基于SPEI的中国西北地区气象干旱变化趋势分析

任培贵， 张 勃， 张调风， 李小亚， 陈 乐， 卢李朋

(西北师范大学 地理与环境科学学院， 甘肃 兰州 730070)

干旱是指水分收支不平衡时形成的一种水分短缺现象，是全球最严重的自然灾害之一。近年来，在气候变暖背景下，干旱已成为一个严重危急人类生存的环境问题，从而引起了科学界的普遍关注。IPCC报告指出20世纪末以来，全球增温普遍升高，温度升高导致地表蒸散量加强，降水呈现出很强的区域性[1]，从而使干旱趋势进一步加剧。中国西北地区深居欧亚大陆腹地，主要受纬度西风、亚洲季风以及高原季风的扰动[2-4]，是同纬度最干旱的地区之一[5]，同时西北地区也是生态脆弱区和气候变化敏感区[6]，如果干旱进一步加强，将使得该区出现缺水、沙漠化加剧、生态环境恶化等问题，进而影响本区的社会经济发展。因此，在全球变暖背景下，深入研究西北地区干旱的演变特征，为及时制定改善生态环境状况的决策、调整区域农业种植制度和促进西北经济可持续发展有着十分重要的意义。

干旱指数是反映地面干湿状况的一个指标[7]，各干旱指数的研究机理不尽相同，在每个地区的适用性也不一样，所以客观、合理地选择干旱指标，对于干旱的研究具有重要的现实意义[8]。近年来，众多学者从降水、蒸散量等方面运用气象干旱指数对研究区的干旱演变特征进行了分析，主要分为两类：一类是研究降水量的分布规律，以SPI和Z指数为代表[9]，另一类是研究形成干旱的各个物理过程，以相对湿度指数(MI)和帕默尔干旱指数(PDSI)为代表[10]。但经过研究证明这些干旱指数都存在一定的局限性[11]。Vicente—Serrano等[12-13]提出了标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI),该指数通过降水和蒸散量来反映干旱的程度，是全球变暖背景下研究干旱的新的理想指标。SPEI指数被许多专家和学者用来研究干旱的变化特征，如石崇等[14]用SPEI干旱指数对东半球陆地干旱变化特征进行了研究，李伟光等[15-16]运用该指数分析了中国华南的干旱变化特征，王文举等[17]用该指数分析了湖北省的干旱演变特征，王林等[18]基于SPEI干旱指数分析了近百年来西南地区干旱的演变特征，结果表明该指数能很好地反映研究区的干旱状况。SPEI干旱指数在西北地区还没有被运用过，因此有必要把该指数用在西北地区对其干旱进行研究，一是验证在西北地区的适用性，二是分析本地区干旱的演变特征。

1 数据来源和分析方法

1.1 研究区概况

中国西北地区(73°25′—110°55′E和31°35′—49°15′N)包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西以及内蒙古的西部，面积约占国土面积的30%。由于该区深居内陆，水分供给主要靠大气降水，四周多高山，来自海洋的湿润气流很少能够到达，因而，成为同纬度最干旱的地区之一[19]。加之本区气温和降水受到地貌和气候类型复杂性的影响，年均气温和降水从东南向西北呈逐渐减小趋势，分布很不均匀[20]，最终使西北地区成为一个多气候类型共存的区域，导致干旱在时空上表现出多变性。由于干旱的复杂性，使得该区的植被从东南向西北依次为草原—荒漠草原—荒漠的特征。

1.2 数据来源

本文收集了中国气象局整编的西北地区173个国家标准气象站点1959—2011年的逐月常规观测数据，包括月降水和月平均气温等资料。我们对研究期多年数据资料进行了严格的质量控制和筛选，对部分不合理和缺失数据进行了必要的处理，最终选取了173个站点中的149个作为研究对象，建立了1959—2011年气象因子的时间序列。

1.3 SPEI指数计算过程

SPEI计算过程如下：

第1步：计算潜在蒸散量(PET)。Vicente-Serrano推荐的是Thornthwaite 方法：

(1)

式中：PET——潜在蒸散量；T——月平均温度(℃)；H——年热量指数；A——常数。

第2步：计算逐月降水量与蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi

(2)

式中：Di——降水量与蒸散量的差值；Pi——月降水量(mm)； PETi——月蒸散量。

第3步：采用3个参数的log-logistic概率分布对Di数据序列进行正态化，计算每个数值对应的SPEI指数：

(3)

式中：F(x)——概率密度函数；x——概率密度函数自变量； 参数α,β,γ的计算如下：

(4)

(5)

γ=ω0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

式中：Γ——阶乘函数；ω0，ω1，ω2——数据序列Di的概率加权矩：

(7)

(8)

