考虑气候分区的甘肃省干旱时空分布特征分析

郑 健 鲍婷婷 王春霞 赵雨露 陈 娅 王 燕

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050；2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，兰州 730050；3.临夏回族自治州水利科学研究院，临夏 731100；4.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心，兰州 730050)

0 引言

干旱是当今世界人类面临的主要自然灾害之一[1-2]，对不同地区、不同时期的农业、经济和社会都会造成严重和多样化的影响[3]，研究不同气候类型和地理特征下的干旱时空变化，可为防灾减灾以及建立旱情预警、监测等提供有效可靠的科学依据。中国西北地区干旱发生时波及范围广、持续时间长、不可控因素多，对生态系统、农业生产和社会经济都造成了不可估量的后果[4]。甘肃省地处西北，东西跨度大、气候类型复杂多样[5]，是我国自然生态类型最为复杂和脆弱的地区之一[6]。准确分析甘肃省干旱灾害的演变规律，明确干旱时空演变特征是区域灾害管理的重要组成部分，对于构建和完善地区干旱风险评价体系与管理机制具有重要意义。

评估干旱最常用的有标准化降水指数(Standardized precipitation index，SPI)[7]、帕尔默干旱指数(Palmer drought severity index，PDSI)[8]和标准化降水蒸散指数(Standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)[9]，研究表明，SPI计算简单，能够很好地描述某些区域的干旱特征，但该指数只考虑了降水这一因素，并且在全球变暖的大背景下忽略了温度变化带来的潜在影响，所以SPI有一定的局限性；PDSI考虑了温度变化对干旱特征的影响，适合全球变暖下各地区干旱的研究，但该指数所涉及的各项参数较难获取，且PDSI在划分干旱等级时易受主观意愿的影响[10]。而VICENT-SERRANO等[11]提出的SPEI指数不仅考虑了SPI指数未考虑的潜在蒸散发，并从多时间尺度描述干旱，还避免了PDSI指数在干旱等级划分时的主观性，结合了上述两者优点的SPEI适用性好，能更好地对干旱进行监测[12]。文献[3,12-14]都利用SPEI指数对不同区域的干旱进行了研究，证明了SPEI指数有较好的地区适用性。甘肃省是一个多气候区共存的省份，李栋梁等[15]、郑健等[16]都对甘肃省进行过区域划分，但前者由于各气候区划分得比较细，国家气象站点目前尚未完全覆盖所有气候区，后者则在划分气候区时未考虑甘肃省主要的四大气候类型，而气候类型和地理特征是干旱形成的重要影响因素。因此，本文综合考虑上述因素将甘肃省划分为河西大陆性气候区(Ⅰ区)、陇中北部季风气候区(Ⅱ区)、陇南-陇中南部季风气候区(Ⅲ区)和甘南高寒气候区(Ⅳ区)。考虑气候分区的SPEI能在不同气候类型下更准确地识别干旱的发生特征和影响因素。

本文基于划分的4个气候分区，以中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)中甘肃省26个国家气象站点1960—2019年逐日气象观测数据为基础，通过Mann-Kendall突变检验、气候倾向率、干旱站次比等干旱指标分析甘肃地区1960—2019年的干旱演变规律及干旱现状，以期为甘肃省的旱灾预警评估和旱灾防控提供依据和指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域及气象数据资料

甘肃省位于中国西北内陆地区(32°11′～42°57′N，92°13′～108°46′E)，横跨黄土、青藏和内蒙古三大高原，幅员辽阔且地形呈狭长型，东西蜿蜒约1 659 km，南北跨度约530 km，总面积约4.258×105km2(图1)。得天独厚的自然环境和气候类型，使甘肃省形成了山地、平川、高原、沙漠、隔壁等多种地形地貌以及耕牧交错的特色农牧业生态系统。甘肃省年均降水量为300 mm左右，但整体在时间和空间上分布不均，导致甘肃省极易发生干旱灾害。

图1 甘肃省气象站点及气候分区分布图

甘肃省1960—2019年的气象数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)，包括26个国家级气象站点的逐日降水量、气温(日平均气温、日最高气温、日最低气温)、日照时数、日相对湿度等气象资料。图1是甘肃省各气象站点及气候分区分布图。为了提高SPEI计算结果的准确性和科学性，利用数据插补法对缺失数据进行插补，具体方法见文献[17]。

