天山西部地區(qū)近50年干旱指數(shù)的演變特征

夏依木拉提·艾依達爾艾力，趙 蓉

（1.新疆伊犁水文水資源勘測局，新疆 伊寧 835000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 研究背景

國內(nèi)外研究證實，全球氣候變暖和轉(zhuǎn)型已是不爭的現(xiàn)實［1］。中國的黃河流域、西北地區(qū)以及其他廣大區(qū)域的氣溫、降水、蒸發(fā)等氣象要素均發(fā)生了不同程度的變化［2-12］。

中國天山西部地區(qū)位于歐亞大陸腹地，地形復雜，地貌特殊，屬中溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)。在全球氣候轉(zhuǎn)型的大背景下，該地區(qū)的氣溫、降水、蒸發(fā)以及河川徑流等氣候和水文要素也在發(fā)生著變化［13］。而氣溫的升高、降水以及河川徑流分布的不均勻性，使季節(jié)性干旱成為中國天山西部地區(qū)比較嚴重和普遍的自然災害之一，并對經(jīng)濟社會和自然環(huán)境產(chǎn)生了深刻的影響。

干旱指數(shù)是研究干旱氣候的基礎，更是干旱半干旱區(qū)需要進一步研究的重要問題。在干旱研究中，明確干旱指數(shù)是分析干旱的關(guān)鍵。張強、詹志明、吳洪寶、衛(wèi)捷、張存杰、張?zhí)旆宓龋?4-19］從不同角度分析了不同地區(qū)干旱的主要特征，并證實了合理的干旱指數(shù)對于正確評價干旱狀況和開展干旱分析服務十分必要。因此，探討天山西部地區(qū)干旱指數(shù)在氣候轉(zhuǎn)型條件下的變化特征和趨勢，對于科學認識區(qū)域氣候類型、開展氣候研究和服務于社會生產(chǎn)，都具有十分重要的指導意義。

2 研究方法

2.1 資料選擇 選用地處中國天山西部伊犁河流域伊犁州直的伊寧市、伊寧、霍城、察布查爾、鞏留、尼勒克、新源、特克斯、昭蘇9個縣市氣象站1957—2006年月年降水、氣溫、20cm口徑蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)觀測資料。其中，20cm口徑蒸發(fā)皿觀測資料按《水資源評價導則》規(guī)定，均統(tǒng)一換算為E-601型蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量［20］。

所用資料均為嚴格按照國家有關(guān)行業(yè)標準進行收集、審查、匯編等程序核定后錄入國家氣象專用數(shù)據(jù)庫的資料，精度基本可靠。本研究對各項成果資料進行了全面的合理性分析和檢查，對其中錯誤或不合理的數(shù)據(jù)進行了剔除或修正。由于各站收集資料年限不盡相同，為使資料序列統(tǒng)一和便于統(tǒng)計對照分析，對部分站部分年份未觀測時段，采用相關(guān)分析等方法進行了系列的插補延長。在此基礎上，獲取各站歷年季和年的特征序列，并用9個站的平均序列值近似代表全地區(qū)或流域的平均情況。

2.2 區(qū)域劃分 為便于進行氣候劃分和分析比較，對研究區(qū)域采用了兩種分區(qū)劃分方法：一是按伊犁州直縣市行政區(qū)劃，將研究區(qū)劃分為9個縣市區(qū)；二是根據(jù)流域自然地理條件和氣候特點，將研究區(qū)劃分為特克斯河谷區(qū)（包括特克斯和昭蘇縣和鞏留縣一部分）、鞏乃斯河谷區(qū)（包括新源縣）、喀什河谷區(qū)（包括尼勒克縣）和伊犁河谷區(qū)（包括伊寧市、伊寧、霍城、察布查爾和鞏留縣一部分）4個分區(qū)。研究區(qū)分布示意圖見圖1。

圖1 伊犁州直縣市分布

2.3 計算方法 干旱指數(shù)是反映某一地區(qū)氣候干、濕程度的指標之一。水文學上一般采用年水面蒸發(fā)量（或年水面蒸發(fā)能力）與年降水量的比值來表示［20、21］，具體計算公式如下：

式中：γ為干旱指數(shù)；E0為年水面蒸量或年水面蒸量能力（mm）；P0為年降水量（mm）。

由于水面蒸發(fā)是充分供水條件下的蒸發(fā)，因此，水面蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)能力是完全相同的［23］。由于缺乏水面蒸發(fā)量實測資料，本文近似以E-601型蒸發(fā)器觀測值E601代替年水面蒸發(fā)量E0。

式中：K為水面蒸發(fā)折算系數(shù)；E601為E-601型蒸發(fā)器觀測的蒸發(fā)量（mm）；E20為20cm口徑蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量（mm）。

式（2）中的水面蒸發(fā)折算系數(shù)K值，由流域各分區(qū)代表站E-601型蒸發(fā)器與20cm口徑蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量對比觀測資料，按式（3）計算后獲取，從而可將各分區(qū)代表站的長系列20cm口徑蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量觀測資料，由式（2），按《水資源評價導則》［21］規(guī)定，統(tǒng)一換算為E-601型蒸發(fā)器的水面蒸發(fā)量。