式中：ωs——数据序列Di的概率加权矩；N——参与计算的月份个数。

最后对累计概率密度进行标准化：

P=1-F(x)

(9)

当累计概率P≤0.5时：

(10)

(11)

式中：c0，c1，c2，d1，d2，d3——参数。

当P>0.5时：

P=1-P

(12)

(13)

1.4 SPEI指数干旱等级划分

前人对各干旱指数进行了干旱等级的划分，但关于SPEI干旱阈值目前还没有一个统一的标准。李伟光等[16]用SPEI指数的不同干旱阈值对全国和华南地区的干旱演变进行了分析研究，王琳等[18]基于SPEI干旱指数自定义的干旱等级分析了近百年来西南地区干旱的演变特征，结果和历史干旱事件基本符合。在本文中我们参考李伟光等[15]对全国划分的干旱等级，初步划分SPEI指数的干旱等级(表1)。

表1 SPEI指数干旱等级划分

2 结果与分析

2.1 SPEI的年际和四季变化特征

为了揭示干旱在年际和不同季节的具体情况，分别分析了1959—2011年西北地区年际和四季的干旱波动情况。从图1可以看出，西北地区近53 a来平均SPEI值呈下降趋势，下降率为0.16/10 a；1996年之前SPEI值波动较平缓，1996年之后SPEI迅速下降，其速率达0.362/10 a。从四季变化可以看出，春季呈下降趋势，以0.147/10 a的速率下降，西北地区处在高压脊内，经常受到西风带的影响，所以造就了该区春季降水少，地面升温快，风大，潜在蒸散量大等气候特点。夏季呈下降趋势，以0.111/10 a的速率下降，初夏的时候西北地区高空受副热带高压活动的影响，因而南支波动减弱，导致此时本区域为相对少雨干旱季节。秋季呈下降趋势，以0.127/10 a的速率下降，因为在西北地区10月后每年几乎有一次强烈的极地冷空气向南扩散，从而使得大气环流形势发生巨大变化，导致西太平洋副热带高压南退，西风带环流活动频繁，冬季环流形势加强，从而使降水减少，出现少雨干旱的气候类型。冬季SPEI呈上升趋势，其速率为0.11/10 a，可能冬季温度低蒸发少所致[21]。年际和春、夏、秋季的SPEI值均呈缓慢下降趋势，从而说明干旱有缓慢加重之趋势。

图1 1959-2011年西北地区干旱年际和四季变化趋势

2.2 SPEI年际和四季突变检验

分析图2可知，西北地区近53 a来全区平均SPEI指数整体呈现出持续下降的趋势，从2006年至今这种下降趋势超过了显著性水平0.05临界线。在显著水平0.05的临界线内，UF和UB曲线相交于1996年，这是西北地区平均SPEI指数突变的开始。分析图2a可知，西北地区春季平均SPEI指数在1970—1989年呈现下降趋势，1989—1994年略有上升趋势，但从1994年至今呈下降趋势，且在2007年达到了下降趋势0.05的显著水平；UF和UB相交于1998年前后，说明1998年是个突变年份。由图2b可知，夏季平均SPEI指数在1967—1999年呈现上升趋势，上升趋势不明显，从1999年至今呈现下降趋势，在2008年下降趋势达到了0.05的显著水平；UF和UB相交于2005年前后，说明2005年是个突变年份。由图2c可知，秋季从20世纪70年代后期开始，平均SPEI指数呈下降趋势，且在1997年以后这种下降趋势超过了显著性水平0.05的临界线，说明西北地区秋季干旱化趋势明显；UF和UB相交于1980年前后，说明1980年是个突变年份。由图2d可知，冬季平均SPEI指数从20世纪70年代开始上升，甚至在2005年达到了0.05的显著水平；突变不明显。综上可知，西北地区除冬季外都有明显的变干趋势，突变发生的年份不一致，近10 a干旱有明显加重趋势。

2.3 SPEI的空间变化特征

中国西北地区气温和降水量时空变化上均存在不平衡性，加之受到地貌及气候类型的影响，其干旱发生在空间分布上也表现出一定的复杂性。图3为西北地区1959—2011年四季SPEI线性变化趋势空间分布图，不同季节的干旱演变在空间上差异性较大；夏季干旱加重趋势最显著，春季和秋季次之，冬季甚至以减轻趋势为主，这可能是因为冬季温度低蒸发量小所致。由图3a可知，春季，除新疆和青海局部地区(占站点总数的10%)干旱呈减轻趋势外，其余大部分地区呈现不同程度的加重趋势，新疆南部、宁夏以及陕西、甘肃和内蒙古的大部分地区干旱以0.15～0.3/10 a的趋势加重。由图3b可知，夏季，新疆西南部、青海中部、陕西南部地区干旱有不同程度的减轻趋势，占全部站点的23%；其余大部地区以加重趋势为主，其中新疆东南部、内蒙古西部和青海西北部的干旱趋势达到0.15～0.3/10 a，在新疆、甘肃和青海的交界处干旱趋势甚至高达0.3～0.45/10 a。由图3c可知，秋季，除新疆、青海、内蒙古的局部地区(占站点总数的16%)干旱有减轻趋势外，其余大部分地区呈现不同程度的加重之趋势，其中新疆东南部与青海西北部交界的地区干旱趋势显著，高达0.3～0.57/10 a。由图3d可以看出，冬季，除陕西南部外，其余各地区(占站点总数的58%)都呈不同程度的减轻趋势，减轻趋势不显著。

