塔城地区1961—2020 年季节性干旱演变特征

高 婧，井立红，陈 静，李海花，井立军

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.沙湾市气象局，新疆 沙湾 832100；3.塔城地区气象局，新疆 塔城 834700；4.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

干旱是全球普遍存在的一种自然灾害，也是会对人类社会和经济造成重大损失和影响极为严重的一种自然灾害[1]。全球自然灾害以洪水、干旱和风暴的危害性较大，1900—2018 年干旱造成的死亡人数最多，占全部因灾死亡人数的36%[2]。干旱大致分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱[3]，气象干旱表现为降水明显少于正常状态[4]，是其他类型干旱发生的前兆和诱发因素，可引起社会自然资源的恶化，进而引发一系列社会、经济、环境和生态问题。对气象干旱进行监测和评估，可为其他类型干旱提供预警和风险管理。国内外学者对干旱的研究主要集中在基于水分平衡原理、概率分布和遥感监测等相关指数对某一研究区域干旱频率和程度进行评估方面，不同干旱指数适用范围和应用效果也不尽相同。21 世纪气候变化影响下，全球将可能面临干旱频率和强度增加的前景[5]，中国绿洲（除河套平原）的极端干旱事件发生频次呈递减趋势，极端湿润事件发生频次呈递增趋势，降水是中国绿洲地表干湿状况的主导气象因子[6]；中国气候变湿较明显的区域主要位于西部地区，包括新疆大部、青海西部、甘肃和内蒙西部、西藏西北部等地[7]，特别是20 世纪90 年代初期以来，西北干旱区暖湿化进程加剧[8]，未来西北西部降水仍呈增加趋势[9]；新疆北部为气候向暖湿转型的显著区域，降水呈增加趋势，水面蒸发和潜在蒸散量呈下降趋势，干旱程度总体呈减轻趋势，干旱状况得到一定程度的缓解[10-11]，干旱程度在1987 年前后发生突变，1988 年以来干旱整体偏轻，春、夏、秋季干旱程度均呈显著减弱趋势[12]。

每种干旱指数都有其优势和局限性，新疆干湿变化主要受降水量的影响[13]，标准化降水指数（SPI）用于量化不同时间尺度降水亏缺，它将降水记录转化为正态分布，克服了使用非标准化分布造成的差异，具有计算简易、空间可比性强、时间尺度可变等优势，被世界气象组织（WMO）推荐为世界范围通用的气象干旱指标[14]，SPI被广泛应用于干旱气候学、干旱预报和农业干旱风险评价等领域[15]。干旱是塔城地区主要气象灾害之一，本文基于SPI指数运用最小二乘法、Mann-Kendall（M-K）检验方法等[16]从气象干旱角度分析塔城地区季节性干旱发生频率、影响范围和干旱强度的时空演变特征，旨在为抗旱减灾、农牧业生产布局和科学管理提供参考依据。

1 资料来源与研究方法

1.1 研究区概况

塔城地区位于新疆西北部，82°16′～87°21′E，43°25′～47°15′N，南北纵距437 km，东西横距394 km，地跨准噶尔盆地西北地带及准噶尔西部山区，地势南北高、中间低。境内有盆地、平原、山地、丘陵、沙漠、戈壁等多种地貌，地形高差悬殊，地势多变。年平均气温为3.9～8.7 ℃，年降水量为115～298 mm，属中温带大陆性干旱气候。参照文献[17]划分方法，将塔城地区7 个县（市）及克拉玛依市、炮台镇简称“塔城地区”（图1）。

图1 塔城地区气象站点分布

1.2 资料来源

塔城地区9 个国家气象观测站1961 年1 月—2021 年2 月逐月降水量资料来源于新疆维吾尔自治区气象信息中心。3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12 月—翌年2 月为冬季。

