近60年河西走廊東部氣象干旱演變特征

楊曉玲, 丁文魁, 孫占峰, 聶 鑫

(1.甘肅省武威市氣象局, 甘肅 武威 733099; 2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，蘭州 730020)

干旱是影響農業生產、經濟發展最嚴重的自然災害之一[1]。大量事實表明，隨著全球氣候顯著變暖，全球極端干旱面積正在擴大[2-3]，干旱導致的水資源短缺日益嚴重。氣象學者和相關專家研究發現中國北方地區干旱化正在加?。黑w海燕等[4]通過分析農業受旱面積和播種面積資料，認為東北、內蒙古和西北地區的農業干旱有顯著加重趨勢；梁澤學等[5]發現半干旱區東移，河套地區四季均表現出干旱化；路桂華等[6]指出遼河平原—海河平原—黃土高原—四川盆地—云貴高原形成了一個干旱化帶狀區域，干旱頻率增加，特別是20世紀90年代中期以來，干旱連年發生，旱情較為嚴重；馬柱國等[7-8]認為西北東部和華北的干旱化趨勢在不斷加劇，降水減少和氣溫升高是其主要原因；章大全等[9]指出未來5 a內干旱發生概率較大的地區主要在中國華北，且有持續向南擴張的趨勢，降水減少仍然是中國東部干旱形成的主要因素；王春乙[10]研究指出，中國平均每年旱災的受災面積高達2 200萬hm2，占各種災害受災面積的40%以上，糧食損失約120億kg；劉勤等[11]發現中國氣候總體上呈暖干化的變化趨勢，預計未來幾十年北方地區將經歷最干旱的時期，極端干旱的頻率和歷時將達最大。因此，干旱仍是未來中國要面臨的主要氣象災害。

河西走廊東部位于祁連山東段，與騰格里沙漠和巴丹吉林沙南緣接壤，境內山區、平原、戈壁荒漠并存，地形地貌極為復雜，由此造成該區災害天氣復雜多樣，其中，干旱是該區域致災最嚴重災害天氣，造成年均經濟損失超過5 460萬元，年均農業受災面積超過31 639 hm2[12-14]，因此，筆者以河西走廊東部近60年降水和氣溫為基礎，構造氣象干旱指數，詳細探討氣溫、降水和氣象干旱的演變特征，將對提高當地干旱預測預警水平和應對氣候變化能力提供參考依據，同時對防旱抗旱減災、農業安全生產、生態環境改善和區域經濟發展具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

河西走廊東部地勢南高北低，由西南向東北傾斜，海拔在1 300～3 100 m，從北向南依次為民勤、永昌、涼州、古浪、天祝，地理位置36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E(表1)。年氣溫在0.1～8.4℃，年降水量在110～410 mm，年蒸發量在1 500～2 700 mm，蒸發量是降水量的3.7～24.5倍，屬大陸性溫帶干旱、半干旱氣候區[15]。

表1 河西走廊東部地理狀況

1.2 資料與指標

選取1960—2019年河西走廊東部的涼州、民勤、永昌、古浪、天祝5個區(縣)自動氣象站月氣溫和降水觀測資料，60 a來，5個氣象站均未曾遷移，氣溫和降水觀測數據時間序列長，完整性和連續性好，可信度高。

1.3 研究方法

1.3.1 干旱指數 氣溫和降水是決定干旱發生、發展變化和終止最重要的因素，干旱通常具有高溫少雨的氣候特征，即氣溫高蒸發強烈與水份補給不足這兩個方面。因此，采用Д·A·ⅡeДb提出的大氣干旱指數公式，構造出月干旱指數[17]：

X=ΔT/δt-ΔR/δr

(1)

(2)

(3)

式中：X為某時段干旱指數；氣溫距平ΔT=T-Tp；T為氣溫；Tp為平均氣溫；降水ΔR=R-Rp；R為降水量；Rp平均降水量;δt與δr分別為某時段氣溫、降水量的標準差；L為資料年數。

以往常用的干旱指數包括Palmer干旱指數(PDSI)[18]、作物水分指數以及標準化降水指數(SPI)等[19]。但均有一定的局限性，PDSI指數和作物水分指數在旱情等級界定上有主觀因素，在判斷極端旱情時可能會滯后幾個月；SPI指數僅考慮降水資料，未考慮影響干旱的其他因素如溫度、蒸散等。本文采用Д·A·ⅡeДb提出的干旱指數的優點是即考慮了降水變化，又考慮了溫度升高引起蒸發的變化，適合于定量地描述月、季、年景干旱或雨澇的反常氣候狀況。

