基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)的呼倫貝爾草原干旱變化特征及趨勢分析

張 欽,唐海萍,崔鳳琪,戴路煒

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100875

干旱作為一種反復(fù)出現(xiàn)的極端氣候事件,對農(nóng)牧業(yè)、水資源以及自然和社會生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了許多負(fù)面影響[1]。據(jù)國際災(zāi)害數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計,1960—2016年全球因干旱造成的損失平均每年約2210億美元。然而,隨著全球變暖強度的增加,干旱的發(fā)生頻率和持續(xù)時間正在呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢[2- 3],全球陸地的極端干旱面積也在不斷擴大[4],其中以亞歐大陸和非洲大陸最為顯著[5- 6]。大量的事實已經(jīng)揭示了近幾十年中國干旱發(fā)生頻率、持續(xù)時間和范圍不斷擴大的事實[7],尤其是發(fā)生在我國北方地區(qū)的重度和極端干旱事件更加頻繁[8- 10]。此外,旱災(zāi)的發(fā)生區(qū)域也開始不斷地向我國南部和東部的濕潤、半濕潤地區(qū)擴展[11],這種趨勢可能繼續(xù)在21世紀(jì)持續(xù)下去[12]。有研究發(fā)現(xiàn),如果中國不對干旱災(zāi)害給予應(yīng)有的重視和積極有效的應(yīng)對,到2030年,僅中國東北地區(qū),就可能造成3500萬農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入損失一半以上[13]。

干旱指標(biāo)是干旱監(jiān)測的基礎(chǔ)與核心。為了評估氣候干旱的頻率、持續(xù)時間、嚴(yán)重程度和空間范圍,已經(jīng)開發(fā)了數(shù)百個干旱指數(shù)[14]。對于同一干旱事件的特征,不同的干旱指數(shù)因所需變量和計算方法差異,使其結(jié)果也不盡相同。干旱指標(biāo)均是建立在特定的時空范圍內(nèi),有其相應(yīng)的尺度[15],因為在不同流域和地區(qū),干旱變化特征及表現(xiàn)會因降水、氣溫、土壤水文等因素的空間分異而存在較大差異,因此,研究干旱指數(shù)的區(qū)域適用性具有重要的科學(xué)意義[16]。然而,對于何種干旱指數(shù)能夠充分表征干旱條件方面,學(xué)術(shù)界目前并未達成共識。但是,有一些干旱指數(shù)更受歡迎,例如由McKee等[17]提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI不僅計算簡單,且能較好地反映不同時間尺度和不同區(qū)域的干旱狀況。然而,在全球變暖的情況下,SPI僅考慮降水資料,未考慮影響干旱的其他因素如溫度、蒸散等,限制了該方法進一步的適用。此外,考慮了溫度和前期天氣條件對干旱的影響的Palmer干旱指數(shù)(PDSI, Palmer Drought Severity Index),其物理機制較為明確,非常適用于干旱對全球變暖響應(yīng)的研究[18],但其計算繁雜,對資料要求較高,部分參數(shù)只能靠經(jīng)驗估計,致使計算精度大大降低。加之時間尺度固定(9—12個月之間)而無法有效地應(yīng)用于干旱的多時間尺度研究中[19]。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI,Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)是Vicente-Serrano[20]為檢測全球干旱分布狀況,在SPI指數(shù)的基礎(chǔ)上提出的,可以反映干旱的持續(xù)時間和積累,擁有多尺度特征和能夠衡量溫度變化對干旱影響的雙重優(yōu)點,使其成為評估、監(jiān)測和評估全球變暖背景下干旱的理想指標(biāo)[21- 23]。已有學(xué)者基于SPEI方法評價了中國西北[24-25]、西南[26]、東北[27-28]、華中[29]和華北[30]等區(qū)域的干旱時空格局,并得到了較好的驗證。

