基于格點數據的華北地區氣象干旱特征及成因分析

周 丹, 羅 靜, 鄭 玲, 楊春華, 郭 廣

(1.青海省氣象服務中心, 西寧 810001; 2.青海省工程咨詢中心, 西寧 810001)

干旱災害是地球上空間范圍較廣、持續時間較長、對社會經濟和環境影響最嚴重的自然災害，人類從誕生伊始就長期遭受干旱災害的困擾[1]。2007年，IPCC第四次評估報告指出[2]：干旱影響區的范圍將進一步擴大。

中國地處東亞季風區，氣候變率高、災害頻發，據統計中國干旱災害造成的損失占氣象災害經濟損失的50%左右，是中國居于首位的氣象災害[3]，而華北地區旱災平均受災面積占全國受災面積的比例最高，達28%以上[4-5]。華北地區是中國重要的商品糧生產基地，冬小麥播種面積占全國的60%，產量占全國的2/3，干旱成為華北地區糧食產量穩定上升的重要限制因素。為緩解氣象干旱對農作物的影響，抽取地下水灌溉成為了華北地區抗旱保產的主要措施。大面積的抽取地下水，導致地下水水位迅速下降[6-7]，引發了嚴重的水文干旱，使得華北地區成為世界上最大的地下水漏斗區，生態環境日趨惡化，水資源供需矛盾日益尖銳。

針對華北地區嚴重的干旱環境，中國學者開展了一系列的研究[8-13]。張慶云等[8]對近50 a華北干旱的年代和年際變化及大氣環流特征進行了研究，得出20世紀80年代以來華北地區降水持續偏少，干旱發生頻率有所增加的結論；周磊等[11]采用SPI歷史序列的多年滑動平均和滑動標準差方法，解析了華北地區及3種主要地表覆蓋類型區干旱在整個時間序列上的演變周期和幅度，并對干旱的演變趨勢和變化頻度進行了預測；安華[12]利用華北地區1961—2010年逐日氣象資料，分析了華北地區氣候變化背景及旱澇災害的時空變化特征，并通過可公度和蝴蝶結構圖法進行了干旱趨勢判斷，研究認為華北地區氣候整體呈現暖干化的趨勢。基于以上分析，多數學者對華北地區的氣象干旱研究僅停留在時空變化分布差異方面，所選用數據也是單一的氣象站點數據，對不同空間上干旱發生的時間變化特征及氣象干旱成因研究較少。

基于此，本文利用1961—2013年華北地區0.5°×0.5°降水和氣溫格點數據資料，選用適用性和靈敏度較高的標準化降水蒸散指數(SPEI)，分析華北地區不同時間尺度干旱事件發生的時空變化特征，并從大氣環流和全球變化兩個方面分析華北地區氣象干旱的主要成因。本文旨在充分認識華北地區氣象干旱時空變化特征和成因的基礎上，掌握氣象干旱的發生、發展規律，為華北地區干旱評估及水資源管理、提高該地區農業用水(地下水)效率提供科學支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

本文根據研究區域的統一性、整體性以及數據的可獲得性，在綜合考慮華北區位及文章研究內容的情況下，以行政區界限為劃分標準。華北地區就行政區劃而言，包括北京市、天津市、河北省、河南省，山東省、山西省(圖1)，地理坐標為32°—43°N，112°—124°E，總面積約為69.56萬km2。東臨渤海、黃海，西部為太行山、伏牛山山區，北部燕山山區與內蒙古高原相接，南部則為黃淮海大平原，地勢平緩，地形復雜。根據研究所需，依據地區實際環境把華北地區劃分為4個子區域，分別是西北部山地地區、京津冀地區、河南地區和山東半島地區。

圖1 華北地區概況及氣象格點分布

1.2 資料來源

由中國氣象信息中心發布的0.5°×0.5°中國地面降水和氣溫格點數據集(V2.0)利用全國2 474個臺站實測的逐日降水和溫度資料，運用局部薄盤樣條法(TPS)實時生成自1961年以來的中國區域逐日降水和溫度的網格產品[14]。采用的算法除普通的樣條自變量外允許引入線性協變量子模型，只將空間分布作為觀測數據的函數而不需要其先驗知識和物理過程，可以有效提高插值的準確度。所有的格點數據文件進行了嚴格的質量檢測控制、數據核查、數據更正及補錄。根據本研究對華北地區范圍的確定，共選取284個格點進行分析研究。

