西藏青稞生育期干旱強度變化特征分析*

史繼清，豆永麗，張歆平，奚 鳳，羅 珍，甘臣龍

西藏青稞生育期干旱強度變化特征分析*

史繼清1,2，豆永麗3**，張歆平4，奚 鳳5，羅 珍1，甘臣龍6

（1. 西藏自治區氣候中心，拉薩 850000；2. 日喀則國家氣候觀象臺，日喀則 857000；3. 西藏自治區氣象信息網絡中心，拉薩 850000；4. 西藏自治區氣象災害防御技術中心，拉薩 850000；5. 西藏自治區氣象臺，拉薩 850000；6. 墨竹工卡縣氣象局，拉薩 850200）

基于1981?2020年西藏青稞主要種植區25個氣象站逐日氣象資料，計算逐日氣象干旱綜合指數（MCI），采用Mann-Kendall 突變檢驗、Morlet小波分析和R/S分析法分析近40a該區青稞各生育期干旱強度的時空分布及趨勢變化，以期為西藏農業生產安全和防災減災提供科學依據。結果表明: （1）西藏青稞不同生育期干旱特征具有差異性，播種?分蘗期干旱強度增強趨勢不明顯，全生育期干旱強度減弱趨勢較分蘗?抽穗期和抽穗?成熟期明顯。（2）播種?分蘗期干旱強度在21世紀00年代達到最低，分蘗?抽穗期、抽穗?成熟期和全生育期在20世紀80年代達到最高；分蘗?抽穗期、抽穗?成熟期和全生育期干旱強度分別在1989年、2001年和1989年出現顯著的減弱突變。（3）播種?分蘗期的干旱強度整體偏弱，分蘗?抽穗期地區間差異較小，抽穗?成熟期則空間差異較大；全生育期干旱強度整體呈現由研究區中部和南部邊緣地區向東西加重的分布特征。（4）播種?分蘗期、抽穗?成熟期和全生育期未來干旱強度分別在15a、33a、33a尺度上有持續偏旱的趨勢，分蘗?抽穗期在13a尺度上有持續偏濕的趨勢。

西藏；干旱強度；趨勢分析；MCI指數；青稞

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告[1]指出，基于歷史觀測和21世紀模式模擬試驗，全球尺度上陸地升溫造成了大氣蒸發需求和干旱事件強度的增加（高信度）。中國年平均氣溫較常年同期偏高0.79℃，為1951年以來連續第五暖年[2]。近年來，眾多學者和專家對中國干旱的頻率、強度、時空格局等均進行過研究探討，如河南[3]、陜西[4]、海河流域[5]、新疆天山草地[6]、呼倫貝爾草原[7]和內蒙古[8]有干旱化加重趨勢，而陜北[9]和新疆[10]干旱風險則呈現下降趨勢。中國干旱發生的范圍不斷擴大，旱災高發區由北方干旱半干旱地區向南方和東部濕潤、半濕潤地區發展[11]。未來氣候變化將使中國面臨干旱持續時間延長和強度加重的情景，對農業生產產生較大影響。

干旱問題復雜且涉及面廣，目前國內外公認的干旱類型有氣象干旱、農業干旱、水文干旱和經濟社會干旱等，而氣象干旱是其他類型干旱的起因和監測評估的基礎[12]，因此可以通過選取合適的氣象干旱指標對農業干旱災害的準確監測提供理論支撐[13]。表征氣象干旱狀況的指標眾多，分為降水距平百分率指數（PA）[14]、標準化降水指數（SPI）[15]、Z指數[16]等單要素指標和標準化降水蒸散指數（SPEI）[17?18]、綜合氣象干旱指數（CI）[19]等多要素指標，這些指標或考慮了降水，或考慮了氣溫，或綜合考慮了氣溫、降水和蒸發量等，但存在干旱監測滯后、干旱發展過程中等級異常跳變、嚴重干旱事件反應偏輕等問題[20?21]。因此，國家氣候中心通過大量調研和對比檢驗推出了改進的氣象干旱綜合指數（MCI），彌補了以上干旱指標的不足。