1.3.2 氣候傾向率 利用線性趨勢分析指標的時間變化，計算指標的氣候傾向率，線性方程[20]為：

yi=a+bti(i=1,2,3，…，n)

(4)

式中：yi為指標變量；ti為yi對應的時間；b為傾向率；b×10為每10 a的變化率。變化趨勢的顯著性,采用t與y間的氣候趨勢系數進行顯著性檢驗。根據蒙特卡羅模擬方法[21]:通過信度α=0.1，0.05，0.01檢驗對應的相關系數臨界值依次為:0.306，0.365，0.443,當氣候趨勢系數絕對值大于上述臨界值時,分別認為較顯著、顯著、很顯著。

2 結果與分析

2.1 氣溫和降水演變特征

2.1.1 空間分布 河西走廊東部地處祁連山東麓，境內地形復雜，高山平原沙漠并存，氣溫和降水的地域分布存在一定差異(圖1)。年、農業季氣溫：全域分別為5.6℃，12.3℃；各地均為民勤最高，涼州次之，再次為古浪，天祝最低。即年和農業季氣溫均為荒漠區和綠洲平原區明顯高于淺山區，淺山區明顯高于高寒山區。年、農業季降水：全區域分別為253.3 mm，227.3 mm；各地均為天祝最多，古浪次之，再次為永昌，民勤最少。即年和農業季降水均為高寒山區多于淺山區，淺山區多于荒漠區和綠洲平原區。

3．相關會議類。關于習近平共享發展的會議是比較多的，最具有代表性的會議有《決策論壇——公共政策的創新與分析學術研討會》、《中國國際共運史學會2016年年會暨學術研討會》《中國經濟規律研究會第26屆年會暨“政治經濟學創新與供給側改革”研討會》等，這些會議從不同角度闡明了習近平共享發展理念符合時代發展。準確地理解習近平共享發展理念的理論來源、深刻內涵以及與其他四大發展理念(創新、協調、綠色、開放)的邏輯關系，同時準確把握習近平共享發展理念的創新性，為習近平共享發展理念的進一步深入研究開拓了理論視野，對于習近平共享發展理念的研究具有重要借鑒意義。

圖1 河西走廊東部年和農業季氣溫和降水量空間分布

氣溫和降水的地域分布與影響當地天氣系統關系較大，平原區和荒漠區主要受西北和偏北氣流環流背景影響，大氣攜帶水汽相對較少，晴天較多，陰雨天少，氣溫高，降水少；山區位于祁連山東北側，受西南季風影響，西南暖濕氣流活躍，陰雨日數較多，氣溫低，降水多。另外，氣溫和降水的分布還與海拔高度有一定的關系，平原區和荒漠區海拔低，氣溫高，山區正好相反；山區位于祁連山東北側，受高海拔動力和高原本身的熱力等作用，致使水汽極易堆積抬升凝結，降水多比平原區和荒漠區多。

2.1.2 時間變化 河西走廊東部年和農業季氣溫隨年份呈升高趨勢(圖2)，其中，年氣溫的氣候傾向率為涼州>古浪>民勤>全區域>永昌>天祝，根據蒙特卡羅模擬方法規定，全區域及各地氣候趨勢系數均通過了α=0.01顯著性水平檢驗，升高趨勢很顯著；農業季氣溫的氣候傾向率為涼州>民勤>古浪>全區域>永昌>天祝，根據蒙特卡羅模擬方法規定，全區域及各地氣候趨勢系數也均通過了α=0.01顯著性水平檢驗，升高趨勢很顯著。

圖2 河西走廊東部年和農業季氣溫的變化趨勢

河西走廊東部年和農業季降水隨年份呈增多趨勢(圖3)，其中，年降水的氣候傾向率為天祝>永昌>全區域>涼州>民勤>古浪，根據蒙特卡羅模擬方法規定，永昌氣候趨勢系數通過了α=0.01顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，天祝氣候趨勢系數通過了α=0.05顯著性水平檢驗，增多趨勢顯著，全區域氣候趨勢系數通過了α=0.1顯著性水平檢驗，增多趨勢較顯著，涼州、民勤、古浪氣候趨勢系數沒有通過顯著性水平檢驗，增多趨勢不顯著；農業季降水的氣候傾向率為天祝>永昌>全區域>涼州>古浪>民勤，根據蒙特卡羅模擬方法規定，永昌氣候趨勢系數通過了α=0.01顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，天祝氣候趨勢系數通過了α=0.1顯著性水平檢驗，增多趨勢較顯著，全區域及涼州、民勤、古浪氣候趨勢系數沒有通過顯著性水平檢驗，增多趨勢不顯著。

