基于标准化前期降水蒸散指数的新疆干旱时空演变特征

虞佳陆,张 景,张 敏,于瑞德,3

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所,荒漠与绿洲生态国家重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830011;2.中国科学院大学,北京 100049;3.烟台大学环境与材料工程学院,山东 烟台 264005)

全球范围内的气候变暖已成趋势,气候变暖影响全球水循环以及各区域水分平衡,导致水资源时空分布特征发生变化,加之降水时空分布不均,干旱等极端气候频繁发生[1],因干旱引发的灾害事件对生态系统和社会经济造成了重大影响。因此,研究干旱的时空演变特征,对于科学地认识、分析干旱变化规律具有重要意义,也可以为水资源管理及干旱灾害风险管理等工作提供参考。

新疆位于中国西北地区,地处中纬度亚欧大陆腹地,作为古今丝绸之路的核心地带,其气候变化情况受到越来越多的关注。近年来,不少学者针对新疆暖湿化等热点问题进行了相关研究,例如王绍武等[2]表明,近50年来,我国西部地区降水增加,是400年来降水最丰沛的阶段;施雅风等[3]指出,新疆地区的气候由暖干向暖湿转变,极端气候事件增多。新疆四季干旱差异较大,学者们分季节进行了研究:赵勇等[4]分析了新疆北部地区春、夏季干旱的区域性和持续性特征;孙鹏等[5]分析了新疆不同季节的干旱时空分布并讨论了干旱对新疆农业生产的影响;许玉忠等[6]分四季对新疆近50年的干旱时空分布进行了分析并以南疆和田地区为例展开进一步探讨;程军等[7]基于温度植被干旱指数分析了新疆干旱时空格局和季节性气候对干旱的影响。新疆严重的干旱问题也导致了干旱灾害,廖志浩[8]根据干旱灾害风险指数模型理论评估了新疆的干旱灾害风险;潘冬梅等[9]基于模糊数学和信息扩散理论,对新疆阿勒泰地区的夏旱进行了分析,并结合Surfer软件对夏旱风险进行了区划;姜逢清等[10]利用统计学方法与分型理论分析了新疆洪旱灾害特征。学者们从不同角度研究新疆降水及干旱情况取得了一定成果,然而大都以南北疆作为研究重点,缺乏针对三大分区的综合分析,特别是对东疆的差异化研究报道较少。

