基于降水平均等待時間指數的西北綠洲干旱時空變化研究

陳麗麗，劉普幸，姚玉龍

干旱作為最嚴重的自然災害之一，其發生頻率高，影響范圍大，持續時間長，因而成為近年來的一個熱點問題［1］。干旱是西北干旱區最常見的一種氣象災害，隨著經濟、社會的快速發展，人口的不斷增長，干旱災害的影響已經從傳統的農業領域擴展到了工業、城市、生態等多個領域，旱災的損失也越來越大［2］。研究干旱的重要前提是干旱指數的確定，在這方面國內外學者已經取得了很多重要的成果和突破［3－11］。然而這些干旱指數均是基于某段時間的累計降水量，計算干旱指數后再判斷干旱發生情況及確定干旱等級。但實際上，降水量的時空分布不均勻，也就導致降水量較多的年份也可能會出現嚴重的干旱；反之，降水量的時空分布較均勻，降水偏少的年份也會出現無干旱。因此，利用這些干旱指數來分析干旱的時空變化存在一定的局限性。而降水的平均等待 時 間 （averaged waiting time for precipitarion，AWTP）指數可以通過持續無降水日的分析，更能較好地反映干旱狀況［2］。目前，AWTP指數在我國的應用還比較少［2，12－15］。西北綠洲位于中國西北干旱區，主體在新疆、甘肅河西走廊、青海的柴達木盆地等地區，土地總面積約2.48×106km2［16］。西北綠洲地處亞歐大陸的腹地，四周距海均比較遙遠，氣候干燥，自然降水稀少，因此干旱頻繁發生，對當地的農業生產和生態環境的影響非常大，據統計，1950—1994年西北地區發生旱災24年次，重大災害有8年次，其中特大農業災害發生率20%，大旱災發生率33%，一般災害發生率48%［17］。降水量的豐缺嚴重影響著綠洲農業的發展，因而分析降水量與干旱狀況的關系是研究綠洲形成、發展及建設的最基本的內容［18］。綠洲的建設與發展其核心在綠洲農業，而干旱是制約農業發展的重要影響因素。加之近年來西北綠洲人口迅速增長，生態惡化加重，并且正面臨著大面積的衰退、消失［19－22］，因此對綠洲資源的科學利用和改造已成為亟待解決的問題。本研究選用AWTP指數轉化而來的相當干期分析西北綠洲的干旱時空變化特征，以期為西北綠洲的抗旱工作提供參考依據。

1 研究區概況

西北綠洲位于亞歐大陸的腹地，高山與盆地相間分布，氣候干燥，年平均降水量小于200mm，冬季寒冷，夏季炎熱，氣溫變化劇烈，年較差和日較差大。西北綠洲的光熱資源非常豐富，太陽總輻射平均大于5.04×105J／（cm2·a），年日照時數大于2 800h，大于等于10℃的積溫在2 600℃以上，無霜期約為140d［16］。西北綠洲的地帶性植被主要以荒漠和荒漠草原為主，土壤以棕漠土、灰棕漠土和風沙土為主。

2 資料和方法

2.1 資料來源

采用西北綠洲中的氣象站，并經過了嚴格的篩選，具體的篩選過程是將資料缺測的剔除掉，如一年中有一個月缺測，則該年為缺測［9］，以及觀測年限不足52a（1960—2011年）的也剔除掉，最終得到了86個氣象站點1960—2011年逐日降水量資料。

2.2 AWTP指數

AWTP指數由Cubasch等［7］提出，它不僅考慮無降水日（干日，指日雨量＜0.1mm）的總天數，而且也考慮雨日（日雨量≥0.1mm）的隨時間分布情況。給定某時間長度為L天的時間序列，其AWTP指數定義為：

