基于有效干旱指数的锡林郭勒干旱时空分布特征

王思楠,王文君,吴英杰,李玮,张伟杰,陈泽勋

(中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站,北京 100038)

草原是世界上分布最广的植被类型之一,覆盖了地球陆地表面的五分之一,由于气候变化、人口增长和社会经济发展等原因,中国一半以上的草原都出现了不同程度的退化[1]。草原退化已经减少碳封存并且还导致了严重的环境和社会问题,例如植被生产力下降和土壤质量下降以及沙尘暴[2]。

干旱是一种常见的自然灾害,有可能发生在任何地区,干旱过程是复杂和自然的[3]。它对农业、牧业、水资源和社会也有很大的影响。由于全球气候变暖,干旱经常发生,并且有明显的上升趋势。它直接影响内蒙古草原的农牧业发展[4]。因此,干旱评估和监测对于减少损失和确保人员和财产安全至关重要。虽然干旱现象非常复杂,仍可以通过干旱指数来表征,例如标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)[5-7]、标准降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)[8-11]、旱侦测指数(reconnaissance drought index,RDI)[12]、帕尔默干旱严重指数(palmer drought severity index,PDSI)[13]和有效干旱指数(effective drought index,EDI)[14]。干旱指数可以通过干旱强度、干旱事件和干旱频率等基本属性来定量描述[15]。其中SPI使用最为广泛,但是SPI是通过一段时间降雨的累积概率计算而得到,存在局限性。SPEI不仅考虑降水因素外,还考虑了潜在蒸散发等因素的影响[16]。但是,使用不同的潜在蒸散发计算方法会使同一时期产生不同的SPEI值。为了克服这些限制,Deo等[17]使用EDI指数量化干旱严重程度,与其他干旱指数相比,EDI指数也能够反映受某一时段降水突然增多或减少引起的旱情变化。一些研究已经表明了EDI指数的适宜性。特别是Kamruzzaman等[18]在监测孟加拉国长期和短期干旱时,证明EDI比SPI更有优势。

锡林郭勒草原是生态环境中最脆弱的地区之一,其对干旱的反应也极为敏感。干旱导致地表水和地下水的短缺,从而对草的生长和牲畜的饲养产生破坏性影响。许多学者利用SPI和SPEI指数对锡林郭勒的干旱特征进行了研究[19-20],还没有使用EDI指数来描述干旱事件的特征。因此,本研究首先利用研究区气象站点的1969—2018年逐月降雨数据,选择EDI指数作为干旱评价指标,其次从干旱事件、干旱频率和干旱强度入手,深入探究锡林郭勒的干旱时空演变特征,最后利用经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)探讨干旱的时空分布模态,以期为草原干旱减灾工作提供理论依据。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

锡林郭勒草原是欧亚草原带的腹地,位于内蒙古自治区中部,介于111°08′—120°07′E,41°35′—46°40′N 之间。地势南高北低,以高平原为主,各种地貌相间分布。海拔700～2 000 m,年降水量约为340 mm,降水量的月变化较大,降雨主要集中在6—8月。气象站点分布如图1A 所示。

图1 研究区气象站点分布及1969-2018年不同气象站月降雨时间变化Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area and variation of monthly rainfall time at different meteorological stations during 1969-2018

1.2 数据来源

1969—2018年9 个气象站的月降雨数据(图1B)来自中国国家气象信息中心。

1.3 有效干旱指数

EDI是由有效降水(effective precipitation,EP)概念监测干旱持续时间和严重程度。他们将有效降水量定义为当月降雨量和前一特定时期的加权降雨量的函数,使用依赖时间的减少函数计算。本研究采用EDI计算过程如下:

首先,由于降水而储存的水积累超过一年,同时也考虑了由于蒸发而造成的损失。

式中:EP为月累计有效降水量;Pm为该月前m个月的降水量;n为前一个月的持续时间;i为总降雨持续时间,初始值为12个月(总降水持续时间)。因此,实际干旱指数是从降水开始之日起计算一年。例如,如果一个月的降雨量达到100 mm,那么这个月的降雨量随时间的增加会逐渐减少,12个月后减少0 mm。

其次,计算月累计有效降水量与30 a同期平均有效降雨量之间的差值,计算公式如下:

式中:MEP为每个月的平均有效降水量;DEP 为月累计有效降水量与30 a同期平均有效降雨量之间的差值。

式中:EDI为有效干旱指数;ST(DEP)为月累计有效降水量与30 a同期平均有效降雨量之间差值的标准差。DEP负值表示这月较平常来说更为干旱。如果DEP连续为负的月数超过12个月,则重新计算公式(1)和公式(3),干旱等级按照Deo等[17]提出的EDI分类方法进行分类(表1)。除此之外,利用反距离加权插值法(inverse distance weight,IDW)量化了干旱事件、干旱频率和干旱强度的空间分布特征。

