張世虎，王一峰，侯勤正，董小剛，孫 坤

(1．西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730070;2．西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

IPCC 第五次報(bào)告表明:1880 －2012 年間全球平均溫度升高0．85 ℃(0．65 ～1．06 ℃)，近乎全球都經(jīng)歷了升溫過(guò)程;在北半球，1983 －2012 年可能是最近1 400 年來(lái)氣溫最高的30 年［1］。持續(xù)的全球變暖將影響全球和區(qū)域水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)，除通過(guò)降水和氣溫變化影響流域徑流外，還通過(guò)不同的方式對(duì)蒸散量產(chǎn)生了重要影響［2］。因此，在全球變暖背景下，部分地區(qū)極端氣候事件(例如暴雨、干旱等)發(fā)生的頻率加快、強(qiáng)度增大，且旱災(zāi)影響范圍廣，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。中國(guó)是世界上主要的干旱國(guó)家之一，干旱半干旱區(qū)面積占全國(guó)土地面積的50%以上，且主要集中在中國(guó)北方地區(qū)［3-4］。干旱事件及其影響程度大小的分析和評(píng)價(jià)需要一定的量化標(biāo)準(zhǔn)［3］，但由于干旱是一種非常復(fù)雜的氣象現(xiàn)象，對(duì)其出現(xiàn)和持續(xù)時(shí)間與下墊面的狀況密切相關(guān)，至今對(duì)干旱的定義與強(qiáng)度沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［3-5］。干旱指數(shù)(Aridity Index，AI)是判斷氣候變化的重要指標(biāo)，它以同期潛在蒸散量和降水量的差再與潛在蒸散量的比值來(lái)表示［6-7］，并以此來(lái)表示地表的干濕狀況。青海省位于青藏高原東北部，其氣候具有高原特色，主要以高寒干旱氣候?yàn)橹?，年均氣溫?－5．7 ～8．5 ℃)，是典型的大陸性高原氣候，為我國(guó)氣候變化較為敏感的區(qū)域之一［6，8］。此外，由于受地形影響，降水量比同緯度的東部地區(qū)少，年降水量在50 ～450 mm;年均風(fēng)速達(dá)5．1 m·s－1，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)超過(guò)2 500 h，是中國(guó)總輻射最大的省份之一［7］。近年來(lái)，結(jié)合氣溫和降水等指標(biāo)對(duì)青藏高原及青海的氣候特征研究相對(duì)較多，已有的研究結(jié)果表明，該區(qū)氣候有明顯的增暖增濕趨勢(shì)［9-15］。本研究選取AI指標(biāo)對(duì)青海省地表干濕狀況進(jìn)行分析，并深入研究其與北極濤動(dòng)(AO)指數(shù)和厄爾尼諾－ 南方濤動(dòng)(ENSO)指數(shù)的相互關(guān)系，旨在從空間尺度上揭示全球氣候變化對(duì)青海省干旱程度的影響，深入了解該區(qū)域氣候干濕變化的機(jī)理和水資源供需狀態(tài)，為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與恢復(fù)、水資源合理利用以及資源可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1．1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選擇青海省境內(nèi)29 個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)1961 －2013 年數(shù)據(jù)，包括逐日平均氣溫、最高、最低氣溫、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)等，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算潛在蒸散量，用潛在蒸散量和同期降水量的差值與潛在蒸散量的比值表示干旱指數(shù)。資料源自于國(guó)家氣象信息中心(http://www． nmic． gov． cn/)。月平均北極濤動(dòng)(AO)指數(shù)序列來(lái)源于NOAA 網(wǎng)站(http://www．cpc．noaa．gov);厄爾尼諾－南方濤動(dòng)(ENSO)指數(shù)采用多元ENSO 指數(shù)［16］(即MEI)替代，數(shù)據(jù)來(lái)源于http://www．esrl．noaa．gov/psd/enso/mei/。

1．2 研究方法

1．2．1 潛在蒸散量 潛在蒸散量(ET0)的計(jì)算采用FAO 在1998 年推薦并修訂的Penman-Monteith 模型(簡(jiǎn)稱(chēng)P-M 模型)［17］:

式中，Rn為凈輻射，Δ 為水汽壓對(duì)溫度的斜率(kPa·℃－1)，G 為土壤熱通量(MJ·m－2·d－1，本文忽略不計(jì))，γ為干濕常數(shù)，U2為2 m高處風(fēng)速(m·s－1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實(shí)際水汽壓(kPa);T 為平均氣溫(℃)。

