1960-2012年宁夏强干旱时空格局及影响因素分析

张耀宗,张　勃,刘艳艳,张多勇,周　丹

(1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070；2.陇东学院 庆阳市沙漠化防治研究中心， 甘肃 庆阳 745000)



1960-2012年宁夏强干旱时空格局及影响因素分析

张耀宗1,2,张勃1,刘艳艳2,张多勇2,周丹1

(1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070；2.陇东学院 庆阳市沙漠化防治研究中心， 甘肃 庆阳 745000)

摘要:利用宁夏19个气象站1960-2012年降水、气温月数据，使用干旱指标SPEI，定义了干旱强度指数，对近50年宁夏及其4个气候区强干旱时空格局及影响因素进行了分析。得出以下结论：1960-2012年宁夏及四个气候区SPEI-12气候倾向率均小于0，干旱化趋势明显，干旱气候区干旱趋势大于半干旱气候区大于半湿润气候区。通过干旱强度指标确认强的干旱事件与《中国气象灾害大典·宁夏卷》、《宁夏水资源公报》中的重大干旱事件能很好的对应，强干旱事件在空间上由1980年代之前的区域规模发展到全省规模且强度不断增强。近50年气候暖干化是强干旱增多的主要原因。ⅡC区、ⅡB强干旱事件主要受升温作用影响，ⅠB区受气温升高、降水减少共同影响，ⅠA区主要受降水减少的影响。ENSO与宁夏强干旱有很好的对应关系，EL Nino事件的影响超过LA Nina事件的影响，ⅡC区、ⅡB受ENSO事件影响小，EL Nino和LA Nina事件的交替发生对强干旱事件影响大。

关键词:宁夏；干旱强度；时空格局；SPEI；影响因素

干旱是一种全球普遍发生的气象灾害，会给人类社会产生严重的影响，致使作物减产，经济受损[1]。严重干旱往往造成生态环境恶化、饥荒、战乱、文明消失等灾难[2-3]。在全球背景下，近50年来全球极端干旱区域的面积增加了2倍以上，干旱发生的频率显著增加[4-6]。干旱灾害也是中国的主要灾害之一，《第二次气候变化国家评估报告》指出过去60年中国气象干旱面积以66%/10年增加，增加趋势明显[7-8]，大量研究表明我国北方地区干旱化正在加剧[9-10]，已知的干旱灾害已对中国产生了巨大的影响，尤其对农业影响大，平均每年受灾面积达50%以上，严重干旱年份达75%以上，据统计仅2000年因干旱粮食损失600×108kg，经济损失210亿元[1,11-12]。

张强等指出干旱灾害是影响制约西北地区社会经济发展和生态文明建设的重大自然灾害，随着全球变暖西北地区极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势，影响不断加剧[13]。干旱是宁夏发生次数最多，影响面积最广，危害最严重的气象灾害，宁夏素有“三年两头旱，五年一小旱，十年一大旱”的说法，干旱对农业生产、生态环境建设影响较大[14]。因此研究宁夏特大干旱发生的规律，对指导抗旱救灾，建立干旱预警体系有重要的意义。

王素艳等研究了Pa、K、SPI、PDSI、CI指数在宁夏的应用，认为CI和K指数效果较好，并对其进行了本地化订正[15-16]。李红英等用CI指数研究指出宁夏近30年来干旱日数和强度呈增加趋势，干旱致灾因子危险性从南到北呈增加趋势[17-18]，梁旭等对宁夏干旱成因进行了一定探讨，由于其物理因子多，复杂，干旱发生的机制、原因尚不十分不清楚[19]。SPEI是2010年新提出的干旱指标[20]，经过试验在中国各地有很好的适用性[21-25]。本文应用SPEI指数对宁夏强干旱事件的时空格局及其影响因素进行探讨。