式中：L——研究時間序列長度（d）；J——該時間序列中某相鄰兩次降水（雨日）日間干期（連續干日）的天數（d）；I——研究時間序列中某相鄰兩次降水日間干期的總天數；N——研究時間序列中出現的最長干日的天數；F（I）——在研究時間序列內出現上述長度為I天的干期的次數。為了比較方便，可以將AWTP值轉換為一次等效的連續干期I，即一次持續無雨時段的天數，即相當干期（equivalent dry period，EDP），則有

因此，可通過求解一元二次方程得到I值：

3 結果與分析

3.1 年際及年代際干旱變化

為了分析西北綠洲干旱的時間變化趨勢，將西北綠洲逐年平均AWTP值轉化為EDP，得到了西北綠洲年平均相當干期的逐年變化特征（圖1）。從圖1可以看出，西北綠洲年平均相當干期總體呈緩慢下降趨勢，相當干期的傾向率為－1.109／10a，表明西北綠洲的降水呈現增加趨勢，干旱狀況有微弱的緩解但不顯著，與施雅風［23］對西北地區氣候研究由暖干向暖濕轉變的資料一致。在52a中，1991年的相當干期最大，為108.9d，干旱程度最強；而1970年最小值，僅為34.9d，干旱程度最小，最高值和最低值相差74d，說明了年相當干期的極端變化較大。從5a滑動平均曲線來看，西北綠洲的相當干期變化大致可分為2 個 階 段：1960—1964 年、1979—1990、2002—2011年為平緩時期，相當干期小于多年平均值（60.9 d）；1965—1978年、1991—2001年為劇烈時期，相當干期大于多年平均值，平均周期為10a左右。

圖1 西北綠洲相當干期年際變化趨勢

西北綠洲相當干期的年代際變化也比較明顯（圖2）。1960s至1970s年均相當干期呈現逐漸增加的趨勢，增加幅度較小，但都高于多年平均相當干期60.9d，與中國氣候的干濕變化資料一致［24］。1970s至1980s年均相當干期呈減小趨勢，比1960s和1970s分別減小了6.5和8.1d，減幅較小。1980s至1990s年均相當干期迅速增加，比1980s增加了10.6 d，增幅較大，1990s是52a以來相當干期最大的時期，與程國棟［25］對西北干旱在1990s最嚴重的研究結論一致。1990s到2001—2011年的年均相當干期又迅速減小并低于多年平均值（60.9d）。1960—1990年相當干期的平均值為60.8d，1991—2011年相當干期的平均值為61d，20世紀90年代相當干期增加了0.2d，說明了1990年之后西北綠洲的干旱發生較之前呈現增加的趨勢，21世紀以來，相當干期的變化較緩和。已有研究表明，1981年以來西北地區整體上呈現出干旱增加的趨勢，西北西部轉濕區域在1991年以后又出現了干旱化的趨勢，這與氣溫持續升高有密切的關系［26］的結論一致。

3.2 干旱指數的季節變化

為了更好地分析西北綠洲干旱的空間分布特征，首先根據傳統氣候學中季節的劃分方法，將四季劃分為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12至翌年2月為冬季。

圖3為西北綠洲各季節相當干期的時間變化曲線。由圖3可以看出，近52a來，西北綠洲四季的相當干期變化均呈現出微弱的降低趨勢，表明西北綠洲四季的干旱狀況整體上有所緩解，干旱程度降低。其中，以春季的相當干期變化傾向率最小，為－0.970／10a，干旱程度減小對春季農作物播種及發芽等具有重要的現實意義；而夏季最小，為－0.283／10a，說明夏季的相當干期減小趨勢最微弱，秋季和冬季的變化相類似。有研究［27］表明，西北地區春、夏季的氣溫增加較小，大部分的地區不到0.5℃；春季降水量雖然少，但增加卻最大，而夏季降水占全年的50%，因此得出以上結果與以往資料一致。從四季平均相當干期天數來看，春夏秋冬平均相當干期為分別為14.9，1.4，21.1和37.9d，其中冬季的相當干期最長；其次是秋季、春季，而夏季最短。因此，西北綠洲秋、冬季的相當干期比春、夏季平均長20～30d左右，說明西北綠洲秋、冬兩季發生干旱的可能性最大，干旱的累積效應也較春、夏季更顯著。

