近55年来新疆多时间尺度干旱格局演变特征

胡文峰，陈玲玲，姚俊强，何 清，王 娅

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830013；2.阜阳师范大学，安徽 阜阳 236037；3.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830013)

干旱是指一段时间内，陆地降水持续低于正常值的一种极端气候事件[1]。在气候变化和人类活动共同影响下，全球干旱问题日益严峻。干旱是影响人类社会最为严重的自然灾害之一，一直是备受关注的科学问题[2-6]，更是气候变化研究的热点领域[7]。当前国内外用各类干旱指标对干旱进行定量化的监测与评价，并对各种指数进行了评价研究[8-9]，但各干旱指数在使用中均有一定的局限性。Palmer干旱指数(PDSI)把所有降水处理成雨水不够严谨[10]，不能很好区分干旱起止点[11]，难以反映交替干旱现象，对温度变化敏感，潜在蒸发计算误差大，缺乏人为因素的影响[12-13]；综合气象干旱指数CI计算简便，适合实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估[14]，但未考虑人类活动影响，不能完全反映农业干旱[15]；地表供水指数(SWSI)能指示降雪的情况和地表水的供应，但不同的流域不能对比，只能计算季节的指数[16]；标准化降水指数(SPI)具有多时间尺度特征，计算性稳定，但忽略了气温变化对干旱的贡献，易受极端降水事件的影响，无法识别旱涝频发的区域[17]。在使用过程中，无论是PDSI还是SPI， 均不能合理地揭示气候变化背景下大区域气象干旱的时空格局。为了解决其局限性，Vicente-Serrano等[18](2010)提出了标准化降水蒸散发指数(SPEI),该指数考虑了气温异常对干旱的贡献，保留了PDSI考虑蒸散对温度敏感的特点，且具备SPI计算简单、适合多尺度、多空间比较的优势，被国内外学者较多地用于干旱时空特征和变化趋势等方面的研究[19-25]，表明SPEI能较好地体现气候变暖导致的干旱加剧趋势。

当前全球气候变暖已经成为一个不争的事实[26]，从而导致全球极端干旱面积正在扩大[27-28]。大量的事实也表明中国北方地区干旱正在加剧[4,29-34]，使生态环境恶化，造成巨大的经济损失[35]。新疆位于中纬度欧亚大陆腹地，是典型的大陆性干旱气候区和生态脆弱区，对全球气候变暖尤为敏感[36]。施雅风等[37]研究指出，在全球气候变暖的背景下，中国新疆地区的气候由暖干向暖湿的转变，而气候变暖驱动水循环加剧，使新疆地区气候环境发生变化，极端气候事件增多等现象[38-40]。相关学者用各类干旱指数[41-45]对全疆或局部区域的干旱特征进行了研究，得出的结论也不尽相同，考虑到这些干旱指数多利用降水量来表征干旱变化，忽视温度上升导致的干旱加剧，为了解决温度对干旱的影响，有学者采用SPEI干旱指数[25,36,46]对新疆进行了相关研究，结果表明新疆有不同程度的变干趋势，尤其是近15 a，暖干化趋势明显，但这些研究没有考虑新疆干旱变化的区域差异以及对干旱进行相关的评价。为进一步研究新疆地区干旱时空格局演变，对干旱进行评估，这对一带一路的战略发展，区域水资源的管理、灾害防控等有着重要的意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文所用基础数据下载于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)1961—2015年月平均地面各气象要素数据，在基础数据进行分析、评估，选择数据连续好的55个气象站作为新疆的代表性台站(图1)。有研究表明3个月、6个月和12个月这3种时间尺度的SPEI可以分别代表气象干旱、生态干旱和水文干旱[47]，故本文分别计算3个月、6个月和12个月3种时间尺度的标准化降水蒸散指数，采用这3种尺度的SPEI数据进行分析。

图1 研究区及站点空间分布

1.2 研究方法

SPEI指数是以月平均气温、月降水量和月、日照时数为输入资料，通过计算月降水量与潜在蒸散量的差值并进行正态标准化处理得到。SPEI指数的计算方法[18]如下。

a) 计算气候水平衡：

Di=Pi′-PETi

(1)

式中Pi′——降水；PETi——潜在蒸发量，Vicente-Serrano推荐用Thornthwaite方法求得。

b) 建立不同时间尺度气候学意义的水分盈亏累积序列：

(2)

式中k——时间尺度，月；n——计算次数。

c) 将式(2)中所建序列采用3个参数的log-logistic概率密度函数拟合：

(3)

式中f(x)——概率密度函数；α、β和γ——尺度参数、形状参数和origin参数，可通过线性矩法进行估算。

累积概率函数F(x)为：

(4)

d) 对序列进行标准正态分布转换，得到相应SPEI：

(5)

