虞佳陸,張 景,張 敏,于瑞德,3

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830011;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

全球范圍內(nèi)的氣候變暖已成趨勢(shì),氣候變暖影響全球水循環(huán)以及各區(qū)域水分平衡,導(dǎo)致水資源時(shí)空分布特征發(fā)生變化,加之降水時(shí)空分布不均,干旱等極端氣候頻繁發(fā)生[1],因干旱引發(fā)的災(zāi)害事件對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了重大影響。因此,研究干旱的時(shí)空演變特征,對(duì)于科學(xué)地認(rèn)識(shí)、分析干旱變化規(guī)律具有重要意義,也可以為水資源管理及干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理等工作提供參考。

新疆位于中國(guó)西北地區(qū),地處中緯度亞歐大陸腹地,作為古今絲綢之路的核心地帶,其氣候變化情況受到越來越多的關(guān)注。近年來,不少學(xué)者針對(duì)新疆暖濕化等熱點(diǎn)問題進(jìn)行了相關(guān)研究,例如王紹武等[2]表明,近50年來,我國(guó)西部地區(qū)降水增加,是400年來降水最豐沛的階段;施雅風(fēng)等[3]指出,新疆地區(qū)的氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變,極端氣候事件增多。新疆四季干旱差異較大,學(xué)者們分季節(jié)進(jìn)行了研究:趙勇等[4]分析了新疆北部地區(qū)春、夏季干旱的區(qū)域性和持續(xù)性特征;孫鵬等[5]分析了新疆不同季節(jié)的干旱時(shí)空分布并討論了干旱對(duì)新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響;許玉忠等[6]分四季對(duì)新疆近50年的干旱時(shí)空分布進(jìn)行了分析并以南疆和田地區(qū)為例展開進(jìn)一步探討;程軍等[7]基于溫度植被干旱指數(shù)分析了新疆干旱時(shí)空格局和季節(jié)性氣候?qū)Ω珊档挠绊?。新疆?yán)重的干旱問題也導(dǎo)致了干旱災(zāi)害,廖志浩[8]根據(jù)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型理論評(píng)估了新疆的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn);潘冬梅等[9]基于模糊數(shù)學(xué)和信息擴(kuò)散理論,對(duì)新疆阿勒泰地區(qū)的夏旱進(jìn)行了分析,并結(jié)合Surfer軟件對(duì)夏旱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃;姜逢清等[10]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與分型理論分析了新疆洪旱災(zāi)害特征。學(xué)者們從不同角度研究新疆降水及干旱情況取得了一定成果,然而大都以南北疆作為研究重點(diǎn),缺乏針對(duì)三大分區(qū)的綜合分析,特別是對(duì)東疆的差異化研究報(bào)道較少。

為研究干旱的發(fā)展變化規(guī)律,學(xué)者們對(duì)干旱評(píng)價(jià)指數(shù)做了大量的研究。目前國(guó)內(nèi)外最常用的干旱指數(shù)主要有降水距平百分率(Pa)[11]、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)[12]、氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)[13]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[14]以及標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[15]等。由于地理位置和復(fù)雜地形地貌的影響,新疆的氣候環(huán)境較為特殊,學(xué)者們將不同干旱指數(shù)在新疆的適用性和實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了對(duì)比研究,不同指數(shù)表現(xiàn)出其在不同環(huán)境的較好適用性[16-18]。吳秀蘭等[19]基于MCI利用相關(guān)分析、突變檢驗(yàn)、EOF等方法,分析了新疆干旱強(qiáng)度的時(shí)空變化特征。阿迪拉·阿布都熱合曼等[20]通過旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析了新疆干旱過程及干旱強(qiáng)度。李劍鋒等[21]基于SPI并以不同干旱等級(jí)發(fā)生概率的空間分布變化規(guī)律為重點(diǎn),探討了新疆地區(qū)干旱時(shí)空演變特征。謝培等[22]利用K-means聚類、M-K檢驗(yàn)、Morlet小波分析等方法,分析了新疆降水及干旱的變化特征。軒俊偉等[23]基于SPEI并利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)等方法,對(duì)新疆干旱的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。胡文峰等[24]通過不同時(shí)間尺度的SPEI并結(jié)合ArcGIS反距離插值法分析了新疆干旱格局演變特征。雖然運(yùn)用指數(shù)研究新疆干旱取得了一些進(jìn)展,但這些干旱指數(shù)采用的大多是月、季、年或更長(zhǎng)的時(shí)間尺度,對(duì)于有效地監(jiān)測(cè)干旱事件不夠穩(wěn)健。標(biāo)準(zhǔn)化前期降水蒸散指數(shù)(SAPEI)是日尺度的干旱指數(shù),考慮了早期水分平衡對(duì)當(dāng)天干/濕條件的影響。Li等[25]研究指出,SAPEI和SPEI在中國(guó)西部地區(qū)有著較強(qiáng)的相關(guān)性,能夠監(jiān)測(cè)干旱的月特征。除此之外,SAPEI還具有SPEI、PDSI等指數(shù)難以實(shí)現(xiàn)的日、周尺度干旱追蹤的潛力,可以捕捉干旱演變的更多細(xì)節(jié)。本文在綜合考慮降水和潛在蒸散兩個(gè)主要干旱變量的基礎(chǔ)上,利用SAPEI系統(tǒng)分析了21世紀(jì)以來新疆干旱的時(shí)空演變特征。和傳統(tǒng)月、季、年等尺度指數(shù)相比,這種新的日尺度干旱指數(shù)更具優(yōu)勢(shì),作為短期干旱指數(shù)在新疆實(shí)踐的補(bǔ)充,可以更好地為決策者和利益相關(guān)者提供干旱的起始、發(fā)展和趨勢(shì)演變等詳細(xì)信息,以便做出早期和及時(shí)預(yù)警。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)(73°40′～96°18′E, 34°25′～48°10′N)位于中國(guó)西北部,地處中緯度亞歐大陸腹地,面積166.49萬km2,約占中國(guó)國(guó)土總面積的1/6。新疆地形復(fù)雜,從北向南依次為阿爾泰山、準(zhǔn)噶爾盆地、天山、塔里木盆地及昆侖山,形成“三山夾兩盆”的地形特點(diǎn)。其中,天山以北地區(qū)稱為北疆,以南為南疆,天山東部的吐魯番、哈密為東疆。高山的阻隔導(dǎo)致海洋氣流不易到達(dá),廣泛發(fā)育的內(nèi)陸河流形成全球干旱區(qū)獨(dú)具特色的山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)。新疆作為我國(guó)陸地面積最大的省級(jí)行政區(qū),深居中緯度亞歐大陸腹地,受水分來源限制,降水稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈,可用水資源缺乏且分布不均,屬典型的大陸性干旱氣候區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)資料來源