圖1 研究區(qū)所選氣象站點(diǎn)分布圖Fig．1 The distribution of meteorological stations in Qinghai Province

1．2．2 干旱指數(shù)的計(jì)算 采用Thornthwaite 對(duì)干旱指數(shù)的定義方法，此方法適用于干旱半干旱區(qū);利用同期潛在蒸散量和降水量的差值，再與潛在蒸散量的比值來(lái)表示干旱指數(shù)［8］，計(jì)算公式如下:

式中，AI 是干旱指數(shù);Pr是降水量(mm)，ET0是潛在蒸散量(mm)。若Pr小于且不等于ET0，則表示干旱;若降水量為0，AI 等于1，表示該區(qū)域干旱程度最強(qiáng);若Pr等于或高于ET0，則AI 等于0 或者是負(fù)值，表示此時(shí)干旱程度較低。

為進(jìn)一步探究影響干旱指數(shù)下降的主要?dú)庀笠蜃蛹捌溆绊懗潭?，本研究采用多元回歸方法，分析了各氣象因子:平均氣溫(Tmea)、降水(Pr)、日照時(shí)數(shù)(Sh)、相對(duì)濕度(Rh)和平均風(fēng)速(U)等，對(duì)干旱指數(shù)變化的影響，并判斷各氣象因子對(duì)干旱指數(shù)變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率，以此來(lái)確定各氣象因子對(duì)干旱指數(shù)的影響程度。

1．2．3 交叉小波和小波相干 交叉小波是將小波變換和交叉譜分析兩種方法相結(jié)合而產(chǎn)生的一種信號(hào)分析手段［18-19］。該方法不僅可以從多時(shí)間尺度上來(lái)研究?jī)蓚€(gè)時(shí)間序列在時(shí)頻域中的相互關(guān)系，而且可以揭示兩個(gè)序列在不同時(shí)段尺度上的一致性和相關(guān)性，也能再現(xiàn)該時(shí)頻域空間中的相位關(guān)系。本研究所采用的計(jì)算過(guò)程參考文獻(xiàn)［18-20］的計(jì)算方法和程序:

交叉小波變換(XWT)是將兩個(gè)時(shí)間序列Xn和Yn定義為:WXY=WXWY*，其中* 為復(fù)共軛，交叉小波譜定義為|WXY|，而兩個(gè)時(shí)間序列Xn和Yn的背景功率譜和則定義為:

式中，Zv(p)為概率P 的置信度水平，源于兩個(gè)χ2分部小波譜乘積的平方根。交叉小波的相位角定義為:

小波相位角的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

兩列時(shí)間序列的小波相干譜也可以反映時(shí)頻空間局部的相關(guān)性大小。定義為:

式中，S 為平滑窗口，定義為:

式中，Sscale為小波坐標(biāo)尺度的平滑，Stime為時(shí)間尺度的平滑。Morlet 小波的平滑窗口定義為:

式中，c1和c2是標(biāo)準(zhǔn)化常量，* 為復(fù)共軛，∏為矩陣函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2．1 干旱指數(shù)的時(shí)間變化特征分析

在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)青海省多年平均干旱指數(shù)為0．49，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)降低趨勢(shì)，其線性降低速率為－0．03·10 a－1(α=0．01)，表明青海省氣候有變濕的趨勢(shì)。其干旱指數(shù)的變幅在0．31 ～0．63，其中干旱指數(shù)最大值出現(xiàn)在1962 年，為0．63，而最小值出現(xiàn)在1989年，為0．31(圖2a)。干旱指數(shù)從20 世紀(jì)60 年代的0．56 降低到90 年代的0．44，90 年代之后降低趨勢(shì)變緩，20 世紀(jì)90 年代到2013 年，其值從0．44 降低到0．42。

近53 年來(lái)，青海省月干旱指數(shù)有明顯的變化趨勢(shì)，各月份之間表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢(shì)，呈波谷狀變化(圖2b)。12 月出現(xiàn)最大值(0．93)，8 月出現(xiàn)最小值(－0．45)。AI 指數(shù)冬季最大，春季和秋季次之，夏季最小，表明青海省夏季氣候濕潤(rùn)，冬季較為干旱。

