西藏青稞生育期干旱强度变化特征分析*

史继清，豆永丽，张歆平，奚 凤，罗 珍，甘臣龙

西藏青稞生育期干旱强度变化特征分析*

史继清1,2，豆永丽3**，张歆平4，奚 凤5，罗 珍1，甘臣龙6

（1. 西藏自治区气候中心，拉萨 850000；2. 日喀则国家气候观象台，日喀则 857000；3. 西藏自治区气象信息网络中心，拉萨 850000；4. 西藏自治区气象灾害防御技术中心，拉萨 850000；5. 西藏自治区气象台，拉萨 850000；6. 墨竹工卡县气象局，拉萨 850200）

基于1981−2020年西藏青稞主要种植区25个气象站逐日气象资料，计算逐日气象干旱综合指数（MCI），采用Mann-Kendall 突变检验、Morlet小波分析和R/S分析法分析近40a该区青稞各生育期干旱强度的时空分布及趋势变化，以期为西藏农业生产安全和防灾减灾提供科学依据。结果表明: （1）西藏青稞不同生育期干旱特征具有差异性，播种−分蘖期干旱强度增强趋势不明显，全生育期干旱强度减弱趋势较分蘖−抽穗期和抽穗−成熟期明显。（2）播种−分蘖期干旱强度在21世纪00年代达到最低，分蘖−抽穗期、抽穗−成熟期和全生育期在20世纪80年代达到最高；分蘖−抽穗期、抽穗−成熟期和全生育期干旱强度分别在1989年、2001年和1989年出现显著的减弱突变。（3）播种−分蘖期的干旱强度整体偏弱，分蘖−抽穗期地区间差异较小，抽穗−成熟期则空间差异较大；全生育期干旱强度整体呈现由研究区中部和南部边缘地区向东西加重的分布特征。（4）播种−分蘖期、抽穗−成熟期和全生育期未来干旱强度分别在15a、33a、33a尺度上有持续偏旱的趋势，分蘖−抽穗期在13a尺度上有持续偏湿的趋势。

西藏；干旱强度；趋势分析；MCI指数；青稞

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告[1]指出，基于历史观测和21世纪模式模拟试验，全球尺度上陆地升温造成了大气蒸发需求和干旱事件强度的增加（高信度）。中国年平均气温较常年同期偏高0.79℃，为1951年以来连续第五暖年[2]。近年来，众多学者和专家对中国干旱的频率、强度、时空格局等均进行过研究探讨，如河南[3]、陕西[4]、海河流域[5]、新疆天山草地[6]、呼伦贝尔草原[7]和内蒙古[8]有干旱化加重趋势，而陕北[9]和新疆[10]干旱风险则呈现下降趋势。中国干旱发生的范围不断扩大，旱灾高发区由北方干旱半干旱地区向南方和东部湿润、半湿润地区发展[11]。未来气候变化将使中国面临干旱持续时间延长和强度加重的情景，对农业生产产生较大影响。

干旱问题复杂且涉及面广，目前国内外公认的干旱类型有气象干旱、农业干旱、水文干旱和经济社会干旱等，而气象干旱是其他类型干旱的起因和监测评估的基础[12]，因此可以通过选取合适的气象干旱指标对农业干旱灾害的准确监测提供理论支撑[13]。表征气象干旱状况的指标众多，分为降水距平百分率指数（PA）[14]、标准化降水指数（SPI）[15]、Z指数[16]等单要素指标和标准化降水蒸散指数（SPEI）[17−18]、综合气象干旱指数（CI）[19]等多要素指标，这些指标或考虑了降水，或考虑了气温，或综合考虑了气温、降水和蒸发量等，但存在干旱监测滞后、干旱发展过程中等级异常跳变、严重干旱事件反应偏轻等问题[20−21]。因此，国家气候中心通过大量调研和对比检验推出了改进的气象干旱综合指数（MCI），弥补了以上干旱指标的不足。

