張金丹，劉明春，李興宇，丁文魁，楊華，蔣菊芳

（1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省武威市氣象局/武威國家氣候觀象臺，甘肅 武威 733000）

引言

IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）AR6（第六次氣候變化報告）（IPCC，2022）指出，近10 a（2011—2020年）全球地表平均溫度比1850—1900年高1.09 ℃，比2003—2012年（IPCC AR5評估的時間段）增暖0.19 ℃（周波濤，2021）。全球氣候變暖加劇了干旱災害事件的發(fā)生（Dai and Zhao，2017；王鶯等，2022；唐懿等，2022），使干旱成為全球范圍內(nèi)最大的自然災害之一。干旱為影響植被生長的主要因素之一，持續(xù)干旱會嚴重限制植被生長，而植被是地球上聯(lián)系土壤、大氣、水分的紐帶（傅伯杰等，2020），在陸地生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，因此，在全球變暖、干旱事件頻發(fā)的背景下（楊舒暢和楊恒山，2019；Tsegai et al.，2022），分析植被對干旱的響應(yīng)關(guān)系具有重要現(xiàn)實意義。

歸一化植被指數(shù)（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）是反映植被活動狀況的重要指標（Piao et al.，2006）。由于NDVI與植被生產(chǎn)力和植被覆蓋度之間具有較好的擬合關(guān)系，被廣泛用于植被覆蓋度變化、植被生產(chǎn)力、干旱等研究（曹曉云等，2022；李璠和徐維新，2017）。研究表明，我國植被覆蓋度總體呈增加趨勢，其中淮河流域、東北地區(qū)南部、黃土高原以及西部地區(qū)等增加速率較快（易雪等，2021；趙明偉等，2019）。另外，許多研究利用NDVI評估氣候變化對植被生長特性的影響及植被對當?shù)貧夂蜃兓姆答佇?yīng)（Nemani et al.，2003；Zhang et al.，2003；羅新蘭等，2020），表明不同區(qū)域植被覆蓋度的變化特征不盡相同，這是植被對氣溫、降水等環(huán)境條件的依賴程度不同所致（盧喬倩等，2020），因此開展不同區(qū)域植被覆蓋度對氣候變化的響應(yīng)研究非常必要。

石羊河流域處于西北干旱區(qū)、東部季風區(qū)和青藏高原區(qū)氣候交界地帶，是典型的生態(tài)敏感區(qū)，環(huán)境抵御自然災害的能力較低。特殊的地理條件和氣候特征導致石羊河流域干旱頻發(fā)（張調(diào)風等，2013）。但目前干旱災害對石羊河流域自然生態(tài)系統(tǒng)的影響方面研究較少，因此，研究石羊河流域干濕氣候變化的客觀規(guī)律，了解干旱災害的時空分布特征及對植被NDVI的影響具有重要意義。本文旨在分析近50 a石羊河流域干濕變化特征，揭示干旱事件時空演變規(guī)律，并探討植被指數(shù)對干旱的響應(yīng)，以期為流域干旱災害的預測預警提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域（101°41′E—104°16′E，37°02′N—39°17′N）地處河西走廊東部，為甘肅省三大內(nèi)陸河流域之一，行政范圍包括武威市古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣和天?？h部分區(qū)域及金昌市金川區(qū)和永昌縣（圖1）。流域總面積約4.12萬km2，主要由西大河、東大河、西營河、金塔河、雜木河、黃羊河、古浪河和大靖河等河流組成，多年產(chǎn)流15.0億m3。流域氣候以大陸性干旱氣候為主，受高原氣候和沙漠氣候共同影響。流域上游祁連山區(qū)年降水量較多，平均為300～500 mm，中下游干旱少雨、蒸發(fā)量大，年平均降水量為113～171 mm，年平均蒸發(fā)量為1 500～2 700 mm，是典型的干旱區(qū)水資源脆弱帶。

圖1 石羊河流域氣象站點空間分布Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations in the Shiyang River Basin

