任培貴， 張 勃， 張調(diào)風(fēng)， 李小亞， 陳 樂， 盧李朋

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

干旱是指水分收支不平衡時形成的一種水分短缺現(xiàn)象，是全球最嚴重的自然災(zāi)害之一。近年來，在氣候變暖背景下，干旱已成為一個嚴重危急人類生存的環(huán)境問題，從而引起了科學(xué)界的普遍關(guān)注。IPCC報告指出20世紀末以來，全球增溫普遍升高，溫度升高導(dǎo)致地表蒸散量加強，降水呈現(xiàn)出很強的區(qū)域性[1]，從而使干旱趨勢進一步加劇。中國西北地區(qū)深居歐亞大陸腹地，主要受緯度西風(fēng)、亞洲季風(fēng)以及高原季風(fēng)的擾動[2-4]，是同緯度最干旱的地區(qū)之一[5]，同時西北地區(qū)也是生態(tài)脆弱區(qū)和氣候變化敏感區(qū)[6]，如果干旱進一步加強，將使得該區(qū)出現(xiàn)缺水、沙漠化加劇、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，進而影響本區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展。因此，在全球變暖背景下，深入研究西北地區(qū)干旱的演變特征，為及時制定改善生態(tài)環(huán)境狀況的決策、調(diào)整區(qū)域農(nóng)業(yè)種植制度和促進西北經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義。

干旱指數(shù)是反映地面干濕狀況的一個指標[7]，各干旱指數(shù)的研究機理不盡相同，在每個地區(qū)的適用性也不一樣，所以客觀、合理地選擇干旱指標，對于干旱的研究具有重要的現(xiàn)實意義[8]。近年來，眾多學(xué)者從降水、蒸散量等方面運用氣象干旱指數(shù)對研究區(qū)的干旱演變特征進行了分析，主要分為兩類：一類是研究降水量的分布規(guī)律，以SPI和Z指數(shù)為代表[9]，另一類是研究形成干旱的各個物理過程，以相對濕度指數(shù)(MI)和帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)為代表[10]。但經(jīng)過研究證明這些干旱指數(shù)都存在一定的局限性[11]。Vicente—Serrano等[12-13]提出了標準化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI),該指數(shù)通過降水和蒸散量來反映干旱的程度，是全球變暖背景下研究干旱的新的理想指標。SPEI指數(shù)被許多專家和學(xué)者用來研究干旱的變化特征，如石崇等[14]用SPEI干旱指數(shù)對東半球陸地干旱變化特征進行了研究，李偉光等[15-16]運用該指數(shù)分析了中國華南的干旱變化特征，王文舉等[17]用該指數(shù)分析了湖北省的干旱演變特征，王林等[18]基于SPEI干旱指數(shù)分析了近百年來西南地區(qū)干旱的演變特征，結(jié)果表明該指數(shù)能很好地反映研究區(qū)的干旱狀況。SPEI干旱指數(shù)在西北地區(qū)還沒有被運用過，因此有必要把該指數(shù)用在西北地區(qū)對其干旱進行研究，一是驗證在西北地區(qū)的適用性，二是分析本地區(qū)干旱的演變特征。

1 數(shù)據(jù)來源和分析方法

1.1 研究區(qū)概況

中國西北地區(qū)(73°25′—110°55′E和31°35′—49°15′N)包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西以及內(nèi)蒙古的西部，面積約占國土面積的30%。由于該區(qū)深居內(nèi)陸，水分供給主要靠大氣降水，四周多高山，來自海洋的濕潤氣流很少能夠到達，因而，成為同緯度最干旱的地區(qū)之一[19]。加之本區(qū)氣溫和降水受到地貌和氣候類型復(fù)雜性的影響，年均氣溫和降水從東南向西北呈逐漸減小趨勢，分布很不均勻[20]，最終使西北地區(qū)成為一個多氣候類型共存的區(qū)域，導(dǎo)致干旱在時空上表現(xiàn)出多變性。由于干旱的復(fù)雜性，使得該區(qū)的植被從東南向西北依次為草原—荒漠草原—荒漠的特征。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文收集了中國氣象局整編的西北地區(qū)173個國家標準氣象站點1959—2011年的逐月常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，包括月降水和月平均氣溫等資料。我們對研究期多年數(shù)據(jù)資料進行了嚴格的質(zhì)量控制和篩選，對部分不合理和缺失數(shù)據(jù)進行了必要的處理，最終選取了173個站點中的149個作為研究對象，建立了1959—2011年氣象因子的時間序列。

