新疆木垒县近51年春、夏季气象干旱特征分析

叶尔克江·霍依哈孜，阿帕尔·肉孜，柳宏英，黄 健

（1.新疆昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002）

干旱作为最主要的气象灾害之一，近年来气候异常的背景下，干旱灾害频繁发生，而且持续时间长，影响范围不断扩大，对农业、水资源、生态环境均有重要的影响［1-4］。当前新疆各地水资源严重短缺，要了解干旱变化特征和规律，对旱情做出精准的预测，对当地社会经济发展具有十分重要意义［5］。由于对干旱的理解不同，行业不同，对干旱的分类也不同；美国气象学会将干旱分类分为4种类型：气象干旱、农业干旱、水文干旱、社会经济干旱。而气象干旱是其他各类干旱的主要原因［6］。气象干旱是指某时间段内，由于蒸发量和降水量收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象。气象干旱指标是指利用气象要素，根据一定的计算方法获得指标，利用检测和评价某地区某时间段内气候异常引起的水分亏缺程度［7］。本研究从气象干旱角度出发，运用相对湿润度指数对木垒县近51年气象干旱变化特征进行分析，掌握干旱的变化规律，为开展干旱预报预警业务、防旱抗旱工作提供参考依据。

木垒哈萨克自治县位于新疆维吾尔自治区东北部，天山北麓，昌吉州的最东部，地理坐标为东经89°51′—92°19′，北纬43°34′—45°15′，海拔高度为820～1 691 m；属温带大陆性干旱气候，冬季寒冷漫长，夏季短而凉爽。气温年较差、日较差大，春、秋季气温变化剧烈，春、夏季多风，无霜期为145 d。全县东、南、北三面环山，地形呈东、南、北三面高、中部低的半壁槽状盆地。地形地貌大致可分为山地、丘陵、平原、沙漠四部分。南部山区，峰峦连绵；东北部山区，地势平缓；中部丘陵均呈南北走向。木垒县是昌吉州重要的农牧业生产县，种植区域中河灌区和山旱地占比较大，整体上传统种植、靠天吃饭的格局未发生改变，无高山冰川，存在水土资源配置不平衡、区域资源性缺水矛盾较为突出的现象；如果春、夏季遇到异常高温干旱事件，对农牧业影响较大；近几年调查发现，木垒县旱地作物和牧草受旱灾影响比较明显，从而导致其减产和品质降低，特别是2020年受初夏连旱影响比较突出。因此，开展木垒县春、夏季气象干旱趋势研究十分必要。

图1 研究区域地形

1 资料与研究方法

1.1 资料

1.2 研究方法

相对湿润指数（M）是表征某时间段降水量与蒸发量之间平衡的指标之一；本等级标准反映作物生长季的水分平衡特征，使用于作物生长季旬以上尺度的干旱监测评估。其计算方法和步骤见《气象干旱等级》国家标准（GB/T 20481—2017）。计算公式如下［8-10］。

式中，PE为潜在蒸散量；P为降水量。

表1 相对湿润度指数的干旱分级

某一地区的相对湿润指数越小，表示该区气候越干燥；反之，则气候越湿润［11，12］。目前，以潜在蒸散量计算湿润指数的方法在国际上比较流行。按照计算潜在蒸散量的方法不同，可以分为Penman和Thornthwaite法以及目前在国内外应用较多的Holdridge生命地带分类系统中的潜在蒸散量计算方法；其中，Thornthwaite法是一种国际上通用的计算潜在蒸散量的方法，也是一种农业气候水分指标求算的主要方法之一，被广泛应用于气候分类和植被-气候关系研究。Thornthwaite在美国中西部（半干旱地区）及墨西哥等地，根据大量试验数据建立了求算潜在蒸散量的经验公式。Thornthwaite法不仅给出了计算潜在蒸散量的公式，还进一步根据月平均降水量与潜在蒸散量的差值进行土壤水分平衡的计算，从而对估量各种土壤条件下的作物灌溉需水量有参考价值。该方法的主要特点是计算简便，以月平均温度为主要依据，并考虑温度因子（日照长度）建立经验公式。本研究采用Thornthwaite法计算潜在蒸散量，计算公式［13，14］如下。

