天山西部地区近50年干旱指数的演变特征

夏依木拉提·艾依达尔艾力，赵 蓉

（1.新疆伊犁水文水资源勘测局，新疆 伊宁 835000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

国内外研究证实，全球气候变暖和转型已是不争的现实［1］。中国的黄河流域、西北地区以及其他广大区域的气温、降水、蒸发等气象要素均发生了不同程度的变化［2-12］。

中国天山西部地区位于欧亚大陆腹地，地形复杂，地貌特殊，属中温带大陆性半干旱气候区。在全球气候转型的大背景下，该地区的气温、降水、蒸发以及河川径流等气候和水文要素也在发生着变化［13］。而气温的升高、降水以及河川径流分布的不均匀性，使季节性干旱成为中国天山西部地区比较严重和普遍的自然灾害之一，并对经济社会和自然环境产生了深刻的影响。

干旱指数是研究干旱气候的基础，更是干旱半干旱区需要进一步研究的重要问题。在干旱研究中，明确干旱指数是分析干旱的关键。张强、詹志明、吴洪宝、卫捷、张存杰、张天峰等［14-19］从不同角度分析了不同地区干旱的主要特征，并证实了合理的干旱指数对于正确评价干旱状况和开展干旱分析服务十分必要。因此，探讨天山西部地区干旱指数在气候转型条件下的变化特征和趋势，对于科学认识区域气候类型、开展气候研究和服务于社会生产，都具有十分重要的指导意义。

2 研究方法

2.1 资料选择 选用地处中国天山西部伊犁河流域伊犁州直的伊宁市、伊宁、霍城、察布查尔、巩留、尼勒克、新源、特克斯、昭苏9个县市气象站1957—2006年月年降水、气温、20cm口径蒸发皿水面蒸发观测资料。其中，20cm口径蒸发皿观测资料按《水资源评价导则》规定，均统一换算为E-601型蒸发器水面蒸发量［20］。

所用资料均为严格按照国家有关行业标准进行收集、审查、汇编等程序核定后录入国家气象专用数据库的资料，精度基本可靠。本研究对各项成果资料进行了全面的合理性分析和检查，对其中错误或不合理的数据进行了剔除或修正。由于各站收集资料年限不尽相同，为使资料序列统一和便于统计对照分析，对部分站部分年份未观测时段，采用相关分析等方法进行了系列的插补延长。在此基础上，获取各站历年季和年的特征序列，并用9个站的平均序列值近似代表全地区或流域的平均情况。

2.2 区域划分 为便于进行气候划分和分析比较，对研究区域采用了两种分区划分方法：一是按伊犁州直县市行政区划，将研究区划分为9个县市区；二是根据流域自然地理条件和气候特点，将研究区划分为特克斯河谷区（包括特克斯和昭苏县和巩留县一部分）、巩乃斯河谷区（包括新源县）、喀什河谷区（包括尼勒克县）和伊犁河谷区（包括伊宁市、伊宁、霍城、察布查尔和巩留县一部分）4个分区。研究区分布示意图见图1。

图1 伊犁州直县市分布

2.3 计算方法 干旱指数是反映某一地区气候干、湿程度的指标之一。水文学上一般采用年水面蒸发量（或年水面蒸发能力）与年降水量的比值来表示［20、21］，具体计算公式如下：

式中：γ为干旱指数；E0为年水面蒸量或年水面蒸量能力（mm）；P0为年降水量（mm）。

由于水面蒸发是充分供水条件下的蒸发，因此，水面蒸发量与水面蒸发能力是完全相同的［23］。由于缺乏水面蒸发量实测资料，本文近似以E-601型蒸发器观测值E601代替年水面蒸发量E0。

式中：K为水面蒸发折算系数；E601为E-601型蒸发器观测的蒸发量（mm）；E20为20cm口径蒸发皿观测的蒸发量（mm）。

式（2）中的水面蒸发折算系数K值，由流域各分区代表站E-601型蒸发器与20cm口径蒸发皿水面蒸发量对比观测资料，按式（3）计算后获取，从而可将各分区代表站的长系列20cm口径蒸发皿水面蒸发量观测资料，由式（2），按《水资源评价导则》［21］规定，统一换算为E-601型蒸发器的水面蒸发量。