2 資料與方法

2.1 資料及處理

以石羊河流域及鄰近地區(qū)代表站為研究對象，收集和整編上游的烏鞘嶺（1971—2020年）、古浪（1971—2020年）、天祝（1992—2020年），中游的武威（1971—2020年）、永昌（1971—2020年）和下游的民勤（1971—2020年）6個氣象站逐月降水和氣溫資料。四季劃分按照3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季進行分析。植被生育期劃分按照1—2月為生長前期，3—5月為生長初期，6—8月為生長中期，9—10月為生長末期進行分析。

為較好地反映干濕氣候與自然植被的內(nèi)在關(guān)系，一定程度消除人類活動（農(nóng)作物種植、植樹造林等）對植被的影響，選用天祝縣自然草地生態(tài)系統(tǒng)2000—2020年歸一化植被指數(shù)（NDVI）月數(shù)據(jù)進行分析，該數(shù)據(jù)由美國EOS/MODIS（Earth Observation System/Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）提供，分辨率為1 km?；贛RT和ArcGIS軟件，對NDVI數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換、拼接、裁剪、去空值、最大值合成和標準化等處理，得到逐月的標準化NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 方法

降水溫度均一化指數(shù)是降水標準化變量與溫度標準化變量之差，計算公式（吳友均，2011）如下：

式中：Si為某時段降水溫度均一化指數(shù)，P、Pˉ（mm）分別為某時段（月、季、年）降水量、同時段多年平均降水量；σP為降水量均方差；T、Tˉ（℃）分別為某時段（月、季、年）平均氣溫和同時段多年平均氣溫；σT為氣溫均方差。

張強等（1998）研究發(fā)現(xiàn)，降水溫度均一化指數(shù)夸大了氣溫變化對干旱強度的作用，由于氣溫對干旱的影響程度隨地區(qū)和時間不同而存在差異，在運用時，應(yīng)對溫度影響項適當增加適當權(quán)重。章大全等（2010）利用溫度、降水和Palmer旱澇指數(shù)均一化數(shù)據(jù)庫構(gòu)建統(tǒng)計模型，計算得到中國西北地區(qū)西部溫度對干旱的貢獻率約為20%，降水對干旱的貢獻率約為80%，基于以上研究，龐晶等（2019）在原降水溫度均一化指數(shù)（Si）計算公式中對降水和溫度影響項分別加0.8和0.2的權(quán)重，得到新的降水溫度均一化指數(shù)（S），計算公式如下：

公式（2）也適用于研究石羊河流域各氣象站干濕氣候特征，基于該公式計算石羊河流域月、季、年尺度的S指標，并將S指標分為3個等級：濕潤、正常、干旱（表1）。

表1 月、季和年尺度的S指標干濕等級劃分標準Tab.1 standard for drought-wetness classification of S index in monthly, seasonal and annual scale

從干旱頻次、干旱頻率及干旱站次比等方面對石羊河流域的干旱變化特征進行評估，其中干旱頻率及干旱站次比計算公式（道日娜和包玉海，2019）如下：

式中：Pi為干旱頻率；n為該站點數(shù)據(jù)序列中發(fā)生干旱的次數(shù)；N為該站點數(shù)據(jù)序列數(shù)；i為不同站點代號；Pj為干旱站次比；M為研究區(qū)總氣象站數(shù)；m為發(fā)生干旱的站數(shù)；j代表不同年份。當Pj≥50%時，為全區(qū)域性干旱；當33%≤Pj＜50%時，為區(qū)域性干旱；當25%≤Pj＜33%時，為部分區(qū)域性干旱；當10%≤Pj＜25%時，為局域性干旱；當Pj＜10%時，無干旱發(fā)生。

利用ArcGIS軟件繪制石羊河流域各站點空間分布圖；使用Mann-Kendall檢驗方法進行S指標的突變分析，該方法廣泛應(yīng)用于檢測環(huán)境數(shù)據(jù)時間序列的變化趨勢及變化趨勢的起始位置（馬景釗和郝璐，2021）。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域干濕氣候時空變化特征