为研究干旱的发展变化规律,学者们对干旱评价指数做了大量的研究。目前国内外最常用的干旱指数主要有降水距平百分率(Pa)[11]、帕默尔干旱指数(PDSI)[12]、气象干旱综合指数(MCI)[13]、标准化降水指数(SPI)[14]以及标准化降水蒸散指数(SPEI)[15]等。由于地理位置和复杂地形地貌的影响,新疆的气候环境较为特殊,学者们将不同干旱指数在新疆的适用性和实际应用情况进行了对比研究,不同指数表现出其在不同环境的较好适用性[16-18]。吴秀兰等[19]基于MCI利用相关分析、突变检验、EOF等方法,分析了新疆干旱强度的时空变化特征。阿迪拉·阿布都热合曼等[20]通过旋转经验正交函数分析了新疆干旱过程及干旱强度。李剑锋等[21]基于SPI并以不同干旱等级发生概率的空间分布变化规律为重点,探讨了新疆地区干旱时空演变特征。谢培等[22]利用K-means聚类、M-K检验、Morlet小波分析等方法,分析了新疆降水及干旱的变化特征。轩俊伟等[23]基于SPEI并利用经验模态分解及经验正交函数等方法,对新疆干旱的时空变化特征进行了分析。胡文峰等[24]通过不同时间尺度的SPEI并结合ArcGIS反距离插值法分析了新疆干旱格局演变特征。虽然运用指数研究新疆干旱取得了一些进展,但这些干旱指数采用的大多是月、季、年或更长的时间尺度,对于有效地监测干旱事件不够稳健。标准化前期降水蒸散指数(SAPEI)是日尺度的干旱指数,考虑了早期水分平衡对当天干/湿条件的影响。Li等[25]研究指出,SAPEI和SPEI在中国西部地区有着较强的相关性,能够监测干旱的月特征。除此之外,SAPEI还具有SPEI、PDSI等指数难以实现的日、周尺度干旱追踪的潜力,可以捕捉干旱演变的更多细节。本文在综合考虑降水和潜在蒸散两个主要干旱变量的基础上,利用SAPEI系统分析了21世纪以来新疆干旱的时空演变特征。和传统月、季、年等尺度指数相比,这种新的日尺度干旱指数更具优势,作为短期干旱指数在新疆实践的补充,可以更好地为决策者和利益相关者提供干旱的起始、发展和趋势演变等详细信息,以便做出早期和及时预警。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区(73°40′～96°18′E, 34°25′～48°10′N)位于中国西北部,地处中纬度亚欧大陆腹地,面积166.49万km2,约占中国国土总面积的1/6。新疆地形复杂,从北向南依次为阿尔泰山、准噶尔盆地、天山、塔里木盆地及昆仑山,形成“三山夹两盆”的地形特点。其中,天山以北地区称为北疆,以南为南疆,天山东部的吐鲁番、哈密为东疆。高山的阻隔导致海洋气流不易到达,广泛发育的内陆河流形成全球干旱区独具特色的山地-绿洲-荒漠系统。新疆作为我国陆地面积最大的省级行政区,深居中纬度亚欧大陆腹地,受水分来源限制,降水稀少且蒸发强烈,可用水资源缺乏且分布不均,属典型的大陆性干旱气候区和生态脆弱区。

1.2 数据资料来源

本文所用基础数据为中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn)2000—2019年地面各气象要素数据,对降水、最高气温、平均气温、最低气温、相对湿度、2 m风速和日照时数进行分析和评估后,选择数据连续性质量好的42个气象站作为新疆的代表性台站进行研究(图1,见279页)。

图1 研究区及站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 标准化前期降水蒸散指数(SAPEI)计算及等级划分SAPEI需要降水和潜在蒸散(Potential evapotranspiration,PET)作为输入。在估算PET方面,Penman-Monteith方法相比Thornthwaite方程更具有物理意义,考虑了能量可用性、湿度和风速。本文使用Penman-Monteith方法估算PET,其细节参考Allen等[26]的研究。

借鉴累积湿润度指数与前期降水指数的构建思想,考虑早期水分平衡对当天干/湿条件的影响,即离当日越久,影响越小,据此构建前期降水蒸散指数(Antecedent precipitation evapotranspiration index,APEI):

(1)

aN=c

(2)

式中,P为降水量(mm);N为前推天数,取值100;n为前推日序数,当日为0;a为衰减常数,取0.98;c为最后一天的贡献分数。

设APEI数据序列为x={x1,x2, ...,xn},参照SPEI的计算方法,对x数据序列进行标准化。鉴于APEI有负值情况,采用三参数Log-logistic概率分布F(x)对其进行拟合,再经正态标准化求得APEI的标准化变量SAPEI值。三参数Log-logistic概率密度函数为:

(3)

式中,α、β和γ分别为尺度参数、形状参数和位置参数。拟合参数的估计方法采用线性矩法。分别由以下公式计算:

(4)

(5)

γ=w0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

(7)

式中,ws为概率权重矩,s=0, 1, 2;l为x按升序排列的序数;Γ(β)是Gamma函数。三参数Log-logistic概率分布函数为:

(8)

(9)

(10)

式中,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308[27]。SAPEI各等级干湿类型及阈值见表1[28]。

表1 SAPEI等级划分及相应阈值

1.3.2 干旱强度 干旱强度用于评价研究区内干旱严重程度,其计算公式如下:

(11)

式中,Si为i月或i站干旱强度;m为i月发生干旱的站数或i站发生干旱的月份数。根据SAPEI干旱分级:干旱强度介于0.5～1.0为轻旱,1.0～1.5为中旱,1.5～2.0为重旱,大于2.0为特旱。

