1960-2020年黄河流域气候干湿状况时空分异及变化趋势*

巩　杰，高秉丽，李 焱，靳甜甜，张云霞，朱月华

1960-2020年黄河流域气候干湿状况时空分异及变化趋势*

巩杰，高秉丽，李 焱，靳甜甜，张云霞，朱月华

（兰州大学资源环境学院/西部环境教育部重点实验室，兰州 730000）

基于湿润指数，利用黄河流域及周边1960-2020年113个气象站点日值气候数据，通过气候倾向率、Morlet小波、简单相关分析和Hurst指数等方法，分析近61a黄河流域干湿状况时空演变特征，预估黄河流域未来干湿变化趋势，以期为流域防旱减灾、合理利用气候资源提供科学依据。结果表明：（1）空间上，黄河流域年和季节湿润指数呈现为东南部高、西北部低。流域年、春秋两季以变干为主，湿润指数呈显著下降的站点占总站点的比例分别为5.31%、7.96%、6.19%；流域夏、冬季以变湿为主，湿润指数呈显著上升的站点占比分别为10.62%、13.27%。（2）年际变化上，1960-2020年黄河流域年和季节湿润指数均无显著变化趋势。流域全年、春、夏、秋、冬季分别处于半湿润、半干旱、半湿润、半湿润和半干旱状态。黄河流域年和季节湿润指数存在多时间尺度的周期振荡特征，第一主周期分别为3a、26a、14a、3a和15a。（3）降水量、相对湿度与湿润指数呈极显著正相关，日照时数与湿润指数呈极显著负相关，均为黄河流域湿润指数的主要驱动因素。（4）黄河流域年和季节湿润指数的Hurst指数均大于0.50，表明流域年、春季和秋季气候将持续变干，夏季和冬季气候将持续变湿。

湿润指数；未来趋势；时空分异；Morlet小波分析；黄河流域

《气候变化与土地特别报告》指出，近百年来全球气候日益变暖，2006−2015年全球陆地温度在1850−1900年基础上增加了1.53℃[1]。全球气候变暖及其变化的时空差异影响着全球和区域降水、蒸散发等，进而导致全球和区域气候的干湿状况及其空间格局发生变化，影响农牧业生产和生态环境[2−3]。全球和区域尺度干湿变化特征认知是应对和适应气候变化的关键参考因素，备受关注[4]。干湿状况可反映地气系统中水分收支平衡变化[5]。湿润指数同时考虑了大气降水和潜在蒸散发，计算方便简单，且所需资料较少，是目前常用的气候干湿变化表征指标，能客观反映区域干湿状况[6]，可用于流域水资源综合管理应用[7]。近年来，一些学者利用湿润指数开展了中国气候干湿状况时空演变特征研究。如Li等[8]基于湿润指数发现中国淮河流域在年际尺度上呈不显著变湿趋势。Liu等[9]采用湿润指数发现1961−2016年中国西北地区、青藏高原及华南东部地区呈湿润化趋势，而华南西部、华北和东北地区呈干旱化趋势。贾艳青等[10]发现1960−2016年中国西北地区、青藏高原及内蒙古地区呈现湿润化，而华北地区在变干。可见，不同区域湿润指数对气候变化的响应存在一定差异。

推断和预测未来气候变化是气候研究中的前沿课题。目前，未来气候变化预测方法主要有两类：一是从气候动力学模型出发，二是基于气候资料和气候代用资料，利用不同的统计分析方法推断未来气候变化趋势[11]。其中，统计分析方法中的Hurst指数可以较好地揭示气候要素时序变化趋势，被广泛用于不同区域气候要素未来趋势预测[12]。史雯雨等[13]基于Hurst指数开展了金沙江流域未来气温变化趋势预估；侯青青等[14]利用Hurst指数预测了黄土高原标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）的未来变化趋势，发现黄土高原未来干旱化趋势加重。

