新疆木壘縣近51年春、夏季氣象干旱特征分析

葉爾克江·霍依哈孜，阿帕爾·肉孜，柳宏英，黃 健

（1.新疆昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002）

干旱作為最主要的氣象災害之一，近年來氣候異常的背景下，干旱災害頻繁發生，而且持續時間長，影響范圍不斷擴大，對農業、水資源、生態環境均有重要的影響［1-4］。當前新疆各地水資源嚴重短缺，要了解干旱變化特征和規律，對旱情做出精準的預測，對當地社會經濟發展具有十分重要意義［5］。由于對干旱的理解不同，行業不同，對干旱的分類也不同；美國氣象學會將干旱分類分為4種類型：氣象干旱、農業干旱、水文干旱、社會經濟干旱。而氣象干旱是其他各類干旱的主要原因［6］。氣象干旱是指某時間段內，由于蒸發量和降水量收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現象。氣象干旱指標是指利用氣象要素，根據一定的計算方法獲得指標，利用檢測和評價某地區某時間段內氣候異常引起的水分虧缺程度［7］。本研究從氣象干旱角度出發，運用相對濕潤度指數對木壘縣近51年氣象干旱變化特征進行分析，掌握干旱的變化規律，為開展干旱預報預警業務、防旱抗旱工作提供參考依據。

木壘哈薩克自治縣位于新疆維吾爾自治區東北部，天山北麓，昌吉州的最東部，地理坐標為東經89°51′—92°19′，北緯43°34′—45°15′，海拔高度為820～1 691 m；屬溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷漫長，夏季短而涼爽。氣溫年較差、日較差大，春、秋季氣溫變化劇烈，春、夏季多風，無霜期為145 d。全縣東、南、北三面環山，地形呈東、南、北三面高、中部低的半壁槽狀盆地。地形地貌大致可分為山地、丘陵、平原、沙漠四部分。南部山區，峰巒連綿；東北部山區，地勢平緩；中部丘陵均呈南北走向。木壘縣是昌吉州重要的農牧業生產縣，種植區域中河灌區和山旱地占比較大，整體上傳統種植、靠天吃飯的格局未發生改變，無高山冰川，存在水土資源配置不平衡、區域資源性缺水矛盾較為突出的現象；如果春、夏季遇到異常高溫干旱事件，對農牧業影響較大；近幾年調查發現，木壘縣旱地作物和牧草受旱災影響比較明顯，從而導致其減產和品質降低，特別是2020年受初夏連旱影響比較突出。因此，開展木壘縣春、夏季氣象干旱趨勢研究十分必要。

圖1 研究區域地形

1 資料與研究方法

1.1 資料

1.2 研究方法

相對濕潤指數（M）是表征某時間段降水量與蒸發量之間平衡的指標之一；本等級標準反映作物生長季的水分平衡特征，使用于作物生長季旬以上尺度的干旱監測評估。其計算方法和步驟見《氣象干旱等級》國家標準（GB/T 20481—2017）。計算公式如下［8-10］。

式中，PE為潛在蒸散量；P為降水量。

表1 相對濕潤度指數的干旱分級

某一地區的相對濕潤指數越小，表示該區氣候越干燥；反之，則氣候越濕潤［11，12］。目前，以潛在蒸散量計算濕潤指數的方法在國際上比較流行。按照計算潛在蒸散量的方法不同，可以分為Penman和Thornthwaite法以及目前在國內外應用較多的Holdridge生命地帶分類系統中的潛在蒸散量計算方法；其中，Thornthwaite法是一種國際上通用的計算潛在蒸散量的方法，也是一種農業氣候水分指標求算的主要方法之一，被廣泛應用于氣候分類和植被-氣候關系研究。Thornthwaite在美國中西部（半干旱地區）及墨西哥等地，根據大量試驗數據建立了求算潛在蒸散量的經驗公式。Thornthwaite法不僅給出了計算潛在蒸散量的公式，還進一步根據月平均降水量與潛在蒸散量的差值進行土壤水分平衡的計算，從而對估量各種土壤條件下的作物灌溉需水量有參考價值。該方法的主要特點是計算簡便，以月平均溫度為主要依據，并考慮溫度因子（日照長度）建立經驗公式。本研究采用Thornthwaite法計算潛在蒸散量，計算公式［13，14］如下。