1.3 SPEI指數(shù)計算過程

SPEI計算過程如下：

第1步：計算潛在蒸散量(PET)。Vicente-Serrano推薦的是Thornthwaite 方法：

(1)

式中：PET——潛在蒸散量；T——月平均溫度(℃)；H——年熱量指數(shù)；A——常數(shù)。

第2步：計算逐月降水量與蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi

(2)

式中：Di——降水量與蒸散量的差值；Pi——月降水量(mm)； PETi——月蒸散量。

第3步：采用3個參數(shù)的log-logistic概率分布對Di數(shù)據(jù)序列進行正態(tài)化，計算每個數(shù)值對應(yīng)的SPEI指數(shù)：

(3)

式中：F(x)——概率密度函數(shù)；x——概率密度函數(shù)自變量； 參數(shù)α,β,γ的計算如下：

(4)

(5)

γ=ω0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

式中：Γ——階乘函數(shù)；ω0，ω1，ω2——數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩：

(7)

(8)

式中：ωs——數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩；N——參與計算的月份個數(shù)。

最后對累計概率密度進行標準化：

P=1-F(x)

(9)

當(dāng)累計概率P≤0.5時：

(10)

(11)

式中：c0，c1，c2，d1，d2，d3——參數(shù)。

當(dāng)P>0.5時：

P=1-P

(12)

(13)

1.4 SPEI指數(shù)干旱等級劃分

前人對各干旱指數(shù)進行了干旱等級的劃分，但關(guān)于SPEI干旱閾值目前還沒有一個統(tǒng)一的標準。李偉光等[16]用SPEI指數(shù)的不同干旱閾值對全國和華南地區(qū)的干旱演變進行了分析研究，王琳等[18]基于SPEI干旱指數(shù)自定義的干旱等級分析了近百年來西南地區(qū)干旱的演變特征，結(jié)果和歷史干旱事件基本符合。在本文中我們參考李偉光等[15]對全國劃分的干旱等級，初步劃分SPEI指數(shù)的干旱等級(表1)。

表1 SPEI指數(shù)干旱等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 SPEI的年際和四季變化特征

為了揭示干旱在年際和不同季節(jié)的具體情況，分別分析了1959—2011年西北地區(qū)年際和四季的干旱波動情況。從圖1可以看出，西北地區(qū)近53 a來平均SPEI值呈下降趨勢，下降率為0.16/10 a；1996年之前SPEI值波動較平緩，1996年之后SPEI迅速下降，其速率達0.362/10 a。從四季變化可以看出，春季呈下降趨勢，以0.147/10 a的速率下降，西北地區(qū)處在高壓脊內(nèi)，經(jīng)常受到西風(fēng)帶的影響，所以造就了該區(qū)春季降水少，地面升溫快，風(fēng)大，潛在蒸散量大等氣候特點。夏季呈下降趨勢，以0.111/10 a的速率下降，初夏的時候西北地區(qū)高空受副熱帶高壓活動的影響，因而南支波動減弱，導(dǎo)致此時本區(qū)域為相對少雨干旱季節(jié)。秋季呈下降趨勢，以0.127/10 a的速率下降，因為在西北地區(qū)10月后每年幾乎有一次強烈的極地冷空氣向南擴散，從而使得大氣環(huán)流形勢發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓南退，西風(fēng)帶環(huán)流活動頻繁，冬季環(huán)流形勢加強，從而使降水減少，出現(xiàn)少雨干旱的氣候類型。冬季SPEI呈上升趨勢，其速率為0.11/10 a，可能冬季溫度低蒸發(fā)少所致[21]。年際和春、夏、秋季的SPEI值均呈緩慢下降趨勢，從而說明干旱有緩慢加重之趨勢。

