1965—2015年甘肅省干旱時空分布特征分析

欒振斌 寧和平 姚 瑞*賀海燕 徐 璐 張亞敏 郭俊彬 張榆鋒

（1定西市氣象局，甘肅定西 743000；2隴南市氣象局，甘肅隴南 746000；3卓尼縣氣象局，甘肅卓尼 747600；4呼和浩特市新城區氣象分局，內蒙古呼和浩特 010010；5通渭縣華家嶺氣象站，甘肅通渭 743000）

干旱災害是我國西北地區常見的氣象災害之一。我國西北地區深處內陸，全年降水量少、氣候干燥、年溫差大，又受到地形等因素的影響，沿海地區暖濕水汽難以深入內陸。近年來，隨著全球氣候變暖，干旱發生的頻率不斷升高，旱災影響范圍也進一步擴大，生態環境更加脆弱，給該地區人們的生產和生活帶來很大影響，也對當地社會經濟發展和生態環境建設提出挑戰。隨著全球氣候變化趨勢的不斷發展，相關學者的研究成果表明，未來該地區干旱的影響程度和范圍或將進一步加大，人們面臨的干旱形勢將更加復雜多變。

近年來，有很多研究學者從不同研究方向著手，對西北地區的干旱災害進行了研究，并取得了豐碩的成果，為西北地區應對干旱災害事件提供了重要的理論依據。例如，在區域范圍上，任余龍等[1]、楊建玲等[2]利用標準化降水指數（SPI）和總和干旱指數（CI）對西北地區近50年來干旱時空分布規律及其變化特征進行了研究；在省級區域上，蔡新玲等[3]、張調風等[4]、張 勃等[5]分別對陜西省、青海省和甘肅省近50年來干旱時空分布規律及其變化特征進行了研究；楊小慧等[6]以甘肅省榆中縣為例，對該區域半干旱區農戶的干旱恢復力進行了定量分析。這些研究成果有助于明晰西北地區干旱發生的時空分布規律及其變化特征，為決策部門制定科學的防災減災策略、合理應對氣象災害、減少干旱帶來的損失作出了積極貢獻。

研究分析甘肅省干旱時空分布規律及其變化特征，對于該地區應對全球氣候變化、綜合利用氣候資源、促進可持續發展具有十分重要的意義，也對相關部門制定有效的防災減災策略、改善生態環境具有重要的參考價值。 本文研究分析了甘肅省1965—2015年干旱時空分布規律及其變化特征，以期為該地區合理應對全球氣候變化、增強旱災防御能力、綜合利用氣象資源提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

甘肅省地處我國西北內陸，位于北緯32°11′～42°57′、東經 92°13′～108°46′范圍內，在行政區劃上西鄰新疆，北接內蒙古、寧夏，東鄰陜西，南接四川、青海，整體呈狹長狀分布。全省總面積為45.3萬km2，其中耕地面積僅4.54萬km2，平均海拔1 900 m。境內大部分地區氣候干燥，降水少，年平均降水量為300 mm，不足全國年平均降水量（632 mm）的1/2，全年降水時間分布不均勻，降水主要集中在6—9月；太陽輻射強，氣溫日變化大，全年平均日照時數2 500 h，年均溫在0～14℃之間。甘肅省境內氣候類型復雜多變，多樣化顯著，由北向南依次包括了高原氣候、干旱氣候、半干旱氣候、半濕潤氣候、濕潤氣候等5個氣候類型。受高原地形、季風和西風帶的綜合影響，該地區干旱致災因子更加復雜多變，也使甘肅省境內干旱災害頻發。統計數據表明，甘肅省農作物平均每年因旱受災面積達82.684萬hm2，糧食減產50萬～100萬t[7]。長期以來，干旱災害嚴重影響該區域人們的生產生活，成為甘肅省當前及今后一段時期面臨的嚴峻挑戰。