ENSO數據來源于NOAA官方網站(http:∥www.noaa.gov)，時間序列長度為1961年1月—2013年12月。表征ENSO事件的指標選用熱帶太平洋海表溫度距平(SSTA)，對于SST的監測，赤道中東太平洋被劃分為4個區：Nio 1區(5°S—10°S，90°W—80°W)、Nio 2區(0°S—5°S，90°W—80°W)、Nio 3區(5°S—5°N，150°W—90°W)和Nio 4區(5°S—5°N，160°E—150°W)。其中，Nio3.4區(5°N—5°S，160° W—120°W)涵蓋了赤道中東太平洋的大部海域，該區域能很好地反映海表溫度的變化情況，本研究采用這一海區的SSTA數據來表征ENSO事件[15-18]。

東亞夏季風指數來源于國家氣候中心(http:∥ncc.cma.gov)，時間序列為1961年1月—2013年12月。

1.3 標準化降水蒸散指數

2010年Vicente-Serrano[19]在SPI的基礎上提出了標準化降水蒸散指數(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，該指數基于降水和蒸散，既保留了PDSI考慮蒸散對溫度敏感的特點，又具備SPI適合多尺度、多空間比較的優點，特別適于檢測和監測全球變暖背景下干旱的變化特征，一經提出就被用于各方面的干旱研究。

標準化降水蒸散指數(SPEI)雖然提出較晚，但由于其獨特的優勢，在中國地區的使用速度和范圍非常廣[20-23]。李偉光等[20]首先應用SPEI指數對中國1951—2009年干旱趨勢進行了研究，得出的結果與應用其他干旱指數得出的結果一致；莊少偉[21]在中國不同等級降水區域進行了SPEI的適用性研究，并對各區域干旱化特征進行了分析，研究結果表明該指數適用性較好。故本文研究采用SPEI來表征華北地區氣象干旱發生狀況，指數詳細計算方法見參考文獻[20-23]。

2 華北地區干旱特征分析

2.1 華北地區干旱時間分布特征

分析近53 a來華北地區不同區域干旱覆蓋面積變化(圖2)，可以發現：年、春、夏、秋、冬及月尺度上均有干旱發生。其中，夏季干旱最為嚴重，冬季和秋季次之。在年代際變化方面，華北地區以20世紀90年代干旱最為嚴重，2000年以來的干旱次之(圖2)。

1961—2013年，西北部山地地區干旱發生比較嚴重的時期是20世紀90年代及其后的10余年(圖2A)，期間全區年干旱發生覆蓋面積達到60%以上的有8 a。西北部山地地區的秋旱最嚴重，近53 a秋季平均干旱發生覆蓋面積是4個分區中最高的，達到了33.2%；京津冀地區干旱發生比較嚴重的時期是20世紀90年代及其后的10余年(圖2B)，期間全區年干旱發生覆蓋面積達到60%以上的有14 a。京津冀地區近53 a年平均干旱發生覆蓋面積是4個分區中最高的，達到了33.8%，表明京津冀地區干旱發生強度相對較強。京津冀地區的春旱和冬旱最嚴重，近53 a春季和冬季平均干旱發生覆蓋面積是4個分區中最高的，分別達到了33.0%,35.4%；河南地區干旱發生比較嚴重的時期是20世紀90年代(圖2C)，期間全區年干旱發生覆蓋面積達到60%以上的有8 a。河南地區近53 a年平均干旱發生覆蓋面積是4個分區中最低的，為31.9%。河南地區的夏旱最嚴重，近53 a夏季平均干旱發生覆蓋面積是4個分區中最高的，達到了35.2%；山東半島地區干旱發生比較嚴重的時期是20世紀80，90年代(圖2D)，期間全區年干旱發生覆蓋面積達到60%以上的有12 a。山東半島地區四季干旱發生覆蓋面積基本一致，全年不同季節的干旱發生狀況基本一致。