圖1 1959-2011年西北地區(qū)干旱年際和四季變化趨勢

2.2 SPEI年際和四季突變檢驗

分析圖2可知，西北地區(qū)近53 a來全區(qū)平均SPEI指數(shù)整體呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，從2006年至今這種下降趨勢超過了顯著性水平0.05臨界線。在顯著水平0.05的臨界線內(nèi)，UF和UB曲線相交于1996年，這是西北地區(qū)平均SPEI指數(shù)突變的開始。分析圖2a可知，西北地區(qū)春季平均SPEI指數(shù)在1970—1989年呈現(xiàn)下降趨勢，1989—1994年略有上升趨勢，但從1994年至今呈下降趨勢，且在2007年達到了下降趨勢0.05的顯著水平；UF和UB相交于1998年前后，說明1998年是個突變年份。由圖2b可知，夏季平均SPEI指數(shù)在1967—1999年呈現(xiàn)上升趨勢，上升趨勢不明顯，從1999年至今呈現(xiàn)下降趨勢，在2008年下降趨勢達到了0.05的顯著水平；UF和UB相交于2005年前后，說明2005年是個突變年份。由圖2c可知，秋季從20世紀70年代后期開始，平均SPEI指數(shù)呈下降趨勢，且在1997年以后這種下降趨勢超過了顯著性水平0.05的臨界線，說明西北地區(qū)秋季干旱化趨勢明顯；UF和UB相交于1980年前后，說明1980年是個突變年份。由圖2d可知，冬季平均SPEI指數(shù)從20世紀70年代開始上升，甚至在2005年達到了0.05的顯著水平；突變不明顯。綜上可知，西北地區(qū)除冬季外都有明顯的變干趨勢，突變發(fā)生的年份不一致，近10 a干旱有明顯加重趨勢。

2.3 SPEI的空間變化特征

中國西北地區(qū)氣溫和降水量時空變化上均存在不平衡性，加之受到地貌及氣候類型的影響，其干旱發(fā)生在空間分布上也表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。圖3為西北地區(qū)1959—2011年四季SPEI線性變化趨勢空間分布圖，不同季節(jié)的干旱演變在空間上差異性較大；夏季干旱加重趨勢最顯著，春季和秋季次之，冬季甚至以減輕趨勢為主，這可能是因為冬季溫度低蒸發(fā)量小所致。由圖3a可知，春季，除新疆和青海局部地區(qū)(占站點總數(shù)的10%)干旱呈減輕趨勢外，其余大部分地區(qū)呈現(xiàn)不同程度的加重趨勢，新疆南部、寧夏以及陜西、甘肅和內(nèi)蒙古的大部分地區(qū)干旱以0.15～0.3/10 a的趨勢加重。由圖3b可知，夏季，新疆西南部、青海中部、陜西南部地區(qū)干旱有不同程度的減輕趨勢，占全部站點的23%；其余大部地區(qū)以加重趨勢為主，其中新疆東南部、內(nèi)蒙古西部和青海西北部的干旱趨勢達到0.15～0.3/10 a，在新疆、甘肅和青海的交界處干旱趨勢甚至高達0.3～0.45/10 a。由圖3c可知，秋季，除新疆、青海、內(nèi)蒙古的局部地區(qū)(占站點總數(shù)的16%)干旱有減輕趨勢外，其余大部分地區(qū)呈現(xiàn)不同程度的加重之趨勢，其中新疆東南部與青海西北部交界的地區(qū)干旱趨勢顯著，高達0.3～0.57/10 a。由圖3d可以看出，冬季，除陜西南部外，其余各地區(qū)(占站點總數(shù)的58%)都呈不同程度的減輕趨勢，減輕趨勢不顯著。

