基于標準化前期降水蒸散指數的新疆干旱時空演變特征

虞佳陸,張 景,張 敏,于瑞德,3

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830011;2.中國科學院大學,北京 100049;3.煙臺大學環境與材料工程學院,山東 煙臺 264005)

全球范圍內的氣候變暖已成趨勢,氣候變暖影響全球水循環以及各區域水分平衡,導致水資源時空分布特征發生變化,加之降水時空分布不均,干旱等極端氣候頻繁發生[1],因干旱引發的災害事件對生態系統和社會經濟造成了重大影響。因此,研究干旱的時空演變特征,對于科學地認識、分析干旱變化規律具有重要意義,也可以為水資源管理及干旱災害風險管理等工作提供參考。

新疆位于中國西北地區,地處中緯度亞歐大陸腹地,作為古今絲綢之路的核心地帶,其氣候變化情況受到越來越多的關注。近年來,不少學者針對新疆暖濕化等熱點問題進行了相關研究,例如王紹武等[2]表明,近50年來,我國西部地區降水增加,是400年來降水最豐沛的階段;施雅風等[3]指出,新疆地區的氣候由暖干向暖濕轉變,極端氣候事件增多。新疆四季干旱差異較大,學者們分季節進行了研究:趙勇等[4]分析了新疆北部地區春、夏季干旱的區域性和持續性特征;孫鵬等[5]分析了新疆不同季節的干旱時空分布并討論了干旱對新疆農業生產的影響;許玉忠等[6]分四季對新疆近50年的干旱時空分布進行了分析并以南疆和田地區為例展開進一步探討;程軍等[7]基于溫度植被干旱指數分析了新疆干旱時空格局和季節性氣候對干旱的影響。新疆嚴重的干旱問題也導致了干旱災害,廖志浩[8]根據干旱災害風險指數模型理論評估了新疆的干旱災害風險;潘冬梅等[9]基于模糊數學和信息擴散理論,對新疆阿勒泰地區的夏旱進行了分析,并結合Surfer軟件對夏旱風險進行了區劃;姜逢清等[10]利用統計學方法與分型理論分析了新疆洪旱災害特征。學者們從不同角度研究新疆降水及干旱情況取得了一定成果,然而大都以南北疆作為研究重點,缺乏針對三大分區的綜合分析,特別是對東疆的差異化研究報道較少。

為研究干旱的發展變化規律,學者們對干旱評價指數做了大量的研究。目前國內外最常用的干旱指數主要有降水距平百分率(Pa)[11]、帕默爾干旱指數(PDSI)[12]、氣象干旱綜合指數(MCI)[13]、標準化降水指數(SPI)[14]以及標準化降水蒸散指數(SPEI)[15]等。由于地理位置和復雜地形地貌的影響,新疆的氣候環境較為特殊,學者們將不同干旱指數在新疆的適用性和實際應用情況進行了對比研究,不同指數表現出其在不同環境的較好適用性[16-18]。吳秀蘭等[19]基于MCI利用相關分析、突變檢驗、EOF等方法,分析了新疆干旱強度的時空變化特征。阿迪拉·阿布都熱合曼等[20]通過旋轉經驗正交函數分析了新疆干旱過程及干旱強度。李劍鋒等[21]基于SPI并以不同干旱等級發生概率的空間分布變化規律為重點,探討了新疆地區干旱時空演變特征。謝培等[22]利用K-means聚類、M-K檢驗、Morlet小波分析等方法,分析了新疆降水及干旱的變化特征。軒俊偉等[23]基于SPEI并利用經驗模態分解及經驗正交函數等方法,對新疆干旱的時空變化特征進行了分析。胡文峰等[24]通過不同時間尺度的SPEI并結合ArcGIS反距離插值法分析了新疆干旱格局演變特征。雖然運用指數研究新疆干旱取得了一些進展,但這些干旱指數采用的大多是月、季、年或更長的時間尺度,對于有效地監測干旱事件不夠穩健。標準化前期降水蒸散指數(SAPEI)是日尺度的干旱指數,考慮了早期水分平衡對當天干/濕條件的影響。Li等[25]研究指出,SAPEI和SPEI在中國西部地區有著較強的相關性,能夠監測干旱的月特征。除此之外,SAPEI還具有SPEI、PDSI等指數難以實現的日、周尺度干旱追蹤的潛力,可以捕捉干旱演變的更多細節。本文在綜合考慮降水和潛在蒸散兩個主要干旱變量的基礎上,利用SAPEI系統分析了21世紀以來新疆干旱的時空演變特征。和傳統月、季、年等尺度指數相比,這種新的日尺度干旱指數更具優勢,作為短期干旱指數在新疆實踐的補充,可以更好地為決策者和利益相關者提供干旱的起始、發展和趨勢演變等詳細信息,以便做出早期和及時預警。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區(73°40′～96°18′E, 34°25′～48°10′N)位于中國西北部,地處中緯度亞歐大陸腹地,面積166.49萬km2,約占中國國土總面積的1/6。新疆地形復雜,從北向南依次為阿爾泰山、準噶爾盆地、天山、塔里木盆地及昆侖山,形成“三山夾兩盆”的地形特點。其中,天山以北地區稱為北疆,以南為南疆,天山東部的吐魯番、哈密為東疆。高山的阻隔導致海洋氣流不易到達,廣泛發育的內陸河流形成全球干旱區獨具特色的山地-綠洲-荒漠系統。新疆作為我國陸地面積最大的省級行政區,深居中緯度亞歐大陸腹地,受水分來源限制,降水稀少且蒸發強烈,可用水資源缺乏且分布不均,屬典型的大陸性干旱氣候區和生態脆弱區。