呼倫貝爾草原作為亞歐大陸草原景觀的一部分[31],擁有森林、草原、疏林沙地和沼澤濕地等多種生態(tài)系統(tǒng)類型,是全球氣候變化過程中的生態(tài)敏感區(qū)和脆弱區(qū)[32-33]。同時,該區(qū)也是我國北方地區(qū)重要的防風(fēng)固沙和水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)、京津上游的生態(tài)屏障區(qū)、生物多樣性維持區(qū)和重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地[34]。然而,干旱是生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力變化的重要驅(qū)動因素[35],尤其在干旱和半干旱地區(qū),干旱還可能引發(fā)一系列的環(huán)境問題[36-37],以及包括食物安全、環(huán)境難民、經(jīng)濟發(fā)展等農(nóng)牧業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱等社會經(jīng)濟問題。近年來呼倫貝爾草原區(qū)的氣候變化,尤其是干旱的頻發(fā)對該區(qū)草原畜牧業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了重大影響,集中表現(xiàn)在草地群落結(jié)構(gòu)簡單化、物種多樣性減少、土地沙化不斷擴展、鼠蟲害頻發(fā)等[34,38]。因此,對呼倫貝爾草原氣象干旱發(fā)生的特征進行準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測,不僅可為該區(qū)農(nóng)牧業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱提供研究背景[39]和干旱風(fēng)險的管理依據(jù)[40],還可為該區(qū)農(nóng)牧民生活的改善以及生態(tài)環(huán)境的保護提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部,大興安嶺以西,位于47°05′—53°20′N,115°31′—123°00′E。行政范圍包括海拉爾市、滿洲里市、陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、鄂溫克族自治旗,總面積約83350 km2。其中,陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、鄂溫克族自治旗是著名的牧業(yè)四旗,四旗的草原面積占到全市草原總面積的90%以上。

呼倫貝爾草原處于干旱半干旱、季風(fēng)與非季風(fēng)以及農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的過渡地帶[41-42],地形為平坦、遼闊、波狀起伏的高平原,海拔在650—700 m。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,春季干旱少雨,大風(fēng)頻發(fā)；夏季溫涼短促,水熱集中；秋季降溫迅速,日溫差大,秋霜早；冬季嚴(yán)寒漫長,冷空氣活動頻繁。各區(qū)域間氣候差異較小,年均溫約-1.0—1.0℃,年均降水量250—350 mm。該區(qū)植被類型復(fù)雜多樣,草原植物資源約1000余種,是歐亞草原的重要組成部分[31]。該區(qū)東部由于受到大興安嶺山地的影響,氣候較濕潤,屬于森林草原交錯帶；從大興安嶺西麓向西至呼倫湖方向,植被類型由森林草原,草甸草原過渡到典型草原。呼倫貝爾草原區(qū)域分布著額爾古納河、根河、海拉爾河、伊敏河等河流,以及零星分布的大小湖泊,河流和湖泊沿岸一般發(fā)育各類型草甸或者沼澤[43]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

圖1 研究區(qū)Fig.1 The study area

氣象及災(zāi)情數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://data.cma.cn/),該數(shù)據(jù)集已經(jīng)過基本的質(zhì)量控制,包括氣候極值范圍檢查、內(nèi)部一致性檢查和時間一致性檢查,數(shù)據(jù)可靠性和連續(xù)性均能滿足研究的需求。本文選取呼倫貝爾典型草原和草甸草原區(qū)的4個氣象站點(圖1)1960—2017年的逐月降水量及月均氣溫：海拉爾(49.22°N,119.75°E)、滿洲里(49.57°N,117.43°E)、新巴爾虎左旗(48.22°N,118.27°E)和新巴爾虎右旗(48.67°N,116.82°E)。此外,為驗證本文計算的SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原區(qū)的有效性,選取了1960—1999年我國重大干旱(重旱、特大旱)災(zāi)害事件以及滿洲里和鄂溫克族自治旗的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)情旬值數(shù)據(jù)和2005—2016年《中國氣象災(zāi)害年鑒》干旱事件發(fā)生的記錄作為驗證。

2.2 方法

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是降水量與潛在蒸散發(fā)量差值序列的累積概率做正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。為了揭示以草原生態(tài)系統(tǒng)為主(天然草場面積占研究區(qū)總面積的80%以上)的區(qū)域整體干旱特征,對差異較小的4個氣象站點逐月的氣溫和降水取均值來計算其標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)。在驗證該指數(shù)表征呼倫貝爾草原區(qū)干旱事件發(fā)生的有效性時,則分別計算各站點的SPEI指數(shù)。SPEI指數(shù)是降水量與潛在蒸散發(fā)量差值序列的累積概率做正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。首先,采用Thornthwaite法計算潛在蒸散量,然后計算逐月降水和蒸散的差值,并建立不同時間尺度的水分盈虧累積序列。由于原始數(shù)據(jù)序列中可能存在負(fù)值,所以,采用3參數(shù)的Log-logistic概率分布對累積概率密度進行標(biāo)準(zhǔn)化,最終計算得出SPEI值,計算過程如下[19]：

