新疆多时间尺度干湿变化特征分析

宋玉鑫，马军霞,2，左其亭,2,3，张志卓

(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001； 2.郑州市水资源与水环境重点实验室，河南 郑州 450001；3.郑州大学水科学研究中心，河南 郑州 450001)

区域的干湿变化已受到了学者们的广泛关注，如何量化区域干湿状况成为研究重点。由于干湿变化很大程度上与气候变化相关，因此降水、温度、径流、蒸散发等水文要素常作为影响干湿现象的重要参数，并以其为基础进行干湿状况量化，即计算干湿指数。目前常用的干湿指数包括Palmer干旱指数(Palmer drought severity index，PDSI)[1]、标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)[2]、标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index， SPEI)[3]等。PDSI是基于土壤水量供需平衡的原理计算得出的，计算过程涉及降水、径流和土壤含水量等多个参数，计算过程复杂，且PDSI计算中的部分参数是基于美国中部地区得出的，对于其他地区适用性较差[4]；SPI的计算仅需要输入降水数据，通过降水量出现的概率来评估研究区域的干湿强度和持续时长，相比PDSI更简便直观，且可以测量地区不同时间尺度的干湿情况，但缺点在于考虑因素较少，如未考虑温度等影响干湿情况的因素。近年来已有许多研究表明气温的上升对干湿情况有较大影响[5]，因此Vicente-Serrano等[6]提出了SPEI，通过潜在蒸散发量将温度信息引入SPEI的计算，达到了结合PDSI和SPI两者优点的目的，且适用于多尺度和不同的气候条件，因此该指标可以有效表征不同区域的干湿现象并获得了广泛的应用。Yang等[7]使用SPEI对加拿大干旱变化情况进行了分析，结果表明，与加拿大南部地区相比，北方地区的干旱时间更长；Wu等[8]研究了珠江流域SPEI演变情况，并分析了主要的驱动因素；Shiru等[9]评估了尼日利亚SPEI变化对当地作物的影响，结果表明在作物的种植季节干旱更容易发生。

新疆位于我国西北部，属于典型的干旱区，降水稀少，蒸发量大。年平均降水量仅为147 mm，而年平均蒸发量达到了1 512 mm，对气候变化的敏感程度很高，据统计，1961—2000年新疆发生了17次严重干旱和9次重大干旱[10]。普宗朝等[11]基于新疆101个气象站点观测数据分析了新疆1961—2008年的干湿气候时空变化特征，结果表明，1961—2008年新疆各地年干燥度指数均有不同程度的减小趋势，新疆的气候总体呈“变湿”趋势；胡文峰等[12]采用新疆55个气象站点的月数据，计算了不同时间尺度SPEI指数，结果表明，新疆区域保持西北湿、东南干的格局，局部干湿有差异且新疆的干旱多以轻度干旱为主。

目前，国内对新疆区域进行干湿研究多基于气象站点数据，但是站点数据对区域代表性较低，而CRU格点数据集具有较高的空间代表性和连续性[13]，可以更好地反映出区域干湿变化特征。鉴于SPEI能比较准确反映新疆的干湿变化情况[14]，本文使用CRU数据集计算SPEI来分析新疆不同时间尺度的干湿时空变化情况，以期为新疆水资源规划和管理提供参考。

1 研究方法及数据来源

1.1 SPEI的计算

SPEI是使用月降水量和潜在蒸散发量的偏差来描述干旱状态的指标，能客观地描述区域的干湿变化，具体计算方法可参考文献[15]。为了反映研究区干湿变化的总体特征，分别计算月、季、年3种不同时间尺度下的SPEI(SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12)来探讨新疆干湿变化的总体情况，其中3月尺度的SPEI-3是使用当前月和前两个月输入要素的平均值来计算的，例如3月的SPEI-3代表1月、2月、3月的干湿变化情况，因此选用5月、8月、11月以及次年2月的SPEI-3来表示春夏秋冬四季的干湿情况，而选用12月的SPEI-12来表征年际变化。SPEI对应的干湿等级[16-17]如下(SPEI的值用I表示)：I>2.00为极端湿润，1.50

1.2 Mann-Kendall非参数检验

采用Mann-Kendall非参数检验分析SPEI在年与四季的变化趋势，Mann-Kendal非参数检验不需要样本遵从特定的分布，且不受少数异常值的干扰，定量化程度高，在检验序列的变化趋势方面有很大的优势，因此得到了广泛的运用[18-19]。