1.3.3 干旱站次比 干旱站次比是指区域内干旱发生站点数占全部站点数的比例,可以表征不同时间尺度下不同级别干旱的影响范围,也可间接反映干旱影响的严重程度。其计算公式如下:

(12)

式中,Pj为j月干旱站次比;mj1、mj2、mj3和mj4分别表示j月发生轻旱、中旱、重旱和特旱的站点数;M为研究区的总站点数。根据Pj大小,对干旱影响范围定义如下[29]：Pj≥70%,表明研究区域内有70%以上的站点发生干旱,为全局性干旱;70%>Pj≥50%,为区域性干旱;50%>Pj≥30%,为部分区域性干旱;30%>Pj≥10%,为局域性干旱;当Pj<10%,可认为无明显干旱发生。

1.3.4 干旱频率 干旱频率用来评价某站干旱发生的频繁程度。计算研究区内各站点不同等级干旱发生的频率,可以为决策者应对干旱的初期防治提供权重依据,其计算公式如下:

(13)

式中,Fi为i站干旱频率;N为计算的总月份数;ni表示i站发生干旱的月份数。

1.3.5 反距离加权插值 反距离加权插值法也称为距离倒数乘方法,其计算简单,计算效率和精度高,是较为常用的一种插值方法,可以有效地基于地理学第一定律估计属性值空间分布,其计算公式如下:

(14)

式中,z(x,y)为坐标(x,y)处的插值;n为周围样点的数量;di为距各样点的距离;α为权重,在计算时通常取2;zi为各样点的测量值。

2 结果与分析

2.1 SAPEI的适用性及评价

标准化前期降水蒸散指数(SAPEI)是一个新的日尺度的干旱指数,为了分析其在新疆的适用性,同时对其展开评价,应选取有历史干旱记录的典型年份进行研究。有报道指出。2006年,新疆遭遇30多年罕见旱灾,年降水量不足10 mm,经济损失达数亿;新疆气候中心评估2008年为新疆有气象记录以来第2个干旱严重年。已有研究表明,相比自适应帕默尔干旱指数(scPDSI)和土壤湿度,SPEI和SAPEI在中国西部地区有着较强的相关性[25]。因此,以2006年和2008年作为典型代表年份,通过将SAPEI与多时间尺度SPEI进行对比,分析其在新疆的适用性并展开评价。

图2显示了由SAPEI、SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6和SPEI-12监测的2006年和2008年新疆干旱的月变化情况,SPEI后缀数字代表指数计算过程中不同时间尺度,即不同月份数,SPEI-1为单月尺度,SPEI-3为季度尺度,SPEI-6为半年尺度,SPEI-12为年尺度。SAPEI与多时间尺度SPEI监测的干旱格局整体上表现出良好的一致性,均呈变干趋势,说明SAPEI能够捕捉干旱演变。具体而言,SAPEI和多时间尺度SPEI的月变化时间序列在下半年(7—12月)相近,而在冬季(1—2月),SAPEI能够捕捉到SPEI未监测到的干旱。另外,SAPEI比同为月值的SPEI-1更为稳定,后者波动较大。以上结果均表明SAPEI能够捕捉新疆干旱的演变,相比SPEI具有一定优势。

图2 SAPEI及不同时间尺度SPEI监测的2006 年和2008 年新疆干旱事件的月变化

图3显示了由SAPEI、SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6、SPEI-12监测的2006年和2008年新疆四季干旱的空间分布情况。SAPEI与多时间尺度SPEI监测的干旱格局整体上较为一致,尤其夏季和秋季月份表现较为明显。夏季SAPEI在南疆大部分地区及北疆南部、东疆中西部为负值,干旱严重地区主要分布在南疆巴州和喀什等地,各时间尺度SPEI均不同程度反映了这一分布特点,特别是SPEI-3也监测到了巴州和喀什等地的干旱。秋季SAPEI在全疆绝大部分地区均为负值,干旱严重地区集中分布在南疆巴州和东疆吐哈盆地西缘连片区域以及阿克苏、喀什等地,SPEI-6也监测到了此区域的干旱。冬季SAPEI在全疆大部分地区均为负值,其捕捉到了南疆大部分地区及北疆、东疆小范围的干旱,这是各时间尺度SPEI未捕捉到的。