1.2 數據資料來源

本文所用基礎數據為中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn)2000—2019年地面各氣象要素數據,對降水、最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫、相對濕度、2 m風速和日照時數進行分析和評估后,選擇數據連續性質量好的42個氣象站作為新疆的代表性臺站進行研究(圖1,見279頁)。

圖1 研究區及站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 標準化前期降水蒸散指數(SAPEI)計算及等級劃分SAPEI需要降水和潛在蒸散(Potential evapotranspiration,PET)作為輸入。在估算PET方面,Penman-Monteith方法相比Thornthwaite方程更具有物理意義,考慮了能量可用性、濕度和風速。本文使用Penman-Monteith方法估算PET,其細節參考Allen等[26]的研究。

借鑒累積濕潤度指數與前期降水指數的構建思想,考慮早期水分平衡對當天干/濕條件的影響,即離當日越久,影響越小,據此構建前期降水蒸散指數(Antecedent precipitation evapotranspiration index,APEI):

(1)

aN=c

(2)

式中,P為降水量(mm);N為前推天數,取值100;n為前推日序數,當日為0;a為衰減常數,取0.98;c為最后一天的貢獻分數。

設APEI數據序列為x={x1,x2, ...,xn},參照SPEI的計算方法,對x數據序列進行標準化。鑒于APEI有負值情況,采用三參數Log-logistic概率分布F(x)對其進行擬合,再經正態標準化求得APEI的標準化變量SAPEI值。三參數Log-logistic概率密度函數為:

(3)

式中,α、β和γ分別為尺度參數、形狀參數和位置參數。擬合參數的估計方法采用線性矩法。分別由以下公式計算:

(4)

(5)

γ=w0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

(7)

式中,ws為概率權重矩,s=0, 1, 2;l為x按升序排列的序數;Γ(β)是Gamma函數。三參數Log-logistic概率分布函數為:

(8)

(9)

(10)

式中,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308[27]。SAPEI各等級干濕類型及閾值見表1[28]。

表1 SAPEI等級劃分及相應閾值

1.3.2 干旱強度 干旱強度用于評價研究區內干旱嚴重程度,其計算公式如下:

(11)

式中,Si為i月或i站干旱強度;m為i月發生干旱的站數或i站發生干旱的月份數。根據SAPEI干旱分級:干旱強度介于0.5～1.0為輕旱,1.0～1.5為中旱,1.5～2.0為重旱,大于2.0為特旱。

