黃小燕，李耀輝，馮建英，王勁松，王芝蘭，王圣杰，張 宇

1 中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所, 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730020 2 西北師范大學(xué), 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

中國(guó)西北地區(qū)降水量及極端干旱氣候變化特征

黃小燕1,*，李耀輝1，馮建英1，王勁松1，王芝蘭1，王圣杰2，張 宇1

1 中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所, 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730020 2 西北師范大學(xué), 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

采用1960—2011年西北地區(qū)111個(gè)觀測(cè)站逐日氣象資料，利用FAO Penman-Monteith模型，計(jì)算出各氣象站的潛在蒸散量，由此計(jì)算出各站的濕潤(rùn)指數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)計(jì)極端干旱發(fā)生頻率。對(duì)西北全區(qū)和不同自然區(qū)的降水量及極端干旱發(fā)生頻率的時(shí)空變化特征進(jìn)行了探討分析。結(jié)果表明：近52年來(lái)西北全區(qū)年降水量變化傾向率表現(xiàn)出微弱的上升趨勢(shì)，平均每年上升0.17 mm。由該區(qū)年降水量變化的空間差異，可將研究區(qū)劃分為3個(gè)部分：明顯增加區(qū)、輕度增加區(qū)、減少區(qū)。西北全區(qū)極端干旱發(fā)生頻率的平均值為3.8 月/a，氣候變化傾向率總體上表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，平均每年下降0.011 月。根據(jù)西北地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率變化的空間差異，也可將研究區(qū)劃分為3個(gè)部分：明顯減少區(qū)、輕度減少區(qū)、增加區(qū)。極端干旱發(fā)生頻率與降水量和平均氣溫表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)性，與無(wú)雨總?cè)諗?shù)呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性。

西北地區(qū)；降水量；濕潤(rùn)指數(shù)；極端干旱；時(shí)空特征

在全球氣候變化的背景下[1- 2]，近年來(lái)極端天氣、氣候事件的發(fā)生頻率和發(fā)展強(qiáng)度都在急劇增加，嚴(yán)重威脅人類(lèi)的生存和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3- 9]。嚴(yán)中偉等[10]對(duì)中國(guó)極端氣候變化格局進(jìn)行分析，揭示了中國(guó)區(qū)域氣候要素極值的變化格局。江志紅等[11]從觀測(cè)、理論及模擬預(yù)估等方面對(duì)近十多年來(lái)國(guó)內(nèi)外極端降水氣候事件的研究作了綜述，并給出IPCC第四次評(píng)估報(bào)告對(duì)我國(guó)21世紀(jì)極端降水指數(shù)變化的預(yù)估結(jié)果。王冀等[12]研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)區(qū)域極端氣溫指數(shù)的變化是一致增加(減少)趨勢(shì)。翟盤(pán)茂等[13]研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方夜間溫度極端偏低的日數(shù)顯著趨于減少，白天溫度偏高的日數(shù)則趨于增多，華北地區(qū)強(qiáng)降水事件趨于減少，西北地區(qū)強(qiáng)降水事件趨于增多。對(duì)西北地區(qū)極端高溫[14]和極端低溫[15]事件的研究表明西北地區(qū)極端高溫的高值區(qū)在新疆大部分地區(qū)、河西走廊西部、隴東南、寧夏北部和陜西，這些地方的高溫閾值在30 ℃以上；極端低溫的低值主要出現(xiàn)在北疆和青海高原，這些地方的閾值在-20 ℃以下。

我國(guó)早期關(guān)于極端氣候的研究多開(kāi)展于極端氣溫和降水方面，近年來(lái)關(guān)于極端干旱的研究也逐漸開(kāi)展起來(lái)：侯威等[16]研究了河北、山西、黃河中下游、江淮和西北東部地區(qū)年極端干旱事件的概率，發(fā)現(xiàn)4個(gè)地區(qū)近500年來(lái)極端干旱事件概率的變化與古里雅冰芯δ18O含量的變化相反。馬柱國(guó)等[17]利用地表濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)我國(guó)北方極端干旱的分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在東北和華北地區(qū)，近10年極端干旱頻率顯著增加，是近百年少有的大范圍高強(qiáng)度的極端干旱頻發(fā)期。對(duì)我國(guó)西南地區(qū)[18]的研究發(fā)現(xiàn)，四川盆地西南部、橫斷山區(qū)南端、廣西南部沿海和貴州北部是近50年來(lái)年極端干旱發(fā)生頻率明顯增加的地區(qū)。對(duì)石羊河流域[19]極端干旱事件的研究發(fā)現(xiàn)1960—2009年石羊河流域極端干旱事件頻率在波動(dòng)中呈減少趨勢(shì)，極端濕潤(rùn)事件頻率卻在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代和70年代是石羊河流域極端干旱事件持續(xù)頻發(fā)年代。鮑艷等[20]通過(guò)RegCM3模式，對(duì)2001年夏季西北地區(qū)極端干旱事件進(jìn)行了模擬。還有學(xué)者利用氣候變化檢測(cè)監(jiān)測(cè)與指數(shù)專(zhuān)家組(Expert Team on Climate Change Detection and Indices，簡(jiǎn)稱(chēng)ETCCDI)[21]推薦的極端氣溫和降水指標(biāo)開(kāi)展研究：You等[22]對(duì)中國(guó)12個(gè)極端氣溫指數(shù)和6個(gè)極端降水指數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)極端氣溫指數(shù)和平均氣溫有較好的相關(guān)性；黃小燕等[23]研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)大陸CDD(Consecutive dry days)在春季和冬季呈下降趨勢(shì)，秋季呈上升趨勢(shì)；Wang等[24- 25]發(fā)現(xiàn)SDII(Simple daily intensity index)在西北大部分地區(qū)表現(xiàn)為上升趨勢(shì)；Wang等[26]研究表明CWD(Consecutive wet days)在新疆大部分地區(qū)呈上升趨勢(shì)；楊志剛等[27]對(duì)西藏色林錯(cuò)流域極端氣溫事件變化也進(jìn)行研究。