2．2 干旱指數(shù)的空間變化特征分析

以各個(gè)站點(diǎn)干旱指數(shù)的變化趨勢(shì)系數(shù)為參數(shù)，繪制青海省干旱指數(shù)的空間分布圖(圖3)。青海省各代表站點(diǎn)的干旱指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，其中有16 個(gè)站點(diǎn)的干旱指數(shù)變化趨勢(shì)通過(guò)P ＜0．01 的顯著性檢驗(yàn)。青海省干旱指數(shù)變化趨勢(shì)小于－0．3 的站點(diǎn)主要集中在中部地區(qū)，而變化趨勢(shì)介于0 ～－0．3 之間的站點(diǎn)散點(diǎn)式分布于整個(gè)研究區(qū)。究其原因主要是青海省西北部地區(qū)受西伯利亞冷高壓影響顯著，多為干旱半干旱區(qū)，降水較少，干旱指數(shù)變化較大［21］;東北部主要受季風(fēng)影響，降水相對(duì)豐富，干旱指數(shù)的變化相對(duì)較小;南部主要受來(lái)自孟加拉灣暖濕氣流影響，降水最多，干旱指數(shù)在整個(gè)研究區(qū)變化也較大。此外，由于干旱指數(shù)受較多氣象因子(例如:降水、氣溫等)的影響，所以研究區(qū)干旱指數(shù)的空間分布也呈現(xiàn)出一定的空間差異性。

2．3 氣候因素對(duì)干旱指數(shù)的影響分析

圖2 青海省1961 －2013 年干旱指數(shù)年際變化(a)和年內(nèi)變化(b)Fig．2 Change of annual (a)and monthly (b)average aridity index in Qinghai from 1961 to 2013

圖3 1961 －2013 年青海省干旱指數(shù)變化趨勢(shì)的空間分布Fig．3 Spatial distribution of the trend for AI in Qinghai from 1961 to 2013

表1 影響干旱指數(shù)變化的氣候因子的變化趨勢(shì)和相關(guān)系數(shù)Table 1 Trends in and correlation coefficient among climate factors that influence AI in Qinghai

青海省干旱指數(shù)主要與日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速總體呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0．436(P ＜0．01)和0．324(P ＜0．05);而與氣溫和降水等呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜0． 05)。日照時(shí)數(shù)是影響青海省干旱指數(shù)變化的主要因素，其次是降水和風(fēng)速，相對(duì)濕度對(duì)該區(qū)域的干旱指數(shù)的影響相對(duì)較小;這與Huo 等［22］和Zhang 等［23］的研究結(jié)果較為相似。此外，青海省近53 年來(lái)除了氣溫升高和降水量增加外，其余因素(日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速)均呈下降趨勢(shì)，且降水的增加值遠(yuǎn)大于潛在蒸散量的減少值。干旱指數(shù)變化與降水所需的氣象條件相反，即降水量越多，云層越厚，光照強(qiáng)度就越弱，空氣濕度就會(huì)增加，這將會(huì)引起潛在蒸散量降低［24-25］，進(jìn)而導(dǎo)致干旱指數(shù)的降低。

2．4 干旱指數(shù)與AO 和ENSO 的相互關(guān)系

交叉小波變換(XWT)和小波相干變換(WTC)用于分析干旱指數(shù)與其它氣候要素之間的多時(shí)間尺度的相關(guān)關(guān)系，前者突出干旱指數(shù)變化與大尺度氣候要素在時(shí)頻域中高能區(qū)的相互關(guān)系，后者則突出干旱指數(shù)變化與氣候要素在時(shí)頻域中低能區(qū)的相互關(guān)系。圖4所示的箭頭方向反映了兩者相位關(guān)系［19］，其中從左向右表示同相位，從右向左表示反相位，垂直向下的箭頭則表示氣候指數(shù)變換比干旱指數(shù)落后90°，垂直向上的箭頭表示氣候指數(shù)變換比干旱指數(shù)提前90°。

青海省干旱指數(shù)與AO 指數(shù)在1962 －1970 年間存在1 ～3 年共振周期，在此頻率上有共振關(guān)系，平均位相角接近水平向左90°，則干旱指數(shù)變化位相與AO相反(圖4a);1962 －1974 年間和1978 －1996 年間，小波相干功率譜在低能量區(qū)分別存在0 ～4 和4 ～6 年的共振周期(小波相干譜相關(guān)性通過(guò)了顯著性水平α =0．05 下的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn))(圖4b)。青海省干旱指數(shù)與ENSO 指數(shù)在1965 －1974 年間存在2 ～4 年的共振周期(圖4c)，在1982 －2000 年間表現(xiàn)出3 ～6 年的共振周期;1964 －1976 年間小波相干功率譜在低能區(qū)存在4 ～6 年的主振蕩周期(圖4d)，在1996 －2008年間存在5 ～6 年的振蕩周期，但其頻段的相關(guān)性較弱，未通過(guò)α=0．05 的紅色噪音標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)。

