近55年來新疆多時間尺度干旱格局演變特征

胡文峰，陳玲玲，姚俊強，何 清，王 婭

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830013；2.阜陽師范大學，安徽 阜陽 236037；3.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊 830013)

干旱是指一段時間內，陸地降水持續低于正常值的一種極端氣候事件[1]。在氣候變化和人類活動共同影響下，全球干旱問題日益嚴峻。干旱是影響人類社會最為嚴重的自然災害之一，一直是備受關注的科學問題[2-6]，更是氣候變化研究的熱點領域[7]。當前國內外用各類干旱指標對干旱進行定量化的監測與評價，并對各種指數進行了評價研究[8-9]，但各干旱指數在使用中均有一定的局限性。Palmer干旱指數(PDSI)把所有降水處理成雨水不夠嚴謹[10]，不能很好區分干旱起止點[11]，難以反映交替干旱現象，對溫度變化敏感，潛在蒸發計算誤差大，缺乏人為因素的影響[12-13]；綜合氣象干旱指數CI計算簡便，適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估[14]，但未考慮人類活動影響，不能完全反映農業干旱[15]；地表供水指數(SWSI)能指示降雪的情況和地表水的供應，但不同的流域不能對比，只能計算季節的指數[16]；標準化降水指數(SPI)具有多時間尺度特征，計算性穩定，但忽略了氣溫變化對干旱的貢獻，易受極端降水事件的影響，無法識別旱澇頻發的區域[17]。在使用過程中，無論是PDSI還是SPI， 均不能合理地揭示氣候變化背景下大區域氣象干旱的時空格局。為了解決其局限性，Vicente-Serrano等[18](2010)提出了標準化降水蒸散發指數(SPEI),該指數考慮了氣溫異常對干旱的貢獻，保留了PDSI考慮蒸散對溫度敏感的特點，且具備SPI計算簡單、適合多尺度、多空間比較的優勢，被國內外學者較多地用于干旱時空特征和變化趨勢等方面的研究[19-25]，表明SPEI能較好地體現氣候變暖導致的干旱加劇趨勢。

當前全球氣候變暖已經成為一個不爭的事實[26]，從而導致全球極端干旱面積正在擴大[27-28]。大量的事實也表明中國北方地區干旱正在加劇[4,29-34]，使生態環境惡化，造成巨大的經濟損失[35]。新疆位于中緯度歐亞大陸腹地，是典型的大陸性干旱氣候區和生態脆弱區，對全球氣候變暖尤為敏感[36]。施雅風等[37]研究指出，在全球氣候變暖的背景下，中國新疆地區的氣候由暖干向暖濕的轉變，而氣候變暖驅動水循環加劇，使新疆地區氣候環境發生變化，極端氣候事件增多等現象[38-40]。相關學者用各類干旱指數[41-45]對全疆或局部區域的干旱特征進行了研究，得出的結論也不盡相同，考慮到這些干旱指數多利用降水量來表征干旱變化，忽視溫度上升導致的干旱加劇，為了解決溫度對干旱的影響，有學者采用SPEI干旱指數[25,36,46]對新疆進行了相關研究，結果表明新疆有不同程度的變干趨勢，尤其是近15 a，暖干化趨勢明顯，但這些研究沒有考慮新疆干旱變化的區域差異以及對干旱進行相關的評價。為進一步研究新疆地區干旱時空格局演變，對干旱進行評估，這對一帶一路的戰略發展，區域水資源的管理、災害防控等有著重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用基礎數據下載于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)1961—2015年月平均地面各氣象要素數據，在基礎數據進行分析、評估，選擇數據連續好的55個氣象站作為新疆的代表性臺站(圖1)。有研究表明3個月、6個月和12個月這3種時間尺度的SPEI可以分別代表氣象干旱、生態干旱和水文干旱[47]，故本文分別計算3個月、6個月和12個月3種時間尺度的標準化降水蒸散指數，采用這3種尺度的SPEI數據進行分析。