式中，PEunadj为可能蒸散量（mm）；Ti为各月平均温度（℃）；Ii为年热指数，可按照如下公式计算。

求算年热指数（I）的公式为：

常数a由下式计算：

1.3 数据分析

采用趋势分析法探究1970—2020年木垒县春、夏季平均温度、降水量和干旱变化趋势；运用M-K检验法，对木垒县平均温度、降水量和相对湿润指数进行突变检验；基于Matlab软件运用小波功率谱分析法分析周期特征；结合SPSS软件进行相关分析，探讨影响相对湿润指数的气候因子。

为分析各年级加法口算速度的差异性，采用Student-Newman-Keuls（简称SNK）检验方法，以P<0.05显著性差异为依据，根据组间及组内变异的具体情况将其分为5个等级，等级越高，代表口算时间越短，即速度越快，具体如表2所示．

2 结果与分析

2.1 平均温度和降水量变化

如图2a所示，1970—2020年木垒县春季平均气温为11.0℃，近51年该区域春季平均气温呈现出明显升高趋势，其倾向率为0.41℃/10年，通过P=0.001显著性检验；最小值出现在1975年，为8.3℃，在2020年达到最大值，为15.4℃，比1975年升高了7.1℃。春季平均气温在20世纪90年代比70年代和80年代增幅0.4℃，进入21世纪（2000—2020年，下同）以来升高了1.2℃。夏季平均气温呈现明显升高趋势，其倾向率为0.32℃/10年，通过P=0.001显著性检验。多年平均值为20℃，最小值出现在1984年，为18.3℃，在2018年达到最大值，为21.5℃，比1984年升高了3.2℃。进入21世纪，夏季升温明显，比20世纪70年代、80年代和90年代增幅1.0℃。经春、夏季对比分析可知，1970—2020年木垒县春、夏季平均气温年际变化规律整体呈持续上升趋势，波动幅度较大，21世纪初增幅最大。

如图2b所示，木垒县近51年的春季平均降水量在91.9 mm处上下波动，其倾向率为6.3 mm/10年，增加不明显，未通过显著性检验；逐年变化趋于平缓，但年际波动大，20世纪70、80年代降水量负距平，降水量总体偏少；20世纪90年代接近多年均值，21世纪以后以正距平为主，降水量呈弱增加趋势；最大降水量出现在1998年，为199.8 mm，最小降水量出现在1991年，仅为16.0 mm，其次在2020年，为19.0 mm。夏季平均降水量在125.4 mm处上下波动，其倾向率为3.0 mm/10年，增加不明显，未通过显著性检验；从年际变化可以看出，整体呈弱增加趋势，但年代波动大，20世纪70、80年代和2001—2010年降水量总体偏少，20世纪90年代明显偏多。2010年后略偏多；最大降水量出现在2015年，为279.4 mm，最小降水量出现在1985年，为46.1 mm，其次在1982年，为66.7 mm。

图2 木垒县春、夏季平均温度、降水量变化

2.2 潜在蒸散量变化

从木垒县近51年春、夏季潜在蒸散量变化趋势（图3）可以看出，春季潜在蒸散量整体呈弱减少趋势，变化倾向率为0.3 mm/10年，未通过显著性检验；春季平均蒸散量为232.60 mm，春季蒸散量在20世纪80、90年代和2001—2010年表现为稳定增加的过程，2010年开始减少。夏季潜在蒸散量呈明显增加趋势，变化倾向率为2.1 mm/10年，通过P=0.001显著性检验。夏季平均蒸散量为377.0 mm，20世纪90年代夏季蒸散量开始随着温度的升高持续增加，说明气温对潜在蒸散量的变化起着关键性的作用。

