新疆气候干湿变化特征分析*

赵慧，姚俊强，李新国，陶辉

（1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆乌鲁木齐830054；2. 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；3. 中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011）

干旱导致生态系统生产力降低，是威胁我国粮食安全和经济发展最严重的气象灾害之一［1−2］。近年来，随着全球气候变暖愈加强烈，全球范围内的干旱问题日趋严重［3］。目前在干旱的发展趋势、干旱监测等研究方面，很多学者提出了不同的指标，比较常用的有标准化降水指数(SPI)、帕默尔干旱指数(PDSI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)，不同的研究方法有不同的优缺点［4−5］。Vi⁃cente−Serrano 提出的标准化降水蒸散指数(SPEI)，是充分考虑温度和降水因子，且运用SPI 计算方式简便以及多时间尺度的特征再结合PDSI 所研究的干旱方法对蒸散的优势，成为监测气象干旱变化较为理想的工具之一［6−7］。新疆是典型的干旱半干旱地区，其干旱状况变化受到越来越多的关注［8］。尽管有众多学者提出新疆气候由暖干向暖湿转型的趋势［9−11］，但是旱灾波及到的影响范围和造成受到影响的面积呈逐年扩大趋势，新疆因为干旱灾害而造成的损失在不断增加［12］。利用不同干旱指标对新疆不同地区进行干旱变化研究较多，但是针对整个新疆进行干湿变化的研究较少［13−15］。3 个月时间尺度可以反映季节的干湿变化状况，代表气象干旱［16］。以SPEI−3 作为新疆干湿变化的主要指标，结合EOF 和游程理论，研究新疆的干湿时空分布特征，为进一步做好区域气候趋势预测工作积累探索可行的方法。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋，干旱少雨，降水不均匀，形成了大陆性气候，土地面积166万km2，占中国陆域面积的1/6［17］。山脉与盆地相间分布，由北向南构成“三山夹两盆”的地貌格局，使得新疆天山南北区域存在差异，因此以天山山脉为界，把新疆分为北疆和南疆，即北疆中温带干旱区和南疆暖温带干旱区。

1.2 数据来源

选取1961～2015 年新疆55 个具有代表性站点的月平均气温和月降水数据，以及各站的经度和纬度、海拔等地理信息数据。气象数据来自新疆气象信息中心，经过了严格的数据质量控制，可用于气候变化分析中。计算各站的SPEI 指数，形成新疆过去55 年的SPEI 干湿指数数据集，利用该数据集研究干湿变化特征。研究区气象站点分布见图1。

2 研究方法

2.1 SPEI指数计算方法

计算逐月降水与潜在蒸散的差值，构建不同时间尺度的水分盈缺量累计序列［18］。潜在蒸散量的计算一般有Thornthwaite 和Penman−Monteith 等方法，Thornthwaite 法计算比较简单，仅需要气温数据即可获得潜在蒸散量，而Penman−Monteith 法需要的气象参数比较多，计算结果更加精确，对于潜在蒸散量方法的选择上，对SPEI 的计算结果影响不大［6］。Mavromatis 提出在干旱指标中，使用简单或者复杂的方法计算潜在蒸散量提供了类似的结果［19］。因此，在实际应用中可以根据气象资料的可获取性来选择合适的计算方法［10］。因此本文采用Thornthwaite 方法，计算近55 a 新疆各气象站的逐月潜在蒸散量，其计算过程详情参考文献［18］。采用SPEI指数的干湿等级划分标准(表1)，可以确定某站点在某月发生干旱变化的程度。

图1 新疆气象站点分布图Fig.1 Distribution of meteorological stations in Xinjiang

表1 SPEI的干湿等级划分Table 1 Dry and wet degrees based on SPEI index

2.2 游程理论

在干旱的识别过程中，运用游程理论，给定一个截取水平(k)来截取一个随时间变化而变化的离散系数Xt(t=1，2，…，n)，当Xt在一个或多个时段内连续大于X0时，就出现正游程；反之出现负游程。在干旱研究中，负游程的长度称为干旱历时，干旱烈度为干旱历时与截取水平包围的面积［20−21］。干旱识别过程包括小干旱的处理和干旱的合并(图2)。①对中小干旱的处理：当指标值小于R1时，初步判断此月为干旱，在此基础上，对于历时只有1个月的干旱事件，若其干旱指标小于R2，则此月最终被确定为1 次干旱过程。②干旱合并，当连续发生2次的干旱过程的时间间隔只有一个月，且该月内的干旱指标小于R0，则将这2次相邻干旱过程合并为1次干旱事件，干旱历时为两次干旱历时之和加1，干旱烈度为2 次干旱过程的SPEI 值之和，否则为2 次独立干旱过程。根据SPEI 干旱等级划分标准，当SPEI 值小于−0.5 时，发生轻度干旱，将截取水平R2=−0.5，R0=0，为了研究游程理论在研究区标准化降水蒸散指数中的规律，对R1设置3 种截取水平，R1=−0.2，−0.3，−0.4［22］。