2.2 華北地區干旱空間分布特征

附圖3是通過SPEI計算得到的華北地區干旱發生頻率空間分布圖，可見，華北地區年尺度干旱發生頻率呈現北高南低的分布規律，這與榮艷淑等[24]的研究結果基本一致。年尺度干旱發生頻率最大值出現在青龍和遵化地區(附圖3A)，達41%以上。河北北部和河南南部地區的年干旱發生頻率也相對較高，為34%～40%；發生頻率最小值出現在鄭州地區，不足25%。山東半島、山西、河南北部和河北南部地區的年干旱發生頻率為25%～33%。

春旱主要發生在太行山以西、京津冀東部、河南西北部及山東西北部地區(附圖3B)。春旱發生頻率最大值出現在河曲地區，達41%以上。太行山以西、京津冀東部、河南西北部及山東西北部其余地區的發生頻率在34%～39%左右；發生頻率最小值出現在安陽和青島地區，不足25%。華北平原西部、河南東南部及山東半島中部地區發生頻率在27%～33%左右。夏旱主要發生在河南、山西西部及華北平原中部地區(附圖3C)。夏旱發生頻率最大值出現在保定地區，達43%以上。河南、山西西部及華北平原中部其余地區的發生頻率在30%～41%左右；頻率最小值出現在泰山地區，不足23%。山西東部、河北南部及山東半島地區發生頻率在25%～30%左右，地區間差異較小。秋旱主要發生在山西、河南西北部和東南部、山東半島西部地區(附圖3D)。秋旱發生頻率最大值出現在固始地區，達39%以上。山西、河南西北部和東南部、山東半島西部其余地區的發生頻率在30%～38%左右；頻率最小值出現在信陽地區，不足23%。河南中部、山東半島南部及華北平原中東部地區的發生頻率為24%～30%。冬旱主要發生在太行山以東的華北平原、山東半島及河南南部地區(附圖3E)。冬旱發生頻率最大值出現在邢臺地區，達43%以上。太行山以東的華北平原、山東半島及河南南部其余地區的發生頻率為35%～41%；頻率最小值出現在太原和懷來地區，不足25%。河南南部、西北部山地地區的發生頻率在26%～34%左右。

圖2 1961-2013年華北地區逐月氣象干旱時間分布

由附圖3F可以看出，月尺度干旱發生頻率地區間差異相對較小，干旱主要發生在山東半島、河北南部及山西中部地區。月尺度干旱發生頻率最大值出現在榆社地區，達37%以上。山東半島、河北南部及山西中部其余地區的發生頻率為34%～37%；頻率最小值出現在蔚縣地區，不足32%。河南地區、河北北部和山西北部地區的發生頻率為32%～34%。

3 華北地區干旱成因分析

3.1 ENSO事件的影響

ENSO事件是指中、東太平洋海表面大范圍持續異常偏暖(冷)現象，往往選取海溫距平值和氣候特征值作為判定其強弱的標準[25]。本文研究選擇Nio3.4區的SSTA數據來表征ENSO事件。判別暖(冷)事件的方法是：當SSTA持續6個月高于0.5℃(允許中斷1個月)時，定義為1次El Nio事件(暖事件)；反之，持續6個月低于-0.5℃(允許中斷1個月)時，定義為1次La Nia事件(冷事件)。根據李曉燕等[26]對ENSO事件的指標劃分，將El Nio事件年強弱程度按照極強、強(3)、中等(2)、弱、極弱(1)，La Nia事件年強弱程度按照極強、強(-3)、中等(-2)、弱、極弱(-1)的標準，把ENSO事件分為不同的強度等級，未受ENSO事件影響的年份強度為0。

依據李曉燕等[26]對ENSO事件的指標劃分，統計了1961—2013年暖(冷)事件的發生次數及強度(表1)。由統計數據可以看出，1961—2013年ENSO暖事件共發生13次，事件年16 a，發生概率為30.19%；ENSO冷事件共發生15次，事件年22 a，發生概率為41.51%。按照發生強度統計顯示，3級2次，2級4次，1級7次，-1級7次，-2級4次，-3級4次。

