中国北方气候干湿变化及干旱演变特征

胡子瑛,周俊菊,张利利,魏　伟,曹建军

西北师范大学地理与环境科学学院,兰州　730070

IPCC第五次评估报告指出气候变暖是毋庸置疑的事实,20世纪50年代以来大气变暖、海平面上升和温室气体增加等的速度是几十年乃至上千年的时间里前所未有的,全球变暖改变了全球水循环,高温、干旱和暴雨洪涝等极端气候事件发生频率与强度呈加剧趋势[1- 2]。据统计,全球每年因干旱造成的经济损失远远超过了其他自然灾害所造成的损失。干旱是区域范围内因长期无降水或降水异常偏少而造成空气干燥土壤缺水甚至干涸的现象,是气候灾害中最主要的灾害之一,它具有出现频率高、持续时间长、波及范围广、后延影响大的特点[3]。干旱的频繁发生不仅给国民经济,特别是农业生产带来巨大损失,还会造成水资源短缺、沙尘暴增加、荒漠化加剧等诸多不利的生态影响[3- 4]。对干旱进行及时监测、分析和评估十分必要[5]。干旱指数是开展干旱监测、评估干旱风险的基本依据,也是研究干旱演变特征的有效工具[6- 7]。根据建立途径的不同可以把干旱指数大致归纳为两类[8],其中,通过气象学方法研究降水量的统计分布规律[3]的方法具有计算简单、指标不涉及具体的干旱机理、适应性较强的特点[8],其代表性指标是McKee等[9]提出的标准化降水指标(SPI,Standardized Precipitation Index)。它比帕尔默干旱指数(PDSI,Palmer Drought Severity Index)更具有统计上的一致性[10],对干旱变化反映敏感[3],并能有效消除降水的时空分布差异[11],可以更好地表现出干旱的地区差异性[10],因而得到广泛应用[3,8,12- 17]。

中国北方地区干旱频发[18],干旱已成为西部开发、东北商品粮基地和华北能源基地建设的一个主要障碍,给人民的生产生活造成了严重的影响[19- 20]。因此,北方地区干旱化问题一直是学术界关注的焦点[18]。虽然相关研究[13,18,21-27]应用不同干旱指数对中国北方不同地区干旱化趋势进行了分析,并取得一系列有意义的成果,但截至目前,应用标准化降水指数,基于不同气候干湿带,探讨中国北方地区气候干湿变化及其空间差异特征的研究还鲜有报道。北方地区地域广阔,气候类型多样,降水量时空分布差异大,而SPI指数能有效消除降水的时空分布差异,从而更好地表现出干旱的地区差异性。因此,本文选取SPI指数对中国北方地区及四大干湿区近55年气候干湿变化过程进行分析,揭示北方地区气候干湿变化规律及不同干湿区气候干湿变化的空间异质性和内在关联性特征。以期为北方地区干旱监测、预警和防灾减灾工作提供科学依据；为全球变化背景下,气候干湿区的重新厘定提供参考。

1　研究区概况

如图1所示,中国北方十五个省(区、市),包括东北(黑龙江省、吉林省、辽宁省)、华北(北京市、天津市、河北省、山西省、山东省、河南省、内蒙古自治区)、西北(陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区)[28]。据《中国统计年鉴(2016)》记载,中国北方地区总面积约577.27万km2,人口约5.76亿,地区生产总值约297242亿元,耕地面积约80.5万km2,约占我国耕地总面积的60%,2015年农作物受灾面积约13.9万km2,其中旱灾受灾面积约9.4万km2,约占全国旱灾受灾面积的89%。地跨湿润、半湿润、半干旱、干旱四大气候干湿区,干湿区划分依据为多年平均降水量(大于800mm为湿润区、400—800mm为半湿润区、200—400mm为半干旱区、小于200mm为干旱区)。

图1　研究区Fig.1　The study area

2　数据来源与研究方法

2.1　数据来源与处理

1960—2014年中国北方地区450个气象站点逐月降水资料均来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)。为了保证数据的完整性,剔除其中缺测较多的站,选用其中320个站点55a的逐月气象观测资料,对个别月份有缺测值的21个气象站点,采用缺测站其余54a相同月份降水量的均值代替缺测值。

