基于SPEI的中國西北地區氣象干旱變化趨勢分析

任培貴， 張 勃， 張調風， 李小亞， 陳 樂， 盧李朋

(西北師范大學 地理與環境科學學院， 甘肅 蘭州 730070)

干旱是指水分收支不平衡時形成的一種水分短缺現象，是全球最嚴重的自然災害之一。近年來，在氣候變暖背景下，干旱已成為一個嚴重危急人類生存的環境問題，從而引起了科學界的普遍關注。IPCC報告指出20世紀末以來，全球增溫普遍升高，溫度升高導致地表蒸散量加強，降水呈現出很強的區域性[1]，從而使干旱趨勢進一步加劇。中國西北地區深居歐亞大陸腹地，主要受緯度西風、亞洲季風以及高原季風的擾動[2-4]，是同緯度最干旱的地區之一[5]，同時西北地區也是生態脆弱區和氣候變化敏感區[6]，如果干旱進一步加強，將使得該區出現缺水、沙漠化加劇、生態環境惡化等問題，進而影響本區的社會經濟發展。因此，在全球變暖背景下，深入研究西北地區干旱的演變特征，為及時制定改善生態環境狀況的決策、調整區域農業種植制度和促進西北經濟可持續發展有著十分重要的意義。

干旱指數是反映地面干濕狀況的一個指標[7]，各干旱指數的研究機理不盡相同，在每個地區的適用性也不一樣，所以客觀、合理地選擇干旱指標，對于干旱的研究具有重要的現實意義[8]。近年來，眾多學者從降水、蒸散量等方面運用氣象干旱指數對研究區的干旱演變特征進行了分析，主要分為兩類：一類是研究降水量的分布規律，以SPI和Z指數為代表[9]，另一類是研究形成干旱的各個物理過程，以相對濕度指數(MI)和帕默爾干旱指數(PDSI)為代表[10]。但經過研究證明這些干旱指數都存在一定的局限性[11]。Vicente—Serrano等[12-13]提出了標準化降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI),該指數通過降水和蒸散量來反映干旱的程度，是全球變暖背景下研究干旱的新的理想指標。SPEI指數被許多專家和學者用來研究干旱的變化特征，如石崇等[14]用SPEI干旱指數對東半球陸地干旱變化特征進行了研究，李偉光等[15-16]運用該指數分析了中國華南的干旱變化特征，王文舉等[17]用該指數分析了湖北省的干旱演變特征，王林等[18]基于SPEI干旱指數分析了近百年來西南地區干旱的演變特征，結果表明該指數能很好地反映研究區的干旱狀況。SPEI干旱指數在西北地區還沒有被運用過，因此有必要把該指數用在西北地區對其干旱進行研究，一是驗證在西北地區的適用性，二是分析本地區干旱的演變特征。

1 數據來源和分析方法

1.1 研究區概況

中國西北地區(73°25′—110°55′E和31°35′—49°15′N)包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西以及內蒙古的西部，面積約占國土面積的30%。由于該區深居內陸，水分供給主要靠大氣降水，四周多高山，來自海洋的濕潤氣流很少能夠到達，因而，成為同緯度最干旱的地區之一[19]。加之本區氣溫和降水受到地貌和氣候類型復雜性的影響，年均氣溫和降水從東南向西北呈逐漸減小趨勢，分布很不均勻[20]，最終使西北地區成為一個多氣候類型共存的區域，導致干旱在時空上表現出多變性。由于干旱的復雜性，使得該區的植被從東南向西北依次為草原—荒漠草原—荒漠的特征。

1.2 數據來源

本文收集了中國氣象局整編的西北地區173個國家標準氣象站點1959—2011年的逐月常規觀測數據，包括月降水和月平均氣溫等資料。我們對研究期多年數據資料進行了嚴格的質量控制和篩選，對部分不合理和缺失數據進行了必要的處理，最終選取了173個站點中的149個作為研究對象，建立了1959—2011年氣象因子的時間序列。

1.3 SPEI指數計算過程

SPEI計算過程如下：

第1步：計算潛在蒸散量(PET)。Vicente-Serrano推薦的是Thornthwaite 方法：

(1)

式中：PET——潛在蒸散量；T——月平均溫度(℃)；H——年熱量指數；A——常數。

第2步：計算逐月降水量與蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi

(2)

式中：Di——降水量與蒸散量的差值；Pi——月降水量(mm)； PETi——月蒸散量。

第3步：采用3個參數的log-logistic概率分布對Di數據序列進行正態化，計算每個數值對應的SPEI指數：

(3)

式中：F(x)——概率密度函數；x——概率密度函數自變量； 參數α,β,γ的計算如下：

(4)

(5)

γ=ω0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

式中：Γ——階乘函數；ω0，ω1，ω2——數據序列Di的概率加權矩：

(7)

(8)

式中：ωs——數據序列Di的概率加權矩；N——參與計算的月份個數。

最后對累計概率密度進行標準化：

P=1-F(x)

