基于SPEI的甘南高原气象干旱变化特征

赵惠珍，何涛，郭瑞霞，王成福，张艳荣，李琪

（1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京 210044；2.甘肃省甘南藏族自治州气象局，甘肃 合作 747000；3.中国科学院西北生态环境资源研究院/中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室，甘肃 兰州 730000；4.兰州大学西部生态安全省部共建协同创新中心，甘肃 兰州 730000）

引言

干旱是一种复杂的自然现象，旱灾是气象灾害中最主要的灾害，也是发生范围最广的自然灾害之一（Bryant， 1991；Mishra and Singh， 2010），严重影响农牧业生产和生态环境安全（王玲玲等，2021；张强，2022）。21世纪以来，全球气候逐渐变暖，致使干旱灾害频发，干旱受灾率和成灾率均呈明显增加趋势（IPCC，2007；范进进等，2022），进一步制约了畜牧业的可持续发展（武荣盛等，2021）。甘南藏族自治州位于青藏高原东缘，湿润寒冷，主要草甸类型为高寒草甸和高寒灌丛草甸（刘兴元等，2006），是我国重要的高寒牧区之一（马悦等，2023），但由于旱灾频发，不仅对当地农牧业产生严重影响，而且导致植被严重退化，进一步加大了生态环境的脆弱性（王劲松等，2022）。在气候变暖以及人类活动影响下，科学认识干旱发展规律，对农牧业发展和草原生态恢复具有现实意义（王晨鹏，2021；陈燕丽等，2022）。

表征干旱的指数有多种，如帕默尔干旱指数（Palmer Drought Severity Index，PDSI）（Palmer，1965）、标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）（Mckee et al.，1993）、气象干旱综合指数（Meteorological Drought Composite Index，MCI）（国家气候中心等，2017）、标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）（Vicente-Serrano et al.，2010）等。其中，SPEI表征干旱时考虑了降水和蒸发对干旱的影响，不仅具有SPI的多尺度特点，而且具有PDSI对温度敏感的特点（江笑薇等，2019），在半干旱、半湿润地区对于各种时间尺度的干旱监测和评估适用性均较好（庄少伟，2013）。

目前，针对我国西北地区气候变化趋势开展了大量研究，如陈发虎等（2023）基于AI（Aridity Index）指数研究显示，西北地区西部为变湿区域，而100°E以东的甘肃东部（包含甘南地区）降水减少且呈变干趋势。但周俊菊等（2022）基于SPEI研究甘肃省干旱特征时发现甘南北部地区有湿润化趋势。有研究还发现，甘南高原干旱发生次数和干旱烈度均呈显著增加趋势，但干旱发生频率空间分布差异较大（柏庆顺等，2019；黄浩等，2020）。

以往针对甘南高原干旱事件的研究大多基于单个气象站点分析区域干旱特征，存在空间不连续、以点带面、空间分辨率低等问题，此外忽略了海拔高度对气温的影响，对甘南高原年际、季节尺度上干旱特征时空差异的研究结论存在分歧（高秉丽等，2022；郑健等，2023）。本文利用1973—2022年气象观测站点逐月降水和气温观测数据计算SPEI，基于ANUSPLIN插值软件以海拔高度作为协变量将气温、SPEI等插值为500 m×500 m的栅格数据，并采用Mann-Kendall 检验、Sen’s slope估计方法，初步研究甘南高原1973—2022年的年、季尺度干旱时空演变特征，以期为该区域干旱预测、生态环境修复和抗旱减灾提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

本文研究区甘南高原是指位于青藏高原东缘、海拔高度在1 618～4 775 m之间的甘南州高海拔区域（图1），其地形复杂，热量差异明显，气候寒冷。年平均气温自东向西随海拔升高而降低（2.3～7.9 ℃），大部分地方长冬无夏、春秋短暂；平均年降水量为452.2～611.3 mm，玛曲最多，夏河最少，降水量暖季多、冷季少且变化大；年日照时数为2 200～2 400 h，年总辐射量达4 451.56～6 425.37 MJ·m-2，因牧区海拔高牧草生长期短，能利用的有效生理辐射较少（王伟军等，2016）。天然草地面积（260.25万hm2）占土地总面积的67.64%，草地类型有高寒草甸、高寒灌丛草甸、山地草甸、高寒草原等（刘兴元等，2006）。