1.2 數據來源與處理

采用中國氣象局氣象數據中心網站下載的1965—2015年甘肅省地面氣候資料日值數據集（逐日常規降水觀測資料），其中包括蘭州市、白銀市、武威市、平涼市、酒泉市、定西市、金昌市、天水市、張掖市、隴南市、慶陽市及甘南州、臨夏州共13個市（州）35個氣象臺站。由于人力和經濟等綜合原因，甘肅省境內氣象站點十分有限且分布不均勻，位于偏遠地區的氣象資料難以獲取。在對數據進行處理和計算前，先進行缺測數據的插值與訂正，采用反距離加權插值法對缺測臺站進行處理，最終得到連續、完整的35個氣象臺站的降水實測資料。各氣象臺站分布如圖1所示。

1.3 研究方法

反距離加權插值法是在某個數據采集區域內，假設采樣點周圍未采樣點的屬性特征值是該點周圍一定鄰域內已知采樣點的加權平均，以樣點間距離作為權重的滑動平均加權插值法。由于計算過程較為簡便，該方法成為研究中較常使用的由離散點生成網格點數據的插值方法[8]。標準化降水指數（SPI）是由Mckee等[9]于1993年提出用來劃分旱澇等級的指數。這一指數的原理是基于降水量的分布為偏態分布，而非正態分布，因而在降水分析和干旱評估中，常采用Γ分布概率函數來描述降水量的變化。經驗正交函數分解（EOF）最早于1901年由統計學家Pearson[10]提出，后來由Lorenz等首次在20世紀50年代將其引入氣象學用于研究氣象和氣候變化[11]。標準化降水指數滿足EOF分析的要求，根據EOF分析方法，本文中空間場特征值均為正值，若時間系數為負，則該時段氣候趨于干旱，且數值越小，干旱越嚴重，反之氣候趨于濕潤。運用EOF分析可揭示甘肅省1965—2015年干旱的空間分布特點和時間變化規律，從而增進人們對甘肅農業干旱特征的認識。

2 結果與分析

對1965—2015年甘肅省境內35個氣象臺站四季及全年的SPI值進行分解，得到SPI值空間典型場和時間系數的變化特征。其中，前5個載荷向量的方差貢獻率如表1所示。春、夏、秋、冬及全年第一模態空間分布方差貢獻率分別為57%、40%、45%、60%及37%，遠高于后幾個模態空間場的貢獻率，這表明第一模態是甘肅省四季及全年干旱空間分布最主要的結構型。本文主要分析四季及全年EOF第一模態的時空分布及變化特征。

表1 各模態解釋方差貢獻率 單位：%

從經驗正交函數分解結果（圖2～圖6）來看，各季節及全年第一模態特征向量在整個區域范圍內均為正值，反映了甘肅省干旱分布總體具有很好的一致性，說明在該模態下甘肅省的旱澇變化基本同步，即一致性變澇或變旱。其中：春季、秋季及冬季緯向分布特征顯著，變化趨勢基本一致，由東南向西北呈現出“低—高—低”的特點；夏季及全年則表現出甘肅西北部特征值低、中南部特征值高的特點；各季節及全年特征值均分布在0.05～0.20之間。

春季、秋季、冬季空間分布特征一致性較強，高值中心分布在酒泉、金昌、張掖、武威、臨夏以及白銀、蘭州、定西、慶陽西北部環縣一帶，最小值位于敦煌西部、酒泉北部、瑪曲、玉門關、金塔、民勤及隴南文縣一帶，表明這些地區是對旱澇變化最敏感的區域；夏季及全年高值中心在臨夏、白銀、蘭州、定西、慶陽西北部環縣一帶，最大值均位于蘭州、定西一帶，分布范圍較廣，馬鬃山北部也出現極大值分布，最小值位于寧縣、文縣、瑪曲、祁連山西側及肅北一帶。全年向量的較小值位于敦煌、酒泉、張掖一帶，最小值位于酒泉。夏季及全年總體呈現隴東南地區特征值較大、西北地區相對較小的分布格局。