通過對華北地區不同區域1961—2013年降水量、氣溫和ENSO事件強度進行6次多項式擬合，獲得了兩者變化的趨勢(圖3—4)。西北部山地地區ENSO事件強度與降水量的相關性較弱(圖3A)，只在部分年份強度增強時降水量下降，減弱時降水量上升。ENSO事件強度與氣溫呈顯著的正相關性(圖4A)，強度增大時溫度有上升趨勢，減小時溫度有下降趨勢。其中El Nio對氣溫有抬升的趨勢，La Nia對氣溫有降低的趨勢。由此表明，El Nio現象對干旱發生的誘導影響遠大于La Nia現象。京津冀地區ENSO事件強度與降水量呈顯著的負相關性(圖3B)，強度增大時降水量下降，減弱時降水量上升。ENSO事件強度與氣溫呈顯著的正相關性(圖4B)，強度增大時溫度有上升趨勢，減小時溫度有下降趨勢。其中El Nio對氣溫有抬升的趨勢，La Nia對氣溫有降低的趨勢。由此表明，El Nio現象對干旱發生的誘導影響遠大于La Nia現象。河南地區ENSO事件強度與降水量的相關性較弱(圖3C)，只在部分年份強度增大時降水量下降，減弱時降水量上升。ENSO事件強度與氣溫呈顯著的正相關性(圖4C)，強度增大時溫度有上升趨勢，減小時溫度有下降趨勢。其中El Nio對氣溫有抬升的趨勢，La Nia對氣溫有降低的趨勢。由此表明，El Nio現象對干旱發生的誘導影響遠大于La Nia現象。山東半島地區ENSO事件強度與降水量的相關性較弱(圖3D)，只在部分年份強度增大時降水量下降，減弱時降水量上升。ENSO事件強度與氣溫呈顯著的正相關性(圖4D)，強度增大時溫度有上升趨勢，減小時溫度有下降趨勢。其中El Nio對氣溫有抬升的趨勢，La Nia對氣溫有降低的趨勢。由此表明，El Nio現象對干旱發生的誘導影響遠大于La Nia現象。

表1 1961-2013年發生的ENSO事件

圖3 華北地區1961-2013年降水量與ENSO事件發生強度的關系

3.2 全球變化的影響

3.2.1 快速城市化對華北地區干旱的影響 華北地區是中國城市分布最密集、人口密度最大的地區之一。近年來，隨著城市化的快速推進，其對氣候造成的影響越來越顯著。城市擴展在很大程度上改變了城市下墊面的熱力學特征，導致不同地區溫度的普遍升高，降水量的普遍減少，從而相應地增加城市及其周邊地區氣象干旱災害的發生[27]。

圖4 華北地區1961-2013年平均氣溫與ENSO事件發生強度的關系

城市化對氣溫的影響主要表現在其對最高氣溫、最低氣溫、極端溫度等多種指標的時空差異影響。美國科學家Kalnay等[28]通過對美國本土的地表溫度和過去50 a內全球天氣觀測結果進行對比分析，發現一半的氣溫日較差下降可以歸結于城市化以及其他土地利用與覆被變化，從而表明城市化對區域氣溫變化確實存在著顯著影響；周雅清等[29]通過分析和對比華北地區國家站與鄉村站1961—2008年極端氣溫指數的變化趨勢發現，近48 a來與最低氣溫相關的指數時間序列變化趨勢國家站較鄉村站顯著，城市化加劇了冷指數日數的減少和暖指數日數的增加，同時也使最低氣溫的極值明顯升高，與最低氣溫相關的指數城市化影響比與最高氣溫相關的更顯著；任國玉等[30]利用1962—2011年逐日平均、最低和最高氣溫資料，對比分析了石家莊站和藁城站日平均、最低和最高氣溫的概率分布特征。研究結果表明，城市化致使石家莊站近50 a平均、最低和最高氣溫的概率密度分布向高溫方向偏移，其中對最低氣溫分布的影響尤為明顯。受城市化的影響，石家莊站最低氣溫概率密度分布的高溫部分增溫比低溫部分增溫更加顯著。這些研究均表明，城市化對華北地區氣溫的上升影響巨大，對氣象干旱的發生有明顯的促進作用。

城市化對降水的影響也很顯著，其對降水的影響與平均風速的影響密切相關。首先，城市下墊面粗糙度的增加使得近地面擾動風速減弱，而不斷增高、密度不斷加大的建筑物對氣流的阻滯作用也使得城區平均風速呈減少趨勢。另一方面城市交通及人口密度的增加導致人為熱排放加大，這直接影響到地表感熱通量的變化。以北京和石家莊為例，對華北地區2個典型的快速城市化地區的年降水量進行分析，研究發現降水量年際變化較大，且呈逐漸減小趨勢(圖5)。其中，北京站年平均降水量以11.99 mm/10 a的速率減少(圖5A)，石家莊站以2.78 mm/10 a的速率減少(圖5B)。