1.3 研究方法

1.3.1 标准化降水指数（SPI）

SPI由Mckee 等[14]提出，假设降水量的分布服从不完全的Γ 分布，通过概率密度函数求解累积概率，再将累积概率进行标准化处理，利用标准化降水累积概率分布来划分干旱等级。该指标适用于不同地区不同时间尺度干旱的监测与评估。本文选用12 个月和3 个月时间尺度的SPI值分析年尺度和季节尺度的干旱时空演化特征。标准化降水指数干旱等级划分[18]，-0.5＜SPI为无旱，-1.0＜SPI≤-0.5 为轻旱，-1.5 ＜SPI≤-1.0 为中旱，-2.0 ＜SPI≤-1.5 为重旱，SPI≤-2.0 为特旱。

1.3.2 干旱评估指标

干旱频率用来评价某一站点在参与计算时段内发生干旱的频繁程度，计算公式为：

式中：Fi为i 站发生干旱的频率，N 为参与计算的气象资料年数，n 为发生干旱的年数。

干旱站次比为某区域内发生干旱的站数占该区域总站数的比例，可用来评价干旱影响范围的大小，计算公式为：

式中：j 为年份，m 为发生干旱的站数，M 为参与评估的区域内的总站数。本文参照文献[19]定义，Pj＜10%时为无明显干旱发生；10%≤Pj＜25%时为局域性干旱；25%≤Pj＜35%时为部分局域性干旱；35%≤Pj＜50%时为区域性干旱；Pj≥50%时为全域性干旱。

干旱强度用来评价干旱的严重程度，单站某时段的干旱强度可用SPI值反映，某区域内多年干旱程度计算公式为：

式中：Kij为j 年发生干旱的i 站SPI值，m 为发生干旱的站数。0.5≤Sij＜1.0 时为轻度干旱，1.0≤Sij＜1.5时为中度干旱，Sij≥1.5 时为重度干旱，Sij越大，干旱越严重。

2 分析结果

2.1 干旱空间变化特征

2.1.1 年尺度干旱频率

近60 年塔城地区年尺度干旱频率（图2）显示，各站年干旱（轻旱及以上，下同）发生频率为21.67%～38.33%，平均为30.37%，年干旱频率在35.00%以上的站点有乌苏和塔城，干旱频率在25.00%以下的站点有额敏和托里。不同干旱等级中，轻旱发生频率为3.38%～23.33%，额敏最少，塔城最多；中旱发生频率为5.00%～15.00%，裕民和沙湾最少，乌苏最多；重旱发生频率为1.67%～6.67%，平均为4.26%，和布克赛尔和沙湾最多；特旱发生频率为1.67%～5.00%，额敏发生最多。塔城地区降水受地形地貌、海拔和山脉走向等因素影响而导致降水概率分布不同，造成各地干旱发生频率存在一定的差异性。

图2 1961—2020 年塔城地区各站年尺度干旱频率

2.1.2 季节性干旱频率

塔城地区各站干旱发生频率（图3）显示，各站季节性干旱发生频率为25.00%～38.33%，夏旱发生频率最高，冬旱最低。四季中，春旱发生频率为28.33%～33.33%，和布克赛尔和托里发生频率最低，裕民和炮台最高；夏旱发生频率为26.68%～36.67%，托里最低，塔城和乌苏最高；秋旱发生频率为25.00%～35.00%，克拉玛依最低，乌苏最高；冬旱发生频率为25.00%～38.33%，乌苏最低，和布克赛尔最高。塔城地区各站不同等级季节性干旱的发生频率差异相对较小，均以轻旱和中旱为主，轻旱发生频率为12.59%～16.67%，夏季最多，冬季最少；中旱发生频率为9.07%～10.19%，夏季最多，春季最少；重旱发生频率为5.00%左右，秋季最多，夏季最少；特旱发生频率不足3.00%，春季最多，秋季最少。

