基于SPEI 的开都河流域干旱时空演变特征分析

张玮煊，刁 鹏，巴音才次克，尼米才仁·努加

（巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒841000）

干旱是降水、温度及蒸散等气候因子共同影响的结果[1]，作为全球最为严重的气象灾害之一，不仅影响广、时间长、危害大，更会对人类的生产生活造成严重影响。随着全球气候变化，区域降水及蒸发产生了显著改变[2]，导致区域的干旱趋势进一步加剧[3]，这不仅对受气候影响较大的农牧业系统易造成危害，还对水资源安全、生态环境保护及修复等方面带来影响。因此，全面认识区域干旱变化规律，已成为科学界研究的热点，尤其近些年，干旱和半干旱区域的干旱状况受到普遍关注[4-6]。

为更好监测和定量描述干旱状况，准确反映干旱发生机理[7]，研究人员将干旱指数作为开展干旱研究的有效工具。目前，常用的干旱指标包括：帕尔默干旱指数（PDSI）、标准化降水指数（SPI）以及标准化降水蒸散指数（SPEI）。PDSI 指数固定的时间尺度，导致其普适性较差[8]。SPI 指数时间尺度较为灵活，但在全球气候变化背景下，未考虑到其他气候因素对干旱的影响性[9-10]。因此，具有多时间尺度特征，兼顾降水和蒸发等特点的SPEI 指数，逐渐成为研究干旱特征的新理想指标[11-12]。Abdullah[13]采用SPEI 指数对孟加拉国的干旱特征进行了评估，得出孟加拉国东北部地区更易受到极端和严重干旱事件的影响；邹磊等[14]基于SPEI 指数分析了渭河流域的干旱时空变化，发现渭河流域有变旱趋势；曹博等[15]研究了长江中下游流域的干旱时空特征，得出21 世纪初年尺度的干旱频率最高。

开都河流域位于我国新疆天山南麓焉耆盆地北缘，不仅是新疆的重要经济发展区，还是新疆的重点生态保护区，但受西北干旱区气候影响[16]，该区域极易引发干旱，对当地经济社会发展、生态环境造成严重影响。目前，有关开都河流域干旱时空演变的研究较少，仅有宋玉鑫等[17]基于水文SWAT 模型分析了开都河流域1965—2016 年不同季节的干旱特征。由于数据序列长度或计算干旱指数方法的不同，导致研究结果会存有差异，如李剑锋等[18]基于SPI 指数得出1957—2009 年的南疆夏季干旱有减弱趋势，而郭冬等[19]利用SPEI 指数得出在1961—2020 年夏季南疆东部干旱有明显增加趋势，南疆西部干旱减弱趋势不明显。为此，在全球气候不断变化的背景下，及时采用较新数据资料开展干旱变化分析很有必要。本文利用开都河流域内国家基本气象站点连续记录的1961—2020 年气象观测资料，以SPEI 指数为干旱指标，对该流域的干旱时空演变规律及成因进行分析，以期为当地制定防灾减灾措施和促进经济可持续发展提供一定科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

开都河流域位于41°47′～43°21′N，82°58′～86°55′E，地势自西北向东南倾斜，流域干流全长500 km以上，流域面积为2.2 万km2，是新疆重要的农业种植区、牧业养殖区以及生态保护区，更是极为重要的水源地之一。研究区西北多为海拔较高的山区，东南为海拔较低的平原，受大陆性温带干旱气候影响，冬冷夏热，全年日照充足，降水较少，蒸发能力强，由于深居欧亚大陆腹地，远离海洋，且水汽输送受天山山脉的阻挡影响，其来水方式主要以冰雪融水、降水以及地下水补给为主，导致流域生态环境较为脆弱，是我国气候变化较为敏感的区域[17，20]。因此，干旱作为危害当地最严重的气象灾害之一，对其分析研究具有重要意义。

1.2 数据来源

采用开都河流域5 个国家基本气象站1961—2020 年共60 a 的逐日降水量和气温等资料。所有数据均经过质量控制，其可靠性和连续性均能满足研究需要。根据开都河流域特点，年统计资料按照自然年算法，季节的划分采用气象季节，即3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12—次年2月为冬季。