图1 甘南高原海拔及31个气象站点分布Fig.1 The elevation of the Gannan Plateau and distribution of 31 meteorological stations

1.2 资 料

选取甘南高原及其周边31个气象观测站（图1）1973年1月1日至2022年12月31日逐月降水量和气温观测数据，资料整体缺测率为1.3%，采用线性回归法对缺失数据进行插补，所有数据经过严格检验和校正。季节划分如下：3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季（张月晴等，2021）。

文中附图涉及地图基于国家自然资源部甘肃省地理信息公共服务平台下载的审图号为甘S（2021）91号的标准地图制作，底图无修改。

1.3 方法

1.3.1 标准化降水蒸散指数（SPEI）

采用Thornthwaite方法（Thornthwaite，1948）计算月潜在蒸散量：

式中：PET（mm）为月潜在蒸散量；Ti（℃）为月平均气温；H（℃）为年热量指数；i为月份；A是常数，A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49。

计算逐月降水量与潜在蒸散量差值Di。对Di数据序列进行拟合和正态化处理，由于原始Di序列中可能存在负值，SPEI指数采用3参数的log-logistic概率分布，其累积函数F(x)详见《气象干旱等级》（GB/T 20481—2017）（国家气候中心等，2017）。对各月累计概率密度F(x)进行标准化处理。计算标准化SPEI：

式中：C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308；W是参数；P是累计概率。

1.3.2 干旱等级划分

干旱等级划分基于《气象干旱等级》（GB/T 20481—2017）中标准化降水蒸散指数（表1）。

例如，在带领学生学习“圆”这部分知识时，我便按照班级学生的层级进行了分组，并为学生明确了合作学习过程中所应当遵守的准则，从而确保了合作学习的有效性。长此以往，学生会逐渐养成互动学习的良好习惯，在组内能够分工明确，各自为小组合作做出自己的贡献。

表1 基于SPEI的干旱等级划分标准Tab.1 Classification standard of drought grades based on SPEI

1.3.3 干旱发生频率

对1973—2022年研究区内年和季节尺度的SPEI进行统计，然后划分干旱等级，再计算研究期内年和季节内不同等级干旱出现频率（师玉锋等，2020）。

ANUSPLIN插值软件广泛应用于高分辨率气象要素的空间插值，尤其在地形复杂的青藏高原地区其表现更优（谭剑波等，2016）。本文采用ANUSPLIN空间插值（Hutchinson and Xu，2013），将近50 a 31个气象站点月降水量、气温及SPEI插值为500 m×500 m的栅格数据，然后利用Sen’s slope方法（Sen， 1968）分析SPEI在像元尺度上的趋势空间分布，并基于区域平均值分析1973—2022年甘南高原季节降水和气温变化趋势，采用Mann-Kendall趋势检验（Mann，1945）法分析年际和季尺度区域平均的SPEI变化特征。

2 结果分析

2.1 甘南高原气候变化趋势

图2为1973—2022年甘南高原年降水量和年均气温变化趋势。可以看出，高原中部和东南部年降水呈减少趋势，主要分布在玛曲西北部、碌曲、夏河南部、临潭南部及迭部部分区域，气候倾向率最大达-11.90 mm·（10 a）-1；高原西南部及东北部呈增加趋势，主要分布在玛曲东南部、夏河北部、合作北部、临潭北部部分区域，气候倾向率最大达14.89 mm·（10 a）-1。近50 a甘南高原整体表现为增暖趋势，高原东部增温幅度较小，自东北向西南随纬度降低年均气温呈显著增加趋势（通过α=0.05的显著性检验），其中西南部的玛曲增温趋势最明显，气候倾向率最大达0.55 ℃·（10 a）-1。