2.2　研究方法

2.2.1标准化降水指数SPI及旱涝等级的划分

降水分布是一种偏态分布,而不是正态分布,所以在降水分析和干旱评估中,采用伽玛分布概率来描述降水量的变化,再经正态标准化后得到SPI值[13]。3月尺度SPI可以反映短期气象旱涝特征,与农业干旱关系密切；12月尺度SPI可标识长期旱涝影响及持续时段,通常与河流水位,水库水位,甚至地下水位相关度较高[3,29- 30]。因此,本文选取3月和12月尺度SPI进行气候干湿变化分析。季节划分为：春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12—次年2月。取每季最后1月的SPI3值、每年最后一个月的SPI12值作为季节和年的SPI值。

根据相关研究[9,31],结合北方地区实际情况,对SPI旱涝等级进行划分(表1)。

表1　SPI旱涝等级

2.2.2干旱评价指标

为了更加定量化地反映较大范围内的区域干旱发生程度,引入干旱站次比和干旱强度作为干旱评价指标[32]。

(1)干旱站次比(Pj)：用某一区域内发生干旱站数占全部站数的比例来评价干旱范围的大小和严重程度,计算公式为：

Pj=mj/M×100%

(1)

式中：M代表研究区气象站总数；j指代不同年份；mj为j年发生干旱的站数。当Pj≥50%时,研究区域内有一半以上的站发生干旱,为全域性干旱；当50%>Pj≥33%时为区域性干旱；当33%>Pj≥25%时为部分区域性干旱；当25%>Pj≥10%时为局域性干旱；当Pj<10%时为无明显干旱发生。

(2)干旱强度(Sj)：用于评价干旱的严重程度,单站某时段内的干旱强度可由SPI值反映,SPI绝对值越大,表示干旱越严重。计算公式为：

(2)

式中：i指不同站点代号,j指代不同年份,m为j年发生干旱的站数,SPIi为发生干旱的i站SPI值。由旱涝等级可知：当Sj<0.5时干旱强度不明显；1>Sj≥0.5时为轻度干旱；1.5>Sj≥1时为中度干旱；Sj≥1.5时为重度干旱。

3　北方地区气候干湿及年际干旱变化特征

3.1　年际干湿及年际干旱变化特征

3.1.1年际干湿变化特征

图2　1960—2014年北方地区年SPI变化　Fig.2　Evolution of annual SPI in northern China from 1960 to 2014SPI指标准化降水指数

由图2可知,1960—2014年北方地区年SPI在波动中减少,其变化倾向率为-0.051/10a,呈干旱化趋势。干旱年和湿润年分别为15a和17a,重度及以上旱涝年份分别为4a(1997、1999、2001和1965年)、2a(1964年和1998年)。其中,1964年和1997年的SPI值分别为3.09和-2.26,分别属特涝和特旱年份。据《新中国五十年统计资料汇编(1949—1999)》、《中国统计年鉴(2002)》记载,1964、1998年中国涝灾的受灾面积和成灾面积分别为14.9万km2、10万km2；22.3万km2、13.8万km2,均高于一般年份,1965、1997、1999、2001年中国旱灾的受灾面积和成灾面积分别为13.6万km2、8.1万km2；33.5万km2、20.3万km2；30.2万km2、16.7万km2；38.5万km2、23.7万km2,均高于一般年份。说明基于年降水量的SPI能够较准确地监测到旱涝发生的年份。

从年代际SPI值来看,1960s的SPI为正值,有6a为湿润年,1970s正常年份长达7a,其余3a旱涝程度较轻,1980s、1990s和2000s的SPI均为负值,发生干旱的年份和程度大于洪涝,为干旱期。其中1960s为最湿润年代,2000s为最干旱年代。1960s—2000s的标准差分别为1.27、0.54、0.80、1.23、0.96,1960s干湿波动最剧烈,其次为1990s,1970s干湿波动最平缓。马柱国、符淙斌[18,27]、李维京[21]、王志伟[23]、王素萍[25]等人运用不同方法均得出北方地区呈干旱化发展趋势,与本文结论较为一致。相关研究表明大气环流异常是导致降水异常、干旱频发的直接原因[33],而在2003—2005年,东亚季风发生了由弱到强的年代际变化[34],使得近10年来中国北方地区干旱化状况有所缓解。2010—2014年SPI均值为0.63,干旱化趋势有所减缓。

