基于SPEI的北疆1961—2020年气象干旱变化特征

2024-06-25卫炎豪古丽娜孜巴特尔·巴克帕丽扎提·玉素甫祖力克艳·麻那甫帕提古力·麦麦提

湖北农业科学 2024年5期

卫炎豪古丽娜孜巴特尔·巴克帕丽扎提·玉素甫祖力克艳·麻那甫帕提古力·麦麦提

收稿日期：2023-04-23

基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目（2021D01A84）

作者简介：卫炎豪（1996-），男，山西晋城人，在读硕士研究生，研究方向为资源利用与植物保护，（电话）18160608579（电子信箱）wyydsh@163.com；通信作者，巴特尔·巴克（1973-），男（维吾尔族），新疆莎车人，教授，主要从事干旱区生态与环境研究，（电子信箱）bateerbake@163.com。

卫炎豪，古丽娜孜，巴特尔·巴克，等. 基于SPEI的北疆1961—2020年气象干旱变化特征［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：37-44，214．

摘要：基于北疆26个主要气象站点1961—2020年逐日气象数据，选取标准化降水蒸散指数（SPEI）为气象干旱指标，采用Mann-Kendall突变检验、小波分析等方法对北疆年及春、夏两季SPEI和不同等级气象干旱影响范围变化特征进行了探究。结果表明，北疆实际轻旱情况更适合以-1.0

关键词：标准化降水蒸散指数（SPEI）；气象干旱；小波分析；Mann-Kendall突变检验；北疆

中图分类号：P426.616 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0037-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.007 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Meteorological drought variation characteristics of Northern Xinjiang from 1961 to 2020 based on SPEI

WEI Yan-hao1， Gulinazi2， Batur Bake1， Palizhati Yusufu1， Zulkeya Manap1， Patiguli Maimaiti3

（1.College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China；2.Bozhou Meteorological Bureau of Xinjiang， Bole 833400， Xinjiang， China；3.Korla Agricultural Technology Extension Center， Korla 841003， Xinjiang， China）

Abstract：Based on the daily meteorological data of 26 major meteorological stations in Northern Xinjiang from 1961 to 2020， the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） was selected as the meteorological drought index， and Mann-Kendall mutation test and wavelet analysis were used to explore the variation characteristics of SPEI and the influence of different grades of meteorological drought in Northern Xinjiang in annual， spring and summer. The results showed that the actual mild drought situation in Northern Xinjiang was more suitable for identification by -1.0

Key words：standard precipitation evapotranspiration index （SPEI）； meteorological drought； wavelet analysis； Mann-Kendall mutation test； Northern Xinjiang

有关统计数据表明，气象灾害约占自然灾害的70%，而其中干旱灾害又占气象灾害的50%左右［1］，具有持续时间长、发生频率高等特点［2］，会对农业生产、水资源利用等造成严重影响，已然成为制约中国社会、经济可持续发展的重要因素［3-7］。国内外对不同地区气象干旱进行研究时，通用的干旱指数主要包括标准化降水指数（Standard precipitation index，SPI）、帕默尔干旱指数（Palmer drought severity index，PDSI）、降水Z指数、标准化降水蒸散指数（Standard precipitation evapotranspiration index，SPEI）等［8-10］，各气象干旱指数的适用范围及实际应用效果都有差别［11］。

SPI和降水Z指数考虑了降水对气象干旱的影响，PDSI主要考虑了降水、水分供给等因素，然而这些指数因其固定的时间尺度，在多时间尺度气象干旱特征反应方面表现不佳。SPEI指数可以同时兼顾降水及蒸散发的影响，在其计算过程中蒸散发对温度的敏感特点可以被很好地考虑到，在当下全球变暖的大背景下，尤其适合用其进行干旱监测。菅会成等［12］基于SPEI对鲁西北地区的干旱变化特征进行了分析，发现该区气候呈不显著湿润化趋势，2008年为干旱情况突变年；余兴湛等［13］基于SPEI分析了广东省1971—2020年的干旱变化特征，发现广东省年及四季均呈干旱化趋势，但并不明显，区内干旱频率较高，但强度相对较低；赵玉兵等［14］基于SPEI分析了河北省南部1962—2020年棉花生长季的干旱特征，发现棉花全生育期的干旱频率为25%，且苗期气候在1976年发生干湿变化突变。