圖2 1959-2011年西北地區(qū)SPEI年際和四季變化及M-K突變檢驗曲線

圖3 1959-2011年中國西北地區(qū)四季SPEI線性變化趨勢空間分布

2.4 SPEI指數(shù)在西北地區(qū)的適用性

本文應(yīng)用SPEI干旱指數(shù)對西北地區(qū)近53 a來干旱特征及其時空演變進行了分析，由于該指數(shù)是首次運用到西北地區(qū)，所以有必要驗證SPEI指數(shù)在西北地區(qū)的有效性，以便能更可靠地反映本研究區(qū)的實際干旱情況，這里我們采用SPEI干旱指數(shù)和歷史干旱事件進行對比的方法，觀測其再現(xiàn)能力。采用《西北干旱監(jiān)測指標數(shù)據(jù)集》[22]作為驗證資料，該數(shù)據(jù)集記載了西北地區(qū)1971—2008年各種干旱指數(shù)在西北地區(qū)的使用性，同時還給出了歷史上一些干旱事件。本文隨機選擇了兩個干旱年份和兩個正常年份與數(shù)據(jù)集進行對比。結(jié)果表明，該指數(shù)可以反映1972年春季和2000年春季西北地區(qū)的干旱形勢，而1995年夏季和2007冬季西北地區(qū)也基本沒有發(fā)生干旱，這與西北地區(qū)的實際情況基本一致，只是在細節(jié)上有一定的差異。這里給出了1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北干旱分布情況(圖4)。

通過與該數(shù)據(jù)集對比，結(jié)果顯示1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北地區(qū)SPEI的分布與數(shù)據(jù)集所反映的干旱分布狀況基本是一致的。1972年春季青海中部新疆內(nèi)蒙古和陜西局部地區(qū)發(fā)生干旱，1995夏季年除新疆南部、青海中西部、陜西南部和內(nèi)蒙古東部的局部地區(qū)發(fā)生輕微干旱外，全區(qū)絕大部分地區(qū)沒有出現(xiàn)干旱， 2000年春季除青海外幾乎整個西北地區(qū)發(fā)生了嚴重的春旱，2007年冬季整個西北地區(qū)幾乎沒有出現(xiàn)干旱狀況，這些都與西北地區(qū)實際情況基本一致。以上分析表明，SPEI指數(shù)在表征西北地區(qū)干旱方面具有較好的適用性，同時也說明該數(shù)據(jù)集具有較好的適用性。

3 結(jié) 論

(1)時間上，從年際變化趨勢來看，通過對1959—2011年西北地區(qū)平均SPEI指數(shù)的年際變化分析，可知西北地區(qū)平均SPEI指數(shù)整體呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，1996年該指數(shù)發(fā)生突變，下降趨勢明顯，2006年至今這種下降趨勢超過了顯著性水平0.01臨界線，這和楊建平等[23]的研究結(jié)果基本一致。春季、夏季干旱明顯加重，都達到了0.05的顯著性檢驗；秋季干旱化更明顯，甚至1997年通過了0.01的顯著性檢驗；冬季的SPEI指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，說明冬季干旱呈減輕趨勢，這可能是冬季溫度低蒸發(fā)少所致,這和靳立亞等[24]研究中國西北地區(qū)干濕狀況時得到的結(jié)果基本一致。

(2)空間上，春季、夏季西北地區(qū)大部分干旱以加重趨勢為主，其中新疆的南部、內(nèi)蒙古、甘肅和青海的西北部干旱趨勢加重明顯，達到了0.15～0.3/10 a，夏季新疆、甘肅和青海的交界處變干趨勢甚至高達0.3～0.45/10 a；秋季該區(qū)域干旱也以加重趨勢為主，但趨勢不明顯；冬季除個別地區(qū)外，大部分呈干旱減輕趨勢。

圖4 1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北地區(qū)的SPEI指數(shù)分布

(3)本文隨機選擇了4個時間段的干旱事件，通過與《西北干旱監(jiān)測指標數(shù)據(jù)集》對比，其結(jié)果基本一致，說明SPEI指數(shù)在西北地區(qū)有很好的實用性，另一方面說明該數(shù)據(jù)集有較好的使用性。

西北地區(qū)深居內(nèi)陸，遠離海洋，四周又有高山阻擋，來自海洋的潮濕氣流難以到達，所以形成了同緯度最干旱的地區(qū)之一。加之本區(qū)域地形和氣候類型復(fù)雜，氣溫空間變異大，降水不均勻，因而導(dǎo)致干旱在時空分布上呈現(xiàn)出很大的差異性。同時，天文因素、人類活動也可能影響該區(qū)的干旱。

本文的不足之處：(1)Vicente—Serrano推薦用Thornthwaite方法計算潛在蒸散量在計算短時間尺度時存在一定的局限性。(2)干旱是由于降水量少、蒸散量大或兩者作用的結(jié)果，沒有做更詳細的探究。(3)應(yīng)該在西北地區(qū)嘗試劃分適合本區(qū)域的干旱等級，以便更好地反映干旱的真實狀況。這些問題將在以后的研究中做進一步的探討。

[參考文獻]

[1]IPCC. Climate change 2001: The Science basis[M]∥Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2002.