所謂氣象干旱，就是一個(gè)地區(qū)在長(zhǎng)期無(wú)降水或降水異常偏少的氣候背景下，由于降水與蒸散收支不平衡造成的水分異常短缺現(xiàn)象[28]，也是極端氣候的一種表現(xiàn)，因此干旱問(wèn)題就歸結(jié)為研究降水(入)和蒸發(fā)(出)兩個(gè)方面[17]。之前一些研究受研究區(qū)域或干旱指標(biāo)的限制，對(duì)整個(gè)西北地區(qū)極端干旱氣候變化研究甚少，對(duì)該區(qū)降水量與極端干旱氣候的關(guān)系的研究更少。本文綜合考慮蒸發(fā)和降水兩個(gè)方面，通過(guò)年代際、年際等時(shí)間尺度的降水量及極端干旱氣候變化，分析了西北地區(qū)及西北不同自然區(qū)降水量及極端干旱氣候的空間分布、預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，對(duì)西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型問(wèn)題形成更加深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)未來(lái)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文中西北地區(qū)包括甘肅省、陜西省、青海省、寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)。所用資料是國(guó)家氣象信息中心提供，根據(jù)(1)各站缺測(cè)數(shù)不超過(guò)20d；(2)資料連續(xù)長(zhǎng)度在50a以上這兩個(gè)條件，篩選出符合條件的域內(nèi)111個(gè)氣象站(圖1)1960—2011年逐日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速等資料。計(jì)算出各氣象站日潛在蒸散量，由此再利用月潛在蒸散量、月降水量資料，計(jì)算出月地表濕潤(rùn)指數(shù)。

圖1 西北地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northwest China

濕潤(rùn)指數(shù)是一個(gè)理想的能夠表征地表干濕狀況的物理量[29]，其計(jì)算方法有很多種[30,31]，本文采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，簡(jiǎn)稱(chēng)FAO)1998年修正的Penman-Monteith模型[32]。此方法也是目前認(rèn)為較好的計(jì)算方法[33]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，K為地表濕潤(rùn)指數(shù)，R為降水量(mm/d)；ET0為潛在蒸散量(mm/d)。

潛在蒸散量ET0的計(jì)算采用下式：

(2)

式中，ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Rn為凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)；γ為干濕常數(shù)(kPa/℃)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；U2為2m高處的風(fēng)速(m/s)；es為平均飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；T為平均氣溫(℃)。具體計(jì)算方法參閱文獻(xiàn)[34]。

反距離加權(quán)(IDW)插值法：它是一種常見(jiàn)而簡(jiǎn)便的空間插值方法，屬于精確性插值。它是基于相近相似的原理：即兩個(gè)物體離得近，它們的性質(zhì)就越相似，反之，離得越遠(yuǎn)則相似性越小[35]。本文在ArcGIS9.3環(huán)境下通過(guò)IDW插值法繪制西北地區(qū)降水量及極端干旱傾向率的空間分布圖，進(jìn)行降水量及極端干旱變化的空間差異分析。采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法(EOF)分析西北地區(qū)不同空間模態(tài)降水量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[36]。

趙松喬[37]根據(jù)我國(guó)自然地理環(huán)境中最主要的地域差異，將我國(guó)劃分為三大自然區(qū)，即東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)。西北地區(qū)氣候類(lèi)型復(fù)雜，涵蓋以上3種自然區(qū)，本文把以上3種自然區(qū)簡(jiǎn)稱(chēng)為東部區(qū)、西北區(qū)、青藏區(qū)(圖1)，并對(duì)3種自然區(qū)的降水量和極端干旱發(fā)生頻率變化進(jìn)行了分區(qū)討論。將K的標(biāo)準(zhǔn)化變量小于等于-0.5的定義為極端干旱[17]。

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，本文選取西北地區(qū)1960—2000年干旱等級(jí)數(shù)據(jù)集(數(shù)據(jù)由國(guó)家氣象信息中心提供)，篩選出屬于西北地區(qū)與降水量等氣象要素站對(duì)應(yīng)的氣象站10個(gè)。圖2中列出其中4個(gè)站(伊寧、烏魯木齊、西寧和格爾木)，其他站圖略，圖中紅色五角星曲線表示旱澇等級(jí)，采用3個(gè)等級(jí)表示各地降水情況，即0級(jí)正常、1級(jí)偏旱、2級(jí)旱，黑色圓點(diǎn)曲線表示極端干旱發(fā)生頻率。從圖2中可以看出，干旱發(fā)生年份與極端干旱發(fā)生頻率較高年份基本對(duì)應(yīng)。