本文所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)2000—2019年地面各氣象要素?cái)?shù)據(jù),對(duì)降水、最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、2 m風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)進(jìn)行分析和評(píng)估后,選擇數(shù)據(jù)連續(xù)性質(zhì)量好的42個(gè)氣象站作為新疆的代表性臺(tái)站進(jìn)行研究(圖1,見279頁)。

圖1 研究區(qū)及站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化前期降水蒸散指數(shù)(SAPEI)計(jì)算及等級(jí)劃分SAPEI需要降水和潛在蒸散(Potential evapotranspiration,PET)作為輸入。在估算PET方面,Penman-Monteith方法相比Thornthwaite方程更具有物理意義,考慮了能量可用性、濕度和風(fēng)速。本文使用Penman-Monteith方法估算PET,其細(xì)節(jié)參考Allen等[26]的研究。

借鑒累積濕潤(rùn)度指數(shù)與前期降水指數(shù)的構(gòu)建思想,考慮早期水分平衡對(duì)當(dāng)天干/濕條件的影響,即離當(dāng)日越久,影響越小,據(jù)此構(gòu)建前期降水蒸散指數(shù)(Antecedent precipitation evapotranspiration index,APEI):

(1)

aN=c

(2)

式中,P為降水量(mm);N為前推天數(shù),取值100;n為前推日序數(shù),當(dāng)日為0;a為衰減常數(shù),取0.98;c為最后一天的貢獻(xiàn)分?jǐn)?shù)。

設(shè)APEI數(shù)據(jù)序列為x={x1,x2, ...,xn},參照SPEI的計(jì)算方法,對(duì)x數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。鑒于APEI有負(fù)值情況,采用三參數(shù)Log-logistic概率分布F(x)對(duì)其進(jìn)行擬合,再經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化求得APEI的標(biāo)準(zhǔn)化變量SAPEI值。三參數(shù)Log-logistic概率密度函數(shù)為:

(3)

式中,α、β和γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)。擬合參數(shù)的估計(jì)方法采用線性矩法。分別由以下公式計(jì)算:

(4)

(5)

γ=w0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

(7)

式中,ws為概率權(quán)重矩,s=0, 1, 2;l為x按升序排列的序數(shù);Γ(β)是Gamma函數(shù)。三參數(shù)Log-logistic概率分布函數(shù)為:

(8)

(9)

(10)

式中,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308[27]。SAPEI各等級(jí)干濕類型及閾值見表1[28]。

表1 SAPEI等級(jí)劃分及相應(yīng)閾值

1.3.2 干旱強(qiáng)度 干旱強(qiáng)度用于評(píng)價(jià)研究區(qū)內(nèi)干旱嚴(yán)重程度,其計(jì)算公式如下:

(11)

式中,Si為i月或i站干旱強(qiáng)度;m為i月發(fā)生干旱的站數(shù)或i站發(fā)生干旱的月份數(shù)。根據(jù)SAPEI干旱分級(jí):干旱強(qiáng)度介于0.5～1.0為輕旱,1.0～1.5為中旱,1.5～2.0為重旱,大于2.0為特旱。

1.3.3 干旱站次比 干旱站次比是指區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生站點(diǎn)數(shù)占全部站點(diǎn)數(shù)的比例,可以表征不同時(shí)間尺度下不同級(jí)別干旱的影響范圍,也可間接反映干旱影響的嚴(yán)重程度。其計(jì)算公式如下:

