全球主要干旱區(qū)氣候變化研究綜述

王佳寧，李雯婧

1.黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱 150030；2.齊齊哈爾市氣象局，黑龍江齊齊哈爾 161000

0 引言

干旱區(qū)指屬于干旱氣候的地區(qū)，所占面積為1.9×107km2，約占全球陸地面積（14.9×107km2）的13%[1-2]。這里降水稀少、水資源缺乏、生態(tài)環(huán)境十分脆弱，對(duì)全球氣候變化的反應(yīng)十分敏感。干旱地區(qū)的降水較少并且時(shí)空變化大，氣候干燥，水資源匱乏，導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境脆弱 。因此，干旱地區(qū)的氣候變化及其面積是否擴(kuò)張，對(duì)人類生存環(huán)境的影響十分顯著[3]。

在全球變暖的環(huán)境背景下，全球干旱地區(qū)由于其脆弱的生態(tài)環(huán)境，極易受到氣候變化和人類活動(dòng)的影響的特殊性，而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。在這樣的環(huán)境背景下，研究并掌握干旱地區(qū)的氣候時(shí)空變化，有助于了解未來(lái)干旱地區(qū)氣候變化。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

研究所采用的平均氣溫和降水資料來(lái)自美國(guó)氣候中心所提供的NCEP再分析數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°。年潛在蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)出自全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間長(zhǎng)度為1948—2010年，共計(jì)63年。

1.2 氣候劃分方法

干旱指數(shù)(Aridity Index, AI )是反映氣候干旱程度的指標(biāo)，定義為年降水量(P)和年潛在蒸發(fā)(PET)的比值。PET表征的是大氣的蒸發(fā)“需求”，是在給定的氣候條件下，從濕潤(rùn)的、有植被覆蓋的地表得到的蒸散發(fā)量的最大值。

依據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將年降水量與年潛在蒸發(fā)量的比值＜0.65的區(qū)域定義為旱地，并將其進(jìn)一步劃分為極端干旱區(qū)（AI＜0.05）、干旱區(qū)（0.05≤AI＜0.2）、半干旱區(qū)（0.2≤AI＜0.5）和濕潤(rùn)偏干區(qū)（0.5≤AI＜0.65）共4種類型。

1.3 研究方法

1.3.1 區(qū)域平均的氣象要素時(shí)間序列計(jì)算網(wǎng)格的面積會(huì)因?yàn)楦顸c(diǎn)緯度的不同而有所不同，因此計(jì)算區(qū)域平均的時(shí)候需要考慮面積權(quán)重。利用網(wǎng)格面積大小求得各個(gè)格點(diǎn)氣象要素加權(quán)平均值，從而得到區(qū)域平均的氣象要素隨時(shí)間的變化序列。計(jì)算公式如下：

1.3.2 線性趨勢(shì)分析表示要素的時(shí)間序列（i=1, 2, 3, …, n），n是樣本容量（即為年份數(shù)），ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，xi與ti的一元線性回歸方程為：

式（2）中，a為氣象要素和時(shí)間的線性回歸系數(shù)，即氣象要素變化的速率。可以利用最小二乘法估算得到。a的正負(fù)值表示氣象要素x的傾向趨勢(shì)。如果a＜0，表示要素在計(jì)算時(shí)間內(nèi)有下降的趨勢(shì)；如果a＞0，則表示要素在計(jì)算時(shí)間內(nèi)有上升趨勢(shì)。通常把a(bǔ)×10稱為氣候傾向率，單位為氣象要素單位/10年，它的絕對(duì)值的大小可以表示變化趨勢(shì)的程度。

2 全球干旱區(qū)的空間分布

圖1是根據(jù)1961—1990年的干旱指數(shù)劃分出來(lái)的全球干旱區(qū)的空間分布圖。從圖1中可以看到，干旱區(qū)主要分布在撒哈拉沙漠的南部、中亞、中國(guó)北方的部分地區(qū)、蒙古國(guó)的南部、澳大利亞的大部分地區(qū)等。其中，中亞和澳大利亞地區(qū)的干旱區(qū)在全球干旱區(qū)中面積占比最大，因此此次研究主要分析中亞的澳大利亞干旱區(qū)氣候的時(shí)空分布特征。

圖1 1961—1990年全球干旱區(qū)的空間分布

3 中亞干旱區(qū)氣候變化

3.1 中亞干旱區(qū)的空間分布特征

根據(jù)干旱指數(shù)對(duì)干旱區(qū)和半干旱區(qū)的劃分，將干旱指數(shù)在0.05~0.2范圍內(nèi)的區(qū)域定義為干旱區(qū)。圖2是根據(jù)1961—1990年的干旱指數(shù)劃分出來(lái)的中亞干旱區(qū)的空間分布圖。該地區(qū)處于亞歐大陸腹地，介于35°N~55°N，50°E~85°E，占全球干旱區(qū)面積的1/3，是典型的內(nèi)陸干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，對(duì)氣候變化反應(yīng)較為敏感[4]。