[2]龔道溢,王紹武.北半球冬季緯向平均環(huán)流的結(jié)構(gòu)及對我國氣候的影響[J].地理科學(xué),2001，21(2):108-112.

[3]湯懋蒼,白重瑗,馮松,等.本世紀青藏高原氣候的三次突變及與天文因素的相關(guān)[J].高原氣象,1998,17(3):250-257.

[4]王可麗,江灝,趙紅巖,等.中國西北地區(qū)水汽的平流輸送和輻合輸送[J].水科學(xué)進展,2006，17(2):164-169.

[5]張強,胡隱樵,曹曉彥,等.論西北干旱氣候的若干問題[J].中國沙漠,2000，20(4):357-362.

[6]謝金楠,李棟梁,董安祥,等.甘肅省干旱氣候變化及其對西部大開發(fā)的影響[J].氣候與環(huán)境研究,2002,7(3):359-369.

[7]侯英雨,何延波,劉欽火,等.干旱檢測指數(shù)研究[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007，26(2):892-897.

[8]王勁松,郭江勇,傾繼祖,等.一種K干旱指數(shù)在西北地區(qū)春旱分析中的應(yīng)用[J].自然資源科學(xué), 2007.22(5):709-717.

[9]袁文平,周廣勝.干旱指標的理論分析與研究展望[J].地球科學(xué)進展,2004,19(6):982-991.

[10]衛(wèi)捷,馬柱國.Palmer干旱指數(shù)、地表濕潤指數(shù)與降水距平的比較[J].地理學(xué)報,2003，58(S):117-124.

[11]劉庚山,郭安紅,安順清,等.帕默爾干旱指數(shù)及其應(yīng)用研究進展[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2004,13(4):21-27.

[12]Vicente-Serrano S M, Begueria S, Lopez-Moreno J I.A muliscalar drought index sensitive to global warming: The standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate, 2010,23(7):1696-1718.

[13]Vicente-Serrano S M, Begueria S, Lopez-Moreno J I, et al. A new global 0.5 gridded dataset(1901—2006)of a multiscalar drought index: Comparison with current drought index datasets based on the Palmer drought severity index[J]. Hydrometeor, 2010,11(4):1033-1043.

[14]石崇,劉曉東.1947—2006年東半球陸地干旱化特征:基于SPEI數(shù)據(jù)的分析[J].中國沙漠,2012,32(6):1691-1701.

[15]李偉光,易雪,侯美婷,等.基于標準化降水蒸散指數(shù)的中國干旱趨勢研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2012,20(5):643-649.

[16]李偉光,侯美婷,陳匯林,等.基于標準化蒸散指數(shù)的華南干旱趨勢研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2012,21(4):84-90.

[17]王文舉,崔鵬,劉敏,等.近50年湖北省多時間尺度干旱演變特征[J].中國農(nóng)業(yè)通報,2012,28(29):279-284.

[18]王林,陳文.近百年西南地區(qū)干旱的多時間尺度演變特征[J].氣象科技進展,2012,2(4):21-26.

[19]施雅風(fēng).中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型問題評估[M].北京:氣象出版社,2003.

[20]丁一匯.中國西北地區(qū)氣候與生態(tài)環(huán)境概論[M].北京:氣象出版社，2001.

[21]曹雯,申雙和,段春峰,等.中國西北潛在蒸散時空演變特征及其定量化成因[J].生態(tài)學(xué)報,2012,32(6):3394-3402.

[22]中國氣象局蘭州干旱氣象研究所[M].西北干旱檢測指標數(shù)據(jù)集.2011.

[23]楊建平,丁永建,陳仁升,等.近50年來中國干濕氣候界限的10年際波動[J].地理學(xué)報,2002,57(6):655-661.

[24]靳立亞,李靜,王新,等.近50年來中國西北地區(qū)干濕狀況的時空分布[J].地理學(xué)報,2004,59(11):847-854.