图2 1973—2022年甘南高原年降水量［a，单位：mm·（10 a）-1）］和年均气温［b，单位：℃·（10 a）-1］变化趋势空间分布Fig.2 Spatial distribution of change trend of annual precipitation （a， Unit： mm·（10 a）-1） and annual average temperature（b， Unit：℃·（10 a）-1） over the Gannan Plateau from 1973 to 2022

图3 为1973—2022年甘南高原降水和气温的季节变化。春、夏、秋、冬季多年平均降水量分别为40.01、102.77、46.49、3.92 mm，分别占年均降水量的21.0%、53.2%、24.0%、2.0%。近50 a春、秋、冬季降水均呈增加趋势，线性倾向率分别为0.74、0.46、0.31 mm·（10 a）-1；夏季近50 a降水呈减少趋势，线性倾向率为-1.26 mm·（10 a）-1，但趋势均不显著。春、夏、秋、冬季气温均呈显著增加趋势，增温率分别为0.34、0.45、0.42、0.43 ℃·（10 a）-1，增温趋势均通过α=0.01的显著性检验。

图3 1973—2022年甘南高原四季平均降水量与气温变化（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.3 Changes of average precipitation and temperature in four seasons in the Gannan Plateau from 1973 to 2022（a） spring，（b） summer，（c） autumn，（d） winter

综上，甘南高原年降水量和年均气温的变化趋势存在空间不均匀性。高原中部和东南部降水呈减少趋势，高原西南部和东北部呈增加趋势；降水变化存在明显的季节差异，夏季降水呈不显著减少趋势，而春、秋、冬季则呈增加趋势。近50 a来甘南高原年均气温和四季气温均呈上升趋势，且自东北向西南随纬度降低增温率呈显著增加趋势。

2.2 干旱时空变化特征

图4 1973—2022年甘南高原年均SPEI变化趋势的空间分布［单位：（10 a）-1］Fig.4 Spatial distribution of change trend of annual mean SPEI in the Gannan Plateau from 1973 to 2022 （Unit：（10 a）-1）

近50 a来，甘南高原不同季节SPEI变化趋势存在明显差异（图5）。夏季，高原中东部干旱呈加重趋势，大部分区域 SPEI每10 a 减小0.10以上，31%的区域通过α=0.05的显著性检验，而海拔较高的高原西部则呈较弱的干旱减轻趋势；秋季高原整体呈干旱化趋势，尤其甘南西部干旱化趋势更明显，如玛曲西南部SPEI显著减小，每10 a减小 0.20～0.36，且27%的区域通过α=0.05的显著性检验；春季与夏季相似，但春季干旱加重区域范围和干旱化程度均小于夏季，3%的区域通过α=0.05的显著性检验；冬季甘南高原整体呈干旱减轻趋势，且高原东北部表现最明显，SPEI每10 a增加0.15～0.31，15%的区域通过α=0.05的显著性检验。综上，近 50 a来，甘南高原干旱变化存在明显的季节和区域差异，夏、秋季整体呈干旱加剧趋势，夏季高原中东部更明显，秋季高原西南部更明显；而冬、春季则整体呈干旱缓解趋势，冬季缓解区域主要位于高原东北部，春季则位于甘南西部。

图5 1973—2022年甘南高原SPEI的四季变化趋势空间分布［单位：（10 a）-1］（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.5 Spatial distribution of change trend of SPEI in four seasons in the Gannan Plateau from 1973 to 2022 （Unit：（10 a）-1）（a） spring，（b） summer，（c） autumn，（d） winter