式中，PEunadj為可能蒸散量（mm）；Ti為各月平均溫度（℃）；Ii為年熱指數，可按照如下公式計算。

求算年熱指數（I）的公式為：

常數a由下式計算：

1.3 數據分析

采用趨勢分析法探究1970—2020年木壘縣春、夏季平均溫度、降水量和干旱變化趨勢；運用M-K檢驗法，對木壘縣平均溫度、降水量和相對濕潤指數進行突變檢驗；基于Matlab軟件運用小波功率譜分析法分析周期特征；結合SPSS軟件進行相關分析，探討影響相對濕潤指數的氣候因子。

為分析各年級加法口算速度的差異性，采用Student-Newman-Keuls（簡稱SNK）檢驗方法，以P<0.05顯著性差異為依據，根據組間及組內變異的具體情況將其分為5個等級，等級越高，代表口算時間越短，即速度越快，具體如表2所示．

2 結果與分析

2.1 平均溫度和降水量變化

如圖2a所示，1970—2020年木壘縣春季平均氣溫為11.0℃，近51年該區域春季平均氣溫呈現出明顯升高趨勢，其傾向率為0.41℃/10年，通過P=0.001顯著性檢驗；最小值出現在1975年，為8.3℃，在2020年達到最大值，為15.4℃，比1975年升高了7.1℃。春季平均氣溫在20世紀90年代比70年代和80年代增幅0.4℃，進入21世紀（2000—2020年，下同）以來升高了1.2℃。夏季平均氣溫呈現明顯升高趨勢，其傾向率為0.32℃/10年，通過P=0.001顯著性檢驗。多年平均值為20℃，最小值出現在1984年，為18.3℃，在2018年達到最大值，為21.5℃，比1984年升高了3.2℃。進入21世紀，夏季升溫明顯，比20世紀70年代、80年代和90年代增幅1.0℃。經春、夏季對比分析可知，1970—2020年木壘縣春、夏季平均氣溫年際變化規律整體呈持續上升趨勢，波動幅度較大，21世紀初增幅最大。

如圖2b所示，木壘縣近51年的春季平均降水量在91.9 mm處上下波動，其傾向率為6.3 mm/10年，增加不明顯，未通過顯著性檢驗；逐年變化趨于平緩，但年際波動大，20世紀70、80年代降水量負距平，降水量總體偏少；20世紀90年代接近多年均值，21世紀以后以正距平為主，降水量呈弱增加趨勢；最大降水量出現在1998年，為199.8 mm，最小降水量出現在1991年，僅為16.0 mm，其次在2020年，為19.0 mm。夏季平均降水量在125.4 mm處上下波動，其傾向率為3.0 mm/10年，增加不明顯，未通過顯著性檢驗；從年際變化可以看出，整體呈弱增加趨勢，但年代波動大，20世紀70、80年代和2001—2010年降水量總體偏少，20世紀90年代明顯偏多。2010年后略偏多；最大降水量出現在2015年，為279.4 mm，最小降水量出現在1985年，為46.1 mm，其次在1982年，為66.7 mm。

圖2 木壘縣春、夏季平均溫度、降水量變化

2.2 潛在蒸散量變化

從木壘縣近51年春、夏季潛在蒸散量變化趨勢（圖3）可以看出，春季潛在蒸散量整體呈弱減少趨勢，變化傾向率為0.3 mm/10年，未通過顯著性檢驗；春季平均蒸散量為232.60 mm，春季蒸散量在20世紀80、90年代和2001—2010年表現為穩定增加的過程，2010年開始減少。夏季潛在蒸散量呈明顯增加趨勢，變化傾向率為2.1 mm/10年，通過P=0.001顯著性檢驗。夏季平均蒸散量為377.0 mm，20世紀90年代夏季蒸散量開始隨著溫度的升高持續增加，說明氣溫對潛在蒸散量的變化起著關鍵性的作用。