2 降水量變化

2.1 降水量年際變化

圖3是1960—2011年西北全區(qū)與不同自然區(qū)年降水量年際變化趨勢(shì)。1960年以來(lái)西北全區(qū)年降水量平均值為276.1 mm(圖3)，降水量變化傾向率表現(xiàn)出微弱上升趨勢(shì)，平均每年上升0.17 mm。不同年代年降水量變化存在一定差異：20世紀(jì)60年代到90年代初期，年降水量變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，大部分都在平均值附近波動(dòng)變化；90年代中期以來(lái)，年降水量呈現(xiàn)出顯著攀升趨勢(shì)，說(shuō)明了西北地區(qū)90年代中期以來(lái)降水量有明顯增加趨勢(shì)。

圖2 1960—2000年旱澇等級(jí)與極端干旱發(fā)生頻率年際變化Fig.2 Annual variation of the extreme drought frequency and drought level during 1960—2000

圖3 1960—2011年西北地區(qū)年降水量年際變化趨勢(shì)Fig.3 Annual variation of the annual precipitation in Northwest China during 1960—2011

西北不同自然區(qū)年降水量年際變化趨勢(shì)差異也較大，東部區(qū)年降水量平均值為497.2 mm(圖3)，屬3個(gè)不同自然區(qū)中最高值，降水量變化傾向率表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)，平均每年下降1.22 mm。該區(qū)20世紀(jì)60年代到70年代表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，且大部分以正距平為主，說(shuō)明在此期間東部區(qū)降水量相對(duì)較大；70年代到80年代中期表現(xiàn)出緩慢上升趨勢(shì)；80年代中期以來(lái)表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，且2000年以后上升趨勢(shì)顯著，說(shuō)明2000年以來(lái)東部區(qū)降水量變化略有改善。

1960年以來(lái)，西北區(qū)年降水量平均值為133.8 mm(圖3)，為3個(gè)不同自然區(qū)中最低值，降水變化傾向率呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，平均每年上升0.65 mm。該區(qū)60年代到70年代降水量變化呈上升趨勢(shì)；70年代到80年代初期變化趨勢(shì)平穩(wěn)；80年代初期以來(lái)有明顯的波動(dòng)上升趨勢(shì)。該區(qū)降水量變化大致可以分為兩個(gè)階段：80年代末期以前大部分值都在平均值之下，也就是說(shuō)該階段降水量相對(duì)較少，但也表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)；80年代末期以來(lái)大部分值都在平均值之上，即表現(xiàn)為正距平，說(shuō)明該階段降水量相對(duì)較多，且到目前為止上升趨勢(shì)比較顯著。

青藏區(qū)年降水量平均值為338.6 mm(圖3)，最低值為288.7 mm(1962年)，最高值為419.9 mm(1967年)，極差達(dá)到131.2 mm，說(shuō)明年降水量變幅較大。降水量變化傾向率呈明顯上升趨勢(shì)，平均每年上升0.51 mm。降水量變化大致可以分為3個(gè)階段：20世紀(jì)60年代到80年代中期為第1階段，表現(xiàn)出微弱波動(dòng)上升趨勢(shì)；80年代中期到90年代末期為第2階段，為明顯下降趨勢(shì)；2000年以來(lái)則為第3個(gè)階段，為急劇的攀升趨勢(shì)。即近52年來(lái)表現(xiàn)出“上升—下降—上升”趨勢(shì)，且以2000年以來(lái)上升趨勢(shì)突出，說(shuō)明近12年來(lái)青藏區(qū)降水量變化大有改善。

2.2 降水量空間變化

圖4 1960—2011年西北地區(qū)年降水量?jī)A向率的空間變化Fig.4 Spatial distribution of change trends of the annual precipitation in Northwest China during 1960—2011

近52年來(lái)，西北地區(qū)年降水量年際變化表現(xiàn)出了不同的空間差異(圖4)，總體上西北大部分地區(qū)降水量年際變化趨勢(shì)呈增加趨勢(shì)。根據(jù)西北地區(qū)年降水量變化的空間差異，可將研究區(qū)劃分為3個(gè)部分：(1)明顯增加區(qū)，即降水量增加趨勢(shì)最為明顯地區(qū)。該區(qū)主要包括天山山脈以北的北疆地區(qū)、阿爾泰山附近、昆侖山脈東南部、巴顏喀拉山脈附近、唐古拉山北部以及河西走廊等地區(qū)。降水量變化傾向率在0.5—2.9 mm/a之間，其中新疆烏魯木齊氣象站點(diǎn)降水量增加趨勢(shì)最顯著，變化傾向率達(dá)到2.9 mm/a。這與施雅風(fēng)等[38]劃分的西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的3個(gè)氣候區(qū)中顯著轉(zhuǎn)型區(qū)基本一致。(2)輕度增加區(qū)，即降水量增加趨勢(shì)緩慢的地區(qū)。該區(qū)域主要包括天山山脈以南的南疆地區(qū)和甘肅酒泉地區(qū)，降水量變化傾向率在0.0—0.5 mm/a之間。(3)減少區(qū)，即降水量依然減少的區(qū)域。該區(qū)域主要在西北東部區(qū)，降水量變化傾向率在-3.9—0.0 mm/a之間。以甘肅南部的定西、寧夏南部以及秦嶺山脈以北的黃河流域附近減少最為顯著，其中華山氣象站降水量減少趨勢(shì)最大，氣候變化傾向率為-3.9 mm/a。