(12)

式中,Pj為j月干旱站次比;mj1、mj2、mj3和mj4分別表示j月發(fā)生輕旱、中旱、重旱和特旱的站點(diǎn)數(shù);M為研究區(qū)的總站點(diǎn)數(shù)。根據(jù)Pj大小,對(duì)干旱影響范圍定義如下[29]：Pj≥70%,表明研究區(qū)域內(nèi)有70%以上的站點(diǎn)發(fā)生干旱,為全局性干旱;70%>Pj≥50%,為區(qū)域性干旱;50%>Pj≥30%,為部分區(qū)域性干旱;30%>Pj≥10%,為局域性干旱;當(dāng)Pj<10%,可認(rèn)為無明顯干旱發(fā)生。

1.3.4 干旱頻率 干旱頻率用來評(píng)價(jià)某站干旱發(fā)生的頻繁程度。計(jì)算研究區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)不同等級(jí)干旱發(fā)生的頻率,可以為決策者應(yīng)對(duì)干旱的初期防治提供權(quán)重依據(jù),其計(jì)算公式如下:

(13)

式中,Fi為i站干旱頻率;N為計(jì)算的總月份數(shù);ni表示i站發(fā)生干旱的月份數(shù)。

1.3.5 反距離加權(quán)插值 反距離加權(quán)插值法也稱為距離倒數(shù)乘方法,其計(jì)算簡(jiǎn)單,計(jì)算效率和精度高,是較為常用的一種插值方法,可以有效地基于地理學(xué)第一定律估計(jì)屬性值空間分布,其計(jì)算公式如下:

(14)

式中,z(x,y)為坐標(biāo)(x,y)處的插值;n為周圍樣點(diǎn)的數(shù)量;di為距各樣點(diǎn)的距離;α為權(quán)重,在計(jì)算時(shí)通常取2;zi為各樣點(diǎn)的測(cè)量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAPEI的適用性及評(píng)價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)化前期降水蒸散指數(shù)(SAPEI)是一個(gè)新的日尺度的干旱指數(shù),為了分析其在新疆的適用性,同時(shí)對(duì)其展開評(píng)價(jià),應(yīng)選取有歷史干旱記錄的典型年份進(jìn)行研究。有報(bào)道指出。2006年,新疆遭遇30多年罕見旱災(zāi),年降水量不足10 mm,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億;新疆氣候中心評(píng)估2008年為新疆有氣象記錄以來第2個(gè)干旱嚴(yán)重年。已有研究表明,相比自適應(yīng)帕默爾干旱指數(shù)(scPDSI)和土壤濕度,SPEI和SAPEI在中國(guó)西部地區(qū)有著較強(qiáng)的相關(guān)性[25]。因此,以2006年和2008年作為典型代表年份,通過將SAPEI與多時(shí)間尺度SPEI進(jìn)行對(duì)比,分析其在新疆的適用性并展開評(píng)價(jià)。

圖2顯示了由SAPEI、SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6和SPEI-12監(jiān)測(cè)的2006年和2008年新疆干旱的月變化情況,SPEI后綴數(shù)字代表指數(shù)計(jì)算過程中不同時(shí)間尺度,即不同月份數(shù),SPEI-1為單月尺度,SPEI-3為季度尺度,SPEI-6為半年尺度,SPEI-12為年尺度。SAPEI與多時(shí)間尺度SPEI監(jiān)測(cè)的干旱格局整體上表現(xiàn)出良好的一致性,均呈變干趨勢(shì),說明SAPEI能夠捕捉干旱演變。具體而言,SAPEI和多時(shí)間尺度SPEI的月變化時(shí)間序列在下半年(7—12月)相近,而在冬季(1—2月),SAPEI能夠捕捉到SPEI未監(jiān)測(cè)到的干旱。另外,SAPEI比同為月值的SPEI-1更為穩(wěn)定,后者波動(dòng)較大。以上結(jié)果均表明SAPEI能夠捕捉新疆干旱的演變,相比SPEI具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖2 SAPEI及不同時(shí)間尺度SPEI監(jiān)測(cè)的2006 年和2008 年新疆干旱事件的月變化

圖3顯示了由SAPEI、SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6、SPEI-12監(jiān)測(cè)的2006年和2008年新疆四季干旱的空間分布情況。SAPEI與多時(shí)間尺度SPEI監(jiān)測(cè)的干旱格局整體上較為一致,尤其夏季和秋季月份表現(xiàn)較為明顯。夏季SAPEI在南疆大部分地區(qū)及北疆南部、東疆中西部為負(fù)值,干旱嚴(yán)重地區(qū)主要分布在南疆巴州和喀什等地,各時(shí)間尺度SPEI均不同程度反映了這一分布特點(diǎn),特別是SPEI-3也監(jiān)測(cè)到了巴州和喀什等地的干旱。秋季SAPEI在全疆絕大部分地區(qū)均為負(fù)值,干旱嚴(yán)重地區(qū)集中分布在南疆巴州和東疆吐哈盆地西緣連片區(qū)域以及阿克蘇、喀什等地,SPEI-6也監(jiān)測(cè)到了此區(qū)域的干旱。冬季SAPEI在全疆大部分地區(qū)均為負(fù)值,其捕捉到了南疆大部分地區(qū)及北疆、東疆小范圍的干旱,這是各時(shí)間尺度SPEI未捕捉到的。