1.3.3 干旱站次比 干旱站次比是指區域內干旱發生站點數占全部站點數的比例,可以表征不同時間尺度下不同級別干旱的影響范圍,也可間接反映干旱影響的嚴重程度。其計算公式如下:

(12)

式中,Pj為j月干旱站次比;mj1、mj2、mj3和mj4分別表示j月發生輕旱、中旱、重旱和特旱的站點數;M為研究區的總站點數。根據Pj大小,對干旱影響范圍定義如下[29]：Pj≥70%,表明研究區域內有70%以上的站點發生干旱,為全局性干旱;70%>Pj≥50%,為區域性干旱;50%>Pj≥30%,為部分區域性干旱;30%>Pj≥10%,為局域性干旱;當Pj<10%,可認為無明顯干旱發生。

1.3.4 干旱頻率 干旱頻率用來評價某站干旱發生的頻繁程度。計算研究區內各站點不同等級干旱發生的頻率,可以為決策者應對干旱的初期防治提供權重依據,其計算公式如下:

(13)

式中,Fi為i站干旱頻率;N為計算的總月份數;ni表示i站發生干旱的月份數。

1.3.5 反距離加權插值 反距離加權插值法也稱為距離倒數乘方法,其計算簡單,計算效率和精度高,是較為常用的一種插值方法,可以有效地基于地理學第一定律估計屬性值空間分布,其計算公式如下:

(14)

式中,z(x,y)為坐標(x,y)處的插值;n為周圍樣點的數量;di為距各樣點的距離;α為權重,在計算時通常取2;zi為各樣點的測量值。

2 結果與分析

2.1 SAPEI的適用性及評價

標準化前期降水蒸散指數(SAPEI)是一個新的日尺度的干旱指數,為了分析其在新疆的適用性,同時對其展開評價,應選取有歷史干旱記錄的典型年份進行研究。有報道指出。2006年,新疆遭遇30多年罕見旱災,年降水量不足10 mm,經濟損失達數億;新疆氣候中心評估2008年為新疆有氣象記錄以來第2個干旱嚴重年。已有研究表明,相比自適應帕默爾干旱指數(scPDSI)和土壤濕度,SPEI和SAPEI在中國西部地區有著較強的相關性[25]。因此,以2006年和2008年作為典型代表年份,通過將SAPEI與多時間尺度SPEI進行對比,分析其在新疆的適用性并展開評價。

圖2顯示了由SAPEI、SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6和SPEI-12監測的2006年和2008年新疆干旱的月變化情況,SPEI后綴數字代表指數計算過程中不同時間尺度,即不同月份數,SPEI-1為單月尺度,SPEI-3為季度尺度,SPEI-6為半年尺度,SPEI-12為年尺度。SAPEI與多時間尺度SPEI監測的干旱格局整體上表現出良好的一致性,均呈變干趨勢,說明SAPEI能夠捕捉干旱演變。具體而言,SAPEI和多時間尺度SPEI的月變化時間序列在下半年(7—12月)相近,而在冬季(1—2月),SAPEI能夠捕捉到SPEI未監測到的干旱。另外,SAPEI比同為月值的SPEI-1更為穩定,后者波動較大。以上結果均表明SAPEI能夠捕捉新疆干旱的演變,相比SPEI具有一定優勢。

圖2 SAPEI及不同時間尺度SPEI監測的2006 年和2008 年新疆干旱事件的月變化

圖3顯示了由SAPEI、SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6、SPEI-12監測的2006年和2008年新疆四季干旱的空間分布情況。SAPEI與多時間尺度SPEI監測的干旱格局整體上較為一致,尤其夏季和秋季月份表現較為明顯。夏季SAPEI在南疆大部分地區及北疆南部、東疆中西部為負值,干旱嚴重地區主要分布在南疆巴州和喀什等地,各時間尺度SPEI均不同程度反映了這一分布特點,特別是SPEI-3也監測到了巴州和喀什等地的干旱。秋季SAPEI在全疆絕大部分地區均為負值,干旱嚴重地區集中分布在南疆巴州和東疆吐哈盆地西緣連片區域以及阿克蘇、喀什等地,SPEI-6也監測到了此區域的干旱。冬季SAPEI在全疆大部分地區均為負值,其捕捉到了南疆大部分地區及北疆、東疆小范圍的干旱,這是各時間尺度SPEI未捕捉到的。