(9)

當累計概率P≤0.5時：

(10)

(11)

式中：c0，c1，c2，d1，d2，d3——參數。

當P>0.5時：

P=1-P

(12)

(13)

1.4 SPEI指數干旱等級劃分

前人對各干旱指數進行了干旱等級的劃分，但關于SPEI干旱閾值目前還沒有一個統一的標準。李偉光等[16]用SPEI指數的不同干旱閾值對全國和華南地區的干旱演變進行了分析研究，王琳等[18]基于SPEI干旱指數自定義的干旱等級分析了近百年來西南地區干旱的演變特征，結果和歷史干旱事件基本符合。在本文中我們參考李偉光等[15]對全國劃分的干旱等級，初步劃分SPEI指數的干旱等級(表1)。

表1 SPEI指數干旱等級劃分

2 結果與分析

2.1 SPEI的年際和四季變化特征

為了揭示干旱在年際和不同季節的具體情況，分別分析了1959—2011年西北地區年際和四季的干旱波動情況。從圖1可以看出，西北地區近53 a來平均SPEI值呈下降趨勢，下降率為0.16/10 a；1996年之前SPEI值波動較平緩，1996年之后SPEI迅速下降，其速率達0.362/10 a。從四季變化可以看出，春季呈下降趨勢，以0.147/10 a的速率下降，西北地區處在高壓脊內，經常受到西風帶的影響，所以造就了該區春季降水少，地面升溫快，風大，潛在蒸散量大等氣候特點。夏季呈下降趨勢，以0.111/10 a的速率下降，初夏的時候西北地區高空受副熱帶高壓活動的影響，因而南支波動減弱，導致此時本區域為相對少雨干旱季節。秋季呈下降趨勢，以0.127/10 a的速率下降，因為在西北地區10月后每年幾乎有一次強烈的極地冷空氣向南擴散，從而使得大氣環流形勢發生巨大變化，導致西太平洋副熱帶高壓南退，西風帶環流活動頻繁，冬季環流形勢加強，從而使降水減少，出現少雨干旱的氣候類型。冬季SPEI呈上升趨勢，其速率為0.11/10 a，可能冬季溫度低蒸發少所致[21]。年際和春、夏、秋季的SPEI值均呈緩慢下降趨勢，從而說明干旱有緩慢加重之趨勢。

圖1 1959-2011年西北地區干旱年際和四季變化趨勢

2.2 SPEI年際和四季突變檢驗

分析圖2可知，西北地區近53 a來全區平均SPEI指數整體呈現出持續下降的趨勢，從2006年至今這種下降趨勢超過了顯著性水平0.05臨界線。在顯著水平0.05的臨界線內，UF和UB曲線相交于1996年，這是西北地區平均SPEI指數突變的開始。分析圖2a可知，西北地區春季平均SPEI指數在1970—1989年呈現下降趨勢，1989—1994年略有上升趨勢，但從1994年至今呈下降趨勢，且在2007年達到了下降趨勢0.05的顯著水平；UF和UB相交于1998年前后，說明1998年是個突變年份。由圖2b可知，夏季平均SPEI指數在1967—1999年呈現上升趨勢，上升趨勢不明顯，從1999年至今呈現下降趨勢，在2008年下降趨勢達到了0.05的顯著水平；UF和UB相交于2005年前后，說明2005年是個突變年份。由圖2c可知，秋季從20世紀70年代后期開始，平均SPEI指數呈下降趨勢，且在1997年以后這種下降趨勢超過了顯著性水平0.05的臨界線，說明西北地區秋季干旱化趨勢明顯；UF和UB相交于1980年前后，說明1980年是個突變年份。由圖2d可知，冬季平均SPEI指數從20世紀70年代開始上升，甚至在2005年達到了0.05的顯著水平；突變不明顯。綜上可知，西北地區除冬季外都有明顯的變干趨勢，突變發生的年份不一致，近10 a干旱有明顯加重趨勢。

2.3 SPEI的空間變化特征

中國西北地區氣溫和降水量時空變化上均存在不平衡性，加之受到地貌及氣候類型的影響，其干旱發生在空間分布上也表現出一定的復雜性。圖3為西北地區1959—2011年四季SPEI線性變化趨勢空間分布圖，不同季節的干旱演變在空間上差異性較大；夏季干旱加重趨勢最顯著，春季和秋季次之，冬季甚至以減輕趨勢為主，這可能是因為冬季溫度低蒸發量小所致。由圖3a可知，春季，除新疆和青海局部地區(占站點總數的10%)干旱呈減輕趨勢外，其余大部分地區呈現不同程度的加重趨勢，新疆南部、寧夏以及陜西、甘肅和內蒙古的大部分地區干旱以0.15～0.3/10 a的趨勢加重。由圖3b可知，夏季，新疆西南部、青海中部、陜西南部地區干旱有不同程度的減輕趨勢，占全部站點的23%；其余大部地區以加重趨勢為主，其中新疆東南部、內蒙古西部和青海西北部的干旱趨勢達到0.15～0.3/10 a，在新疆、甘肅和青海的交界處干旱趨勢甚至高達0.3～0.45/10 a。由圖3c可知，秋季，除新疆、青海、內蒙古的局部地區(占站點總數的16%)干旱有減輕趨勢外，其余大部分地區呈現不同程度的加重之趨勢，其中新疆東南部與青海西北部交界的地區干旱趨勢顯著，高達0.3～0.57/10 a。由圖3d可以看出，冬季，除陜西南部外，其余各地區(占站點總數的58%)都呈不同程度的減輕趨勢，減輕趨勢不顯著。

