a 達到干旱標準，占研究年份的35%，干旱強度1.5 以上的有2 a，占干旱年份的10%，干旱強度1.0～1.5的有13 a，站干旱年份的66%，其中秋旱強度最大值出現(xiàn)在1967年和1968年、強度為1.85 和3.16 達重旱等級，是冬旱旱最嚴重的2 a。從各年代看，20世紀60年代冬旱強度最強，20世紀90年代至今減弱，年際變化趨勢明顯減弱，趨勢顯著。

綜上，2011-2020年春、夏、秋季干旱強度明顯增大，即昌吉地區(qū)春、夏季氣候呈變干趨勢，干旱對農業(yè)生產不利的態(tài)勢增加。

2.5 干旱站次比分析

2.5.1年干旱站次比

昌吉地區(qū)近60 a年干旱站百分比來看（圖5），干旱站次比在14%～100%之間波動變化。60 a 全域性干旱總共出現(xiàn)15 a，出現(xiàn)頻率為25%，分別出現(xiàn)在1961、1965、1967、1968、1973-1975、1977、1985、1991、1997、2006、2017、2019、2020年，主要出現(xiàn)在20世紀60、70年代和21世紀的近10年；區(qū)域性干旱出現(xiàn)5 a，分別出現(xiàn)在1976、1986、2008、2010、2014年，主要出現(xiàn)在2010-2020年間；部分區(qū)域性干旱出現(xiàn)7 a；局域性干旱出現(xiàn)1 a，出現(xiàn)頻率均為10%以下，其中全域性干旱發(fā)生頻繁，干旱發(fā)生的區(qū)域面積有1961-2000年呈輕微減少的趨勢，進入21世紀以來干旱范圍向擴大趨勢發(fā)展。

圖5 干旱站次比年際變化Fig.5 Inter annual variation of drought stations

2.5.2 季節(jié)干旱站次比

1961-2020年間春季發(fā)生干旱有38 a，無旱年有22 a，其中全域性干旱出現(xiàn)18 a，出現(xiàn)頻率為28%，區(qū)域性干旱出現(xiàn)2 a，部分區(qū)域性干旱5 a，出現(xiàn)頻率10%以下，局域性干旱13 a，出現(xiàn)頻率20%，春季全域性干旱和局域性干旱發(fā)生較為頻繁。近10 a 中干旱范圍有所擴大趨勢。夏季全域性干旱出現(xiàn)18 a，區(qū)域性干旱出現(xiàn)5 a，部分區(qū)域性干旱3 a，局域性干旱13 a，夏季全域性干旱和局域性干旱發(fā)生較為頻繁。進入21世紀以來干旱范圍有所擴大趨勢。秋季全域性干旱出現(xiàn)22 a，出現(xiàn)頻率為37%，區(qū)域性干旱出現(xiàn)4 a，部分區(qū)域性干旱2 a，局域性干旱3 a，出現(xiàn)頻率均為10%以下，秋季全域性干旱頻繁，20世紀90年代以來干旱范圍變化趨勢平緩。冬季全域性干旱出現(xiàn)13 a，出現(xiàn)頻率為21%，區(qū)域性干旱出現(xiàn)5 a，部分區(qū)域性干旱2 a，局域性干旱3 a，出現(xiàn)頻率均為10%以下，冬季全域性干旱較為頻繁，近10 a 中干旱范圍有所擴大趨勢（見圖6）。

圖6 干旱站次比春、夏、秋、冬季變化Fig.6 Change of drought stations in spring, summer, autumn and winter

綜上，進入20世紀以來春、夏、冬季干旱影響范圍擴大趨勢發(fā)展，尤其是2020年擴大趨勢比較明顯。

2.6 干旱周期分析

對昌吉地區(qū)1961-2020年年標準化降水指數(shù)SPI值進行小波分析，由圖7（a）的小波實部圖可知，年SPI指數(shù)有明顯的周期性，存在著3～5 a、8～18 a、20～30 a 的周期振蕩，且隨時間尺度降低，表現(xiàn)的“干－濕”交替頻繁，周期震蕩更加復雜，對應的氣候突變點也相應增加。表明60 a 來SPI的變化周期并不固定，3 種不同長短的多周期相互嵌套形式變化。小波系數(shù)模等值線圖7(b)，橫坐標為年份，縱坐標為時間周期，圖中深色代表模值大，淺色代表模值小，圖7 中可以看出8～18 a 模值最大，是影響未來該地區(qū)SPI的主要時間尺度，其中12 a 尺度周期最顯著，且集中體現(xiàn)在20世紀80年代中期至2010年。小波方差圖7(c)可以看出，存在著3 個峰值，它們對應著3 a、8 a 和27 a 的時間周期，其中最大峰對應的是3 a，說明3 a 左右的周期振蕩最強。