表1 EDI分类阈值Table 1 EDI classification threshold

1.4 Mann-Kendall趋势检验法

对于样本量为n的时间序列构造一个统计变量Sk,Sk为样本第i时刻数值大于j时刻数值累计个数:

假设时间序列X随机且独立,近似服从正态分布,定义统计量UFk为:

式中:E(Sk)和var(Sk)分别为累积数的均值和方差;UFk为标准正态分布。

1.5 经验正交函数分解

经验正交函数分解可以从复杂的干旱变量场中分解出不同的时空模态[21]。并将干旱指数以矩阵形式给出:

式中:m为观测站;n为时间序列长度

2 结果与分析

2.1 干旱年际变化及突变检测

锡林郭勒年平均EDI值是9个气象台站年值的平均值,所有台站均匀分布在锡林郭勒各地区,具有很好的代表性。从图2A 可以看出,1969—2018年,锡林郭勒地区的年平均EDI指数以0.029/10 a的速度下降,干旱趋势明显增强。在1980—2000年EDI值一般大于0,处于一个稳定的时期,而在1970—1980年变化则十分剧烈,说明这段时间干湿交替比较明显。整体来看,EDI变化主要在-1.5～1.5,锡林郭勒1969—2018 年平均每年发生0.5 次干旱事件,平均约2 a一次,其中2000年最为突出,发生中旱、重旱以及总数最多,共2.3次。

图2 1969-2018年有效干旱指数时间变化特征及有效干旱指数Mann-Kendall检验Fig.2 Temporal variation of effective drought index and Mann-Kendall test of effective drought index during 1969-2018

图2B是锡林郭勒有效干旱指数M-K 检验结果。由图可知,1969—2000年这一时间段干湿交替出现,正序列曲线UF与反序列曲线UB有6个交点,即1972年、1974年、1978年、1980年、1990年以及1995年,然而这些交点都没有超过0.05显著线。进一步通过滑动t检验发现只有1995年为显著的突变年。1995年的EDI值为0.78。2000年以后主要为干旱期。

2.2 干旱的空间分布特征

由图3可知,锡林郭勒正常发生的频率为67.17%～72.65%,发生重旱的频率为0.02%～0.99%,发生不同干旱的频率差异性较大。锡林郭勒西部、西北部、东南部容易发生干旱,特别是轻旱,而中部、东北部发生干旱的频率较低,一般情况,西北部旱频率大于西部和东南部,具有明显的地带特征。轻旱频率高的地方主要在那仁宝力格和朱日和附近;重旱频率高的地方主要在多伦附近;重旱频率高的地方主要在多伦和二连浩特。不同干旱等级在频率上出现不同的地方。

图3 不同干旱程度下发生的频率结果Fig.3 Results of frequency of occurrence under different drought degree

锡林郭勒的西南部、中部是干旱强度较高的区域(图4)。主要是高纬度环流异常导致气压升高以及东亚季风的年代际减弱,向北输入的水汽减少,表现为连续降水日数和降水强度的减少[22],最终使得锡林郭勒降水量进一步趋于下降。3—5月由于降雨量稀少,土壤蒸发量大,使其干旱空间分布范围较大。其中4月份各气象站点的平均干旱强度为8.51,干旱强度在平均值以上的站点个数为5个,占比约为55.56%,主要分布在东北部的东乌珠穆沁旗、中部的那仁宝力格、西南部二连浩特、朱日和,其中那仁宝力格的干旱强度达到了13.09。6—8月降水量较多,而降水的性质主要是对流性降水,导致干旱呈现出南高北低的分布情况。9—12月干旱强度空间分布从西南向东北逐渐变低,干旱强度高值出现在西南部。主要是该时间段降雨量稀少,其中12月份各气象站点的平均干旱强度为13.65,干旱强度在平均值以上的站点个数为4个,占比约为44.44%,主要分布在中部的那仁宝力格、阿巴嘎旗、苏尼特左旗和南部的朱日和,其中朱日和的干旱强度达到了17.24。

图4 不同月份干旱强度的空间分布结果Fig.4 Spatial distribution results of drought intensity in different months

2.3 干旱趋势变化

图5为锡林郭勒地区1969—2018年各月有效干旱指数趋势变化空间分布图,负值代表趋于干旱,正值表示趋于湿润。不同月份有效干旱指数具有一定的差异性。其中1—3月,9—12月9个站点都呈干旱趋势,9—11月发生的概率大于3—5月,在整个历史时期表现出非常明显的加重趋势,10月份的趋势最大,线性速率为-0.127/10 a;2月份的干旱趋势最小,线性速率为-0.091/10 a。4—8月9个站点降水较历史时期增多,既有干旱趋势,又有湿润趋势,其中5—6月有8个湿润的站点分别为东乌珠穆沁旗、二连浩特、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、朱日和、西乌珠穆沁旗、锡林浩特和多伦,锡林浩特的趋势最大,线性速率为0.047/10 a。7月份湿润的站点为多伦,8月份湿润的站点为东乌珠穆沁旗和二连浩特。

