蒸发需求干旱指数在北疆干旱识别中的应用

帕丽扎提·玉素甫，卫炎豪，巴特尔·巴克

（新疆农业大学 资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

干旱灾害一直在不同程度地影响着人类的生存发展［1］。已有数据表明，在已发生的自然灾害中气象灾害占比高达70%，其中干旱灾害又占50%左右［2］。在我国连年频发的干旱灾害事件［3］，使得大量农田因旱受灾而导致粮食产量急剧下降，严重影响着我国的粮食和生态安全，同时也是制约我国可持续发展的主要因素之一。为了准确地监测和评估干旱，国内外学者已提出150多种干旱指数，其中常用的有帕默尔干旱指数(Palmer Drought Severity Index, PDSI)［8］、McKee等［9］提出的以降水为基础的标准降水指数(Precipitation Index, SPI)、Vicente-Serrano等［10］提出的标准降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evaporation Index, SPEI)、Hao等［11］所提出的优化气象干旱指数(Optimized Meteorological Drought Index, OMDI)。

上述干旱指标均由降水或降水和气温数据所计算得出。近年来提出的基于大气蒸发需求(E0)的蒸发需求干旱指数(Evaporative Demand Drought Index, EDDI)以其算法简明、原理清晰等特点而得到了众多研究者的喜爱，它与其他干旱指数的区别在于不需要遥感数据和降水数据，只需一些常见的地面气象数据就可计算获得［12］。在降水季节因无法准确地预测干旱信息，不需要降水数据的EDDI指数比其他干旱指数能够提前几个月更好地捕捉到干旱暴发的时间，这很好地说明了该指数具有良好的预测干旱的能力［13］。针对EDDI指数的这个特点，研究者在有关研究中指出，EDDI指数可以比标准土壤湿度指数(Standardized Soil Moisture Index, SSI)和SPI指数更早地预测干旱暴发的时间，而比美国干旱监测(The U.S. Drought Monitor，USDM)指数能更早地预测骤发干旱的发生［14］。

新疆作为我国典型的干旱、半干旱地区，其干旱灾害具有风险大、分布广、危害严重、灾害带来的损失大等特点［15］。新疆北部地区历年发生干旱的次数和强度不断增加，有关数据表明，全疆降水量明显下降，干旱情况严重，其中北疆降水量下降最明显。北疆还发生了严重的春、夏、秋、冬连旱事件［16］，由此导致农业及其他领域受到大面积的危害，这对于全疆乃至全国有着不可忽视的影响。历年来均有利用其他干旱指数识别新疆干旱的研究，但目前尚未见有关利用EDDI指数识别北疆干旱的报道。因此，本研究利用基础气象数据，分全年及四季5个时间尺度，计算出北疆1961—2020年的蒸发需求干旱指数，以此识别北疆历年的干旱发生情况，探究了北疆干旱的时空演变特征，以期为北疆干旱灾害成灾机制和干旱减灾管理提供依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

北疆地区是指新疆维吾尔自治区天山山脉以北的区域，北部边缘地区为阿尔泰山脉，地理坐标为79°57′～91°32′E、43°23′～49°10′N［17］，总面积约为5.95×105km2，平均海拔为300～920 m，该地区地形复杂，四季分明，冬季和夏季时间长，而春季和秋季较短，昼夜温差较大，属于典型的温带大陆性干旱半干旱气候。北疆地区降水量极少，年降水量只有150～250 mm，年平均日照时数2800 h，年平均温度在-4～9 ℃之间，年平均风速为2.5～3.5 m/s［18］。

1.2 数据来源

本文所用到的基础气象数据有日照时数(h)、平均水汽压(hPa)、平均气温(℃)、平均最低气温(℃)、平均最高气温(℃)、平均相对湿度(%)和平均风速(m/s)等。本文利用国家气象信息中心(http://cdc.nmic.cn/home.do)所提供的基础气象数据来计算北疆地区26个主要气象站点的EDDI指标，其中26个气象站分布如图1所示。