2.3 EOF分析

為分析不同空間模態(tài)降水量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，對(duì)西北地區(qū)降水量進(jìn)行EOF分解。表1列出了前10個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，由表可知，前10個(gè)特征向量占總方差的66.98%。對(duì)特征向量的收斂性進(jìn)行分析，并用公式(3)[39- 40]對(duì)特征向量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明前6個(gè)特征值有意義：

(3)

表1 前10個(gè)特征向量占總方差的百分比Table 1 The first-ten eigenvalues and their contributions for the total variance

圖5給出前3個(gè)特征向量場(chǎng)，用以解釋降水量的整體空間異常結(jié)構(gòu)，圖中紅色曲線表示正值，黑色曲線表示特征值零線，藍(lán)色虛線表示負(fù)值。由第一特征向量場(chǎng)(圖5)可以看出，特征值零線穿越新疆中部至青海西部，新疆東部、青海東部、甘肅、寧夏以及陜西地區(qū)表現(xiàn)為同一符號(hào)的正值分布，與新疆西部和青海西部呈反相變化特征，這種特征值占總體方差的16.8%。第二特征向量(圖5)除甘肅東南部、寧夏、陜西北部外，其他地區(qū)表現(xiàn)為同一符號(hào)的負(fù)值，即表現(xiàn)出西北地區(qū)少雨的氣候特征，這種全區(qū)一致的特征值占總體方差的15.08%。第三特征向量(圖5)表現(xiàn)出了西北地區(qū)年降水量場(chǎng)南北相反的變化趨勢(shì)，這種特征占總體方差的7.71%。特征值零線從西到東基本穿越南北疆分界—祁連山河西走廊地區(qū)—甘肅東部—陜西北部，青海、甘肅河西走廊以及陜西南部為正值區(qū)。

圖5 西北地區(qū)年降水量的前3個(gè)特征向量場(chǎng)Fig.5 The first-three eigenvalues of annual precipitation in Northwest China

與文獻(xiàn)[36]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)1960—2011年年降水量的第一特征向量大值區(qū)與1961—2000年年降水量一致。第二、第三個(gè)特征向量與1961—2000年年降水量相比大致相同，但也存在差異，說(shuō)明經(jīng)過(guò)10a的氣候演變，年降水量的總體空間異常結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化。參考以上分析得到西北地區(qū)年降水量的5個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)(圖6)：第Ⅰ區(qū)，陜西中南部。主要包括陜西中部和南部地區(qū)，有10個(gè)測(cè)站；第Ⅱ區(qū)，黃土高原西部區(qū)。主要包括甘肅東部、寧夏及陜西北部地區(qū)，有23個(gè)測(cè)站；第Ⅲ區(qū)，青藏高原東北區(qū)。主要包括新疆東南部、青海及甘肅河西走廊地區(qū)，有36個(gè)測(cè)站；第Ⅳ區(qū)，新疆東北區(qū)。主要包括新疆東北部地區(qū)，有20個(gè)測(cè)站；第Ⅴ區(qū)，新疆西部區(qū)。主要包括新疆西部地區(qū)，有20個(gè)測(cè)站。此氣候區(qū)劃分與黃玉霞等[36]將西北地區(qū)劃分為6個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)有所差異。圖6列出了以上5個(gè)氣候區(qū)的年平均降水量的年際變化，總體上第Ⅰ、Ⅱ區(qū)近52年來(lái)降水量表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，其中第Ⅱ區(qū)每10年下降約11 mm；第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，以新疆地區(qū)上升趨勢(shì)最為顯著，第Ⅴ區(qū)平均每10a上升9 mm。

圖6 1960—2011年西北不同氣候區(qū)降水量年際變化及分區(qū)Fig.6 Annual variation of the annual precipitation for different climatic zones and subareas in Northwest China during 1960—2011

3 極端干旱變化

3.1 極端干旱年際變化

極端干旱的年際變化統(tǒng)計(jì)方法是：計(jì)算逐個(gè)月份地表濕潤(rùn)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化變量，然后分別計(jì)算每一年月地表濕潤(rùn)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化變量小于等于-0.5的月數(shù)，作為該年極端干旱發(fā)生的頻率[17]。圖7是1960—2011年西北全區(qū)與不同自然區(qū)極端干旱年際變化趨勢(shì)。由圖7可見(jiàn)，1960—2011年，西北全區(qū)極端干旱發(fā)生頻率的平均值為3.8 月/a，氣候變化傾向率總體上表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，平均年下降0.011 月。不同年代也存在一定差異：20世紀(jì)60年代到80年代中期變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，且大部分都在平均值之上，說(shuō)明80年代中期以前極端干旱發(fā)生頻率以正距平為主；80年代中期到90年代表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)；90年代到90年代末期又表現(xiàn)出明顯攀升趨勢(shì)；2000年以來(lái)又表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)。雖然20世紀(jì)80年代中期以來(lái)極端干旱發(fā)生頻率波動(dòng)較大，即表現(xiàn)出了“下降—上升—下降”趨勢(shì)，但總體上都在平均值之下波動(dòng)變化，說(shuō)明了西北全區(qū)80年代中期以來(lái)極端干旱發(fā)生頻率有所下降。