西藏以高原为主，位于中国地势第一级阶梯。藏南地壳活跃，为两大板块碰撞处，雅鲁藏布大峡谷为世界之最；藏北海拔超过4500m，地表波状起伏。干旱变化主要由降水和气温变化共同主导，长时间无降水是导致西藏地区干旱发生的重要原因[22]，且西藏干旱灾害的高发期多出现在春夏季，亦是青稞的主要发育期[23]。青稞是西藏主要的粮食作物，主要分布在西藏高原雅鲁藏布江中游河谷的拉萨、日喀则、山南市以及藏东三江流域的昌都市和藏东南的林芝市。近几十年来，该区域年平均气温显著升高，而降水总量微弱增加，干旱趋势加重，且半湿润区的干旱趋势大于湿润区[24−25]。目前虽有学者基于MCI指数评价了中国[26]、安徽[13]、呼伦贝尔市[7]、内蒙古[20]、东北[27]、青海[28]等区域的干旱演化规律，也得到了验证，然而以西藏地区为研究对象[22−23,29]，长时间观测序列数据系统阐述过去40a干旱变化及其未来趋势预测的相关研究甚少，因此，利用1981−2020年气象数据构建MCI指数，选用Mann-Kendall非参数检验、Morlet小波分析和R/S分析法对西藏青稞生育期干旱发生特征进行准确有效的监测和预测，不仅可以为该区农牧业干旱和风险管理提供理论支撑，还可为该区农业生产的安全与稳定作出贡献。

1 资料与方法

1.1 数据及其来源

根据史继清等[24, 30]对西藏青稞种植的研究，选取西藏25个站点所在区域作为青稞主要种植区（图1）。所选站点的逐日气象资料（1981−2020年）来源于西藏自治区气象局；生育期资料来自西藏自治区气候中心生态与农业气象研究室（表1）。

图1 西藏青稞主要种植区的气象站点分布

注：基于审图号为藏S（2022）004号的标准底图制作，底图无修改。下同。

Note：Based on the standard base drawing with the drawing review number of Zang S (2022) 004, the base drawing has no modification. The same as below.

1.2 生育期干旱强度计算方法

1.2.1 利用气象干旱综合指数进行干旱等级划分

采用国家标准GB/T 20481-2017 气象干旱等级气象[12]中改进的MCI指数，某站某日气象干旱综合指数（MCI）计算式为

根据MCI的计算结果，将气象干旱等级划分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱，具体划分标准见表2。

表1 西藏青稞主要种植区生育期资料（月旬）

注：E为每月前10d，M为每月中间10d，L为每月最后10d（也有可能是8d、9d、11d）。

Note: E- is the first ten-day of a month, M- is the middle ten-day of a month, L- is the last ten-day of a month（it could also be eight, nine, or eleven days）.

表2 气象干旱综合指数（MCI）等级划分标准

1.2.2 干旱过程和干旱强度

当研究时段内至少出现一次干旱过程，且累计评价时段内干旱持续时间超过所评价时段的1/4时，则认为该时段发生干旱事件[31]。当MCI指数至少连续10d为轻旱及以上等级，则确定为一次干旱过程[32]。干旱过程时段内第一次出现轻旱的日期，为干旱过程开始日；当MCI指数连续10d判别为无旱等级时，则干旱过程结束，将最后一次MCI指数达到无旱等级时的日期定义为干旱过程结束日期。干旱过程开始−结束所持续的时间为干旱持续时间。将一次干旱过程内累计的轻旱及以上等级MCI指数之和定义为这次干旱过程的强度。

干旱强度（D）计算式为

1.3 生育期干旱强度变化趋势分析方法

1.3.1 利用Hurst指数和R/S分析变化趋势

Hurst指数是由英国水文专家Hurst在研究尼罗河水库水流量和贮存能力的关系时提出的，通常用于分析长时间序列相关性[33]。Hurst指数(H)可反映将来对现有状态的持续性。当0.5

计算比值

式中，H为Hurst 指数。

对方程两边求对数，得到

1.3.2 利用Morlet小波分析干旱强度的变化周期

干旱强度的时间变化分析利用Mann-Kendall非参数检验法，该方法不需要样本遵循一定的分布，也不受异常值的干扰[35]；空间分布采用ArcGIS 10.4软件中Kriging插值进行分析；Morlet小波分析用于该研究中干旱发生的周期性[36]。