圖3 木壘縣春、夏季蒸散量變化

2.3 相對濕潤指數變化

木壘縣過去51年春季和夏季的相對濕潤指數在年際和年代變化上有所不同（圖4）。春季相對濕潤指數呈微弱的正趨勢，其氣候傾向率為0.01/10年，未通過顯著性檢驗；春季相對濕潤指數51年平均值為-0.60，變幅為-0.93～-0.13，其中，4月近51年平均相對濕潤指數為-0.62，最低相對濕潤指數出現在2020年，為-0.99，最高相對濕潤指數出現在2017年，為-0.14；5月平均相對濕潤指數為-0.59，最低相對濕潤指數出現在1989年，為-0.96，最高相對濕潤指數出現在1998年，為-0.19，最值的出現與該年的降水量、溫度、蒸發量密切相關。年代變化上分析，20世紀70年代和80年代春季相對濕潤指數最小，都為-0.62，20世紀90年代為-0.60，21世紀相對濕潤指數均值為-0.58，年代變化具有一致性，逐漸向濕潤趨勢發展，但近10年春季干旱強度有所增加。過去的51年春季干旱共發生了47次，其中，輕旱占55%，中旱占36%，重旱占9%，無特旱。

圖4 木壘縣春、夏季相對濕潤指數變化

夏季相對濕潤指數也呈增加趨勢，傾向率為0.02/10年，未通過顯著性檢驗；51年平均值為-0.67，變幅為-0.88～-0.23；其中，6月平均相對濕潤指數為-0.65，最低相對濕潤指數出現在1971年和2004年，為-0.98，最高相對濕潤指數出現在2015年，為-0.30。7月平均相對濕潤指數為-0.64，最低相對濕潤指數出現在2017年，為-0.99，最高相對濕潤指數出現在2007年，為-0.08。8月平均相對濕潤指數為-0.71，最低相對濕潤指數出現在1979年，為-0.96，最高相對濕潤指數出現在1998年，為-0.21。在年代變化中，20世紀70年代夏季相對濕潤指數為-0.73，夏季氣候相當干旱；20世紀80年代木壘縣夏季氣候有所改善，相對濕潤指數均值升高到-0.67；20世紀90年代夏季相對濕潤指數達到了最大值，均值為-0.58；21世紀夏季相對濕潤指數均值為-0.68，與20世紀90年代相比降低，但仍高于20世紀70年代。過去的51年夏季干旱共發生了48次，其中，輕旱占33%，中旱占54%，重旱占13%，無特旱。綜上所述，木壘縣春、夏季干旱出現頻率在80%以上，春、夏季相對濕潤指數表現為5月＞4月＞7月＞6月＞8月。輕旱發生頻率春季大于夏季，中旱和重旱發生頻率夏季大于春季（表2）。

表2 干旱分級頻次及頻率

2.4 突變分析

在該地區春季和夏季平均溫度、降水量和相對濕潤指數的M-K檢驗曲線（圖5）中，由春季溫度（圖5a）可見，UF和UB曲線交點位置在2003年，春季溫度21世紀初呈上升趨勢，在2003年發生突變，隨后溫度持續上升，2012年UF曲線超過了0.05的信度線，這表明木壘縣春季平均溫度21世紀初開始呈顯著升溫趨勢；春季降水量（圖5b）UF曲線和UB曲線在臨界線內存在多次交點，但均未突破0.05顯著性臨界線，說明春季降水量未發生明顯突變。春季相對濕潤指數（圖5c）在2013年發生了突變，在1971—1978年是偏旱階段，到1978年UF曲線超過了0.05的信度線，表明這段時間木壘縣春季干旱較嚴重，隨后10年干旱有所緩解，1988—1993年又是偏旱階段，1993—2013年變化比較平緩，2013—2018年持續增加，2018年后開始減少。

夏季溫度（圖5d）UF和UB曲線交點位置在1999年，溫度從20世紀90年代初開始呈上升趨勢，1999年發生突變并持續上升，到21世紀初（2006年）UF曲線超過了0.05的信度線，表明木壘縣夏季平均氣溫21世紀初開始出現顯著升溫；夏季降水量（圖5e）在1978年突變明顯，2017年和2020年有交點，但突變不明顯，1978—1999年是降水量增加階段，其中，1993、1996、1999年UF曲線超過了0.05的信度線，表明夏季降水量呈顯著增加趨勢，1999—2006年是減少階段，2006年后變化較平緩。夏季相對濕潤指數（圖5f）UF和UB曲線交點在1979、2017、2020年，其中，1979年突變明顯，1979—2009年是相對濕潤時段，1993、1996、1999年UF曲線超過了0.05的信度線，表明夏季相對濕潤指數呈顯著增加趨勢，1999—2006年逐漸減少，隨后變化平緩。