对于计算后SPEI指数干湿等级的划分见表1。

表1 SPEI指数的干湿等级划分

1.3 干旱评估方法

a) 干旱频率(Pi)。Pi是用来评价某站有气象资料年份内干旱发生频繁程度，计算公式见式(6)：

(6)

式中N——计算的总月份数；ni——i站发生干旱的月份数。

b) 干旱站次比(Pj)。Pj是指区域内干旱发生站数占全部站数的比例，可用来评价研究区内干旱影响范围的大小，也可间接反映干旱影响的严重程度。计算公式见式(7)：

(7)

式中mj——j年发生干旱的站数；M——研究的总站数。

根据Pj大小，对干旱影响范围定义如下[50]：当Pj≥50%时，即研究区域内有1/2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%时可认为无明显干旱发生。在本研究中仅采用各站点12个月时间尺度SPEI计算干旱站次比。

c) 干旱强度(Sij)。Sij用来评价研究区内干旱严重程度。计算公式见式(8)：

(8)

式中m——研究区发生干旱的站数；|SPEIi|——发生干旱时的SPEI的绝对值，与干旱站次比类似，根据SPEI干旱分级：当在1.5>Sij>1.0时为轻度干旱；当干旱强度在2.0>Sij≥1.5为中度干旱；当Sij≥2.0时，为重度干旱。

2 结果分析

2.1 降水和温度时空特征

图2为1961—2015年新疆地区年平均气温(图2a)和平均降水(图2b)变化曲线。从图2a可以看出，近55 a新疆地区气温整体呈波动上升趋势，其中气温最低为6.03℃，出现在1984年，最高温度达到8.80℃，发生在2015年，平均气温为7.47℃。Yao[25]在研究新疆气候变化和干旱灾害时指出其气候在1997年发生了突变，从图2中也可以看出1997年开始，增温趋势停滞，并有微弱的下降趋势。降水整体上(图2b)也呈增多趋势，其中降水最少为1985年，仅106.4 mm，降水最多为2010年，达到218.0 mm,平均降水量为149.7 mm，同样在从1997年起，降水呈减少趋势。这说明进入21世纪，新疆地区温度和降水都发生了新的变化。从近15 a来看，这种趋势与施雅风等[37]预测的西北气候向暖湿转型可能是世纪性并将长期存在的结论不完全相符，出现这个结论是其以2002年以前的数据作为预测基础，然而进入21世纪新疆地区温度和降水有了新的变化。从年代际看，1961—1970年平均气温、降水分别为6.9℃和133.7 mm，1971—1980年平均气温、降水分别为7.0℃和132.8 mm，是2个相对“冷干”的10 a；21世纪第一个10 a平均气温和降水分别是8.2℃和168.8 mm，是相对“暖湿”的10 a。

a) 气温

b) 降水

为进一步分析新疆地区气温与降水的空间配置，用各站点的年平均降水量和气温分别进行反距离插值得到空间分布格局。从图3a中可以明显看出新疆地区降水存在明显的区域差异，呈现西北多东南少的格局，降水最丰富的地区是天山西部的伊犁河谷，这是由于新疆地区降水很大程度上受西风带影响；而气温的分布格局是西北低东南高，见图3b，气温最高的区域是吐鲁番盆地和南疆的和田地区。新疆地区呈现一种“西北冷湿，东南暖干”的水、热分布格局。

a) 降水

b) 气温

2.2 不同时间尺度SPEI指数变化特征

图4分别给出了3、6和12个月3种时间尺度SPEI的时间变化序列。从图中可以得出3种尺度的SPEI变化趋势保持一致，但曲线变化频率、振幅、位相存在差异。从变化频率上看， SPEI-3波动最频繁，SPEI-6次之，SPEI-12最小，说明时间尺度越小，SPEI波动越频繁，也越能指示出干湿度的变化。由于这3种尺度的SPEI能分别指示气象干旱、生态干旱和水文干旱[47]，从1961—1915年，3种尺度的SPEI值绝大部分在-1～1之间变化，说明新疆地区干湿变化大部分时间处于正常变化范围内。3个月时间尺度的轻度干旱以上事件共有33个，其中轻度干旱事件26个，中等干旱事件7个；6个月时间尺度的轻度干旱以上事件共有36个，其中轻度干旱事件29个，中等干旱事件7个；12个月时间尺度的轻度干旱以上事件共有36个，其中轻度干旱事件21个，中等干旱事件15个；3种时间尺度均没有极端干旱事件。3个月时间尺度的连续3～4个月的干旱事件有6个，分别出现在1974年4—7月、1997年4—6月、1997年9—12月、2006年9—12月、2007年4—6月及2008年5—8月； 6个月时间尺度的连续6—10个月的干旱事件有3个，分别出现在1997年4月至1998年2月、2006年10月至2007年6月及2008年5—11月；12个月时间尺度的连续12个月干旱事件有1个，出现在2008年6月至2009年5月，时间尺度越长，干旱事件持续时间也越长。这也说明3个月尺度的SPEI值能反映出年内或季节的干湿变化，而12个月尺度的SPEI可以反映出年或代际的干湿变化。

