基于MCI的1961—2016年中国北方不同等级干旱趋势研究＊

陈 敏，颜鹏程，张铁军，周甘霖△

（1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃兰州 730020；2.甘肃省气象信息与技术装备保障中心气象数据质量控制室，甘肃兰州 730020）

1 引言

中国北方地区干旱呈现“西多东少”的分布特征[1]，但近几十年来西北地区干旱减缓[2]、华北干旱增强[3]。其中西北地区干旱自1960年以来主要呈现年代际干旱变化的特征，1980年代以前西北地区干旱主要发生在西北地区西部，以后主要发生在西北地区东部[4-5]。而华北地区干旱存在持续增加的趋势[6]，20世纪80—90年代最为显著[7]，之后干旱趋势趋向于平缓[8-9]。影响中国北方干旱影响因子繁多，不同因子之间非线性作用强、关系复杂[10-12]，加之全球增暖背景下，西风环流、季风、西太副高等大尺度环流背景也发生调整[13-16]，受此影响，中国北方干旱的时空分布呈现新的规律，不同程度的干旱分布特征也发生相应改变，亟需开展更为详细的研究。

研究不同等级干旱需用合适的干旱指数，目前，用于定量描述干旱的指数主要包括Palmer干旱指数（PDSI）[17]、相对湿润度指数（MI）[18]、标准化降水指数（SPI）[19-21]、标准化降水蒸散指数（SPEI）[22]等，这些干旱指数从降水、蒸散等角度考虑干旱的发生程度，但是在计算和准确描述干旱方面存在一些不足[23]，如PDSI指数利用土壤水份平衡原理，考虑降水、蒸散、径流以及土壤有效储水等要素，实际计算中大多地区难以获得完整（准确）的参数使得指数的区域代表性不足[24]，而SPI指数、MI指数以及SPEI指数考虑气象要素相对单一难以准确描述干旱的连续性，更难以反映干旱的累积效应[25]。为此，2017年国家标准《气象干旱等级》出版并提出新型气象干旱综合指数（Meteorological drought Composite Index，MCI）[26]，该指数能够充分反映干旱的连续性、累积效应以及区域差异性的特征，具体来说：（1）通过引进标准化权重降水指数有效减少干旱发展过程中不合理跳跃现象；（2）通过引进150天标准化降水指数代表干旱发展过程的累积效应；（3）通过引进季节调节系数以适应不同区域、不同季节的干旱[27-28]。MCI指数具有处理非平稳序列、动态表征干旱的特性，综合表征干旱的能力更强。近年来，不少学者利用该指数研究了中国的干旱变化情况[29-32]，如成青燕等[33]利用MCI指数研究了甘肃近50年干旱情况，认为不同等级干旱均呈现增加的趋势，其中春季、夏季较为显著；廖要明和张存杰[34]利用该指数研究认为我国总体干旱趋势是增加的，其中甘肃南部、宁夏、陕西等北方地区干旱趋势增加更为显著，这意味着MCI指数对我国区域干旱具有更好的表征能力。MCI指数划分的不同干旱等级，能够进一步衡量干旱的严重程度，从“轻旱、中旱、重旱、特旱”4个不同等级来具化干旱的影响。因此，本研究利用MCI指数开展中国北方1961—2016年不同等级干旱日数的年代际变化研究，揭示不同等级干旱发生频次的时空演变规律。

2 方法与数据

本研究时段选为1961—2016年，资料为基于MCI指数的逐年不同等级干旱日数。MCI指数[26]目前在中国气象局气象干旱监测业务中投入使用，并由国家气候中心提供逐日全国气象干旱监测结果。不同等级干旱的划分如表1所示，MCI指数越小，意味着干旱越显著。研究中，逐年统计不同站点满足不同等级干旱的日数，主要分析轻旱、中旱、重旱和特旱4类干旱，其中轻旱及以上干旱的干旱日数称为总干旱日数。中国北方共有870个观测站点，在西北，内蒙古自治区和黄河以西的站点空间分布较为稀疏；而华北，山东、河南等地的站点空间分布较为密集。