2 结果与分析

2.1 青稞生育期干旱强度的年际变化特征

由图2可见，1981−2020年青稞播种−分蘖期、分蘖−抽穗期、抽穗−成熟期和全生育期的干旱强度值（D）分别在−57.9～−15.3、−73.6～0.0、−134.9～0和−228.6～0.0范围，多年平均值分别为−29.2、−41.5、−41.5和−97.1，气候倾向率分别为−0.23·10a−1、2.03·10a−1、6.41·10a−1和10.92·10a−1，全生育期的减弱趋势较分蘖−抽穗期和抽穗−成熟期干旱强度明显。

播种−分蘖期，以2015年干旱强度最高，D值为−57.9，2004年最低，D值为−15.3；各年代的平均干旱强度均相对较低，其中，21世纪00年代最低，D值为−26.7，其余年代值均在−30.0左右。分蘖−抽穗期，干旱强度最强年份为2009年，D值为−73.6，最弱年份为2000年，D值为0；各年代中，20世纪80年代的平均干旱强度最高，D值为−51.1，21世纪00年代最低，D值为−28.8。抽穗−成熟期，1983年干旱强度最高，D值达−134.9，2000年、2004年和2016−2017年D值均为0.0；各年代中，除20世纪80年代干旱强度最高（D值为−61.1），其余年代D值介于−40.0～−30.0。全生育期，干旱强度最强年份在1984年，D值为−228.6，最弱年份为2004年和2008年的0.0；各年代中，20世纪80年代干旱强度最高，D值为−135.2，其余年代值相对偏低。

图2 1981−2020年西藏青稞生育期干旱强度（D，MCI指数之和）年际变化及其M−K突变检验（所有站点平均值）

利用M−K方法对西藏青稞生育期干旱强度进行突变检验，其中UF（K）为时间顺序统计曲线、UB（K）为时间逆序统计曲线。播种−分蘖期平均干旱强度（D）的UF（K）线在年际间波动较大，并与UB（K）线在1983年首次交叉，之后还有多个交点，可见播种−分蘖期的干旱强度年际波动大，但均未发生显著突变。分蘖−抽穗期平均干旱强度的UF（K）和UB（K）线在1989年相交，之后UF（K）线持续上升，并在2003年通过0.05水平的临界线，可见自1981−1989年分蘖−抽穗期的干旱强度呈现波动状态，1989年出现显著减弱突变；2008年后UF（K）线呈下降趋势，干旱强度又开始增加，但未达到显著突变。抽穗−成熟期平均干旱强度的UF（K）和UB（K）线在1992年出现交点，之后UF（K）线持续上升，并在2001年通过0.05水平的显著性检验，UF（K）线在0.05的临界线上下小幅波动后于2008年开始下降。全生育期平均干旱强度的UF（K）和UB（K）线与分蘖−抽穗期变化基本一致，均在1989年出现显著的减弱突变。

2.2 青稞生育期干旱强度空间分布特征

由图3a可见，近40a青稞播种−分蘖期各站点干旱强度平均值在−56.0～−14.7，干旱强度整体偏弱，其中聂拉木站值最小，江孜站值最大。林芝市大部、拉萨市南部、昌都市边缘地区以及日喀则市和山南市东部干旱强度平均值偏大，均值大于−28.0；聂拉木、定日和错那等站值偏小，在−36.0以下。

由图3b可见，分蘖−抽穗期干旱强度整体呈现西低东高的特点。各站点干旱强度平均值在−66.4～−34.7，地区间差异较小，易发生研究区范围的干旱。干旱强度平均值最小值位于昌都市东南部，均在−50.0以下；最大值较分散，主要涵盖聂拉木、拉萨、墨竹工卡、错那和加查等站。林芝市西部干旱强度平均值介于−48～−46。

