新疆多時間尺度干濕變化特征分析

宋玉鑫，馬軍霞,2，左其亭,2,3，張志卓

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州市水資源與水環境重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.鄭州大學水科學研究中心，河南 鄭州 450001)

區域的干濕變化已受到了學者們的廣泛關注，如何量化區域干濕狀況成為研究重點。由于干濕變化很大程度上與氣候變化相關，因此降水、溫度、徑流、蒸散發等水文要素常作為影響干濕現象的重要參數，并以其為基礎進行干濕狀況量化，即計算干濕指數。目前常用的干濕指數包括Palmer干旱指數(Palmer drought severity index，PDSI)[1]、標準化降水指數(standardized precipitation index，SPI)[2]、標準化降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index， SPEI)[3]等。PDSI是基于土壤水量供需平衡的原理計算得出的，計算過程涉及降水、徑流和土壤含水量等多個參數，計算過程復雜，且PDSI計算中的部分參數是基于美國中部地區得出的，對于其他地區適用性較差[4]；SPI的計算僅需要輸入降水數據，通過降水量出現的概率來評估研究區域的干濕強度和持續時長，相比PDSI更簡便直觀，且可以測量地區不同時間尺度的干濕情況，但缺點在于考慮因素較少，如未考慮溫度等影響干濕情況的因素。近年來已有許多研究表明氣溫的上升對干濕情況有較大影響[5]，因此Vicente-Serrano等[6]提出了SPEI，通過潛在蒸散發量將溫度信息引入SPEI的計算，達到了結合PDSI和SPI兩者優點的目的，且適用于多尺度和不同的氣候條件，因此該指標可以有效表征不同區域的干濕現象并獲得了廣泛的應用。Yang等[7]使用SPEI對加拿大干旱變化情況進行了分析，結果表明，與加拿大南部地區相比，北方地區的干旱時間更長；Wu等[8]研究了珠江流域SPEI演變情況，并分析了主要的驅動因素；Shiru等[9]評估了尼日利亞SPEI變化對當地作物的影響，結果表明在作物的種植季節干旱更容易發生。

新疆位于我國西北部，屬于典型的干旱區，降水稀少，蒸發量大。年平均降水量僅為147 mm，而年平均蒸發量達到了1 512 mm，對氣候變化的敏感程度很高，據統計，1961—2000年新疆發生了17次嚴重干旱和9次重大干旱[10]。普宗朝等[11]基于新疆101個氣象站點觀測數據分析了新疆1961—2008年的干濕氣候時空變化特征，結果表明，1961—2008年新疆各地年干燥度指數均有不同程度的減小趨勢，新疆的氣候總體呈“變濕”趨勢；胡文峰等[12]采用新疆55個氣象站點的月數據，計算了不同時間尺度SPEI指數，結果表明，新疆區域保持西北濕、東南干的格局，局部干濕有差異且新疆的干旱多以輕度干旱為主。

目前，國內對新疆區域進行干濕研究多基于氣象站點數據，但是站點數據對區域代表性較低，而CRU格點數據集具有較高的空間代表性和連續性[13]，可以更好地反映出區域干濕變化特征。鑒于SPEI能比較準確反映新疆的干濕變化情況[14]，本文使用CRU數據集計算SPEI來分析新疆不同時間尺度的干濕時空變化情況，以期為新疆水資源規劃和管理提供參考。

1 研究方法及數據來源

1.1 SPEI的計算

SPEI是使用月降水量和潛在蒸散發量的偏差來描述干旱狀態的指標，能客觀地描述區域的干濕變化，具體計算方法可參考文獻[15]。為了反映研究區干濕變化的總體特征，分別計算月、季、年3種不同時間尺度下的SPEI(SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12)來探討新疆干濕變化的總體情況，其中3月尺度的SPEI-3是使用當前月和前兩個月輸入要素的平均值來計算的，例如3月的SPEI-3代表1月、2月、3月的干濕變化情況，因此選用5月、8月、11月以及次年2月的SPEI-3來表示春夏秋冬四季的干濕情況，而選用12月的SPEI-12來表征年際變化。SPEI對應的干濕等級[16-17]如下(SPEI的值用I表示)：I>2.00為極端濕潤，1.50

1.2 Mann-Kendall非參數檢驗

采用Mann-Kendall非參數檢驗分析SPEI在年與四季的變化趨勢，Mann-Kendal非參數檢驗不需要樣本遵從特定的分布，且不受少數異常值的干擾，定量化程度高，在檢驗序列的變化趨勢方面有很大的優勢，因此得到了廣泛的運用[18-19]。