图3 1961—2020 年塔城地区干旱频率空间分布

2.1.3 标准化降水指数SPI的倾向率空间分布

由表1 可知，近60 年塔城地区年尺度SPI呈上升趋势，66.67%的站点通过0.05 的显著性检验，其中裕民、克拉玛依和乌苏SPI为0.19～0.23/10 a（P＜0.01），干旱减弱趋势显著。四季中，春季大部分站点SPI呈不显著上升趋势，其中和布克赛尔和乌苏上升趋势显著；夏季除塔城SPI不显著下降外，其余站点均呈不显著上升趋势；秋季各站SPI均呈上升趋势，其中克拉玛依、炮台和乌苏以0.15～0.19/10 a 的速率显著上升；冬季绝大部分站点SPI呈著上升趋势，有5 站SPI极显著上升，可见冬季干旱减弱的幅度在四季中最大。

表1 1961—2020 年塔城地区各站SPI 倾向率/10 a

2.2 干旱时间变化特征

由图4a 可知，近60 年塔城地区年平均SPI为-1.84～2.22，1997 年最小，2016 年最大。年尺度SPI呈波动上升趋势[0.15/10 a（P＜0.01）]，表明干旱状况总体有所减缓。M-K 突变检验（图5a）表明，年尺度SPI经历了上升、下降、上升的变化过程，1987 年之后SPI呈上升趋势，UF 和UB 曲线在置信区间相交于1987 年（突变开始时间），并在2004 年超过0.05 显著性水平临界线，表明干旱减弱的突变显著。这与吴秀兰等[12]基于MCI指数的新疆干旱程度在1987年发生突变的结论一致。

图4 1961—2020 年塔城地区年（a）、春（b）、夏（c）、秋（d）及冬（e）季SPI 变化

图5 1961—2020 年塔城地区年（a）、春（b）、夏（c）、秋（d）及冬（e）季SPI 值M-K 检验

为揭示不同季节干旱的变化情况，以季节尺度SPI分析各季干旱的时间演变特征（图4b～4e、图5b～5e）。塔城地区四季SPI值均表现为增大趋势，冬季增幅最大，气候倾向率为0.21/10 a，秋季次之；春季和夏季SPI增大趋势不显著。塔城地区春季SPI值为-1.84～1.64，1989 年最小，2010 年最大。20 世纪60 和70 年代年际振荡较大，自90 年代初期开始SPI呈持续缓慢上升趋势，经M-K 和滑动t 检验分析，无显著突变点；夏季SPI值为-1.51～1.67，1974 年最小，2013 年最大，在1988 年发生由少到多的突变，1997 年之后呈持续上升趋势；秋季SPI值为-1.81～1.72，1997 年最小，2015 年最大，1979 年开始呈上升趋势，1986 年前后发生突变，并在1997 年超过0.05显著性水平临界线；冬季SPI值为-2.12～2.52，1967年最小，2015 年最大，1986 年发生突变，并在1997年之后上升趋势加剧，超过0.05 的显著性水平临界线，冬旱减弱趋势在四季中最显著。研究表明，中国西北地区年空中水汽含量自1986 年开始呈上升趋势[20]，以1986 年为界，新疆由普遍干旱期转为相对湿润期[21]。塔城地区年和夏、秋、冬季SPI在20 世纪80年代中期发生突变，空中水汽含量（降水量）增加是干旱发生减弱突变的主导因素。

2.3 干旱站次比（影响范围）和干旱强度

2.3.1 年尺度干旱站次比和干旱强度

由公式（2）计算得到年干旱站次比（图6a），近60 年塔城地区干旱站次比呈显著减小趋势，倾向率为-5.34%/10 a，表明干旱发生范围呈不断缩小趋势。干旱站次比在20 世纪80 年代中期之前较大，之后在波动中持续减小。塔城地区主要以局域性和全域性干旱为主，占比达60%，其中局域性干旱发生频率最高，为21 次，1970—1973 年连续4 a 出现局域性干旱；全域性干旱发生15 次，其中1967、1974和1997 年所有站点均发生不同程度的干旱；部分区域性干旱发生6 次；区域性干旱最少，仅出现3 次。从塔城地区干旱站次比的年代际变化（表2）可知，20 世纪70 年代—21 世纪00 年代站次比呈逐渐减小趋势，21 世纪10 年代又有增大倾向。