表1 依据MCI划分的不同干旱等级

3 研究内容

3.1 中国北方干旱趋势分布

为了初步了解中国北方干旱分布情况，绘制总干旱日数的多年平均和逐年的区域平均（图1），年平均干旱日数东部地区要多于西部地区,其中年平均干旱日数最多的区域主要位于河北（达到160 d）,其次是内蒙古东部、甘肃东部、宁夏中部等地区,平均干旱日数达到130 d；年平均干旱日数最少的区域主要位于新疆中南部、青海西部地区,其中新疆中南部地区最少（平均干旱日数少于50 d）。从时间变化上来看,北方总的平均干旱日数在1961—1990年期间变化幅度较小，1990—1999年期间呈现增加的趋势（达到9.46 d/a,通过0.01的显著性检验）,2000—2019年前后出现减小的趋势（-1.94 d/a）,功率谱分析表明中国北方干旱呈现2～3 a和20 a的准周期振荡。从趋势变化来看，包括新疆、青海、甘肃河西地区、内蒙古在内的区域干旱日数均显著减少，负趋势最显著的区域位于新疆北部、青海东部，达到-2.0 d/a；而东部地区的干旱日数增加，其中增加趋势显著的区域位于甘肃东部、宁夏、陕西南部，达到1.5 d/a。不同等级的趋势变化来看，轻旱和中旱日数在内蒙古、甘肃、新疆、青海等地减少，轻旱日数在新疆、青海以及内蒙古东部减少显著，中旱日数在新疆北部、青海中西部负趋势显著；北方其他省区轻旱和中旱日数增加。重旱和特旱日数趋势在新疆、青海、内蒙古中西部、甘肃中部、山西、河北等地呈现负趋势，其余地方呈现正趋势。

图1 中国北方地区年平均干旱日数（灰色线）随时间变化，单位：day

由此可见，不同等级干旱在中国北方西部干旱半干旱区呈现减少的特征，而东部地区主要呈现增加的特征。

2.2 干旱日数百分比

进一步分析总干旱日数中不同等级干旱日数的比例，轻旱呈现“西高东低”分布特征，其中西部轻旱所占比例较大区域主要分布在新疆中南部、青海西北部、甘肃西部、内蒙古西部，轻旱比例超过70%；而东部地区轻旱比例约占50%。中旱在总干旱日数中的比例呈现“东高西低”的分布特征，北方东部地区（包括甘肃东部、宁夏中南部、陕西、山西、河南、山东、河北、北京、天津等）中旱比例约占30%；西部地区中旱比例较少，主要在新疆南部地区和青海西部地区，中旱比例少于20%。重旱的比例分布也呈现“东高西低”的分布特征，其中山东、河南等地重旱比例超过12%，而西部地区重旱低于6%，其中新疆西南部甚至重旱比例接近0%。特旱所占比例总体来说偏少，其中东部零星地区特旱所占比例超过4%，而新疆西部、内蒙古西部重旱均接近于0%。由此可见，北方干旱的空间分布在西部主要以轻旱为主，在东部则以中旱及以上等级干旱为主。从不同等级干旱在总干旱日数中的百分比随时间变化来看（图2），轻旱所占比例最高，达到56.48%，其次是中旱（30.26%），再次是重旱（10.55%），最后是特旱（2.71%），其中1970年以前，在中旱所占比例变化幅度不大的基础上，轻旱、重旱和特旱所占比例的变化幅度较大，之后一直到1990年都较为稳定；1990年以后到2000年前后，中旱所占比例变化趋势仍然较小，而轻旱所占比例呈现显著负趋势，重旱和特旱所占比例增加趋势显著；2000-2005年期间，轻旱所占比例增加，重旱和特旱所占比例减少。2005年以后，不同等级干旱所占比例变化趋势不显著。

图2 不同等级干旱的区域平均干旱日数所占百分比随时间变化

综上所述，轻旱和中旱日数占总干旱日数中的绝大部分，并且总干旱日数中的年代际变化也主要由这两种干旱贡献的；重旱和特旱日数在1970年以前和1996—2005年期间的总干旱日数中占的比例较大。

3.3 不同时段干旱空间分布情况

上述结论也表明干旱日数变化呈现年代际变化的特征，为此利用滑动T检验（Moving T Test，MTT）方法对总干旱日数进行突变检测，统计量在1995年和2002年超过0.01的显著性检验，故以此为分界，分为3个时段分别进行研究。总干旱日数来看，在1961—1995年期间年平均干旱日数较少（120d），而1996—2001年期间年平均干旱日数显著偏多（140 d），2002年以后干旱日数显著减少（仅为110d）。不同时段干旱日数的空间分布来看，在1961—1995年期间，北方干旱日数空间分布东西部差异较小（90～100 d），河北部分地区出现超过150 d干旱的分布、小于60 d的干旱主要分布在新疆东南部地区；1996—2002年期间，东西部干旱日数差异较大，其中河北、山西、山东地区的干旱日数明显较前一时期显著偏多，达到180 d，部分地区甚至超过210 d的干旱日数；而西部地区小于60 d的干旱区域较前一时段偏大，新疆中部和东部地区、青海西部均出现干旱日数小于60 d（甚至更少）的情况。2003—2016年期间，东部干旱日数的空间分布与1961—1995年较为类似，但西部干旱日数显著偏少，其中干旱日数低于60 d的区域扩长至整个新疆地区、青海大部地区、甘肃河西地区以及内蒙古西部区域。