此外,SAPEI的計(jì)算是基于日尺度的,它通過衰減常數(shù)考慮當(dāng)天和前期的水分盈虧,而SPEI只考慮當(dāng)期的水分盈虧,無法關(guān)聯(lián)前期條件。對(duì)于亞月(周、日)尺度的干旱監(jiān)測(cè),SAPEI也更具潛力。綜上表明,SAPEI可以有效地描述和監(jiān)測(cè)新疆的干旱時(shí)空分布格局,貼近實(shí)際情況,且其較SPEI干濕分布差異較小,更為穩(wěn)健,具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.2 SAPEI的時(shí)空變化特征

2.2.1SAPEI的時(shí)間變化與趨勢(shì) 如圖4所示,基于2000—2019年的20 a時(shí)間序列,SAPEI整體呈現(xiàn)小幅波動(dòng)性增加趨勢(shì),說明新疆20年來整體上干旱輕微減緩,呈現(xiàn)變濕趨勢(shì)。在20 a的時(shí)間序列上可以明顯看到中間段(2010年左右)的振幅相對(duì)前后期較小,并且這一持續(xù)約3年的振蕩處于分水嶺位置,即前期SAPEI指數(shù)為負(fù)值波動(dòng),此后為正值波動(dòng)。具體來看,2000—2008年存在較大波動(dòng),特別是2006—2008年SAPEI指數(shù)由負(fù)轉(zhuǎn)正;2008—2012年波動(dòng)較小;2012—2019年尤其2013—2016年主要存在較大正值波動(dòng)。這表明新疆在2008—2012年前后干濕狀況發(fā)生很大變化,干濕差異呈先縮小后擴(kuò)大趨勢(shì)。

圖3 SAPEI及不同時(shí)間尺度SPEI監(jiān)測(cè)的2006 年和2008 年新疆四季干旱事件的空間分布

以2008年為分水嶺,2008年之前標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布UF曲線主要為負(fù),說明SAPEI呈持續(xù)降低趨勢(shì),逐漸變干;2008年之后UF曲線為正,說明SAPEI呈持續(xù)增加趨勢(shì),逐漸變濕。UF和UB(UB= -UF)曲線在2008—2012年發(fā)生3次相交,交點(diǎn)位于置信水平區(qū)間[-1.96, 1.96]內(nèi),視為突變點(diǎn),即新疆SAPEI在2008—2012年發(fā)生3次突變,突變點(diǎn)和新疆干濕差異變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)較為一致(圖4a)。

考慮到SAPEI隨年際更迭的波動(dòng),分四季來進(jìn)一步分析。按季節(jié)劃分,新疆春季SAPEI在20 a時(shí)間序列上呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì),秋季SAPEI呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。春季的UF曲線為負(fù),說明SAPEI呈持續(xù)降低趨勢(shì);2003年、2006—2007年和2009年之后均位于-1.96顯著性水平線以下,說明20年來新疆春季變干顯著,春旱明顯加劇(圖4b)。秋季的UF曲線在2005年之后為正,呈增加趨勢(shì);2008年之后增加顯著,變濕明顯,表明新疆秋季的干旱逐漸緩解(圖4d)。新疆夏季和冬季的SAPEI均有小幅度的波動(dòng)增加,說明20年來,新疆夏季、冬季的干旱有所減緩。此外,SAPEI夏季波動(dòng)幅度整體小于冬季,說明夏季的干濕差異要小于冬季。具體而言,夏季2008年之前UF曲線主要為負(fù),說明SAPEI呈持續(xù)降低趨勢(shì);2008年之后UF為正,SAPEI持續(xù)增加,大部分時(shí)間處于不顯著的增加趨勢(shì);UF和UB曲線的交點(diǎn)為2007年,位于置信水平區(qū)間[-1.96,1.96]內(nèi),表明在2007年發(fā)生突變(圖4c)。冬季2008年之前UF曲線為負(fù),說明SAPEI呈持續(xù)降低趨勢(shì);2008年之后UF為正,即SAPEI持續(xù)增加,2015年之后增加顯著;UF和UB曲線的交點(diǎn)在2015年,位于置信水平區(qū)間[-1.96,1.96]內(nèi),表明在2015年發(fā)生突變(圖4e)。

2.2.2SAPEI的空間分布與變化趨勢(shì) 全疆42個(gè)氣象站點(diǎn)SAPEI分布如圖5所示,20年來新疆東部和北部的干旱程度在空間上整體高于新疆中南部和西部地區(qū)。整體來看,20年來新疆大部分區(qū)域SAPEI都顯著增加,顯示出變濕趨勢(shì)。北疆除了博州東南部以及塔城東北部變干外,其余地區(qū)均有變濕趨勢(shì);其中,北疆東北部和南部大部分站點(diǎn)的P值小于0.01,SAPEI增加極為顯著,變濕情況尤其明顯。南疆除了喀什中北部、和田于田、阿克蘇西北部以及巴州中部變干外,其余地區(qū)均有變濕趨勢(shì);其中,南疆西南部的克州及和田部分區(qū)域SAPEI顯著增加,表明變濕情況明顯。東疆除了吐魯番中北部顯著變干外,其余地區(qū)均有變濕趨勢(shì);其中,哈密市變濕顯著(圖5a)。