从这3种时间尺度SPEI值能同时看出新疆地区在1988、1993年是湿润年，而1997、2007、2008年是干旱年，这与文献及气象报道[49-50]一致，这说明SPEI指数在新疆地区能客观指示出干旱事件。Yao J Q[36]研究指出新疆地区气候在1997年发生了突变，指出1997—2015年新疆地区出现变干的趋势，在图4中3种尺度SPEI值在1961—1996年期间拟合直线斜率均为正值，指示SPEI值有增大的趋势；在1997—2015年期间拟合直线斜率均为负值,指示SPEI值均变小的趋势，暗示着新疆地区在1961—1996年期间气候变湿的趋势，其中1997年是由干向湿转变，这与姜大膀[51]和Yao J Q[36]研究结果基本一致, 尤其1987—1996年，长时间表现为湿润，这也同慈晖[52]的研究结果相符。在1997—2015年气候有变干的趋势，从代际上来说，6个月尺度和12个月尺度的SPEI都指示出2001—2010年是最干的10 a。

为了进一步分析新疆地区SPEI值代际的空间变化，对12个月尺度的各单站点SPEI进行代际平均并在ArcGIS对其反距离权重插值法得到图5。

a) 3个月

b) 6个月

c) 12个月

从图中可以看出，12个月尺度的SPEI值在空间上，都在一个正常范围内变化，即新疆区域保持西北湿东南干的格局，局部干湿有差异。但从代际时间尺度上看，1981—1990年(图5c)平均SPEI值为0.25，是新疆最湿润的10 a，2001—2010年(图5e)平均SPEI值为-0.36，是新疆最干的10 a。1961—2000年新疆具有明显的变湿趋势，2000年以后，新疆具有明显的变干趋势，且这种趋势在2011—2015年表现更强。

a) 1961—1970年 b) 1971—1980年 c) 1981—1990年

d) 1991—2000年 e) 2001—2010年 f) 2011—2015年

2.3 干旱强度变化特征

图6分别给出了3、6、12个月3种尺度干旱强度的时间变化序列。从图中可以得出3种尺度的Sij变化趋势保持一致，同干旱指数一样，其曲线变化频率、振幅、位相存在差异。从变化频率上看，3个月尺度的干旱强度波动最频，6个月尺度次之，12个月尺度最小，3种尺度的干旱强度值变化范围存在一定的差异。3个月尺度的干旱强度值在1.00～2.32范围内波动，平均值为1.40，属于轻度干旱，出现了14次极端干旱；6个月尺度的干旱强度值在1.00～2.27范围内波动，平均值为1.41，也属于轻度干旱，仅出现了4次极端干旱；12个月尺度的干旱强度值在1.00～2.26范围内波动，平均值为1.45，同样属于轻度干旱，只有8次极端干旱。这说明新疆地区的干旱强度是以轻度干旱为主，极端干旱主要出现在短时间尺度的气候干旱事件上。在1997、2007年，新疆地区干旱强度达到中等、极端干旱，且历时长，是新疆地区最严重的干旱年。同时，在1961—1996年3种尺度的干旱强度呈明显变弱的趋势，1997—2015年呈明显变强的趋势，这与3种尺度的SPEI指数变化趋势一致。

a) 3个月

b) 6个月

c) 12个月

为了进一步分析新疆地区干旱强度的空间分布，对单站点3种尺度的干旱强度在ArcGIS中进行反距离权重插值法得到图7。从图中可以看出3种尺度的干旱强度在空间上整体是西北弱东南强，但各时间尺度上又有局部的差异。图7a为3个月尺度的干旱强度，可以看出新疆地区的东南部的干旱强度要强于西北部；图7b为6个月尺度的干旱强度，可以看出天山的西部，伊犁河谷干旱强度小；西南部和田，东南部分若羌等地区干旱强度则能达到1.6～1.7；图7c为12个月尺度的干旱强度，其中新疆东南部的若羌—铁干里克一带干旱强度较大，最大强度达到了1.7～1.8。这些都说明在新疆地区气候干旱、生态干旱和水文干旱事件，其干旱强度在空间并不完全一致。结合图3降水和气温的空间分布可以看出，新疆地区强干旱中心集中分布在降水少气温高的“东南暖干”中心。