圖1 研究區及站點空間分布

1.2 研究方法

SPEI指數是以月平均氣溫、月降水量和月、日照時數為輸入資料，通過計算月降水量與潛在蒸散量的差值并進行正態標準化處理得到。SPEI指數的計算方法[18]如下。

a) 計算氣候水平衡：

Di=Pi′-PETi

(1)

式中Pi′——降水；PETi——潛在蒸發量，Vicente-Serrano推薦用Thornthwaite方法求得。

b) 建立不同時間尺度氣候學意義的水分盈虧累積序列：

(2)

式中k——時間尺度，月；n——計算次數。

c) 將式(2)中所建序列采用3個參數的log-logistic概率密度函數擬合：

(3)

式中f(x)——概率密度函數；α、β和γ——尺度參數、形狀參數和origin參數，可通過線性矩法進行估算。

累積概率函數F(x)為：

(4)

d) 對序列進行標準正態分布轉換，得到相應SPEI：

(5)

對于計算后SPEI指數干濕等級的劃分見表1。

表1 SPEI指數的干濕等級劃分

1.3 干旱評估方法

a) 干旱頻率(Pi)。Pi是用來評價某站有氣象資料年份內干旱發生頻繁程度，計算公式見式(6)：

(6)

式中N——計算的總月份數；ni——i站發生干旱的月份數。

b) 干旱站次比(Pj)。Pj是指區域內干旱發生站數占全部站數的比例，可用來評價研究區內干旱影響范圍的大小，也可間接反映干旱影響的嚴重程度。計算公式見式(7)：

(7)

式中mj——j年發生干旱的站數；M——研究的總站數。

根據Pj大小，對干旱影響范圍定義如下[50]：當Pj≥50%時，即研究區域內有1/2以上的站發生干旱，為全域性干旱；當50%>Pj≥33%時為區域性干旱；當33%>Pj≥25%時為部分區域性干旱；當25%>Pj≥10%時為局域性干旱；當Pj<10%時可認為無明顯干旱發生。在本研究中僅采用各站點12個月時間尺度SPEI計算干旱站次比。

c) 干旱強度(Sij)。Sij用來評價研究區內干旱嚴重程度。計算公式見式(8)：

(8)

式中m——研究區發生干旱的站數；|SPEIi|——發生干旱時的SPEI的絕對值，與干旱站次比類似，根據SPEI干旱分級：當在1.5>Sij>1.0時為輕度干旱；當干旱強度在2.0>Sij≥1.5為中度干旱；當Sij≥2.0時，為重度干旱。

2 結果分析

2.1 降水和溫度時空特征

圖2為1961—2015年新疆地區年平均氣溫(圖2a)和平均降水(圖2b)變化曲線。從圖2a可以看出，近55 a新疆地區氣溫整體呈波動上升趨勢，其中氣溫最低為6.03℃，出現在1984年，最高溫度達到8.80℃，發生在2015年，平均氣溫為7.47℃。Yao[25]在研究新疆氣候變化和干旱災害時指出其氣候在1997年發生了突變，從圖2中也可以看出1997年開始，增溫趨勢停滯，并有微弱的下降趨勢。降水整體上(圖2b)也呈增多趨勢，其中降水最少為1985年，僅106.4 mm，降水最多為2010年，達到218.0 mm,平均降水量為149.7 mm，同樣在從1997年起，降水呈減少趨勢。這說明進入21世紀，新疆地區溫度和降水都發生了新的變化。從近15 a來看，這種趨勢與施雅風等[37]預測的西北氣候向暖濕轉型可能是世紀性并將長期存在的結論不完全相符，出現這個結論是其以2002年以前的數據作為預測基礎，然而進入21世紀新疆地區溫度和降水有了新的變化。從年代際看，1961—1970年平均氣溫、降水分別為6.9℃和133.7 mm，1971—1980年平均氣溫、降水分別為7.0℃和132.8 mm，是2個相對“冷干”的10 a；21世紀第一個10 a平均氣溫和降水分別是8.2℃和168.8 mm，是相對“暖濕”的10 a。