此外,SAPEI的计算是基于日尺度的,它通过衰减常数考虑当天和前期的水分盈亏,而SPEI只考虑当期的水分盈亏,无法关联前期条件。对于亚月(周、日)尺度的干旱监测,SAPEI也更具潜力。综上表明,SAPEI可以有效地描述和监测新疆的干旱时空分布格局,贴近实际情况,且其较SPEI干湿分布差异较小,更为稳健,具有一定优势。

2.2 SAPEI的时空变化特征

2.2.1SAPEI的时间变化与趋势 如图4所示,基于2000—2019年的20 a时间序列,SAPEI整体呈现小幅波动性增加趋势,说明新疆20年来整体上干旱轻微减缓,呈现变湿趋势。在20 a的时间序列上可以明显看到中间段(2010年左右)的振幅相对前后期较小,并且这一持续约3年的振荡处于分水岭位置,即前期SAPEI指数为负值波动,此后为正值波动。具体来看,2000—2008年存在较大波动,特别是2006—2008年SAPEI指数由负转正;2008—2012年波动较小;2012—2019年尤其2013—2016年主要存在较大正值波动。这表明新疆在2008—2012年前后干湿状况发生很大变化,干湿差异呈先缩小后扩大趋势。

图3 SAPEI及不同时间尺度SPEI监测的2006 年和2008 年新疆四季干旱事件的空间分布

以2008年为分水岭,2008年之前标准正态分布UF曲线主要为负,说明SAPEI呈持续降低趋势,逐渐变干;2008年之后UF曲线为正,说明SAPEI呈持续增加趋势,逐渐变湿。UF和UB(UB= -UF)曲线在2008—2012年发生3次相交,交点位于置信水平区间[-1.96, 1.96]内,视为突变点,即新疆SAPEI在2008—2012年发生3次突变,突变点和新疆干湿差异变化的转折点较为一致(图4a)。

考虑到SAPEI随年际更迭的波动,分四季来进一步分析。按季节划分,新疆春季SAPEI在20 a时间序列上呈现明显的降低趋势,秋季SAPEI呈现明显的增加趋势。春季的UF曲线为负,说明SAPEI呈持续降低趋势;2003年、2006—2007年和2009年之后均位于-1.96显著性水平线以下,说明20年来新疆春季变干显著,春旱明显加剧(图4b)。秋季的UF曲线在2005年之后为正,呈增加趋势;2008年之后增加显著,变湿明显,表明新疆秋季的干旱逐渐缓解(图4d)。新疆夏季和冬季的SAPEI均有小幅度的波动增加,说明20年来,新疆夏季、冬季的干旱有所减缓。此外,SAPEI夏季波动幅度整体小于冬季,说明夏季的干湿差异要小于冬季。具体而言,夏季2008年之前UF曲线主要为负,说明SAPEI呈持续降低趋势;2008年之后UF为正,SAPEI持续增加,大部分时间处于不显著的增加趋势;UF和UB曲线的交点为2007年,位于置信水平区间[-1.96,1.96]内,表明在2007年发生突变(图4c)。冬季2008年之前UF曲线为负,说明SAPEI呈持续降低趋势;2008年之后UF为正,即SAPEI持续增加,2015年之后增加显著;UF和UB曲线的交点在2015年,位于置信水平区间[-1.96,1.96]内,表明在2015年发生突变(图4e)。