a) 3_S

b) 6_S

c) 12_S

2.4 干旱站次比和干旱频次特征

图8为根据12个月时间尺度SPEI指数统计出轻度干旱以上事件的站次比随时间变化序列。从图中可以看出从1961—2015年间有56个月出现了全域性的干旱事件，占整个时间段的8.6%，集中出现在20世纪70年代后期及2000年以后；97个月出现区域性的干旱事件，占整个时间段的15%，主要发生在20世纪70年代后期至80年代前期及2000年以后；77个月出现了部分区域性干旱事件，占整个时间段的11.9%；96个月出现了局域性干旱事件，占整个时间段的14.8%；其他月份则为无明显干旱发生。从1961—1996年期间站次比呈现下降趋势，且以局域性干旱和区域性干旱为主，而从1997—2015年站次比呈明显上升趋势，以区域性和全域性干旱为主。这说明新疆地区发生干旱的范围在1961—1996年减少，在1997年以后出现了明显的扩大趋势，频次也在加强。

图8 12个月时间尺度干旱站次比时间变化序列

为进一步分析各站点3种尺度的干旱事件频率的空间分布特征，对其进行反距离权重插值，得到图9。从图中可以看出新疆地区，3种时间尺度的干旱频率出现东南高西北低的趋势，但存在一定的差异。从干旱频次的大小来看，3个月尺度的干旱频次平均值为18.7%，最小为16.7%，最大为22.6%；6个月尺度的干旱频次平均值为19.7%，最小为16.5%，最大为26.4%；12个月尺度的干旱频次平均值为20.5%，最小为15.4%，最大为29.3%。这说明时间尺度越长，干旱频次越高，波动也越大。从空间上来看，3个月尺度的干旱频率(图9a)呈现明显的东高西低的趋势，在七里井附近出现1个高值中心；6个月尺度的干旱频率(图9b)呈现明显的东南高西北低的趋势，同样在七里井附近出现1个高值中心；12个月尺度的干旱频率(图9c)也呈现明显的东南高西北低的趋势，但在七里井和且末附近出现2个高值中心，3个尺度中，新疆北部的阿尔泰地区干旱频率都是处于低值区。这说明在新疆阿尔泰地区是干旱的少发区。同时，在图9中还可以看出，时间尺度越长，干旱发生早空间上差异也就越大。

a) SPEI-3

b) SPEI-6

c) SPEI-12

3 结论与讨论

3.1 结论

本文利用3种时间尺度的标准化降水蒸散发指数(SPEI)和反距离插值法，分析了近55 a新疆地区的干旱变化特征，研究结果表明如下。

a) 近55 a降水和气温整体呈波动上升趋势，近15 a来气温在高位波动，而降水呈波动下降趋势，引起区域干湿格局变化。新疆地区干旱主要是以轻度干旱和中等干旱事件为主，在1961—1996年期间有气候变湿的趋势，在1997—2015年气候有变干的趋势，新疆区域保持西北湿东南干的格局，局部干湿有差异。

b) 新疆地区的干旱强度是以轻度干旱为主，极端干旱主要出现在短时间尺度的气候干旱事件上。1961—1996年间3种尺度的干旱强度呈明显变弱的趋势，1997—2015年呈明显变强的趋势。3种尺度的干旱强度在空间上存在明显的差异，整体是呈西北弱东南强的趋势。

c) 自1961—1996年在新疆地区发生干旱的范围减少，且以局域性干旱和区域性干旱为主；在1997年以后出现了明显的扩大趋势，以区域性和全域性干旱为主，同时干旱事件的频次在加强，东南部是干旱事件的高发区。

3.2 讨论

21世纪初施雅风[37]提出了中国西北气候由暖干向暖湿转型的观点，得到各方的证实。研究同样指出，新疆总的干旱气候格局将不会有多大改变，在气温增高的情况下，蒸散量上升，干旱次数将有增多的可能[53]，在2000年后极端干旱面积率有增加的趋势[41]，尤其在新疆北部和天山等地，自然气候演变预示可能进入一个多年代降水偏枯时期，致使未来特定区域和时段的合成降水量变化情景趋于复杂化[54]。慈晖[52]对多种气象干旱指数在新疆应用进行了评价，研究表明SPEI综合考虑了气温以及降水对“干”“湿”的共同作用，对新疆干湿监测与实际灾情较为相符；并进一步研究得出近50 a来，新疆年干旱主要以20世纪70—80年代初期区域性干旱及60—70、90年代及21世纪初期局域性干旱为主；Yao J Q(2018)[25,36]采用多源数据，从土壤湿度、河流径流量及植被指数等多个角度研究证实了从1997年后新疆地区由暖湿向暖干转变的实事。这些均与本研究结论相近。与这些研究相比，本研究主要采用的是3种时间尺度的SPEI指数，考虑了降水和温度对干湿的共同作用，并结合ArcGIS空间分析，探讨新疆地区3种时间尺度下干湿演变特征。要注意的是新疆地区近15 a暖干变化是长期趋势还是阶段性特征，还需要进一步验证和研究。