2.3 EOF和REOF分析方法

经验正交函数(EOF)是气候学常用分析研究区时空变化特征的方法［23］。应用其基本原理是对m个空间点n次观测构成的气象矩阵数据进行主成分分析变换，将其分解为空间特征向量矩阵和对应时间系数矩阵的线性组合，利用空间向量特征矩阵值和相对应的时间系数函数对原始场做出估计和解释。EOF 分解方法能准确表达干旱的时间变化和空间模态，是分解干旱特征的重要手段，由此剖析的干旱具有较强的规律性和可辨识性。旋转经验正交函数(REOF)是EOF，进一步分析要素场空间分布的局部区域特征，可更好表现地域差异［24］。

3 结果与分析

3.1 近55年新疆气候干湿变化特征

由1961～2015年新疆55个站点的SPEI−3每10年干湿变化速率可知，新疆整体有微弱的变干趋势，变化速率为0.055。在55 个站点中有19 个站点有变湿趋势，变湿趋势的变化速率在0.002～0.229 范围内；19 个变湿趋势的站点中有13 个站点分布在新疆北部地区，其中乌鲁木齐站的变湿速率最大，为0.229。其余各站点都有变干趋势，变化速率在0.011～0.400范围内，七角井站的干旱变化速率最大是0.400。

图2 干旱识别游程图Fig.2 Identification of drought events using the theory of run

由图3 可知，从1961～1987 年，SPEI 指数呈正负交替出现，1987～1996年SPEI以正指数为主，新疆处于干旱缓解期。1997 年之后，SPEI 指数呈正负交替出现，但从2005～2015 来看，SPEI 负值增 加。1997 年4 月、2006 年10 月以 及2008 年7 月的SPEI值较小，分别为−1.99、−1.69、−1.79，说明干旱程度严重。

图3 1961～2015年新疆气候SPEI时间序列Fig.3 Time series of SPEI in Xinjiang from 1961 to 2015

3.2 新疆气候不同等级干湿分布特征

依据干湿等级标准，对1961～2015 年新疆各站点的SPEI 值进行干湿等级划分，统计每年不同等级干湿发生站点数，可以反应出不同等级干湿变化的年际特征。从图4 可知有7 个年份均未发生干旱，是相对暖湿年，尤其是1987 年中等湿润在各等级干湿的累计站点数达到36%，而1993 年的中等和轻度湿润在各等级干湿的累计站点数达到76%。此外，有28 个年份发生各等级干旱的累计站点数在80%以下，均未达到中等干旱等级。在1962 年、1997 年、2006 年 和2008 年这4 个年 份发生干旱的站点数比例达到全部站点的50%以上，而这4 年也是新疆干旱程度严重的时期，尤其是1997 年和2008 年，干旱站点数比例分别达到了82%和78%。其余16 个年份发生干旱的站点数比例达到全部站点的50%以下。

3.3 新疆气候干旱历时和干旱烈度分布特征

基于游程理论设定3种截取水平，R 1=−0. 2，−0.3，−0.4。由图5 可知，3 种不同截取水平的干旱历时与干旱烈度变化趋势基本一致，呈极显著相关(P＜0.01)。1961～1970 年，干旱烈度和干旱历时呈下降趋势，1971～1980 年呈增加趋势，1981～1995 年呈下降趋势，在1997 年干旱烈度和干旱历时达到最大值，2005～2015 年干旱烈度和干旱历时均增强，尤其是2007 年、2008 年、2013年。

图4 1961～2015年新疆气候不同等级干湿事件发生站点数Fig.4 The number of stations with different levels of dry and wet events in Xinjiang from 1961 to 2015

图5 1961～2015年新疆气候干旱历时及干旱烈度变化Fig.5 The change of Xinjiang's climate drought duration(a)and drought intensity(b)from 1961 to 2015