3.2.2 全球變暖對華北地區干旱的影響 地球氣候系統包括大氣、海洋、冰雪圈、陸地圈和生物圈，是人類生存生活的空間。近年來，全球變暖引起的氣候異常現象增多，氣象災害頻發，給人類的生命財產安全造成了重大的損失。全球變暖不僅會引起全球氣候平均態的變化，也進而會引起氣候變率(如厄爾尼諾和南方濤動、太平洋和大西洋年代際變化、熱鹽環流等)的變化。

Merryfield等[31]采用IPCC第4次評估報告中的15種氣候耦合模型，模擬了在CO2濃度增加1倍的情況下ENSO事件的變化狀況。其中，3種耦合模型在0.1顯著性水平下表現出ENSO變化幅度顯著增強，5種耦合模型在0.1顯著性水平下表現出ENSO變化幅度顯著減小。發現ENSO變化幅度顯著增強(減小)的耦合模型都具有寬(窄)的ENSO緯向風應力響應，這些模型均表現出ENSO周期將縮短5%，但是ENSO振幅可能減弱也可能增加。ENSO事件與華北地區部分區域降水量呈顯著的負相關性，與氣溫呈顯著的正相關性。隨著ENSO周期的縮短，ENSO事件發生的頻率將明顯增加，將顯著影響華北地區降水量的減少和氣溫的上升，進一步促進華北地區氣象干旱的發生。POD作為北太平洋年代際變化的主模態，會影響北太平洋、東亞和北美的氣候，影響相對短周期的氣候變率(比如ENSO)。人類活動排放的溫室氣體增加引起的全球變暖使得整個地球氣候系統正在進行不可逆轉的變化。方長芳[32]使用FOAM和IPCC AR4模式的全球變暖對比試驗，研究了SST和500 hPa位勢高度的年代際標準差變化，還研究了SST、熱含量和位勢高度等物理量的POD模態(EOF或SVD第一模態)的頻率和振幅變化。研究結果表明，在全球變暖背景下，北太平洋年代際變化減弱，POD頻率向高頻移動，黑潮延伸體和副極地海洋西部的SST年代際變率振幅減弱最明顯。SST和500 hPa位勢高度的年代際標準差降低，其在北太平洋SST年代際變化標準差減少約0.05～0.2℃，減少比率約20%～40%。北太平洋年代際變化減弱導致東亞夏季風強度減弱，其直接導致華北地區夏季降水量的減少。

圖5 北京和石家莊1961-2013年年平均降水量變化趨勢

4 結 論

(1) 華北地區年、春、夏、秋、冬及月尺度上均有干旱發生。夏季干旱最為嚴重，冬季和秋季次之。在年代際變化方面，華北地區以20世紀90年代干旱最為嚴重，2000年以來的干旱次之。在空間分布方面，華北地區年尺度干旱發生頻率呈現北高南低的分布規律，這與降水分布特征剛好相反。就四季而言，干旱主要發生在河南西北部及東南部、山東半島西北部、山西、河北中南部及京津冀地區。

(2) 從大氣環流變化方面來看，影響華北地區氣象干旱發生的原因主要是ENSO事件的影響。通過對華北地區不同區域1961—2013年降水量、氣溫和ENSO事件強度進行擬合研究發現，西北部山地、河南和山東半島地區ENSO事件強度與降水量的相關性較弱，而京津冀地區ENSO事件強度與降水量呈顯著的負相關性，強度增大時降水量下降，減弱時降水量上升。在整個華北地區ENSO事件強度與氣溫呈顯著的正相關性，強度增大時溫度有上升趨勢，減小時溫度有下降趨勢。其中El Nio對氣溫有抬升的趨勢，La Nia對氣溫有降低的趨勢。由此表明，El Nio現象對華北地區干旱發生的誘導影響遠大于La Nia現象。從全球變化方面來看，影響華北地區氣象干旱發生的原因主要是快速城鎮化和全球變暖。