图2 1959-2011年西北地区SPEI年际和四季变化及M-K突变检验曲线

图3 1959-2011年中国西北地区四季SPEI线性变化趋势空间分布

2.4 SPEI指数在西北地区的适用性

本文应用SPEI干旱指数对西北地区近53 a来干旱特征及其时空演变进行了分析，由于该指数是首次运用到西北地区，所以有必要验证SPEI指数在西北地区的有效性，以便能更可靠地反映本研究区的实际干旱情况，这里我们采用SPEI干旱指数和历史干旱事件进行对比的方法，观测其再现能力。采用《西北干旱监测指标数据集》[22]作为验证资料，该数据集记载了西北地区1971—2008年各种干旱指数在西北地区的使用性，同时还给出了历史上一些干旱事件。本文随机选择了两个干旱年份和两个正常年份与数据集进行对比。结果表明，该指数可以反映1972年春季和2000年春季西北地区的干旱形势，而1995年夏季和2007冬季西北地区也基本没有发生干旱，这与西北地区的实际情况基本一致，只是在细节上有一定的差异。这里给出了1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北干旱分布情况(图4)。

通过与该数据集对比，结果显示1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北地区SPEI的分布与数据集所反映的干旱分布状况基本是一致的。1972年春季青海中部新疆内蒙古和陕西局部地区发生干旱，1995夏季年除新疆南部、青海中西部、陕西南部和内蒙古东部的局部地区发生轻微干旱外，全区绝大部分地区没有出现干旱， 2000年春季除青海外几乎整个西北地区发生了严重的春旱，2007年冬季整个西北地区几乎没有出现干旱状况，这些都与西北地区实际情况基本一致。以上分析表明，SPEI指数在表征西北地区干旱方面具有较好的适用性，同时也说明该数据集具有较好的适用性。

3 结 论

(1)时间上，从年际变化趋势来看，通过对1959—2011年西北地区平均SPEI指数的年际变化分析，可知西北地区平均SPEI指数整体呈现出持续下降的趋势，1996年该指数发生突变，下降趋势明显，2006年至今这种下降趋势超过了显著性水平0.01临界线，这和杨建平等[23]的研究结果基本一致。春季、夏季干旱明显加重，都达到了0.05的显著性检验；秋季干旱化更明显，甚至1997年通过了0.01的显著性检验；冬季的SPEI指数呈现上升趋势，说明冬季干旱呈减轻趋势，这可能是冬季温度低蒸发少所致,这和靳立亚等[24]研究中国西北地区干湿状况时得到的结果基本一致。

(2)空间上，春季、夏季西北地区大部分干旱以加重趋势为主，其中新疆的南部、内蒙古、甘肃和青海的西北部干旱趋势加重明显，达到了0.15～0.3/10 a，夏季新疆、甘肃和青海的交界处变干趋势甚至高达0.3～0.45/10 a；秋季该区域干旱也以加重趋势为主，但趋势不明显；冬季除个别地区外，大部分呈干旱减轻趋势。

图4 1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北地区的SPEI指数分布

(3)本文随机选择了4个时间段的干旱事件，通过与《西北干旱监测指标数据集》对比，其结果基本一致，说明SPEI指数在西北地区有很好的实用性，另一方面说明该数据集有较好的使用性。

西北地区深居内陆，远离海洋，四周又有高山阻挡，来自海洋的潮湿气流难以到达，所以形成了同纬度最干旱的地区之一。加之本区域地形和气候类型复杂，气温空间变异大，降水不均匀，因而导致干旱在时空分布上呈现出很大的差异性。同时，天文因素、人类活动也可能影响该区的干旱。

本文的不足之处：(1)Vicente—Serrano推荐用Thornthwaite方法计算潜在蒸散量在计算短时间尺度时存在一定的局限性。(2)干旱是由于降水量少、蒸散量大或两者作用的结果，没有做更详细的探究。(3)应该在西北地区尝试划分适合本区域的干旱等级，以便更好地反映干旱的真实状况。这些问题将在以后的研究中做进一步的探讨。

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