2.2.2SAPEI的空间分布与变化趋势 全疆42个气象站点SAPEI分布如图5所示,20年来新疆东部和北部的干旱程度在空间上整体高于新疆中南部和西部地区。整体来看,20年来新疆大部分区域SAPEI都显著增加,显示出变湿趋势。北疆除了博州东南部以及塔城东北部变干外,其余地区均有变湿趋势;其中,北疆东北部和南部大部分站点的P值小于0.01,SAPEI增加极为显著,变湿情况尤其明显。南疆除了喀什中北部、和田于田、阿克苏西北部以及巴州中部变干外,其余地区均有变湿趋势;其中,南疆西南部的克州及和田部分区域SAPEI显著增加,表明变湿情况明显。东疆除了吐鲁番中北部显著变干外,其余地区均有变湿趋势;其中,哈密市变湿显著(图5a)。

图4 新疆SAPEI整体、春季、夏季、秋季和冬季的线性趋势与M-K检验

按季节划分,春、夏季SAPEI多年均值分布同全年整体分布较为一致,即东部和北部的干旱程度高于南部和西部地区;秋、冬季SAPEI多年均值分布情况相似,干旱程度较高地区主要分布于北疆西部、南疆西南部和东北部以及连片至东疆西部。春季除个别站点外,其余站点P值均小于0.01,SAPEI降低极为显著,全疆整体呈现显著的变干趋势(图5b)。夏季新疆大部分站点呈变湿趋势,但也有不少站点显著变干,主要分布在北疆博州、南疆西南部以及东疆的吐鲁番中北部,全疆三大分区表现出不同的干湿差异变化(图5c)。与春季情况相反,秋季基本上所有站点P值均小于0.01,SAPEI增加极为显著,全疆整体呈现显著的变湿趋势(图5d)。冬季与夏季相同,整体上呈变湿趋势,尤其是新疆中部和东部地区变湿状况极为显著(图5e)。

2.3 干旱强度的时空变化特征

2.3.1 干旱强度的时间变化与趋势 如图6a所示,20 年来新疆全疆整体干旱强度呈显著降低的趋势。2000—2003年,全疆的干旱强度介于1.0～1.5,整体等级属中旱,其中有10个月份干旱强度处于重旱的1.5～2.0;2004—2016年,干旱强度整体介于0.5～1.0,但2015年8月有重旱发生;2017—2019年,干旱强度降低至0.5以下,属于干湿正常范畴,无旱月份占比过半。全疆的干旱等级整体上由中旱到轻旱再到无旱,干旱强度降低显著且分界明显。分季节来看,全疆的干旱强度在四季均呈显著降低的趋势,整体等级均以轻旱和中旱为主。其中,春季前期属于重旱;中期干旱情况复杂,无旱、轻旱、中旱均有发生;后期以中旱为主。夏季、秋季和冬季情况大致相似,前期属于中旱,中期以轻旱为主,后期转为正常范畴的无旱。

分区来看,北疆20年来整体干旱强度呈显著降低的趋势。如图6b所示,2000—2003年,北疆的干旱强度介于1.0～1.5,整体等级均属中旱,其中有7个月份处于重旱的1.5～2.0;2004—2014年的11年间,干旱强度整体介于0.5～1.0,但在2013年7月有重旱发生;2015—2019年,干旱强度降低至0.5以下,属于正常范畴,无旱月份占比过半。北疆的干旱等级整体上由中旱到轻旱再到无旱,干旱强度降低显著。分季节来看,北疆的干旱强度在四季均呈波动式降低的趋势。其中,春季前期属于重旱,中后期干旱情况复杂,无旱、轻旱、中旱交错发生;夏季、秋季和冬季情况大致相似,前期属于中旱,中期以轻旱为主,后期转为正常范畴的无旱。

图6c为20年来南疆干旱强度的变化趋势,整体表现为显著降低。2000—2015年,南疆的干旱强度整体介于0.5～1.0,属于轻旱,其中2000年略高于1.0,属于中旱范畴,2009年为无旱;2016—2019年,干旱强度降低至0.5以下,属于正常范畴,大部分月份属无旱。南疆的干旱等级整体上以轻旱为主,后期转为无旱,干旱强度降低显著。季节上,南疆春季干旱强度呈波动式增加趋势,前期属于干湿正常范畴的无旱,中后期逐渐从轻旱转为中旱;夏季、秋季和冬季干旱强度均呈波动式降低趋势,整体等级均表现为由中旱到轻旱再转为无旱的变化趋势。