圖7 1960—2011年西北地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率年際變化趨勢(shì)Fig.7 Annual variation of the extreme drought frequency in Northwest China during 1960—2011

不同自然區(qū)極端干旱發(fā)生頻率也有一定的差異，東部區(qū)極端干旱發(fā)生頻率平均值為4.7 月/a(圖7)，氣候變化傾向率總體上表現(xiàn)出微弱上升趨勢(shì)，平均每年上升0.004 月。20世紀(jì)70年代中期以前變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)；70年代中期到80年代初期表現(xiàn)出明顯上升趨勢(shì)；80年代初期到90年代末期變化幅度較大即表現(xiàn)出顯著地先下降后上升趨勢(shì)；2000年以來(lái)又呈下降趨勢(shì)。可以看出雖然總體上東部區(qū)極端干旱發(fā)生頻率表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但2000年以來(lái)該區(qū)極端干旱發(fā)生頻率還是有所緩解。

1960年以來(lái)，西北區(qū)極端干旱發(fā)生頻率平均值為2.9 月/a(圖7)，氣候變化傾向率呈顯著下降趨勢(shì)，平均每年下降0.016 月，下降幅度大于西北全區(qū)。20世紀(jì)80年代中期以前變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，但大部分都在平均值之上，說(shuō)明在此之前極端干旱發(fā)生頻率較大；80年代初期到90年代末期表現(xiàn)出明顯的先下降后上升趨勢(shì)；2000年以來(lái)則為顯著下降趨勢(shì)。總體上80年代中期以來(lái)極端干旱發(fā)生頻率大部分都在平均值以下，尤其是90年代末期以來(lái)下降趨勢(shì)較為顯著，說(shuō)明了西北區(qū)90年代末期以來(lái)極端干旱發(fā)生頻率大有改善。

青藏區(qū)近52年來(lái)極端干旱發(fā)生頻率平均值為4.6 月/a(圖7)，氣候變化傾向率呈明顯下降趨勢(shì)，平均每年下降0.017 月，在3個(gè)自然區(qū)中下降幅度最大。不同的年代依然有差異：20世紀(jì)60年代到70年代極端干旱發(fā)生頻率表現(xiàn)出微弱上升趨勢(shì)；70年代到2005年左右表現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)；2005年以來(lái)該區(qū)極端干旱發(fā)生頻率略有回升趨勢(shì)。

3.2 極端干旱空間變化

1960年來(lái)，西北全區(qū)極端干旱年際變化也表現(xiàn)出不同的空間差異(圖8)，總體上該區(qū)大部分地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率呈減少趨勢(shì)。根據(jù)西北地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率變化的空間差異，也可將研究區(qū)劃分為3個(gè)部分：(1)明顯減少區(qū)，即極端干旱發(fā)生頻率減少最明顯的區(qū)域。該區(qū)主要包括天山山脈以北的北疆地區(qū)、阿爾泰山西側(cè)、昆侖山脈東南部、巴顏喀拉山脈附近、唐古拉山北部以及河西走廊等地區(qū)。極端干旱變化傾向率在-0.7—-0.2 月/10a之間，其中天山山脈北部的奇臺(tái)氣象站變化傾向率最大，達(dá)到-0.7 月/10a。(2)輕度減少區(qū)，即極端干旱發(fā)生頻率緩慢減少的區(qū)域。該區(qū)主要包括天山山脈以南的南疆地區(qū)、祁連山脈以西巴顏喀拉山脈以東的地區(qū)以及黃土高原以南秦嶺山脈以北的陜西中部地區(qū)。極端干旱變化傾向率在-0.2—0.0 月/10a之間。(3)增加區(qū)，即極端干旱發(fā)生頻率繼續(xù)增加的區(qū)域。該區(qū)主要包括甘肅東南部大部分地區(qū)、寧夏全部、秦嶺山脈以南以及黃土高原以北地區(qū)。極端干旱變化傾向率在0.00—0.42 月/10a之間，其中甘肅東南部榆中氣象站變化傾向率最大，達(dá)到0.42 月/10a。說(shuō)明西北東部區(qū)大部分地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率是呈增加趨勢(shì)，而其他兩個(gè)自然區(qū)呈減少趨勢(shì)。極端干旱變化的3個(gè)部分與以上將西北地區(qū)降水量變化劃分的3個(gè)部分基本相對(duì)應(yīng)，也進(jìn)一步說(shuō)明降水量的變化對(duì)極端干旱發(fā)生頻率的變化有非常好的應(yīng)對(duì)關(guān)系。

圖8 1960—2011年西北地區(qū)極端干旱傾向率的空間變化Fig.8 Spatial distribution of change trends of the extreme drought frequency in Northwest China during 1960—2011

4 極端干旱發(fā)生頻率的影響因素分析

極端干旱變化在很大程度上取決于降水的變化，而降水又受到各種要素綜合作用的影響，首先大氣環(huán)流對(duì)局地的降水起到了基礎(chǔ)性的作用，其次地理位置及水汽輸送對(duì)降水的影響比較顯著，此外下墊面如地形等對(duì)降水量的空間分布又有一定調(diào)節(jié)作用。本文選取了降水量、無(wú)雨總?cè)諗?shù)及平均氣溫，采用多元回歸分析方法來(lái)研究極端干旱發(fā)生頻率與影響因子之間的相關(guān)性，以及影響其變化的主導(dǎo)因素。從極端干旱發(fā)生頻率與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)(表2)看，降水量和平均氣溫與極端干旱發(fā)生頻率負(fù)相關(guān)，這些氣候因素的增加會(huì)對(duì)極端干旱發(fā)生頻率的減少起著非常重要的作用，而總無(wú)雨日數(shù)與極端干旱發(fā)生頻率正相關(guān)，即總無(wú)雨日數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致極端干旱發(fā)生頻率的增加，反之減少。