图3 1981−2020年西藏青稞生育期干旱强度（D值）的空间分布

由图 3c 可见，抽穗−成熟期各站点干旱强度平均值在−86.4～−21.9，区域干旱强度空间差异较大；聂拉木和错那等站值最大，即干旱强度最弱；拉萨市南部、山南市西北角、日喀则市东北角干旱强度平均值均在−72.0以下，是干旱最重的区域；其余区域分布着−72.0～−42.0的干旱强度平均值。

由图3d可见，全生育期各站点干旱强度平均值在−249.0～−68.9，昌都市西北角值偏小，为干旱严重区域；研究区中部和南部边缘地区值偏大，尤其错那、米林和察隅等站干旱最轻；干旱强度整体呈现由研究区中部和南部边缘地区向东西加重的分布特征。

2.3 青稞生育期干旱强度变化趋势

2.3.1 变化周期

1981−2020年西藏青稞生育期干旱强度小波分析结果见图4，小波系数大小表示信号强弱，等值线中心为正表示该年份偏湿，为负表示该年份偏旱。由图4a1可见，播种−分蘖期，干旱强度存在5a和8a左右的短周期以及15a左右的长周期，5a和8a左右时间尺度上分别出现5次和3次明显的旱湿交替，15a左右时间尺度上出现2次明显的旱湿交替。结合小波方差（图4a2）发现，在3a、5a、8a和15a时间尺度上震荡明显，且15a、5a和3a分别为第一主周期和第二、三周期。由于当前（2020年）的小波系数图在15a长周期和5a短周期上并未闭合，说明西藏青稞播种−分蘖期在15a长周期上将持续偏旱趋势，而在5a短周期内将持续偏湿趋势。

由图4b1、d1可见，近40a青稞分蘖−抽穗期和全生育期干旱强度均在5a、13a和33a尺度上存在明显的高低值交替现象，结合走势（图4b2、d2）得出，33a、5a和13a分别为第一主周期和第二、三周期。在33a主周期上，1981−2020年西藏青稞种植区两个生育期干旱强度均经历1次旱湿交替的周期，且当前该区生育期正处于旱湿交替的过渡期，未来短期内仍将有偏旱的趋势。在13a周期上，该区域目前处于偏湿期，且有持续偏湿的趋势。

由图4c可见，近40a青稞抽穗−成熟期干旱强度在5a、21a和33a的周期上存在较明显的振荡现象，其中33a尺度的能量最强，为第一主周期，21a和5a分别为第二、三周期。在33a和5a周期上，目前正处于偏旱时期，且有持续偏旱的趋势。

2.3.2 未来趋势

运用R/S分析法对西藏青稞生育期干旱的未来趋势进行预测见图5。由图可见，播种−分蘖期和分蘖−抽穗期干旱强度的Hurst指数均＞0.5，决定系数约为0.90，表明时间序列前后具有微弱持续性。未来西藏青稞的播种−分蘖期和分蘖−抽穗期干旱变化趋势均与过去40a变化趋势一致，即干旱强度将持续呈现上升（播种−分蘖期）和下降（分蘖−抽穗期）趋势，干旱化的态势也将继续加剧（播种−分蘖期）和减轻（分蘖−抽穗期），这与15a（播种−分蘖期）和13a（分蘖−抽穗期）尺度的小波分析结果较一致。

抽穗−成熟期和全生育期干旱强度的Hurst指数均＜0.5，决定系数均＞0.92，表明未来西藏青稞的抽穗−成熟期和全生育期干旱强度变化趋势可能逆转成上升趋势，干旱化将有所加剧，这与其第一主周期（33a）尺度的分析结果较一致。

图4 1981−2020年青稞生育期干旱强度小波分析(1)和小波方差(2)