a) 氣溫

b) 降水

為進一步分析新疆地區氣溫與降水的空間配置，用各站點的年平均降水量和氣溫分別進行反距離插值得到空間分布格局。從圖3a中可以明顯看出新疆地區降水存在明顯的區域差異，呈現西北多東南少的格局，降水最豐富的地區是天山西部的伊犁河谷，這是由于新疆地區降水很大程度上受西風帶影響；而氣溫的分布格局是西北低東南高，見圖3b，氣溫最高的區域是吐魯番盆地和南疆的和田地區。新疆地區呈現一種“西北冷濕，東南暖干”的水、熱分布格局。

a) 降水

b) 氣溫

2.2 不同時間尺度SPEI指數變化特征

圖4分別給出了3、6和12個月3種時間尺度SPEI的時間變化序列。從圖中可以得出3種尺度的SPEI變化趨勢保持一致，但曲線變化頻率、振幅、位相存在差異。從變化頻率上看， SPEI-3波動最頻繁，SPEI-6次之，SPEI-12最小，說明時間尺度越小，SPEI波動越頻繁，也越能指示出干濕度的變化。由于這3種尺度的SPEI能分別指示氣象干旱、生態干旱和水文干旱[47]，從1961—1915年，3種尺度的SPEI值絕大部分在-1～1之間變化，說明新疆地區干濕變化大部分時間處于正常變化范圍內。3個月時間尺度的輕度干旱以上事件共有33個，其中輕度干旱事件26個，中等干旱事件7個；6個月時間尺度的輕度干旱以上事件共有36個，其中輕度干旱事件29個，中等干旱事件7個；12個月時間尺度的輕度干旱以上事件共有36個，其中輕度干旱事件21個，中等干旱事件15個；3種時間尺度均沒有極端干旱事件。3個月時間尺度的連續3～4個月的干旱事件有6個，分別出現在1974年4—7月、1997年4—6月、1997年9—12月、2006年9—12月、2007年4—6月及2008年5—8月； 6個月時間尺度的連續6—10個月的干旱事件有3個，分別出現在1997年4月至1998年2月、2006年10月至2007年6月及2008年5—11月；12個月時間尺度的連續12個月干旱事件有1個，出現在2008年6月至2009年5月，時間尺度越長，干旱事件持續時間也越長。這也說明3個月尺度的SPEI值能反映出年內或季節的干濕變化，而12個月尺度的SPEI可以反映出年或代際的干濕變化。

從這3種時間尺度SPEI值能同時看出新疆地區在1988、1993年是濕潤年，而1997、2007、2008年是干旱年，這與文獻及氣象報道[49-50]一致，這說明SPEI指數在新疆地區能客觀指示出干旱事件。Yao J Q[36]研究指出新疆地區氣候在1997年發生了突變，指出1997—2015年新疆地區出現變干的趨勢，在圖4中3種尺度SPEI值在1961—1996年期間擬合直線斜率均為正值，指示SPEI值有增大的趨勢；在1997—2015年期間擬合直線斜率均為負值,指示SPEI值均變小的趨勢，暗示著新疆地區在1961—1996年期間氣候變濕的趨勢，其中1997年是由干向濕轉變，這與姜大膀[51]和Yao J Q[36]研究結果基本一致, 尤其1987—1996年，長時間表現為濕潤，這也同慈暉[52]的研究結果相符。在1997—2015年氣候有變干的趨勢，從代際上來說，6個月尺度和12個月尺度的SPEI都指示出2001—2010年是最干的10 a。