表2 塔城地区年、季干旱站次比和干旱强度年代际变化

图6 1961—2020 年塔城地区年尺度干旱站次比（a）和干旱强度（b）变化

由公式（3）计算得到年干旱强度（图6b），近60年塔城地区干旱强度以-0.11/10 a 的速率显著减弱，干旱强度的总体变化趋势与干旱站次比基本一致，平均干旱强度为0.74，波动范围为0.00～1.84，其中轻度干旱发生频数最高，为30 次，主要发生在20世纪60、70 和90 年代；中度干旱发生12 次（1962、1965、1967、1973、1975、1982—1983、1985、1991、2008、2011 和2020 年）；重度干旱发生3 次，出现在1974、1984 和1997 年，干旱强度分别为1.77、1.71 和1.84（最大）。干旱强度年代际变化表现为20世纪70 年代平均干旱强度最大，20 世纪60 年代次之，21 世纪00 年代最小。

2.3.2 季节性干旱站次比和干旱强度

2.3.2.1 春旱

由图7a 可知，塔城地区春旱站次比的变化范围为0%～100%，站次比＞10%的年份所占比例达68.33%，其中局域性春旱发生频数最多，共计18次，1972—1973、2003—2004 年出现连年局域性春旱；全域性春旱发生15 次，1962、1967、1975、1989和1991 年站次比达到100%；部分区域性和区域性春旱分别发生7 次和1 次。由表2 可知，春旱站次比20 世纪60 年代最大，21 世纪00 年代最小。在干旱强度方面，春旱平均强度为0.69，波动曲线与春旱站次比基本一致，其中轻度春旱发生20 次，20 世纪70年代中后期发生频繁；中度春旱发生18 次，20 世纪60 年代和21 世纪10 年代较多，分别出现5 和4次；重度春旱发生3 次，分别出现在1977 年（干旱强度为2.13，最大）、1989 和1991 年。春旱强度20 世纪70 年代最大，21 世纪00 年代最小。塔城地区春旱站次比和强度呈不显著减小趋势，线性倾向率分别为-4.37%/10 a 和-0.06/10 a，表明干旱影响范围略有减小，强度略微减弱。

图7 1961—2020 年塔城地区春（a）、夏（b）、秋（c）及冬（d）季干旱站次比和干旱强度变化

2.3.2.2 夏旱

由图7b 可知，塔城地区夏旱发生频率在四季中最高，达到81.67%，其中局域性夏旱发生24 次，1966—1968、1983—1985、1990—1992、2001—2003和2010—2012 年均为连续3 a 出现局域性夏旱。全域性夏旱发生18 次，1974—1979 年连续6 a 出现全域性夏旱；部分区域性夏旱发生7 次，无区域性夏旱发生。夏旱站次比20 世纪70 年代发生范围最大，20 世纪60 年代最小。在干旱强度方面，夏旱平均强度为0.82，亦为四季中最大，其中轻度夏旱发生29次，占比48.33%，连续2 a 以上轻度夏旱发生8 次；中度夏旱发生16 次，1965—1966、1996—1997 和2018—2019 年出现连年中度夏旱；重度夏旱发生4次，分别出现在1974、1976、1984（干旱强度为1.70，最大）和1989 年。夏旱强度20 世纪70 年代最大，20世纪60 年代最小。夏旱站次比和强度的倾向率分别为-0.17%/10 a 和-0.01/10 a，在四季中减幅最小，可见夏旱的减轻程度十分微弱。