此外,SAPEI的計算是基于日尺度的,它通過衰減常數考慮當天和前期的水分盈虧,而SPEI只考慮當期的水分盈虧,無法關聯前期條件。對于亞月(周、日)尺度的干旱監測,SAPEI也更具潛力。綜上表明,SAPEI可以有效地描述和監測新疆的干旱時空分布格局,貼近實際情況,且其較SPEI干濕分布差異較小,更為穩健,具有一定優勢。

2.2 SAPEI的時空變化特征

2.2.1SAPEI的時間變化與趨勢 如圖4所示,基于2000—2019年的20 a時間序列,SAPEI整體呈現小幅波動性增加趨勢,說明新疆20年來整體上干旱輕微減緩,呈現變濕趨勢。在20 a的時間序列上可以明顯看到中間段(2010年左右)的振幅相對前后期較小,并且這一持續約3年的振蕩處于分水嶺位置,即前期SAPEI指數為負值波動,此后為正值波動。具體來看,2000—2008年存在較大波動,特別是2006—2008年SAPEI指數由負轉正;2008—2012年波動較小;2012—2019年尤其2013—2016年主要存在較大正值波動。這表明新疆在2008—2012年前后干濕狀況發生很大變化,干濕差異呈先縮小后擴大趨勢。

圖3 SAPEI及不同時間尺度SPEI監測的2006 年和2008 年新疆四季干旱事件的空間分布

以2008年為分水嶺,2008年之前標準正態分布UF曲線主要為負,說明SAPEI呈持續降低趨勢,逐漸變干;2008年之后UF曲線為正,說明SAPEI呈持續增加趨勢,逐漸變濕。UF和UB(UB= -UF)曲線在2008—2012年發生3次相交,交點位于置信水平區間[-1.96, 1.96]內,視為突變點,即新疆SAPEI在2008—2012年發生3次突變,突變點和新疆干濕差異變化的轉折點較為一致(圖4a)。

考慮到SAPEI隨年際更迭的波動,分四季來進一步分析。按季節劃分,新疆春季SAPEI在20 a時間序列上呈現明顯的降低趨勢,秋季SAPEI呈現明顯的增加趨勢。春季的UF曲線為負,說明SAPEI呈持續降低趨勢;2003年、2006—2007年和2009年之后均位于-1.96顯著性水平線以下,說明20年來新疆春季變干顯著,春旱明顯加劇(圖4b)。秋季的UF曲線在2005年之后為正,呈增加趨勢;2008年之后增加顯著,變濕明顯,表明新疆秋季的干旱逐漸緩解(圖4d)。新疆夏季和冬季的SAPEI均有小幅度的波動增加,說明20年來,新疆夏季、冬季的干旱有所減緩。此外,SAPEI夏季波動幅度整體小于冬季,說明夏季的干濕差異要小于冬季。具體而言,夏季2008年之前UF曲線主要為負,說明SAPEI呈持續降低趨勢;2008年之后UF為正,SAPEI持續增加,大部分時間處于不顯著的增加趨勢;UF和UB曲線的交點為2007年,位于置信水平區間[-1.96,1.96]內,表明在2007年發生突變(圖4c)。冬季2008年之前UF曲線為負,說明SAPEI呈持續降低趨勢;2008年之后UF為正,即SAPEI持續增加,2015年之后增加顯著;UF和UB曲線的交點在2015年,位于置信水平區間[-1.96,1.96]內,表明在2015年發生突變(圖4e)。