图5 1981−2020年青稞生育期干旱强度的R/S分析

结合图2预测，未来播种−分蘖期、抽穗−成熟期和全生育期的干旱强度预计呈现上升趋势，且2021−2035年干旱强度将分别上升0.34、9.62和16.38；分蘖−抽穗期的干旱强度预计会保持下降趋势，未来15a干旱强度将继续下降3.04。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）播种−分蘖期的干旱强度增强趋势不明显，在21世纪00年代达到最低值。分蘖−抽穗、抽穗−成熟和全生育期的干旱强度气候倾向率分别为2.03·10a−1、6.41·10a−1、10.92·10a−1，全生育期干旱强度的减弱趋势较分蘖−抽穗期和抽穗−成熟期明显，且干旱强度均在20世纪80年代最高。

（2）对西藏青稞生育期干旱强度进行突变检验发现，播种−分蘖期的干旱强度年际波动大，但未显著突变。分蘖−抽穗期和全生育期干旱强度均在1989年出现显著的减弱突变，抽穗−成熟期在2001年通过0.05水平的显著性检验。

（3）播种−分蘖期的干旱强度整体偏弱，林芝市大部、拉萨市南部、昌都市边缘地区以及日喀则市和山南市东部的干旱强度偏弱，聂拉木、定日和错那等站偏强。分蘖−抽穗期的干旱强度整体呈现西低东高的特点，且地区间差异较小。抽穗−成熟期的区域干旱强度空间差异较大，聂拉木和错那等站干旱强度最弱，拉萨市南部、山南市西北角、日喀则市东北角干旱最严重。全生育期的干旱强度整体呈现由研究区中部和南部边缘地区向东西部加重的分布特征。

（4）对西藏青稞生育期未来干旱趋势分析发现，播种−分蘖期在15a尺度上呈现旱湿交替的周期性可能性较大，且未来几年有持续偏旱趋势；分蘖−抽穗期在13a尺度上呈现旱湿交替可能性较大，未来有持续偏湿趋势；抽穗−成熟期和全生育期均在33a尺度上呈现旱湿交替可能性较大，未来有持续偏旱趋势。此外，2021−2035年播种−分蘖期、抽穗−成熟期和全生育期的干旱强度值将分别上升0.34、9.62和16.38，分蘖−抽穗期的干旱强度值将继续下降3.04。

3.2 讨论

本研究对西藏青稞生育期干旱强度的时间变化特征做了详尽分析研究，结果表明，基于MCI指数为干旱指标得出的播种−分蘖期干旱强度在21世纪00年代达到最低，与袁雷等[29]对西藏西部地区雨季干旱强度的结论一致，而分蘖−抽穗期、抽穗−成熟期和全生育期的干旱强度在20世纪80年代达到最高，与其对西藏东部地区雨季的结论有所不同，可见地域和时段的差异会对变化特征产生一定的影响。与此同时，得出播种−分蘖期和分蘖−抽穗期与袁雷等[29]得出的沿江一线和东部地区变化相对稳定，抽穗−成熟期和全生育期与南部边缘变化相对较剧烈的结论一致。文中“在播种−分蘖期的干旱强度最强年份为2015年、在分蘖−抽穗期为2009年”与史继清等[24]基于干旱灾害风险综合评估指数得出的最高值年份（2009年和2015年）吻合，此外，对“在分蘖−抽穗期的干旱强度最强年份为2009年，在抽穗−成熟期为1983年”，也印证了张核真等[22]对西藏地区典型干旱年包括1967年、1982−1983年和2009年的判断，由于本研究时段未涉及1981年前，而张核真等未涉及2010年后，导致部分典型年份的不一致也是可以解释的。

分蘖−抽穗期、抽穗−成熟期和全生育期的M−K统计量曲线变化走势与金建新等[37]利用UNEP干旱指数得出的M−K变化趋势较为同步，但两者突变年份存在不同，可能由于干旱指标、站点及时段的差别选取所致。干旱强度的大小亦可反映干旱的危险性程度，抽穗−成熟期干旱强度的强弱区与史继清等[24]基于自然水分亏缺率指数的干旱危险性区域基本一致。