圖4 干旱指數(shù)(AI)與AO 和MEI 的交叉小波功率譜、相干小波功率譜Fig．4 The Cross wavelet transform and wavelet coherence of the AI with AO and MEI

3 討論與結(jié)論

由于干旱是一種非常復(fù)雜的氣象現(xiàn)象，其影響程度又是土壤水分虧缺及其持續(xù)時(shí)間的函數(shù)，而干旱指數(shù)是反映氣候干旱程度最常用的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其結(jié)合影響干旱的氣候、水文等參數(shù)，可以對(duì)干旱的持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率和強(qiáng)度以及程度等進(jìn)行分析［26］。本研究選取AI 指標(biāo)對(duì)青海省地表干濕狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)干旱指數(shù)的變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)的空間分布相對(duì)復(fù)雜。再者，由于干旱指數(shù)受多氣象因子(例如:降水、氣溫等)影響，所以研究區(qū)干旱指數(shù)的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出空間的差異性［27］。已有研究表明，青海省在1961 －2010 年間氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)、降水量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但降水增加的幅度遠(yuǎn)大于溫度上升的幅度;而風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)卻呈顯著下降趨勢(shì)［21，28］。這表明該地區(qū)近53 年來(lái)氣候有向暖濕變化的趨勢(shì)，這也進(jìn)一步表明該地區(qū)干旱指數(shù)有降低的趨勢(shì)。此外，青海省降水主要集中在夏、秋兩季，夏、秋季降水分別約占全年降水量的60%和22%，冬季降水僅占全年的3%［21］;該區(qū)域多年來(lái)四季日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速均呈下降趨勢(shì)，這可能是導(dǎo)致青海省各月份之間干旱指數(shù)變化差異顯著的主要原因。

通過(guò)上述分析得出以下結(jié)論:1)近53 年來(lái)，青海省多年平均干旱指數(shù)為0．49，整體呈現(xiàn)出波動(dòng)降低趨勢(shì)，其線性降低速率為－0．03·10 a－1(α =0．01)，表明青海省氣候有變濕的趨勢(shì)。青海省干旱指數(shù)有明顯的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)為先減小后增加趨勢(shì)，呈波谷狀分布，12 月出現(xiàn)最大值，8 月出現(xiàn)最小值。最高值出現(xiàn)在西北部的茫崖和中北部的格爾木和諾木洪，最低值出現(xiàn)在中南部的曲麻菜和久治。2)青海省干旱指數(shù)主要與日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速總體呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0．436 和0．324;而與溫度和降水呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜0．05)。3)交叉小波變換與小波相干分析表明:青海省干旱指數(shù)與北極濤動(dòng)(AO)和厄爾尼諾－南方濤動(dòng)(ENSO)指數(shù)等存在多尺度的顯著相關(guān)性(α=0．05)。

［1］ 沈永平，王國(guó)亞．IPCC 第一工作組第五次評(píng)估報(bào)告對(duì)全球氣候變化認(rèn)知的最新科學(xué)要點(diǎn)［J］． 冰川凍土，2013，35(5):1068-1076．

［2］ 張守紅，劉蘇峽，莫興國(guó)，舒暢，孫楊，張春．阿克蘇流域氣候變化對(duì)潛在蒸散量影響分析［J］．地理學(xué)報(bào)，2010，65(11):1363-1370．

［3］ 馬柱國(guó)，符淙斌．中國(guó)北方干旱區(qū)地表濕潤(rùn)狀況的趨勢(shì)分析［J］．氣象學(xué)報(bào)，2001，59(6):737-746．

［4］ 沈彥軍，李紅軍，雷玉平．干旱指數(shù)應(yīng)用研究綜述［J］．南水北調(diào)與水利科技，2013，11(4):128-133．

［5］ 王黎俊，劉彩紅，孫安平，伏洋，朱西德．近45 年青海省夏季降水異常特征分析［J］．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26(2):225-230．

［6］ 楊東，王慧，程軍奇，郭佩佩．近50 年青海省氣候變化特征及其與ENSO 的關(guān)系［J］．生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22(4):547-553．

［7］ Thornthwaite C W．An approach toward a rational classification of climate［J］．Geogrophical Review，1948，38(1):55-94．

［8］ 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)［J］．地理學(xué)報(bào)，2005，60(1):3-11．