首先,計算潛在蒸散量(PET),Vicente-Serrano推薦使用Thornthwaite方法：

(1)

(2)

式中,PET為潛在蒸散量；Ti為月平均溫度；H為年熱量指數(shù)；A為常數(shù),由H決定,A=0.49+0.179H-0.0000771H2+0.000000675H3。

其次,計算逐月降水量與蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi

(3)

式中,Di為降水量與蒸散量的差值,Pi為月降水量,PETi為月蒸散量。

第三,采用3個參數(shù)的Log-logistic概率分布對Di數(shù)據(jù)序列進行正態(tài)化,計算每個數(shù)值對應(yīng)的SPEI指數(shù)：

(4)

其中,參數(shù)α、β、γ的計算如下：

(5)

(6)

γ=ω0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(7)

其中,Γ為階乘函數(shù),ω0、ω1、ω2為數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩：

(8)

(9)

N為參與計算的月份數(shù)。

最后對累計概率密度進行標(biāo)準(zhǔn)化：

P=1-F(x)

(10)

當(dāng)累計概率P≤0.5時：

(11)

(12)

式中,常數(shù)c0,c1,c2,d1,d2,d3同SPI計算過程,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。

由于該方法是基于“歷史同月的累積水分虧缺量服從Log-logistic分布”這一假設(shè),因此,為了驗證呼倫貝爾草原累積水分虧缺量是否符合Log-logistic分布,本文對1個、3個和12個月尺度下的累積水分虧缺量序列與Log-logistic分布進行了K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗。結(jié)果表明,在1個、3個和12個月尺度下,K-S檢驗的概率P值(分別為0.241、0.167、0.508)均大于顯著性水平α=0.05,沒有足夠理由拒絕零假,即累積水分虧缺量樣本來自Log-logistic分布總體。因此,可判定該序列來自Log-logistic分布總體,基于該分布的SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原干旱表征上具備數(shù)學(xué)統(tǒng)計理論基礎(chǔ)。

此外,為了反映研究區(qū)干旱過程的細(xì)節(jié)與總體特征,分析各個站點月、季以及年際干旱演變特征(分別記作SPEI- 1、SPEI- 3和SPEI- 12)。3個月時間尺度SPEI與草原生長季的關(guān)系密切；12個月時間尺度SPEI能較清晰的反映長期干旱變化特征,因此,本文以3個月為時間尺度(SPEI- 3)的5月、8月、11月和次年2月作為表征春季、夏季、秋季、冬季，12個月為時間尺度的SPEI(SPEI- 12)表征年際干旱,并參照相關(guān)文獻[19,23]對干旱等級進行了劃分(表1)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)干旱等級劃分

SPEI：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) Standardized Precipitation Evapotranspiration Index

2.2.2Hurst指數(shù)和R/S分析法

Hurst指數(shù)通常是用來分析時間序列的分形特征和長期記憶過程。它是由Hurst在分析尼羅河水文數(shù)據(jù)時提出的,經(jīng)常用于分析長時間序列相關(guān)性。其中,R/S分析法(也被稱為重標(biāo)極差分析法)被廣泛用于計算H指數(shù)。R/S原理簡述如下[44]：

設(shè)有時間序列,{ξ(t)},t=1,2,3…,對于任意正整數(shù)≥1,有均值序列：

(1)

由此求得累計離差：

(2)

極差R定義為：

R(τ)=maxX(t,τ)-min(t,τ),1≤t≤τ=1,2,…

(3)

標(biāo)準(zhǔn)差S定義為：

(4)

R、S、τ滿足一般關(guān)系式：

(5)

式中,c為常數(shù)；R(τ)/S(τ)為重標(biāo)極差；H為Hurst指數(shù)。

H范圍從0到1。當(dāng)H=0.5時,表明該時間序列為隨機序列；H>0.5時表示該過程具有連續(xù)特性,并且未來趨勢與過去趨勢一致,而H<0.5時則表示未來趨勢與過去趨勢相反。