西藏以高原為主，位于中國地勢第一級階梯。藏南地殼活躍，為兩大板塊碰撞處，雅魯藏布大峽谷為世界之最；藏北海拔超過4500m，地表波狀起伏。干旱變化主要由降水和氣溫變化共同主導，長時間無降水是導致西藏地區干旱發生的重要原因[22]，且西藏干旱災害的高發期多出現在春夏季，亦是青稞的主要發育期[23]。青稞是西藏主要的糧食作物，主要分布在西藏高原雅魯藏布江中游河谷的拉薩、日喀則、山南市以及藏東三江流域的昌都市和藏東南的林芝市。近幾十年來，該區域年平均氣溫顯著升高，而降水總量微弱增加，干旱趨勢加重，且半濕潤區的干旱趨勢大于濕潤區[24?25]。目前雖有學者基于MCI指數評價了中國[26]、安徽[13]、呼倫貝爾市[7]、內蒙古[20]、東北[27]、青海[28]等區域的干旱演化規律，也得到了驗證，然而以西藏地區為研究對象[22?23,29]，長時間觀測序列數據系統闡述過去40a干旱變化及其未來趨勢預測的相關研究甚少，因此，利用1981?2020年氣象數據構建MCI指數，選用Mann-Kendall非參數檢驗、Morlet小波分析和R/S分析法對西藏青稞生育期干旱發生特征進行準確有效的監測和預測，不僅可以為該區農牧業干旱和風險管理提供理論支撐，還可為該區農業生產的安全與穩定作出貢獻。

1 資料與方法

1.1 數據及其來源

根據史繼清等[24, 30]對西藏青稞種植的研究，選取西藏25個站點所在區域作為青稞主要種植區（圖1）。所選站點的逐日氣象資料（1981?2020年）來源于西藏自治區氣象局；生育期資料來自西藏自治區氣候中心生態與農業氣象研究室（表1）。

圖1 西藏青稞主要種植區的氣象站點分布

注：基于審圖號為藏S（2022）004號的標準底圖制作，底圖無修改。下同。

Note：Based on the standard base drawing with the drawing review number of Zang S (2022) 004, the base drawing has no modification. The same as below.

1.2 生育期干旱強度計算方法

1.2.1 利用氣象干旱綜合指數進行干旱等級劃分

采用國家標準GB/T 20481-2017 氣象干旱等級氣象[12]中改進的MCI指數，某站某日氣象干旱綜合指數（MCI）計算式為

根據MCI的計算結果，將氣象干旱等級劃分為無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱，具體劃分標準見表2。

表1 西藏青稞主要種植區生育期資料（月旬）

注：E為每月前10d，M為每月中間10d，L為每月最后10d（也有可能是8d、9d、11d）。

Note: E- is the first ten-day of a month, M- is the middle ten-day of a month, L- is the last ten-day of a month（it could also be eight, nine, or eleven days）.

表2 氣象干旱綜合指數（MCI）等級劃分標準

1.2.2 干旱過程和干旱強度

當研究時段內至少出現一次干旱過程，且累計評價時段內干旱持續時間超過所評價時段的1/4時，則認為該時段發生干旱事件[31]。當MCI指數至少連續10d為輕旱及以上等級，則確定為一次干旱過程[32]。干旱過程時段內第一次出現輕旱的日期，為干旱過程開始日；當MCI指數連續10d判別為無旱等級時，則干旱過程結束，將最后一次MCI指數達到無旱等級時的日期定義為干旱過程結束日期。干旱過程開始?結束所持續的時間為干旱持續時間。將一次干旱過程內累計的輕旱及以上等級MCI指數之和定義為這次干旱過程的強度。

干旱強度（D）計算式為

1.3 生育期干旱強度變化趨勢分析方法

1.3.1 利用Hurst指數和R/S分析變化趨勢

Hurst指數是由英國水文專家Hurst在研究尼羅河水庫水流量和貯存能力的關系時提出的，通常用于分析長時間序列相關性[33]。Hurst指數(H)可反映將來對現有狀態的持續性。當0.5

