近60年河西走廊东部气象干旱演变特征

杨晓玲, 丁文魁, 孙占峰, 聂 鑫

(1.甘肃省武威市气象局, 甘肃 武威 733099; 2.中国气象局兰州干旱气象研究所，兰州 730020)

干旱是影响农业生产、经济发展最严重的自然灾害之一[1]。大量事实表明，随着全球气候显著变暖，全球极端干旱面积正在扩大[2-3]，干旱导致的水资源短缺日益严重。气象学者和相关专家研究发现中国北方地区干旱化正在加剧：赵海燕等[4]通过分析农业受旱面积和播种面积资料，认为东北、内蒙古和西北地区的农业干旱有显著加重趋势；梁泽学等[5]发现半干旱区东移，河套地区四季均表现出干旱化；路桂华等[6]指出辽河平原—海河平原—黄土高原—四川盆地—云贵高原形成了一个干旱化带状区域，干旱频率增加，特别是20世纪90年代中期以来，干旱连年发生，旱情较为严重；马柱国等[7-8]认为西北东部和华北的干旱化趋势在不断加剧，降水减少和气温升高是其主要原因；章大全等[9]指出未来5 a内干旱发生概率较大的地区主要在中国华北，且有持续向南扩张的趋势，降水减少仍然是中国东部干旱形成的主要因素；王春乙[10]研究指出，中国平均每年旱灾的受灾面积高达2 200万hm2，占各种灾害受灾面积的40%以上，粮食损失约120亿kg；刘勤等[11]发现中国气候总体上呈暖干化的变化趋势，预计未来几十年北方地区将经历最干旱的时期，极端干旱的频率和历时将达最大。因此，干旱仍是未来中国要面临的主要气象灾害。

河西走廊东部位于祁连山东段，与腾格里沙漠和巴丹吉林沙南缘接壤，境内山区、平原、戈壁荒漠并存，地形地貌极为复杂，由此造成该区灾害天气复杂多样，其中，干旱是该区域致灾最严重灾害天气，造成年均经济损失超过5 460万元，年均农业受灾面积超过31 639 hm2[12-14]，因此，笔者以河西走廊东部近60年降水和气温为基础，构造气象干旱指数，详细探讨气温、降水和气象干旱的演变特征，将对提高当地干旱预测预警水平和应对气候变化能力提供参考依据，同时对防旱抗旱减灾、农业安全生产、生态环境改善和区域经济发展具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

河西走廊东部地势南高北低，由西南向东北倾斜，海拔在1 300～3 100 m，从北向南依次为民勤、永昌、凉州、古浪、天祝，地理位置36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E(表1)。年气温在0.1～8.4℃，年降水量在110～410 mm，年蒸发量在1 500～2 700 mm，蒸发量是降水量的3.7～24.5倍，属大陆性温带干旱、半干旱气候区[15]。

表1 河西走廊东部地理状况

1.2 资料与指标

选取1960—2019年河西走廊东部的凉州、民勤、永昌、古浪、天祝5个区(县)自动气象站月气温和降水观测资料，60 a来，5个气象站均未曾迁移，气温和降水观测数据时间序列长，完整性和连续性好，可信度高。

1.3 研究方法

1.3.1 干旱指数 气温和降水是决定干旱发生、发展变化和终止最重要的因素，干旱通常具有高温少雨的气候特征，即气温高蒸发强烈与水份补给不足这两个方面。因此，采用Д·A·ⅡeДb提出的大气干旱指数公式，构造出月干旱指数[17]：

X=ΔT/δt-ΔR/δr

(1)

(2)

(3)

式中：X为某时段干旱指数；气温距平ΔT=T-Tp；T为气温；Tp为平均气温；降水ΔR=R-Rp；R为降水量；Rp平均降水量;δt与δr分别为某时段气温、降水量的标准差；L为资料年数。

以往常用的干旱指数包括Palmer干旱指数(PDSI)[18]、作物水分指数以及标准化降水指数(SPI)等[19]。但均有一定的局限性，PDSI指数和作物水分指数在旱情等级界定上有主观因素，在判断极端旱情时可能会滞后几个月；SPI指数仅考虑降水资料，未考虑影响干旱的其他因素如温度、蒸散等。本文采用Д·A·ⅡeДb提出的干旱指数的优点是即考虑了降水变化，又考虑了温度升高引起蒸发的变化，适合于定量地描述月、季、年景干旱或雨涝的反常气候状况。

