中国西北地区气象干旱时空演变特征

刘杨奕， 毛文静， 李思琦， 赵鑫雨， 张学武， 吴海江，粟晓玲

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100)

1 研究背景

干旱是水分收支不平衡而导致水分短缺的一种水文现象[1]。其中，气象干旱是指在相当长的一段时期内，某一区域内的蒸发量大于降雨量，导致持续的水分收支不平衡而出现的水分亏缺现象[2]。近年来，随着全球气候变暖，干旱无论是在历时或者强度上都有着增强的趋势[3]。此外，在气候变化下区域性干旱事件的发生越来越频繁，对生产及生活均造成了极大影响，引起了人们的广泛关注[4]。

我国西北地区位于欧亚大陆腹地，经纬度范围为72°25′～110°55′E，31°35′～49°15′N，面积约为311×104km2。主要行政区划包括陕西省、青海省、甘肃省、宁夏回族自治区和新疆维吾尔自治区5个省(区)。该地区深居内陆、地形复杂，水汽来源不足，年降水量小于400 mm，是同一纬度下最干旱的地区之一[5]。

目前关于西北地区气象干旱的研究主要集中在以下两个方面：(1)气象干旱指数在西北地区的适用性。气象干旱指数多以降水为基础，如帕尔默干旱指数(Palmer drought severity index, PDSI)和标准化降水指数(standardized precipitation index, SPI)[6]。西北地区具有降水量小、蒸发量大的特点，因此，选择既考虑降水又考虑蒸发的干旱指数来表征西北地区气象干旱较为合理。Vicente-Serrano等[7-8]提出了标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)，该指数通过降水与蒸散发之间的差值计算水平衡，并通过水平衡来表示干旱特征。SPEI不仅同时考虑了降水与蒸散发，且充分结合了SPI与PDSI两者的优势，能够客观地反映地表的干湿变化[9]，在西北地区具有一定的适用性。例如，庄少伟[10]研究指出时间尺度大于12个月的SPEI对降水量不足200 mm的干旱区具有较好的适用性；王芝兰等[11]研究表明SPEI在西北地区东部适用性较好；陈斐等[12]基于SPEI探讨了西北地区春旱的演变情况，证实了SPEI在西北地区应用的合理性；高涛涛等[13]基于SPEI分析了秦岭南北发生干旱的频率并进行了归因分析。以上研究均表明，SPEI可以监测西北气象干旱。(2)西北地区气象干旱的演变趋势。黄小燕等[14]分析了西北地区地表湿润情况，指出该地区1960-2015年表现出显著的变湿趋势；张华等[15]认为西北地区在2001-2018年间干旱有减轻的趋势；徐荣璐等[16]研究发现西北干旱区相对湿度整体表现为不显著减小的趋势，且在21世纪以后出现了显著减小的趋势；初萍萍[17]研究了西北地区1960-2018年的干旱变化趋势，认为西北地区有干旱加剧的趋势，且在2000年左右有明显突变；李明等[18]总结了西北地区近50年来的干湿演变特征，发现西北地区西部向暖湿化转变而东部向暖干化转变。

综上所述，由于采用的指数和研究年限不同，对西北地区干旱演变趋势的分析结论也不相同，本文利用西北地区136个气象站1961-2016年逐月的气象数据，计算SPEI指数并以此分析西北地区及5个省(区)年尺度(12个月尺度)和季节尺度(3个月尺度)下气象干旱的时空变化规律，以期为该地区的防旱抗旱以及水资源规划等提供依据。

2 资料来源及研究方法

2.1 资料来源

计算西北5省(区)的136个气象站1961-2016年逐月SPEI指数的降水、风速、相对湿度、日照时数、平均气温、最高气温、最低气温等观测数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)。

2.2 研究方法

2.2.1SPEI指数的计算 本文采用世界粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)推荐的Penman-Monteith公式[19]计算潜在蒸散量ET0：

(1)

式中：Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为干湿常数，kPa/℃；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；T为平均气温，℃；es为平均饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；U2为2 m高处的风速，m/s。

然后计算水分亏缺量，即逐月降水量与蒸散发量的差值Di：

Di=Pi-(ET0)i

(2)

式中：Pi和(ET0)i分别为某一时间尺度下(如3个月和12个月)降水量和潜在蒸散量，mm。

采用三参数的Log-logistic概率密度函数拟合水分亏缺量Di数据序列，其累积概率密度函数的表达式为：

(3)

其中参数α、β、γ分别计算如下：

(4)

(5)

γ=w0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

式中：Г为阶乘函数；w0、w1、w2为水分亏缺量Di序列的概率加权矩，计算方法见公式(7)、(8)。

(7)

(8)

式中：N为参与计算的月份数，s=0，1，2。

(9)

(10)

式中：常数c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

2.2.2 线性回归 采用线性回归计算SPEI的变化率，识别西北地区SPEI序列的时间变化趋势。一元线性回归方程的表达式为：

yi=α+βxi+εi

(11)

式中：α、β为回归参数；xi为自变量；yi为因变量；εi为误差项。

回归参数α、β计算如下：

(12)

(13)