图6 为1973—2022年甘南高原区域平均年SPEI的时间序列。可以看出，1970年代后期至1980年代前期甘南高原较湿润，1980年代中后期开始转为干旱，进入21世纪后，干旱持续时间和强度均明显增大。其中2000—2002年、2008—2010年均出现 3 a左右的干旱，2002、2022年SPEI小于-1.50，为严重干旱等级。根据《中国气象灾害大典》（董安祥等，2005）、《甘肃统计年鉴》（http：//tjj.gansu.gov.cn/tjj/c109464/info_disp.shtml）、《甘南统计年鉴》（http：//tjj.gnzrmzf.gov.cn/ztlm.htm）等历史灾情记载，1974、1978、1981、1982、1987、1991、1992、1994、1996、1997、1999、2000、2001、2002、2006、2007、2008、2009、2010、2011、2016和2022年均出现不同程度旱情，其中1987、1997、2009、2016和2022年发生较严重干旱，历史灾情记载与SPEI表征结果基本一致。进一步分析甘南高原区域平均年SPEI近50 a的线性趋势，发现年均SPEI每10 a减小0.14，整体呈变干趋势，通过α=0.05的显著性检验。M-K突变检验发现，年SPEI在1986年出现突变，1986年之前高原年平均SPEI呈不显著增加趋势，1986年之后则呈减小趋势，并且1997年之后UF曲线超出95%的置信区间，表明干旱化趋势显著。

图6 1973—2022年甘南高原年均SPEI的逐年变化及Mann-Kendall检验曲线Fig.6 Yearly change of annual mean SPEI in the Gannan Plateau from 1973 to 2022 and its Mann-Kendall test curve

图7为1973—2022年甘南高原季节平均的SPEI年际变化及突变检验。可以看出，近50 a来，夏、秋季SPEI呈减小趋势，春、冬季则呈增加趋势，但趋势并不显著。

图7 1973—2022年甘南高原季节平均的SPEI变化及Mann-Kendall检验曲线（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.7 Yearly variation of seasonal mean SPEI in the Gannan Plateau from 1973 to 2022 and its Mann-Kendall test curve（a） spring，（b） summer，（c） autumn，（d） winter

春季，SPEI以0.01·（10 a）-1的速率增加，干旱整体呈减轻趋势；春季平均SPEI经历上升、下降、再上升的波动变化；1975—2006年UF统计量大于0，说明在1975—2006年春季呈干旱减轻趋势。夏季，SPEI以-0.10·（10 a）-1的速率减小，整体表现出显著的干旱化趋势；M-K检验发现UF和UB曲线1992年相交，表明甘南高原夏季SPEI突变从1992年开始，1992年后表现出干旱加剧趋势，且2009—2018年UF曲线超出95%的置信区间，说明在此期间夏季干旱化趋势显著。秋季，SPEI以-0.12·（10 a）-1的速率减小，整体表现出干旱化趋势；在95%置信区间内，UF、UB曲线1985年相交，表明甘南高原秋季SPEI突变从1985年开始，1985年之后UF统计量小于0，且在1991年超出95%的置信区间，表明在1991—2016年秋季干旱化趋势显著。冬季SPEI以0.09·（10 a）-1的速率增加，整体表现为干旱减轻趋势，其中，2011年冬季最湿润，SPEI为1.23；UF曲线出现波动变化，但均在95%的置信区间内，说明冬季干旱减轻趋势并不显著。

2.3 干旱发生频率变化特征

总体来看，甘南高原四季轻旱频率（约16.2%）均明显高于其他等级干旱，中旱、重旱频率分别为9.6%、6.3%，特旱发生频率最低（0.2%）。图8为1973—2022年甘南高原春、夏、秋、冬季轻旱发生频率的空间分布。可以看出，夏季和冬季轻旱发生频率最高，夏季轻旱主要发生在甘南高原中东部，大部分区域轻旱频率在18.0%以上，最高频率出现在迭部北部（23.7%），冬季整个甘南高原轻旱发生频率均较高。春、秋季轻旱发生频率相对夏、冬季较低，且甘南中东部明显高于西部。中旱秋季发生频率最高，主要分布在甘南高原南部（12.0%～16.0%），最高频率出现在迭部东南部（约18.0%）；其他季节中旱发生频率较秋季低，且甘南高原南部高于北部（图略）。重旱夏季发生频率最高，主要分布在甘南高原南部，区域较小，最高频率出现在玛曲西部（约6.2%）；春、夏、冬季重旱发生频率较夏季低，同样也是甘南高原南部高于其他地区（图略）。特旱四季发生频率均较低，其中春季高于夏、秋、冬季，主要分布在甘南高原西北部（图略）。