從氣候因子的變化趨勢(shì)(表3)看，不同氣候因子變化趨勢(shì)及其顯著程度不同，進(jìn)而對(duì)極端干旱發(fā)生頻率的影響也不同。西北全區(qū)，降水量和平均氣溫增加1個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率分別減少0.005、0.189 月/a，總無(wú)雨日數(shù)增加一個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率減少0.032 月/a，但降水量和總無(wú)雨日數(shù)的變化趨勢(shì)都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，而平均氣溫的增加趨勢(shì)顯著，因此平均氣溫是影響西北全區(qū)極端干旱發(fā)生頻率減少的主要因素。東部區(qū)，降水量和平均氣溫增加1個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率分別減少0.002、0.033 月/a，總無(wú)雨日數(shù)增加一個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率增加0.036 月/a，且總無(wú)雨日數(shù)增加趨勢(shì)的顯著性最強(qiáng)，因此總無(wú)雨日數(shù)的增加也是影響該區(qū)極端干旱發(fā)生頻率增加的主要因素。西北區(qū)，降水量和平均氣溫增加1個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率分別減少0.010、0.067 月/a，總無(wú)雨日數(shù)減少一個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率減少0.034 月/a，極端干旱發(fā)生頻率與降水量的相關(guān)系數(shù)、降水量變化趨勢(shì)都通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，因此降水量增加是影響該區(qū)極端干旱發(fā)生頻率減少的主要因素。青藏區(qū)，降水量和平均氣溫增加1個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率分別減少0.0、0.182 月/a，而總無(wú)雨日數(shù)減少1個(gè)單位，極端干旱發(fā)生頻率減少0.054 月/a，且平均氣溫的增加趨勢(shì)通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn)，因此平均氣溫的增加是影響該區(qū)極端干旱發(fā)生頻率減少的主要因素。

表2 極端干旱發(fā)生頻率與氣象要素的多元回歸系數(shù)Table 2 Multivariate regression coefficients between meteorological elements and the extreme drought frequency in Northwest China

*、**分別表示通過(guò)0.05、0.01的置信度檢驗(yàn)

表3 氣象要素的變化傾向率Table 3 Change trends of the meteorological elements

*、**、***分別表示通過(guò)0.05、0.01、0.001的置信度檢驗(yàn)

5 結(jié)論

(1)1960年以來(lái)西北全區(qū)年降水量平均值為276.1 mm，其變化傾向率呈微弱上升趨勢(shì)，平均每年上升0.17 mm；西北東部區(qū)降水量表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)，而西北區(qū)和青藏區(qū)則表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)。

(2)根據(jù)西北地區(qū)年降水量變化的空間差異，可將研究區(qū)劃分為3個(gè)部分：①明顯增加區(qū)，降水量變化傾向率在0.5—2.9 mm/a之間。②輕度增加區(qū)，降水量變化傾向率在0.0—0.5 mm/a之間。③減少區(qū)，降水量變化傾向率在-3.9—0.0 mm/a之間。

(3)近52年來(lái)西北全區(qū)極端干旱發(fā)生頻率的平均值為3.8 月/a，氣候變化傾向率總體上表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，平均年下降0.011 月；西北不同自然區(qū)除東部區(qū)外其他兩個(gè)自然區(qū)極端干旱發(fā)生頻率也表現(xiàn)出顯著地下降趨勢(shì)。

(4)根據(jù)西北地區(qū)極端干旱發(fā)生頻率變化的空間差異，也可將研究區(qū)劃分為3個(gè)部分：①明顯減少區(qū)，極端干旱變化傾向率在-0.2—-0.7月/10a之間。②輕度減少區(qū)，極端干旱變化傾向率在-0.2—0.0 月/10a之間。③增加區(qū)，極端干旱變化傾向率在0.00—0.42 月/10a之間。

(5)極端干旱發(fā)生頻率與降水量和平均氣溫表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，與無(wú)雨總?cè)諗?shù)呈顯著的正相關(guān)性。

[1] Haeberli W, Hoelzle M, Paul F, Zemp M. Integrated monitoring of mountain glaciers as key indicators of global climate change: the European Alps. Annals of Glaciology, 2007, 46(1): 150- 160.

[2] IPCC. Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Asessment Report, Climate Change 2013: The Physical Science Basis: Summary for Policymakers. Geneva,Switzerland: IPCC, 2013:1- 27.

[3] Changnon S A, Pielke Jr R A, Changnon D,Sylves R T, Pulwarty R. Human factors explain the increased losses from weather and climate extremes. Bulletin of the American Meteorological Society, 2000, 81(3): 437- 442.