2.2.2SAPEI的空間分布與變化趨勢 全疆42個氣象站點SAPEI分布如圖5所示,20年來新疆東部和北部的干旱程度在空間上整體高于新疆中南部和西部地區。整體來看,20年來新疆大部分區域SAPEI都顯著增加,顯示出變濕趨勢。北疆除了博州東南部以及塔城東北部變干外,其余地區均有變濕趨勢;其中,北疆東北部和南部大部分站點的P值小于0.01,SAPEI增加極為顯著,變濕情況尤其明顯。南疆除了喀什中北部、和田于田、阿克蘇西北部以及巴州中部變干外,其余地區均有變濕趨勢;其中,南疆西南部的克州及和田部分區域SAPEI顯著增加,表明變濕情況明顯。東疆除了吐魯番中北部顯著變干外,其余地區均有變濕趨勢;其中,哈密市變濕顯著(圖5a)。

圖4 新疆SAPEI整體、春季、夏季、秋季和冬季的線性趨勢與M-K檢驗

按季節劃分,春、夏季SAPEI多年均值分布同全年整體分布較為一致,即東部和北部的干旱程度高于南部和西部地區;秋、冬季SAPEI多年均值分布情況相似,干旱程度較高地區主要分布于北疆西部、南疆西南部和東北部以及連片至東疆西部。春季除個別站點外,其余站點P值均小于0.01,SAPEI降低極為顯著,全疆整體呈現顯著的變干趨勢(圖5b)。夏季新疆大部分站點呈變濕趨勢,但也有不少站點顯著變干,主要分布在北疆博州、南疆西南部以及東疆的吐魯番中北部,全疆三大分區表現出不同的干濕差異變化(圖5c)。與春季情況相反,秋季基本上所有站點P值均小于0.01,SAPEI增加極為顯著,全疆整體呈現顯著的變濕趨勢(圖5d)。冬季與夏季相同,整體上呈變濕趨勢,尤其是新疆中部和東部地區變濕狀況極為顯著(圖5e)。

2.3 干旱強度的時空變化特征

2.3.1 干旱強度的時間變化與趨勢 如圖6a所示,20 年來新疆全疆整體干旱強度呈顯著降低的趨勢。2000—2003年,全疆的干旱強度介于1.0～1.5,整體等級屬中旱,其中有10個月份干旱強度處于重旱的1.5～2.0;2004—2016年,干旱強度整體介于0.5～1.0,但2015年8月有重旱發生;2017—2019年,干旱強度降低至0.5以下,屬于干濕正常范疇,無旱月份占比過半。全疆的干旱等級整體上由中旱到輕旱再到無旱,干旱強度降低顯著且分界明顯。分季節來看,全疆的干旱強度在四季均呈顯著降低的趨勢,整體等級均以輕旱和中旱為主。其中,春季前期屬于重旱;中期干旱情況復雜,無旱、輕旱、中旱均有發生;后期以中旱為主。夏季、秋季和冬季情況大致相似,前期屬于中旱,中期以輕旱為主,后期轉為正常范疇的無旱。

分區來看,北疆20年來整體干旱強度呈顯著降低的趨勢。如圖6b所示,2000—2003年,北疆的干旱強度介于1.0～1.5,整體等級均屬中旱,其中有7個月份處于重旱的1.5～2.0;2004—2014年的11年間,干旱強度整體介于0.5～1.0,但在2013年7月有重旱發生;2015—2019年,干旱強度降低至0.5以下,屬于正常范疇,無旱月份占比過半。北疆的干旱等級整體上由中旱到輕旱再到無旱,干旱強度降低顯著。分季節來看,北疆的干旱強度在四季均呈波動式降低的趨勢。其中,春季前期屬于重旱,中后期干旱情況復雜,無旱、輕旱、中旱交錯發生;夏季、秋季和冬季情況大致相似,前期屬于中旱,中期以輕旱為主,后期轉為正常范疇的無旱。

圖6c為20年來南疆干旱強度的變化趨勢,整體表現為顯著降低。2000—2015年,南疆的干旱強度整體介于0.5～1.0,屬于輕旱,其中2000年略高于1.0,屬于中旱范疇,2009年為無旱;2016—2019年,干旱強度降低至0.5以下,屬于正常范疇,大部分月份屬無旱。南疆的干旱等級整體上以輕旱為主,后期轉為無旱,干旱強度降低顯著。季節上,南疆春季干旱強度呈波動式增加趨勢,前期屬于干濕正常范疇的無旱,中后期逐漸從輕旱轉為中旱;夏季、秋季和冬季干旱強度均呈波動式降低趨勢,整體等級均表現為由中旱到輕旱再轉為無旱的變化趨勢。