圖2 1959-2011年西北地區SPEI年際和四季變化及M-K突變檢驗曲線

圖3 1959-2011年中國西北地區四季SPEI線性變化趨勢空間分布

2.4 SPEI指數在西北地區的適用性

本文應用SPEI干旱指數對西北地區近53 a來干旱特征及其時空演變進行了分析，由于該指數是首次運用到西北地區，所以有必要驗證SPEI指數在西北地區的有效性，以便能更可靠地反映本研究區的實際干旱情況，這里我們采用SPEI干旱指數和歷史干旱事件進行對比的方法，觀測其再現能力。采用《西北干旱監測指標數據集》[22]作為驗證資料，該數據集記載了西北地區1971—2008年各種干旱指數在西北地區的使用性，同時還給出了歷史上一些干旱事件。本文隨機選擇了兩個干旱年份和兩個正常年份與數據集進行對比。結果表明，該指數可以反映1972年春季和2000年春季西北地區的干旱形勢，而1995年夏季和2007冬季西北地區也基本沒有發生干旱，這與西北地區的實際情況基本一致，只是在細節上有一定的差異。這里給出了1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北干旱分布情況(圖4)。

通過與該數據集對比，結果顯示1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北地區SPEI的分布與數據集所反映的干旱分布狀況基本是一致的。1972年春季青海中部新疆內蒙古和陜西局部地區發生干旱，1995夏季年除新疆南部、青海中西部、陜西南部和內蒙古東部的局部地區發生輕微干旱外，全區絕大部分地區沒有出現干旱， 2000年春季除青海外幾乎整個西北地區發生了嚴重的春旱，2007年冬季整個西北地區幾乎沒有出現干旱狀況，這些都與西北地區實際情況基本一致。以上分析表明，SPEI指數在表征西北地區干旱方面具有較好的適用性，同時也說明該數據集具有較好的適用性。

3 結 論

(1)時間上，從年際變化趨勢來看，通過對1959—2011年西北地區平均SPEI指數的年際變化分析，可知西北地區平均SPEI指數整體呈現出持續下降的趨勢，1996年該指數發生突變，下降趨勢明顯，2006年至今這種下降趨勢超過了顯著性水平0.01臨界線，這和楊建平等[23]的研究結果基本一致。春季、夏季干旱明顯加重，都達到了0.05的顯著性檢驗；秋季干旱化更明顯，甚至1997年通過了0.01的顯著性檢驗；冬季的SPEI指數呈現上升趨勢，說明冬季干旱呈減輕趨勢，這可能是冬季溫度低蒸發少所致,這和靳立亞等[24]研究中國西北地區干濕狀況時得到的結果基本一致。

(2)空間上，春季、夏季西北地區大部分干旱以加重趨勢為主，其中新疆的南部、內蒙古、甘肅和青海的西北部干旱趨勢加重明顯，達到了0.15～0.3/10 a，夏季新疆、甘肅和青海的交界處變干趨勢甚至高達0.3～0.45/10 a；秋季該區域干旱也以加重趨勢為主，但趨勢不明顯；冬季除個別地區外，大部分呈干旱減輕趨勢。

圖4 1972年春季，1995年夏季，2000年春季，2007年冬季西北地區的SPEI指數分布

(3)本文隨機選擇了4個時間段的干旱事件，通過與《西北干旱監測指標數據集》對比，其結果基本一致，說明SPEI指數在西北地區有很好的實用性，另一方面說明該數據集有較好的使用性。

西北地區深居內陸，遠離海洋，四周又有高山阻擋，來自海洋的潮濕氣流難以到達，所以形成了同緯度最干旱的地區之一。加之本區域地形和氣候類型復雜，氣溫空間變異大，降水不均勻，因而導致干旱在時空分布上呈現出很大的差異性。同時，天文因素、人類活動也可能影響該區的干旱。

本文的不足之處：(1)Vicente—Serrano推薦用Thornthwaite方法計算潛在蒸散量在計算短時間尺度時存在一定的局限性。(2)干旱是由于降水量少、蒸散量大或兩者作用的結果，沒有做更詳細的探究。(3)應該在西北地區嘗試劃分適合本區域的干旱等級，以便更好地反映干旱的真實狀況。這些問題將在以后的研究中做進一步的探討。

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