圖2 1961-1990年中亞干旱區(qū)的空間分布

3.2 中亞干旱區(qū)的降水變化特征

中亞干旱區(qū)冬季總降水量的年際變化波動(dòng)較小，1997—1999年有劇烈的突變，1952年和1997年出現(xiàn)總降水量最大值，1999年出現(xiàn)最小值。過(guò)去63年中亞干旱區(qū)冬季總降水量的均值為45 mm。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，整體上過(guò)去63年中亞干旱區(qū)冬季總降水量呈下降趨勢(shì)（沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），下降速率為0.13 mm/10年。

可見中亞干旱區(qū)夏季總降水量的年際變化波動(dòng)也較小，過(guò)去63年中亞干旱區(qū)夏季總降水量的均值為23 mm。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，整體上過(guò)去63年中亞干旱區(qū)夏季總降水量也呈下降趨勢(shì)（沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），下降速率為0.31 mm/10年。有研究資料表明，中亞干旱區(qū)降水呈顯著的季節(jié)性變化，與中亞干旱區(qū)春、冬季為雨季，夏、秋季為枯水期特征吻合。中亞干旱區(qū)受到西風(fēng)環(huán)流和北大西洋濤動(dòng)的影響，降水特征為以冬季、春季為主的西風(fēng)區(qū)降水特征。冬季可占全年降水量的24.4%，夏季降水量占全年降水量的17.9%[5]。

分析可知，中亞干旱區(qū)年總降水量年際變化波動(dòng)較大，年總降水量最大值出現(xiàn)在1981年，為215 mm；最小值出現(xiàn)在2000年，為100 mm，二者相差115 mm。過(guò)去63年中亞干旱區(qū)年總降水的均值為151 mm。整體上，過(guò)去63年中亞干旱區(qū)年總降水量呈下降的趨勢(shì)（沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），下降速率為2.80 mm/10年。

3.3 中亞干旱區(qū)的溫度變化特征

由1948—2010年中亞干旱區(qū)冬季平均溫度變化可知，中亞干旱區(qū)冬季平均溫度最低值出現(xiàn)在1968年，為-10.5℃，溫度最高值在1998年、2001年、2003均有出現(xiàn)，為-1℃，二者差值為9.5℃。過(guò)去63年的平均溫度為-4.5℃。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，整體上1948—2010年中亞干旱區(qū)冬季平均溫度呈上升趨勢(shì)（通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)），上升速率為0.34℃/10年。

由1948—2010年中亞干旱區(qū)夏季平均溫度變化可知，中亞干旱區(qū)夏季平均溫度最高值出現(xiàn)在2010年，為25.6℃，溫度最低值出現(xiàn)在1957年，為22.7℃，二者差值為2.9℃。過(guò)去63年的夏季平均溫度為24℃。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，1948—2010年中亞干旱區(qū)夏季平均溫度整體呈上升趨勢(shì)（通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)），上升速率為0.23℃/10年。

由1948—2010年中亞干旱區(qū)年均溫度變化可知，溫度最高值出現(xiàn)在2004年，為11.6℃，溫度最低值出現(xiàn)在1950年和1969年，為8.2℃，二者差值為3.4℃。過(guò)去62年的年均溫度為10℃。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，1948—2010年中亞干旱區(qū)年均溫度整體呈上升趨勢(shì)（通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)），上升速率為0.30℃/10年（表1）。

表1 中亞干旱區(qū)降水量、溫度變化速率

4 澳大利亞干旱區(qū)氣候變化

4.1 澳大利亞干旱區(qū)的空間分布特征

根據(jù)干旱指數(shù)對(duì)干旱區(qū)和半干旱區(qū)的劃分，將干旱指數(shù)在0.05~0.20范圍內(nèi)的區(qū)域定義為干旱區(qū)。圖3根據(jù)1961—1990年的干旱指數(shù)劃分出來(lái)的澳大利亞干旱區(qū)的空間分布圖。該地區(qū)位于南太平洋和印度洋之間的澳大利亞大陸，介于10°S~40°S、110°E~150°E。干旱區(qū)位于澳大利亞大陸的西部和中部，占澳大利亞的大部分地區(qū)。