黄河流域作为气候变化敏感区之一，气候时空分异大，加之受人类活动等影响，流域降水和蒸散发的变化趋势明显，流域气候干湿状况随之而变。近年来，国内许多学者针对黄河流域开展了干旱时空变化特征方面研究。Wang等[15]采用SPEI发现黄河流域春、夏、秋季干旱程度均有所加重；Huang等[16]采用综合干旱指数指出黄河流域中游旱情最为严重；徐冬平等[17]发现黄河流域自北向南、自西向东水分亏缺量逐渐递减；周帅等[18]采用标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）揭示了黄河流域四季干旱化程度加剧。但已有研究对黄河流域气候干湿状况时空变化及格局认识还不够系统深入，对流域未来气候变化趋势预测报道相对较少[19]。因此，本研究基于1960−2020年黄河流域及周边113个气象站点资料，开展黄河流域气候干湿时空变化特征分析，预测流域气候干湿状况未来趋势，以期为流域水资源利用、农牧业生产及气候变化应对等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

黄河流域（32°10'−41°50'N、95°53'−119°05'E）总面积约79.5×104km2，从西向东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原，包括青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南及山东9省区（图1），选取各省区在黄河流域的区域作为研究区[20]。黄河流域地形地貌差异显著，地势西高东低，海拔介于−9～6250m。全流域多年平均降水量440mm，多年平均气温7℃，降水和气温均呈由南向北、由东向西递减的特征[21]。

图1 黄河流域及相关气象站点分布

1.2 数据来源

选取黄河流域及周边气象站点1960−2020年的逐日气象数据，数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/），包括最高气温、平均气温、最低气温、平均风速、日照时数、相对湿度和降水量等。受建站时间、仪器损坏等影响，部分站点存在数据缺测（失）。研究中设定：1月内日值缺测多于7d则为缺测月，1年内月值缺测多于1月则为缺测年[22]。剔除缺测月、年值及观测年限不足61a（1960−2020年）的站点后，以数据较齐全的113个站点为基础数据，利用相邻日该气象要素的平均值对零星缺测值进行插补[23]。以3−5月为春季，6−8月为夏季，9−11月为秋季，12月−翌年2月为冬季进行分析。

1.3 研究方法

1.3.1湿润指数

湿润指数是区域降水量和潜在蒸散发的比值，可客观反映区域水热平衡状况，是一个理想的能够表征地表干湿状况的指标[24]。计算式为

式中，HI为湿润指数；R为降水量（mm）；PET为潜在蒸散发（mm）。各站点的潜在蒸散发（PET）采用Penman-Monteith模型计算，即

1.3.2 Hurst指数

累积离差为

极差为

标准差为

1.3.3 其它方法

2 结果与分析

2.1 黄河流域气候干湿状况的空间分布格局

2.1.1 年/季湿润指数空间分布

1960−2020年黄河流域多年平均湿润指数介于0.15～1.31，总体呈现自东南向西北逐渐递减的态势（图2a）。处于干旱状态的区域占流域总面积的3.39%，主要为内蒙古西部和宁夏东北部。处于半干旱状态的区域占比为39.54%，主要为青海北部、甘肃北部、宁夏中北部、陕西西北部及内蒙古大部。处于半湿润状态的区域占比为56.55%，主要位于流域西南部及东南部；处于湿润状态的区域占比仅为0.52%，主要分布于黄河下游的山东片区（图2a）。由图2b可知，黄河流域年降水量自东南向西北递减，与流域年湿润指数空间分布格局相似，表明流域年湿润指数空间变化对流域年降水量变化极为敏感[6]，且流域年湿润指数0.2、0.5等值线分别与200mm、400mm等降水量线基本吻合（图2b）。黄河流域中东部为潜在蒸散发高值区，潜在蒸散发低值区主要位于流域西南部，潜在蒸散发与湿润指数的空间分布相似性较弱，可见，相较于潜在蒸散发，黄河流域湿润指数对降水量的敏感性更高（图2c）。