1.2 研究方法

1.2.1标准化降雨蒸散指数计算方法

首先采用Penman-Monteith法计算潜在蒸散量[18-21]，计算过程详见文献[22-23]。再利用Penman-Monteith法计算的潜在蒸散量来计算SPEI，SPEI详细计算过程如下[24-25]：

计算逐月降雨量与潜在蒸散量的差值Di，计算公式为

Di=Pi-PETi

(1)

式中Pi——第i月的降雨量，mm

PETi——用Penman-Monteith法计算得到的第i月的潜在蒸散量，mm

计算不同时间尺度的SPEI，本文计算1、3、12个月尺度的SPEI，计算式为

(2)

式中k——月时间尺度

n——计算次数

采用拟合效果较好的log-logistic概率密度分布函数f(χ)对D进行拟合，即

(3)

(4)

式中α′——尺度参数

β——形状参数

γ——位置参数

F(χ)——累计概率分布函数

以上各参数可通过线性矩估计的方法获得。

最后对累计概率密度进行标准化，得到SPEI，计算式为

(5)

(6)

(7)

式中w——参数P——累计概率

其中常数c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI具有多时间尺度的特性，本文分别计算了甘肃省26个国家气象站点1个月(月尺度)、3个月(季尺度)、12个月(年尺度)时间尺度的SPEI，依次记为SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12。SPEI-3可以描述干旱的季节发生规律(春季(3—5月)由5月的SPEI-3表示、夏季(6—8月)由8月的SPEI-3表示、秋季(9—11月)由11月的SPEI-3表示、冬季(12—2月)由次年2月的SPEI-3表示)、SPEI-12可以描述干旱的年际发生规律[26]，本文主要分析SPEI-3和SPEI-12，而SPEI-1主要用于对甘肃省典型干旱事件进行比较与验证。

本文参考国家气象干旱等级相关标准[27]和其他学者[18,28]对干旱阈值的分级，根据SPEI的计算结果将干旱分为特旱、重旱、中旱、轻旱和正常5个不同的等级，如表1所示。

表1 SPEI干旱等级划分

用于与同期SPEI验证比较的典型干旱事件资料来源于《中国气象灾害大典：甘肃卷》[29]和中国气象数据网上记载的甘肃省各气候分区发生的典型干旱事件，本文整理了甘肃省1960—2019年17次较大的旱灾事件，如表2所示。

表2 近年来甘肃省各气候分区典型干旱事件与SPEI干旱指数比较与验证

1.2.2Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall突变检验是一种趋势检验法，可以直观地判断序列的变化趋势是上升还是下降，并且其计算结果比较稳定，少数异常值对其基本没有干扰，便于应用且计算简单，是检验时间序列变化趋势及时间序列何时发生突变的一种有效方法，其中顺序统计量UF和逆序统计量UK小于零时，表明序列呈下降趋势，反之则呈上升趋势，当它们超过显著性水平α=0.05的临界线时，表明变化趋势显著，当UF和UK在临界线之间相交时，则此时就是突变开始的时刻。其具体计算过程见文献[30]。

1.2.3气候倾向率

气候倾向率是通过各气候要素与时间序列之间建立的一元线性回归方程实现，能在一定程度上反映各气候要素的变化趋势，假设Xi为样本量为m的某一气候变量，ti为相对应的时间，建立Xi和ti之间的一元线性回归方程[30]

Xi=a+bti(i=1,2,…,m)

(8)

式中a——回归常数b——回归系数

其中a和b都用最小二乘法估计，将10b作为气候倾向率。

1.2.4干旱评价指标

利用干旱站次比描述甘肃省各气候分区干旱发生范围；利用干旱发生频率描述甘肃省干旱发生的频繁程度。计算公式分别为[19,31]

(9)

(10)