干旱指数γ与气候干、湿分布带关系十分密切，通常当γ＜1.0时，说明该区域降水量超过水面蒸发量（或水面蒸发能力），气候湿润或十分湿润；当1.0≤γ＜3.0时，说明该区域降水量接近或小于水面蒸发量（或水面蒸发能力），气候半湿润；当3.0≤γ≤7.0时，说明该区域水面蒸发量大于降水量，气候偏于干旱；当γ＞7.0时，说明该区域水面蒸发量（或水面蒸发能力）远远大于降水量，气候干旱，且干旱指数γ值越大，气候干旱程度越强烈［21、23］。干旱指数γ与我国气候干、湿程度分级见表1。

由各站历年的降水、蒸发和气温资料，分别计算出1957—2006年春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和日历年的干旱指数，并计算其多年均值和不同年代的平均值。采用数理统计、相关分析、趋势分析、滑动平均等方法进行干旱指数变化特征的分析研究。

表1 中国干湿程度分级

3 干旱指数的变化特征

3.1 由干旱指数进行的气候分类 由表2按行政分区统计的干旱指数计算结果可知：行政分区9站算术平均法计算的多年平均干旱指数为3.04，全地区气候属于半干旱区。其中，昭苏、新源、尼勒克、特克斯和伊宁5个县多年平均干旱指数分别为1.65、2.04、2.21、2.36和2.98，均属于半湿润区；巩留、伊宁市、霍城和察布查尔4个县市多年平均干旱指数分别为3.33、3.90、4.16和4.74，均属于半干旱区。

表2 按行政分区计算的干旱指数及其气候分类

若与按流域划分的4个分区计算结果进行对照（表3）：特克斯河谷区干旱指数为2.01，属于半湿润区；巩乃斯河谷区和喀什河谷区干旱指数分别为2.04和2.21，也属于半湿润区；伊犁河谷区干旱指数为3.82，属于半干旱区。而全流域按流域分区算术平均法和面积加权法计算的平均干旱指数分别为2.52和2.64，全流域则属于半湿润区。因此，本区域总的气候类型应为半湿润—半干旱区。昭苏、新源、尼勒克和特克斯4个县气候属于半湿润区，不是荒漠环境，因此，不应列入绿洲区。该结论与杨发相、付强等学者的研究结论相一致［24］。

3.2 干旱指数的地区分布特点 天山西部地区干旱指数具有明显的地区分布特性，其总体分布特点是：从西北向东南逐渐下降，流域中西部的伊犁河谷平原区是干旱指数最高的地区，多年平均干旱指数在3.00～5.00之间；流域南部的特克斯河谷区多年平均干旱指数在2.0左右，其中昭苏县多年平均干旱指数为1.65，是干旱指数最低的地区；流域东部的巩乃斯河谷区与喀什河谷区干旱指数介于以上两者之间，多年平均干旱指数在2.10左右。干旱指数随地理位置、气候和海拔高程的不同而变化。一般而言，平原、气候温和以及海拔高程低的地区的干旱指数高，山区、气候寒冷以及海拔高程高的地区的干旱指数低。干旱指数的地区分布与水面蒸发量的地区分布基本一致，存在明显的垂直地带分布规律。干旱指数随着海拔高程的增高、气温的降低、降水量的增大、水面蒸发量的减少而下降。由图2所示的区域代表站多年平均干旱指数与海拔高程相关关系可以看出，干旱指数随海拔高程的增高而下降，与海拔高程呈明显的负相关关系，海拔高程每增高100m，干旱指数则下降0.22。

表3 按流域分区计算的干旱指数及其气候分类

3.3 干旱指数的年际变化特点 研究区9站的年干旱指数的变差系数Cv值在0.25～0.35之间，9站平均系列的Cv值为0.28；春季干旱指数的Cv值在0.43～0.73之间，9站平均系列的Cv值为0.55；夏季干旱指数的Cv值在0.31～0.65之间，9站平均系列的Cv值为0.44；秋季干旱指数的Cv值在0.44～0.83之间，9站平均系列的Cv值为0.53。说明各站历年年干旱指数的年际变化较不稳定，尤其是春季和秋季干旱指数的年际变化较大。同样，进一步的分析显示，各站历年最大与最小年干旱指数的倍比值在2.6～5.1之间，变化也较大。