1.3 研究方法

1.3.1 标准化降水蒸散指数SPEI

SPEI 指数主要是计算降水量与蒸散量的差值，然后比较其与平均状态的离散程度，以此来反映某区域的干旱状况[21]。SPEI 指数计算关键在于蒸散量，本文主要采用Thornthwaite 方法[22]用于计算潜在蒸散量。具体SPEI 指数计算方法可参考文献[5]。

主要采用2 个时间尺度的SPEI 指数数据集，分别为反映季节干旱水平的SPEI-3 和反映年干旱水平的SPEI-12[23]。研究中分别选取SPEI-3 中5、8、11 月及次年2 月的SPEI 指数代表当年各季的干旱状况，选取SPEI-12 中12 月的SPEI 指数代表当年年际干旱状况。SPEI 指数等级标准（表1）参照国家气象干旱等级[24]划分，并以此得出流域各干旱等级的发生频率。

表1 基于SPEI 指数的干旱等级划分

1.3.2 Mann-Kendall 趋势检验法

Mann-Kendall 趋势检验法（M-K）是一种无需样本服从特定分布的非参数统计检验方法，是目前国内外常用的趋势诊断方法之一。本文基于M-K 法分析开都河流域不同尺度的SPEI 指数变化趋势及显著性水平。

1.3.3 Morlet 小波分析法

Morlet 小波分析方法具有非正交性，不仅在时间与频率的局部化之间具有较好的平衡，而且能有效滤去随机因素对参数的影响。因此，本文利用MATLAB 软件选取复Morlet 小波函数，对开都河流域各尺度下的SPEI 指数变化规律开展分析。

1.3.4 趋势归因分析

由于SPEI 指数受各气象因子影响的程度不同，且不同因子间的变化存在一定相互作用。为此，本文采用数值试验的方法得出各气象因子对开都河流域干旱变化趋势的贡献。该数值试验包括控制试验与敏感性试验。其中，控制试验是指使用未进行处理的各气象因子数据计算SPEI 指数。敏感性试验是指每次只对某一气象因子数据进行逐月去趋势化处理，再计算SPEI 指数。最终控制试验与敏感性试验的SPEI 指数趋势差值为某一气象因子对开都河流域干旱变化趋势的贡献。

2 结果分析

2.1 SPEI 时间演变特征

2.1.1 趋势分析

由图1 可知，SPEI 指数的倾向率为-0.043/10 a，说明流域有干化趋势。从变化幅度看，流域具有较为明显的“偏干—偏湿—偏干”特征，其中1986 年后多为正值，2003 年后多为负值，表明1987—2003 年偏湿，2004—2020 年偏干。流域除冬季SPEI 指数呈显著上升趋势（P＜0.02）外，其余季节SPEI 指数均呈减小趋势，其中速率下降春季最大，为-0.075/10 a，夏季最小，为-0.002/10 a，说明冬季湿化趋势明显，春季、夏季和秋季呈缓慢干旱化趋势。

图1 开都河流域年与季节尺度的SPEI 指数年际变化与M-K 检验

由M-K 趋势检验可得，流域在20 世纪90 年代有一定上升趋势，而进入21 世纪初后呈下降趋势。同时，在0.05 显著性临界线内，虽然UF、UB 曲线相交于2003 年，但之后UF 线未通过0.05 的显著性检验，因此流域的年尺度SPEI 指数突变年份不显著。春秋、夏秋及秋季均突变不明显，但都在20 世纪90年代有上升趋势，在21 世纪初呈下降趋势；冬季流域整体上升趋势显著，并在1970 年发生突变。综上可得，流域在20 世纪90 年代存在较为明显的偏湿化，除冬季外，其余季节均呈干旱化趋势，这对当地农牧业的发展将造成一定不利影响。

2.1.2 周期分析

根据小波功率谱（图2）可知，小波影响椎COI（U 型线）内，开都河流域整个研究期间显著存在2～4 a 的变化周期（粗黑线封闭区域代表通过0.05 的显著性检验），而1970—1995 年则主要存在4～6 a的变化周期。春季，SPEI 指数的变化周期在20 世纪90 年代前为2～5 a，在20 世纪90 年代末则主要为2～7 a；夏季，SPEI 指数的周期变化较为分散，1972—1998 年变化周期主要为2～6 a，2000—2008 年为2～3 a，2010 年后为2～5 a，但其大部分面积位于COI范围外；秋季，流域自1982 年开始具有明显变化周期，2003 年前以2～8 a 的变化周期为主，之后为2～6 a；冬季，1972—1980 年变化周期为2～5 a，1982—2008年为2～6 a。