為了進一步分析新疆地區SPEI值代際的空間變化，對12個月尺度的各單站點SPEI進行代際平均并在ArcGIS對其反距離權重插值法得到圖5。

a) 3個月

b) 6個月

c) 12個月

從圖中可以看出，12個月尺度的SPEI值在空間上，都在一個正常范圍內變化，即新疆區域保持西北濕東南干的格局，局部干濕有差異。但從代際時間尺度上看，1981—1990年(圖5c)平均SPEI值為0.25，是新疆最濕潤的10 a，2001—2010年(圖5e)平均SPEI值為-0.36，是新疆最干的10 a。1961—2000年新疆具有明顯的變濕趨勢，2000年以后，新疆具有明顯的變干趨勢，且這種趨勢在2011—2015年表現更強。

a) 1961—1970年 b) 1971—1980年 c) 1981—1990年

d) 1991—2000年 e) 2001—2010年 f) 2011—2015年

2.3 干旱強度變化特征

圖6分別給出了3、6、12個月3種尺度干旱強度的時間變化序列。從圖中可以得出3種尺度的Sij變化趨勢保持一致，同干旱指數一樣，其曲線變化頻率、振幅、位相存在差異。從變化頻率上看，3個月尺度的干旱強度波動最頻，6個月尺度次之，12個月尺度最小，3種尺度的干旱強度值變化范圍存在一定的差異。3個月尺度的干旱強度值在1.00～2.32范圍內波動，平均值為1.40，屬于輕度干旱，出現了14次極端干旱；6個月尺度的干旱強度值在1.00～2.27范圍內波動，平均值為1.41，也屬于輕度干旱，僅出現了4次極端干旱；12個月尺度的干旱強度值在1.00～2.26范圍內波動，平均值為1.45，同樣屬于輕度干旱，只有8次極端干旱。這說明新疆地區的干旱強度是以輕度干旱為主，極端干旱主要出現在短時間尺度的氣候干旱事件上。在1997、2007年，新疆地區干旱強度達到中等、極端干旱，且歷時長，是新疆地區最嚴重的干旱年。同時，在1961—1996年3種尺度的干旱強度呈明顯變弱的趨勢，1997—2015年呈明顯變強的趨勢，這與3種尺度的SPEI指數變化趨勢一致。

a) 3個月

b) 6個月

c) 12個月

為了進一步分析新疆地區干旱強度的空間分布，對單站點3種尺度的干旱強度在ArcGIS中進行反距離權重插值法得到圖7。從圖中可以看出3種尺度的干旱強度在空間上整體是西北弱東南強，但各時間尺度上又有局部的差異。圖7a為3個月尺度的干旱強度，可以看出新疆地區的東南部的干旱強度要強于西北部；圖7b為6個月尺度的干旱強度，可以看出天山的西部，伊犁河谷干旱強度小；西南部和田，東南部分若羌等地區干旱強度則能達到1.6～1.7；圖7c為12個月尺度的干旱強度，其中新疆東南部的若羌—鐵干里克一帶干旱強度較大，最大強度達到了1.7～1.8。這些都說明在新疆地區氣候干旱、生態干旱和水文干旱事件，其干旱強度在空間并不完全一致。結合圖3降水和氣溫的空間分布可以看出，新疆地區強干旱中心集中分布在降水少氣溫高的“東南暖干”中心。

a) 3_S

b) 6_S

c) 12_S

2.4 干旱站次比和干旱頻次特征

圖8為根據12個月時間尺度SPEI指數統計出輕度干旱以上事件的站次比隨時間變化序列。從圖中可以看出從1961—2015年間有56個月出現了全域性的干旱事件，占整個時間段的8.6%，集中出現在20世紀70年代后期及2000年以后；97個月出現區域性的干旱事件，占整個時間段的15%，主要發生在20世紀70年代后期至80年代前期及2000年以后；77個月出現了部分區域性干旱事件，占整個時間段的11.9%；96個月出現了局域性干旱事件，占整個時間段的14.8%；其他月份則為無明顯干旱發生。從1961—1996年期間站次比呈現下降趨勢，且以局域性干旱和區域性干旱為主，而從1997—2015年站次比呈明顯上升趨勢，以區域性和全域性干旱為主。這說明新疆地區發生干旱的范圍在1961—1996年減少，在1997年以后出現了明顯的擴大趨勢，頻次也在加強。