3.1.1 年際變化特征

圖2為1971—2020年石羊河流域S指標的年際變化和M-K突變檢驗?？梢钥闯?，S指標呈明顯上升趨勢，線性傾向率為0.266（10 a）-1，2019年最大為1.77，1991年最小為-1.61，表明近50 a石羊河流域呈濕潤化趨勢，干旱年份主要集中在1972—1991年，占總干旱年份的81%。M-K檢測表明，在置信區(qū)間內(nèi)，UF和UB曲線相交于1997年，表明石羊河流域干旱形勢在1997年發(fā)生突變，1997年前流域S指標多為負值，干旱程度較強，1997年后多為正值，且呈明顯增大趨勢，濕潤化程度增強，2002年后濕潤化趨勢超過α=0.05的置信水平。1997年以前，發(fā)生干旱的年份有1972、1974—1975、1980、1982、1986—1987、1990—1991年，其中，發(fā)生3次連續(xù)2 a干旱；1997年以后，干旱年為2009、2013年，未發(fā)生連續(xù)2 a干旱，表明石羊河流域干旱程度明顯減輕。

圖2 1971—2020年石羊河流域S指標年際變化和M-K突變檢驗Fig.2 The inter-annual variation and M-K mutation test of S index in the Shiyang River Basin during 1971-2020

干旱站次比的高低可在一定程度上反映干旱范圍，從而表明區(qū)域干旱的嚴重程度。近50 a來，石羊河流域干旱站次比呈下降趨勢（圖3）。其中，1972、1974、1982、1990、1991、2005、2009、2013、2015年干旱站次比較大，超過50%，發(fā)生全域干旱。突變前，1972年和1991年所有站點均發(fā)生干旱，而突變后未出現(xiàn)全部站點同時干旱的情況，說明石羊河流域干旱發(fā)生區(qū)域有縮小趨勢。

圖3 1971—2020年石羊河流域干旱站次比年際變化Fig.3 The inter-annual variation of drought station frequency ratio in the Shiyang River Basin from 1971 to 2020

3.1.2 季節(jié)變化特征

1971—2020年石羊河流域在季節(jié)尺度上發(fā)生單季干旱共46次，其中春旱13次，占28.3%（圖4）；夏旱10次，占21.7%；秋旱12次，占26.1%；冬旱11次，占23.9%，春旱占比最大，其次為秋旱、冬旱，夏旱占比最少。發(fā)生連季干旱共46次，其中發(fā)生冬-春連旱10次，占21.7%，春-夏、秋-冬連旱均發(fā)生9次，均占19.6%，夏-秋連旱發(fā)生7次，占15.2%，春-夏-秋3季連旱發(fā)生6次，占13.0%，春-夏-秋-冬4季連旱發(fā)生5次，占10.9%。說明在連旱災害中，冬-春連旱占比較大，其次為春-夏和秋-冬連旱，春-夏-秋-冬4季連旱發(fā)生次數(shù)最少。

圖4 1971—2020年石羊河流域干旱頻次的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of drought frequency in Shiyang River Basin during 1971-2020

1971—2020年石羊河流域不同季節(jié)S指標呈緩慢上升趨勢，且不同季節(jié)S指標增加速度存在差異（圖5）。春季S指標的變化傾向率為0.145·（10 a）-1，M-K突變檢驗顯示，UF和UB曲線相交于1981年，且交點在置信水平線之間，即自1981年起，流域春季開始趨于濕潤化［圖5（a）］；夏季S指標的變化傾向率為0.184·（10 a）-1，沒有明顯的突變點［圖5（b）］；秋季S指標的變化傾向率為0.103·（10 a）-1，UF和UB相交于1999年，且交點在置信水平線之間，即自1999年起，流域秋季濕潤化開始加?。蹐D5（c）］；冬季S的變化傾向率為0.182·（10 a）-1，也沒有明顯的突變點［圖5（d）］。綜上所述，近50 a石羊河流域春、夏、秋、冬季均表現(xiàn)為濕潤化趨勢，其中夏季濕潤化速度最快。

圖5 1971—2020年石羊河流域不同季節(jié)S指標年際變化及M-K突變檢驗（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季Fig.5 The inter-annual variation and M-K mutation test of S index in different seasons in the Shiyang River Basin during 1971-2020(a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