西藏青稞不同生育期干旱严重区集中在日喀则市东部、山南市北部、拉萨市南部和昌都市大部，干旱弱区位于林芝市中部，与熊俊楠等[23]得出的区域范围比较吻合。

相较赵俊芳等[38]对西藏地区未来气候情景下的干湿状况分析，文中“西藏青稞分蘖−抽穗期在2021−2033年有持续偏湿的趋势”与其“2021−2030年湿润、半湿润的湿润趋势非常明显”完全吻合。“抽穗−成熟期和全生育期在2021−2053有持续偏旱的趋势”与其“2031−2050年湿润地区的干旱程度扩大趋势明显”较一致，与“2011−2050年西藏气候总体上呈暖湿化趋势”结论不同，究其原因可能是预测年份和研究区域的差异导致。

本文基于MCI指数首次分析西藏青稞生育期的干旱强度及未来趋势判别，较西藏气象业务中单纯依靠降水距平百分率指数进行干旱监测的适用性更强。虽然引进了季节调节系数Ka，根据不同区域不同季节对经验系数进行了调整，使干旱监测服务更具针对性，但是对于西藏这个气候类型多样的地区，青稞又是其主要的粮食作物，Ka的取值针对性不强，在今后的研究中可以考虑根据西藏地区具体气候特征进行系数调整。此外，未来可以通过选择多种数据结合和评估方法为西藏地区的干旱监测和评估做进一步研究。

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Analysis on Change Characteristics of Drought Intensity during the Growth Period of Highland Barley in Tibet

SHI Ji-qing1,2, DOU Yong-li3, ZHANG Xin-ping4, XI Feng5, LUO Zhen1, GAN Chen-long6

(1. Tibet Climate Center, Lhasa 850000, China; 2. Shigatse National Climate Oberservatory, Shigatse 857000; 3. Information and Internet Center of Tibet Meteorological Bureau, Lhasa 850000; 4. Tibet Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Lhasa 850000; 5. Meteorological Observatory of Tibet Autonomous Region, Lhasa 850000; 6. Maizhokunggar County Meteological Bureau, Lhasa 850200)

Based on the daily meteorological data of 25 meteorological stations in the main highland barley planting areas in Tibet from 1981 to 2020, the daily meteorological drought comprehensive index (MCI) was calculated. The Mann-Kendall mutation test, Morlet wavelet analysis and R/S analysis were used to analyze the temporal and spatial distribution and trend change of drought intensity in each growth period of the region in the past 40 years, in order to provide a scientific basis for agricultural production safety and local disaster prevention and mitigation in Tibet. The results showed that: (1)the drought characteristics of Tibetan highland barley at different growth stages were different, and the drought intensity at the sow-tillering stage was not significantly increased, while the drought intensity at the whole growth stage was significantly decreased compared with that at the tiller-heading stage and the heading-maturity stage.（2）The drought intensity at the sow-tillering stage reached the lowest level in the 2000s, and the tiller-heading stage, head-maturity stage and the whole growth reached the highest level in the 1980s. The drought intensity of tiller-heading stage, head-maturity stage and the whole growth stage showed significant weakening mutations in 1989, 2001 and 1989, respectively. (3)The drought intensity at the sow-tillering stage was weakened as a whole, and the regional difference between tiller-heading stage was small, while the spatial difference between head-maturity stage was large. The drought intensity in the whole growth period showed a distribution feature of increasing from the central and southern marginal areas of the study area to the east and west. (4) The future drought intensity in the sow-tillering stage, the head-maturity stage and the whole growth stage has a trend of continuous drought on the scale of 15 years, 33 years and 33 years respectively, and the tiller-heading stage has a trend of continuous wet on the scale of 13 years.

Tibet; Drought intensity; Trend analysis; MCI index; Barley

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.09.007

史继清,豆永丽,张歆平,等.西藏青稞生育期干旱强度变化特征分析[J].中国农业气象,2023,44(9):834-844

2022−10−25

西藏自治区自然科学基金（XZ202001ZR0033G）；西藏自治区科技计划项目（XZ202001ZY0020N）；西藏自治区科技重点研发计划（XZ202001ZY0023N）

豆永丽，硕士，副研级高工，主要从事气象信息技术、数据处理和质控研究，E-mail: 137850175@qq.com

史继清，E-mail: 549923050@qq.com