基于相對濕潤度指數的北疆氣象干旱時空特征

祁嘉郁, 巴特爾·巴 克

(新疆農業大學 草業與環境科學學院, 烏魯木齊 830052)

在氣候變化背景下，干旱作為人類面臨的主要自然災害之一，已成為全球關注的重點和熱點問題[1-2]。北疆地區位于新疆維吾爾族自治區天山以北，是典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，在干旱因素長期困擾之下，當地生態環境建設與社會經濟發展受到極大限制[3]。有研究表明：過去50～100 a，新疆大部地區氣溫和降水量均呈現增加趨勢，其中北疆地區降水量增勢明顯[4]，但由于降水時空分布不均，區域差異性明顯，部分地區干旱也呈現擴大化趨勢[5]。學術界一般將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱來針對干濕氣候變化進行研究，其中，氣象干旱是其他各類干旱發生的基礎[6-8]。目前，國內外關于氣象干旱指標開展了大量研究，王明田等[9]基于相對濕潤度指數(M)分析了西南地區季節性干旱時空分布特征；張調風等[10]，謝五三等[11]基于綜合氣象干旱指數(CI)對石羊河流域近50 a氣象干旱特征以及淮河流域干旱時空特征進行探究；潘淑坤等[12]分析了近50 a新疆標準化降水指數(SPI)變化特征；吳友均[13]等利用降水溫度均一化指標對1961—2008年新疆旱澇時空分布特征進行探究；趙勇等[14]通過計算降水距平百分率(Pa)分析了新疆北部地區春夏季干旱的區域性和持續性特征。其中，相對濕潤度指數綜合考慮降水與需水信息，可反映短時間尺度的水分虧缺情況，是比較理想的區域干旱監測指標[15-17]。

前人大多基于降水量和氣溫卻未考慮蒸散量在北疆干旱演變中的作用，而北疆地區年蒸散量高達1 200 mm[18]。因此，本文綜合考慮降水量和參考作物蒸散量等因子，以年和季為時間尺度，通過計算不同尺度下的相對濕潤度指數，采用GIS技術，來探究1961—2016年北疆地區干旱時空演變規律，以期為氣候變化背景下新疆干旱狀況的相關研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本文所用資料是由國家氣象信息中心(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)提供的北疆地區26個主要氣象站點1961—2016年逐日氣溫(℃)、降水量(mm)、日照時數(h)、風速(m/s)、相對濕度(%)等數據(圖1)。

圖1 研究區域位置及氣象站點分布

1.2 干旱指標構建

1.2.1 相對濕潤度指數 相對濕潤度指數(M)由某時段內的降水量與同時段參考作物蒸散量之差再除以同時段參考作物蒸散量所得，可用于監測與評估作物生長季的干旱狀況[19]，計算公式如下：

(1)

式中:P為某時段的降水量(mm);ET0為某時段的參考作物蒸散量(mm),采用FAO推薦的PenmanMonteith公式計算[20],即:

(2)

式中:Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);γ為干濕表常數(kPa/℃);U2為距地面2 m處的風速(m/s);Rn為冠層表面凈輻射[MJ/(m2·d)];G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)];T為日平均氣溫(℃);ea為飽和水汽壓(kPa);ed為實際水汽壓(kPa)。

1.2.2 干旱強度 干旱強度用來評價干旱的嚴重程度，某區域某時段內的干旱強度一般可由相對濕潤度指數值反映，相對濕潤度指數值越小，表示干旱越嚴重[21]。計算公式如下：

(3)

式中:i代表要計算的時間段；n為上限;下標j為區別不同站點的代號。參考《氣象干旱等級》國家標準中相對濕潤度指數(M)氣象干旱等級的劃分標準[22],進行如下分級:-0.4

1.2.3 干旱頻率 干旱頻率指發生輕旱及以上級別的干旱年數與氣象資料總年數之比，用于表示干旱發生的頻繁程度[23]，計算公式如下：

Pi=(n/N)×100%

(4)

式中:N為某站氣象資料總年數；n為該站發生輕旱及以上級別的年數;i代指不同站點。按不同程度的干旱發生年數分別計算不同程度干旱頻率。

為計算和分析方便，季節劃分按氣象上通用標準，年度為1—12月，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12-次年2月為冬季。

2 結果與分析

2.1 干旱年度時空變化特征

2.1.1 干旱強度年際變化 采用相對濕潤度指數(M)作為評價指標，計算北疆地區26個主要氣象站1961—2016年逐年平均M。圖2所示，M值低于-0.90的的年份從低到高依次為1962年、1974年、1968年、1975年、1965年、1967年和1977年，查閱歷年干旱災情資料[24-25]發現，1962年、1965年和1974年均為全疆性大旱年、1967年、1968年、1975年和1977年北疆地區干旱頻次較高[26]。可見，相對濕潤度指數能夠將典型干旱年很好地表征出來。