3.4 干旱指数的时空分布特点 由表4统计结果可知，近50年来，区域各行政分区以及流域分区各分级年干旱指数发生的频次及频率不尽相同。地处半湿润地带特克斯、巩乃斯和喀什河谷区的昭苏、新源、特克斯和尼勒克4县，发生气候型半干旱及干旱的频率平均仅为8.5%，而发生气候型半湿润及湿润的频率平均为91.5%，说明该地区干旱化程度较低，湿润化程度较高；但地处半干旱地带伊犁河谷区的察布查尔、霍城、伊宁市、巩留和伊宁5县市发生气候型半干旱及干旱的频率平均为68.8%，即大约每3年发生一次气候型半干旱情况，而发生气候型半湿润及湿润的频率平均为31.2%，说明该地区干旱化程度较高，湿润化程度较低。其中，察布查尔县发生气候型干旱的频率为10%，发生气候型半干旱的频率为82%，即每10年发生一次气候型干旱，并且每年都有可能发生气候型半干旱情况，但其发生气候型半湿润及湿润的频率仅为8%，与其降水量较少、气候干燥、年干旱指数较高等实际情况相符。

同样对区域各行政分区以及流域分区各分级季干旱指数发生频次及频率统计结果显示（表5—表7）：特克斯、巩乃斯和喀什河谷区的昭苏、新源、特克斯和尼勒克4县，春、夏、秋3季发生气候型半干旱及干旱的频率分别为15%、26%、18%，而发生气候型半湿润及湿润的频率分别为85%、74%、82%，说明该地区春、夏、秋3季湿润化程度均较高，并且其时空分布基本一致；但伊犁河谷区的察布查尔、霍城、伊宁市、巩留和伊宁5县市，春、夏、秋3季发生气候型半干旱及干旱的频率分别为56.8%、93.6%、47.6%，而发生气候型半湿润及湿润的频率分别为43.2%、6.4%、52.4%，说明该地区夏季干旱化程度很高，春、秋两季干湿化程度基本相近，而夏季与春、秋两季相比较，干湿化程度的空间分布的一致性较低。

表4 天山西部地区近50年各分级年干旱指数发生频次及频率统计

表5 天山西部地区近50年各分级春季干旱指数发生频次及频率统计

表6 天山西部地区近50年各分级夏季干旱指数发生频次及频率统计

表7 天山西部地区近50年各分级秋季干旱指数发生频次及频率统计

4 干旱指数的变化趋势及原因分析

4.1 干旱指数的变化趋势 表8是天山西部地区9站1957—2006年年干旱指数的变化比较。由表可知，20世纪80年代以来，本区域平均干旱指数总体呈下降趋势，20世纪90年代和21世纪初中叶的干旱指数较1957—2006年50年年均值分别下降约5%和16%，较1957—1986年前30年的年均值下降约12%和22%。

图3为区域代表站1957—2006年平均年干旱指数的年际变化过程。由图可见，20世纪60年代至80年代中期，代表站的平均年干旱指数总体呈下降趋势。而平均年干旱指数与时间序列（年）拟合的趋势线（图中直线）表明，近50年以来，代表站的年干旱指数呈下降趋势，其气候倾向率为-0.167/10a。按季节拟合的结果（图略）进一步显示，春季平均干旱指数的气候倾向率为-0.118/10a，夏季平均干旱指数的气候倾向率为-0.355/10a，秋季平均干旱指数的气候倾向率为-0.119/10a，表明在季节变化中以夏季干旱指数的下降趋势尤为明显。但年以及春、夏、秋3季干旱指数的趋势线均不能通过α≤0.05水平的相关性显著检验，说明干旱指数虽然呈下降趋势，但变化并不显著。

表8 天山西部地区不同时期年干旱指数变化比较

4.2 干旱指数变化的原因 干旱指数是对降水、蒸发、气温等气象要素的综合反映［19］。总体而言，降水、蒸发、气温等气象要素是影响干旱指数的重要因素［23］，图4为区域代表站1957—2006年平均年水面蒸发量与年降水量系列的相关关系。不难发现，年水面蒸发量与年降水量呈负相关关系，相关系数达0.792，并可通过信度0.01显著性水平的检验。进一步的分析表明：代表站1987—2006年年水面蒸发量呈减少趋势（图5），其气候倾向率为-17.1mm/10a，并可通过信度0.01显著性水平的检验；而代表站同期年降水量呈增加趋势（图略），其气候倾向率为10.4mm/10a，但不能通过α≤0.05水平的相关性显著检验。年水面蒸发量减少的速率大于年降水量增加的速率，可以初步认为，水面蒸发量的显著减少是天山西部地区干旱指数降低的主要影响因素之一。