东疆20年来整体干旱强度与全疆、北疆和南疆保持一致,均呈显著降低的趋势(图6d)。2000—2003年,东疆的干旱强度介于1.0～2.0,整体等级属于中旱和重旱,其中有24个月份处于重旱的1.5～2.0,重旱月份达半数;2004—2019年的16年间,东疆的干旱情况复杂,无旱、轻旱、中旱交错发生,其中2014年6月和2015年8月为重旱,2015年7月干旱强度高于2.0,达到特旱范畴。东疆的干旱强度随季节也变化较大,四季整体上均呈波动式降低的趋势。具体而言,春季前期属于重旱,中期属于干湿正常范畴的无旱,后期以中旱为主;夏季前期属于中旱,中后期干旱情况复杂,无旱、轻旱、中旱、重旱交错发生,其中2015年夏季发生特旱;秋季和冬季的干旱强度变化相对一致,前期属于中旱和重旱,中后期表现为轻旱和无旱的交错变化。东疆的干旱强度变化较大,具有不稳定性。

2.3.2 干旱强度的空间分布及代际演变 空间上来看,基于全疆42个气象站点分布计算干旱强度,全疆干旱强度介于0.8～1.6,整体等级属轻旱和中旱范畴,个别地区高于1.5,达重旱范畴。通过反距离权重插值法分析(图7a)可知,新疆干旱强度表现为东北部高,中部和西南部低。具体来看,新疆大部分地区为中旱;少数地区为轻旱,主要分布在呼图壁和且末等地;福海一带为重旱。

为进一步分析新疆干旱强度代际的空间变化,通过ArcGIS反距离权重插值法每5 a进行比较分析,2000—2004年间新疆大部分地区干旱等级均处于中旱范畴,天山中部、喀什中部及巴州中南部零星片域处于轻旱,而在北疆北部及东疆东部则有小部分属于重旱范畴(图7b)。2005—2009年间新疆干旱强度有所降低,特别是东北部地区尤为显著(图7c)。2010—2014年间新疆大部分地区处于轻旱范畴,西北至西南部连续片域干旱等级增加为中旱,全疆干旱强度由东南向西北递增(图7d)。2015—2019年间新疆轻旱范围缩小,中旱范围扩大,中旱区域由西北至西南部连续片域转变为东北至东南部区域,干旱强度呈现东北高西南低的特点(图7e)。

20年来全疆整体干旱强度呈波动式降低的趋势,然而近5年东疆东部及北疆东北部零星片域的干旱强度有增加的情况发生,需要重点关注。

2.4 干旱站次比的时间变化特征

干旱站次比即一定时间尺度内干旱发生的站点数占研究区域内总站点数的比例,可以说明干旱发生的区域性和广泛程度。如图8a所示,2000—2019年,新疆整体干旱站次比表现出小幅度波动式降低的趋势,说明20年来干旱范围整体上有轻微缩减趋势。具体而言,干旱站次比UF曲线除了在2003—2006年间为正外,其余均为负,呈降低趋势,特别是在2009年之后显著降低,干旱范围缩减显著。UF和UB曲线的交点为2006年,位于置信水平区间[-1.96,1.96]内,视为在2006年发生突变。从堆积柱状图来看,2000—2003年中旱级别以上占比较高,2004年以后则以轻旱为主;但2011、2013、2014、2017年以及2019年中旱以上等级占比略高且2011年、2013年以及2015年发生特旱。由此可知,虽然干旱站次比总体上有所降低,但是在干旱影响范围缩减的同时也存在着干旱等级提升的风险,需要引起重视(图8a)。