計算比值

式中，H為Hurst 指數。

對方程兩邊求對數，得到

1.3.2 利用Morlet小波分析干旱強度的變化周期

干旱強度的時間變化分析利用Mann-Kendall非參數檢驗法，該方法不需要樣本遵循一定的分布，也不受異常值的干擾[35]；空間分布采用ArcGIS 10.4軟件中Kriging插值進行分析；Morlet小波分析用于該研究中干旱發生的周期性[36]。

2 結果與分析

2.1 青稞生育期干旱強度的年際變化特征

由圖2可見，1981?2020年青稞播種?分蘗期、分蘗?抽穗期、抽穗?成熟期和全生育期的干旱強度值（D）分別在?57.9～?15.3、?73.6～0.0、?134.9～0和?228.6～0.0范圍，多年平均值分別為?29.2、?41.5、?41.5和?97.1，氣候傾向率分別為?0.23·10a?1、2.03·10a?1、6.41·10a?1和10.92·10a?1，全生育期的減弱趨勢較分蘗?抽穗期和抽穗?成熟期干旱強度明顯。

播種?分蘗期，以2015年干旱強度最高，D值為?57.9，2004年最低，D值為?15.3；各年代的平均干旱強度均相對較低，其中，21世紀00年代最低，D值為?26.7，其余年代值均在?30.0左右。分蘗?抽穗期，干旱強度最強年份為2009年，D值為?73.6，最弱年份為2000年，D值為0；各年代中，20世紀80年代的平均干旱強度最高，D值為?51.1，21世紀00年代最低，D值為?28.8。抽穗?成熟期，1983年干旱強度最高，D值達?134.9，2000年、2004年和2016?2017年D值均為0.0；各年代中，除20世紀80年代干旱強度最高（D值為?61.1），其余年代D值介于?40.0～?30.0。全生育期，干旱強度最強年份在1984年，D值為?228.6，最弱年份為2004年和2008年的0.0；各年代中，20世紀80年代干旱強度最高，D值為?135.2，其余年代值相對偏低。

圖2 1981?2020年西藏青稞生育期干旱強度（D，MCI指數之和）年際變化及其M?K突變檢驗（所有站點平均值）

利用M?K方法對西藏青稞生育期干旱強度進行突變檢驗，其中UF（K）為時間順序統計曲線、UB（K）為時間逆序統計曲線。播種?分蘗期平均干旱強度（D）的UF（K）線在年際間波動較大，并與UB（K）線在1983年首次交叉，之后還有多個交點，可見播種?分蘗期的干旱強度年際波動大，但均未發生顯著突變。分蘗?抽穗期平均干旱強度的UF（K）和UB（K）線在1989年相交，之后UF（K）線持續上升，并在2003年通過0.05水平的臨界線，可見自1981?1989年分蘗?抽穗期的干旱強度呈現波動狀態，1989年出現顯著減弱突變；2008年后UF（K）線呈下降趨勢，干旱強度又開始增加，但未達到顯著突變。抽穗?成熟期平均干旱強度的UF（K）和UB（K）線在1992年出現交點，之后UF（K）線持續上升，并在2001年通過0.05水平的顯著性檢驗，UF（K）線在0.05的臨界線上下小幅波動后于2008年開始下降。全生育期平均干旱強度的UF（K）和UB（K）線與分蘗?抽穗期變化基本一致，均在1989年出現顯著的減弱突變。

2.2 青稞生育期干旱強度空間分布特征

由圖3a可見，近40a青稞播種?分蘗期各站點干旱強度平均值在?56.0～?14.7，干旱強度整體偏弱，其中聶拉木站值最小，江孜站值最大。林芝市大部、拉薩市南部、昌都市邊緣地區以及日喀則市和山南市東部干旱強度平均值偏大，均值大于?28.0；聶拉木、定日和錯那等站值偏小，在?36.0以下。

由圖3b可見，分蘗?抽穗期干旱強度整體呈現西低東高的特點。各站點干旱強度平均值在?66.4～?34.7，地區間差異較小，易發生研究區范圍的干旱。干旱強度平均值最小值位于昌都市東南部，均在?50.0以下；最大值較分散，主要涵蓋聶拉木、拉薩、墨竹工卡、錯那和加查等站。林芝市西部干旱強度平均值介于?48～?46。