圖7 昌吉地區(qū)SPI指數(shù)周期分析Fig.7 Periodic Analysis of SPI Index in Changji Region

圖7 綜合分析可知，昌吉地區(qū)氣象干旱表現(xiàn)的“干－濕”交替頻繁。其中12 a 左右尺度周期較穩(wěn)定，因此可以判斷出。SPI在2017年開始小波波譜向負值發(fā)展，存在未閉合的周期，因此可以推測昌吉地區(qū)年小波曲線目前仍將向負值區(qū)域發(fā)展，表現(xiàn)為將處于較長的干旱周期，需要在當?shù)剞r業(yè)生產和水資源管理上加以重視。

3 結 論

本研究利用昌吉地區(qū)10 個氣象站1961-2020年月降水量資料，計算標準化降水指數(shù)（SPI-3）、（SPI-12），分析年、季尺度氣象干旱變化趨勢、時空分布特征、周期分析和本地區(qū)的實用性并得出以下結論：

（1）標準化降水指數(shù)（SPI）評定的氣象干旱結果與歷史記載干旱發(fā)生情況基本一致，表明該指數(shù)在昌吉地區(qū)干旱監(jiān)測、預報和預警業(yè)務中具有一定的使用價值，可用于分析昌吉地區(qū)干旱特征分析。

（2）1961-2020年昌吉地區(qū)年SPI值呈明顯的階段性特征，年代變化趨勢呈變干-變濕-變干的變化波動，進入21世紀以來變干趨勢較為明顯。近60 a 干旱強度減少，趨勢不明顯，但2011-2020年進入增加趨勢。從干旱站次比來看，近60 a干旱發(fā)生的區(qū)域面積有輕微減少的趨勢，但進入21世紀以來干旱范圍向擴大趨勢發(fā)展，全域性干旱發(fā)生較為頻繁。從干旱頻率來看，昌吉地區(qū)年干旱主要以中旱和輕旱為主。通過周期震蕩分析得知，存在著3～5 a、8～18 a、20～30 a的多重周期振蕩，2017年開始小波波譜向負值發(fā)展，存在未閉合的周期，因此可以推測昌吉地區(qū)小波曲線目前仍將向負值區(qū)域發(fā)展，表現(xiàn)為將處于較長的干旱周期。

（3）近60 a 來昌吉地區(qū)四季干旱呈現(xiàn)出不同的變化特征，其中春、夏、秋SPI呈弱增加趨勢，但趨勢不顯著，冬季增加趨勢明顯，通過0.001 顯著性檢驗；春、夏、秋旱主要出現(xiàn)在20世紀60年代以來，冬旱出現(xiàn)在20世紀60 至80年代。春、夏、秋、冬季干旱強度年際變化均呈減少趨勢，其中冬季減少最為明顯，在年代變化中看出，2011-2020年春、夏、秋季干旱強度明顯增大。從干旱站次比來看，60 a來四季均全域性干旱發(fā)生較為頻繁，進入20世紀以來春、夏、冬季干旱影響范圍呈擴大趨勢，尤其是2020年以后擴大趨勢比較明顯。從干旱頻率來看，夏旱發(fā)生頻率較高，其次是秋旱和冬旱，春季易發(fā)生特旱。

4 討 論

本文研究得出昌吉地區(qū)60 a年季尺度的SPI弱增加趨勢，其中冬季增加趨勢顯著。從21世紀以來開始進入干旱化趨勢發(fā)展的結論與吳秀蘭、張俊偉[34,35]等研究的結論具有良好的一致性。前人對全疆的干旱研究較多，但疆內區(qū)域性研究報道較少。但全疆性的研究結論對地域遼闊、地形地貌復雜、氣候類型多樣的新疆來說，難以滿足現(xiàn)代社會經濟發(fā)展對區(qū)域性干旱監(jiān)測的需求。因此，研究區(qū)域性氣象干旱變化規(guī)律，為當?shù)氐霓r業(yè)生產提供一定的技術支撐，更為當?shù)鼐毣罏臏p災氣象服務提供參考依據(jù)。

隨著氣候變暖，進入21世紀以來，昌吉地區(qū)降水量呈弱增加趨勢，但氣溫和地表溫度明顯升高，導致潛在蒸散量增加，即水分的支出量大于增加量，一定程度上對氣候弱濕潤化有抵消作用，干旱強度和干旱范圍逐年增大。目前，昌吉地區(qū)資源性缺水形勢嚴峻，尤其是4-5月份是農業(yè)用水高峰期，也是大田作物播種期和幼苗生長期，作物耐旱水平低，如果遇到長期無有效降水，作物生長關鍵期（春、夏季）氣象干旱發(fā)生的可能性就增大。未來幾年氣候將持續(xù)干旱化趨勢發(fā)展，地方政府及相關部門應提高對農業(yè)自然災害的認識，加強水利建設，實施有效科學的灌溉措施，建立健全自然災害防御體系，確保農業(yè)生產的安全穩(wěn)定發(fā)展。

本文只考慮降水因子分析干旱，但是干旱發(fā)生、發(fā)展機制復雜，風速、地形、植被及環(huán)流等都會對其產生影響。因此，今后應深入研究，開發(fā)更為合理、可靠和可比性的干旱指標。