2.2.3其他方法

采用氣候傾向率法研究SPEI的時空變化趨勢,Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗用于研究SPEI時間序列的突變,Morlet小波分析用于計算本研究中干旱發(fā)生的周期性。

3 結(jié)果分析

3.1 呼倫貝爾草原氣候變化趨勢

圖2 1960—2017年呼倫貝爾草原年均降水量與氣溫變化 Fig.2 Annual average precipitation and temperature changes in Hulun Buir Grassland from 1960 to 2017

由圖2可知,1960—2017年呼倫貝爾草原多年平均降水量為286.66 mm,且以3.65 mm/10a的速率呈不顯著減少趨勢,其中,1986年和1998年分別是近58年來該區(qū)域降水量最少和最多的兩個年份,年均降水量分別為137.4 mm和567.225 mm。過去58年該區(qū)域多年平均氣溫為-0.06℃,并以0.35℃/10a的速率呈上升趨勢(P<0.001),其中,1969年和2007年分別是過去58年來該區(qū)域年平均溫度最高和最低的年份,其值分別為-2.30℃和2.31℃。

由圖3可知,過去58年呼倫貝爾草原春季多年平均降水量為32.68 mm,占年平均降水量的11.40%,并以1.75 mm/10a的速率呈不顯著增多趨勢,最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1972年(6.65 mm)和2005年(68.6 mm)的春季。過去58年該區(qū)域多年春季平均氣溫為1.58℃,并以0.46℃/10a的速率呈上升趨勢(P<0.001)。其中,1966年和1998年分別是多年春季平均氣溫的最低值和最高值,分別為-1.77℃和5.08℃。同樣地,夏季多年平均降水量為202.72 mm,占年平均降水量的70.72%,過去58年以7.75 mm/10a的速率呈減少趨勢,最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是2016年(80.05 mm)和1998年(432.68 mm)。該區(qū)域夏季多年平均氣溫為19.28℃,過去58年以0.39℃/10a的速率呈上升趨勢(P<0.001),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1983年(17.44℃)和2001年(22.12℃)的夏季。

秋季多年平均降水量為43.42 mm,占年平均降水量的15.15%,過去58年以1.142 mm/10a的速率呈增加趨勢,最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1986年(4.8 mm)和1998年(103.55 mm)。該區(qū)域秋季多年平均氣溫為0.25℃,過去58年以0.28℃/10a的速率呈上升趨勢(P=0.002),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1981年(-1.68℃)和2004年(2.79℃)。冬季多年平均降水量為7.82 mm,占年平均降水量的2.73%,過去57年以1.33 mm/10a的速率呈增加趨勢(P<0.001),最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1973年(1.9 mm)和2012年(17.925 mm)。該區(qū)域冬季多年平均氣溫為-21.34℃,過去57年以0.24℃/10a的速率呈不顯著上升趨勢,最低值和最高值出現(xiàn)的年份分別是1986年(-26.59℃)和2004年(-17.35℃)。

圖3 1960—2017年呼倫貝爾草原春、夏、秋、冬季節(jié)平均降水量與氣溫變化Fig.3 Seasonal precipitation and temperature changes during the spring, summer, autumn, and winter seasons in Hulun Buir Grassland from 1960 to 2017

3.2 SPEI 指數(shù)的年際變化特征

圖4為呼倫貝爾草原平均SPEI指數(shù)年際變化及其Mann-Kendall (M-K)檢驗曲線。呼倫貝爾草原的年尺度的SPEI值在1960—2017年間呈下降趨勢,線性傾向率為-0.218/10a(P<0.01),表明,近58年來呼倫貝爾草原呈干旱化趨勢,其中,1999年和2001年分別是該地區(qū)近58年來最濕潤和最干旱的兩個年份,其SPEI值分別為2.012和-2.284。UF曲線顯示近58年呼倫貝爾草原平均SPEI指數(shù)經(jīng)歷了下降上升和下降的趨勢,其中UF值在1984—1994年間(除了1986和1987年)為正值,表明SPEI指數(shù)在此期間總體呈上升趨勢,1984年之前以及1994年之后,UF值均小于0,尤其是2004年之后,UF曲線超出了0.05的置信區(qū)間,說明SPEI指數(shù)下降的趨勢顯著。在置信區(qū)間內(nèi),UF和UB曲線相交于1998年,說明1998年是SPEI指數(shù)突變的開始,也表明了呼倫貝爾草原自1998年之后干旱開始加劇。