1.3 连续小波周期分析

小波变换可以将时间序列分解到时频域中以表征信号局部特征，是分析变量时间序列周期性变化的有效工具。本文使用连续小波变换(continuous wavelet transform, CWT)分析月、季、年3种尺度的SPEI的周期变化特征。小波分析的主要思路是由基本小波函数(母小波)伸缩和平移而得到的小波族函数去逼近处理信号，从而将非平稳的序列转化为平稳的时间序列，再对处理后的序列进行分析研究，继而总结出序列的变化周期及不同时间尺度下的变化趋势。本文选用Morlet复小波作为母小波进行分析，其优势在于可以提供连续、平滑的小波能量谱图[20]。

1.4 数据来源

使用1963年1月至2018年12月的月尺度降水量与潜在蒸散发数据来计算SPEI，数据来源于英国东英吉利大学(University of East Anglia)气候研究中心开发的CRU TS v4.03再分析数据集(http://www.cru.uea.ac.uk/data/)，其空间分辨率为 0.5°×0.5°。该数据集已通过严格的质量控制和同质性检验，时间序列较长且具有较高的空间分辨率，在干旱分析中得到了广泛的应用[7，21]。该数据集的潜在蒸散发是使用FAO-56 Penman-Monteith方法计算的，具体计算方法可参见文献[22]。

2 结果与分析

2.1 月、季、年尺度的SPEI时间变化

图1为月、季、年尺度的SPEI时间变化趋势。总体来看，SPEI在短时间尺度内波动频繁，随着时间尺度拉长，SPEI的变化情况变得稳定，干湿状态的持续时间更长。本文以I<-1表示干旱事件开始，I>0表示干旱事件结束，-1≤I≤0表示地区处于干旱状态，-1≤I≤0的时间长度为干旱持续时间[23]，对区域的干湿变化特征进行分析。

a. SPEI-1为月尺度的干湿变化情况，在该尺度下，SPEI的干湿变化较为频繁且振幅较大，其中最大值为1.93，出现在1988年5月，属于严重湿润状态；最小值为-2.40，出现在1979年10月，属于极端干旱状态；1963—2018年SPEI-1平均值为 -0.04，属于正常范围。整体来看，在月尺度下共发生49次干旱事件，其中轻度干旱35次，严重干旱11次，仅发生了3次极端干旱事件，分别发生在1971年10月、1979年10月和1984年10月。由此可见极端干旱事件多发生在秋季，最长干旱持续时间发生在1964年10月至1965年6月，达9个月之久。

(a) SPEI-1

b. SPEI-3反映不同季节的干湿变化情况，在这一尺度下，1963—2018年共发生了21次干旱事件且均为轻度干旱。SPEI-3值主要在正常的范围内波动，平均值为0.03，没有严重以及极端干旱事件发生，干旱最长持续时间为13个月，于1963年2月开始到1964年2月结束。

c. SPEI-12为年尺度的干湿变化情况，在该尺度下，研究区干湿变化较为明显，由SPEI-12的时间序列可以看出新疆在1963—2018年主要呈现由干旱向湿润的转变，在1988年后呈现暖干向暖湿转型的态势，但是这种干旱与湿润的变化并不平稳，在年内均存在着干湿变化的周期性震荡。与SPEI-3相似，SPEI-12的时间序列在1963—2018年仅发生了30次轻度干旱事件，没有严重以及极端干旱事件发生，最长的轻度干旱事件达21个月之久，持续时间为1985年9月至1987年5月。

施雅风等[24]的研究表明，新疆于1987年前后出现了暖湿变化。这一现象的发生原因很可能是新疆在20世纪70—80年代降水量从减少阶段转变为增加阶段，同时气温也一直上升，且在20世纪90年代增幅达到最大[25]。除了降水与温度变化的影响外，季风的影响也不可忽视。东亚地区有40%～50%降水量是由东亚季风决定的，因此东亚夏季风的水汽输送对该地区的降水起着关键作用。已有的研究结果表明东亚夏季风于1986年经历了一次突变[26]，这也与新疆发生干湿转变的时间相近。