圖5 木壘縣春、夏季溫度、降水量和相對濕潤指數M-K突變檢驗

2.5 小波功率譜分析

小波功率譜分析法是氣候變化研究中常用的方法，為探討木壘縣春、夏季溫度和降水量及相對濕潤指數的年際周期振蕩特征進行小波功率譜分析（圖6）。黑色粗實線所包圍的范圍通過了95%置信水平的紅噪聲標準譜檢驗，黑色細實線包絡顯示了COI區域（Cone of influence，倒錐形線為小波影響錐，表示連續小波變換的數據邊緣效應影響較大的區域），影響錐外的功率譜由于受到邊界效應影響，表現出的周期特征存在較大不確定性。小波方差圖中實線表示小波方差；虛線表示95%置信水平的紅噪聲檢驗曲線，若實線的峰值超過虛線表示周期顯著［15，16］。春季溫度（圖6a），較強的周期有4.3年的主要周期和2.7年的次要周期振蕩，并均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其中，4.3年周期振蕩較強，而另有9.0年和19.7年的兩個周期振蕩，但沒通過95%的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用。春季降水量（圖6b）較強的周期有2.3年的主要周期和4.4年的次要周期振蕩，并均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其中2.3年周期振蕩較強，而另有11.3年周期振蕩，但未通過95%的紅噪聲檢驗，可能為虛假周期，不予采用。春季相對濕潤指數（圖6c）較強的周期有2.2年的主要周期和4.4年的次要周期振蕩，并均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其中2.2年周期振蕩較強，而另有11.3年的周期振蕩，但沒通過95%的紅噪聲檢驗，可能為虛假周期，不予采用。夏季溫度（圖6d）有3～4年的周期振蕩，并通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，而另有7、14、20年的周期振蕩，但未通過95%的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用。夏季降水量（圖6e）有3.2年的主要周期和4.2年的次要周期振蕩，并均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其中3.2年周期振蕩較強，而另有9.0年的周期振蕩，但沒通過95%的紅噪聲檢驗，可能為虛假周期，不予采用。夏季相對濕潤指數（圖6f）有3.2年主要周期和4.4年的次要周期振蕩，并均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗。而另有9.0、14.6、30年的周期振蕩，但沒通過95%的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用。經檢驗各因子大部分存在著2.2～4.4年的尺度變化周期振蕩，并均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗；4.5年以上和2.1年以下時間尺度的周期信號能量較弱，大部未通過95%的紅噪聲檢驗，顯著性變化周期主要集中在3年左右的周期振蕩上。

圖6 木壘縣春、夏季溫度、降水量、相對濕潤指數小波功率譜檢驗

2.6 相對濕潤指數的影響因子分析

濕潤指數的變化很大程度上取決于降水量和潛在蒸散量兩個分量的變化。近51年來木壘縣降水量和蒸散量發生了變化，而氣候干濕很大程度上取決于這兩個分量的變化速率，同時潛在蒸散量的變化也受各種氣象要素綜合作用的影響，為了分析木壘縣濕潤指數變化原因，需對平均溫度、降水量、日照時數、蒸發量、相對濕度、平均風速、氣壓等氣象要素和濕潤指數進行綜合分析。

對木壘縣1970—2020年春、夏季濕潤指數與各氣象要素進行相關分析。分析結果（表3）表明，春、夏季濕潤指數與平均溫度、日照時數呈微弱的負相關，與平均風速呈微弱的正相關，未通過顯著性檢驗。春、夏季濕潤指數與降水量、相對濕度及氣壓呈顯著的正相關，相關系數分別為0.999、0.593、0.347。與蒸發量呈顯著的負相關，相關系數為-0.591。

表3 木壘縣1970—2020年作物生長季相對濕潤指數與各氣象因子間的相關系數

此外，對1970—2020年木壘縣春、夏季平均氣溫、降水量、日照時數、蒸發量、相對濕度、平均風速、氣壓進行趨勢分析發現，近50年來平均氣溫、蒸散量呈顯著升高趨勢，降水量、氣壓呈弱增加趨勢，但增加趨勢不顯著，而日照時數、平均風速、蒸發量、相對濕度呈減少趨勢，其中，日照時數減少顯著，平均風速、蒸發量、相對濕度減少趨勢不顯著。