1资料与方法

1.1　研究区概况

宁夏回族自治区位于中国西北地区东部(图1)，面积6.64×104km2，地势南高北低，平均海拔在1 000 m以上，为典型的大陆性气候，具有春多风沙、夏少酷暑、秋凉较早、冬寒较长、日照充足、蒸发强烈等特点，雨雪稀少，年平均降水量300 mm左右。根据文献把宁夏分为4个气候区进行讨论[26]，分别为中温带六盘高冷(固原南部)半湿润气候区(IA)、中温带南华(固原北部)同心、盐池半干旱气候区(IB)、中温带银南丘陵半干旱气候区(ⅡB)、中温带贺兰山东侧黄灌(平原)干旱气候区(ⅡC)，气候区界线见图1。

图1　研究区概况及气象站点分布图

1.2　数据

宁夏有10个国家基准气象站，分布稀疏，不能满足研究的需要，本文利用宁夏一般站气象数据把气象站的数量增加到19个，气象站点的分布如图1所示。10个国家基准气象站的数据来自于中国气象科学数据共享网(http://www.escience.gov. cn/metdata/page/ index. html)，还用到了9个农业气象站对数据进行了补充。宁夏干旱事件记录数据来源于《中国气象灾害大典·宁夏卷》[14]、《宁夏水资源公报》[29]，SST数据来自于NOAA网站。

对每一气象站点的数据进行检查和订正。首先，检查数据是否存在缺测值，对缺测值使用均值法和线形回归的方法进行插补。其次，检查数据是否存在异常值，如对降水的极大值、气温的极大值和极小值进行甄别，检查其是否合理。最后对数据的一致性进行检验，并进行均一化的处理[27]。由于台站搬迁、仪器更换等原因，一些数据序列存在断点。本文使用最大惩罚F检验和T检验的方法对数据的进行了一致性检验，并对照《宁夏气象台站简史》气象台站位置变迁的记录，对断点进行识别，对确定变化的站点进行均一化处理[28]。

1.3　研究方法

1.3.1标准化降水蒸散发指数(SPEI)

SPEI在SPI的基础上同时考虑了降水和蒸散发，计算过程如下[20,25]如示。

第一步计算潜在蒸散量(PET)。Vicente-Serrano推荐的是Thornthwaite方法：

(1)

式中：PET为潜在蒸散量；T为月平均温度；H为年热量指数。

第二步计算逐月降水量与蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi。

(2)

式中：Di为降水量与蒸散量的差值；Pi为月降水量；PETi为月蒸散量。

第三步采用3个参数的log-logistic概率分布对Di数据序列进行正态化，计算每个数值对应的SPEI指数：

3)针对航道通航能力的仿真研究。船舶交通流仿真是以离散事件仿真为基础而逐渐兴起的科学研究方法，当前，MATLAB[6]、ARENA[7]等软件的熟练应用为这一研究提供技术支持。仿真研究的关键在于仿真模型的设计与实现，其中船舶、船舶交通流的生成是要解决的主要问题，当前采用蒙特卡洛方法[6]和元胞自动机方法[8]相结合的方式来解决该问题。仿真方法的目标实现在于仿真结果的输出及结果分析，通常根据仿真输出参数对航道通航能力进行分析与评估。[6-9]

(3)

参数α、β、γ的计算如下：

(4)

(5)

γ=ω0-αΓ[1+1/β]Γ(1-1/β)。

(6)

式中：Γ为阶乘函数，ω0、ω1、ω2为数据序列Di的概率加权矩。

(7)

(8)

式中：N为参与计算的月份个数。

最后对累计概率密度进行标准化：

P=1-F(x)。

(9)

当累计概率P≤0.5时：

(10)

(11)

式中：常数c0，c1，c2，d1，d2，d3同SPI计算过程，c0= 2.516，c1= 0.802，c2= 0.010，d1=1.433，d2= 0.189，d3=0.001[20,25]。

干旱分类标准见表1。

表1　干旱等级划分表

1.3.2干旱强度的定义

(12)

式中：Qi代表干旱强度，i代表年内SPEI值小于零的月数，j代表气象站点数个数。在本文中Qi>0.4表示当年为强干旱年份，发生了强干旱事件。

1.3.3其他方法

本文在研究中SPEI-12的线形变化趋势使用了气候倾向率法，干旱强度的空间显示中使用Kring插值分析。

2结果与分析

2.1　 干旱趋势变化

图2分别为宁夏及其4个气候区SPEI时间序列图，由图2可以看出，宁夏及4个气候区变化趋势基本同步，干旱化趋势明显，1980年代以来SPEI-12值小于0的次数明显增多，说明发生干旱的次数增多，近53年SPEI值连续小于0时间段有10~12个，从1960-2012年每个小于0时间段