[4] Mantou M J, Della-Marta P M, Haylock M R, Hennessy K J, Nicholls N, Chambers L E, Collins D A, Daw G, Finet A, Gunawan D, Inape K, Isobe H, Kestin T S, Lefale P, Leyu C H, Lwin T, Maitrepierre L, Ouprasitwong N, Page C M, Pahalad J, Plummer N, Salinger M J, Suppiah R, Tran V L, Trewin B, Tibig I, Yee D. Trend in extreme daily rainfall and temperature in Southeast Asia and the South Pacific: 1961- 1998. International Journal of Climatology, 2001, (l): 269- 284．

[5] Easterling D R, Evans J L, Groismman P Ya, Karl T R, Kunkel K E, Ambenje P. Observed variability and trends in extreme climate events: A brief review. Bulletin of the American Meteorological Society, 2000, 81(3): 417- 425.

[6] 馬柱國(guó), 符淙斌, 任小波, 楊赤. 中國(guó)北方年極端溫度的變化趨勢(shì)與區(qū)域增暖的聯(lián)系. 地理學(xué)報(bào), 2003, 58(增刊): 11 - 20.

[7] 王素萍, 段海霞, 馮建英. 2014年春季全國(guó)干旱狀況及其影響與成因.干旱氣象, 2014, 32(3): 491- 496.

[8] 汪寶龍, 張明軍, 魏軍林, 王圣杰, 馬潛, 李小飛. 近50a氣溫和降水極端事件的變化特征. 自然資源學(xué)報(bào), 2012, 27(10): 1720- 1733.

[9] 程肖俠,方建剛,雷向杰. 陜西盛夏極端降水頻次及其與全球海溫的遙相關(guān)研究. 干旱氣象, 2014,32(1): 38- 45.

[10] 嚴(yán)中偉, 楊赤. 近幾十年中國(guó)極端氣候變化格局. 氣候與環(huán)境研究, 2000, 5(3): 267- 272.

[11] 江志紅, 丁裕國(guó), 陳威霖. 21世紀(jì)中國(guó)極端降水事件預(yù)估. 氣候變化研究進(jìn)展, 2007, 3(4): 202- 207.

[12] 王冀, 江志紅, 丁裕國(guó), 張金玲, 張霞. 21世紀(jì)中國(guó)極端氣溫指數(shù)變化情況預(yù)估. 資源科學(xué), 2007, 1084- 1092.

[13] 翟盤(pán)茂, 潘曉華. 中國(guó)北方近50年溫度和降水極端事件變化. 地理學(xué)報(bào), 2003, 58(增刊): 1- 10.

[14] 陳少勇, 王勁松, 郭俊庭, 蘆旭東. 中國(guó)西北地區(qū)1961—2009年極端高溫事件的演變特征. 自然資源學(xué)報(bào), 2012, 27(5): 832-844.

[15] 陳少勇, 王勁松, 任燕, 喬立. 近49年中國(guó)西北地區(qū)極端低溫事件的演變特征. 高原氣象, 2011, 30(5): 1266- 1273.

[16] 侯威, 楊萍, 封國(guó)林. 中國(guó)極端干旱事件的年代際變化及其成因. 物理學(xué)報(bào), 2008, 57(6): 3932- 3940.

[17] 馬柱國(guó), 華麗娟, 任小波. 中國(guó)近代北方極端干濕事件的演變規(guī)律. 地理學(xué)報(bào), 2003, 58(增刊): 69- 74.

[18] 賀晉云, 張明軍, 王鵬, 王圣杰, 王興梅. 近50年西南地區(qū)極端干旱氣候變化特征. 地理學(xué)報(bào), 2011, 66(9): 1179- 1190.

[19] 周俊菊, 石培基, 師瑋. 1960—2009 年石羊河流域氣候變化及極端干濕事件演變特征.自然資源學(xué)報(bào), 2012, 27(1): 143- 153.

[20] 鮑艷, 呂世華, 陸登榮, 侯瑞卿. RegCM3模式在西北地區(qū)的應(yīng)用研究I:對(duì)極端干旱事件的模擬.冰川凍土, 2006, 28(2): 164- 174.

[21] New M, Hewitson B, Stephenson D B, Tsiga A, Kruger A, Manhique A, Gomez B, Coelho C A S, Masisi D N, Kululanga E, Mbambalala E, Adesina F, Saleh H, Kanyanga J, Adosi J, Bulane L, Fortunata L, Mdoka M L, Lajoie R. Evidence of trends in daily climate extremes over southern and west Africa. Journal of geophysical Reserch, 2006, 111, D14102, doi: 10.1029/2005JD006289.

[22] You Q, Kang S, Aguilar E, Pepin N, Flügel W A, Yan Y, Xu Y, Zhang Y, Huang J. Changes in daily climate extremes in China and its connection to the large scale atmospheric circulation during 1961- 2003. Climate Dynamics, 2010, 36: 2399- 2417.

[23] 黃小燕, 王小平, 王勁松, 王圣杰. 中國(guó)大陸1960—2012年持續(xù)干旱日數(shù)的時(shí)空變化特征, 干旱氣象, 2014, 32(3): 326- 333.

[24] Wang H, Chen Y, Chen Z. Spatial distribution and temporal trends of mean precipitation and extremes in the arid region, northwest of China, during 1960-2010. Hydrological Processes, 2012, doi: 10.1002/hyp.9339.

[25] Wang H, Chen Y, Xun S, Lai Y, Fan Y, Li Z. Changes in daily climate extremes in the arid area of northwestern China. Theoretical and Applied Climatology, 2012, doi: 10.1007/s00704- 012- 0698- 7.