图3 木垒县春、夏季蒸散量变化

2.3 相对湿润指数变化

木垒县过去51年春季和夏季的相对湿润指数在年际和年代变化上有所不同（图4）。春季相对湿润指数呈微弱的正趋势，其气候倾向率为0.01/10年，未通过显著性检验；春季相对湿润指数51年平均值为-0.60，变幅为-0.93～-0.13，其中，4月近51年平均相对湿润指数为-0.62，最低相对湿润指数出现在2020年，为-0.99，最高相对湿润指数出现在2017年，为-0.14；5月平均相对湿润指数为-0.59，最低相对湿润指数出现在1989年，为-0.96，最高相对湿润指数出现在1998年，为-0.19，最值的出现与该年的降水量、温度、蒸发量密切相关。年代变化上分析，20世纪70年代和80年代春季相对湿润指数最小，都为-0.62，20世纪90年代为-0.60，21世纪相对湿润指数均值为-0.58，年代变化具有一致性，逐渐向湿润趋势发展，但近10年春季干旱强度有所增加。过去的51年春季干旱共发生了47次，其中，轻旱占55%，中旱占36%，重旱占9%，无特旱。

图4 木垒县春、夏季相对湿润指数变化

夏季相对湿润指数也呈增加趋势，倾向率为0.02/10年，未通过显著性检验；51年平均值为-0.67，变幅为-0.88～-0.23；其中，6月平均相对湿润指数为-0.65，最低相对湿润指数出现在1971年和2004年，为-0.98，最高相对湿润指数出现在2015年，为-0.30。7月平均相对湿润指数为-0.64，最低相对湿润指数出现在2017年，为-0.99，最高相对湿润指数出现在2007年，为-0.08。8月平均相对湿润指数为-0.71，最低相对湿润指数出现在1979年，为-0.96，最高相对湿润指数出现在1998年，为-0.21。在年代变化中，20世纪70年代夏季相对湿润指数为-0.73，夏季气候相当干旱；20世纪80年代木垒县夏季气候有所改善，相对湿润指数均值升高到-0.67；20世纪90年代夏季相对湿润指数达到了最大值，均值为-0.58；21世纪夏季相对湿润指数均值为-0.68，与20世纪90年代相比降低，但仍高于20世纪70年代。过去的51年夏季干旱共发生了48次，其中，轻旱占33%，中旱占54%，重旱占13%，无特旱。综上所述，木垒县春、夏季干旱出现频率在80%以上，春、夏季相对湿润指数表现为5月＞4月＞7月＞6月＞8月。轻旱发生频率春季大于夏季，中旱和重旱发生频率夏季大于春季（表2）。

表2 干旱分级频次及频率

2.4 突变分析

在该地区春季和夏季平均温度、降水量和相对湿润指数的M-K检验曲线（图5）中，由春季温度（图5a）可见，UF和UB曲线交点位置在2003年，春季温度21世纪初呈上升趋势，在2003年发生突变，随后温度持续上升，2012年UF曲线超过了0.05的信度线，这表明木垒县春季平均温度21世纪初开始呈显著升温趋势；春季降水量（图5b）UF曲线和UB曲线在临界线内存在多次交点，但均未突破0.05显著性临界线，说明春季降水量未发生明显突变。春季相对湿润指数（图5c）在2013年发生了突变，在1971—1978年是偏旱阶段，到1978年UF曲线超过了0.05的信度线，表明这段时间木垒县春季干旱较严重，随后10年干旱有所缓解，1988—1993年又是偏旱阶段，1993—2013年变化比较平缓，2013—2018年持续增加，2018年后开始减少。

夏季温度（图5d）UF和UB曲线交点位置在1999年，温度从20世纪90年代初开始呈上升趋势，1999年发生突变并持续上升，到21世纪初（2006年）UF曲线超过了0.05的信度线，表明木垒县夏季平均气温21世纪初开始出现显著升温；夏季降水量（图5e）在1978年突变明显，2017年和2020年有交点，但突变不明显，1978—1999年是降水量增加阶段，其中，1993、1996、1999年UF曲线超过了0.05的信度线，表明夏季降水量呈显著增加趋势，1999—2006年是减少阶段，2006年后变化较平缓。夏季相对湿润指数（图5f）UF和UB曲线交点在1979、2017、2020年，其中，1979年突变明显，1979—2009年是相对湿润时段，1993、1996、1999年UF曲线超过了0.05的信度线，表明夏季相对湿润指数呈显著增加趋势，1999—2006年逐渐减少，随后变化平缓。