综上来看，中国北方东部干旱日数在不同时段都要多于西部地区，其中东部地区在1961—1995年期间，平均干旱日数为120 d，而1996—2002年干旱日数显著增加，达到180 d左右，2003—2016年干旱日数减少至120 d。西部地区则呈现持续减少的特征，1961—1995年期间，仅在新疆东部部分地区干旱日数少于60 d，而1996—2002年期间这一范围扩大至新疆大部分地区和青海西部部分地区，2003年以后，整个西部地区干旱日数都少于60 d。

不同等级干旱不同时段的干旱日数空间分布来看，1996—2002年期间的干旱日数整体上要多于1961—1995年的情况，2003—2016年的干旱日数最少。具体来说：（1）轻旱，1961—995年整个北方轻旱的空间分布较为一致，介于60～80 d之间，其中干旱日数最少的区域位于新疆东南部（少于30d）；1996—2002年的轻旱除了新疆东南部地区（少于30 d），大部分地区干旱日数均多于60 d，其中河北、内蒙古东部、甘肃南部部分地区干旱日数超过90 d；2003—2016年的轻旱主要分布在东部地区，其中105°E以东地区轻旱日数超过45 d；（2）中旱，中旱日数要明显少于轻旱的情况，3个不同时段中，中旱主要分布在105°E以东地区（超过30d），其中1996—2002年期间的中旱日数要明显偏多，主要集中在河北南部、内蒙古东部、甘肃南部等地区，干旱日数接近75 d；（3）重旱，重旱的空间分布较多的时段主要集中在1996—2002年期间，仍然以105°E以东为主（超过20 d），河北南部、山东西部、陕西中部部分地区重旱日数超过40 d，1961—1995年、2003—2016年的2个时段重旱日数较少，其中105°E以东干旱日数在16～24 d之间，西部干旱日数则更少。（4）特旱也主要发生在1996-2002年期间，主要分布在陕西中南部、山西中南部、山东等地区，干旱日数超过18 d，其余地区干旱日数少于6 d；1961—1995年期间，北方特旱日数几乎为0；2003—2016年时段，105°E以西干旱日数接近于0，东部的干旱日数少于6 d。

总体来说，中国北方不同等级干旱均存在“先增多、后减少”的年代际变化特征，其中相比较于1961—1995年时段，1996—2002年期间的干旱主要在北方东部地区增多、西部地区略有减少；而后一时段（2003—2016年）的干旱在整个北方地区均有所减少，西部地区干旱日数减少要多于东部地区，这一现象在轻旱和中旱中比较明显。

4 结论与讨论

文章基于MCI指数研究了中国北方不同等级干旱日数的趋势特征，结论如下：

（1）中国北方东部干旱日数多于西部干旱日数，其中年平均干旱日数最多的区域主要位于河北，达到160 d，而年平均干旱日数最少的区域主要位于新疆中南部地区，少于50 d；从时间变化来看呈现年代际变化特征，1961—1990年期间干旱日数变化趋势几乎为0，1990—1999年期间增加趋势达到9.46 d/a（通过0.01的显著性检验），而2000—2016年期间减小趋势为-1.94 d/a。

（2）不同等级干旱，轻旱、中旱、重旱和特旱的多年平均干旱日数分别为65.50 d、37.13 d、13.68 d和3.75 d，意味着中国北方干旱主要以轻旱和中旱为主，且是北方干旱的年代际变化的主要贡献；重旱和特旱所占比重较小，但这两类干旱在1996—2005年期间的干旱日数异常高于多年平均值，分别达到18.95 d和7.12 d，是总干旱日数在此时段增加的主要原因。

（3）轻旱、中旱、重旱和特旱日数百分比的区域平均分别为56.48%、30.26%、10.55%和2.71%，主要以轻旱和中旱为主；从空间分布来看，轻旱干旱日数百分比主要呈现“西高东低”的分布特征，百分比最高区域位于新疆（超过70%），而东部区域百分位为50%左右，中旱、重旱和特旱则呈现“东高西低”的分布特征，其中中旱在东部地区百分比为30%左右，而西部地区则少于20%；从长期变化趋势来看，1990年以前，不同等级的干旱日数百分比较为稳定，没有显著的趋势，而1990—1998年期间轻旱日数百分比呈现显著负趋势、重旱和特旱日数百分比显著增加，1999—2005年期间这一情况相反，2006年以后不同等级干旱日数百分比趋势几乎为0，这一现象在轻旱和中旱日数中更为明显。