3.1.2年际干旱变化特征

图3　1960—2014年北方地区干旱站次比、干旱强度变化　Fig.3　Drought stations proportion and drought intensity in northern China from 1960 to 2014

从图3可以看出,北方地区年际干旱站次比和干旱强度在同步波动中均呈下降趋势。①发生全域性干旱的有5a,发生区域性干旱的有13a,发生部分区域性干旱和局域性干旱的均有18a,有1a无明显干旱发生。其中,站次比在1997年达到最大值65.31%,与北方地区年SPI值最小的年份一致,其次,是1965年62.81%,1998年年际干旱站次比降至最小值9.06%,与北方地区年SPI值次大的年份一致。②干旱强度下降幅度较小,13a为轻度干旱,42a为中度干旱。其中,干旱强度在1965年达到最大值1.37,为北方地区重度干旱年份,1998年年际干旱强度降至最小值0.82,与北方地区年SPI值次大的年份一致。综上所述,近55年来北方地区以部分区域性干旱和局域性干旱为主,中度干旱发生的频率最高。干旱站次比较高的年份,亦是干旱强度较大的年份。

3.2　季节干湿变化特征

由图4可知,1960—2014年北方地区春季和冬季呈湿润化趋势,冬季湿润化趋势最明显,其SPI变化倾向率为0.193/10a；夏季和秋季呈干旱化趋势,夏季干旱化趋势最显著,其SPI变化倾向率为-0.1/10a。北方地区干旱化的主要贡献者是夏季,其次为秋季。①春季,干旱年和湿润年均为19a,重度及以上旱涝年份分别为2a和4a；②夏季,干旱年和湿润年分别为17a和19a,重度及以上旱涝年份分别为5a和3a；③秋季,干旱年和湿润年分别为16a和18a,重度及以上旱涝年份分别为4a和3a；④冬季,干旱年和湿润年分别为17a和21a,重度及以上旱涝年份分别为5a和1a。

图4　1960—2014年北方地区四季SPI变化Fig.4　Change of different seasons SPI in northern China from 1960 to 2014

不同年份的旱涝与季节旱涝之间的关系存在差异(表2)。 1964年特涝主要由该年春季和夏季特涝所致,1998年的重涝主要由该年春季特涝和夏季重涝所致；1965年的重旱主要由该年的秋季重旱所致,1997年的特旱主要由该年夏季特旱和秋季重旱所致,1999年的特旱主要由该年夏季特旱所致,2001年的重旱主要由该年的春季特旱所致。综上所述,典型洪涝年的发生主要是由该年春季和夏季降水偏多所致,而典型干旱年的发生与该年度夏季和秋季降水偏少联系密切。相关分析表明：北方地区年SPI值与夏季SPI值相关系数为0.863(通过0.001显著性水平的检验),为四季中最大。因此,北方地区夏季降水对年干湿状况的变化起到决定性的作用。

表2　年和季节特旱(涝)和重旱(涝)年份对照表

4　不同干湿区气候干湿及年际干旱变化特征

4.1　年际干湿及年际干旱变化特征

4.1.1年际干湿变化特征

(1)干湿变化整体特征

图5　1960—2014年不同干湿区年SPI变化Fig.5　Evolution of annual SPI in different dry and wet areas from 1960 to 2014