图2 开都河流域年与季节尺度的SPEI 指数小波功率谱分析

由小波实部图可知，流域在17 a 周期上，经历了2 个明显的“湿、干”交替循环，其中2008—2013年是干旱最严重时期。季节尺度上，各季节均在10～20 a 左右周期上，出现了较明显的“干、湿”循环，并在3～9 a 的小尺度上，周期振荡最频繁。春季在1995 年前，干湿变化较为分散，1995 年后变化周期较稳定；夏季偏干湿时期出现较少，一直较为稳定，而最湿润与最干旱时期分别为1989—1999 年、2008—2013 年；秋季大致每5 a 出现一次干湿交换，变化周期较固定；冬季在1985 年前干湿变化周期较长，之后周期较短。

2.2 SPEI 空间变化特征

由图3 可知，开都河流域的SPEI 指数变化趋势由北向南大致呈“+-”的空间分布状况，其中和静、焉耆区域呈显著减小趋势，变干态势明显。而季节尺度上，流域各季节的干湿空间变化趋势存在相异特征。其中，流域春季和秋季的SPEI 指数变化趋势不仅空间上分布一致，均自西向东呈“-+”的空间分布状况，而且SPEI 指数呈减小趋势的区域也相同，只有和硕区域的SPEI 指数呈上升趋势，并在秋季趋势显著；夏季，流域的SPEI 指数空间变化趋势与年际基本一致，不仅自北向南呈“+-”的空间分布特征，且焉耆区域干旱化态势显著；冬季，流域整体呈“+”的空间分布状况，只有巴音布鲁克区域变湿趋势显著。因此结合图2 可知，开都河流域除冬季外均呈干旱化趋势，主要是受和静与焉耆的SPEI 指数变化趋势影响。作为流域农作物主要生产区的和静与焉耆区域，除冬季外干旱化趋势明显，这对当地的农业经济将产生严重影响。

图3 开都河流域年与季节尺度的SPEI 指数变化趋势空间分布

2.3 干旱事件特征分析

2.3.1 时间尺度分析

为充分了解开都河流域1961—2020 年干旱事件演变特征，结合表1 统计了流域不同年代、季节的干旱事件发生频率（图4）。由图4a 可知，流域年尺度的干旱事件总频率整体呈增加趋势，6 个年代的干旱事件发生频率呈现“增—减—增”的变化趋势，同时21 世纪初不仅干旱事件发生的累计频率最高，且中度干旱事件与轻度干旱事件发生频率也最高。从图4b 可知，发生干旱事件的频率为：春季＞秋季＞夏季＞冬季，其中春季发生干旱事件的频率最多，为28.33%，秋季次之，仅比春季少1.66%。从干旱程度看，重度干旱事件只有春季发生过；中度干旱事件各季节均有发生，夏季和秋季发生频率最多；轻度干旱事件是流域发生最多的干旱事件，其中春季和秋季发生频率最多。由此可知，轻度干旱事件是流域主要干旱事件，且多发生于春季和秋季。

图4 开都河流域不同年代（a）和季节（b）的干旱发生频率

2.3.2 持续性分析

由于持续干旱事件对农业的生产损失更为严重，且干旱事件的持续时间越长，干旱状况越严重[25]，因此根据SPEI-1 数据，依据表1 定义SPEI≤-0.5（发生轻度干旱及以上）连续2 个月为1 次连续干旱过程，将该干旱过程的SPEI 平均值作为此次干旱事件程度。