［9］ 郝振純，江微娟，鞠琴，李麗，王加虎，魯承陽(yáng)，暢俊杰．青藏高原河源區(qū)氣候變化特征分析［J］．冰川凍土，2010，32(6):1130-1135．

［10］ 汪青春，秦寧生，唐紅玉，陳芳，祁如英． 青海高原近44 年來(lái)氣候變化的事實(shí)及其特征［J］． 干旱區(qū)研究，2007，24(2):234-239．

［11］ 王穎華．青海省降水與氣溫的時(shí)空變化規(guī)律研究［D］．楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013．

［12］ 汪寶龍，張明軍，魏軍林，王圣杰，馬潛．1960 －2009 年青海省極端降水事件的變化特征［J］．水土保持通報(bào)，2012，32(4):92-96．

［13］ 張曉，李凈，姚曉軍，孫美平．近45 年青海省降水時(shí)空變化特征及突變分析［J］．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26(5):6-12．

［14］ 馬全，張?chǎng)?，廖清飛，徐靜，姚瑤．青海省1961 －2006 年氣溫時(shí)空變化特征研究［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，(40)11:59-65．

［15］ 白愛(ài)娟，假拉，徐維新．基于潛在蒸散量對(duì)青海湖流域干旱氣候以及影響因素的分析［J］．干旱區(qū)地理，2011，34(6):949-957．

［16］ Wolter K，Timlin M S． Monitoring ENSO in COADS with a seasonally adjusted principal component index［A］． Proceedings of the 17th Climate Diagnostics Workshop［C］．Oklahoma:Norman，OK，NOAA/NMC/CAC，NSSL，Oklahoma Climate，Survey CIMMS and the School of Meteorology，University of Oklahoma，1993:52-57．

［17］ Allen R G，Perreira L S，Raes D．Crop evapotranspiration——Guidelines for computing crop water requirements［R］．FAO irrigation and drainage paper 56．Rome，1998．

［18］ Grinsted A，Moore J C，Jevrejeva S．Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series［J］．Nonlinear Processes in Geophysics，2004，11(5-6):561-566．

［19］ Torrence C，Compo G P．A practical guide to wavelet analysis［J］．Bulletin of the American Meteorological Society，1998，79(1):61-78．

［20］ 張克新，潘少明，曹立國(guó)，王允，吳孟孟，趙一飛．橫斷山區(qū)季風(fēng)期水分盈虧量時(shí)空變化特征及其與若干氣候指數(shù)的相關(guān)性分析［J］．自然資源學(xué)報(bào)，2014，29(11):1869-1877．

［21］ 郭素榮．1960 －2010 年青海省氣候變化的時(shí)空特征分析［D］．蘭州:西北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012．

［22］ Huo Z L，Dai X Q，F(xiàn)eng S Y，Kang S Z，Huang G H．Effect of climate change on reference evapotranspiration and aridity index in arid region of China［J］．Journal of Hydrology，2013，492:24-34．

［23］ Zhang K X，Pan S M，Zhang W，Xu Y H，Cao L G，Hao Y P，Wang Y．Influence of climate change on reference evapotranspiration and aridity index and their temporal-spatial variations in the Yellow River Basin，China from 1961 to 2012［J］．Quaternary International，2015，380-381:75-82．

［24］ 王文玉，楊沈斌，張強(qiáng)，呂開(kāi)龍，孫翔宇，肖雯，胡勇．近50 年環(huán)青海湖高寒地區(qū)和環(huán)鄱陽(yáng)湖濕潤(rùn)地區(qū)潛在蒸散變化比較分析［J］．中國(guó)沙漠，2013，33(3):866-873．

［25］ 馬雪寧，張明軍，王圣杰，馬潛，潘淑坤．“蒸發(fā)悖論”在黃河流域的探討［J］．地理學(xué)報(bào)，2012，67(5):645-656．

［26］ 張彥龍，劉普幸，王允．基于干旱指數(shù)的寧夏干旱時(shí)空變化特征及其Morlet 小波分析［J］． 生態(tài)學(xué)雜志，2015，34(8):2373-2380．

［27］ 王英舜，賀俊杰．1961 －2010 年錫林浩特地區(qū)夏季降水量特征的小波分析［J］．草業(yè)科學(xué)，2014，31(11):2021-2025．

［28］ 李曉東，胡愛(ài)軍，祁棟林，李鳳霞，王力，劉吉宏． 近53 年青海省氣候變化與糧食產(chǎn)量及氣候生產(chǎn)潛力特征［J］． 草業(yè)科學(xué)，2015，32(7):1061-1068．