3.2 流域干濕空間變化特征

表2為流域突變前、后（1971—1996年、1997—2020年）平均S指標及干旱頻率，可以看出石羊河流域不同地區(qū)不同時間干旱程度存在明顯差異。1971—1996年，流域各站S指標為-0.18～0.31，其中，永昌干旱程度最強，S指標為-0.18，其次為烏鞘嶺、涼州、民勤，古浪干旱程度最弱，S指標為0.31；1997—2020年，流域各站S指標為-0.19～0.02，其中永昌干旱程度最強，S指標為-0.19，其次是古浪、民勤、涼州、烏鞘嶺，天祝干旱程度最弱，S指標為0.02。整體來看，石羊河中下游干旱程度較強，高于上游地區(qū)。

表2 1971—1996年和1997—2020年石羊河流域不同站點平均S指標及干旱頻率Tab.2 The mean S index and drought frequency of different stations in Shiyang River Basin during 1971-1996 and 1997-2020

1971—1996年流域各站干旱頻率明顯高于1997—2020年。1971—1996年，石羊河流域干旱頻率最高的地區(qū)是民勤和烏鞘嶺，均為28%，其次為涼州、永昌，均為24%，古浪干旱頻率較低，為16%；1997—2020年，石羊河流域干旱頻率最高的地區(qū)是天祝，為28%，民勤、涼州均為20%，古浪、烏鞘嶺均為16%，永昌干旱頻率最低為8%。整體來看，石羊河流域下游地區(qū)干旱頻率高于中上游地區(qū)。

3.3 干濕對NDVI的影響

表3列出2000—2020年天祝不同時段不同氣象要素與NDVI的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，1—10月S指標與年NDVI呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.684，年NDVI隨S指標的增大而增大，1—10月干旱程度減小，全年植被覆蓋增加。1—10月降水量與年NDVI呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.597，氣溫與年NDVI呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.504。說明年NDVI隨著1—10月降水量增多、氣溫降低而增加。生長前期、初期、中期S指標與年NDVI呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.619、0.557、0.717，說明生長中期干旱對植被生長影響最大。年NDVI與生長前期、中期降水量呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.600、0.595，與生長中期氣溫呈顯著負相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.617，說明生長前、中期降雨增加、生長中期氣溫降低有利于全年植被的增加。

表3 2000—2020年天祝不同時段不同氣象要素與年NDVI的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between different meteorological elements and annual NDVI in Tianzhu in different time periods from 2000 to 2020

從不同月份S指標與同期NDVI及滯后1、2、3個月NDVI的相關(guān)性（表略）可以看出，2月S指標與4月、5月的NDVI呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別為0.503、0.456；5月S指標與6月、7月的NDVI呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.583、0.742，與8月NDVI呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.539；6月S指標與同期、7月的NDVI呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.830、0.704；7月S指標與8月、9月、10月的NDVI均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.632、0.607、0.554；8月S指標與9月NDVI呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.490。以上結(jié)果表明，大部分月份NDVI對S指標有滯后效應(yīng)，其中，2月、5月、7月干旱分別對其后1—3個月的植被覆蓋有較大影響，6月干旱對同期植被覆蓋影響較大。

通過對比天祝2000—2020年降水量、S指標、NDVI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（表4），S≥0.76的濕潤年份為2011、2012、2014、2016、2018和2019年，主要集中在2010—2020年，年降水量為412.4～516.0 mm；S≤-0.67的干旱年份為2004、2005、2006、2008和2009年，主要集中在2000—2010年，年降水量為251.8～290.0 mm。在濕潤年和干旱年NDVI均隨降雨增多而增大，說明無論是濕潤年還是干旱年降水量增加均有利于植被生長。

表4 天祝站典型年份不同指標分析Tab.4 Analysis of different indicators in typical years of Tianzhu station