圖3 1981?2020年西藏青稞生育期干旱強度（D值）的空間分布

由圖 3c 可見，抽穗?成熟期各站點干旱強度平均值在?86.4～?21.9，區域干旱強度空間差異較大；聶拉木和錯那等站值最大，即干旱強度最弱；拉薩市南部、山南市西北角、日喀則市東北角干旱強度平均值均在?72.0以下，是干旱最重的區域；其余區域分布著?72.0～?42.0的干旱強度平均值。

由圖3d可見，全生育期各站點干旱強度平均值在?249.0～?68.9，昌都市西北角值偏小，為干旱嚴重區域；研究區中部和南部邊緣地區值偏大，尤其錯那、米林和察隅等站干旱最輕；干旱強度整體呈現由研究區中部和南部邊緣地區向東西加重的分布特征。

2.3 青稞生育期干旱強度變化趨勢

2.3.1 變化周期

1981?2020年西藏青稞生育期干旱強度小波分析結果見圖4，小波系數大小表示信號強弱，等值線中心為正表示該年份偏濕，為負表示該年份偏旱。由圖4a1可見，播種?分蘗期，干旱強度存在5a和8a左右的短周期以及15a左右的長周期，5a和8a左右時間尺度上分別出現5次和3次明顯的旱濕交替，15a左右時間尺度上出現2次明顯的旱濕交替。結合小波方差（圖4a2）發現，在3a、5a、8a和15a時間尺度上震蕩明顯，且15a、5a和3a分別為第一主周期和第二、三周期。由于當前（2020年）的小波系數圖在15a長周期和5a短周期上并未閉合，說明西藏青稞播種?分蘗期在15a長周期上將持續偏旱趨勢，而在5a短周期內將持續偏濕趨勢。

由圖4b1、d1可見，近40a青稞分蘗?抽穗期和全生育期干旱強度均在5a、13a和33a尺度上存在明顯的高低值交替現象，結合走勢（圖4b2、d2）得出，33a、5a和13a分別為第一主周期和第二、三周期。在33a主周期上，1981?2020年西藏青稞種植區兩個生育期干旱強度均經歷1次旱濕交替的周期，且當前該區生育期正處于旱濕交替的過渡期，未來短期內仍將有偏旱的趨勢。在13a周期上，該區域目前處于偏濕期，且有持續偏濕的趨勢。

由圖4c可見，近40a青稞抽穗?成熟期干旱強度在5a、21a和33a的周期上存在較明顯的振蕩現象，其中33a尺度的能量最強，為第一主周期，21a和5a分別為第二、三周期。在33a和5a周期上，目前正處于偏旱時期，且有持續偏旱的趨勢。

2.3.2 未來趨勢

運用R/S分析法對西藏青稞生育期干旱的未來趨勢進行預測見圖5。由圖可見，播種?分蘗期和分蘗?抽穗期干旱強度的Hurst指數均＞0.5，決定系數約為0.90，表明時間序列前后具有微弱持續性。未來西藏青稞的播種?分蘗期和分蘗?抽穗期干旱變化趨勢均與過去40a變化趨勢一致，即干旱強度將持續呈現上升（播種?分蘗期）和下降（分蘗?抽穗期）趨勢，干旱化的態勢也將繼續加?。úシN?分蘗期）和減輕（分蘗?抽穗期），這與15a（播種?分蘗期）和13a（分蘗?抽穗期）尺度的小波分析結果較一致。

抽穗?成熟期和全生育期干旱強度的Hurst指數均＜0.5，決定系數均＞0.92，表明未來西藏青稞的抽穗?成熟期和全生育期干旱強度變化趨勢可能逆轉成上升趨勢，干旱化將有所加劇，這與其第一主周期（33a）尺度的分析結果較一致。

圖4 1981?2020年青稞生育期干旱強度小波分析(1)和小波方差(2)