東疆20年來整體干旱強度與全疆、北疆和南疆保持一致,均呈顯著降低的趨勢(圖6d)。2000—2003年,東疆的干旱強度介于1.0～2.0,整體等級屬于中旱和重旱,其中有24個月份處于重旱的1.5～2.0,重旱月份達半數;2004—2019年的16年間,東疆的干旱情況復雜,無旱、輕旱、中旱交錯發生,其中2014年6月和2015年8月為重旱,2015年7月干旱強度高于2.0,達到特旱范疇。東疆的干旱強度隨季節也變化較大,四季整體上均呈波動式降低的趨勢。具體而言,春季前期屬于重旱,中期屬于干濕正常范疇的無旱,后期以中旱為主;夏季前期屬于中旱,中后期干旱情況復雜,無旱、輕旱、中旱、重旱交錯發生,其中2015年夏季發生特旱;秋季和冬季的干旱強度變化相對一致,前期屬于中旱和重旱,中后期表現為輕旱和無旱的交錯變化。東疆的干旱強度變化較大,具有不穩定性。

2.3.2 干旱強度的空間分布及代際演變 空間上來看,基于全疆42個氣象站點分布計算干旱強度,全疆干旱強度介于0.8～1.6,整體等級屬輕旱和中旱范疇,個別地區高于1.5,達重旱范疇。通過反距離權重插值法分析(圖7a)可知,新疆干旱強度表現為東北部高,中部和西南部低。具體來看,新疆大部分地區為中旱;少數地區為輕旱,主要分布在呼圖壁和且末等地;福海一帶為重旱。

為進一步分析新疆干旱強度代際的空間變化,通過ArcGIS反距離權重插值法每5 a進行比較分析,2000—2004年間新疆大部分地區干旱等級均處于中旱范疇,天山中部、喀什中部及巴州中南部零星片域處于輕旱,而在北疆北部及東疆東部則有小部分屬于重旱范疇(圖7b)。2005—2009年間新疆干旱強度有所降低,特別是東北部地區尤為顯著(圖7c)。2010—2014年間新疆大部分地區處于輕旱范疇,西北至西南部連續片域干旱等級增加為中旱,全疆干旱強度由東南向西北遞增(圖7d)。2015—2019年間新疆輕旱范圍縮小,中旱范圍擴大,中旱區域由西北至西南部連續片域轉變為東北至東南部區域,干旱強度呈現東北高西南低的特點(圖7e)。

20年來全疆整體干旱強度呈波動式降低的趨勢,然而近5年東疆東部及北疆東北部零星片域的干旱強度有增加的情況發生,需要重點關注。

2.4 干旱站次比的時間變化特征

干旱站次比即一定時間尺度內干旱發生的站點數占研究區域內總站點數的比例,可以說明干旱發生的區域性和廣泛程度。如圖8a所示,2000—2019年,新疆整體干旱站次比表現出小幅度波動式降低的趨勢,說明20年來干旱范圍整體上有輕微縮減趨勢。具體而言,干旱站次比UF曲線除了在2003—2006年間為正外,其余均為負,呈降低趨勢,特別是在2009年之后顯著降低,干旱范圍縮減顯著。UF和UB曲線的交點為2006年,位于置信水平區間[-1.96,1.96]內,視為在2006年發生突變。從堆積柱狀圖來看,2000—2003年中旱級別以上占比較高,2004年以后則以輕旱為主;但2011、2013、2014、2017年以及2019年中旱以上等級占比略高且2011年、2013年以及2015年發生特旱。由此可知,雖然干旱站次比總體上有所降低,但是在干旱影響范圍縮減的同時也存在著干旱等級提升的風險,需要引起重視(圖8a)。