圖4 新疆SAPEI整體、春季、夏季、秋季和冬季的線性趨勢(shì)與M-K檢驗(yàn)

按季節(jié)劃分,春、夏季SAPEI多年均值分布同全年整體分布較為一致,即東部和北部的干旱程度高于南部和西部地區(qū);秋、冬季SAPEI多年均值分布情況相似,干旱程度較高地區(qū)主要分布于北疆西部、南疆西南部和東北部以及連片至東疆西部。春季除個(gè)別站點(diǎn)外,其余站點(diǎn)P值均小于0.01,SAPEI降低極為顯著,全疆整體呈現(xiàn)顯著的變干趨勢(shì)(圖5b)。夏季新疆大部分站點(diǎn)呈變濕趨勢(shì),但也有不少站點(diǎn)顯著變干,主要分布在北疆博州、南疆西南部以及東疆的吐魯番中北部,全疆三大分區(qū)表現(xiàn)出不同的干濕差異變化(圖5c)。與春季情況相反,秋季基本上所有站點(diǎn)P值均小于0.01,SAPEI增加極為顯著,全疆整體呈現(xiàn)顯著的變濕趨勢(shì)(圖5d)。冬季與夏季相同,整體上呈變濕趨勢(shì),尤其是新疆中部和東部地區(qū)變濕狀況極為顯著(圖5e)。

2.3 干旱強(qiáng)度的時(shí)空變化特征

2.3.1 干旱強(qiáng)度的時(shí)間變化與趨勢(shì) 如圖6a所示,20 年來新疆全疆整體干旱強(qiáng)度呈顯著降低的趨勢(shì)。2000—2003年,全疆的干旱強(qiáng)度介于1.0～1.5,整體等級(jí)屬中旱,其中有10個(gè)月份干旱強(qiáng)度處于重旱的1.5～2.0;2004—2016年,干旱強(qiáng)度整體介于0.5～1.0,但2015年8月有重旱發(fā)生;2017—2019年,干旱強(qiáng)度降低至0.5以下,屬于干濕正常范疇,無旱月份占比過半。全疆的干旱等級(jí)整體上由中旱到輕旱再到無旱,干旱強(qiáng)度降低顯著且分界明顯。分季節(jié)來看,全疆的干旱強(qiáng)度在四季均呈顯著降低的趨勢(shì),整體等級(jí)均以輕旱和中旱為主。其中,春季前期屬于重旱;中期干旱情況復(fù)雜,無旱、輕旱、中旱均有發(fā)生;后期以中旱為主。夏季、秋季和冬季情況大致相似,前期屬于中旱,中期以輕旱為主,后期轉(zhuǎn)為正常范疇的無旱。

分區(qū)來看,北疆20年來整體干旱強(qiáng)度呈顯著降低的趨勢(shì)。如圖6b所示,2000—2003年,北疆的干旱強(qiáng)度介于1.0～1.5,整體等級(jí)均屬中旱,其中有7個(gè)月份處于重旱的1.5～2.0;2004—2014年的11年間,干旱強(qiáng)度整體介于0.5～1.0,但在2013年7月有重旱發(fā)生;2015—2019年,干旱強(qiáng)度降低至0.5以下,屬于正常范疇,無旱月份占比過半。北疆的干旱等級(jí)整體上由中旱到輕旱再到無旱,干旱強(qiáng)度降低顯著。分季節(jié)來看,北疆的干旱強(qiáng)度在四季均呈波動(dòng)式降低的趨勢(shì)。其中,春季前期屬于重旱,中后期干旱情況復(fù)雜,無旱、輕旱、中旱交錯(cuò)發(fā)生;夏季、秋季和冬季情況大致相似,前期屬于中旱,中期以輕旱為主,后期轉(zhuǎn)為正常范疇的無旱。

圖6c為20年來南疆干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì),整體表現(xiàn)為顯著降低。2000—2015年,南疆的干旱強(qiáng)度整體介于0.5～1.0,屬于輕旱,其中2000年略高于1.0,屬于中旱范疇,2009年為無旱;2016—2019年,干旱強(qiáng)度降低至0.5以下,屬于正常范疇,大部分月份屬無旱。南疆的干旱等級(jí)整體上以輕旱為主,后期轉(zhuǎn)為無旱,干旱強(qiáng)度降低顯著。季節(jié)上,南疆春季干旱強(qiáng)度呈波動(dòng)式增加趨勢(shì),前期屬于干濕正常范疇的無旱,中后期逐漸從輕旱轉(zhuǎn)為中旱;夏季、秋季和冬季干旱強(qiáng)度均呈波動(dòng)式降低趨勢(shì),整體等級(jí)均表現(xiàn)為由中旱到輕旱再轉(zhuǎn)為無旱的變化趨勢(shì)。