圖5 1981?2020年青稞生育期干旱強度的R/S分析

結合圖2預測，未來播種?分蘗期、抽穗?成熟期和全生育期的干旱強度預計呈現上升趨勢，且2021?2035年干旱強度將分別上升0.34、9.62和16.38；分蘗?抽穗期的干旱強度預計會保持下降趨勢，未來15a干旱強度將繼續下降3.04。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）播種?分蘗期的干旱強度增強趨勢不明顯，在21世紀00年代達到最低值。分蘗?抽穗、抽穗?成熟和全生育期的干旱強度氣候傾向率分別為2.03·10a?1、6.41·10a?1、10.92·10a?1，全生育期干旱強度的減弱趨勢較分蘗?抽穗期和抽穗?成熟期明顯，且干旱強度均在20世紀80年代最高。

（2）對西藏青稞生育期干旱強度進行突變檢驗發現，播種?分蘗期的干旱強度年際波動大，但未顯著突變。分蘗?抽穗期和全生育期干旱強度均在1989年出現顯著的減弱突變，抽穗?成熟期在2001年通過0.05水平的顯著性檢驗。

（3）播種?分蘗期的干旱強度整體偏弱，林芝市大部、拉薩市南部、昌都市邊緣地區以及日喀則市和山南市東部的干旱強度偏弱，聶拉木、定日和錯那等站偏強。分蘗?抽穗期的干旱強度整體呈現西低東高的特點，且地區間差異較小。抽穗?成熟期的區域干旱強度空間差異較大，聶拉木和錯那等站干旱強度最弱，拉薩市南部、山南市西北角、日喀則市東北角干旱最嚴重。全生育期的干旱強度整體呈現由研究區中部和南部邊緣地區向東西部加重的分布特征。

（4）對西藏青稞生育期未來干旱趨勢分析發現，播種?分蘗期在15a尺度上呈現旱濕交替的周期性可能性較大，且未來幾年有持續偏旱趨勢；分蘗?抽穗期在13a尺度上呈現旱濕交替可能性較大，未來有持續偏濕趨勢；抽穗?成熟期和全生育期均在33a尺度上呈現旱濕交替可能性較大，未來有持續偏旱趨勢。此外，2021?2035年播種?分蘗期、抽穗?成熟期和全生育期的干旱強度值將分別上升0.34、9.62和16.38，分蘗?抽穗期的干旱強度值將繼續下降3.04。

3.2 討論

本研究對西藏青稞生育期干旱強度的時間變化特征做了詳盡分析研究，結果表明，基于MCI指數為干旱指標得出的播種?分蘗期干旱強度在21世紀00年代達到最低，與袁雷等[29]對西藏西部地區雨季干旱強度的結論一致，而分蘗?抽穗期、抽穗?成熟期和全生育期的干旱強度在20世紀80年代達到最高，與其對西藏東部地區雨季的結論有所不同，可見地域和時段的差異會對變化特征產生一定的影響。與此同時，得出播種?分蘗期和分蘗?抽穗期與袁雷等[29]得出的沿江一線和東部地區變化相對穩定，抽穗?成熟期和全生育期與南部邊緣變化相對較劇烈的結論一致。文中“在播種?分蘗期的干旱強度最強年份為2015年、在分蘗?抽穗期為2009年”與史繼清等[24]基于干旱災害風險綜合評估指數得出的最高值年份（2009年和2015年）吻合，此外，對“在分蘗?抽穗期的干旱強度最強年份為2009年，在抽穗?成熟期為1983年”，也印證了張核真等[22]對西藏地區典型干旱年包括1967年、1982?1983年和2009年的判斷，由于本研究時段未涉及1981年前，而張核真等未涉及2010年后，導致部分典型年份的不一致也是可以解釋的。

分蘗?抽穗期、抽穗?成熟期和全生育期的M?K統計量曲線變化走勢與金建新等[37]利用UNEP干旱指數得出的M?K變化趨勢較為同步，但兩者突變年份存在不同，可能由于干旱指標、站點及時段的差別選取所致。干旱強度的大小亦可反映干旱的危險性程度，抽穗?成熟期干旱強度的強弱區與史繼清等[24]基于自然水分虧缺率指數的干旱危險性區域基本一致。