圖2 西北綠洲各年代平均相當干期

圖3 西北綠洲相當干期季節變化趨勢

3.3 西北綠洲相當干期的突變檢驗

采用t滑動檢驗和累計距平法對1960—2011年西北綠洲年相當干期進行了突變分析（圖4），通過兩種方法的比較來確定比較可靠的突變年份。由圖4可以看出，西北綠洲相當干期的t滑動檢驗表明突變年份在1976和1996年，而累計距平則表明西北綠洲相當干期的突變年份為1976，1990和1996年，1976年之后相當干期呈現減少趨勢，而1996年之后呈現逐漸增加的趨勢。比較得出，西北綠洲相當干期的突變年份在1976和1996年比較顯著，其中1976年與林學椿［27］對中國年代際氣候躍變大都發生在70年代后期至80年代初的結論一致，而1996年的突變與賈文雄研究祁連山區氣候變化的結論一致［28］。顯然西北綠洲相當干期的變化對全球氣候的變化非常敏感。

3.4 西北綠洲相當干期的周期分析

為了進一步分析西北綠洲的干旱狀況隨時間的變化，將西北綠洲劃分為了5個區域，分別為北疆、南疆、青海柴達木盆地、河西走廊、寧夏平原，利用Morlet小波分析方法對5個分區1960—2011年相當干期的時間序列進行小波分析。結果表明，西北綠洲相當干期的年際及年代際變化存在不均勻、多尺度、多層次的周期變化結構特性。其中，北疆綠洲存在2，5，13和26a的周期，其優勢周期為13a；南疆綠洲存在2，5，12和26a的周期，其優勢周期為12a。通過比較南疆和北疆綠洲的周期變化得出，兩者的短、中長周期變化幾乎一致，這與南疆和北疆共同受西風控制的影響因素有關［29］。柴達木盆地綠洲存在2，5，9，16和26a的周期，其優勢周期為9和5a；河西綠洲存在2，6，13，20和26a的周期，其優勢周期13a；寧夏綠洲存在2，4，10和26a的周期，但存在20及26a的周期因時間序列短而不可靠，因此寧夏綠洲的主周期為10a。通過比較得出，西北綠洲具有共同的2a周期，這與2和4a左右的周期與副高脊線位置的準3a的周期有關，其中12和13a左右的周期與太陽黑子活動周期相關，5a左右的周期與厄爾尼諾現象有關［30－31］。

3.5 相當干期的空間分布

通過計算西北綠洲86個氣象站點的平均AWTP值轉化為EDP指數，并以此為參數，基于ArcGIS的IDW插值方法計算得出52a來研究區AWTP和EDP指數的空間分布圖（圖5）。干旱指數的大小決定了干旱的嚴重程度，指數值越大，表明干旱程度越嚴重；指數值越小，表明干旱程度較輕。

從圖5可以看出，西北綠洲的AWTP變化的等值線梯度比較大，空間分布不均勻，高低值的分布比較集中，整個區域的干旱發生具有區域特性。西北綠洲的空間變化整體上呈現出兩個特征：（1）自東南向西北增加；（2）自山區向塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地和河西走廊增加，與塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地和河西走廊是西北地區降水最少的資料一致［32］。

由圖5得出，相當干期的高值區域分為兩部分：（1）塔里木盆地的西北部，即柯坪、阿拉爾地區；（2）新疆吐魯番盆地、塔里木盆地的東南部和柴達木盆地西部圍成的區域，表明這兩個地區發生農業干旱的頻次要比其他地區多并且更明顯，然后以此為中心向四周減小。