圖4 1960—2017 年呼倫貝爾草原平均 SPEI 指數(shù)年際變化及 M-K 突變檢驗Fig.4 Interannual variation and Mann-Kendall test of average SPEI in Hulun Buir Grassland for 1960—2017SPEI：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) Standardized Precipitation Evapotranspiration Index；M-K: Mann-Kendall； UF, Forward Standard normal distribution;UB, Backward Standard normal distribution; 在給定顯著性水平a=0.05,統(tǒng)計量UF和UB的臨界值為±1.96;UF>0,表示序列呈上升趨勢；反之,呈下降趨勢,大于或小于±1.96,表示上升或下降趨勢顯著

圖5為呼倫貝爾草原季節(jié)尺度的SPEI指數(shù)年際變化及M-K突變檢驗。由春季SPEI指數(shù)的年際變化可知,近58年來該地區(qū)春季呈干旱化趨勢,其SPEI指數(shù)為-0.142/10a(P=0.05),2005年和2017年分別是最濕潤和最干旱的兩個年份,其SPEI值分別為1.564和-2.077。在顯著性水平0.05的臨界線之間,UF、UB曲線相交于1982年,這是呼倫貝爾草原春季干旱突變的開始。由夏季SPEI指數(shù)的年際變化可知,1960—2017年間呼倫貝爾草原夏季呈現(xiàn)顯著的干旱化趨勢(P<0.01)。其中,1998年和2006年的夏季是最濕潤和最干旱的兩個年份,其SPEI指數(shù)分別為2.023和-1.9。由M-K檢驗可知,1998年是呼倫貝爾草原夏季干旱突變的開始。由秋季SPEI指數(shù)的年際變化可知,呼倫貝爾草原近58年秋季呈現(xiàn)不顯著干旱化趨勢。其中,1970和2007年的秋季是最濕潤和最干旱的兩個年份,其SPEI指數(shù)分別為1.6和-2.333。UF和UB曲線交于1995年,可知1995年是呼倫貝爾草原秋季干旱突變的開始。由冬季SPEI指數(shù)的年際變化可知,呼倫貝爾草原近58年冬季呈現(xiàn)濕潤化趨勢,其中,1973年和2012年的冬季分別是最干旱和最濕潤的兩個年份,其SPEI指數(shù)分別為-1.960和1.665。UF和UB曲線交于1998年,可知1998年冬季是呼倫貝爾冬季濕潤化突變的開始。

圖5 1960—2017 年呼倫貝爾草原季節(jié)尺度的SPEI指數(shù)年際變化及M-K突變檢驗Fig.5 Interannual variation and M-K mutation test of SPEI index at the seasonal scale in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

3.3 干旱事件頻率分析

根據(jù)表1中SPEI指數(shù)評估等級,統(tǒng)計了近58年呼倫貝爾草原4個站點每月的SPEI值,得到該區(qū)域不同年代干旱發(fā)生的頻率和不同季節(jié)干旱發(fā)生頻次(圖6)。容易看出,1960—2017年呼倫貝爾草原不同等級干旱發(fā)生的頻率均呈增加趨勢,其中,中旱發(fā)生頻率最高,重旱次之,極旱最少。此外,在1960s、1970s、1980s和1990s,中旱占同年代發(fā)生干旱的比率在74.16%—78.87%,而在21世紀(jì)初的18年,中旱發(fā)生頻率的占比下降到55.05%,同時,與其他年代相比,該時期也是中旱及以上等級干旱發(fā)生頻率最高的年代。可見,21世紀(jì)初期該區(qū)域不但干旱發(fā)生頻率增加,而且發(fā)生重旱和極旱的頻率顯著提高。例如,2000—2017年極旱發(fā)生頻率為12.96%,顯著高于其他年代,而重旱發(fā)生頻率為32.41%,是發(fā)生最少年代(1970s)的4倍。