1.3.2 气候倾向率 利用线性趋势分析指标的时间变化，计算指标的气候倾向率，线性方程[20]为：

yi=a+bti(i=1,2,3，…，n)

(4)

式中：yi为指标变量；ti为yi对应的时间；b为倾向率；b×10为每10 a的变化率。变化趋势的显著性,采用t与y间的气候趋势系数进行显著性检验。根据蒙特卡罗模拟方法[21]:通过信度α=0.1，0.05，0.01检验对应的相关系数临界值依次为:0.306，0.365，0.443,当气候趋势系数绝对值大于上述临界值时,分别认为较显著、显著、很显著。

2 结果与分析

2.1 气温和降水演变特征

2.1.1 空间分布 河西走廊东部地处祁连山东麓，境内地形复杂，高山平原沙漠并存，气温和降水的地域分布存在一定差异(图1)。年、农业季气温：全域分别为5.6℃，12.3℃；各地均为民勤最高，凉州次之，再次为古浪，天祝最低。即年和农业季气温均为荒漠区和绿洲平原区明显高于浅山区，浅山区明显高于高寒山区。年、农业季降水：全区域分别为253.3 mm，227.3 mm；各地均为天祝最多，古浪次之，再次为永昌，民勤最少。即年和农业季降水均为高寒山区多于浅山区，浅山区多于荒漠区和绿洲平原区。

3．相关会议类。关于习近平共享发展的会议是比较多的，最具有代表性的会议有《决策论坛——公共政策的创新与分析学术研讨会》、《中国国际共运史学会2016年年会暨学术研讨会》《中国经济规律研究会第26届年会暨“政治经济学创新与供给侧改革”研讨会》等，这些会议从不同角度阐明了习近平共享发展理念符合时代发展。准确地理解习近平共享发展理念的理论来源、深刻内涵以及与其他四大发展理念(创新、协调、绿色、开放)的逻辑关系，同时准确把握习近平共享发展理念的创新性，为习近平共享发展理念的进一步深入研究开拓了理论视野，对于习近平共享发展理念的研究具有重要借鉴意义。

图1 河西走廊东部年和农业季气温和降水量空间分布

气温和降水的地域分布与影响当地天气系统关系较大，平原区和荒漠区主要受西北和偏北气流环流背景影响，大气携带水汽相对较少，晴天较多，阴雨天少，气温高，降水少；山区位于祁连山东北侧，受西南季风影响，西南暖湿气流活跃，阴雨日数较多，气温低，降水多。另外，气温和降水的分布还与海拔高度有一定的关系，平原区和荒漠区海拔低，气温高，山区正好相反；山区位于祁连山东北侧，受高海拔动力和高原本身的热力等作用，致使水汽极易堆积抬升凝结，降水多比平原区和荒漠区多。

2.1.2 时间变化 河西走廊东部年和农业季气温随年份呈升高趋势(图2)，其中，年气温的气候倾向率为凉州>古浪>民勤>全区域>永昌>天祝，根据蒙特卡罗模拟方法规定，全区域及各地气候趋势系数均通过了α=0.01显著性水平检验，升高趋势很显著；农业季气温的气候倾向率为凉州>民勤>古浪>全区域>永昌>天祝，根据蒙特卡罗模拟方法规定，全区域及各地气候趋势系数也均通过了α=0.01显著性水平检验，升高趋势很显著。

图2 河西走廊东部年和农业季气温的变化趋势

河西走廊东部年和农业季降水随年份呈增多趋势(图3)，其中，年降水的气候倾向率为天祝>永昌>全区域>凉州>民勤>古浪，根据蒙特卡罗模拟方法规定，永昌气候趋势系数通过了α=0.01显著性水平检验，增多趋势很显著，天祝气候趋势系数通过了α=0.05显著性水平检验，增多趋势显著，全区域气候趋势系数通过了α=0.1显著性水平检验，增多趋势较显著，凉州、民勤、古浪气候趋势系数没有通过显著性水平检验，增多趋势不显著；农业季降水的气候倾向率为天祝>永昌>全区域>凉州>古浪>民勤，根据蒙特卡罗模拟方法规定，永昌气候趋势系数通过了α=0.01显著性水平检验，增多趋势很显著，天祝气候趋势系数通过了α=0.1显著性水平检验，增多趋势较显著，全区域及凉州、民勤、古浪气候趋势系数没有通过显著性水平检验，增多趋势不显著。