1.3 大气蒸发需求的估算

大气蒸发需求或蒸发力(Evaporative Demand, E0)是指在大气中存在的能够控制各种下垫面类型蒸发过程的一种能力［19］。目前，大气蒸发力的主要估算方法有3种：利用潜在蒸散方程、参考蒸散方程、蒸发皿蒸发量的实际测量等方法进行估算［20］。本研究所采用的是1965年被联合国粮农组织(FAO)所提供的Penman-Monteith公式来近似估算E0，计算公式如下：

式 （1）中：E0为大气蒸发力(mm/d)；Δ为2 m高处空气温度下饱和水汽压曲线斜率(Pa/K)；γ为干湿表常数(Pa/K)；U为2 m高处的风速(m/s)；Rn为短波辐射(W/m2)；Ln为长波辐射(W/m2)；G为土壤热通量(W/m2)；esat为饱和水汽压(Pa)；ea为实际水汽压(Pa)；Cn为常数，计算逐日E0时取值900；Cd表示常数，计算逐日E0时取值0.34。

1.4 EDDI指数的计算

EDDI指数的计算方法与SPI、SPEI不同，它是在一定时间尺度内通过逐日E0计算值的大小进行排序，再创建E0的分布概率，同时对其进行正态标准化处理，其详细计算方法及原理详见文献［12］。这种方法计算出来的指数可以有效地与其他指数进行对比分析。

一个时间尺度内E0的累积分布概率的计算公式如下：

式（2）中：P(E0i)为E0的累计概率；i为E0累积量在研究时段内排序后的秩(当E0最大时，i=1)；n为排序后序列的样本总数，即研究时段的总年份。

基于Vicente-Serrano等［10］的反向正态方法计算EDDI，计算公式如下：

式（3）中：当EDDI=0时，说明E0的累积量在研究时间尺度内等于气候学的中位数，当EDDI＜0时表示所研究区域偏湿润，当EDDI＞0时表示所研究区域偏干旱，而EDDI值越大表示越干旱。EDDI的范围是n的函数，当n=60时，对应EDDI的范围为±2.29。利用EDDI指数具有多时间尺度的优点，本研究采用全年及四季5个时间尺度来计算新疆北部26个主要气象站点的EDDI指数。

1.5 干旱发生频率的计算

干旱发生频率计算公式如下：

式（4）中，Pi表示干旱发生频率，n表示干旱发生次数，N表示所研究年份长度(本研究为60)，i表示某级干旱强度(轻、中、重、特、极端)。

1.6 EDDI等级的划分

本研究根据文献［21］的方法，将EDDI分为轻旱(ED1)、中旱(ED2)、重旱(ED3)、特旱(ED4)、极端干旱(ED5)5种干旱等级。依据时间序列内EDDI百分位值作为干旱等级的划分标准，ED1、ED2、ED3、ED4、ED5干旱等级的EDDI值分别为0.511～0.817、0.817～1.232、1.232～1.555、1.555～1.872、≥1.872，其百分位分别为70%～80%、80%～90%、90%～95%、95%～98%、≥98%。

2 结果与分析

2.1 北疆大气蒸发力的年际变化特征

由图2可知，1961—2020年，北疆不同季节E0的年际变化特点不同。在研究期内，北疆年均E0为1020.9 mm，最高值出现在1967年，为1159.4 mm，最低值出现在1993年，为927.0 mm，呈显著性下降趋势，气候倾向率为-14.241 mm/10 a。北疆春季E0平均值为303.5 mm，占全年均值的29.7%，最高为416.1 mm，出现在1967年，最低为258.2 mm，出现在1988年，春季减少趋势不明显，气候倾向率为-1.957 mm/10 a。北疆夏季E0平均值为509.7 mm，占全年均值的49.9%，最高为583.0 mm，出现在1974年，最低为454.2 mm，出现在1992年。夏季呈显著性下降趋势，气候倾向率为-8.663 mm/10 a。北疆秋季E0平均值为176.3 mm，占全年均值的17.3%，最高值是在1971年，为206.0 mm，最低值在1992年，为151.7 mm，秋季呈显著性下降趋势，气候倾向率为-3.511 mm/10 a。北疆冬季E0平均值为31.4 mm，占全年均值的3.1%，最高为42.3 mm，出现在1963年，最低为21.8 mm，出现在1984年，冬季减少趋势不明显，气候倾向率为-0.111 mm/10 a。