考慮到干旱站次比隨年際更迭的波動,分季節進一步分析。在春季,新疆前10年干旱站次比較低,后10年則明顯增加,整體呈波動式增加趨勢,說明干旱范圍有擴大趨勢。具體而言,春季干旱站次比UF曲線在2011年之前為負,2011年之后為正,且呈增加趨勢,特別是2017年之后顯著增加,表明新疆春季干旱影響范圍顯著擴大;UF和UB曲線的交點為2013年和2016年,位于置信水平區間[-1.96, 1.96]內,表明這兩個年份發生突變(圖8b)。在夏季,干旱站次比呈波動式降低趨勢,說明新疆整體上干旱范圍有縮減趨勢。具體而言,以2007年為分水嶺,2007年前UF曲線除2001年外均為正,2007年后變為負,2011年后低于顯著性水平線下界,呈顯著降低趨勢,表明新疆夏季干旱影響范圍縮減顯著;UF和UB曲線的交點為2007年,位于置信水平區間[-1.96, 1.96]內,視為在2007年發生突變(圖8c)。在秋季,新疆前8年的干旱站次比較高,后12年則明顯降低,整體呈波動式降低趨勢,說明干旱范圍有縮減趨勢。具體而言,秋季干旱站次比UF曲線在2007年之前為正,2007年之后為負,呈降低趨勢,特別是2011年之后顯著降低,表明新疆秋季干旱影響范圍縮減顯著(圖8d)。在冬季,干旱站次比呈波動式降低趨勢,說明新疆整體上干旱范圍有縮減趨勢。具體而言,UF曲線在整個序列上都為負,冬季干旱站次比呈降低趨勢,特別是2008年之后顯著降低,干旱影響范圍縮減顯著;UF和UB曲線在2006—2007年間相交,交點位于置信水平區間[-1.96, 1.96]內,說明在此期間發生突變(圖8e)。

圖8 新疆干旱站次比整體、春季、夏季、秋季和冬季的線性趨勢與M-K檢驗

通過分析干旱站次比的范圍等級餅狀圖(圖9)可知,20年來新疆有40個月出現了全局性的干旱事件,占整個時間段的16.9%;有38個月出現了區域性的干旱事件,占整個時間段的16.0%;有27個月出現了部分區域性的干旱事件,占整個時間段的11.4%;有49個月出現了局域性的干旱事件,占整個時間段的20.7%;其他83個月份則為無明顯干旱,占整個時間段的35.0%。每5 a分代際比較可以分析出不同干旱范圍等級的演變。新疆的全局性干旱事件整體上呈減小趨勢,基本無旱事件在增多,說明新疆的干旱范圍20年來整體上是縮減的,這也和前面得到的結論一致。但是同時可以看到,20年來全局性干旱發生頻次總體上處于較高水平,全局性和區域性干旱的總占比近三分之一,特別是近5年全局性干旱事件增多,新疆干旱事件需持續引起重視。

注:圖內數字分別代表各范圍等級出現月份數以及占比情況。

2.5 干旱頻率的空間變化特征

基于全疆42個氣象站點分布,統計不同干旱等級出現的月數,其與總月數之比,即為輕旱、中旱、重旱、特旱及總的干旱頻率,并在ArcGIS上顯示出來。由圖10a可知,新疆干旱頻率的空間分布總體為南北高、東西低,中部和西部分布交錯復雜。干旱頻率較低值位于東疆哈密紅柳河流域和北疆阿勒泰福海一帶,較高值位于北疆昌吉呼圖壁一帶。

分等級來看,輕旱頻率在全疆的分布為中南部高、東北部和西部低。頻率較高值零散分布在天山中部呼圖壁附近以及巴州西部,較低值分布在阿勒泰以及哈密的部分地區(圖10b)。中旱頻率在南疆分布范圍較廣,阿勒泰地區東部及哈密東南部的中旱頻率較不穩定,該區域內的干旱狀況差異較大(圖10c)。與中旱頻率相反,重旱頻率在南疆分布范圍較小,在北疆和東疆較高(圖10d)。特旱在新疆大部分地區發生概率較小,在東疆哈密紅柳河一帶發生頻率較高(圖10e)。綜上可知,北疆南部主要為輕旱,北疆東北部為中旱,北疆西北部為重旱;南疆主要為中旱和輕旱;東疆西部為輕旱,東疆東部為重旱。