2.2.3 突变点检验 采用Pettitt突变分析法诊断SPEI序列的突变点，即找出一个结点，时间序列在该点前后的均值发生了显著的变化，则该点为序列的显著变异点，使用Mann-Whitney统计量Ut,n：

(14)

检验统计量Kn及k(t)的公式分别为：

(15)

(16)

式中：n为序列长度；η为选定的显著性水平。

如果k(t)>Kn，则在序列Xt处存在突变点，否则不存在突变点[20]。

2.2.4 周期分析 对SPEI12和SPEI3指数序列进行小波分析，得到年尺度和季节尺度下西北地区的干旱周期变化。Morlet小波分析是将某种信号用一组小波函数代替，其函数为：

(17)

式中：ψa,b(t)为子小波；a为尺度因子，b为平移因子，a,b∈R，a≠ 0。在水文研究中，通常使用离散的时间序列，设函数f(kΔt)(k= 1, 2,…,N；Δt为取样间隔)，则公式(17)的离散形式为：

(18)

将小波系数的平方值在b域上积分，就可得到小波方差，如公式(19)所示：

(19)

式中：Var(a)为小波方差，该值反映了小波能量的变化情况，通过该值的峰值点可以判断时间序列的主周期。

2.2.5 干旱等级划分 用于表征气象干旱的SPEI指数的干旱等级划分见表1[21]。

表1 SPEI的干旱等级划分表

3 结果分析

3.1 气象干旱的时间演变趋势

西北地区年尺度和季尺度SPEI的变化率以及Kendall趋势检验结果见表2。

由表2可知，对整个西北地区来说，年尺度和季尺度的SPEI均呈不显著的增大趋势，即气象干旱呈减轻趋势，但各省(区)SPEI序列的变化趋势有较大的差异。例如，年尺度下陕西、宁夏和甘肃的SPEI呈不显著的减小趋势，即气象干旱表现为加剧趋势，青海的气象干旱呈不显著减轻的趋势，新疆的气象干旱呈显著减轻的趋势；季尺度下，春季陕西、宁夏、甘肃的气象干旱呈不显著加剧的趋势，青海、新疆的气象干旱呈显著减轻的趋势；夏季宁夏、甘肃的气象干旱均呈不显著加剧的趋势，陕西、青海的气象干旱呈不显著减轻的趋势，新疆的气象干旱呈显著减轻的趋势；秋季陕西、宁夏、甘肃的气象干旱呈不显著加剧的趋势，青海的气象干旱呈不显著减轻的趋势，新疆的气象干旱呈显著减轻的趋势；冬季甘肃、青海的气象干旱呈不显著加剧的趋势，陕西、宁夏的气象干旱呈不显著减轻的趋势，而新疆的气象干旱呈显著减轻的趋势。

表2 不同时间尺度西北地区及其各省区SPEI变化率和Kendall趋势检验

3.2 气象干旱的突变点分析

采用Pettitt检验诊断西北地区年尺度和季节尺度下SPEI的突变点，结果如表3所示。

表3 西北地区不同时间尺度下SPEI的Pettitt检验突变点

注：“*”表示通过α= 0.05的显著性检验。

由表3可知，年和春季尺度的SPEI的突变点均集中在20世纪80-90年代，夏季的突变点在20世纪70-90年代、21世纪00年代均有出现，秋季的突变点出现在20世纪70-90年代，冬季的突变点出现在20世纪80-90年代、21世纪00年代。此外，仅新疆年尺度和四季的突变点以及青海春季的突变点通过了α=0.05的显著性检验。

以西北全区为例，年和季尺度下气象干旱的突变点检验结果见图1。由图1可看出，年尺度下西北全区SPEI的突变点为1982年，因统计量U曲线未超出临界值范围，故此突变点在统计意义上不显著(图1 (a))。季尺度下西北全区Pettitt检验的突变点年份分别为1982、1975、1998和1980年，且在统计意义上均不显著(图1 (b)～1 (e))。

图1 1961-2016年西北地区年和季尺度下气象干旱的突变点检验结果

3.3 气象干旱周期分析

仍以西北全区为例，年和季尺度下SPEI的小波方差图见图2。小波方差图中的峰值点可以用来判断主周期，根据图2得出的西北地区及其5省(区)年和季尺度下SPEI序列主周期见表4。

图2 西北地区年和季尺度下SPEI的小波方差图表4 西北地区及其5省(区)年和季尺度下SPEI序列主周期

由表4可知，西北全区年尺度下气象干旱的第一、第二主周期分别为5和14 a；季尺度下，春季的气象干旱分别存在10、18、13、5 a的第一、第二、第三、第四主周期；夏季的气象干旱分别存在6、22、14 a的第一、第二、第三主周期；秋季的气象干旱分别存在10、5、3 a的第一、第二、第三主周期，冬季的气象干旱分别存在26、6、10 a的第一、第二、第三主周期。