图2 黄河流域年湿润指数、降水量和潜在蒸散发的空间分布（1960-2020年）

黄河流域季节湿润指数与年湿润指数的空间分布格局相似，流域各季湿润指数均为自东南向西北递减（图3）。黄河流域春、夏、秋、冬季湿润指数范围分别介于0.07～0.92、0.26～2.98、0.19～1.86及0.027～0.48，平均湿润指数分别为0.34、0.86、0.77及0.19。春季流域处于干旱状态的区域占比为20.82%，主要位于内蒙古西部、宁夏北部、甘肃东北角等；处于半干旱状态的区域占比为63.08%，主要分布于东西走向的流域中部地带及流域东北部等；处于半湿润状态的区域占比为16.10%，主要为四川大部、甘肃西南部、陕西西南部和河南西南部等（图3a）。夏季流域处于半干旱、半湿润和湿润状态的区域占比分别为14.47%、58.29%和27.24%（图 3b）。夏季处于半干旱状态的区域主要位于内蒙古西部、宁夏北部、甘肃东北部等；处于半湿润状态的片区主要有青海北部、甘肃局部、宁夏南部、陕西大部、山西中西部、内蒙古中东部及河南西北部等；处于湿润状态的区域主要为流域西南部及流域东部等。秋季流域处于半湿润状态的区域占比超过流域面积的一半，主要位于青海大部、甘肃局部、宁夏南部、陕西北部、内蒙古东部和山西北部等（图 3c）。冬季流域处于干旱状态的区域占比为59.84%，主要位于青海和甘肃大部、宁夏、内蒙古中西部及陕西西北部等（图3d）。综上，黄河流域年、夏季和秋季处于半湿润状态的区域面积占比最大，春季时流域多为半干旱状态，而冬季多为干旱状态（图3）。

2.1.2 年/季湿润指数变化趋势

图3 黄河流域季节湿润指数空间分布（1960−2020年）

Fig. 3 Spatial distribution of seasonal humidity index in the Yellow River Basin(1960−2020)

图4 1960-2020年黄河流域年/季湿润指数变化倾向率[（10a）−1]的空间分布

Fig. 4 Spatial distribution of annual and seasonal climatic variables [(10y)−1] of humidity index in the Yellow River Basin in 1960-2020

2.2 黄河流域气候干湿状况时间变化特征

2.2.1 流域平均湿润指数变化趋势

由图5可见，1960−2020年黄河流域夏季和秋季湿润指数偏高，而春季和冬季的湿润指数偏低，年湿润指数则介于其间，年和四季湿润指数均无显著变化趋势。研究期内黄河流域平均湿润指数为0.57（半湿润状态），年湿润指数最大值出现在1964年（0.92）；年湿润指数最小值出现在1986年（0.41）。春、夏、秋和冬季平均湿润指数分别为0.36、0.92、0.80和0.21，表明四季分别处于半干旱、半湿润、半湿润和半干旱状态（图5）。