由图5 可知，流域持续性干旱事件共发生35次。从持续时间看（图5a），持续2 个月＞持续3 个月＞持续4 个月＞持续5 个月，发生概率分别为71.43%、20%、5.71%、2.86%，主要起始月份分别为4、1、3、8 及2 月。从跨越季节来看，春季＞夏季与冬季＞秋季，发生次数分别为16、13、13、9 次，累积时间分别为29 个月，18 个月，20 个月，16 个月。从持续程度看（图5b），轻度干旱＞中度干旱＞重度干旱，其中出现轻度干旱的频率是中度干旱的1.8 倍，更远高于重度干旱。轻度干旱多始于1 月，中度干旱多始于4 月，而重度干旱只在7 月发生。从频率看，开始发生持续干旱最多的月份是4 月，为20%，其次为1 月，为14.29%。1 月多开始发生持续3 个月的轻度干旱，4 月多开始发生持续2 个月的中度干旱，而流域发生持续干旱事件多以轻度干旱为主，且春季最易发生持续干旱事件。

图5 开都河流域持续干旱事件的持续时间（a）与持续程度（b）

2.4 干旱影响因素分析

由于SPEI 指数主要受降水量和潜在蒸散发共同影响，而基于Thornthwaite 公式计算的潜在蒸散发又与气温变化相关。因此，为分析流域的干旱变化过程，本文基于数值试验结果，得出了不同时间尺度下降水量及气温对流域年均SPEI 指数的贡献程度。

由表2 可知，开都河流域SPEI 指数在时间上的变化特征。从局部看，各时间尺度下的降水量，在20世纪80 年代之前，贡献基本为负值，之后为正值；气温在21 世纪初，贡献逐渐由正转负，表明开都河流域20 世纪80 年代开始呈湿化趋势，主要受降水量影响，而21 世纪初开始呈干旱化趋势，则受气温影响。从总体看，除冬季的其余时间尺度上，降水量增加对SPEI 指数趋势的正向贡献幅度（分别为年0.01/a，春季0.006/a，夏季0.004/a，秋季0.008/a）小于气温显著增加对SPEI 指数趋势的负向贡献幅度（分别为年-0.017/a，春季-0.015/a，夏季-0.01/a，秋季-0.011/a），导致流域年、春季、夏季和秋季呈干旱化趋势，表明流域的干旱化趋势主要受气温变化影响。冬季，由于降水量增加（贡献为0.036/a）抵消了气温增加（贡献为-0.001/a）造成的偏干趋势，造成冬季流域湿化明显，这与该季节气温普遍较低，不利于地表蒸发有关，但随着气温增加明显，未来也可能呈偏干化。

表2 开都河流域不同时期和区域的气温与SPEI 指数变化趋势

由图6 和表3 可知开都河流域SPEI 指数在空间上的变化趋势。巴音布鲁克、巴伦台、和硕区域除春季受气温贡献较大外，其余时间尺度受降水量贡献较大，而和静与焉耆区域除冬季受降水量贡献较大外，其余时间尺度受气温贡献较大。从空间看，北部地区（巴音布鲁克、巴伦台）降水量增加的贡献（年平均为0.016/a，夏季平均为0.005/a）大于气温增加的贡献（年平均为-0.009 5/a，夏季平均为-0.005/a），南部地区（和静、和硕、焉耆）降水量增加的贡献（年平均为0.006 7/a，夏季平均为0.002 7/a）小于气温增加的贡献（年平均为-0.022/a，夏季平均为-0.012 7/a），导致流域年尺度与夏季自北至南呈“+-”的空间分布。春季和秋季由于西部地区（巴音布鲁克、和静、焉耆）降水量微弱增加的贡献小于气温显著增加的贡献；而东部地区（巴伦台、和硕）因降水量增加的贡献大于气温增加的贡献，造成流域自西向东呈“-+”的空间分布；冬季的各区域虽然气温增加，但其贡献远小于降水量增加的贡献，因而流域呈“+”的空间分布。

图6 开都河流域不同区域降水量和气温对SPEI 指数的趋势贡献

表3 开都河流域季节尺度不同区域的降水量和气温倾向率

2.5 SPEI 指数与气温对比分析

作为气候变化较为敏感的开都河流域，其干旱变化主要受气温影响，而在全球气候变暖背景下，一定程度上影响了流域的干旱时空演变。因此，通过分析气温与SPEI 指数的变化趋势，可得出流域干旱变化的气候背景，进一步了解流域干旱演变的机制。