綜上所述，降水量、相對濕度、氣壓是影響木壘縣春、夏季相對濕潤指數增加的主要氣候因子，蒸發量對其有減弱作用。

3 小結

本研究采用相對濕潤指數作為干旱評價指標，應用溫度、降水量資料，采用Thornthwaite法計算木壘縣春、夏季近51年潛在蒸散量及相對濕潤指數，分析了其變化特征，得出以下結論。

1）近51年木壘縣春季和夏季平均溫度表現為顯著的持續上升趨勢，其增幅分別為0.41℃/10年和0.32℃/10年，并通過P=0.001顯著性檢驗，特別是21世紀增幅尤為明顯。春季和夏季降水量整體呈弱增加趨勢，未通過顯著性檢驗，逐年變化趨于平緩，但年際波動大。春、夏季蒸散量以1.76 mm/10年的傾向率增加，并通過P=0.001顯著性檢驗，表明木壘縣春、夏季氣候趨勢向暖干變化。

2）1970—2020年，木壘縣春季和夏季相對濕潤指數均呈增加趨勢，增加速率分別為0.01/10年和0.02/10年，趨勢不明顯，未通過顯著性檢驗；年代間差異較大，春、夏季氣候整體逐漸向濕潤趨勢發展；春、夏季干旱出現頻率表現為輕旱發生頻率春季大于夏季、中旱和重旱發生頻率夏季大于春季。

3）通過M-K檢驗可知，春季溫度21世紀初開始呈顯著上升趨勢，突變發生于2003年；春季降水量未發生明顯突變；春季相對濕潤指數在2013年出現突變，其增減變化與降水量保持一致。夏季溫度1999年發生突變，變化趨勢與春季溫度一致，但突變發生早于春季。降水量在1978年發生突變，隨后20年處于多雨期，1999年后開始逐步呈減少趨勢；夏季相對濕潤指數1979年突變明顯，增減變化與降水量一致，但突變緩于降水量。

4）各因子大部分存在2.2～4.4年的尺度周期振蕩，并均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗；4.5年以上和2.1年以下時間尺度的周期信號能量較弱，大部分未通過95%的紅噪聲檢驗，顯著性變化周期主要集中在3年左右的周期振蕩。

5）木壘縣春、夏季相對濕潤指數的變化是多個氣象因子綜合作用所致，但是降水量、相對濕度、氣壓是導致研究區春、夏季相對濕潤指數變化的主要氣象因子，蒸發量對其有減弱作用。

4 討論

影響干旱變化的因子有很多，如降水、蒸發和氣溫以及自然環境等方面，這些因子間相互關系比較復雜，雖然近年來人們運用相關影響因子提出了不同的干旱指數，但由于干旱成因及其影響的復雜性，很難找到能普遍適用的干旱指數。目前，最常用的干旱指數計算方法是相對濕潤指數，該指數能根據溫度變化和降水量變化，客觀地詮釋在全球增暖背景下干旱、半干旱區域的干濕演變特征及變化趨勢。本研究對新疆木壘縣近51年春、夏季溫度、降水量、蒸散量和濕潤指數的變化趨勢進行了研究。木壘縣溫度、降水量、潛在蒸散量和濕潤指數整體呈上升趨勢，其中春、夏季溫度和夏季蒸散量上升明顯，但降水量和濕潤指數上升趨勢不明顯，該研究結果與吳秀蘭等［15］、潘淑坤等［16］研究結論相近。用相對濕潤指數來評估木壘縣氣象干旱的結果與歷史記載干旱發生狀況基本一致。該研究結果可為木壘縣防旱抗旱、農業生產合理布局、管理模式提供參考。本研究以相對濕潤指數作為評估氣象干旱的指標，該方法計算簡便、容易理解，僅考慮了溫度和降水量對氣象干旱的影響，并未考慮其他土壤墑情、灌溉條件、種植模式、水文地質條件、人民生活等因素對氣象干旱的影響，因此本研究結果存在一定的局限性。未來研究中需要結合衛星遙感技術在干旱監測中應用的新技術，建立以上因素綜合考慮的模型，才能更好地掌握干旱變化規律，提高氣象干旱的精準監測、預測及防治能力。