圖3 1961—1990年澳大利亞干旱區(qū)空間分布

4.2 澳大利亞干旱區(qū)的降水變化特征

澳大利亞處于南半球，所以冬季為每年的6—8月。過(guò)去63年澳大利亞干旱區(qū)冬季總降水量的均值為42 mm。1973年出現(xiàn)降水量最大值為105 mm，1970年出現(xiàn)降水量最小值為10 mm，二者相差95 mm。可見，1970—1973年之間出現(xiàn)了劇烈的突變降水。此外，1976—1978年、1982—1986年之間也出現(xiàn)了明顯的突變降水變化。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，1948—2010年澳大利亞干旱區(qū)冬季總降水量呈下降趨勢(shì)（沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），下降速率為0.74 mm/10年。

過(guò)去63年夏季的總降水量的均值為112 mm。1948—1970年以及1980—2010年降水變化的振蕩趨勢(shì)比較穩(wěn)定，但是1971—1979年出現(xiàn)的明顯的降水量突變。在1973年出現(xiàn)了降水量最大值為300 mm。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，過(guò)去63年澳大利亞干旱區(qū)夏季總降水量呈上升趨勢(shì)（通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)），上升速率很大，上升速率為6.1 mm/10年。

在1972年出現(xiàn)了降水量最低值為150 mm，1974年出現(xiàn)了降水量最高值為540 mm。可見，在1972年—1974年這三年間發(fā)生了劇烈的降水量突變過(guò)程。過(guò)去63年的年平均總降水量為260 mm。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，過(guò)去63年澳大利亞干旱區(qū)年總降水量呈上升趨勢(shì)（沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），上升速率為6.7 mm/10年。

4.3 澳大利亞干旱區(qū)的溫度變化特征

1956年，澳大利亞干旱區(qū)出現(xiàn)最低溫度，為13℃；1996年，出現(xiàn)最高溫度為16.2℃。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，過(guò)去63年澳大利亞干旱區(qū)冬季平均溫度呈上升趨勢(shì)（通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)），上升速率為0.19℃/10年。

澳大利亞干旱區(qū)夏季的平均溫度的均值為28.8℃，夏季平均溫度均值比冬季高14.4℃。在1990年出現(xiàn)最高溫度，為30.2℃，在1948年出現(xiàn)最低溫度，為27.4℃，二者差值為2.8℃。根據(jù)線性趨勢(shì)可知，過(guò)去63年澳大利亞干旱區(qū)夏季平均溫度呈上升趨勢(shì)（通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)），上升速率為0.11℃/10年。

澳大利亞干旱區(qū)年均溫度為22℃。過(guò)去63年中，澳大利亞干旱區(qū)年均溫度呈上升趨勢(shì)（通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)），在震蕩中持續(xù)上升，上升速率為0.17℃/10年（表2）。

表2 澳大利亞干旱區(qū)降水量、溫度變化速率

5 結(jié)論

利用美國(guó)氣候中心的NCEP再分析資料以及降水資料，根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到了旱地的時(shí)空分布，并劃分出了中亞以及澳大利亞干旱分區(qū)。本文系統(tǒng)性地將中亞干旱區(qū)以及澳大利亞干旱區(qū)的溫度以及降水進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。主要的研究結(jié)論如下。

（1）中亞干旱區(qū)處于亞歐大陸腹地，介于35°N~55°N、50°E~85°E。中亞干旱區(qū)年總降水量和冬夏季總降水量都呈下降的趨勢(shì)。澳大利亞干旱區(qū)的降水主要集中在夏季，而中亞干旱區(qū)的降水主要集中在冬季。有研究資料表明，中亞干旱區(qū)降水呈顯著的季節(jié)性變化，中亞干旱區(qū)受到西風(fēng)環(huán)流和北大西洋濤動(dòng)的影響，降水特征為以冬季、春季為主的西風(fēng)區(qū)降水特征。

（2）中亞干旱區(qū)年均溫度和冬夏季平均溫度都呈上升趨勢(shì)，冬季溫度上升速率大于年均溫度上升速率和夏季溫度上升速率。

（3）澳 大 利 亞 介 于10°S~40°S、110°E~150°E。干旱區(qū)位于澳大利亞大陸的西部和中部，占澳大利亞的大部分地區(qū)。澳大利亞干旱區(qū)降水主要集中在夏季，年總降水量呈上升趨勢(shì)，上升速率為6.7 mm/10年。夏季總降水量也呈上升趨勢(shì)，上升速率為6.1 mm/10年。但冬季總降水量呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.74 mm/10年。

（4）澳大利亞干旱區(qū)年均溫度和冬夏季平均溫度都呈上升趨勢(shì)，且冬季平均溫度的上升速率大于夏季。