从表2 可知，流域在1981—1990 年和2011—2020 年不仅气温呈增加趋势，SPEI 指数也呈增加趋势，表明流域该期间趋于“暖湿化”，而1991—2000年，在气温持续增加下，SPEI 指数呈减小趋势，说明此时流域趋于“暖干化”。各区域不仅趋于“暖湿化”和“暖干化”的时期相异，而且出现的次数也不尽相同。其中，巴音布鲁克1961—1970 年和1991—2000年趋于“暖湿化”，1981—1990 年趋于“暖干化”；巴伦台经历了持续20 a 的“暖湿化”趋势，以及2 个“暖干化”时期；和硕经历了“暖湿化”时期2 次，“暖干化”时期3 次；焉耆自1971 开始，一直趋于“暖干化”，但干旱化趋势正减小；和静只在1981—1990 年经历了“暖湿化”，而“暖干化”时期经历了3 个。流域在“暖湿化”时期，主要受和静、和硕、巴音布鲁克与巴伦台等区域影响，而“暖干化”则受和静、和硕与焉耆等区域的影响。

3 讨论

本文基于SPEI 指数分析了开都河流域1961—2020 年干旱时空变化特征，得出流域除冬季外，年、春季、夏季和秋季的SPEI 指数均呈下降趋势，有变干态势，这与任培贵等[5]和郭冬等[19]分别利用SPEI指数对西北地区的干旱变化趋势分析及南疆东部地区干旱指数分析的结果一致。在空间分布上，流域夏季自北向南呈“上升—下降”的分布趋势，而宋玉鑫等[17]研究表明，开都河流域夏季北部呈下降趋势，南部呈上升趋势。造成这种差异的可能原因有：研究时段及区域范围不同，宋玉鑫等[17]选取的研究时段为1965—2016 年，研究区域只有和静区域，本研究时间序列为1961—2020 年，研究区域涵盖了和硕、焉耆等区域。其次，计算SPEI 指数的方法不同。基于气象观测数据计算的SPEI 指数，在一定程度上更符合开都河流域区域的气候特征[26-27]，而基于SWAT 水文模型模拟出的降水量和潜在蒸散发量受下垫面影响较大，从而导致流域不同区域的分布趋势与前者不一致。

此外，开都河流域北部地区的干旱变化除春季外，主要受降水量变化影响，而南部地区除冬季外，主要受气温变化影响。因此，作为开都河流域源头的西北地区，其干旱的发生将直接关系到东南地区人们的生活生产，而东南地区的干旱发生，将影响当地社会经济的战略发展。在开都河流域整体变干的背景下，各区域应采取针对性的抗旱工作，如：在西北地区加强空中云水资源利用，做好水土保持工作等，在东南地区加强农田水利基本建设，改善农业生产条件等，这将为实现开都河流域生态可持续发展做出贡献。

本研究还有一些不足之处，根据已有研究结果[28-30]可知，基于Penman-Monteith 公式获得的潜在蒸散量与干旱区的实测数据契合度比较好，虽然降水量和气温均是干旱变化的重要影响因子，但研究其他不同气象因子对开都河流域干旱变化的影响也十分有必要。在后续的研究中，将基于Penman-Monteith 公式进行SPEI 指数的对比计算，以期更加全面地分析开都河流域的干旱成因。

4 结论

（1）1961—2020 年开都河流域的年SPEI 指数以-0.056/10 a 倾向率呈波动下降趋势，表明流域有干化趋势。在不同季节中，除冬季湿润化趋势显著外，春季、夏季和秋季均呈干旱化趋势，但干旱化趋势不显著。在空间分布上，年与夏季，流域由北向南呈逐渐减小的空间分布趋势；春季与秋季，流域自西向东呈增加趋势；而冬季，流域整体呈增加趋势。

（2）开都河流域各时间尺度下的降水量与气温对SPEI 指数的长期贡献具有年代际变化特征，且流域干化的主导因素为气温，湿化的主导因素为降水。同时，流域北部地区除春季受气温影响较大，其余时间尺度下均受降水量影响较大，南部地区则是除冬季受降水影响较大，其余时间尺度下受气温影响较大。

（3）从干旱事件来看，近60 年开都河流域的干旱事件总频率整体呈增加趋势，各时间尺度上的干旱基本2～6 a 一遇，以轻旱为主，中旱次之，春季和秋季是干旱多发时期，且春季不仅是重度与轻度干旱事件发生最多时期，也是持续干旱易发生时期。