就不同季節(jié)干旱發(fā)生頻次而言,過去58年來,夏季發(fā)生的干旱頻次最多,為123次,其次為冬季(120次),春季(116次)和夏季(112次),但總體而言差異不大。從不同等級干旱在4個季節(jié)的分布可以看出,中旱均是發(fā)生頻次最多的干旱,重旱次之,極旱最少。此外,冬季是發(fā)生中旱次數(shù)最多的季節(jié)(75次),夏季是發(fā)生重旱最多的季節(jié)(45次),秋季是發(fā)生極旱次數(shù)最多的季節(jié)(21次)。

3.4 干旱趨勢分析

3.4.1Morlet小波分析

對呼倫貝爾草原1960—2017年間的年尺度與季節(jié)尺度的SPEI值進行了小波分析,選用了水文氣象常用的Morlet連續(xù)復(fù)小波變換,其中,小波系數(shù)大小表示信號強弱,等值線中心為正表示該年份偏濕(干旱化指數(shù)偏高),為負(fù)則表示該年份偏旱。由圖7的小波系數(shù)等值線圖及小波方差圖可知,在年尺度上,明顯存在著8—11年和17—19年的短周期和40—50年的長周期。其中,在17—19年的時間尺度上出現(xiàn)4次明顯的旱濕交替；8—11年的尺度上有明顯的7次旱濕交替,40—50年尺度上有1次明顯的旱濕交替。結(jié)合小波方差圖得知,在8年、11年、18年、30年和44年時間尺度上震蕩明顯,且44年、11年和8年分別為第一主周期和第二、三周期。由于當(dāng)前(2017年)的小波系數(shù)圖在44年長周期和11年短周期上并未閉合,說明呼倫貝爾草原在11年短期內(nèi)將持續(xù)偏旱趨勢,而在44年長周期上將持續(xù)偏濕趨勢。

圖6 1960—2017年呼倫貝爾草原不同年代干旱發(fā)生頻率和不同季節(jié)干旱發(fā)生頻次Fig.6 Frequency of drought in different decades and four seasons in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

圖7 1960—2017 年呼倫貝爾草原年尺度 SPEI 指數(shù)小波分析圖Fig.7 Wavelet analysis of SPEI index at the year-scale in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

從圖8可以發(fā)現(xiàn),呼倫貝爾草原近58年的春季SPEI在4—6年、10—12年、20—25年和43—48年尺度上存在著明顯的高低值交替現(xiàn)象,且由小波方差可以看出,22年、4年和44年分別為第一主周期和第二、三周期。在22年的主周期上,1960—2017年,呼倫貝爾草原春季SPEI經(jīng)歷了4次旱濕交替的周期,且當(dāng)前該區(qū)春季正處于旱濕交替的過渡時期,未來短期內(nèi)仍將有偏旱的趨勢。從夏季SPEI的小波系數(shù)和小波方差圖容易發(fā)現(xiàn),該區(qū)明顯存著9年、17年和44年的震蕩周期,其中,在44年周期上的信號最強,為第一主周期,9年和17年分別為第二、三周期。在44年尺度上,該區(qū)域夏季目前處于偏濕期,且有持續(xù)偏濕的趨勢；在9年和17年尺度上,該區(qū)域夏季正目前處于偏旱期,且未來有持續(xù)偏旱的趨勢。從秋季SPEI的小波系數(shù)和小波方差圖容易發(fā)現(xiàn),在6年、15年、29年和44年的周期上存在較明顯的震蕩現(xiàn)象,其中,29年尺度的能量最強,為第一主周期,44年和15年分別為第二、三周期。在29年和44年的周期上,目前正處于偏濕時期,且有持續(xù)偏濕的趨勢。然而,在15年尺度上,下一周期有轉(zhuǎn)向偏干的趨勢。由呼倫貝爾草原冬季SPEI的小波方差圖可知,冬季存在44年的第一主周期,29年和17年分別為第二、三周期。在44年和29年尺度上,目前該區(qū)冬季正處于偏干期,在17年尺度上,則處于偏濕期。

圖8 1960—2017年呼倫貝爾草原季節(jié)尺度(春、夏、秋、冬)SPEI指數(shù)小波分析圖Fig.8 Wavelet analysis of SPEI index at the seasonal scale (spring, summer, autumn and winter) in Hulun Buir Grasslaland from 1960 to 2017