式中Pj——干旱站次比，%

m′——某区域发生干旱的气象站点数

M——某区域内总气象站点数

Pk——干旱发生频率，%

n′——序列中某一站点发生干旱的总年数

N——序列总年数

2 结果与分析

2.1 甘肃省干旱时间格局特征

2.1.1不同时间尺度下SPEI变化特征

SPEI具有多时间尺度的特性。图2为不同时间尺度SPEI(SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12)的变化规律。由图2可知，不同时间尺度的SPEI波动频率由高到低依次为SPEI-1、SPEI-3和SPEI-12；SPEI-1沿着0值上下波动频繁，表明月尺度的SPEI对干旱的响应最为显著，并且时间尺度越大，即年尺度的SPEI对干旱的响应存在延迟，但却能整体把握干旱变化规律和走势，且反映的干旱变化规律也越稳定。进一步分析图2还可以看出，甘肃省从1960—2019年SPEI呈下降趋势，表明近年来甘肃省的气候正逐渐转变为干旱的情形，干旱期主要集中在1997—2019年，以中旱和重旱为主，这种干旱发展趋势不利于农牧业及社会经济的发展，需要因地制宜制定抗旱策略。

图2 1960—2019年甘肃省不同时间尺度下SPEI演变特征

2.1.2SPEI年际变化及Mann-Kendall突变检验

为了进一步研究甘肃省各气候分区SPEI的四季变化规律，对其进行Mann-Kendall突变检验，如图3(图中CIup、CIlow分别为显著性水平α=0.05的上限和下限)所示。由图3可知，春、夏、秋季甘肃省各气候分区在20世纪60年代到20世纪90年代中期UF曲线基本上都是先小于0再大于0，表明SPEI先呈下降趋势再呈上升趋势，各地湿润化趋势明显，但在20世纪90年代中期到21世纪10年代UF曲线在各气候分区都小于0，并且UF曲线在21世纪初期到21世纪10年代超过了0.05显著性水平线，表明SPEI呈下降趋势并且下降趋势明显，可知各气候分区干旱越来越显著，并且在春季，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区由湿润转变为干旱的突变年分别为2001、2000、1997、2007年；夏季Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区由湿润转变为干旱的突变年分别为2000、1999、1995、1997年；秋季，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区由湿润转变为干旱的突变年分别为1998、1990、1988、1997年。冬季各气候分区在20世纪60年代到20世纪70年代初期UF曲线均小于0，20世纪70年代中后期到21世纪10年代UF曲线大于0，表明SPEI先呈下降趋势再呈上升趋势，且UF曲线在上升过程中都超了过0.05显著性水平线，表明上升趋势明显，可知冬季各气候分区湿润化趋势显著，并且Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅳ区由干旱转变为湿润的突变年分别为1988、1982、1981年；Ⅲ区UF和UB曲线有多个交点，表明旱涝变化极不稳定。由以上分析可知甘肃省各气候分区在春夏秋三季都处于变干旱的趋势，从20世纪60年代到20世纪90年代中期，SPEI大多呈现为正指数，表明较为湿润，但从20世纪90年代后期到21世纪10年代，SPEI大多呈现负指数，表明干旱程度总体偏重；但甘肃省各气候分区在冬季是处于变湿的趋势，且湿润程度总体偏轻。

图3 1960—2019年甘肃省不同气候分区四季SPEI及Mann-Kendall突变检验曲线

2.1.3干旱范围演变特征

从干旱的影响范围来描述干旱，可以更全面阐明甘肃省1960—2019年的干旱演变特征。本文利用干旱站次比来反映干旱发生的范围，干旱站次比越大则干旱发生的范围越大。表3为甘肃省各气候分区干旱影响范围的不同等级干旱发生次数，可以看出各气候分区干旱发生的范围基本上呈两极分化的趋势，发生的都是全域性干旱(Pj≥50%)和无明显干旱(Pj<10%)；近60年，区域性干旱(33%≤Pj<50%)在Ⅰ区发生过1年、在Ⅳ区发生过4年；部分区域性干旱(25%≤Pj<33%)在Ⅲ区发生过9年；局域性干旱(10%≤Pj<25%)在Ⅱ区和Ⅳ区都发生过5年。并且在1960—1999年，各气候分区普遍发生的都是无明显干旱，而2000—2019年，各气候分区普遍发生的都是全域性干旱，表明从1960—2019年的60年时间内甘肃省先呈现的是无明显干旱的趋势，从20世纪90年代发生转变，开始变得极度干旱，区域性干旱趋势显著。