從圖5可以看出，新疆地區北部及河西走廊中西部的干旱指數減小最顯著，河西走廊東部和寧夏綠洲減小幅度不顯著。研究［33］資料表明，西北西部降水呈增加趨勢，其中天山地區增加最多，則有利于準格爾盆地綠洲荒漠化的逆轉；而東部季風邊緣區、西南部的塔里木盆地隨著氣溫的升高而降水量呈減少趨勢，將加劇土地荒漠化的迅速發展和干旱事件的發生。從圖5可以看出，塔里木盆地西北部的柯坪和阿拉爾地區最為干旱，就平均角度而言，該區的干旱累計狀況為一個450d的干旱期的后果，其次為新疆吐魯番盆地—塔里木盆地的東南部—柴達木盆地西部圍成的區域。綜合分析得出，西北綠洲的干旱空間分布呈現出明顯的空間差異性，整體上空間分布以塔里木盆地的西北部、新疆吐魯番盆地—塔里木盆地的東南部—柴達木盆地西部圍成的區域為兩個中心向四周減小的半環狀分布特征。

圖5 西北綠洲區AWTP（左）和相當干期（右）的空間分布

4 結論

（1）西北綠洲相當干期年變化總體呈現下降趨勢，其變化傾向率為－1.109／10a。在年際變化的同時還疊加著明顯的年代際變化，20世紀60年代初期，相當干期的變化較平緩，而進入60年代中后期，相當干期的變化波動比較大，而70—80年代處于震蕩的時期，90年代為明顯波動幅度劇烈時期，21世紀以來，相當干期的變化較緩和。

（2）西北綠洲四季的相當干期變化均呈降低趨勢，春季降低趨勢最明顯，而夏季降低趨勢最小。從四季平均相當干期天數來看，冬季最長，夏季最短。

（3）近52a來，西北綠洲相當干期的變化存在明顯的突變現象，突變點在1976和1996年，1976年之后相當干期呈現減少趨勢，而1996年之后呈現逐漸增加的趨勢。

（4）Morlet小波分析表明，北疆綠洲的相當干期存在13a左右的主周期，南疆綠洲存在12a左右的主周期，柴達木盆地綠洲存在9和5a左右的主要周期，河西綠洲存在13a左右的主周期，寧夏綠洲存在10a左右的主周期。

（5）西北綠洲的干旱空間分布呈明顯的區域差異性，AWTP指數和相當干期的空間格局整體上均以塔里木盆地的西北部和新疆吐魯番盆地—塔里木盆地的東南部—柴達木盆地西部圍成的區域為兩個中心向四周減小的半環狀分布特征。

［1］ 王勁松，任余龍，宋秀玲.K干旱指數在甘肅省干旱監測業務中的應用［J］.干旱氣象，2008，26（4）：75－79.

［2］ 曹永強，蘇陽，張蘭霞，等.基于AWTP指數的浙江省干旱規律時空分析［J］.自然資源學報，2012，27（7）：1233－1240.

［3］ Palmer W C.Meteorological Drought［R］.U S：Weather Bureau，1965.

［4］ Gerald D B，John E J.Atmospheric circulation associated with the midwest flood of 1993［J］.Bulletin of the A－merican Meteorological Society，1995，76（5）：681－695.

［5］ Kite G W.Frequency and Risk Analysis in Hydrolog－1IM［M］.Colorado：Water Resources Press，1997.

［6］ McKee T B，Doesken N J，Kleist J.The relationship of drought frequency and duration to time scales［C］∥Proceeding of 8th Conference on Applied Climatology.American Meteorological Society，Boston：Massachusetts，1993：179－184.

［7］ Cubasch U，Waszkewtiz J，Hegerl G，et al.Regional climate changes as simulated in time－slice experiments［J］.Climatic Change，1995，31（2／4）：273－304.

［8］ 陳麗麗，劉普幸，姚玉龍，等.1960—2010年甘肅省不同氣候區SPI與Z指數的年及春季變化特征［J］.生態學雜志，2013，32（3）：704－711.

［9］ 鄒旭愷，張強.近半個世紀我國干旱變化的初步研究［J］.應用氣象學報，2008，19（6）：679－687.