3.4.2基于Hurst指數(shù)的未來干旱趨勢分析

對于呼倫貝爾草原年際干旱的未來趨勢運用R/S分析法進行預(yù)測(表2),年際SPEI的Hurst指數(shù)0.834>0.5,CM>0,表明時間序列前后具有持續(xù)性。未來呼倫貝爾草原的年際SPEI指數(shù)變化趨勢與過去58年變化趨勢一致,即SPEI指數(shù)將繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢,干旱化的態(tài)勢也將繼續(xù)加劇,這與11年尺度的小波分析結(jié)果較一致。在季節(jié)尺度上,SPEI的Hurst指數(shù)均>0.5,且CM>0,表明未來四季的SPEI指數(shù)將與過去58a變化的趨勢一致。然而,不同季節(jié)變化趨勢的強度不同,其中,冬季的SPEI的Hurst指數(shù)最大(0.920),持續(xù)性變化最強, 表明呼倫貝爾草原未來冬季SPEI指數(shù)持續(xù)上升的可能性高于其他各季,即未來研究區(qū)的冬季將呈現(xiàn)濕潤的趨勢,這與小波分析的第三主周期(17年尺度)分析的結(jié)果也較一致。夏季SPEI的Hurst指數(shù)次之(0.802),表明該區(qū)未來夏季SPEI指數(shù)將繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢,干旱化將加劇,這與小波分析的第二、三周期(9年和17年尺度)分析的結(jié)果較一致。秋季SPEI和春季SPEI的Hurst指數(shù)也均大于0.5,表明呼倫貝爾草原未來春季和秋季的干旱趨勢將繼續(xù)加劇,但可能性小于冬季和夏季。秋季SPEI的Hurst分析結(jié)果與其小波分析的第三主周期(15年尺度)分析的結(jié)果一致,春季SPEI與其第一主周期(22年尺度)的分析結(jié)果較一致。

表2 R/S分析結(jié)果

H: Hurst指數(shù)Hurst index；CM：相關(guān)系數(shù)Correlation measurement

3.5 SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原的適用性分析

SPEI的適用性分析在全國尺度[45]、東北地區(qū)[46]、西北地區(qū)[23]、長江中下游地區(qū)[47]和內(nèi)蒙古地區(qū)[48]均進行過探討,然而,在以草原景觀尺度的適用性的研究較少。表3為1960—2016年來呼倫貝爾草原區(qū)典型干旱事件與同期SPEI驗證結(jié)果,可以看出,在本區(qū)域?qū)嶋H發(fā)生的干旱事件與本文計算得到的同期SPEI所表征的干旱事件吻合度較高,表明SPEI指數(shù)在呼倫貝爾草原區(qū)的干旱監(jiān)測與分析中具有較好的適用性。

表3 1960—2016年來呼倫貝爾草原區(qū)典型干旱事件與同期SPEI驗證比較

4 討論

事實上,多個研究表明了氣溫在干旱變化中所起的重要作用[20,49],而我國干旱事件持續(xù)增加主要和氣溫大幅升高、降水變化不顯著有關(guān)[50]。其中,中國北方的干旱化趨勢與太平洋海溫的年代際異常有關(guān),特別是與太平洋年代際振蕩(PDO, Pacific Decadal Oscillation)存在顯著的位相對應(yīng)關(guān)系[51-52]。在2000年以后,PDO由暖位相開始轉(zhuǎn)換為一個冷位相,北方降水趨于增多[51]。然而本文基于SPEI指數(shù),對我國北方以呼倫貝爾草原為代表的草原生態(tài)系統(tǒng)的干旱特征的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),呼倫貝爾草原在氣溫顯著上升,降水減少的背景下干旱化趨勢顯著,這雖然與我國北方氣候變化的大背景是相似的[8],然而2000年以后該區(qū)域SPEI指數(shù)以及所發(fā)生的干旱事件均表明,該區(qū)域干旱化趨勢更加顯著。一方面,該區(qū)域降水量總量少,年內(nèi)分配不均,其中,夏季降水占全年降水總量的70.72%,可能更易出現(xiàn)旱情[53]。此外,馬柱國等[50]基于GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的陸地水儲量(TWS, Terrestrial Water Storage)對中國區(qū)域干旱化問題的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)中國北方降水量從 2001年以后有一個增加的趨勢,但陸地水儲量TWS卻是減小趨勢,說明我國北方干旱化仍在加劇。