作为中国典型干旱、半干旱地区，北疆地区年参考蒸散发量高达1 200 mm［15］，蒸散发也是北疆气象干旱的主要影响因素。虽然马赛［16］、吴秀兰等［17］、张喜成等［18］、黄静等［19］基于不同指标对新疆干旱变化特征的研究中均指出新疆20世纪80年代后暖湿化趋势较为明显［16-19］，但姚俊强等［20］的相关研究表明，新疆1997年后干旱频率、干旱发生月份及干旱覆盖范围等均有明显增加，新疆气候出现了从暖湿化向暖干化转折的强烈信号。曹艳萍等［21］指出，2008年新疆出现了30年以来最严重的干旱灾害，受其影响，新疆特别是北疆遭遇了严重的春夏秋三季连旱，超4.67万hm2小麦绝收，全区有0.19亿hm2天然草场严重受旱。鉴于此，本研究基于SPEI指标，以年和季为时间尺度，探究了暖湿化大趋势下北疆1961—2020年的气象干旱演变特征，以期为气候变化背景下北疆农业灌溉的合理规划及水资源优化管理提供理论参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

考虑到研究时间段较长（1961—2020年），而高空间分辨率的遥感气象数据记录均起始于2000年，且诸多再分析数据及模式数据在北疆地区的适用性有待考证，故选取时间分辨率更高的气象站点数据对北疆1961—2020年气象干旱变化特征进行初步探究。所用到的基础气象资料由乌兰乌苏农业气象试验站所提供，主要包括北疆地区26个主要气象站点1961—2020年逐日平均气温、降水量数据，来自中国气象局数据库中输出且经过质量控制。研究区及气象站点位置如图1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 SPEI计算和干旱等级划分 SPEI的计算基于Rstudio中的SPEI包［22，23］，其中潜在蒸散量（PET）的计算基于SPEI包的Thornthwaite函数，Thornthwaite法是国际通用计算潜在蒸散量的方法，仅需月平均温度及站点纬度，并结合温度因子与日照时长建立的经验公式便可算得［24］。

SPEI干旱等级划分标准参考国家最新气象干旱标准GB/T 20481—2017［25］及王林等［26］所用方法，两种不同标准仅在无旱和轻旱判别时有所不同，国家最新气象干旱标准下的无旱标准为SPEI>-0.5，轻旱标准为-1.00，轻旱标准为-1.0

1.2.2 其他指标计算方法按照气象上的通用标准来划分季节，即3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季［27］，因5—8月是植物主要生长季，故主要对春、夏两季进行分析。北疆各尺度不同等级气象干旱在当时的影响范围以干旱站次比（各等级干旱站点数/站点总数）表示；气象干旱指标变化趋势分析采用一元线性回归进行趋势倾向估计，利用最小二乘法求其线性增长趋势，并对所有的线性趋势进行显著性检验；突变分析采用Mann-Kendall（M-K）检验，用小波分析探究其变化周期。

2 结果与分析

2.1 SPEI指标适宜性分析

通过查阅中国气象灾害大典（新疆卷）中有关北疆干旱事件［28］，于不同尺度SPEI中找到其对应时空的SPEI，同时标注对应干旱等级（GB/T 20481—2017），结果见表2。由表2可知，1961—2000年共有约16年次不同程度的气象干旱在北疆各地发生，其中1962年截至6月底，阿勒泰、奇台、乌鲁木齐等北疆区域及南疆部分地区共有6.67万hm2农田受灾，而这一年1—6月奇台的SPEI为-1.87（重旱），阿勒泰的SPEI为-1.97（重旱），乌鲁木齐的SPEI为-1.90（重旱）；1974年全疆粮食减产4.78亿kg，全站点平均年尺度SPEI为-1.29（中旱）；1997年阿勒泰、塔城、昌吉等地冬春草场受旱80%以上，其中阿勒泰春季SPEI为-2.47（特旱）。

但是也要注意，在国家最新气象干旱标准下，1976年春、夏昌吉自治州2.0万hm2农田受灾，有约1.07万hm2小麦颗粒无收，而此时蔡家湖（蔡家湖位于昌吉自治州境内）站点的春季SPEI为0.26（无旱）；1980年夏季全疆发生干旱，13.33万hm2农田受旱较重，阿勒泰466.67万hm2草场受旱，此时北疆夏季全站点平均SPEI为-0.29（无旱）、阿勒泰为-0.43（无旱）。