2.3.2.3 秋旱

塔城地区局域性秋旱发生19 次，20 世纪80 年代和90 年代发生最为频繁，共计11 次；全域性秋旱发生13 次，其中1971 和1997 年站次比达到100%（图7c）；部分区域性和区域性秋旱分别为6 和5次。秋旱站次比年代际变化表现为20 世纪70 年代最大，21 世纪10 年代最小。在干旱强度方面，秋旱平均强度为0.77，其中轻度秋旱发生20 次，主要集中在1990—2003 年，期间共发生9 次，连续2 a 以上轻度秋旱发生5 次；中度秋旱发生15 次，1966—1970、1973—1974、1977—1978 和2005—2007 年出现连年秋旱；重度秋旱发生8 次，分别出现在1971、1975、1984、1985、1991、1997、2013 和2018 年（1.87，最大），且后4 次干旱强度（平均值为1.76）明显大于前4 次（平均值为1.56），可见重度秋旱事件的强度有增大倾向，极端干旱事件的发生风险有增大的可能性。秋旱强度年代际差异相对较小，20 世纪60 年代最大，21 世纪00 年代和10 年代最小。秋旱站次比和强度分别以-3.74%/10 a 和-0.08/10 a 的速率不显著减小，表明秋旱范围略有减小，强度略有减弱。

2.3.2.4 冬旱

塔城地区局域性冬旱发生21 次，20 世纪70 年代初—90 年代中期发生较频繁，其中1988—1992年连续5 a 发生局域性冬旱；全域性冬旱发生12次，20 世纪60 年代和80 年代前期发生较多，1995年之后无全域性冬旱发生；区域性冬旱和部分区域性冬旱分别发生7 和3 次。冬旱站次比的年代际差异较大，20 世纪60 年代最大（51.11%），21 世纪00年代最小（10.00%）（图7d）。在干旱强度方面，冬旱平均强度为0.73，其中轻度冬旱发生23 次，1964—1965、1971—1972、1975—1976、1984—1985、1988—1989、1991—1992、1997—1998 和2003—2004 年均为连续2 a 发生轻度冬旱；发生中度冬旱17 次，1997 年之前约有1/3 的年份发生了中度冬旱，之后明显减少，与前文冬季SPI在1997 年达到显著增大的时间相对应；重度冬旱发生3 次，分别出现在1962、1967（1.97，最大）和1982 年。冬旱强度年代际变化表现为20 世纪60 年代—21 世纪00 年代依次减小，21 世纪10 年代略有增大。冬旱站次比为-7.79%/10 a，冬旱强度为-0.11/10 a，可见冬季干旱程度减轻趋势在四季中最显著。

3 讨论

目前没有一种指数能够完全定量地描述干旱的时空特征，且适用于不同区域干旱特征的表征及其对环境和社会影响的评估，即使对同一个研究对象，不同干旱指数所得结果亦存在明显差异。这是全球干旱化的趋势变化研究存在诸多争议[22-23]的原因。在全球范围内，由于降水减少和气温升高，过去近60 年和21 世纪主要以干旱化趋势为主[24]；部分区域由于降水增加，干旱程度减轻，如斯堪的纳维亚、白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯[25]。已有的关于新疆区域干旱的研究为塔城地区干旱变化提供了事实依据和理论基础。如慈晖等[26]对多种气象干旱指数在新疆干旱评价中的应用对比研究表明，SPI（SPEI，标准化降水蒸散指数）对降水（气温）响应较快，导致对干旱的判断偏轻（重），但干湿趋势变化总体特征一致；PDSI（Palmer 干旱指数）对干湿变化响应较慢。整体上，新疆干旱发生具有明显的区域性和季节性特征，年季干旱影响范围均呈缩减趋势。郭冬等[27]对不同干旱指数在新疆区域适用性进行研究，PDSI和MCI（气象干旱综合指数）变化趋势表明新疆干旱程度呈减轻趋势，SPEI指数仅在东疆和南疆东部区域表现出干旱程度有加重趋势。与历史灾情对比显示，MCI指数在新疆地区的适用性优于其他指数。