表3 1960—2019年甘肃省不同气候分区干旱影响范围的不同等级发生次数

2.2 甘肃省干旱空间格局特征

2.2.1SPEI气候倾向率空间分布

从空间角度分析干旱分布状况可以更全面、更直观地了解甘肃省近60年的干旱演变规律，本文应用ArcGIS 10.4软件对甘肃地区各站点的SPEI 气候倾向率进行反距离权重插值，得到不同气候分区四季和年际SPEI气候倾向率空间分布图(图4)。由图可知，春(图4a)、夏(图4b)、秋(图4c)三季的SPEI气候倾向率在空间分布上与冬季(图4d)差异十分显著，春季甘肃省各气候分区干旱加剧趋势非常显著，尤其在Ⅰ区和Ⅱ区，SPEI气候倾向率平均为-0.31(10 a)-1，且SPEI气候倾向率最低的站点是环县，为-0.38(10 a)-1；夏季甘肃省各气候分区除Ⅲ区的西峰镇是干旱减轻的趋势，SPEI气候倾向率为0.05(10 a)-1，其余地区都呈现干旱加剧的变化趋势，SPEI气候倾向率处于-0.37～-0.23(10 a)-1之间；秋季甘肃省各气候分区也是干旱加剧的趋势，但相对于春季和夏季加剧趋势有所减轻，除安西和西峰站点外，整体上SPEI气候倾向率均处于-0.34～-0.22(10 a)-1；不同于其他季节，冬季甘肃省各气候分区均呈干旱减轻的趋势，SPEI气候倾向率平均为0.12(10 a)-1，尤其是在Ⅰ区、Ⅳ区和Ⅲ区的华家岭干旱减轻趋势非常明显，SPEI气候倾向率最高可达0.30(10 a)-1，考虑可能是因为冬季气温相对比较低，蒸散量比较小。进一步分析图4e可知，甘肃省各气候分区全年SPEI气候倾向率空间分布差异明显，Ⅰ区除民勤、武威和马鬃山地区干旱呈加剧的趋势外，其他地区都呈干旱减缓的趋势，尤其是Ⅰ区的鼎新，干旱减缓趋势显著，SPEI气候倾向率为0.25(10 a)-1；Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区呈干旱加剧的变化趋势，尤其在华家岭，SPEI气候倾向率可达-0.38(10 a)-1。

图4 1960—2019年甘肃省不同气候分区四季和年际SPEI气候倾向率空间分布

2.2.2不同等级干旱发生频率空间分布

为进一步分析甘肃省不同气候分区的干旱状况，绘制不同干旱等级发生频率空间分布图。由图5可以看出，甘肃省近60年不同干旱等级发生频率空间分布差异较大，且轻旱和重旱发生频率相对较高，特旱发生频率最低，中旱发生频率居中；轻旱在Ⅱ区发生频率最高，在13.33%～19.50%之间，轻旱发生频率相对较低地区有Ⅰ区的永昌、民勤，Ⅲ区的西峰镇，发生频率在3.33%～8.34%之间；重旱发生频率较高，在除了鼎新外的Ⅰ区、Ⅱ区的环县、Ⅲ区的华家岭，发生频率在11.67%～18.33%之间，重旱发生频率相对较低的地区有Ⅰ区的鼎新、Ⅲ区的武都、Ⅳ区的玛曲和临夏，发生频率在6.67%～8.33%之间；中旱发生频率较低且发生频率分布较规律，呈自东南向西北逐渐增大的变化趋势，且干旱频率控制在3.33%～11.67%之间，中旱在Ⅰ区发生频率最大，在3.33%～11.67%之间，Ⅱ区发生频率最小，在3.33%～6.67%之间；不同气候分区内特旱发生频率最低，尤其是在Ⅰ区的敦煌、安西、马鬃山、玉门镇、鼎新和酒泉地区发生频率为0。因此，甘肃省不同干旱等级发生频率由小到大依次为：特旱、中旱、重旱、轻旱。