2.2 年和四季SPEI时空变化趋势

整体来说，新疆SPEI在1963—2018年呈现以上升趋势为主的变化，除了春季呈现显著性上升趋势的区域较少外，其他季节以及新疆全年呈现显著性上升的区域主要分布在新疆北部；呈现下降趋势的区域分布在新疆的东南以及西南等地，仅在春、秋、冬3季可以检测出显著下降趋势，且主要集中在阿尔金山和昆仑山脉。

为了更好地分析新疆地区干湿的空间变化情况，使用Mann-Kendall非参数检验来评估新疆年和四季的SPEI变化趋势。图2(a)为新疆年SPEI的变化情况，可以看出大部分地区SPEI为增长趋势，其中显著增长趋势的区域主要集中在新疆西北部；在新疆西南及东南部的部分地区表现出下降趋势，但显著性并不明显。

由图2(b)～(e)可以看出，不同季节SPEI空间分布情况不一，但整体上看增长地区范围明显大于下降地区范围。与其他季节相比，新疆春季(图2(b))SPEI呈现显著性上升的区域较少，集中分布在昌吉等地；下降趋势的区域主要分布在新疆东部的阿尔金山以及哈密北部的部分地区，这些区域呈显著的下降趋势。夏季(图2(c))新疆SPEI呈现显著上升的区域主要分布在新疆的中部以及西南部的昆仑山脉等地区，呈下降趋势的区域集中在新疆东南部，但均不显著，其空间分布与图2(a)基本一致。同春、夏季相比，秋(图2(d))、冬(图2(e))季新疆北部及南部等地区SPEI均呈现显著性的增长趋势，其中冬季尤为明显，整个新疆北部地区基本都呈现显著的增长趋势；西南以及东南部等地则呈现下降趋势，其中秋季昆仑山脉及阿尔金山脉等地区、冬季阿尔金山脉地区下降趋势显著。

2.3 周期分析

新疆不同尺度的SPEI计算结果表明，新疆地区的干湿变化波动随时间尺度增长而更加稳定，年际变化更加明显。20世纪80年代是新疆气候由干燥变为湿润的转折点。图3为不同时间尺度SPEI的小波功率谱，其中U形代表小波影响椎(COI)，该范围内为有效谱值，粗黑线封闭区域(图3(c)表明通过了显著性水平5%条件下的红噪声谱检验[27]。①从SPEI-1的小波功率谱可以看出，在1963—2018年不同时间段内均存在着周期的变化，0.5～1.5 a周期在1965—1990年振荡能量较强，在1980—2005年存在着1～3 a的周期变化，3～6 a周期可在20世纪80年代发现，进入21世纪后5～14 a 周期变化较为明显；②SPEI-3周期变化情况基本与SPEI-1一致，20世纪80年代后期均存在振荡能量强烈的区域，而在80年代之前振荡能量较弱，仅在在20世纪70年代可检测到1～3 a周期范围内的强烈周期振荡，但大部分位于COI范围外；③SPEI-12周期变化较为显著，在1980—1998年、1980—1990年以及1990—2010年分别检测出了2～4 a、4～8 a、8～16 a周期变化，整个研究期内在 8～16 a周期上震荡能量很强，但是仅在1990—2010年通过了95%的红噪声谱检验。

(a) 年

(a) SPEI-1小波功率谱

总的来说，不同时间尺度的SPEI在20世纪80年代之前振荡能量较小，进入20世纪80年代之后震荡显著，这种现象表明新疆在20世纪80年代中后期的由干旱向湿润的转变受到了SPEI周期变化的影响。

3 结 论

a. 新疆的干湿变化以1988年为界，发生从干旱向湿润的转变，有干旱缓解的趋势。在月、季、年尺度上，新疆的干旱事件均多以轻度干旱为主，仅在月尺度上出现了个别极端干旱事件且发生时间多为秋季。

b. 新疆在年、季尺度上SPEI的变化以上升趋势为主，除春季仅可在部分地区存在显著上升趋势外，其他季节新疆北部的大部分区域表现出显著上升的趋势，尤其是在冬季，几乎整个北疆的上升趋势均通过了95%的显著性检验；呈现下降趋势的区域分布在新疆西南和东南等地，在阿尔金山脉和昆仑山脉可检测到显著下降趋势。

c. 不同时间尺度的小波功率谱表明20世纪80年代后在2～4 a周期上存在振荡能量强的区域，同时，20世纪90年代的高振荡能量区多存在于8～16 a周期范围内，这表明新疆20世纪80年代后期由干旱向湿润的转变是年代与年代际变化共同影响的结果。