由图5可以看出,北方地区不同干湿区干湿变化趋势差异显著,湿润区和半湿润区均呈干旱化趋势,半湿润区最为明显,其年SPI变化倾向率为-0.108/10a(通过0.001显著性水平的检验)；而干旱区和半干旱区均呈现湿润化趋势,干旱区最为显著,其年SPI变化倾向率为0.309/10a(通过0.001显著性水平的检验)。①湿润区,重度及以上旱涝年份分别为5a和3a,其中,2001年SPI值为-2.04,为特旱年份,1964年SPI值为2.89,为特涝年份；1960s干旱年和湿润年分别为2a和4a,为最湿润年代,1990s干旱年和湿润年分别为5a和3a,为最干旱年代；②半湿润区,重度及以上旱涝年份分别为4a和1a,其中,1999年SPI值为-2.19,为特旱年份,1964年SPI值为3.08,为特涝年份；1960s—2000s一直在变干,1960s的干旱年和湿润年分别为2a和5a,为最湿润年代,2000s干旱年和湿润年分别为4a和1a,为最干旱年代；③半干旱区,重度及以上旱涝年份分别为2a和5a,其中,1965年SPI值为-2.66,为特旱年份,1998年SPI值为2.12,为特涝年份；2000s干旱年和湿润年分别为5a和2a,为最干旱年代,1990s干旱年和湿润年分别为2a和4a,为最湿润年代；④干旱区,重度及以上旱涝年份分别为4a和3a,其中,1962年SPI值为-2.18,为特旱年份,2010年SPI值为2.49,为特涝年份；1960s—2000s一直在变湿,1960s干旱年和湿润年分别为4a和1a,为最干旱年代,2000s干旱年和湿润年分别为0a和5a,为最湿润年代,从1980s末开始,干旱区已进入典型的湿润期。

马柱国等的相关研究[18,26- 27]表明我国北方干湿变化呈东西反向型：大致以100°E为界,以东地区呈干旱化趋势,尤以西北地区东部、华北和东北中南部最为明显；以西地区呈湿润化趋势,西北地区西部最为明显,这与本研究中干旱区湿润化趋势显著以及半湿润区干旱化趋势明显的结论基本一致。相关研究[18,27,35]亦表明华北从1970s以来干旱严重,而西北自1980s中期以来出现变湿趋势的原因可能与1970s中期至21世纪初东亚夏季风明显减弱有关。

(2)不同干湿区干湿变化相关性分析

从图6年SPI 5a滑动平均可以看出：①湿润区与半湿润区、半湿润区和半干旱区年SPI 5a滑动平均值均呈同步波动变化趋势,其中,湿润区与半湿润区年SPI 5a滑动平均值的相关系数为0.673(通过0.01显著性水平的检验)(图6a),半湿润区和半干旱区年SPI 5a滑动平均值的相关系数为0.387(通过0.01显著性水平的检验)(图6b)；②湿润区和干旱区、半湿润区和干旱区年SPI 5a滑动平均值均呈反向波动变化趋势,其中,湿润区和干旱区年SPI 5a滑动平均值的相关系数为-0.286(通过0.05显著性水平的检验)(图6c),半湿润区和干旱区年SPI 5a滑动平均值的相关系数为-0.335(通过0.05显著性水平的检验)(图6d)。与此同时,湿润区和半干旱区年SPI 5a滑动平均值的相关系数为-0.133(0.05和0.01显著性水平的检验均未通过),半干旱区和干旱区年SPI 5a滑动平均值的相关系数为0.068(0.05和0.01显著性水平的检验均未通过)。综上所述,中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区以及处于季风区和非季风区分界线两侧的半湿润区和半干旱区气候干湿变化均呈显著同步波动变化趋势,而中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区与中国北方西部非季风区的干旱区气候干湿变化呈显著反向波动变化趋势。此规律是否存在于中国更大区域范围,有待于进一步深入研究。

图6　不同干湿区年SPI 5a滑动平均波动过程图Fig.6　Evolution of annual SPI 5 year moving average in different dry and wet areas