5 结论和讨论

由以上分析结果，可以得出如下初步结论：

（1）按行政分区统计，昭苏、新源、尼勒克、特克斯和伊宁5县多年平均干旱指数分别为1.65、2.04、2.21、2.36和2.98，属于半湿润区；巩留、伊宁市、霍城和察布查尔4县市多年平均干旱指数分别为3.33、3.90、4.16和4.74，属于半干旱区。按流域划分的4个分区统计，特克斯河谷区、巩乃斯河谷区和喀什河谷区属于半湿润区，伊犁河谷区属于半干旱区。全地区按流域分区算术平均法和面积加权法计算的多年平均干旱指数分别为2.52和2.64，全地区气候属于半湿润区，而全地区总的气候类型应为半湿润—半干旱区。昭苏、新源、尼勒克和特克斯4个县不是荒漠环境，不应列入绿洲区。

（2）天山西部地区年干旱指数具有明显的地区分布特性，年干旱指数随海拔高程的增高而降低，海拔高程每增高100m，年干旱指数则下降约0.22。一般而言，平原、气候温和以及海拔高程低的地区干旱指数高，山区、气候寒冷以及海拔高程高的地区干旱指数低。干旱指数的地区分布与水面蒸发量的分布基本一致，存在明显的垂直地带分布规律。干旱指数随着海拔高程的增高、气温的降低、降水量的增大、水面蒸发量的减少而降低。

（3）天山西部地区平均系列年干旱指数的Cv值为0.28，春季为0.55，夏季为0.44，秋季为0.53，历年干旱指数的年际变化较不稳定，尤其是春、秋两季的年际变化较大。

（4）近50年来，研究区各行政分区和流域分区各分级年干旱指数发生的频次及频率不尽相同。地处半湿润区的昭苏、新源、特克斯和尼勒克4县，年度和春、夏、秋3季发生气候型半湿润及湿润的频率分别为91.5%和85.0%、74.0%、82.0%，湿润化程度较高；而地处半干旱区的察布查尔、霍城、伊宁市、巩留和伊宁5县市，年度和春、夏、秋3季发生气候型半干旱及干旱的频率分别为68.8%和56.8%、93.6%、47.6%，年度和夏季的干旱化程度很高，而春、秋两季干湿化程度基本相近。

（5）近50年以来，研究区平均年干旱指数总体呈下降趋势，20世纪90年代和21世纪初中叶的干旱指数较1957—2006年50年年均值分别下降约5%和16%，较1957—1986年前30年年均值下降约12%和22%，年干旱指数的气候倾向率为-0.167/10a，春季为-0.118/10a，夏季为-0.355/10a，秋季为-0.119/10a，表明在季节变化中以夏季干旱指数的下降趋势尤为明显。虽然年以及春、夏、秋3季干旱指数存在下降趋势，但其变化趋势并不显著。

（6）区域平均年水面蒸发量与年降水量呈负相关关系，年水面蒸发量呈减少的趋势，气候倾向率为-17.1mm/10a，而年降水量呈增加的趋势，气候倾向率为10.4mm/10a，年水面蒸发量减少的速率大于年降水量增加的速率，可以初步认为，水面蒸发量的显著减少是天山西部地区干旱指数减少的主要影响因素之一。

（7）在干旱指数计算过程中，由于缺乏实测资料，水面蒸发量间接采用E-601型蒸发器观测的水面蒸发量代替。根据有关方面的分析研究［25］，在新疆用E-601型蒸发器观测的水面蒸发量比天然水体水面蒸发量偏大10%左右，即实际计算天然水体水面蒸发量时，还要将E-601型蒸发器水面蒸发量乘以0.9的系数，换言之，干旱指数也应乘以0.9的系数。因此，由本文计算方法得出的干旱指数，至少也偏大了10%左右。而有的文章直接以20cm口径蒸发皿观测的蒸发量与降水量来计算干旱指数，导致干旱指数过大，显然是不正确的。

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