考虑到干旱站次比随年际更迭的波动,分季节进一步分析。在春季,新疆前10年干旱站次比较低,后10年则明显增加,整体呈波动式增加趋势,说明干旱范围有扩大趋势。具体而言,春季干旱站次比UF曲线在2011年之前为负,2011年之后为正,且呈增加趋势,特别是2017年之后显著增加,表明新疆春季干旱影响范围显著扩大;UF和UB曲线的交点为2013年和2016年,位于置信水平区间[-1.96, 1.96]内,表明这两个年份发生突变(图8b)。在夏季,干旱站次比呈波动式降低趋势,说明新疆整体上干旱范围有缩减趋势。具体而言,以2007年为分水岭,2007年前UF曲线除2001年外均为正,2007年后变为负,2011年后低于显著性水平线下界,呈显著降低趋势,表明新疆夏季干旱影响范围缩减显著;UF和UB曲线的交点为2007年,位于置信水平区间[-1.96, 1.96]内,视为在2007年发生突变(图8c)。在秋季,新疆前8年的干旱站次比较高,后12年则明显降低,整体呈波动式降低趋势,说明干旱范围有缩减趋势。具体而言,秋季干旱站次比UF曲线在2007年之前为正,2007年之后为负,呈降低趋势,特别是2011年之后显著降低,表明新疆秋季干旱影响范围缩减显著(图8d)。在冬季,干旱站次比呈波动式降低趋势,说明新疆整体上干旱范围有缩减趋势。具体而言,UF曲线在整个序列上都为负,冬季干旱站次比呈降低趋势,特别是2008年之后显著降低,干旱影响范围缩减显著;UF和UB曲线在2006—2007年间相交,交点位于置信水平区间[-1.96, 1.96]内,说明在此期间发生突变(图8e)。

图8 新疆干旱站次比整体、春季、夏季、秋季和冬季的线性趋势与M-K检验

通过分析干旱站次比的范围等级饼状图(图9)可知,20年来新疆有40个月出现了全局性的干旱事件,占整个时间段的16.9%;有38个月出现了区域性的干旱事件,占整个时间段的16.0%;有27个月出现了部分区域性的干旱事件,占整个时间段的11.4%;有49个月出现了局域性的干旱事件,占整个时间段的20.7%;其他83个月份则为无明显干旱,占整个时间段的35.0%。每5 a分代际比较可以分析出不同干旱范围等级的演变。新疆的全局性干旱事件整体上呈减小趋势,基本无旱事件在增多,说明新疆的干旱范围20年来整体上是缩减的,这也和前面得到的结论一致。但是同时可以看到,20年来全局性干旱发生频次总体上处于较高水平,全局性和区域性干旱的总占比近三分之一,特别是近5年全局性干旱事件增多,新疆干旱事件需持续引起重视。

注:图内数字分别代表各范围等级出现月份数以及占比情况。

2.5 干旱频率的空间变化特征

基于全疆42个气象站点分布,统计不同干旱等级出现的月数,其与总月数之比,即为轻旱、中旱、重旱、特旱及总的干旱频率,并在ArcGIS上显示出来。由图10a可知,新疆干旱频率的空间分布总体为南北高、东西低,中部和西部分布交错复杂。干旱频率较低值位于东疆哈密红柳河流域和北疆阿勒泰福海一带,较高值位于北疆昌吉呼图壁一带。

分等级来看,轻旱频率在全疆的分布为中南部高、东北部和西部低。频率较高值零散分布在天山中部呼图壁附近以及巴州西部,较低值分布在阿勒泰以及哈密的部分地区(图10b)。中旱频率在南疆分布范围较广,阿勒泰地区东部及哈密东南部的中旱频率较不稳定,该区域内的干旱状况差异较大(图10c)。与中旱频率相反,重旱频率在南疆分布范围较小,在北疆和东疆较高(图10d)。特旱在新疆大部分地区发生概率较小,在东疆哈密红柳河一带发生频率较高(图10e)。综上可知,北疆南部主要为轻旱,北疆东北部为中旱,北疆西北部为重旱;南疆主要为中旱和轻旱;东疆西部为轻旱,东疆东部为重旱。

