全球主要干旱区气候变化研究综述

王佳宁，李雯婧

1.黑龙江省气象灾害防御技术中心，黑龙江哈尔滨 150030；2.齐齐哈尔市气象局，黑龙江齐齐哈尔 161000

0 引言

干旱区指属于干旱气候的地区，所占面积为1.9×107km2，约占全球陆地面积（14.9×107km2）的13%[1-2]。这里降水稀少、水资源缺乏、生态环境十分脆弱，对全球气候变化的反应十分敏感。干旱地区的降水较少并且时空变化大，气候干燥，水资源匮乏，导致其生态环境脆弱 。因此，干旱地区的气候变化及其面积是否扩张，对人类生存环境的影响十分显著[3]。

在全球变暖的环境背景下，全球干旱地区由于其脆弱的生态环境，极易受到气候变化和人类活动的影响的特殊性，而引起国内外学者的重视。在这样的环境背景下，研究并掌握干旱地区的气候时空变化，有助于了解未来干旱地区气候变化。

1 数据与方法

1.1 数据

研究所采用的平均气温和降水资料来自美国气候中心所提供的NCEP再分析数据，空间分辨率为0.5°×0.5°。年潜在蒸发量的数据出自全球陆面数据同化系统，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间长度为1948—2010年，共计63年。

1.2 气候划分方法

干旱指数(Aridity Index, AI )是反映气候干旱程度的指标，定义为年降水量(P)和年潜在蒸发(PET)的比值。PET表征的是大气的蒸发“需求”，是在给定的气候条件下，从湿润的、有植被覆盖的地表得到的蒸散发量的最大值。

依据联合国环境规划署的划分标准，将年降水量与年潜在蒸发量的比值＜0.65的区域定义为旱地，并将其进一步划分为极端干旱区（AI＜0.05）、干旱区（0.05≤AI＜0.2）、半干旱区（0.2≤AI＜0.5）和湿润偏干区（0.5≤AI＜0.65）共4种类型。

1.3 研究方法

1.3.1 区域平均的气象要素时间序列计算网格的面积会因为格点纬度的不同而有所不同，因此计算区域平均的时候需要考虑面积权重。利用网格面积大小求得各个格点气象要素加权平均值，从而得到区域平均的气象要素随时间的变化序列。计算公式如下：

1.3.2 线性趋势分析表示要素的时间序列（i=1, 2, 3, …, n），n是样本容量（即为年份数），ti表示xi所对应的时间，xi与ti的一元线性回归方程为：

式（2）中，a为气象要素和时间的线性回归系数，即气象要素变化的速率。可以利用最小二乘法估算得到。a的正负值表示气象要素x的倾向趋势。如果a＜0，表示要素在计算时间内有下降的趋势；如果a＞0，则表示要素在计算时间内有上升趋势。通常把a×10称为气候倾向率，单位为气象要素单位/10年，它的绝对值的大小可以表示变化趋势的程度。

2 全球干旱区的空间分布

图1是根据1961—1990年的干旱指数划分出来的全球干旱区的空间分布图。从图1中可以看到，干旱区主要分布在撒哈拉沙漠的南部、中亚、中国北方的部分地区、蒙古国的南部、澳大利亚的大部分地区等。其中，中亚和澳大利亚地区的干旱区在全球干旱区中面积占比最大，因此此次研究主要分析中亚的澳大利亚干旱区气候的时空分布特征。

图1 1961—1990年全球干旱区的空间分布

3 中亚干旱区气候变化

3.1 中亚干旱区的空间分布特征

根据干旱指数对干旱区和半干旱区的划分，将干旱指数在0.05~0.2范围内的区域定义为干旱区。图2是根据1961—1990年的干旱指数划分出来的中亚干旱区的空间分布图。该地区处于亚欧大陆腹地，介于35°N~55°N，50°E~85°E，占全球干旱区面积的1/3，是典型的内陆干旱区，生态环境极其脆弱，对气候变化反应较为敏感[4]。

图2 1961-1990年中亚干旱区的空间分布

3.2 中亚干旱区的降水变化特征

中亚干旱区冬季总降水量的年际变化波动较小，1997—1999年有剧烈的突变，1952年和1997年出现总降水量最大值，1999年出现最小值。过去63年中亚干旱区冬季总降水量的均值为45 mm。根据线性趋势可知，整体上过去63年中亚干旱区冬季总降水量呈下降趋势（没有通过显著性检验），下降速率为0.13 mm/10年。

可见中亚干旱区夏季总降水量的年际变化波动也较小，过去63年中亚干旱区夏季总降水量的均值为23 mm。根据线性趋势可知，整体上过去63年中亚干旱区夏季总降水量也呈下降趋势（没有通过显著性检验），下降速率为0.31 mm/10年。有研究资料表明，中亚干旱区降水呈显著的季节性变化，与中亚干旱区春、冬季为雨季，夏、秋季为枯水期特征吻合。中亚干旱区受到西风环流和北大西洋涛动的影响，降水特征为以冬季、春季为主的西风区降水特征。冬季可占全年降水量的24.4%，夏季降水量占全年降水量的17.9%[5]。

分析可知，中亚干旱区年总降水量年际变化波动较大，年总降水量最大值出现在1981年，为215 mm；最小值出现在2000年，为100 mm，二者相差115 mm。过去63年中亚干旱区年总降水的均值为151 mm。整体上，过去63年中亚干旱区年总降水量呈下降的趋势（没有通过显著性检验），下降速率为2.80 mm/10年。