1.3 連續小波周期分析

小波變換可以將時間序列分解到時頻域中以表征信號局部特征，是分析變量時間序列周期性變化的有效工具。本文使用連續小波變換(continuous wavelet transform, CWT)分析月、季、年3種尺度的SPEI的周期變化特征。小波分析的主要思路是由基本小波函數(母小波)伸縮和平移而得到的小波族函數去逼近處理信號，從而將非平穩的序列轉化為平穩的時間序列，再對處理后的序列進行分析研究，繼而總結出序列的變化周期及不同時間尺度下的變化趨勢。本文選用Morlet復小波作為母小波進行分析，其優勢在于可以提供連續、平滑的小波能量譜圖[20]。

1.4 數據來源

使用1963年1月至2018年12月的月尺度降水量與潛在蒸散發數據來計算SPEI，數據來源于英國東英吉利大學(University of East Anglia)氣候研究中心開發的CRU TS v4.03再分析數據集(http://www.cru.uea.ac.uk/data/)，其空間分辨率為 0.5°×0.5°。該數據集已通過嚴格的質量控制和同質性檢驗，時間序列較長且具有較高的空間分辨率，在干旱分析中得到了廣泛的應用[7，21]。該數據集的潛在蒸散發是使用FAO-56 Penman-Monteith方法計算的，具體計算方法可參見文獻[22]。

2 結果與分析

2.1 月、季、年尺度的SPEI時間變化

圖1為月、季、年尺度的SPEI時間變化趨勢。總體來看，SPEI在短時間尺度內波動頻繁，隨著時間尺度拉長，SPEI的變化情況變得穩定，干濕狀態的持續時間更長。本文以I<-1表示干旱事件開始，I>0表示干旱事件結束，-1≤I≤0表示地區處于干旱狀態，-1≤I≤0的時間長度為干旱持續時間[23]，對區域的干濕變化特征進行分析。

a. SPEI-1為月尺度的干濕變化情況，在該尺度下，SPEI的干濕變化較為頻繁且振幅較大，其中最大值為1.93，出現在1988年5月，屬于嚴重濕潤狀態；最小值為-2.40，出現在1979年10月，屬于極端干旱狀態；1963—2018年SPEI-1平均值為 -0.04，屬于正常范圍。整體來看，在月尺度下共發生49次干旱事件，其中輕度干旱35次，嚴重干旱11次，僅發生了3次極端干旱事件，分別發生在1971年10月、1979年10月和1984年10月。由此可見極端干旱事件多發生在秋季，最長干旱持續時間發生在1964年10月至1965年6月，達9個月之久。

(a) SPEI-1

b. SPEI-3反映不同季節的干濕變化情況，在這一尺度下，1963—2018年共發生了21次干旱事件且均為輕度干旱。SPEI-3值主要在正常的范圍內波動，平均值為0.03，沒有嚴重以及極端干旱事件發生，干旱最長持續時間為13個月，于1963年2月開始到1964年2月結束。

c. SPEI-12為年尺度的干濕變化情況，在該尺度下，研究區干濕變化較為明顯，由SPEI-12的時間序列可以看出新疆在1963—2018年主要呈現由干旱向濕潤的轉變，在1988年后呈現暖干向暖濕轉型的態勢，但是這種干旱與濕潤的變化并不平穩，在年內均存在著干濕變化的周期性震蕩。與SPEI-3相似，SPEI-12的時間序列在1963—2018年僅發生了30次輕度干旱事件，沒有嚴重以及極端干旱事件發生，最長的輕度干旱事件達21個月之久，持續時間為1985年9月至1987年5月。

施雅風等[24]的研究表明，新疆于1987年前后出現了暖濕變化。這一現象的發生原因很可能是新疆在20世紀70—80年代降水量從減少階段轉變為增加階段，同時氣溫也一直上升，且在20世紀90年代增幅達到最大[25]。除了降水與溫度變化的影響外，季風的影響也不可忽視。東亞地區有40%～50%降水量是由東亞季風決定的，因此東亞夏季風的水汽輸送對該地區的降水起著關鍵作用。已有的研究結果表明東亞夏季風于1986年經歷了一次突變[26]，這也與新疆發生干濕轉變的時間相近。

2.2 年和四季SPEI時空變化趨勢

整體來說，新疆SPEI在1963—2018年呈現以上升趨勢為主的變化，除了春季呈現顯著性上升趨勢的區域較少外，其他季節以及新疆全年呈現顯著性上升的區域主要分布在新疆北部；呈現下降趨勢的區域分布在新疆的東南以及西南等地，僅在春、秋、冬3季可以檢測出顯著下降趨勢，且主要集中在阿爾金山和昆侖山脈。