3.4 新疆气候干旱变化的时空分型

对SPEI 组成的二维矩阵进行EOF 和REOF 分解。由表2 可知，EOF 和REOF 的前4 个主载荷向量累积方差贡献率均达到71.65%，其中EOF 的第1 模态方差贡献率最大为37.32%，比REOF 的第1模态方差贡献率高8.76%，第2、第3、第4 模态REOF的方差贡献率均高于EOF。

由图6 可知，EOF1 特征向量值均为正值，表明新疆干湿变化空间分布具有较好的一致性，高值区位于吐鲁番、哈密盆地以及准格尔盆地西南部地区；REOF1 的特征向量最小值为−0.04，高值区位于准格尔盆地。 分析EOF1 和REOF1 的空间分布结构随时间的变化趋势及阶段性特征，由图7可知，EOF1 和REOF1 的时间变化趋势相似，表现为1961～1986 年时间系数在正负之间呈震荡变化趋势，在此期间REOF1 的变化程度高于EOF1，而1987～1996 年主要在正值区波动变化，表明新疆在该时段处于干旱缓解期，其中正值区域达到最大值的典型年份有1987 年和1993 年。从线性趋势变化来看，新疆整体干湿变化在减弱，且有变干趋势。

表2 基于EOF和REOF分析的SPEI前4个模态的方差贡献Table 2 Variance contribution of the first four modes of SPEI based on EOF and REOF analysis

图6 1961～2015年新疆气候干湿变化EOF和REOF分析前4个模态变化Fig.6 Dryness/wetness spatial distribution of EOF and REOF 1～4 in Xinjiang from 1961 to 2015

图7 1961～2015年新疆气候干湿变化EOF和REOF分析前4个时间系数变化Fig.7 Dryness/wetness temporal coefficients of EOF and REOF 1−4 in Xinjiang from 1961 to 2015

EOF2 和REOF2 的干湿空间分布相似，空间分布特征与第一模态有着很大的差异，以天山山脉为界，呈现南北相反的格局，空间系数为北负南正型，在这种空间分布形式下，新疆表现为北湿南干或北干南湿的格局特征；REOF2 的空间分布更符合天山山脉为界的分布。由EOF2和REOF2的时间系数可知：从1961～1997 年新疆整体上都在正值区域，是相对干旱缓解期。以1997 年开始，区域变干的态势增加，其中新疆北部有变干趋势，比较干旱的典型年份是2007、2009 和2011 年。从线性变化趋势可看出北疆的干旱化加剧，而南疆变干趋势减弱。

EOF3 和REOF3 的干湿空间分布相似，表现为新疆的东西部呈相反的格局，但该特征的分布更加复杂。高值区主要位于南疆西部、伊犁河谷和中天山地区。而东天山有变干趋势。在西部地区比较暖湿的年份，东部地区相对比较干旱，由第三模态对应的时间系数可知，典型的西部偏湿而东部偏干的年份是2012 年，而西部偏干东部偏湿的年份是1970 年、1973 年和1979 年。从线性变化增长率可知，该模态干湿趋势增加，如在南疆西部有增湿现象。南疆西部的增湿已在各方面得到印证，如研究发现喀喇昆仑山地区冰川在最近十几年呈稳定或扩张状态［25］。EOF4的空间分布高值区位于南疆西部和北疆西北部，REOF4 的空间分布的高值区与EOF的空间分布相反。

4 结 论

1)1961～2015 年新疆55 个站点的SPEI−3 每10 年干湿变化速率是−0.055，变湿的站点数多于变干的站点数，表现在不同站点上的干旱变化速率有所不同，乌鲁木齐站的变湿速率最大，为0.229；七角井站的干旱变化速率最大是0.400。

2)在1961～1987 年，处于干旱和干旱缓解期的交替期，1987～1996 年处于干旱缓解期。较严重的干旱年份，是1997 年和2008 年，干旱站点数比例分别为82% 和78%。在阈值R1=0.20、R2=0.30、R3=0.40下，均在1997年的干旱烈度和干旱历时达到最大值，不同的阈值之间有差别，但不同的阈值识别干旱烈度和干旱历时的较大值基本一致。

3)EOF1 反应新疆干湿变化具有全区一致性；EOF2 和REOF2 反应南北疆反向变化，表现为北疆干旱化加剧，南疆干旱化有所缓解的趋势；EOF3和REOF3 反应东西相反的分布形式，增湿中心主要位于南疆西部、伊犁河谷和中天山地区，但东天山有变干趋势。REOF1 在EOF1 的基础上有展现出南北疆相反的格局，REOF2和REOF3都比EOF2和EOF3 的空间分布的范围小，能更好的表现区域特征。