東疆20年來整體干旱強(qiáng)度與全疆、北疆和南疆保持一致,均呈顯著降低的趨勢(shì)(圖6d)。2000—2003年,東疆的干旱強(qiáng)度介于1.0～2.0,整體等級(jí)屬于中旱和重旱,其中有24個(gè)月份處于重旱的1.5～2.0,重旱月份達(dá)半數(shù);2004—2019年的16年間,東疆的干旱情況復(fù)雜,無旱、輕旱、中旱交錯(cuò)發(fā)生,其中2014年6月和2015年8月為重旱,2015年7月干旱強(qiáng)度高于2.0,達(dá)到特旱范疇。東疆的干旱強(qiáng)度隨季節(jié)也變化較大,四季整體上均呈波動(dòng)式降低的趨勢(shì)。具體而言,春季前期屬于重旱,中期屬于干濕正常范疇的無旱,后期以中旱為主;夏季前期屬于中旱,中后期干旱情況復(fù)雜,無旱、輕旱、中旱、重旱交錯(cuò)發(fā)生,其中2015年夏季發(fā)生特旱;秋季和冬季的干旱強(qiáng)度變化相對(duì)一致,前期屬于中旱和重旱,中后期表現(xiàn)為輕旱和無旱的交錯(cuò)變化。東疆的干旱強(qiáng)度變化較大,具有不穩(wěn)定性。

2.3.2 干旱強(qiáng)度的空間分布及代際演變 空間上來看,基于全疆42個(gè)氣象站點(diǎn)分布計(jì)算干旱強(qiáng)度,全疆干旱強(qiáng)度介于0.8～1.6,整體等級(jí)屬輕旱和中旱范疇,個(gè)別地區(qū)高于1.5,達(dá)重旱范疇。通過反距離權(quán)重插值法分析(圖7a)可知,新疆干旱強(qiáng)度表現(xiàn)為東北部高,中部和西南部低。具體來看,新疆大部分地區(qū)為中旱;少數(shù)地區(qū)為輕旱,主要分布在呼圖壁和且末等地;福海一帶為重旱。

為進(jìn)一步分析新疆干旱強(qiáng)度代際的空間變化,通過ArcGIS反距離權(quán)重插值法每5 a進(jìn)行比較分析,2000—2004年間新疆大部分地區(qū)干旱等級(jí)均處于中旱范疇,天山中部、喀什中部及巴州中南部零星片域處于輕旱,而在北疆北部及東疆東部則有小部分屬于重旱范疇(圖7b)。2005—2009年間新疆干旱強(qiáng)度有所降低,特別是東北部地區(qū)尤為顯著(圖7c)。2010—2014年間新疆大部分地區(qū)處于輕旱范疇,西北至西南部連續(xù)片域干旱等級(jí)增加為中旱,全疆干旱強(qiáng)度由東南向西北遞增(圖7d)。2015—2019年間新疆輕旱范圍縮小,中旱范圍擴(kuò)大,中旱區(qū)域由西北至西南部連續(xù)片域轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北至東南部區(qū)域,干旱強(qiáng)度呈現(xiàn)東北高西南低的特點(diǎn)(圖7e)。

20年來全疆整體干旱強(qiáng)度呈波動(dòng)式降低的趨勢(shì),然而近5年東疆東部及北疆東北部零星片域的干旱強(qiáng)度有增加的情況發(fā)生,需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.4 干旱站次比的時(shí)間變化特征

干旱站次比即一定時(shí)間尺度內(nèi)干旱發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)占研究區(qū)域內(nèi)總站點(diǎn)數(shù)的比例,可以說明干旱發(fā)生的區(qū)域性和廣泛程度。如圖8a所示,2000—2019年,新疆整體干旱站次比表現(xiàn)出小幅度波動(dòng)式降低的趨勢(shì),說明20年來干旱范圍整體上有輕微縮減趨勢(shì)。具體而言,干旱站次比UF曲線除了在2003—2006年間為正外,其余均為負(fù),呈降低趨勢(shì),特別是在2009年之后顯著降低,干旱范圍縮減顯著。UF和UB曲線的交點(diǎn)為2006年,位于置信水平區(qū)間[-1.96,1.96]內(nèi),視為在2006年發(fā)生突變。從堆積柱狀圖來看,2000—2003年中旱級(jí)別以上占比較高,2004年以后則以輕旱為主;但2011、2013、2014、2017年以及2019年中旱以上等級(jí)占比略高且2011年、2013年以及2015年發(fā)生特旱。由此可知,雖然干旱站次比總體上有所降低,但是在干旱影響范圍縮減的同時(shí)也存在著干旱等級(jí)提升的風(fēng)險(xiǎn),需要引起重視(圖8a)。