综上所述，SPEI指标可以很好地识别北疆地区的气象干旱，但在国家最新气象干旱标准下，一些较严重的气象轻旱事件可能被漏判，故而轻旱阈值为-1.0

2.2 北疆气象干旱变化特征

2.2.1 年及春、夏季SPEI的变化特征如图2a所示，1961—2020年北疆地区年尺度下的SPEI处于上升趋势（P=0.267），表明北疆近60年呈不显著的湿润化趋势。该尺度下SPEI最低的5个年份分别为1997年、1962年、1974年、2008年、1977年，即在年尺度下，这5年是北疆地区近60年整体干旱最为严重的年份。经查阅历史干旱灾情资料［29］发现，1962年、1965年、1974年和2008年均为全疆性的大旱年份，可见标准化降水蒸散指数可以很好地表征北疆地区典型的干旱年份。

如图2b、图2c所示，春季（P=0.903）和夏季（P=0.278）SPEI呈不显著的下降趋势，与年尺度变化趋势相反，分别以0.012/10年和0.056/10年的速率下降，说明北疆地区的春季和夏季均呈干旱化趋势。

2.2.2 年及春、夏季各级气象干旱站次比的变化特征为探究北疆地区各等级气象干旱频率的变化趋势，基于北疆地区26个气象站年及春、夏两季的SPEI，将-1≤SPEI<0视作轻旱发生，以各年26个站点中不同等级气象干旱站次比近似代替北疆地区气象干旱覆盖范围。图3、图4分别为北疆年及春、夏两季不同等级气象干旱站次比变化趋势。

由图3、图4可知，1961—2020年北疆年尺度的各等级干旱站次比及春季的中旱站次比均呈不显著下降趋势，但是北疆春季的轻旱、重旱、特旱站次比及夏季的各等级干旱站次比均呈上升趋势，其中夏季的重旱（P=0.038 4）和特旱（P=0.017 2）站次比呈显著上升趋势。这表明在整体暖湿化趋势下，北疆更多地区春、夏两季仍要面临影响范围不断扩大的气象干旱灾害带来的损失，夏季极端干旱事件的波及范围显著上升。

2.2.3 年及春、夏季SPEI的突变分析对不同时间尺度的SPEI时间序列进行M-K突变检验，结果如图5所示。年SPEI时间序列（图5a）的UF和UB统计量在1979年出现了交点，其中UF统计量在1984年后开始大于0，且于1993—2010年多次达0.05显著水平，说明自1979年起北疆整体气候发生了突变，且突变后于1984年开始呈湿润趋势，这种趋势在1993—2010年达显著水平。春季SPEI时间序列（图5b）的UF和UB统计量在1962年产生交点且之后直至2014年前UF统计量均大于0，说明北疆春季的气候自1962年发生突变，且之后呈较长时间的湿润化趋势，但UF统计量在2014年开始出现短暂的负值，且于2020年再次出现负值，说明这2年中研究区春季气候曾出现过短暂的干旱化信号。夏季SPEI时间序列（图5c）的UF和UB统计量在1979年出现了交点，且于1988年开始大于0，说明北疆夏季气候在1979年发生突变，1988年后开始大于0，自此研究区夏季干旱情况逐渐得到缓解；值得注意的是，UF统计量在1997年，短时间内由正转负，表明该年已经开始出现气候转变的信号；2008年UF及UB统计量再次产生交点，且自该年开始，UF统计量均小于0，说明研究区夏季气候在2008年再次突变，突变后干旱情况又开始逐步加剧。

2.2.4 年及春、夏季SPEI的周期分析以小波功率谱探究北疆地区年及春、夏两季SPEI的周期变化特征（图6），图中黑色锥形线所包围的区域为通过了95%置信水平的红噪声标准谱检验，锥形线内部的黑色实线包围区为COI（Cone of influence）区域，而锥形线外的功率谱所表征的周期性有着较大的不确定性。右侧的小波方差图中，蓝色实线为小波方差，红色虚线表示95%置信水平的红噪声检验曲线，如果小波方差峰值超出检验曲线，则表示周期显著。

结果（图6）表明，北疆SPEI在1961—2020年主要存在1～4年的显著变化周期。其中，年尺度的SPEI存在1～4年的周期性震荡，另在20世纪90年代期间，有4～8年的周期性震荡且通过95%置信水平的红噪声检验，其他周期因未通过红噪声检验，可能为虚假周期；北疆春季SPEI存在1～4年的周期性震荡，另在2007—2016年存在6～8年的周期性震荡，其余周期均未通过红噪声检验；北疆夏季SPEI在1961—1978年及2003年后也存在1～4年的周期性震荡，在1987—1997年则存在2～8年的周期性震荡。