图2 1961—2020年北疆不同尺度E0的年际变化特征

2.2 基于EDDI的干旱识别

从全年EDDI图可以看出(图3)，北疆EDDI＞0.511的高值区主要集中在前20年，说明北疆26个气象站点在这个时段干旱程度严重。其中，极端干旱发生在1967和1962年，1974年为特旱，1977、1965和1997年为重旱，1968、1963、1982、1978、1975和2008年为中旱，1971、1983、1980、1976、1961和2006年为轻旱。自1984年以来除1997、2006、2008年以外北疆处于湿润状态。

北疆春季EDDI变化波动性强，干旱年份不集中。1984—1996年明显没有发生过干旱。春季的极端干旱在1967和2020年，特旱在1962年，重旱在1961、1997和2008年，中旱在1974、2012、1968、2000、1965和1982年，轻旱在1977、2001、1963、1983、1981和1991年发生。

北疆夏季EDDI＞0.511的高值区主要集中在1962—1982年。除2008年外5种干旱等级的干旱年份均出现在这个时段内，其中极端干旱在1974和1962年，特旱在1977年，重旱在1965、1968和1963年，中旱在1976、1975、1982、1978、1971和1966年，而轻旱则在2008、1979、1973、1980、1997和1976年发生，说明夏季北疆在这20年干旱严重。1983—2020年北疆处于湿润状态。

从北疆秋季EDDI图可观察到，EDDI＞0.511高值区较明显集中在20世纪60～80年代，其中60和70年代较多，说明北疆秋季这30年干旱严重。其中，极端干旱发生在1971和1978年，特旱发生在1997年，重旱发生在1977、1966和1970年，中旱发生在1965、1962、1990、1980、1973和2007年，轻旱发生在1995、1975、1988、1982、1974和1967年。

北疆冬季EDDI波动性强，研究时段的前23 a干旱发生频繁。北疆冬季极端干旱在1963和1967年，特旱在1983年，重旱在2015、1999和2007年，中旱在1982、1968、1973、1992、1975和1996年，轻旱在1979、1987、1978、1995、1970和2020年发生。

2.3 基于EDDI的四季空间变化特征

从空间分布看(图4)，北疆过去60 a利用EDDI指标识别干旱情况中全年、春、夏和秋季干旱区基本一致。高值区主要分布在北疆南部的达坂城、乌鲁木齐，中部的克拉玛依，北疆北部的福海和北疆西部的阿拉山口、博乐等地，说明过去60 a北疆这些区域有不同程度的干旱发生。在这4个时间尺度上北疆干旱特征主要表现为从中部到东部和西部越来越湿润的变化趋势，而北疆东部的富蕴、清河，北疆西部的昭苏等地为最湿润地区没有干旱发生。冬季的空间分布情况与其他4个时间尺度的表现不同，冬季的高值区主要分布在北部的哈巴河、吉木乃、塔城，南部的达坂城和西部的昭苏、尼勒克等地，说明冬季这些地区干旱发生情况严重。冬季的空间干旱特征与其他4个时间尺度相反，冬季北疆干旱特征为中部最湿润，从中部向外呈越来越干旱的分布特征。

图4 1961—2020年北疆不同尺度EDDI的空间变化特征

2.4 基于EDDI的各级干旱发生次数的变化特征

不同干旱等级在北疆各年代发生次数的对比分析结果表明：总体来看，轻旱发生次数最多，特旱发生次数则最少。20世纪60～70年代各级干旱发生的次数明显比其他年代的次数多。从20世纪90年代开始北疆发生干旱的情况有所好转，发生次数显著下降(表1)。