[26] Wang B, Zhang M, Wei J, Wang S, Li S, Ma Q, Li X, Pan S. Changes in extreme events of temperature and precipitation over Xinjiang, northwest China, during 1960- 2009. Quaternary International, 2013, 298: 141- 151.

[27] 楊志剛, 杜軍, 林志強(qiáng). 1961—2012年西藏色林錯(cuò)流域極端氣溫事件變化趨勢(shì)分析.生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(3):1- 10.

[28] Dai A, Trenberth K E, Qian T. A global data set of palmer drought severity index for 1870—2002: Relations hip with soil moisture and effects of surface warming. Journal of Hydrometeorology, 2004, 5: 1117- 1130.

[29] 邢文淵, 馬雷凱, 肖繼東, 楊志華, 張旭. 北疆地區(qū)地表濕潤(rùn)指數(shù)變化分析. 沙漠與綠洲氣象, 2009, 3(4): 9- 12.

[30] 劉波, 馬柱國(guó). 過(guò)去45年中國(guó)干濕氣候區(qū)域變化特征. 干旱區(qū)地理, 2007, 30(1): 7- 15.

[31] 馬柱國(guó), 邵麗娟. 中國(guó)北方近百年干濕變化與太平洋年代際振蕩的關(guān)系. 大氣科學(xué), 2006, 30(3): 464- 474.

[32] 吳紹洪, 尹云鶴, 鄭度, 楊勤業(yè). 青藏高原近30年氣候變化趨勢(shì). 地理學(xué)報(bào), 2005, 60(1): 3- 11.

[33] Gavilán P, Castillo-Llanque F. Estimating reference evapotranspiration with atmometers in a semiarid environment. Agricultural Water Management, 2009, 96(3): 465- 472.

[34] 賈文雄, 何元慶, 王旭峰, 李宗省. 祁連山及河西走廊潛在蒸發(fā)量的時(shí)空變化. 水科學(xué)進(jìn)展, 2009, 20(2): 159- 167.

[35] 張明軍, 李瑞雪, 賈文雄, 王旭峰. 中國(guó)天山山區(qū)潛在蒸發(fā)量的時(shí)空變化. 地理學(xué)報(bào), 2009, 64(7): 798-806.

[36] 黃玉霞, 李棟梁, 王寶鑒, 何金梅. 西北地區(qū)近40年年降水異常的時(shí)空特征分析. 高原氣象, 2004, 23(2): 245- 252.

[37] 趙松喬. 中國(guó)綜合自然地理區(qū)劃的一個(gè)新方案. 地理學(xué)報(bào), 1983, 38(1): 1- 10.

[38] 施雅風(fēng), 沈永平, 李棟梁, 張國(guó)威, 丁永健, 胡汝冀 康爾泗. 中國(guó)西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢(shì)探討. 第四紀(jì)研究, 2003, 23(2): 152- 164.

[39] North G R, Bell T L, Cahalan R F. Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal functions. Monthly Weather Review, 1982, 110(7): 699- 706.

[40] 王澄海, 王芝蘭, 崔洋. 40余年來(lái)中國(guó)地區(qū)季節(jié)性積雪的空間分布及年際變化特征. 冰川凍土, 2009, 31(2): 301- 310.

Climate characteristics of precipitation and extreme drought events in Northwest China

HUANG Xiaoyan1,*, LI Yaohui1, FENG Jianying1, WANG Jinsong1, WANG Zhilan1, WANG Shengjie2, ZHANG Yu1

1InstituteofAridMeteorologyLanzhouCMA,KeyLaboratoryofAridClimateChangeandReducingDisasterofGansuProvince,KeyOpenLaboratoryofAridClimateChangeandReducingDisasterofCMA，Lanzhou730020,China2CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China

Based on the daily data observed at 111 meteorological stations in Northwest China from 1960 to 2011, the potential evaporation was calculated using the FAO Penman-Monteith model, and then the humid index was derived, as well as the extreme drought frequency. The temporal and spatial variations of the precipitation and extreme drought frequency were discussed in this paper. The results indicated that the precipitation in Northwest China has increased by 0.17 mm per year in the last 52 years. According to the spatial variation of precipitation, the study area could be divided into three subregions including obvious increasing, light increasing and decreasing. The mean extreme drought frequency was 3.8 months per year during 1960—2011, at a decreasing rate of 0.011 months per year. The variation of the extreme drought frequency also showed a spatial diversity and could be divided into three subregions including obvious decreasing, light decreasing and increasing. The extreme drought frequency showed a negative correlation with precipitation and average temperature, and a positive correlation with rainless days.

Northwest China; precipitation; humid index; extreme drought; temporal and spatial characteristics

2010年公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(GYHY201006023); 國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(41175081, 41201370); 碩士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(KYS2012SSKY06)

2013- 05- 10;

日期:2014- 04- 17

10.5846/stxb201305101013

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xyhuang0529@sina.cn

黃小燕，李耀輝，馮建英，王勁松，王芝蘭，王圣杰，張宇.中國(guó)西北地區(qū)降水量及極端干旱氣候變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(5):1359- 1370.

Huang X Y, Li Y H, Feng J Y, Wang J S, Wang Z L, Wang S J, Zhang Y.Climate characteristics of precipitation and extreme drought events in Northwest China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1359- 1370.