基于SPI的塔城地区干旱变化与新疆地区[12，26-28]的干旱变化特征大体一致，干旱状况得到一部分缓解，但这不改变塔城地区干旱的气候本质，塔城地区未来水资源状况依然不容乐观。近60 年塔城地区呈现增暖增湿趋势，考虑其他气象要素对干旱的影响，对9 站年日照时数、低云量、平均风速和直径20 cm蒸发量分析显示，9 站仅裕民站日照时数不显著增加，其余站均呈减少趋势；各站低云量（平均风速）呈极显著增多（减小）趋势；77.78%的站点蒸发量呈减少趋势，以上要素的变化趋势与苏宏超[13]、张山清等[29]研究的关于新疆区域的变化趋势大体一致。贾艳青[30]也发现中国北方地区风速和日照时数减少使潜在蒸散量下降的作用超过气温和相对湿度对潜在蒸散上升的作用。

通过对比各站年、季节SPI的变化趋势发现，塔城地区年降水量＜200 mm 的干旱区（和布克赛尔、克拉玛依、炮台和乌苏）SPI增大幅度较大，即干旱减轻趋势较研究区域内的半干旱区更加明显，这是对HUANG 等[31]指出的中亚干旱区面积在缩小的响应，也是中亚干旱区缩小进程的一部分。有研究表明，西北西部（新疆）的湿润化进程并未因气温的升高而停止[30]，20 世纪80 年代中后期以来，新疆呈“暖湿化”特征，但1997 年之后有70%以上的区域呈变干趋势，发生了“湿干转折”，但塔城地区仍以增湿为主[32]。由于干旱成因复杂，特别是季节性干旱，不仅要考虑前期降水，还要考虑降水对后期的影响程度。近60 年塔城地区气温显著增暖，变暖驱动水循环过程加快，从而导致降水量显著增加，暖湿化进程加剧，四季中尤其以冬季趋暖增湿最显著，冬旱发生程度明显减轻，同时冬季有效雪层、积雪深度增厚，利于翌年冬小麦和牧草的返青及生长，降低了春旱发生的风险。

SPI能很好地体现塔城地区干旱的年际变化，王舒等[28]指出SPI和SPEI在北疆平原谷地区域的适用性较好。基于SPI得到的塔城地区干旱情况与实际干旱灾情记录基本一致，特别是中度以上干旱、全域性干旱基本都能在文献[33]和灾情普查结果上得到印证，SPI在塔城地区适用性较好，但基于降水单要素指标评估干旱存在片面性，今后还需开展多种干旱指数在塔城地区的适用性研究。

4 结论

利用塔城地区9 个国家气象观测站近60 年逐月降水资料，基于SPI干旱指数探讨塔城地区干旱的演化特征，得到以下结论：

（1）近60 年塔城地区各站年干旱发生频率为21.67%～38.33%，季节性干旱发生频率为25.00%～38.33%，主要以轻旱和中旱为主，占比约为24.00%。年、夏、秋和冬季SPI在20 世纪80 年代中期发生突变，与新疆干湿转折时间相吻合。

（2）干旱影响范围方面，各季节均以局域性干旱和全域性干旱为主，夏旱发生最频繁，冬旱发生最少；干旱强度方面，各季以轻度干旱和中度干旱为主，夏旱强度最大，春旱最小。各季干旱站次比和干旱强度均呈减小趋势，表明季节性干旱程度整体有所减轻。

（3）塔城地区干旱程度总体呈减轻趋势，冬季尤为显著，有66.67%的站点SPI显著增大，77.78%的站点SPI增幅在四季中最大，冬旱站次比与强度减幅在四季中亦最大。

（4）基于降水的SPI能较好地揭示降水及干旱的时空分布，但塔城地区正经历增暖趋湿的过程，忽略温度等要素的影响，很可能导致对旱情严重程度的判断偏轻。为此，开展多种干旱指数在塔城地区的适用性分析和本地化修订将是今后的重点工作，旨在提高干旱监测的精确化和定量化水平，对农牧业生产规划、合理规避可能的气候风险和有效防御干旱意义深远。