持续时间明显变长，尤其是1995年以来，表明宁夏干旱化趋势不断增强。用线性趋势法分析了宁夏及4个气候区SPEI-12的气候倾向率，宁夏及4个气候区SPEI-12的气候倾向率分别为-0.27spei/10年，-0.29spei/10年(ⅡC)，-0.26spei/10年(ⅡB)，-0.24spei/10年(ⅠB)，-0.23spei/10年(ⅠA)，均达到0.01的显著性水平，分析可知近53年来SPEI-12的气候倾向率均小于0，表明宁夏干旱化趋势明显，王素艳等和李红英等也得出了相似的结论[15-18]。气候倾向率绝对值ⅡC>ⅡB>ⅠB>ⅠA，说明宁夏干旱气候区的干旱趋势大于半干旱气候区大于半湿润气候区。

图2　1960-2012年宁夏及4个气候区SPEI变化图

图3　宁夏及4个气候区干旱强度变化

2.2　干旱强度时间变化过程

宁夏干旱发生次数多，频率高，强干旱事件对宁夏农业生产，水资源供给，生态环境及社会经济生活影响巨大[14]。

本文使用前文定义的干旱强度指数来表示干旱强度大小。从图3a分析整个宁夏地区干旱强度指数高值有8个时间段，1962、1965、1979-1982、1986-1987、1991、1994-1995、1997-2002、2004-2009，这8个时间段出现强干旱事件，分析可知1980年代之前强干旱持续时间短，强度小，强度值不超过0.5，1980年代之后强干旱事件发生频繁，最强年2008年达到0.85。图3b所示，ⅡC区强干旱有5个阶段，1981年左右、1991、1994、1998-2002，2004-2009，干旱强度指数最高在2005年；ⅡB区有6个时间段，1980-1982，1987，1991，1994，1997-2002，2004-2009，干旱强度指数最高的年份为2008年；ⅠB区干旱强度指数高值有9个时间段1962-1963、1965、1972-1973、1980-1982、1986-1987、

1991-1992、1994-1995、1997-2000、2004-2009，干旱强度指数最高的年份为2008年；ⅠA区和其他3个气候区的变化差异较大，强干旱年份出现在1960、1962-1963、1971、1973、1991-1992、1995、1997-1999、2000-2001、2004-2009年，干旱指数值最高年份在1998年。

通过分析宁夏及各气候区1995年以来干旱强度指数高值持续出现，且指数不断升高。1962-1963、1965-1966、1972-1973、1980-1983年、1991、1994-1995、1997-2000、2001-2002、2004-2006、2008-2009年宁夏及4个气候区出现强干旱事件。《中国气象灾害大典·宁夏卷》[14]记录了2000年之前的干旱事件，大旱年份有1962、1965、1969、1971、1972、1973、1982、1983、1987、1991、1994、1995、1997、1998年、1999、2000年，见表2。除ⅡC和ⅡB两区1980年代之前的强干旱不能和宁夏干旱历史记录对应外，ⅡC和ⅡB 区1980年以来及ⅠB和ⅠA区的强干旱事件都能和历史记录相对应。2000年以后的干旱记录参考了《宁夏水资源公报》[29]中的水旱灾害记录，2006年，2008年宁夏发生严重干旱，和本文得出的结果能很好对应。

表2　宁夏大旱发生历史记录

注：2000年之前资料整理自文献[14]，2004-2009年资料来自文献[29]

2.3　干旱特征的空间变化过程

通过干旱强度的时间特征分析选取以下11个强干旱发生的时间段进行强干事件空间格局分析，年份为：1962-1963，1965-1966，1972-1973，1982年，1986-1987年，1991，1994-1995年，1997-1999年，2000-2002，2004-2006年，2008-2009年，为了更好表现强干旱事件的空间变化过程，对11个典型强干旱年份的强度值进行Kring空间插值显示。