图5 1960−2020年黄河流域平均年/季湿润指数变化过程

2.2.2 流域平均湿润指数变化周期

由图6可见，1960−2020年黄河流域年际和季节湿润指数存在多重时间尺度的振荡和周期变化。黄河流域年湿润指数在2～5a、6～11a和20～32a变化较为密集（图6a），流域存在一个3a的主周期和7a、9a、14a、25a的次周期，其中3a经历了密集的“干−湿”变化循环（图6f）。流域春季湿润指数在2～14a、18～32a的时段较为密集（图6b），存在26a、4a、6a和12a四个周期，其中26a经历了“湿−干−湿−干−湿”的交替循环（图6g）。流域夏季湿润指数在2～5a、6～9a和11～18a的时间尺度上较为密集（图6c）；夏季湿润指数在14a时间周期的小波方差值最大（即主周期），并在该周期经历了4次“湿−干”交替循环，此外在3a、8a时间周期也存在极值（即次周期）（图6h）。流域秋季湿润指数在2～5a、6～12a和17～26a的时间尺度上较为密集（图6d），小波方差图显示3a、9a、18a、25a处存在极值，可推断流域秋季湿润指数存在一个3a的主周期和9a、18a、25a的次周期（图6i）。黄河流域冬季湿润指数在2～7a、10～22a的时间尺度上较为密集（图6e）；由图6j可见，冬季存在一个15a的主周期和3a、4a、6a的次周期，其中15a经历了4次“干−湿”变化循环。综上，黄河流域年湿润指数存在2～5a、6～11a、20～32a的周期变化，流域年和四季湿润指数分别存在3a、26a、14a、3a和15a的第一主周期（图6）。

图6 黄河流域年/季湿润指数小波变换系数实部等值线图和小波方差图

2.3 黄河流域气候干湿状况的影响因素分析

2.4 黄河流域未来干湿状况趋势预测

表1 1960−2020年黄河流域湿润指数与各气象因子的相关系数

注：*和**分别表示相关系数通过0.05、0.01水平的显著性检验。

图7 黄河流域年/季湿润指数序列的重标极差（R/S）分析结果

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）空间上，1960−2020年黄河流域年和四季湿润指数呈现东南高西北低的分布特征。流域全年、春、秋季以变干为主，湿润指数呈显著下降的站点占比分别为5.31%、7.96%、6.19%；流域夏、冬季以变湿为主，湿润指数呈显著上升的站点占比分别为10.62%和13.27%。

（2）年际变化上，1960−2020年黄河流域年和季节湿润指数均无显著变化趋势。流域全年、春、夏、秋和冬季分别处于半湿润、半干旱、半湿润、半湿润和半干旱状态。黄河流域湿润指数在年际和季节变化上具有多个时间尺度的周期振荡特征，第一主周期分别为3a、26a、14a、3a和15a。

（3）黄河流域年和各季湿润指数均与降水量、相对湿度呈极显著正相关，与日照时数呈极显著负相关，降水量、相对湿度和日照时数是影响黄河流域湿润指数变化的主导因素，最高气温、平均气温、最低气温和平均风速对湿润指数影响较小。

（4）黄河流域年和季节干湿状况的未来变化趋势与过去61a干湿状况变化趋势有着良好的自相似性，即黄河流域年、春季和秋季在未来一段时间内气候将持续变干，其中秋季呈较强持续性变干；夏季和冬季流域气候将持续变湿。

3.2 讨论

气候干湿状况是表征区域气候变化的重要指标[31]。黄河流域年和四季湿润指数空间分布不均，受地形、海陆距离、不同气象因子等的影响，流域年和四季湿润指数自东南向西北内陆逐渐递减，这与刘勤等[32]的研究结果一致。黄河流域春季以变干为主，这可能是由于春季降水较少而春播和植被返青需水耗水增加，且随着气温回升等导致潜在蒸散发增大[33]。流域秋季以变干为主，这可能是由于该季节降水减少趋势大于潜在蒸散发减少趋势，且秋季干旱频率较高，干旱历时长及干旱烈度大[18]。夏季流域以变湿为主即旱情减缓，可能是由于该季节气温升高且降水丰沛，降水量增加在很大程度上消减了潜在蒸散发增大等造成的影响。流域冬季受干冷气团控制，温度极低，潜在蒸散发小，且伴随降水的增加将导致流域以变湿为主。Hurst指数表明，黄河流域年、春季和秋季在未来一段时间内气候将持续变干，而夏季和冬季气候将持续变湿。Huang等[16]研究也表明黄河流域未来气温将明显升高，可能导致流域水资源减少和旱情加重。综合考虑黄河流域湿润指数时空变化特征、未来趋势及农牧业与社会经济发展态势，黄河流域气候变化应对和水资源利用的对策建议主要有，黄河流域绝大部分地区年湿润指数小于1，季节性干旱特征明显，生态环境脆弱，需遵循开发利用和建设保护并举原则；春季和秋季是黄河流域抗旱减灾的重点时段，采取节水灌溉、种植耐寒（旱）作物、加强农田水利基本建设、水资源的科学规划与合理利用等措施减缓黄河流域未来干旱趋势。同时，黄河流域不同区域干湿状况变化趋势不一致，应因地制宜，进行水资源合理利用和旱涝防灾减灾等。此外，本研究侧重于黄河流域干湿状况的趋势预测，对流域未来干湿变化趋势的空间差异分析不够。今后应进一步分析黄河流域未来干湿变化趋势的空间差异及其成因。