圖3 河西走廊東部年和農業季降水量的變化趨勢

從表2可知，河西走廊東部年和農業季氣溫隨年代呈升高趨勢，20世紀60—80年代為負距平，氣溫偏低，其中70年代最低；90年代距平在0℃左右，氣溫持平；21世紀以來為較大的正距平，氣溫明顯偏高，10年代氣溫最高。

表2 河西走廊東部年和農業季氣溫、降水量年代距平

河西走廊東部年和農業季降水隨年代總體呈增多趨勢，20世紀60—80年代為負距平，降水偏少，但民勤和古浪70年代為較大的正距平，降水最多；90年代距平有正有負，除涼州和天祝外，距平的絕對值均較??；21世紀以來為較大的正距平，但個別縣區不一致，00年代古浪、天祝為較小的負距平；除民勤和古浪外，10年代降水最多。

2.2 干旱演變特征

2.2.1 空間分布 河西走廊東部各地干旱的地域分布差異不大(圖4)。年景干旱出現年數、頻率：全區域26 a，43.3%；永昌最多30 a，50.0%；涼州、古浪次之27 a，45.0%；再次為天祝25 a，41.7%；民勤最少22 a，36.7%，即干旱年數為北部淺山區多于綠洲平原區和南部淺山區，綠洲平原區和南部淺山區多于高寒山區，高寒山區多于荒漠區。農業季干旱出現年數、頻率：全區域25 a，41.7%；天祝最多29 a，48.3%；民勤次之27 a，45.0%；再次為涼州和古浪均為25 a，41.7%；永昌最少24 a，40.0%，說明農業季干旱年數為高寒山區多于荒漠區，荒漠區多于綠洲平原區和南部淺山區，綠洲平原區和南部淺山區多于北部淺山區，即年景干旱與農業季干旱南北幾乎呈相反的變化趨勢。

圖4 河西走廊東部年景和農業季干旱頻率空間分布

2.2.2 時間變化 由上節的分析可知，河西走廊東部出現年景干旱和農業季干旱的頻率基本在50%以下，即有一半以上的年份未出現干旱，年變化的偶然性較大，因此在時間變化上，選取年代際進行分析。

從表3可知，河西走廊東部年景和農業季干旱年數隨年代先減少后明顯增多趨勢。20世紀60—80年代較少，在0～4 a，其中70年代最少；90年代開始增多，90年代在4～7 a；21世紀00—10年代干旱年數明顯偏多，在6～10 a，各地變化不太一致，特別是00年代涼州、永昌、古浪年景干旱和天祝農業季干旱年數高達9 a，10年代民勤、古浪年景干旱和民勤農業季干旱高達年數10 a，涼州、古浪農業季干旱年數高達9 a。這主要是由于本研究所用干旱指數是基于氣溫和降水得到的，胡實等[22]研究發現增溫引起的地表蒸發增加是干旱頻發的主要原因。由2.1.2節分析可知，河西走廊東部氣溫出現顯著升高，升溫率均通過了α=0.01顯著性水平檢驗；降水也出現了增多，但增多率大部分沒有通過顯著性水平檢驗，特別是90年代以來，氣溫增幅非常明顯，降水增幅不明顯，因此，90年代以來干旱年數增多，特別是21世紀前20 a出現了明顯增多的現象。這與廖要明等[23]研究的中國干旱事件明顯增多和金紅梅等[24]、程文舉等[25]分析的中國西北地區氣象干旱呈增強趨勢相對一致，但與張利利等[26]研究的石羊河流域干旱事件的變化不一致。這可能與表述干旱事件所用的氣象要素和計算方法不同有關，有待于進一步研究。

表3 河西走廊東部年景和農業季干旱各年代年數 a

2.2.3 各等級干旱變化 由大氣干旱指數分布劃分的干旱等級能反映不同時間和地點的氣候特征，其干旱等級劃分標準具有一定的氣候意義，可適用于不同時段不同地區。

從表4可知，河西走廊東部年景和農業季各級別干旱年數變率較大，隨著干旱等級的加重，干旱年數總體上在減少，特旱年數最少，但年景干旱年數個別站為重旱略多于中旱，農業季干旱年數均為中旱多于輕旱，這與柏慶順等[27]研究的中國西北地區各級別干旱年數的變化(輕旱>中旱>重旱>特旱)不太一致，這可能是干旱指數的計算和各干旱等級分級有所不同。在年景干旱中，輕旱年數占干旱總年數的22.7%～53.3%，中旱年數占14.8%～27.3%，重旱年數占16.7%～28.0%，特旱年數占6.7%～27.3%；在農業季干旱中，輕旱年數占干旱總年數的24.0%～39.3%，中旱年數占25.0%～48.0%，重旱年數占16.0%～29.2%，特旱年數占3.4%～20.0%。特旱和重旱出現概率雖小，但仍會給工農業生產和人民生活帶來了嚴重的影響[28-29]。