由時間系數演變柱狀圖可知，春季最大值出現在 1967 年（2.28），最小值出現在 1979 年（-2.37），極值相差較大，時間系數呈現由負到正、再到正負交替演變的變化趨勢。結合空間分布場，表明從20世紀60年代中期到80年代初期為少雨時段，80年代初期到90年代中期為相對濕潤時段，90年代中后期至2015年時間系數交替變化且濕潤年份偏多，近年來有向濕潤氣候變化的態勢。夏季年際間呈波動變化，最大值出現在1979年（3.02），最小值出現在1982年（-1.99），時間系數正負交替出現。1965—1970年以濕潤為主，1970—1975年間偏向干旱發展，20世紀70年代末到20世紀末氣候以濕潤為主，2000—2010年以干旱為主且干旱持續加重，但近年來仍有偏向干旱發展的態勢。秋季最大值出現在 1975 年（1.69），最小值出現在 1972 年（-3.31），時間系數變化趨勢不明顯，旱澇交替。1965—1985年間的時間系數正負分布大致持平，20世紀80年代中期至20世紀末氣候變化偏向干旱，2000年以后氣候逐漸向濕潤轉變，特別是近15年向濕潤變化的趨勢更為顯著。冬季時間系數年際間變化特征顯著，時間系數最大值、最小值分別出現在2007年和1973年，分別為1.64和-1.58，時間系數在分布上較均衡。時間系數的正、負值都維持較長一段時間，氣候變化比較穩定。1965—1980年氣候持續干旱，20世紀70年代末至2015年的氣候變化以濕潤為主且持續性較強，近年來有向濕潤氣候變化的態勢。全年時間系數年際間變化波動趨勢錯落交替，最大值出現在 2003 年（1.74），最小值出現在 1972 年（-2.37），時間系數呈現正負交替。1965—1980年氣候以干旱為主，20世紀80年代初至2015年逐漸向濕潤氣候轉變，尤其是80年代中期和2010—2015年濕潤特征更為顯著。

3 結論與討論

3.1 結論

本文選取甘肅省境內35個氣象站點1965—2015年的逐日降水資料，采用標準化降水指數結合經驗正交函數分解（EOF）方法對該研究區干旱時空分布及時間變化特征進行研究，得出結論如下：

（1）各季第一模態空間分布方差貢獻率最高，特征值由東南向西北呈現出“低—高—低”的分布特點，中部地區特征值較大而南北兩端的西北、東南兩區域相對較小。

（2）冬季時間系數變化最顯著，1965—2015年春、秋、冬季氣候向濕潤轉變，而夏季有向干旱變化的趨勢。

（3）全年總體呈東南地區特征值較大、西北地區較小的分布格局，氣候呈現由干旱到濕潤的變化。

3.2 討論

本文從標準化降水指數出發，對1965—2015年甘肅省干旱變化時空分布特征進行研究分析，所得的結論可為防御干旱提供借鑒。與應用于該區域其他類似指數及其他基于多氣象要素的干旱指標研究結果相比，SPI所呈現的旱澇特征與已有研究成果較為一致[12-14]。該指數反映的干旱情況與本區域歷史事件記載也較為相符，這也表明降水是旱澇災害形成與發展過程中不可忽視的重要因素之一。

因EOF分析方法自身的特點，SPI值分解后各分量之間是正交的，即各分量相互獨立，故用EOF方法提取的不同時空場也相互獨立。這樣就有利于把握干旱發展變化過程中的主要特征，但該方法只能進行分析，而不能用于預報。

在全球氣候變化的背景下，干旱時空變化除受降水因素影響外，還受到季風、地形地貌和土壤濕度等因素的影響。本研究中僅選取了降水因子，而未考慮其他氣象因子。因此，有必要結合該區域內實際情況，綜合考慮土壤水分、徑流、溫度、連續無雨日和降雨日數等指標對甘肅省干旱時空變化特征進行深入研究。