圖8 12個月時間尺度干旱站次比時間變化序列

為進一步分析各站點3種尺度的干旱事件頻率的空間分布特征，對其進行反距離權重插值，得到圖9。從圖中可以看出新疆地區，3種時間尺度的干旱頻率出現東南高西北低的趨勢，但存在一定的差異。從干旱頻次的大小來看，3個月尺度的干旱頻次平均值為18.7%，最小為16.7%，最大為22.6%；6個月尺度的干旱頻次平均值為19.7%，最小為16.5%，最大為26.4%；12個月尺度的干旱頻次平均值為20.5%，最小為15.4%，最大為29.3%。這說明時間尺度越長，干旱頻次越高，波動也越大。從空間上來看，3個月尺度的干旱頻率(圖9a)呈現明顯的東高西低的趨勢，在七里井附近出現1個高值中心；6個月尺度的干旱頻率(圖9b)呈現明顯的東南高西北低的趨勢，同樣在七里井附近出現1個高值中心；12個月尺度的干旱頻率(圖9c)也呈現明顯的東南高西北低的趨勢，但在七里井和且末附近出現2個高值中心，3個尺度中，新疆北部的阿爾泰地區干旱頻率都是處于低值區。這說明在新疆阿爾泰地區是干旱的少發區。同時，在圖9中還可以看出，時間尺度越長，干旱發生早空間上差異也就越大。

a) SPEI-3

b) SPEI-6

c) SPEI-12

3 結論與討論

3.1 結論

本文利用3種時間尺度的標準化降水蒸散發指數(SPEI)和反距離插值法，分析了近55 a新疆地區的干旱變化特征，研究結果表明如下。

a) 近55 a降水和氣溫整體呈波動上升趨勢，近15 a來氣溫在高位波動，而降水呈波動下降趨勢，引起區域干濕格局變化。新疆地區干旱主要是以輕度干旱和中等干旱事件為主，在1961—1996年期間有氣候變濕的趨勢，在1997—2015年氣候有變干的趨勢，新疆區域保持西北濕東南干的格局，局部干濕有差異。

b) 新疆地區的干旱強度是以輕度干旱為主，極端干旱主要出現在短時間尺度的氣候干旱事件上。1961—1996年間3種尺度的干旱強度呈明顯變弱的趨勢，1997—2015年呈明顯變強的趨勢。3種尺度的干旱強度在空間上存在明顯的差異，整體是呈西北弱東南強的趨勢。

c) 自1961—1996年在新疆地區發生干旱的范圍減少，且以局域性干旱和區域性干旱為主；在1997年以后出現了明顯的擴大趨勢，以區域性和全域性干旱為主，同時干旱事件的頻次在加強，東南部是干旱事件的高發區。

3.2 討論

21世紀初施雅風[37]提出了中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的觀點，得到各方的證實。研究同樣指出，新疆總的干旱氣候格局將不會有多大改變，在氣溫增高的情況下，蒸散量上升，干旱次數將有增多的可能[53]，在2000年后極端干旱面積率有增加的趨勢[41]，尤其在新疆北部和天山等地，自然氣候演變預示可能進入一個多年代降水偏枯時期，致使未來特定區域和時段的合成降水量變化情景趨于復雜化[54]。慈暉[52]對多種氣象干旱指數在新疆應用進行了評價，研究表明SPEI綜合考慮了氣溫以及降水對“干”“濕”的共同作用，對新疆干濕監測與實際災情較為相符；并進一步研究得出近50 a來，新疆年干旱主要以20世紀70—80年代初期區域性干旱及60—70、90年代及21世紀初期局域性干旱為主；Yao J Q(2018)[25,36]采用多源數據，從土壤濕度、河流徑流量及植被指數等多個角度研究證實了從1997年后新疆地區由暖濕向暖干轉變的實事。這些均與本研究結論相近。與這些研究相比，本研究主要采用的是3種時間尺度的SPEI指數，考慮了降水和溫度對干濕的共同作用，并結合ArcGIS空間分析，探討新疆地區3種時間尺度下干濕演變特征。要注意的是新疆地區近15 a暖干變化是長期趨勢還是階段性特征，還需要進一步驗證和研究。