图3 河西走廊东部年和农业季降水量的变化趋势

从表2可知，河西走廊东部年和农业季气温随年代呈升高趋势，20世纪60—80年代为负距平，气温偏低，其中70年代最低；90年代距平在0℃左右，气温持平；21世纪以来为较大的正距平，气温明显偏高，10年代气温最高。

表2 河西走廊东部年和农业季气温、降水量年代距平

河西走廊东部年和农业季降水随年代总体呈增多趋势，20世纪60—80年代为负距平，降水偏少，但民勤和古浪70年代为较大的正距平，降水最多；90年代距平有正有负，除凉州和天祝外，距平的绝对值均较小；21世纪以来为较大的正距平，但个别县区不一致，00年代古浪、天祝为较小的负距平；除民勤和古浪外，10年代降水最多。

2.2 干旱演变特征

2.2.1 空间分布 河西走廊东部各地干旱的地域分布差异不大(图4)。年景干旱出现年数、频率：全区域26 a，43.3%；永昌最多30 a，50.0%；凉州、古浪次之27 a，45.0%；再次为天祝25 a，41.7%；民勤最少22 a，36.7%，即干旱年数为北部浅山区多于绿洲平原区和南部浅山区，绿洲平原区和南部浅山区多于高寒山区，高寒山区多于荒漠区。农业季干旱出现年数、频率：全区域25 a，41.7%；天祝最多29 a，48.3%；民勤次之27 a，45.0%；再次为凉州和古浪均为25 a，41.7%；永昌最少24 a，40.0%，说明农业季干旱年数为高寒山区多于荒漠区，荒漠区多于绿洲平原区和南部浅山区，绿洲平原区和南部浅山区多于北部浅山区，即年景干旱与农业季干旱南北几乎呈相反的变化趋势。

图4 河西走廊东部年景和农业季干旱频率空间分布

2.2.2 时间变化 由上节的分析可知，河西走廊东部出现年景干旱和农业季干旱的频率基本在50%以下，即有一半以上的年份未出现干旱，年变化的偶然性较大，因此在时间变化上，选取年代际进行分析。

从表3可知，河西走廊东部年景和农业季干旱年数随年代先减少后明显增多趋势。20世纪60—80年代较少，在0～4 a，其中70年代最少；90年代开始增多，90年代在4～7 a；21世纪00—10年代干旱年数明显偏多，在6～10 a，各地变化不太一致，特别是00年代凉州、永昌、古浪年景干旱和天祝农业季干旱年数高达9 a，10年代民勤、古浪年景干旱和民勤农业季干旱高达年数10 a，凉州、古浪农业季干旱年数高达9 a。这主要是由于本研究所用干旱指数是基于气温和降水得到的，胡实等[22]研究发现增温引起的地表蒸发增加是干旱频发的主要原因。由2.1.2节分析可知，河西走廊东部气温出现显著升高，升温率均通过了α=0.01显著性水平检验；降水也出现了增多，但增多率大部分没有通过显著性水平检验，特别是90年代以来，气温增幅非常明显，降水增幅不明显，因此，90年代以来干旱年数增多，特别是21世纪前20 a出现了明显增多的现象。这与廖要明等[23]研究的中国干旱事件明显增多和金红梅等[24]、程文举等[25]分析的中国西北地区气象干旱呈增强趋势相对一致，但与张利利等[26]研究的石羊河流域干旱事件的变化不一致。这可能与表述干旱事件所用的气象要素和计算方法不同有关，有待于进一步研究。

表3 河西走廊东部年景和农业季干旱各年代年数 a

2.2.3 各等级干旱变化 由大气干旱指数分布划分的干旱等级能反映不同时间和地点的气候特征，其干旱等级划分标准具有一定的气候意义，可适用于不同时段不同地区。

从表4可知，河西走廊东部年景和农业季各级别干旱年数变率较大，随着干旱等级的加重，干旱年数总体上在减少，特旱年数最少，但年景干旱年数个别站为重旱略多于中旱，农业季干旱年数均为中旱多于轻旱，这与柏庆顺等[27]研究的中国西北地区各级别干旱年数的变化(轻旱>中旱>重旱>特旱)不太一致，这可能是干旱指数的计算和各干旱等级分级有所不同。在年景干旱中，轻旱年数占干旱总年数的22.7%～53.3%，中旱年数占14.8%～27.3%，重旱年数占16.7%～28.0%，特旱年数占6.7%～27.3%；在农业季干旱中，轻旱年数占干旱总年数的24.0%～39.3%，中旱年数占25.0%～48.0%，重旱年数占16.0%～29.2%，特旱年数占3.4%～20.0%。特旱和重旱出现概率虽小，但仍会给工农业生产和人民生活带来了严重的影响[28-29]。