本研究利用湿润指数分析了近61a黄河流域干湿状况时空变化，可为黄河流域农牧业生产、水资源合理利用及防灾减灾等提供一定科学支撑。但湿润指数仅是一个气象指标，一个区域干湿状况研究不仅要考虑气象要素的变化，还应考虑地形地势、人类活动、作物种类、土壤性质等非气象要素的变化。因此，气候变化背景下的湿润指数、地形地貌、人类活动等对黄河流域干湿状况的共同影响是未来亟待解决的议题之一。

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Spatiotemporal Variation of Climate Dry-Wet Condition and Its Potential Trend in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

GONG Jie, GAO Bing-li, LI Yan, JIN Tian-tian, ZHANG Yun-xia, ZHU Yue-hua

(College of Earth and Environmental Sciences/Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Based on the humidity index, using the daily climate data of 113 meteorological stations in and adjacent the Yellow River Basin(YRB) from 1960 to 2020, climate trend rate, Morlet wavelet, simple correlation analysis, and Hurst index were used to analysis the spatiotemporal characteristics of dry-wet condition in the YRB in the latest 61 years and to predict the future trend of dry-wet changes in the YRB, to provide scientific basis for drought prevention and mitigation and rational utilization of climate resources in the YRB. The results showed that: (1) among all the geographic zones, the annual and seasonal humidity index in the YRB was high in the southeastern YRB and low in the northwestern YRB. Spatially, the climate of the annual, spring and autumn in the YRB was mainly dry, the proportions of stations with significant decrease of humidity index of the total stations were 5.31%, 7.96% and 6.19%, respectively.The climate of summer and winter was mainly wet, the proportions of stations with significant increase of humidity index were 10.62% and 13.27%, respectively. (2) As for the interannual change, the annual and seasonal humidity index of the YRB from 1960 to 2020 showed no significant change. Semi-humid, semi-drought, semi-humid, semi-humid, semi-drought were found in entire year, spring, summer, autumn, and winter, respectively. The annual and seasonal humidity index of the YRB had periodic oscillation characteristics at multiple time scales, and the first main period was 3 years, 26 years, 14 years, 3 years and 15 years, respectively. (3) The change of humidity index in the YRB was extremely significantly positively correlated with precipitation and relative humidity. There was a extremely significant negative correlation between sunshine duration and humidity index. Precipitation, relative humidity, and sunshine duration were the main factors affecting the change of humidity index in the YRB. (4) The Hurst index of annual and seasonal humidity index in the YRB were larger than 0.50, indicating that the climate of annual, spring, and autumn of the YRB would continue to be drying, the summer and winter climate would continue to be wetting.

Humidity index; Future trend; Spatiotemporal variation; Morlet wavelet analysis; Yellow River Basin

巩杰,高秉丽,李焱,等.1960-2020年黄河流域气候干湿状况时空分异及变化趋势[J].中国农业气象,2022,43(3):165-176

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.03.001

2021−09−02

国家自然科学基金重大项目（41991231）

巩杰，博士，教授，主要从事景观生态学、生态系统服务、环境遥感与生态评价等方面的科研和教学工作，E-mail: jgong@lzu.edu.cn