3.3 中亚干旱区的温度变化特征

由1948—2010年中亚干旱区冬季平均温度变化可知，中亚干旱区冬季平均温度最低值出现在1968年，为-10.5℃，温度最高值在1998年、2001年、2003均有出现，为-1℃，二者差值为9.5℃。过去63年的平均温度为-4.5℃。根据线性趋势可知，整体上1948—2010年中亚干旱区冬季平均温度呈上升趋势（通过了95%的显著性检验），上升速率为0.34℃/10年。

由1948—2010年中亚干旱区夏季平均温度变化可知，中亚干旱区夏季平均温度最高值出现在2010年，为25.6℃，温度最低值出现在1957年，为22.7℃，二者差值为2.9℃。过去63年的夏季平均温度为24℃。根据线性趋势可知，1948—2010年中亚干旱区夏季平均温度整体呈上升趋势（通过了99%的显著性检验），上升速率为0.23℃/10年。

由1948—2010年中亚干旱区年均温度变化可知，温度最高值出现在2004年，为11.6℃，温度最低值出现在1950年和1969年，为8.2℃，二者差值为3.4℃。过去62年的年均温度为10℃。根据线性趋势可知，1948—2010年中亚干旱区年均温度整体呈上升趋势（通过了99%的显著性检验），上升速率为0.30℃/10年（表1）。

表1 中亚干旱区降水量、温度变化速率

4 澳大利亚干旱区气候变化

4.1 澳大利亚干旱区的空间分布特征

根据干旱指数对干旱区和半干旱区的划分，将干旱指数在0.05~0.20范围内的区域定义为干旱区。图3根据1961—1990年的干旱指数划分出来的澳大利亚干旱区的空间分布图。该地区位于南太平洋和印度洋之间的澳大利亚大陆，介于10°S~40°S、110°E~150°E。干旱区位于澳大利亚大陆的西部和中部，占澳大利亚的大部分地区。

图3 1961—1990年澳大利亚干旱区空间分布

4.2 澳大利亚干旱区的降水变化特征

澳大利亚处于南半球，所以冬季为每年的6—8月。过去63年澳大利亚干旱区冬季总降水量的均值为42 mm。1973年出现降水量最大值为105 mm，1970年出现降水量最小值为10 mm，二者相差95 mm。可见，1970—1973年之间出现了剧烈的突变降水。此外，1976—1978年、1982—1986年之间也出现了明显的突变降水变化。根据线性趋势可知，1948—2010年澳大利亚干旱区冬季总降水量呈下降趋势（没有通过显著性检验），下降速率为0.74 mm/10年。

过去63年夏季的总降水量的均值为112 mm。1948—1970年以及1980—2010年降水变化的振荡趋势比较稳定，但是1971—1979年出现的明显的降水量突变。在1973年出现了降水量最大值为300 mm。根据线性趋势可知，过去63年澳大利亚干旱区夏季总降水量呈上升趋势（通过了95%的显著性检验），上升速率很大，上升速率为6.1 mm/10年。

在1972年出现了降水量最低值为150 mm，1974年出现了降水量最高值为540 mm。可见，在1972年—1974年这三年间发生了剧烈的降水量突变过程。过去63年的年平均总降水量为260 mm。根据线性趋势可知，过去63年澳大利亚干旱区年总降水量呈上升趋势（没有通过显著性检验），上升速率为6.7 mm/10年。

4.3 澳大利亚干旱区的温度变化特征

1956年，澳大利亚干旱区出现最低温度，为13℃；1996年，出现最高温度为16.2℃。根据线性趋势可知，过去63年澳大利亚干旱区冬季平均温度呈上升趋势（通过了99%的显著性检验），上升速率为0.19℃/10年。

澳大利亚干旱区夏季的平均温度的均值为28.8℃，夏季平均温度均值比冬季高14.4℃。在1990年出现最高温度，为30.2℃，在1948年出现最低温度，为27.4℃，二者差值为2.8℃。根据线性趋势可知，过去63年澳大利亚干旱区夏季平均温度呈上升趋势（通过了99%的显著性检验），上升速率为0.11℃/10年。

澳大利亚干旱区年均温度为22℃。过去63年中，澳大利亚干旱区年均温度呈上升趋势（通过了99%的显著性检验），在震荡中持续上升，上升速率为0.17℃/10年（表2）。

表2 澳大利亚干旱区降水量、温度变化速率

5 结论

利用美国气候中心的NCEP再分析资料以及降水资料，根据联合国环境规划署划分标准，得到了旱地的时空分布，并划分出了中亚以及澳大利亚干旱分区。本文系统性地将中亚干旱区以及澳大利亚干旱区的温度以及降水进行了详细的对比分析。主要的研究结论如下。

（1）中亚干旱区处于亚欧大陆腹地，介于35°N~55°N、50°E~85°E。中亚干旱区年总降水量和冬夏季总降水量都呈下降的趋势。澳大利亚干旱区的降水主要集中在夏季，而中亚干旱区的降水主要集中在冬季。有研究资料表明，中亚干旱区降水呈显著的季节性变化，中亚干旱区受到西风环流和北大西洋涛动的影响，降水特征为以冬季、春季为主的西风区降水特征。

（2）中亚干旱区年均温度和冬夏季平均温度都呈上升趋势，冬季温度上升速率大于年均温度上升速率和夏季温度上升速率。

（3）澳 大 利 亚 介 于10°S~40°S、110°E~150°E。干旱区位于澳大利亚大陆的西部和中部，占澳大利亚的大部分地区。澳大利亚干旱区降水主要集中在夏季，年总降水量呈上升趋势，上升速率为6.7 mm/10年。夏季总降水量也呈上升趋势，上升速率为6.1 mm/10年。但冬季总降水量呈下降趋势，下降速率为0.74 mm/10年。

（4）澳大利亚干旱区年均温度和冬夏季平均温度都呈上升趋势，且冬季平均温度的上升速率大于夏季。