3 討 論

中國氣象局氣候變化中心表示,全球變暖趨勢仍在持續,中國是全球氣候變化敏感區和影響顯著區。新疆位于中國最西北,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。21世紀初,施雅風等[30]提出了中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的觀點并得到證實。本研究也表明,2000年以來新疆的干旱狀況逐漸緩解,呈濕潤化趨勢,干旱強度降低,干旱影響范圍縮減;但表現出春旱加劇且影響范圍顯著擴大的態勢。吳秀蘭等[19]基于MCI分析了新疆近60年干旱時空特征,結果表明新疆地區干旱程度減輕趨勢顯著,而春季易出現全疆一致的較重干旱;李劍鋒等[21]基于SPI探討了新疆地區干旱時空演變特征,研究表明整個新疆干旱情況好轉,而北疆春季干旱改善不顯著,南疆春季干旱有惡化的可能;這些均與本研究結論相近。造成新疆整體暖濕化但春旱加劇的原因是多方面的,涉及到全球氣候變化以及人類活動等多種因素。另外,新疆2000年以來的暖濕化是長期趨勢還是階段性特征,還需要進一步驗證和研究。特別要注意的是,春季氣溫回升,積雪消融,新疆春旱、春洪交替出現的風險也將增加,未來更需注意春季的防汛抗旱工作,這對新疆農牧業發展和地區長治久安具有重要意義。

東疆位于天山東部的絲綢之路,行政區劃上主要包括吐魯番市和哈密市。該區域地形地貌復雜,山地盆地兼具,這也一定程度上反映了其內部的復雜性。橫貫東疆的吐哈盆地東、西緣表現出截然不同的干濕狀況,吐哈盆地西緣相對濕潤但變干顯著,其東緣相對干旱卻顯著變濕,夏季和冬季的干濕分布和變化趨勢也各不相同。東疆的干旱強度相對復雜,2009—2020年,前期屬中旱和重旱,中后期無旱、輕旱、中旱交錯發生,2014年和2015年有重旱甚至特旱發生。特別是近5年東疆出現干旱強度增加的情況,需要特別關注。另外值得注意的是,東疆全區特別是東部哈密市內重旱發生的頻率較高。綜合來看,東疆作為連通新疆與內地的重要區域,其干旱特征與其他分區差異較大,同時也存在較大的干旱風險,今后將進一步展開相關研究,以更好地揭示其內部差異性和整體復雜性。

4 結 論

1)2000—2019年,新疆全區干旱狀況有所緩解,整體呈濕潤化。2008—2012年為重要分水嶺,期間SAPEI發生3次突變,且近年來干濕差異擴大。空間上,新疆東部和北部的干旱程度高于中南部和西部,出現整體變濕但部分相對濕潤地區卻顯著變干的現象。

2)新疆春季顯著變干,秋季顯著變濕。夏季和冬季呈變濕趨勢,干旱逐漸緩解;時間上,冬季干濕差異大于夏季,而夏季干濕變化的空間差異大于冬季。

3)20年來,新疆全區和分區的干旱強度均顯著降低,南疆干旱強度在春季呈增加趨勢,東疆干旱強度隨季節變化較大,具有不穩定性。空間上,新疆東北部干旱強度高,中部和西南部低;整體屬輕旱和中旱范疇,以中旱為主,個別地區達重旱。

4)新疆干旱站次比有所降低,干旱范圍呈縮減趨勢,但同時也存在干旱等級提升的風險。季節上,新疆春季干旱范圍擴大,夏季、秋季和冬季干旱范圍縮減。全局性干旱發生頻次總體上仍處于較高水平,特別是近5年全局性干旱事件增多,需引起重視。

5)總體上,新疆干旱頻率的空間分布為南北高、東西低,中部和西部的干旱頻率分布交錯復雜。分等級而言,北疆南部為輕旱,東北部為中旱,西北部為重旱;南疆主要為中旱和輕旱;東疆西部多為輕旱,而東部則主要為重旱。