图4分别为11个强干旱年份干旱强度值的空间分布图。分析图4可知1962-1963年强干旱发生在IA及固原南部地区；1965-1966强干旱事件出现在IA与IB区及ⅡC区北部；1972-1973年强干旱事件主要在IB区及IA区，1981-1982年除六盘山，ⅡC区北部平罗未发生强干旱外其他地区均发生强干旱；1986-1987年强干旱发生在IA与IB区及ⅡB南部区域；1991年除同心，惠农外其他区域均出现强干旱，1991年之后强干旱的发生扩展到全省；1994-1995年干旱最严重的为ⅡB及ⅠB区；1998-1999年全省境内干旱强度在0.6~0.7之间；2000-2002强干旱高值在ⅡC 与ⅡB 区；2004-2006年大部地区干旱强度超过1.5，ⅡC，ⅡB区干旱强度最大；2008-2009年除宁南山地部分地区干旱强度小于0.7之外其他均大于0.7。

通过分析近50年来强干旱在空间上由区域向

全省扩展，强度不断增强。1970年代中期之前主要发生在IA区及IB区南部，到1980年代发生强干旱的范围已扩展到全省，但不稳定，1991之后的历次强干旱均为全省规模，且强度逐步增强，干旱强度值2008-2009年达到最大，最高值出现在ⅡC，ⅡB区。

2.4　宁夏强干旱事件影响因素分析

2.4.1气温、降水对强干旱事件影响

由以上分析可知1960-2012年以来宁夏强干旱发生的次数和强度都在增加，其发生的原因与气候变化存在着必然的联系。分析宁夏及四个气候区的气温距平、降水距平百分率、累计距平、气候倾向率发现，近50年来宁夏气温以0.28 ℃/10年的速率上升，达到了0.01的显著性水平；降水以5 mm/10年的速率减少。4个气候区气温的气候倾向率分别为0.43 ℃/10年、0.37 ℃/10年、0.23 ℃/10年、-0.05 ℃/10年；降水的气候倾向率分别为-2.9 mm/10年、-6.4 mm/10年、-16.7 mm/10年、-14.7 mm/10年，升温趋势明显，通过了0.01的显著性水平，可见宁夏气候总体上为暖干化趋势，这和李艳春、郑光芬、陈晓光等人的研究结论一致[30-33]，Ⅰ区现出冷干的趋势，但降温趋势不显著。宁夏及ⅡC区、ⅡB区、ⅠB区气温突变年份为1986年，ⅠA区无明显的突变点，但在1972年和1996年出现两次气温的跃升，郑光芬，陈晓光等也证明宁夏气温1986年发生突变，之后增加显著，1980年代之后降水明显减少，宁夏南部山区和整个宁夏变化不同步，这和本文的研究结果相一致[30,33]。宁夏的干旱化趋势和宁夏气候变化趋势是一致的，气候的整体暖干化趋势是强干旱持续增强的原因。

图4　典型年份干旱强度值分布图

年份ⅡC区ⅡBⅠBIA气温距平/℃降水距平百分率/%气温距平/℃降水距平百分率/%气温距平/℃降水距平百分率%气温距平/℃降水距平百分率%1962-1.06-13-0.910-0.3001.37-11963-0.69-15-0.52-15-0.06-61.29-191965-0.71-38-0.42-280.10-21.48-141972-0.35-29-0.48-10-0.21-29-0.23-121973-0.01590.0770.46210.45141980-0.32-49-0.12-45-0.25-15-0.2031981-0.12-37-0.26-8-0.354-0.281519820.23-410.27-450.04-37-0.17-291986-0.58-27-0.39-21-0.33-19-0.26-1719870.75-31.05-280.90-260.77-919940.73-140.6790.5950.48-51995-0.0128-0.04250.27110.19-2019981.66141.48251.2411.34-119991.41-91.1800.74-140.89-720050.68-530.46-510.53-130.021020061.78111.61-261.51-161.07-1420080.78130.25-250.33-190.53-1920091.53-11.22-220.99-261.07-17