图5 1960—2019年甘肃省不同气候分区不同干旱等级发生频率空间分布

3 讨论

基于气候类型和地理特征将甘肃省划分为4个气候分区，采用基于Penman-Monteith法计算的SPEI干旱指数分析甘肃省近60年来的干旱时空格局特征，发现在不同气候变化背景下，甘肃西部地区(Ⅰ区)近年来呈干旱缓解趋势，而甘肃东南部地区(Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区)呈干旱加剧趋势，甘肃省整体呈现干旱化的变化趋势，这一结论与李亮等[17]和任培贵等[32]对甘肃省及中国西北地区气象干旱变化趋势的分析结果基本上一致，但在干旱影响范围和不同等级干旱发生频率空间分布上与上述学者的研究有一定的差异，主要可能是本文把甘肃省划分了4个气候分区，在一定程度上提高了干旱影响范围的准确性，而不同等级干旱发生频率空间分布上的差异考虑可能是所选的气象站点不同导致的，在后续研究中可适当增加一些省级气象站点的气象数据以及采用空间分辨率较高的栅格数据来提高计算结果的精度。

甘肃省四季干旱发生规律也不尽相同，研究表明春、夏、秋季呈干旱加剧的演变趋势，而冬季则呈干旱缓解的演变趋势，这与刘杨奕等[33]在对中国西北地区气象干旱时空演变特征研究时所得出的结论一致。主要原因为：甘肃省是中国主要的农作物种植区和畜牧区，需水量极大，但年平均降水量只有300 mm左右，且四季分布不均，随着全球变暖，蒸发蒸腾量也随之变高，因此甘肃省春、夏、秋季干旱情势比较严重。

利用SPEI指数对全中国[19]、中国西南地区[34]、黄河流域[35]和长江中下游地区[36]的研究比较多，但对甘肃地区的研究比较少，尤其是基于气候分区的甘肃省干旱的研究。同时，从SPEI的计算机理上来说，该指数不仅对温度变化敏感，又具有SPI的多尺度特性，适用于气候变暖条件下干旱的描述，能更客观地反映区域内的干湿状况，因此SPEI相较于其他干旱指数计算结果更为可靠[17]；并且从甘肃省各气候分区发生的典型干旱事件(表2)与同期SPEI的验证与比较中可以看出，干旱的发生时间、发生的区域及干旱的发生强度和SPEI值基本上一致，表现出了较高的可靠性。以上所述证明在采用本文分区条件下，SPEI干旱指数对研究甘肃省干旱时空分布特征具有较好的可靠性和准确性。

本文对甘肃省近60年来的干旱时空分布特征进行了探讨，但对干旱的演变成因研究还显不足，干旱的发生不仅与该地区的降雨和气温等气象因素有关，而且人类活动、大气环流异常、地形、植被等都可能对干旱的发生产生影响。将会在后续的工作中进一步探讨与研究，以期为甘肃省旱灾防治提供更加科学实用的理论依据。

4 结论

(1)甘肃省不同时间尺度的SPEI波动规律不同，SPEI-1波动幅度最小，SPEI-12波动幅度最大，SPEI-3居中，但各时间尺度的SPEI都呈现出明显的干旱化趋势。

(2)甘肃省各气候分区春、夏与秋季干旱化趋势明显，冬季湿润化趋势明显，Mann-Kendall突变检验显示全省各气候分区由湿润转变为干旱的突变年份基本集中在1990—2006年，由干旱转变为湿润的突变年基本集中在1980—1990年。

(3)在干旱影响范围上，甘肃省各气候分区在1960—1999年普遍发生的都是无明显干旱，而在2000—2019年普遍发生的都是全域性干旱。

(4)在空间分布上，春季Ⅰ区和Ⅱ区SPEI气候倾向率最低，平均为-0.31(10 a)-1，表明干旱加剧趋势明显，冬季全省SPEI气候倾向率最高，平均为0.12(10 a)-1，表明呈干旱缓解趋势，总体上甘肃省全年Ⅰ区呈干旱减缓，Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区呈干旱加剧趋势；甘肃省不同等级干旱发生频率由小到大依次为：特旱、中旱、重旱、轻旱。