4.1.2年际干旱变化特征

从图7可以看出,湿润区和半湿润区年际干旱站次比和干旱强度均呈增加趋势,而半干旱区和干旱区年际干旱站次比和干旱强度均呈减少趋势。①湿润区,干旱站次比有较明显的增加趋势,其变化倾向率为2%/10a,平均值为32.83%。55年中有18a发生区域性干旱,以区域性干旱为主(表3)；干旱强度亦呈增加趋势,其变化倾向率为0.0147/10a,平均值为0.88,1960—2014年有27a为轻度干旱,以轻度干旱为主；②半湿润区,干旱站次比有较为明显的增加趋势,其变化倾向率为1.79%/10a,平均值为31.41%。有18a发生局域性干旱,以局域性干旱为主(表3)；干旱强度亦呈增加趋势,其变化倾向率为0.0135/10a,平均值为1.08。有36a为中度干旱,以中度干旱为主；③半干旱区,干旱站次比有微弱的下降趋势,其变化倾向率为-0.08%/10a,平均值为31.11%,有18a发生局域性干旱,以局域性干旱为主(表3)；干旱强度亦呈微弱的下降趋势,其变化倾向率为-0.0018/10a,平均值为1.05,有33a发生中度干旱,以中度干旱为主；④干旱区,干旱站次比有明显的下降趋势(通过0.05显著性水平的检验),其变化倾向率为-4.76%/10a。平均值为31.28%,有15a发生局域性干旱,以局域性干旱为主(表3)；干旱强度亦呈显著的下降趋势(通过0.01显著性水平的检验),其变化倾向率为-0.0425/10a,平均值为1.07,有33a为中度干旱,以中度干旱为主。

图7　1960—2014年不同干湿区干旱站次比、干旱强度变化Fig.7　Drought stations proportion and drought intensity in different dry and wet areas from 1960 to 2014

干旱站次比Droughtstationsproportion湿润区Humidarea半湿润区Semi-humidarea半干旱区Semi-aridarea干旱区Aridarea全域性干旱Universaldrought1210138区域性干旱Regionaldrought18111012部分区域性干旱Partlyregionaldrought112814局域性干旱Localdrought12181815无明显干旱Unconspicuousdrought12466

相关研究表明,我国东北[36]、华北[37- 38]等地年际干旱站次比和干旱强度均呈增加趋势,新疆[39]、内蒙古西部[40- 41]等地年际干旱站次比和干旱强度均呈减少趋势。与本研究中年际干旱站次比和干旱强度在湿润区和半湿润区增加,而在干旱区和半干旱区减少的结论基本一致。

4.2　季节干湿变化特征

4.2.1干湿变化整体特征

图8　1960—2014年不同干湿区四季SPI倾向率　Fig.8　Tendency rate of different seasons SPI in different dry and wet areas from 1960 to 2014

从图8可以看出,不同干湿区不同季节干湿变化情况存在较大差别。①湿润区,除冬季SPI呈增加趋势外,其他3个季节SPI均呈减少趋势,其中,秋季减少速度最快,干旱化趋势最明显；冬季易发生重旱及特旱(6a),春季易发生重涝及特涝(5a)；②半湿润区,夏季和秋季SPI呈减少趋势,而春季和冬季SPI呈增加趋势,冬季湿润化趋势明显；夏季易发生重旱及特旱(6a),春季易发生重涝及特涝(5a)；③半干旱区,除夏季SPI呈减少趋势外,其他3个季节SPI均呈增加趋势,冬季湿润化趋势最明显；冬季易发生重旱及特旱(5a),春季易发重涝及特涝(6a)；④干旱区,4个季节均呈湿润化趋势,其中,冬季的湿润化最为显著(通过0.001显著性水平的检验)；夏季易发生重旱及特旱(5a),春夏均易发生重涝及特涝(均为5a)。不同干湿区均在夏冬两季易发生重旱及特旱,在春季易发生重涝及特涝。

从表4可以看出,湿润区、半湿润区和半干旱区极端湿润年份均与该年春季和夏季降水偏多关系密切,而干旱区极端湿润年份却主要由该年春季和秋季降水偏多所致；湿润区极端干旱年份主要由该年春旱和秋旱所致,而半湿润、半干旱区和干旱区极端干旱年份均由该年夏旱所致。

4.2.2不同干湿区季节干湿变化相关性分析

(1)春季干湿变化相关性分析

从表5可以看出,春季,除湿润区与干旱区干湿变化正相关不显著(未通过任何显著性水平的检验)之外,其他各干湿区之间均存在显著正相关关系(均通过0.05显著性水平的检验),说明我国北方四大干湿区春季干湿旱涝变化具有较好的同步一致性。