表1 年尺度的EDDI指数干旱等级发生次数

2.5 基于EDDI的各级干旱频率变化特征

从干旱频率变化结果得出(图5)，过去60 a北疆这5种干旱强度发生次数越来越少，其中，轻旱发生次数最多，极端干旱发生次数最少。过去60 a北疆轻旱发生频率最多的年份为1970年，中旱发生频率最多的年份为1982年，重旱发生频率最多的年份为1968年，特旱发生频率最多的年份为1977年，极端干旱最严重的为1962年。

图5 1961—2020年北疆各级干旱发生频率的变化特征

3 结论与讨论

3.1 大气蒸发力的年际变化特征

从大气蒸发力的年际变化特征得出，北疆在1961—2020年总体呈湿润化的变化趋势。在5个时间尺度中，大气蒸发力减少最明显的为夏季，其气候倾向率为8.7 d/10 a；最不明显的为冬季，其气象倾向率为0.1 d/10 a；蒸发力最高的年份则为1967、1974、1971和1963年。总体来看，大气蒸发力逐渐减小。

3.2 基于EDDI的年际变化特征

从5个时间尺度上北疆EDDI指数结果看出，全年和夏季结果基本一致，高值区很明显地集中在前20 a，1980年之后干旱情况有很大的好转。本研究的结果与吴燕锋等［22］利用其他干旱指数得出的结果高度一致。而春季和冬季结果相似，阶段性不明显，发生中级以上干旱事件分布在各个年代。这可能与北疆特殊地理位置形成的北疆季节性强的气候特点有关。而秋季干旱情况表现为前30 a干旱，后30 a旱情有所好转的趋势。EDDI在北疆四季上的干旱强弱顺序表现为：冬季＞春季＞秋季＞夏季，这完全符合北疆的季节性特点。

3.3 基于EDDI的空间变化特征

空间上的变化特征得出，北疆冬季与其他4个时间尺度结果整体上相反。其他4个时间尺度结果基本一致，表现为湿润地区主要在北疆东北和西南地区，而干旱区主要是在东南、中部及西北地区。然而冬季的变化规律则是从中部向四周越来越干旱的分布特征。在5个时间尺度上，干旱地区主要有达坂城、克拉玛依、阿拉山口、博乐等，这与吴燕锋等［22］利用6种干旱指标所得的结果基本一致。北疆大部分地区旱情逐渐减轻，虽说1980年之后北疆旱情有了很大的进步，但是特大干旱还是时有发生。因此，还需进一步与其他干旱指数结果进行对比分析。

3.4 各级干旱发生次数及频率变化

各级干旱发生次数及频率结果表明：轻旱＞中旱＞重旱＞特旱＞极端干旱，北疆干旱强度情况不严重。按照各年代对比分析，20世纪60～70年代各级干旱发生的次数明显比其他年代的次数多，这与基于EDDI时间上的变化趋势保持一致性。其中1962年发生极端干旱次数最多，说明北疆20世纪60年代旱情不为乐观。

利用EDDI指标来识别北疆干旱年份与其他研究者利用综合气象干旱指数(CI)、SPEI指数和SPI指数得出的干旱年份的结果基本一致［22］。综合气象干旱指数的分析结果表示，全域性季节干旱在20世纪60年代较为频发，从干旱强度的年代变化角度，结果也显示以20世纪60年代为北疆干旱强度最大［24］，也与本研究结果一致。由于本研究所采用北疆26个气象站点的全年(12月)和四季(3个月)时间尺度的平均EDDI，所识别出的结果只是北疆干旱的平均状况，因此，对于北疆整体干旱情况，还可以从其他时间尺度和空间尺度上进行对比分析，才能更全面地反映北疆干旱的整体情况。