3.4 气象干旱的空间演变特征

西北地区及其5省(区)年和季尺度下的SPEI序列倾向率的空间分布如图3所示。

由图3(a)可看出，在年尺度下，陕西、宁夏、甘肃整体表现为气象干旱加剧的趋势，而青海、新疆整体表现为气象干旱减轻的趋势。其中，北疆、天山地区以及青海中部地区的气象干旱表现出较为显著的减轻趋势(通过0.05水平显著性检验)，且SPEI倾向率达到(0.25～0.35)/10a；而甘肃南部的气象干旱则表现出显著的加剧趋势，SPEI倾向率达到(-0.25～-0.15)/10a。

a

图3 西北地区及其5省(区)年和季尺度下的SPEI序列倾向率的空间分布

由图3(b)～3(e)可看出：(1)春季，陕西、宁夏、甘肃整体均表现为干旱加剧的趋势，青海、新疆部分地区表现出干旱减轻的趋势。其中，甘肃东部的干旱表现为显著加剧的趋势，SPEI倾向率达到(-0.3～-0.2)/10a；青海南部及中部、新疆天山地区及南疆表现为干旱显著减轻的趋势，SPEI倾向率达到(0.3～0.4)/10a。(2)夏季，陕西、宁夏、甘肃整体均表现为干旱加剧的趋势，青海、新疆部分地区表现出干旱减轻的趋势。其中，甘肃南部及东北部、宁夏北部表现为干旱显著加剧的趋势，SPEI倾向率达到(-0.2～-0.1)/10a；青海中部、新疆北疆及天山地区表现为干旱显著减轻的趋势，SPEI倾向率达到(0.3～0.4)/10a。(3)秋季，陕西、宁夏、甘肃及青海南部表现为干旱加剧的趋势，其余地区表现为干旱减轻的趋势。其中，陕西东部、宁夏南部和甘肃南部表现出干旱显著加剧的趋势，SPEI倾向率达到(-0.2～-0.1)/10a；青海中部、北疆地区、天山地区表现出干旱显著减轻的趋势，SPEI倾向率达到(0.2～0.3)/10a；(4)冬季，陕西、宁夏两省北部小部分地区、甘肃东北小部分地区、青海及甘肃南部、新疆西部表现为干旱加剧的趋势，其余地区表现出干旱减轻的趋势。其中，陕西北部、甘肃南部、青海西南部表现为干旱显著加剧的趋势，SPEI倾向率达到(-0.2～-0.1)/10a，北疆地区表现出干旱显著减轻的趋势，SPEI倾向率达到(0.2～0.3)/10a。

4 讨 论

对西北地区1961-2016年的SPEI的分析结果表明，西北全区整体表现为不显著变湿的趋势，这与已有学者的研究结果相似[14,22]，但通过对西北地区5个省(区)的分析可知，不同省(区)的干旱变化趋势并不相同，变湿的位置主要在青海省和新疆维吾尔自治区。任培贵等[21]、滕怀颐等[23]采用Mann-Kendall检验法的研究结果显示，西北地区气象干旱的突变点集中在1995、1996年左右，在20世纪70及80年代并没有发生明显突变，这与本文采用的Pettitt检验法的研究结果不同，而本文得出的西北全区及其各省(区)干旱存在3～9、10～15、17～23、25～27 a的主周期与滕怀颐等[23]的研究结论基本一致。从空间分布来看，表现为东部变干、西部变湿的趋势，这与金红梅等[24]的研究结果一致。

本文仅讨论了西北地区气象干旱的变化趋势，并未讨论导致西北地区气象干旱演变的主要因素，实际上大气环流、人类活动影响等都可能使气候发生转变。下一步研究应重点探讨影响西北地区气象干旱的因素，关注影响要素与西北地区气候转变的相关性。

5 结 论

本文采用线性回归、Pettitt突变检验、小波分析等方法对西北地区的气象干旱时空演变特征进行了分析，得到以下主要结论：

(1)从时间演变趋势来看，除新疆年尺度和4个季节以及青海春季的气象干旱呈现显著的减轻趋势外，其余4个省(区)和全区年、季尺度下的气象干旱趋势不显著。

(2)年尺度和春季气象干旱的突变点均集中在20世纪80-90年代，夏季的突变点在20世纪70-90年代、21世纪00年代均有分布，秋季的突变点分布在20世纪70-90年代，冬季的突变点在20世纪80-90年代、21世纪00年代均有分布，但仅新疆在年和四季以及青海春季的气象干旱通过了突变点显著性检验。

(3)西北全区及5个省(区)的气象干旱主周期在年尺度下集中在5～6、9～14、18～24 a。季节尺度下，春季的主周期集中在2～6、10～13、18～20 a；夏季的主周期集中在3～7、11～14、17～23 a；秋季的主周期集中在3～6、9～13、19～23 a；冬季的主周期集中在3～6、9～15、25～27 a。

(4)从空间演变趋势来看，年尺度以及春、夏季的气象干旱在陕西、宁夏、甘肃表现为加剧的趋势，而青海、新疆却表现为干旱减轻的趋势；秋季的气象干旱在陕西、宁夏、甘肃及青海南部表现为加剧的趋势，其余地区均表现为减轻的趋势；冬季的气象干旱在陕西、宁夏、甘肃3省北部小部分地区、青海南部、新疆西部表现为加剧的趋势，其余地区均表现为减轻的趋势。