考慮到干旱站次比隨年際更迭的波動(dòng),分季節(jié)進(jìn)一步分析。在春季,新疆前10年干旱站次比較低,后10年則明顯增加,整體呈波動(dòng)式增加趨勢(shì),說明干旱范圍有擴(kuò)大趨勢(shì)。具體而言,春季干旱站次比UF曲線在2011年之前為負(fù),2011年之后為正,且呈增加趨勢(shì),特別是2017年之后顯著增加,表明新疆春季干旱影響范圍顯著擴(kuò)大;UF和UB曲線的交點(diǎn)為2013年和2016年,位于置信水平區(qū)間[-1.96, 1.96]內(nèi),表明這兩個(gè)年份發(fā)生突變(圖8b)。在夏季,干旱站次比呈波動(dòng)式降低趨勢(shì),說明新疆整體上干旱范圍有縮減趨勢(shì)。具體而言,以2007年為分水嶺,2007年前UF曲線除2001年外均為正,2007年后變?yōu)樨?fù),2011年后低于顯著性水平線下界,呈顯著降低趨勢(shì),表明新疆夏季干旱影響范圍縮減顯著;UF和UB曲線的交點(diǎn)為2007年,位于置信水平區(qū)間[-1.96, 1.96]內(nèi),視為在2007年發(fā)生突變(圖8c)。在秋季,新疆前8年的干旱站次比較高,后12年則明顯降低,整體呈波動(dòng)式降低趨勢(shì),說明干旱范圍有縮減趨勢(shì)。具體而言,秋季干旱站次比UF曲線在2007年之前為正,2007年之后為負(fù),呈降低趨勢(shì),特別是2011年之后顯著降低,表明新疆秋季干旱影響范圍縮減顯著(圖8d)。在冬季,干旱站次比呈波動(dòng)式降低趨勢(shì),說明新疆整體上干旱范圍有縮減趨勢(shì)。具體而言,UF曲線在整個(gè)序列上都為負(fù),冬季干旱站次比呈降低趨勢(shì),特別是2008年之后顯著降低,干旱影響范圍縮減顯著;UF和UB曲線在2006—2007年間相交,交點(diǎn)位于置信水平區(qū)間[-1.96, 1.96]內(nèi),說明在此期間發(fā)生突變(圖8e)。

圖8 新疆干旱站次比整體、春季、夏季、秋季和冬季的線性趨勢(shì)與M-K檢驗(yàn)

通過分析干旱站次比的范圍等級(jí)餅狀圖(圖9)可知,20年來新疆有40個(gè)月出現(xiàn)了全局性的干旱事件,占整個(gè)時(shí)間段的16.9%;有38個(gè)月出現(xiàn)了區(qū)域性的干旱事件,占整個(gè)時(shí)間段的16.0%;有27個(gè)月出現(xiàn)了部分區(qū)域性的干旱事件,占整個(gè)時(shí)間段的11.4%;有49個(gè)月出現(xiàn)了局域性的干旱事件,占整個(gè)時(shí)間段的20.7%;其他83個(gè)月份則為無明顯干旱,占整個(gè)時(shí)間段的35.0%。每5 a分代際比較可以分析出不同干旱范圍等級(jí)的演變。新疆的全局性干旱事件整體上呈減小趨勢(shì),基本無旱事件在增多,說明新疆的干旱范圍20年來整體上是縮減的,這也和前面得到的結(jié)論一致。但是同時(shí)可以看到,20年來全局性干旱發(fā)生頻次總體上處于較高水平,全局性和區(qū)域性干旱的總占比近三分之一,特別是近5年全局性干旱事件增多,新疆干旱事件需持續(xù)引起重視。

注:圖內(nèi)數(shù)字分別代表各范圍等級(jí)出現(xiàn)月份數(shù)以及占比情況。

2.5 干旱頻率的空間變化特征

基于全疆42個(gè)氣象站點(diǎn)分布,統(tǒng)計(jì)不同干旱等級(jí)出現(xiàn)的月數(shù),其與總月數(shù)之比,即為輕旱、中旱、重旱、特旱及總的干旱頻率,并在ArcGIS上顯示出來。由圖10a可知,新疆干旱頻率的空間分布總體為南北高、東西低,中部和西部分布交錯(cuò)復(fù)雜。干旱頻率較低值位于東疆哈密紅柳河流域和北疆阿勒泰福海一帶,較高值位于北疆昌吉呼圖壁一帶。

分等級(jí)來看,輕旱頻率在全疆的分布為中南部高、東北部和西部低。頻率較高值零散分布在天山中部呼圖壁附近以及巴州西部,較低值分布在阿勒泰以及哈密的部分地區(qū)(圖10b)。中旱頻率在南疆分布范圍較廣,阿勒泰地區(qū)東部及哈密東南部的中旱頻率較不穩(wěn)定,該區(qū)域內(nèi)的干旱狀況差異較大(圖10c)。與中旱頻率相反,重旱頻率在南疆分布范圍較小,在北疆和東疆較高(圖10d)。特旱在新疆大部分地區(qū)發(fā)生概率較小,在東疆哈密紅柳河一帶發(fā)生頻率較高(圖10e)。綜上可知,北疆南部主要為輕旱,北疆東北部為中旱,北疆西北部為重旱;南疆主要為中旱和輕旱;東疆西部為輕旱,東疆東部為重旱。