［10］ 曾紅麗，宋開山，張柏，等.1960年以來松嫩平原生長季干旱特征分析［J］.干旱區資源與環境，2010，24（9）：114－122.

［11］ 劉曉云，李棟梁，王勁松.1961—2009年中國區域干旱狀況的時空變化特征［J］.中國沙漠，2012，32（2）：473－483.

［12］ 梁巧倩，簡茂球.干旱指數AWTP在廣東冬半年干旱分析中的應用［J］.廣東氣象，2001，23（2）：7－9.

［13］ 梁巧倩，梁玉瓊，紀忠萍，等.廣東秋冬春旱的時空變化及環流演變特征［J］.熱帶氣象學報，2009，25（1）：123－128.

［14］ 周明森，簡茂球.廣東近46年秋季干旱特征分析［J］.中山大學學報：自然科學版，2009，48（S）：197－200.

［15］ 張凌云，簡茂球.AWTP指數在廣西農業干旱分析中的應用［J］.高原氣象，2011，30（1）：133－141.

［16］ 劉普幸，陳仲全.中國西北綠洲生態農業發展舉措［J］.寧夏大學學報：自然科學版，1999，20（2）：140－150.

［17］ 翟祿新，馮起.基于SPI的西北地區氣候干濕變化［J］.自然資源學報，2011，26（5）：847－857.

［18］ 申元村，汪久文，伍光和，等.中國綠洲［M］.河南開封：河南大學出版社，2000.

［19］ 王根緒，程國棟，徐中民，等.中國西北干旱區水資源利用及其生態環境問題［J］.自然資源學報，1999，14（2）：109－116.

［20］ 趙哈林，趙學勇，張銅會，等.中國西北干旱區的荒漠化過程及其空間分異規律［J］.中國沙漠，2011，31（1）：1－8.

［21］ 龔斌，萬力，胡伏生，等.黑河下游額濟納旗綠洲退化規律及其控制因素［J］.水文地質工程地質，2006，14（1）：58－61.

［22］ 李小玉，肖篤寧.石羊河流域中下游綠洲土地利用變化與水資源動態研究［J］.水科學進展，2005，16（5）：643－648.

［23］ 施雅風，沈永平，張棟梁，等.中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的特征和趨勢探討［J］.第四紀研究，2003，23（2）：152－164.

［24］ 張慶云，陳烈庭.近30年來中國氣候的干濕變化［J］.大氣科學，1991，15（5）：72－81.

［25］ 程國棟，王根緒.中國西北地區的干旱與旱災：變化趨勢與對策［J］.地學前緣，2006，13（1）：3－14.

［26］ 王志偉，翟盤茂.中國北方近50年干旱變化特征［J］.地理學報，2003，58（S）：61－68.

［27］ 于淑秋，林學椿，徐祥德.我國西北地區近50年降水和氣溫的變化［J］.氣候與環境研究，2003，8（1）：9－18.

［28］ 賈文雄，何元慶，李宗省，等.祁連山區氣候變化的區域差異特征及突變分析［J］.地理學報，2008，63（3）：257－268.

［29］ 張永，陳發虎，勾曉華，等.中國西北地區季節間干濕變化的時空分布：基于PDSI數據［J］.地理學報，2007，62（11）：1142－1152.

［30］ 伍光和，田連恕，胡雙熙，等.自然地理學［M］.3版.北京：高等教育出版社，2000.

［31］ 林學椿，于淑秋.中國干旱的22年周期與太陽地磁活動周［J］.氣象科學研究院院刊，1987，2（1）：43－50.

［32］ 黃玉霞，李棟梁，王寶鑒，等.西北地區近40年年降水異常的時空特征分析［J］.高原氣象，2004，23（2）：245－252.

［33］ 靳立亞，符嬌蘭，陳發虎.近44年來西北降水量變化的區域差異以及對全球變暖的響應［J］.地理科學，2005，25（5）：567－572.