表4 河西走廊东部年景和农业季各级别干旱年数 a

2.3 干旱指标识别与实际干旱对比

为探明Д·A·ⅡeДb提出的干旱指数识别的干旱是否符合河西走廊东部实际干旱情况，查找了研究区域的历史干旱资料，以验证该指数在河西走廊东部的适用性。由于轻旱对农业生产的影响较小，因此，选取了干旱指数识别的中旱等级以上干旱事件与武威市气象局灾情统计和《甘肃省历史气候资料》记载的干旱事件进行对比(表5)，发现该指数识别出了河西走廊东部实际发生的大部分重要干旱事件，只有个别年份(1963年、1976年、1997年、2009年、2016年、2017年)识别的干旱与实况有出入，这种差异可能是由于评估指标侧重点及计算方法或者干旱事件记载的不详等原因导致。据武威市气象局灾情统计和《甘肃省历史气候资料》记载：1991年大旱使武威市农作物受灾面积达39.5%，受灾严重；1999年、2013年、2018年特旱使河西走廊东部农作物受灾面积分别达4.201×104hm2，8.566 6×105hm2，5.63×104hm2，经济损失分别达2.542 4×108元，4.450 5×107元，4.443 1×108元，这与指数识别的河西走廊东部特旱年份一致。

表5 干旱指数识别与实际干旱事件对比

总之，利用该指数识别出的主要气象干旱事件与实际干旱事件基本一致，干旱等级也相对一致，说明使用该指数能够较好地监测到河西走廊东部干旱年份及干旱等级。

3 小 结

(1)河西走廊东部年和农业季气温均为荒漠区和绿洲平原区明显高于浅山区，浅山区明显高于高寒山区；年和农业季降水均为高寒山区多于浅山区，浅山区多于荒漠区和绿洲平原区。河西走廊东部年和农业季气温随年份呈显著升高趋势，区域及各地气候趋势系数均通过了α=0.01显著性水平检验；年和农业季降水随年份呈增多趋势，只有永昌、天祝气候趋势系数通过了显著性检验。河西走廊东部年和农业季气温随年代在升高；年和农业季降水随年代总体上在增多，但各地变化不太一致。

(2)河西走廊东部年景干旱年数为北部浅山区多于绿洲平原区和南部浅山区，绿洲平原区和南部浅山区多于高寒山区，高寒山区多于荒漠区；农业季干旱年数为高寒山区多于荒漠区，荒漠区多于绿洲平原区和南部浅山区，绿洲平原区和南部浅山区多于北部浅山区。河西走廊东部年景和农业季干旱年数随年代呈先减少后明显增多趋势，70年代最少，21世纪00—10年代干旱年数较多。年景和农业季干旱年数各等级变率较大，随着干旱级别的加重，干旱年数总体在减少，特旱年数最少，但年景干旱年数个别站为重旱略多于中旱，农业季干旱年数均为中旱多于轻旱。

(3)通过与历史干旱记载事件对比发现，Д·A·ⅡeДb提出的干旱指数识别出的主要气象干旱事件和实际干旱事件基本一致，干旱等级也相对一致，说明使用该指数能够较好地监测到河西走廊东部干旱年份及干旱等级。

(4)在气候变暖的背景下，全球和区域尺度的干旱时空分布发生了变化[30]。选取河西走廊东部5个自动气象站点的常规观测资料讨论气候变化对河西走廊东部气象干旱的影响，在一定程度上能够清晰反映了气象干旱对气候变化的响应，但河西走廊东部处于不同气候区的交汇过渡带，天气特征和气候变化受到季风、环流系统、地形及海拔等因素的影响，局地气候变化比较复杂，有待进一步研究。另外，仅用该地区5个自动气象站点资料分析存在站点稀少、分布不均、网格较粗的弊端，在之后的研究中，需增加更多区域气象站的观测资料，结合河西走廊东部地形、地理位置及人类活动等相关信息，详细分析河西走廊东部气象干旱的地域差异，对气象干旱等级划分进行进一步修订。