(2)夏季干湿变化相关性分析

从表6可以看出,夏季,湿润区与半湿润区、半湿润区与半干旱区SPI存在显著正相关关系(均通过0.01显著性水平的检验),湿润区与干旱区、半湿润区与干旱区SPI存在显著负相关关系(均通过0.01显著性水平的检验),说明湿润区与半湿润区、半湿润区与半干旱区夏季干湿变化具有同步一致性,而湿润区与干旱区、半湿润区与干旱区夏季干湿变化具有明显的反向波动特征,该规律与北方不同干湿区年SPI 5a滑动平均的相关关系非常一致。

表4　不同干湿区特旱(涝)年份的年和季节旱涝等级对照表

表5　不同干湿区春季SPI 5a滑动平均相关系数

*代表通过了0.05的显著性水平检验；**代表通过了0.01的显著性水平检验

表6　不同干湿区夏季SPI 5a滑动平均相关系数

*代表通过了0.05的水平检验；**代表通过了0.01的显著性水平检验

(3)秋季干湿变化相关性分析

从表7可以看出,秋季,湿润区与半湿润区、半湿润区与半干旱区、半干旱区与干旱区SPI具有显著正相关关系(均通过0.01显著性水平的检验),而其他任何两个干湿区之间SPI的相关性均不显著,说明相邻干湿区之间秋季干湿变化具有同步一致性,而非相邻干湿区之间在秋季干湿变化过程中相关性较弱。

表7　不同干湿区秋季SPI 5a滑动平均相关系数

*代表通过了0.05的显著性水平检验；**代表通过了0.01的显著性水平检验

(4)冬季干湿变化相关性分析

从表8可以看出,任何两个干湿区之间SPI均存在显著正相关关系(均通过0.01显著性水平的检验),说明我国北方四大干湿区之间冬季干湿变化具有非常好的同步一致性。

表8　不同干湿区冬季SPI 5a滑动平均相关系数

*代表通过了0.05的显著性水平检验；**代表通过了0.01的显著性水平检验

5　结论

(1)北方地区年SPI在波动中下降,呈干旱化趋势,1964年和1997年分别属特涝和特旱年份,1960s为最湿润年代,2000s为最干旱年代。年际干旱站次比和干旱强度均在波动中同步下降。以部分区域性干旱和局域性干旱为主,中度干旱发生的频率最高。

(2)北方地区在春冬两季呈湿润化趋势,冬季更明显,夏秋两季呈干旱化趋势,夏季更显著。夏季降水对年干湿状况的变化起到决定性的作用,为北方地区干旱化的主要贡献者。

(3)不同干湿区干湿变化趋势差异显著：湿润区和半湿润区均呈干旱化趋势,半湿润区更明显,而干旱区和半干旱区均呈湿润化趋势,干旱区更显著。湿润区和半湿润区年际干旱站次比和干旱强度均呈上升趋势,而干旱区和半干旱区则相反,干旱区下降明显。湿润区以区域性干旱为主,轻度干旱发生的频率最高,半湿润区、半干旱区和干旱区以局域性干旱为主,中度干旱发生的频率最高。

(4)不同干湿区不同季节干湿变化差别较大：湿润区、半湿润区、半干旱区和干旱区呈现湿润化趋势的季节分别为一个(冬季)、两个(春、冬季)、三个(春、秋和冬季)和四个(春、夏、秋和冬季)。湿润区、半湿润区和半干旱区极端湿润年份均与该年春夏降水偏多关系密切,而干旱区极端湿润年份却主要由该年春秋降水偏多所致；湿润区极端干旱年份主要由该年春旱和秋旱所致,而半湿润、半干旱区和干旱区极端干旱年份均由该年夏旱所致。

(5)中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区以及处于季风区和非季风区分界线两侧的半湿润区和半干旱区气候干湿变化均呈显著同步波动变化趋势,而中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区与中国北方西部非季风区的干旱区气候干湿变化呈显著反向波动变化趋势。夏季具有同样的规律,而冬季和春季四大干湿区干湿变化具有较好的同步一致性,秋季相邻干湿区之间干湿变化具有同步一致性,而非相邻干湿区之间干湿变化相关性较弱。

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