為了更好地分析新疆地區干濕的空間變化情況，使用Mann-Kendall非參數檢驗來評估新疆年和四季的SPEI變化趨勢。圖2(a)為新疆年SPEI的變化情況，可以看出大部分地區SPEI為增長趨勢，其中顯著增長趨勢的區域主要集中在新疆西北部；在新疆西南及東南部的部分地區表現出下降趨勢，但顯著性并不明顯。

由圖2(b)～(e)可以看出，不同季節SPEI空間分布情況不一，但整體上看增長地區范圍明顯大于下降地區范圍。與其他季節相比，新疆春季(圖2(b))SPEI呈現顯著性上升的區域較少，集中分布在昌吉等地；下降趨勢的區域主要分布在新疆東部的阿爾金山以及哈密北部的部分地區，這些區域呈顯著的下降趨勢。夏季(圖2(c))新疆SPEI呈現顯著上升的區域主要分布在新疆的中部以及西南部的昆侖山脈等地區，呈下降趨勢的區域集中在新疆東南部，但均不顯著，其空間分布與圖2(a)基本一致。同春、夏季相比，秋(圖2(d))、冬(圖2(e))季新疆北部及南部等地區SPEI均呈現顯著性的增長趨勢，其中冬季尤為明顯，整個新疆北部地區基本都呈現顯著的增長趨勢；西南以及東南部等地則呈現下降趨勢，其中秋季昆侖山脈及阿爾金山脈等地區、冬季阿爾金山脈地區下降趨勢顯著。

2.3 周期分析

新疆不同尺度的SPEI計算結果表明，新疆地區的干濕變化波動隨時間尺度增長而更加穩定，年際變化更加明顯。20世紀80年代是新疆氣候由干燥變為濕潤的轉折點。圖3為不同時間尺度SPEI的小波功率譜，其中U形代表小波影響椎(COI)，該范圍內為有效譜值，粗黑線封閉區域(圖3(c)表明通過了顯著性水平5%條件下的紅噪聲譜檢驗[27]。①從SPEI-1的小波功率譜可以看出，在1963—2018年不同時間段內均存在著周期的變化，0.5～1.5 a周期在1965—1990年振蕩能量較強，在1980—2005年存在著1～3 a的周期變化，3～6 a周期可在20世紀80年代發現，進入21世紀后5～14 a 周期變化較為明顯；②SPEI-3周期變化情況基本與SPEI-1一致，20世紀80年代后期均存在振蕩能量強烈的區域，而在80年代之前振蕩能量較弱，僅在在20世紀70年代可檢測到1～3 a周期范圍內的強烈周期振蕩，但大部分位于COI范圍外；③SPEI-12周期變化較為顯著，在1980—1998年、1980—1990年以及1990—2010年分別檢測出了2～4 a、4～8 a、8～16 a周期變化，整個研究期內在 8～16 a周期上震蕩能量很強，但是僅在1990—2010年通過了95%的紅噪聲譜檢驗。

(a) 年

(a) SPEI-1小波功率譜

總的來說，不同時間尺度的SPEI在20世紀80年代之前振蕩能量較小，進入20世紀80年代之后震蕩顯著，這種現象表明新疆在20世紀80年代中后期的由干旱向濕潤的轉變受到了SPEI周期變化的影響。

3 結 論

a. 新疆的干濕變化以1988年為界，發生從干旱向濕潤的轉變，有干旱緩解的趨勢。在月、季、年尺度上，新疆的干旱事件均多以輕度干旱為主，僅在月尺度上出現了個別極端干旱事件且發生時間多為秋季。

b. 新疆在年、季尺度上SPEI的變化以上升趨勢為主，除春季僅可在部分地區存在顯著上升趨勢外，其他季節新疆北部的大部分區域表現出顯著上升的趨勢，尤其是在冬季，幾乎整個北疆的上升趨勢均通過了95%的顯著性檢驗；呈現下降趨勢的區域分布在新疆西南和東南等地，在阿爾金山脈和昆侖山脈可檢測到顯著下降趨勢。

c. 不同時間尺度的小波功率譜表明20世紀80年代后在2～4 a周期上存在振蕩能量強的區域，同時，20世紀90年代的高振蕩能量區多存在于8～16 a周期范圍內，這表明新疆20世紀80年代后期由干旱向濕潤的轉變是年代與年代際變化共同影響的結果。