图5 不同月份干旱趋势变化的空间分布结果Fig.5 Spatial distribution results of drought trends in different months

从有效干旱指数M-K 趋势检验结果与分析,锡林郭勒不同月份不同站点干旱呈上升趋势的站点占比12.03%,其中那仁宝力格通过显著检验占比最多5.55%,通过0.01显著水平检验的站点占比4%,仅有6月份的朱日和与多伦通过的0.05显著水平检验,表明锡林郭勒各站点的干旱上升下降趋势变化大多不显著。

2.4 干旱时空模态分析

EDI指数的前2个特征值累积方差贡献率接近70%(表2),其中模态一中特征向量的方差贡献率达52.75%,远大于其他模态。模态二中特征向量的方差贡献率为14.38%,明确锡林郭勒气象干旱场主要有两种类型,即锡林郭勒一致型和东南—西北反位相型。

表2 锡林郭勒年有效干旱指数EOF分解的前5个特征向量贡献率Table 2 Contribution rate of the first 5 eigenvectors to EOF decomposition of Xilin Gol annual effective drought index

第1个特征向量系数为一致的正值分布且相差较小,说明各站降水量对干旱贡献较均衡,较大值主要位于锡林浩特市和阿巴嘎旗的北部。第2个特征向量的空间分布总体上表现为由西南部苏尼特右旗、镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗、多伦县和太仆侍旗向北部和东北部旗县干旱逐渐减轻的趋势,最干旱区位于苏尼特右旗(图6)。

图6 EDI指数的干旱时空模态结果Fig.6 Temporal and spatial modal results of drought in EDI index

第一模态时间序列可以看出(图7A),整体呈现下降趋势,尤其是2000—2010年末十分明显,其标准差为±1.34,该模态具有较大的权重,从个别年份的情况看,1970年、1992年、1998年远远大于1.34,可以说明这些年份较为湿润,而2001年、2005年、2006年、2007年、2011年的时间序列小于-1.34,干旱较为严重。第二模态时间序列呈现出上升趋势(图7B),其标准差为±0.70,从个别年份看,1989 年、1990 年、2001 年时间序列远远大于0.84,相对湿润,然而1973 年、1975年、1976年、1979年、1996年、2009年、2010年时间序列小于-0.70,较为干旱。从《气象灾害大典》的记录来看1975年、1976年、1979年、2009年、2010年均为锡林郭勒干旱较为严重的年份。

图7 1969-2018年EDI的前2个特征向量所对应的时间系数Fig.7 Time coefficients corresponding to the first two eigenvectors of EDI during 1969-2018

3 讨论

内蒙古锡林郭勒地区的气候受季风环流影响,是锡林郭勒地区降水在近十几年的微弱减少、气象干旱增加的主要原因,但整体趋势与张煦庭等[23]采用标准化降水蒸散指数研究干旱时空分布特征的结果大致相近。锡林郭勒干旱灾害出现频繁、持续时间长,其分布具有一致性的特点,干旱出现的时段主要出现在冬、春及初夏季,严重时则会出现冬春初夏连旱,而近年来秋季干旱呈频发之势[24],这是由于当每年9月以后干季到来时,受到西风环流的控制,同时海拔较高,形成了气温低,风大,雨少的气候特征。本文通过干旱时空模态分析,得出全锡林郭勒一致型和东南—西北反位相型干旱分布格局,这与张巧凤等[25]得出的锡林郭勒盟一致性趋势的结果基本一致。但是在模态的数量与方差贡献率的表现有所不同,可能是使用干旱指数的差异与干旱尺度的不同导致的。EDI指数虽然可以反映锡林郭勒的时空变化特征,但是EDI仍存在一些不足,EDI以月降水量作为数据基础,不能反映区域的干旱事件的持续日数,尤其是干旱产生和解除的机理。

4 结论

(1)1969—2018年,锡林郭勒地区的年平均EDI指数以0.029/10 a的速度下降,干旱趋势明显增强。在1970—1980年EDI值变化十分剧烈,说明这段时间干湿交替比较明显。平均每年发生0.5次干旱事件,平均约2 a一次,其中2000年最为突出,发生中旱、重旱以及总数最多,共2.3次。

(2)锡林郭勒正常发生的频率在67.17%～72.65%,发生重旱的频率在0.02%～0.99%,西南部、中部是干旱强度较高的区域。

(3)锡林郭勒在整个历史时期的1—3月和9—12月9个站点都呈干旱趋势,而4—8月既有干旱趋势,又有湿润趋势。其中10月份的趋势最大,线性速率为-0.127/10 a;2月份的干旱趋势最小,线性速率为-0.091/10 a。从EDI指数M-K 趋势检验结果发现不同月份不同站点干旱呈上升趋势的站点占比12.03%。

(4)锡林郭勒干旱时空模态空间分布呈现一致型和东南—西北反位相型。