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

目前，西北地區(qū)正由暖干型向暖濕型轉(zhuǎn)變（張強等，2010），其原因與近年來降水量增加有關(guān)，與潛在蒸發(fā)也有一定關(guān)系（王菱等，2004），本文研究發(fā)現(xiàn)石羊河流域有濕潤化發(fā)展趨勢，這與張利利等（2017）研究結(jié)論基本一致。另外，干旱事件的發(fā)生因季節(jié)不同而存在明顯差異（張宇等，2018）。本文分析石羊河流域近50 a的干旱演變趨勢，發(fā)現(xiàn)該流域四季中春季干旱頻次最高，因此，預警預防時應(yīng)著重關(guān)注春季，但也要密切注意夏旱和秋旱的實時監(jiān)測，避免影響植株生長，進而影響植被的覆蓋程度。西北地區(qū)干旱因地形、氣候差異具有明顯的區(qū)域特征（薛亮等，2023），本文研究發(fā)現(xiàn)石羊河流域中下游干旱程度較強，高于上游地區(qū)，其原因可能是干旱對降水量較為敏感，而在上游山區(qū)干旱程度與各類氣候影響因子的敏感系數(shù)均高于中下游平原區(qū)（張雪蕾等，2017）。

NDVI與生長季干旱程度顯著相關(guān)，當區(qū)域干旱加重時，NDVI降低，這與王兆禮等（2016）和劉洋洋等（2022）的研究結(jié)論基本一致。主要原因是干旱使得植物的葉片水分和營養(yǎng)供給不足，植物通過減少葉面積和氣孔導度來防止體內(nèi)水分散失過多以維持一定的光合作用，進而降低植物光合作用與生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用而導致生長減弱（羅丹丹等，2019）。另外，干旱脅迫會破壞植物細胞膜系統(tǒng)，使植物細胞內(nèi)O2的產(chǎn)生與清除失衡，這也是干旱造成植物傷害的重要原因之一（魯松，2012）。不同生長階段干旱對植被覆蓋的影響不同，作物生長中期干旱對NDVI抑制作用較強。干旱指數(shù)與植被覆蓋度相關(guān)性顯著階段通常會出現(xiàn)在生長初期至峰值期（6—8月）（苗百嶺，2017；顧錫羚等，2021），本文研究發(fā)現(xiàn)天祝地區(qū)6月干旱對年和同期NDVI均有顯著影響，而5月、7月干旱對NDVI產(chǎn)生較強的滯后影響，滯后期為1～3個月，因此植被生長受春旱、夏旱影響較重，其原因是這一階段植物的生長速度較快（朱生翠等，2020），而天祝地區(qū)海拔較高，相對于平原地區(qū)溫度較低，降水不足，植被對水熱因子的變化更敏感。本文也證實了植被生長中期降水與NDVI呈極顯著正相關(guān)，而氣溫與NDVI呈極顯著負相關(guān)，天祝植被覆蓋受生長中期的氣溫、降水影響較大。

4.2 結(jié)論

本文基于石羊河流域及鄰近地區(qū)6個氣象站近50 a氣象數(shù)據(jù)，計算不同時間尺度的降水溫度均一化指數(shù)（S），從干旱站次比、干旱頻次及干旱頻率等方面分析石羊河流域干濕氣候的時空變化，并結(jié)合NDVI資料，分析干濕變化對NDVI的影響，主要結(jié)論如下：

（1）近50 a來，石羊河流域S指標呈明顯上升趨勢，即趨于濕潤化，且在1997年干旱形勢發(fā)生突變，2002年后濕潤化趨勢達到顯著性水平。石羊河流域干旱發(fā)生區(qū)域也呈縮小趨勢。

（2）在季節(jié)尺度上，石羊河流域春旱災害占比最大，其次為秋旱、冬旱和夏旱。在連旱災害中，冬-春連旱占比最大，其次為春-夏和秋-冬連旱，春-夏-秋-冬4季連旱發(fā)生次數(shù)最少。近50 a來石羊河流域春、夏、秋、冬季均表現(xiàn)為濕潤化趨勢。

（3）石羊河流域干旱程度最強的地區(qū)是永昌，干旱頻率最高的地區(qū)是天祝。整體來看，石羊河流域中下游干旱程度較強，高于上游地區(qū)，干旱頻率下游地區(qū)高于中上游地區(qū)。

（4）S指標與NDVI的相關(guān)性分析表明，1—10月S指標與年NDVI呈顯著正相關(guān)，即隨著干旱減輕，植被覆蓋增加。NDVI隨降水量的增多和氣溫的降低而增加，其中，植被生長中期發(fā)生干旱災害對植被覆蓋影響最大。2月、5月和7月NDVI對干旱存在滯后效應(yīng)，6月干旱對同期植被覆蓋影響較大。