注：颜色加深表示该年份发生强干旱

表3所示为各气候区发生强干旱年份气温距平和降水距平百分率的统计。ⅡC区1986年之前只有1982年气温距平大于0，1987年之后气温上升迅速，2006年气温距平1.78 ℃，1986年之后14个年份降水距平百分率大于0，ⅡC区发生强干旱的9个年份中6个年份降水距平百分率小于0，3个年份气温距平小于0，1980年降水距平百分率达-49%，分析可知气温升高对IIC区强干旱事件影响较大；ⅡB区发生强旱的10个典型年份中，8个年份降水距平百分率<0，最小值在2005年值为-51%，气温距平为0.46 ℃，最大值在1998年降水距平百分率为25%，气温距平1.46 ℃，可见升温对ⅡB区强干旱事件影响较大，分析可知ⅡC区与ⅡB区1980s之前无强干旱事件，主要原因是1980s之前气温相对较低。

ⅠB区发生强干旱的17个年份中，降水距平百分率小于0有12个年份，降水距平百分率最小值1982年，值为-37%，气温距平0.04 ℃，降水距平百分率最大值1973年，气温距平为0.46 ℃。ⅠA区发生强干旱事件的年份降水距平百分率均小于0，降水小于3%即可造成强干旱，降水对ⅠA强干旱事件影响较大。

2.4.2ENSO事件与宁夏强干旱事件分析

ENSO是强的气候变化信号，对西太平洋副高、东南季风和西南季风有显著影响[34]，进而影响中国降水、气温等气候要素，并对台风数和登陆台风数产生影响[35]，导致中国气候异常，厄尔尼诺年中国东部降水普遍偏少，次年中国东部长江以南降水普遍增多，同时ENSO与东北地区冷夏关系显著[35]。信忠保等指出ENSO对宁夏不同季节降水的影响差异较大，ELNino发生4个月后，夏、秋、冬三个季节降水都偏多，但春季降水会减少，宁夏年降水偏少28 mm，占常年降水量的10%，而LA Nina发生期间，年降水偏多24 mm，占年降水量9%，降水的变化势必导致旱涝的变化，ENSO对宁夏地区强干旱事件的影响是显而易见的[36]。表4为厄尔尼诺和拉尼娜发生的年份与宁夏4个气候区强干旱的对照表。分析可知，ⅡC区、ⅡB区干旱发生的年份与ENSO无很好的对应关系，表明这两个区域强干旱事件受ENSO影响小；ⅠB、ⅠA与ENSO事件有很好的对应关系，ELNino和强干旱事件的对应关系较好。ELNino和LA Nina事件的接连发生，对强干旱的影响大，尤其是2004年以来ELNino和LA Nina事件的交替出现对强干旱的发生有很大的促进作用。

表4　ENSO事件与4个气候区强干旱事件对照表

注：表中暖时间和冷事件的时间参考了文献[23，36]。

3结论

(1)1960-2012年以来宁夏及其4个气候区干旱化趋势明显，SPEI-12气候倾向率均小于0，且通过显著性检验，气候倾向率绝对值ⅡC>ⅡB>ⅠB>ⅠA，表明干旱气候区的干旱趋势大于半干旱气候区大于半湿润气候区。

(2)通过干旱强度指数确认强干旱年份有：1962、1965、1972-1973、1982-1983、1986-1987、1991、1994-1995、1997-2002、2004-2009年。与《中国气象灾害大典·宁夏卷》、《宁夏水资源公报》中的重大干旱事件能很好地对应，强干旱事件由1980年代之前的区域规模发展到全省规模且强度不断增加。

(3)近50年来宁夏气候向暖干化方向发展，尤其1986年以来增温显著，气候暖干化是宁夏近50年来强干旱增多的主要原因。不同气候区强干旱事件对气温、降水变化的敏感性存在差异，ⅡC区、ⅡB强干旱事件主要受升温影响，ⅠB受气温升高、降水减少共同影响，ⅠA区主要受降水减少影响。