西藏青稞不同生育期干旱嚴重區集中在日喀則市東部、山南市北部、拉薩市南部和昌都市大部，干旱弱區位于林芝市中部，與熊俊楠等[23]得出的區域范圍比較吻合。

相較趙俊芳等[38]對西藏地區未來氣候情景下的干濕狀況分析，文中“西藏青稞分蘗?抽穗期在2021?2033年有持續偏濕的趨勢”與其“2021?2030年濕潤、半濕潤的濕潤趨勢非常明顯”完全吻合。“抽穗?成熟期和全生育期在2021?2053有持續偏旱的趨勢”與其“2031?2050年濕潤地區的干旱程度擴大趨勢明顯”較一致，與“2011?2050年西藏氣候總體上呈暖濕化趨勢”結論不同，究其原因可能是預測年份和研究區域的差異導致。

本文基于MCI指數首次分析西藏青稞生育期的干旱強度及未來趨勢判別，較西藏氣象業務中單純依靠降水距平百分率指數進行干旱監測的適用性更強。雖然引進了季節調節系數Ka，根據不同區域不同季節對經驗系數進行了調整，使干旱監測服務更具針對性，但是對于西藏這個氣候類型多樣的地區，青稞又是其主要的糧食作物，Ka的取值針對性不強，在今后的研究中可以考慮根據西藏地區具體氣候特征進行系數調整。此外，未來可以通過選擇多種數據結合和評估方法為西藏地區的干旱監測和評估做進一步研究。

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Analysis on Change Characteristics of Drought Intensity during the Growth Period of Highland Barley in Tibet

SHI Ji-qing1,2, DOU Yong-li3, ZHANG Xin-ping4, XI Feng5, LUO Zhen1, GAN Chen-long6

(1. Tibet Climate Center, Lhasa 850000, China; 2. Shigatse National Climate Oberservatory, Shigatse 857000; 3. Information and Internet Center of Tibet Meteorological Bureau, Lhasa 850000; 4. Tibet Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Lhasa 850000; 5. Meteorological Observatory of Tibet Autonomous Region, Lhasa 850000; 6. Maizhokunggar County Meteological Bureau, Lhasa 850200)

Based on the daily meteorological data of 25 meteorological stations in the main highland barley planting areas in Tibet from 1981 to 2020, the daily meteorological drought comprehensive index (MCI) was calculated. The Mann-Kendall mutation test, Morlet wavelet analysis and R/S analysis were used to analyze the temporal and spatial distribution and trend change of drought intensity in each growth period of the region in the past 40 years, in order to provide a scientific basis for agricultural production safety and local disaster prevention and mitigation in Tibet. The results showed that: (1)the drought characteristics of Tibetan highland barley at different growth stages were different, and the drought intensity at the sow-tillering stage was not significantly increased, while the drought intensity at the whole growth stage was significantly decreased compared with that at the tiller-heading stage and the heading-maturity stage.（2）The drought intensity at the sow-tillering stage reached the lowest level in the 2000s, and the tiller-heading stage, head-maturity stage and the whole growth reached the highest level in the 1980s. The drought intensity of tiller-heading stage, head-maturity stage and the whole growth stage showed significant weakening mutations in 1989, 2001 and 1989, respectively. (3)The drought intensity at the sow-tillering stage was weakened as a whole, and the regional difference between tiller-heading stage was small, while the spatial difference between head-maturity stage was large. The drought intensity in the whole growth period showed a distribution feature of increasing from the central and southern marginal areas of the study area to the east and west. (4) The future drought intensity in the sow-tillering stage, the head-maturity stage and the whole growth stage has a trend of continuous drought on the scale of 15 years, 33 years and 33 years respectively, and the tiller-heading stage has a trend of continuous wet on the scale of 13 years.

Tibet; Drought intensity; Trend analysis; MCI index; Barley

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.09.007

史繼清,豆永麗,張歆平,等.西藏青稞生育期干旱強度變化特征分析[J].中國農業氣象,2023,44(9):834-844

2022?10?25

西藏自治區自然科學基金（XZ202001ZR0033G）；西藏自治區科技計劃項目（XZ202001ZY0020N）；西藏自治區科技重點研發計劃（XZ202001ZY0023N）

豆永麗，碩士，副研級高工，主要從事氣象信息技術、數據處理和質控研究，E-mail: 137850175@qq.com

史繼清，E-mail: 549923050@qq.com