對比各年代干旱強度發現，21世紀初干旱最輕，20世紀60年代和70年代干旱最為嚴重，從56 a線性趨勢來看，干旱強度總體呈現減輕趨勢，線性趨勢為0.021/10 a，且通過顯著性檢驗。從20世紀60年代初到70年代末，M值在波動中略微下降，波動幅度由寬逐漸變窄，M值總體偏低，自20世紀80年代初以后，M值在波動中持續上升，21世紀的前10 a的M平均值與20世紀90年代接近，2010年后6 a的M值明顯高于之前。

圖2 北疆逐年平均相對濕潤指數(M)及各年代變化

2.1.2 干旱強度空間變化 干旱強度的空間分布由多年平均相對濕潤度指數的空間分布來體現，計算北疆地區各氣象站點多年平均M，得到該地區干旱強度分布見圖3顯示。北疆地區干旱強度大致呈東南高西北低的趨勢，東南部大部分區域以及塔城地區西部干旱強度較強，多年平均M均在-0.80以下，其中烏魯木齊、石河子和烏蘭烏蘇大部分區域以及富蘊和福海小部分區域干旱強度最強，多年平均M均在-0.87以下；伊犁地區大部和阿勒泰地區西北部干旱強度較小，多年平均M高于-0.80。

圖3 北疆干旱強度分布

2.1.3 干旱頻率年際變化 圖4為北疆地區歷年平均輕、中、重和特旱頻率變化曲線，可以看出，近56 a，北疆地區年輕旱頻率和中旱頻率呈增加趨勢，年重旱頻率和特旱頻率呈減小趨勢，歷年重旱頻率明顯高于其他等級干旱頻率，中旱頻率略高于輕旱和特旱頻率。歷年輕旱和特旱頻率在10%的均值上下波動，即10 a一遇；中旱頻率在30%的均值上下波動，3 a一遇；重旱頻率在60%的均值上下波動，2 a一遇。典型特旱頻率高的年份為：1974年(38%)，1962年(35%)，1968年(27%)，1967年(15%)和1975年(15%)，與典型干旱年干旱狀況描述有較好的一致性。

圖4 北疆各等級干旱頻率年度變化

2.1.4 干旱頻率空間變化 由圖5可見，北疆地區出現輕旱(圖5A)的頻率在0～23%，其中溫泉和塔城發生輕旱的頻率最高，其次為青河和托里，整個北疆大部分地區出現輕旱的頻率在7.7%以下，其中輕旱頻率為0的站點數占總站點數的50%；北疆地區出現中旱(圖5B)的頻率主要集中在25%～50%，中旱頻率最高值位于昭蘇和托里，最低值位于阿拉山口、克拉瑪依和達坂城；北疆東南部大部分地區重旱出現的頻率(圖5C)主要集中在47.6%～96.4%，北疆西北部大部分地區重旱出現的頻率主要集中在47.6%以下，說明北疆東南部地區較西北部地區干旱更為嚴重；北疆地區出現特旱(圖5D)的頻率在0%～51.8%，其中達坂城和阿拉山口發生特旱的頻率最高，其余大部分區域出現特旱的頻率在17.3%以下，其中特旱頻率為0的站點數占總站點數的42%。

圖5 北疆各等級干旱頻率空間變化

2.2 干旱季度時空變化特征

2.2.1 干旱強度季節變化 對比分析北疆地區歷年不同季節干旱強度的時間變化(圖6)，季度平均M值越小，意味著干旱強度越強。近56 a，北疆地區4個季節干旱強度均呈現增大趨勢，其中冬季增勢最為顯著，夏季的干旱強度最強，春季次之，秋季和冬季最弱。夏季干旱典型年份為1974年、1962年、1968年、1977年、2014年和1979年；春季干旱典型年份為1975年、1991年、1977年、1967年、1989年和1965年；秋季干旱典型年份為1971年、1978年、1967年、1974年、1997年和1966年；冬季干旱典型年份為1967年、1962年、1974年、1969年、1961年1975年。由此可得，北疆地區典型干旱年1962年主要為夏旱和冬旱，1974年主要為夏秋連旱，1968年主要為夏旱，1975年主要為春旱和冬旱，1965年主要為春旱，1967年主要為春秋連旱，1977年主要為春夏連旱。

圖6 北疆各季節干旱強度年變化

2.2.2 干旱頻率空間變化 對比分析北疆地區不同季節各站點干旱頻率的變化趨勢，繪制不同等級干旱頻率空間分布見圖7。

圖7 北疆各季節干旱頻率空間變化

北疆地區春季出現輕旱的頻率在0～26.8%，其中溫泉和烏蘭烏蘇發生輕旱的頻率最高，石河子與塔城次之，其余大部分地區出現輕旱的頻率在8.9%以下，輕旱頻率為0的站點數占總站點數的42%；春季中旱發生頻率在0～55.4%，且自西向東呈逐漸增大趨勢；春季出現重旱的頻率在3.6%～85.7%，且呈現出東北高，西南低的趨勢，說明春季北疆東北部地區較西南部地區干旱更為嚴重；春季特旱發生頻率最高在達坂城為96.4%，其次為克拉瑪依51.8%，其余大部分地區出現特旱的頻率在32.1%以下，其中塔城、石河子和烏蘭烏蘇發生特旱的頻率為0。