图5 木垒县春、夏季温度、降水量和相对湿润指数M-K突变检验

2.5 小波功率谱分析

小波功率谱分析法是气候变化研究中常用的方法，为探讨木垒县春、夏季温度和降水量及相对湿润指数的年际周期振荡特征进行小波功率谱分析（图6）。黑色粗实线所包围的范围通过了95%置信水平的红噪声标准谱检验，黑色细实线包络显示了COI区域（Cone of influence，倒锥形线为小波影响锥，表示连续小波变换的数据边缘效应影响较大的区域），影响锥外的功率谱由于受到边界效应影响，表现出的周期特征存在较大不确定性。小波方差图中实线表示小波方差；虚线表示95%置信水平的红噪声检验曲线，若实线的峰值超过虚线表示周期显著［15，16］。春季温度（图6a），较强的周期有4.3年的主要周期和2.7年的次要周期振荡，并均通过95%置信水平的红噪声检验，其中，4.3年周期振荡较强，而另有9.0年和19.7年的两个周期振荡，但没通过95%的红噪声检验，均可能为虚假周期，不予采用。春季降水量（图6b）较强的周期有2.3年的主要周期和4.4年的次要周期振荡，并均通过95%置信水平的红噪声检验，其中2.3年周期振荡较强，而另有11.3年周期振荡，但未通过95%的红噪声检验，可能为虚假周期，不予采用。春季相对湿润指数（图6c）较强的周期有2.2年的主要周期和4.4年的次要周期振荡，并均通过95%置信水平的红噪声检验，其中2.2年周期振荡较强，而另有11.3年的周期振荡，但没通过95%的红噪声检验，可能为虚假周期，不予采用。夏季温度（图6d）有3～4年的周期振荡，并通过95%置信水平的红噪声检验，而另有7、14、20年的周期振荡，但未通过95%的红噪声检验，均可能为虚假周期，不予采用。夏季降水量（图6e）有3.2年的主要周期和4.2年的次要周期振荡，并均通过95%置信水平的红噪声检验，其中3.2年周期振荡较强，而另有9.0年的周期振荡，但没通过95%的红噪声检验，可能为虚假周期，不予采用。夏季相对湿润指数（图6f）有3.2年主要周期和4.4年的次要周期振荡，并均通过95%置信水平的红噪声检验。而另有9.0、14.6、30年的周期振荡，但没通过95%的红噪声检验，均可能为虚假周期，不予采用。经检验各因子大部分存在着2.2～4.4年的尺度变化周期振荡，并均通过95%置信水平的红噪声检验；4.5年以上和2.1年以下时间尺度的周期信号能量较弱，大部未通过95%的红噪声检验，显著性变化周期主要集中在3年左右的周期振荡上。

图6 木垒县春、夏季温度、降水量、相对湿润指数小波功率谱检验

2.6 相对湿润指数的影响因子分析

湿润指数的变化很大程度上取决于降水量和潜在蒸散量两个分量的变化。近51年来木垒县降水量和蒸散量发生了变化，而气候干湿很大程度上取决于这两个分量的变化速率，同时潜在蒸散量的变化也受各种气象要素综合作用的影响，为了分析木垒县湿润指数变化原因，需对平均温度、降水量、日照时数、蒸发量、相对湿度、平均风速、气压等气象要素和湿润指数进行综合分析。

对木垒县1970—2020年春、夏季湿润指数与各气象要素进行相关分析。分析结果（表3）表明，春、夏季湿润指数与平均温度、日照时数呈微弱的负相关，与平均风速呈微弱的正相关，未通过显著性检验。春、夏季湿润指数与降水量、相对湿度及气压呈显著的正相关，相关系数分别为0.999、0.593、0.347。与蒸发量呈显著的负相关，相关系数为-0.591。

表3 木垒县1970—2020年作物生长季相对湿润指数与各气象因子间的相关系数

此外，对1970—2020年木垒县春、夏季平均气温、降水量、日照时数、蒸发量、相对湿度、平均风速、气压进行趋势分析发现，近50年来平均气温、蒸散量呈显著升高趋势，降水量、气压呈弱增加趋势，但增加趋势不显著，而日照时数、平均风速、蒸发量、相对湿度呈减少趋势，其中，日照时数减少显著，平均风速、蒸发量、相对湿度减少趋势不显著。