值得說明的是,Hurst指數(shù)雖然在一定程度上可以預(yù)測呼倫貝爾草原未來的干旱趨勢,但并不能預(yù)測未來的干旱趨勢所持續(xù)的時間。Morlet小波雖然可以判別時間序列中所包含多時間尺度周期性的大小及這些周期在時域中的分布,但其結(jié)果往往存在著多重時間尺度上的復(fù)雜嵌套結(jié)構(gòu),且在不同的尺度周期中,表現(xiàn)出不同的干濕振蕩規(guī)律,造成結(jié)果的不確定性。本文將R/S與Morlet小波分析相結(jié)合并考慮時間序列的變化趨勢,有利于提高對呼倫貝爾草原未來尤其是近期干旱預(yù)測的準(zhǔn)確性。

此外,干旱具有發(fā)生的隱蔽性、形成的復(fù)雜性以及多尺度變化特征,目前開發(fā)的任一干旱指標(biāo)均很難達到時空上的普適性條件,因為干旱指標(biāo)大都建立在特定的時間和區(qū)域范圍內(nèi)[30]。因此,這給干旱的評估和預(yù)測帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。雖然呼倫貝爾草原區(qū)過去58年發(fā)生的干旱事件均通過本文使用的SPEI方法得到了一致的驗證,在很大程度上表征了該區(qū)域的干旱情況,但反過來,仍存在SPEI指數(shù)較低的時期,而事實上并未發(fā)生干旱事件的現(xiàn)象。這也恰恰說明了干旱事件的發(fā)生不僅取決于溫度、降水和蒸散等物理性質(zhì),還取決于生態(tài)、社會和經(jīng)濟因素[54-55]。此外,本文未能揭示該區(qū)域干旱發(fā)生的物理機制以及受限于氣象站點的數(shù)量而忽略了空間異質(zhì)性,具有一定的局限性。因此,未來可通過使用多種觀測數(shù)據(jù)(包括物理的、社會的和經(jīng)濟的)和評估方法(如模型的、指標(biāo)的)為特定區(qū)域和生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)綜合的干旱指數(shù),并分析不同維度對干旱發(fā)生的相對貢獻,以便進一步了解干旱發(fā)生的機制。

5 結(jié)論

1960—2017年,呼倫貝爾草原的氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢,而降水呈不顯著減少趨勢。然而,季節(jié)性的溫度和降水變化趨勢差異較大。多年來夏季降水呈減少趨勢,其他季節(jié)均呈不同速率的增加趨勢,其中以冬季增加的趨勢最顯著,但冬季的氣溫并未發(fā)生顯著變化。春、夏和秋季的年際溫度變化均呈顯著上升趨勢,其中春季氣溫上升速率最快,達到0.46℃/10a,夏季次之(0.39℃/10a)。

對不同年代干旱發(fā)生頻次及季節(jié)分布的分析發(fā)現(xiàn),中旱發(fā)生頻率在不同年代以及不同季節(jié)的分布均是最高的,重旱次之,極旱最少。與其他年代相比,21世紀(jì)初(2000—2017),干旱發(fā)生的總頻率以及重旱和極旱的頻率均顯著高于其他年代。雖然不同季節(jié)發(fā)生干旱的總頻次差異不大,但不同等級干旱的季節(jié)分配差異較大,其中,冬季、夏季和秋季分別是發(fā)生中旱、重旱和極旱次數(shù)最多的季節(jié)。

通過Morlet小波和R/S分析對呼倫貝爾草原未來干旱趨勢的分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)域在11年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的周期性的可能性較大,且未來幾年有持續(xù)偏旱趨勢。然而,不同季節(jié)的周期性和趨勢具有差異性,其中,春季在22年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來有持續(xù)偏旱的趨勢。夏季在9年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來有持續(xù)偏旱的趨勢。秋季在15年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來有持續(xù)偏旱的趨勢。冬季在17年尺度上呈現(xiàn)旱濕交替的可能性較大,未來有持續(xù)偏濕的趨勢。此外,SPEI指數(shù)與同期干旱事件發(fā)生的吻合度較高,表明該指數(shù)在呼倫貝爾草原區(qū)的干旱監(jiān)測與分析中具有較好的適用性。