3 讨论

本研究基于SPEI指标，以年和季为时间尺度，对暖湿化大趋势下北疆1961—2020年的气象干旱演变特征进行探究。通过查阅中国气象灾害大典（新疆卷）中北疆相关的气象干旱事件，并对比基于国家最新气象干旱标准下对应时空不同尺度SPEI所处干旱等级，发现部分气象灾害大典中记录的气象轻旱现象，其对应地点当时的SPEI位于-0.5～0，所处干旱等级均为无旱，与实际情况不符，故而北疆地区气象轻旱的发生更适合以-1.0

本研究对不同尺度SPEI变化特征的研究发现，年尺度下，北疆SPEI呈不显著上升趋势，这与轩俊伟等［30］、胡文峰等［31］的研究一致；北疆地区春、夏两季SPEI呈不同程度的不显著下降趋势，表明北疆春、夏季呈与整体气候截然相反的干旱化趋势。本研究在对不同尺度的SPEI时间序列进行M-K突变检验时，发现20世纪80年代是北疆整体气候的转变期，这与姜逢清等［32］、罗那那等［33］的研究结果是一致的；虽然之前诸多研究均表明新疆的气候呈暖湿化趋势［34，35］，但姚俊强等［20］最新研究结果显示1997年后新疆气候出现了从暖湿化向暖干化转折的强烈信号，本研究在对北疆春、夏季SPEI时间序列进行 M-K突变检验时，发现其分别在2014年、1997年出现了由湿转干的趋势信号；夏季SPEI于2008年再次发生突变，一改之前长时间的湿润化趋势，转而呈干旱化趋势。在对北疆年及春、夏季SPEI的小波分析中发现，北疆年及春、夏季SPEI在1961—2020年有1～4年的周期性变化，与宋玉鑫等［36］的研究一致，与此同时北疆年SPEI在20世纪90年代另有4～8年的变化周期，春季SPEI在2007—2016年另存在6～8年的变化周期，夏季SPEI在1987—1997年则另存在2～8年的变化周期。在对年及春、夏季各等级干旱站次比的研究中发现，虽然年尺度下各等级干旱影响范围呈不显著缩小趋势，但春、夏两季各等级干旱影响范围却呈不同程度的扩大趋势，与胡文峰等［31］的研究一致，其中夏季极端干旱（重旱、特旱）呈显著上升趋势，这无疑为北疆地区农业灌溉的合理规划及水资源优化管理提出了更高的要求。

因研究时段较长，而更高空间分辨率的遥感气象数据记录均起始于2000年，且诸多分析数据及模式数据在北疆地区的适用性有待考证，故本研究选取了气象站点数据对北疆1961—2020年气象干旱变化特征进行了初步探究。但本研究所用气象站点少且分散，其所展示的特征不能充分代表北疆近50万km2的干湿气候变化的整体情况，若之后对短时间内北疆气象干旱进行探究，则可使用更高空间分辨率的遥感数据产品代替。

4 小结

本研究基于SPEI指标，以年和季为时间尺度，对暖湿化大趋势下北疆1961—2020年的气象干旱演变特征进行探究，结果如下。

1）相较于国家最新气象干旱标准中SPEI指标轻旱（-1.0

2）北疆年尺度气候呈湿润化趋势，但春、夏两季则呈不同程度的干旱化趋势；年尺度下北疆各等级气象干旱的影响范围呈缩小趋势，但春季的轻旱、重旱、特旱及夏季各等级气象干旱的影响范围均有扩大趋势，其中夏季极端气象干旱（重旱、特旱）事件影响范围显著扩大。

3）北疆整体气候于20世纪80年代转变后呈湿润化趋势，且这种趋势在1993—2010年达显著水平。春、夏季气候分别在2014年及1997年出现了由湿转干的趋势信号；夏季气候在1979年及2008年均发生了突变，研究区夏季的干旱情况于1988年开始逐渐得到缓解，但是2008年的突变之后干旱情况又开始逐步加剧。

4）北疆年及春、夏季SPEI在1961—2020年有1～4年的周期性震荡，年SPEI在20世纪90年代另有4～8年的震荡周期，春季SPEI在2007—2016年另存在6～8年的震荡周期，夏季SPEI在1987—1997年则另存在2～8年的震荡周期。

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