(4)ENSO对宁夏气候有显著的影响，ENSO与宁夏的强干旱事件有很好的对应关系，ELNino事件的影响超过LA Nina事件的影响，ⅡC、ⅡB区受ENSO事件影响小，ELNino和LA Nina交替发生对强干旱事件影响大。

4讨论

本文在研究的过程中对数据进行了均一化检验和订正，提高了数据的质量和精度。使用SPEI对宁夏1960-2013年的干旱趋势，强干旱事件进行了分析研究，近50年来宁夏干旱趋势明显增强，强干旱事件增多，这和多位学者研究得出的西北地区、华北地区、和北方干旱变化的整体趋势是一致的[9-10,20-25,37]，说明宁夏干旱化是在北方地区干旱化的大背景下发生的，但宁夏不同气候区干旱变化的趋势有差异，主要表现为南部湿润气候区和其他干旱半干旱区的差异，主要原因可能为南部山区干旱的致灾因子相对较小[17,38]。本文检测到的宁夏强干旱事件能和历史记录中的严重干旱事件很好地对应，说明应用SPEI监测宁夏干旱，尤其是强干旱事件有很好的适用性，由于SPEI本身的最小研究尺度到月，不能更加细微地刻画宁夏强干旱的发生过程，需要在以后的研究中不断改进。影响干旱的物理机制复杂，其发生的物理过程目前尚不十分清楚，本文仅从降水和温度的变化分析了宁夏发生强干旱的原因，对比了ENSO事件和宁夏的强干旱事件，发现有很好的一致性，但存在区域差异，在今后的研究工作中需要对强干旱发生的机制，强干旱的风险评估和防范措施进行更进一步的研究[39]。

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Spatial and Temporal Pattern of Strong Drought and Its Influence Factors in Ningxia from 1960-2012

Zhang Yaozong1, 2, Zhang Bo1, Liu Yanyan2, Zhang Duoyong2and Zhou Dan1

(1.CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China;

2.QingyangCentrefortheManagementandCombatofDesertification,LongdongUniversity,

Qingyang745000,China)

Abstract:Based on data of monthly rainfall and temperature of 19 weather stations in Ningxia from 1960 to 2012, we use the SPEI to detect the drought trend. Spatial and temporal pattern of strong drought and the influenced factors in Ningxia and its 4 climate zone are analyzed and the following conclusions are got: the climate tendency rate of SPEI-12 was less than 0. It showed that drought trend were obvious in Ningxia and its 4 climate zone from 1960-2012. The drought trend in arid zones was more obvious than semi-arid climate zone which was more obvious than in semi humid climate zone. The strong drought years confirmed by intensity indicators had a good correspondence with strong drought events noted by Ningxia Disaster Bulletin and Ningxia Water Resources Bulletin. Strong drought area was from regional scale to the scale of province from 1980s. Warming and drying climate was the main reason for the increased strong drought. Strong drought events were mainly influenced by temperature increased in ⅡC and ⅡB Zone,ⅠB zone was influenced by temperature rising and precipitation decrease,ⅠA was mainly affected by precipitation reduction. The corresponding relationship between ENSO and strong drought was well, effect of EL Nino events was over effect of LA Nina events,ⅡB and ⅡC zone was no significantly influenced by ENSO events, EL Nino and LA Nina events occurred alternately had important influence on strong drought events.

Key words:Ningxia; drought intensity; spatial and temporal pattern; SPEI; influenced factors

通讯作者：张勃(1963-)，男，甘肃华池县人，教授，博士生导师，主要从事区域环境与资源开发研究. E-mail：zhangbo@nwnu.edu.cn

作者简介：张耀宗(1982-)，男，甘肃华池县人，博士研究生，讲师，主要从事气候变化与地表过程研究. E-mail:yaozongzhang@163.com

基金项目：高校博士学科点专项科研 (20136203110002)；国家自然科学基金资助项目(31460090)；生态经济学省级重点学科(5002-021)；国家社科基金一般项目(13BZS084)；陇东学院青年科技创新项目(XYSK1501)

收稿日期：2015-05-21修回日期：2015-07-20

中图分类号：X43;P429

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)01-0120-08

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.023