北疆地區夏季出現輕旱的頻率在0～21.4%，其中溫泉和托里發生輕旱的頻率最高，昭蘇與塔城次之，其余大部分地區出現輕旱的頻率在7.1%以下，輕旱頻率為0的站點數占總站點數的62%；夏季中旱發生頻率最高在昭蘇為83.9%，其次為尼勒克、和布克賽爾和溫泉，其余大部分地區出現中旱的頻率在28%以下，其中阿拉山口、蔡家湖和伊寧發生中旱的頻率為0；夏季昭蘇出現重旱的頻率最低為8.9%，其次托里、溫泉和尼勒克重旱頻率均低于50%，其余大部分地區重旱發生的頻率在50%以上；夏季特旱發生頻率最高為50%在蔡家湖，其次為阿拉山口44.6%，和布克賽爾、托里、溫泉、尼勒克和昭蘇出現特旱的頻率均為0，其余大部分地區出現特旱的頻率在16.7%～33.4%。

北疆地區秋季出現輕旱的頻率在0～39.3%，且在空間上呈現出中部低，四周高的趨勢，其中塔城和烏蘭烏蘇發生輕旱的頻率最高，和布克賽爾、阿拉山口、克拉瑪依和達坂城出現輕旱的頻率均為0；秋季中旱發生頻率在1.8%～51.8%，且呈現出東北高，西南低的趨勢，其中阿拉山口、克拉瑪依和達坂城出現輕旱的頻率最低；秋季發生重旱的頻率主要集中在39.3%～59%，塔城出現重旱的頻率最低為19.6%，和布克賽爾最高為78.6%；秋季特旱發生頻率最高在達坂城為75%，其次是克拉瑪依和阿拉山口在30%左右，其余大部分地區出現特旱的頻率均低于25%。

北疆地區冬季出現輕旱的頻率在0～25%，其中阿拉山口發生輕旱的頻率最高，克拉瑪依次之，昭蘇發生輕旱的頻率最低；冬季中旱出現頻率主要集中在7.7%～15.4%，其中阿拉山口和伊寧中旱發生頻率最高為23.2%，蔡家湖中旱出現頻率為0；冬季重旱發生頻率在空間上呈自西向東逐漸減小趨勢，且最高在昭蘇為48.2%，尼勒克次之，青河出現重旱頻率為0；冬季達坂城特旱發生頻率最高為55.4%，昭蘇次之，且在空間上呈明顯的自西向東逐漸增大趨勢，說明冬季北疆東部地區較西部地區干旱更為嚴重，其中特旱頻率為0的站點數占總站點數的38%。

3 討論與結論

本研究通過計算相對濕潤度指數構建干旱指標篩選出北疆地區典型干旱年，與白云崗等對新疆歷史干旱資料統計分析結果具有很好的一致性[5]，值得注意的是，從圖2可以看出，2012年是北疆地區21世紀繼2008年后又一干旱強度較強的年份。

研究發現，北疆地區21世紀初干旱最輕，20世紀60年代和70年代干旱最為嚴重。羅那那等[27]基于標準化降水指數(SPI)，對北疆地區近52 a年旱澇變化特征進行研究，認為北疆地區干旱發生頻率較高，且在二十世紀八十年代之前頻率更高、持續時間更長，二十世紀八十年代之后干旱也時有發生，但頻率和持續時間都不及之前；吳燕鋒等基于綜合氣象干旱指數(CI)，指出北疆年干旱頻次總體呈減少趨勢，且在1960s干旱頻次高的年份最多，1970s次之，1980s和21世紀最少[27]。說明本研究結果與前人得出結論較為一致，并且更加證實了自二十世紀八十年代起，北疆地區具有明顯的濕潤化趨勢。

研究發現，北疆地區干旱強度在空間分布上大致呈東南高西北低的趨勢，其中烏魯木齊、石河子和烏蘭烏蘇大部分區域以及富蘊和福海小部分區域干旱強度最強，伊犁地區大部和阿勒泰地區西北部干旱強度較小；北疆地區年輕旱頻率和中旱頻率呈增加趨勢，年重旱頻率和特旱頻率呈減小趨勢，歷年重旱頻率明顯高于其他等級干旱頻率，中旱頻率略高于輕旱和特旱頻率。北疆地區春季和夏季干旱強度明顯高于秋、冬季，在各季節不同等級干旱頻率中，秋季輕旱頻率最高，夏季中旱、重旱頻率最高，春季特旱頻率最高。

本文基于相對濕潤度指數(M)作為評價指標，一般來說，合理的干旱指標應該能夠對干旱的強度、范圍和起止時間進行準確的表達，因此，這一干旱指標還有待進一步的優化。本文主要從氣候角度分析了北疆地區年和季尺度的干旱時空變化特征，但干旱同時還受到地形地貌、土壤植被以及人類活動等多種因素的影響[28]，因此，針對干旱的監測、評估與區劃研究還有待進一步的深入。