3 讨 论

中国气象局气候变化中心表示,全球变暖趋势仍在持续,中国是全球气候变化敏感区和影响显著区。新疆位于中国最西北,是典型的大陆性干旱气候区和生态脆弱区,对全球气候变暖尤为敏感。21世纪初,施雅风等[30]提出了中国西北气候由暖干向暖湿转型的观点并得到证实。本研究也表明,2000年以来新疆的干旱状况逐渐缓解,呈湿润化趋势,干旱强度降低,干旱影响范围缩减;但表现出春旱加剧且影响范围显著扩大的态势。吴秀兰等[19]基于MCI分析了新疆近60年干旱时空特征,结果表明新疆地区干旱程度减轻趋势显著,而春季易出现全疆一致的较重干旱;李剑锋等[21]基于SPI探讨了新疆地区干旱时空演变特征,研究表明整个新疆干旱情况好转,而北疆春季干旱改善不显著,南疆春季干旱有恶化的可能;这些均与本研究结论相近。造成新疆整体暖湿化但春旱加剧的原因是多方面的,涉及到全球气候变化以及人类活动等多种因素。另外,新疆2000年以来的暖湿化是长期趋势还是阶段性特征,还需要进一步验证和研究。特别要注意的是,春季气温回升,积雪消融,新疆春旱、春洪交替出现的风险也将增加,未来更需注意春季的防汛抗旱工作,这对新疆农牧业发展和地区长治久安具有重要意义。

东疆位于天山东部的丝绸之路,行政区划上主要包括吐鲁番市和哈密市。该区域地形地貌复杂,山地盆地兼具,这也一定程度上反映了其内部的复杂性。横贯东疆的吐哈盆地东、西缘表现出截然不同的干湿状况,吐哈盆地西缘相对湿润但变干显著,其东缘相对干旱却显著变湿,夏季和冬季的干湿分布和变化趋势也各不相同。东疆的干旱强度相对复杂,2009—2020年,前期属中旱和重旱,中后期无旱、轻旱、中旱交错发生,2014年和2015年有重旱甚至特旱发生。特别是近5年东疆出现干旱强度增加的情况,需要特别关注。另外值得注意的是,东疆全区特别是东部哈密市内重旱发生的频率较高。综合来看,东疆作为连通新疆与内地的重要区域,其干旱特征与其他分区差异较大,同时也存在较大的干旱风险,今后将进一步展开相关研究,以更好地揭示其内部差异性和整体复杂性。

4 结 论

1)2000—2019年,新疆全区干旱状况有所缓解,整体呈湿润化。2008—2012年为重要分水岭,期间SAPEI发生3次突变,且近年来干湿差异扩大。空间上,新疆东部和北部的干旱程度高于中南部和西部,出现整体变湿但部分相对湿润地区却显著变干的现象。

2)新疆春季显著变干,秋季显著变湿。夏季和冬季呈变湿趋势,干旱逐渐缓解;时间上,冬季干湿差异大于夏季,而夏季干湿变化的空间差异大于冬季。

3)20年来,新疆全区和分区的干旱强度均显著降低,南疆干旱强度在春季呈增加趋势,东疆干旱强度随季节变化较大,具有不稳定性。空间上,新疆东北部干旱强度高,中部和西南部低;整体属轻旱和中旱范畴,以中旱为主,个别地区达重旱。

4)新疆干旱站次比有所降低,干旱范围呈缩减趋势,但同时也存在干旱等级提升的风险。季节上,新疆春季干旱范围扩大,夏季、秋季和冬季干旱范围缩减。全局性干旱发生频次总体上仍处于较高水平,特别是近5年全局性干旱事件增多,需引起重视。

5)总体上,新疆干旱频率的空间分布为南北高、东西低,中部和西部的干旱频率分布交错复杂。分等级而言,北疆南部为轻旱,东北部为中旱,西北部为重旱;南疆主要为中旱和轻旱;东疆西部多为轻旱,而东部则主要为重旱。