表4 河西走廊東部年景和農業季各級別干旱年數 a

2.3 干旱指標識別與實際干旱對比

為探明Д·A·ⅡeДb提出的干旱指數識別的干旱是否符合河西走廊東部實際干旱情況，查找了研究區域的歷史干旱資料，以驗證該指數在河西走廊東部的適用性。由于輕旱對農業生產的影響較小，因此，選取了干旱指數識別的中旱等級以上干旱事件與武威市氣象局災情統計和《甘肅省歷史氣候資料》記載的干旱事件進行對比(表5)，發現該指數識別出了河西走廊東部實際發生的大部分重要干旱事件，只有個別年份(1963年、1976年、1997年、2009年、2016年、2017年)識別的干旱與實況有出入，這種差異可能是由于評估指標側重點及計算方法或者干旱事件記載的不詳等原因導致。據武威市氣象局災情統計和《甘肅省歷史氣候資料》記載：1991年大旱使武威市農作物受災面積達39.5%，受災嚴重；1999年、2013年、2018年特旱使河西走廊東部農作物受災面積分別達4.201×104hm2，8.566 6×105hm2，5.63×104hm2，經濟損失分別達2.542 4×108元，4.450 5×107元，4.443 1×108元，這與指數識別的河西走廊東部特旱年份一致。

表5 干旱指數識別與實際干旱事件對比

總之，利用該指數識別出的主要氣象干旱事件與實際干旱事件基本一致，干旱等級也相對一致，說明使用該指數能夠較好地監測到河西走廊東部干旱年份及干旱等級。

3 小 結

(1)河西走廊東部年和農業季氣溫均為荒漠區和綠洲平原區明顯高于淺山區，淺山區明顯高于高寒山區；年和農業季降水均為高寒山區多于淺山區，淺山區多于荒漠區和綠洲平原區。河西走廊東部年和農業季氣溫隨年份呈顯著升高趨勢，區域及各地氣候趨勢系數均通過了α=0.01顯著性水平檢驗；年和農業季降水隨年份呈增多趨勢，只有永昌、天祝氣候趨勢系數通過了顯著性檢驗。河西走廊東部年和農業季氣溫隨年代在升高；年和農業季降水隨年代總體上在增多，但各地變化不太一致。

(2)河西走廊東部年景干旱年數為北部淺山區多于綠洲平原區和南部淺山區，綠洲平原區和南部淺山區多于高寒山區，高寒山區多于荒漠區；農業季干旱年數為高寒山區多于荒漠區，荒漠區多于綠洲平原區和南部淺山區，綠洲平原區和南部淺山區多于北部淺山區。河西走廊東部年景和農業季干旱年數隨年代呈先減少后明顯增多趨勢，70年代最少，21世紀00—10年代干旱年數較多。年景和農業季干旱年數各等級變率較大，隨著干旱級別的加重，干旱年數總體在減少，特旱年數最少，但年景干旱年數個別站為重旱略多于中旱，農業季干旱年數均為中旱多于輕旱。

(3)通過與歷史干旱記載事件對比發現，Д·A·ⅡeДb提出的干旱指數識別出的主要氣象干旱事件和實際干旱事件基本一致，干旱等級也相對一致，說明使用該指數能夠較好地監測到河西走廊東部干旱年份及干旱等級。

(4)在氣候變暖的背景下，全球和區域尺度的干旱時空分布發生了變化[30]。選取河西走廊東部5個自動氣象站點的常規觀測資料討論氣候變化對河西走廊東部氣象干旱的影響，在一定程度上能夠清晰反映了氣象干旱對氣候變化的響應，但河西走廊東部處于不同氣候區的交匯過渡帶，天氣特征和氣候變化受到季風、環流系統、地形及海拔等因素的影響，局地氣候變化比較復雜，有待進一步研究。另外，僅用該地區5個自動氣象站點資料分析存在站點稀少、分布不均、網格較粗的弊端，在之后的研究中，需增加更多區域氣象站的觀測資料，結合河西走廊東部地形、地理位置及人類活動等相關信息，詳細分析河西走廊東部氣象干旱的地域差異，對氣象干旱等級劃分進行進一步修訂。