图8 甘南高原不同季节轻旱发生频率的空间分布（单位：%）（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.8 Spatial distribution of slight drought frequency in different seasons in the Gannan Plateau （Unit： %）（a） spring， （b） summer，（c） autumn， （d） winter

年尺度上，轻旱发生频率（15.0%～17.9%）最高，主要出现甘南高原南部；东部中旱发生频率较高；南部重旱频率较高，最高频率（约8.4%）出现在玛曲东南部；特旱发生频率（2.1%以下）整体较低。

3 讨 论

本研究发现甘南高原各季节、年均气温上升趋势显著，这与姚旭阳等（2022）研究结论一致；夏季降水呈减少趋势，其他季节呈增加趋势，这与赖力（2020）研究结论一致。有研究表明青藏高原西北地区干旱化程度较严重，东部及南部地区呈微弱的干旱化趋势（汪生珍，2022），本研究发现甘南高原整体呈干旱化趋势，一定程度上验证了前人研究结果。甘南高原夏秋季呈干旱化趋势，这与紧邻的川西高原夏秋季干旱变化趋势一致（蓝浩宸等，2023）。甘南高原整体呈现干旱化趋势，年SPEI在甘南高原东部部分区域呈显著减小趋势，甘南高原中东部干旱发生频率较高，这与郑健等（2023）的研究结果一致，但他们发现甘南高寒气候区春季干旱加剧趋势最明显，夏、秋季次之，这与本研究结论“夏季干旱趋势最显著，秋、春季次之”存在一定差异，这种差异可能因海拔、地形、资料时段、气象站点位置和数量以及插值方法不同造成。另外，本研究使用ANUSPLIN进行气温、降水、SPEI的空间插值，并基于栅格像元的Sen’s slope趋势分析方法，一定程度上弥补了地面站点时空分布不连续的缺点。但本研究选用干旱指数时没有进行多种干旱指数的对比分析，再者缺乏干旱历时、干旱烈度、干旱面积等干旱特征定量化和相互联系的分析。干旱是一种复杂的自然现象，尤其甘南高原海拔梯度大、地形复杂，因此还需探究干旱形成原因及干旱的动态变化趋势，为干旱灾害风险应对能力提供科学支撑。

4 结论

本文利用1973—2022年甘南高原及其周边31个气象观测站的逐月降水及气温观测数据，基于标准化降水蒸散指数（SPEI），分析该地区的干旱变化趋势以及时空演变特征，主要结论如下：

（1）1973—2022年，甘南高原年降水量和年均气温变化趋势存在明显的空间不均匀性。甘南高原中部和东南部年降水呈减少趋势，高原西南部及东北部呈增加趋势；甘南高原整体呈明显的增暖趋势，但高原东部增温幅度明显小于西部，且自东北向西南随纬度的降低增温率呈现显著增加趋势。

（2）甘南高原年SPEI呈显著减小趋势，全域整体趋向干旱化且存在很强的年际变率，1986年为突变年，1997年之后干旱化趋势显著。干旱变化存在明显的季节和区域差异，夏、秋季干旱呈加剧趋势且夏季最显著，春、冬季干旱有减缓趋势。夏季甘南高原中东部呈干旱加剧趋势，海拔较高的西南部地区则呈较弱的干旱减轻趋势；秋季全域呈干旱化趋势；春季干旱加重区域较夏季缩小；冬季甘南高原整体呈干旱减轻趋势，高原东北部最明显。

（3）甘南高原中东部是轻旱高发区，中旱和重旱高发地带主要位于甘南高原南部，特旱发生频率整体较低。甘南高原西部干旱发生频率总体小于中东部。