3 討 論

中國(guó)氣象局氣候變化中心表示,全球變暖趨勢(shì)仍在持續(xù),中國(guó)是全球氣候變化敏感區(qū)和影響顯著區(qū)。新疆位于中國(guó)最西北,是典型的大陸性干旱氣候區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū),對(duì)全球氣候變暖尤為敏感。21世紀(jì)初,施雅風(fēng)等[30]提出了中國(guó)西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的觀點(diǎn)并得到證實(shí)。本研究也表明,2000年以來新疆的干旱狀況逐漸緩解,呈濕潤(rùn)化趨勢(shì),干旱強(qiáng)度降低,干旱影響范圍縮減;但表現(xiàn)出春旱加劇且影響范圍顯著擴(kuò)大的態(tài)勢(shì)。吳秀蘭等[19]基于MCI分析了新疆近60年干旱時(shí)空特征,結(jié)果表明新疆地區(qū)干旱程度減輕趨勢(shì)顯著,而春季易出現(xiàn)全疆一致的較重干旱;李劍鋒等[21]基于SPI探討了新疆地區(qū)干旱時(shí)空演變特征,研究表明整個(gè)新疆干旱情況好轉(zhuǎn),而北疆春季干旱改善不顯著,南疆春季干旱有惡化的可能;這些均與本研究結(jié)論相近。造成新疆整體暖濕化但春旱加劇的原因是多方面的,涉及到全球氣候變化以及人類活動(dòng)等多種因素。另外,新疆2000年以來的暖濕化是長(zhǎng)期趨勢(shì)還是階段性特征,還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和研究。特別要注意的是,春季氣溫回升,積雪消融,新疆春旱、春洪交替出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)也將增加,未來更需注意春季的防汛抗旱工作,這對(duì)新疆農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和地區(qū)長(zhǎng)治久安具有重要意義。

東疆位于天山東部的絲綢之路,行政區(qū)劃上主要包括吐魯番市和哈密市。該區(qū)域地形地貌復(fù)雜,山地盆地兼具,這也一定程度上反映了其內(nèi)部的復(fù)雜性。橫貫東疆的吐哈盆地東、西緣表現(xiàn)出截然不同的干濕狀況,吐哈盆地西緣相對(duì)濕潤(rùn)但變干顯著,其東緣相對(duì)干旱卻顯著變濕,夏季和冬季的干濕分布和變化趨勢(shì)也各不相同。東疆的干旱強(qiáng)度相對(duì)復(fù)雜,2009—2020年,前期屬中旱和重旱,中后期無旱、輕旱、中旱交錯(cuò)發(fā)生,2014年和2015年有重旱甚至特旱發(fā)生。特別是近5年東疆出現(xiàn)干旱強(qiáng)度增加的情況,需要特別關(guān)注。另外值得注意的是,東疆全區(qū)特別是東部哈密市內(nèi)重旱發(fā)生的頻率較高。綜合來看,東疆作為連通新疆與內(nèi)地的重要區(qū)域,其干旱特征與其他分區(qū)差異較大,同時(shí)也存在較大的干旱風(fēng)險(xiǎn),今后將進(jìn)一步展開相關(guān)研究,以更好地揭示其內(nèi)部差異性和整體復(fù)雜性。

4 結(jié) 論

1)2000—2019年,新疆全區(qū)干旱狀況有所緩解,整體呈濕潤(rùn)化。2008—2012年為重要分水嶺,期間SAPEI發(fā)生3次突變,且近年來干濕差異擴(kuò)大?？臻g上,新疆東部和北部的干旱程度高于中南部和西部,出現(xiàn)整體變濕但部分相對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)卻顯著變干的現(xiàn)象。

2)新疆春季顯著變干,秋季顯著變濕。夏季和冬季呈變濕趨勢(shì),干旱逐漸緩解;時(shí)間上,冬季干濕差異大于夏季,而夏季干濕變化的空間差異大于冬季。

3)20年來,新疆全區(qū)和分區(qū)的干旱強(qiáng)度均顯著降低,南疆干旱強(qiáng)度在春季呈增加趨勢(shì),東疆干旱強(qiáng)度隨季節(jié)變化較大,具有不穩(wěn)定性?？臻g上,新疆東北部干旱強(qiáng)度高,中部和西南部低;整體屬輕旱和中旱范疇,以中旱為主,個(gè)別地區(qū)達(dá)重旱。

4)新疆干旱站次比有所降低,干旱范圍呈縮減趨勢(shì),但同時(shí)也存在干旱等級(jí)提升的風(fēng)險(xiǎn)。季節(jié)上,新疆春季干旱范圍擴(kuò)大,夏季、秋季和冬季干旱范圍縮減。全局性干旱發(fā)生頻次總體上仍處于較高水平,特別是近5年全局性干旱事件增多,需引起重視。

5)總體上,新疆干旱頻率的空間分布為南北高、東西低,中部和西部的干旱頻率分布交錯(cuò)復(fù)雜。分等級(jí)而言,北疆南部為輕旱,東北部為中旱,西北部為重旱;南疆主要為中旱和輕旱;東疆西部多為輕旱,而東部則主要為重旱。