综上所述，降水量、相对湿度、气压是影响木垒县春、夏季相对湿润指数增加的主要气候因子，蒸发量对其有减弱作用。

3 小结

本研究采用相对湿润指数作为干旱评价指标，应用温度、降水量资料，采用Thornthwaite法计算木垒县春、夏季近51年潜在蒸散量及相对湿润指数，分析了其变化特征，得出以下结论。

1）近51年木垒县春季和夏季平均温度表现为显著的持续上升趋势，其增幅分别为0.41℃/10年和0.32℃/10年，并通过P=0.001显著性检验，特别是21世纪增幅尤为明显。春季和夏季降水量整体呈弱增加趋势，未通过显著性检验，逐年变化趋于平缓，但年际波动大。春、夏季蒸散量以1.76 mm/10年的倾向率增加，并通过P=0.001显著性检验，表明木垒县春、夏季气候趋势向暖干变化。

2）1970—2020年，木垒县春季和夏季相对湿润指数均呈增加趋势，增加速率分别为0.01/10年和0.02/10年，趋势不明显，未通过显著性检验；年代间差异较大，春、夏季气候整体逐渐向湿润趋势发展；春、夏季干旱出现频率表现为轻旱发生频率春季大于夏季、中旱和重旱发生频率夏季大于春季。

3）通过M-K检验可知，春季温度21世纪初开始呈显著上升趋势，突变发生于2003年；春季降水量未发生明显突变；春季相对湿润指数在2013年出现突变，其增减变化与降水量保持一致。夏季温度1999年发生突变，变化趋势与春季温度一致，但突变发生早于春季。降水量在1978年发生突变，随后20年处于多雨期，1999年后开始逐步呈减少趋势；夏季相对湿润指数1979年突变明显，增减变化与降水量一致，但突变缓于降水量。

4）各因子大部分存在2.2～4.4年的尺度周期振荡，并均通过95%置信水平的红噪声检验；4.5年以上和2.1年以下时间尺度的周期信号能量较弱，大部分未通过95%的红噪声检验，显著性变化周期主要集中在3年左右的周期振荡。

5）木垒县春、夏季相对湿润指数的变化是多个气象因子综合作用所致，但是降水量、相对湿度、气压是导致研究区春、夏季相对湿润指数变化的主要气象因子，蒸发量对其有减弱作用。

4 讨论

影响干旱变化的因子有很多，如降水、蒸发和气温以及自然环境等方面，这些因子间相互关系比较复杂，虽然近年来人们运用相关影响因子提出了不同的干旱指数，但由于干旱成因及其影响的复杂性，很难找到能普遍适用的干旱指数。目前，最常用的干旱指数计算方法是相对湿润指数，该指数能根据温度变化和降水量变化，客观地诠释在全球增暖背景下干旱、半干旱区域的干湿演变特征及变化趋势。本研究对新疆木垒县近51年春、夏季温度、降水量、蒸散量和湿润指数的变化趋势进行了研究。木垒县温度、降水量、潜在蒸散量和湿润指数整体呈上升趋势，其中春、夏季温度和夏季蒸散量上升明显，但降水量和湿润指数上升趋势不明显，该研究结果与吴秀兰等［15］、潘淑坤等［16］研究结论相近。用相对湿润指数来评估木垒县气象干旱的结果与历史记载干旱发生状况基本一致。该研究结果可为木垒县防旱抗旱、农业生产合理布局、管理模式提供参考。本研究以相对湿润指数作为评估气象干旱的指标，该方法计算简便、容易理解，仅考虑了温度和降水量对气象干旱的影响，并未考虑其他土壤墒情、灌溉条件、种植模式、水文地质条件、人民生活等因素对气象干旱的影响，因此本研究结果存在一定的局限性。未来研究中需要结合卫星遥感技术在干旱监测中应用的新技术，建立以上因素综合考虑的模型，才能更好地掌握干旱变化规律，提高气象干旱的精准监测、预测及防治能力。