干旱指數(shù)γ與氣候干、濕分布帶關(guān)系十分密切，通常當γ＜1.0時，說明該區(qū)域降水量超過水面蒸發(fā)量（或水面蒸發(fā)能力），氣候濕潤或十分濕潤；當1.0≤γ＜3.0時，說明該區(qū)域降水量接近或小于水面蒸發(fā)量（或水面蒸發(fā)能力），氣候半濕潤；當3.0≤γ≤7.0時，說明該區(qū)域水面蒸發(fā)量大于降水量，氣候偏于干旱；當γ＞7.0時，說明該區(qū)域水面蒸發(fā)量（或水面蒸發(fā)能力）遠遠大于降水量，氣候干旱，且干旱指數(shù)γ值越大，氣候干旱程度越強烈［21、23］。干旱指數(shù)γ與我國氣候干、濕程度分級見表1。

由各站歷年的降水、蒸發(fā)和氣溫資料，分別計算出1957—2006年春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和日歷年的干旱指數(shù)，并計算其多年均值和不同年代的平均值。采用數(shù)理統(tǒng)計、相關(guān)分析、趨勢分析、滑動平均等方法進行干旱指數(shù)變化特征的分析研究。

表1 中國干濕程度分級

3 干旱指數(shù)的變化特征

3.1 由干旱指數(shù)進行的氣候分類 由表2按行政分區(qū)統(tǒng)計的干旱指數(shù)計算結(jié)果可知：行政分區(qū)9站算術(shù)平均法計算的多年平均干旱指數(shù)為3.04，全地區(qū)氣候?qū)儆诎敫珊祬^(qū)。其中，昭蘇、新源、尼勒克、特克斯和伊寧5個縣多年平均干旱指數(shù)分別為1.65、2.04、2.21、2.36和2.98，均屬于半濕潤區(qū)；鞏留、伊寧市、霍城和察布查爾4個縣市多年平均干旱指數(shù)分別為3.33、3.90、4.16和4.74，均屬于半干旱區(qū)。

表2 按行政分區(qū)計算的干旱指數(shù)及其氣候分類

若與按流域劃分的4個分區(qū)計算結(jié)果進行對照（表3）：特克斯河谷區(qū)干旱指數(shù)為2.01，屬于半濕潤區(qū)；鞏乃斯河谷區(qū)和喀什河谷區(qū)干旱指數(shù)分別為2.04和2.21，也屬于半濕潤區(qū)；伊犁河谷區(qū)干旱指數(shù)為3.82，屬于半干旱區(qū)。而全流域按流域分區(qū)算術(shù)平均法和面積加權(quán)法計算的平均干旱指數(shù)分別為2.52和2.64，全流域則屬于半濕潤區(qū)。因此，本區(qū)域總的氣候類型應為半濕潤—半干旱區(qū)。昭蘇、新源、尼勒克和特克斯4個縣氣候?qū)儆诎霛駶檯^(qū)，不是荒漠環(huán)境，因此，不應列入綠洲區(qū)。該結(jié)論與楊發(fā)相、付強等學者的研究結(jié)論相一致［24］。

3.2 干旱指數(shù)的地區(qū)分布特點 天山西部地區(qū)干旱指數(shù)具有明顯的地區(qū)分布特性，其總體分布特點是：從西北向東南逐漸下降，流域中西部的伊犁河谷平原區(qū)是干旱指數(shù)最高的地區(qū)，多年平均干旱指數(shù)在3.00～5.00之間；流域南部的特克斯河谷區(qū)多年平均干旱指數(shù)在2.0左右，其中昭蘇縣多年平均干旱指數(shù)為1.65，是干旱指數(shù)最低的地區(qū)；流域東部的鞏乃斯河谷區(qū)與喀什河谷區(qū)干旱指數(shù)介于以上兩者之間，多年平均干旱指數(shù)在2.10左右。干旱指數(shù)隨地理位置、氣候和海拔高程的不同而變化。一般而言，平原、氣候溫和以及海拔高程低的地區(qū)的干旱指數(shù)高，山區(qū)、氣候寒冷以及海拔高程高的地區(qū)的干旱指數(shù)低。干旱指數(shù)的地區(qū)分布與水面蒸發(fā)量的地區(qū)分布基本一致，存在明顯的垂直地帶分布規(guī)律。干旱指數(shù)隨著海拔高程的增高、氣溫的降低、降水量的增大、水面蒸發(fā)量的減少而下降。由圖2所示的區(qū)域代表站多年平均干旱指數(shù)與海拔高程相關(guān)關(guān)系可以看出，干旱指數(shù)隨海拔高程的增高而下降，與海拔高程呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，海拔高程每增高100m，干旱指數(shù)則下降0.22。

表3 按流域分區(qū)計算的干旱指數(shù)及其氣候分類

3.3 干旱指數(shù)的年際變化特點 研究區(qū)9站的年干旱指數(shù)的變差系數(shù)Cv值在0.25～0.35之間，9站平均系列的Cv值為0.28；春季干旱指數(shù)的Cv值在0.43～0.73之間，9站平均系列的Cv值為0.55；夏季干旱指數(shù)的Cv值在0.31～0.65之間，9站平均系列的Cv值為0.44；秋季干旱指數(shù)的Cv值在0.44～0.83之間，9站平均系列的Cv值為0.53。說明各站歷年年干旱指數(shù)的年際變化較不穩(wěn)定，尤其是春季和秋季干旱指數(shù)的年際變化較大。同樣，進一步的分析顯示，各站歷年最大與最小年干旱指數(shù)的倍比值在2.6～5.1之間，變化也較大。

3.4 干旱指數(shù)的時空分布特點 由表4統(tǒng)計結(jié)果可知，近50年來，區(qū)域各行政分區(qū)以及流域分區(qū)各分級年干旱指數(shù)發(fā)生的頻次及頻率不盡相同。地處半濕潤地帶特克斯、鞏乃斯和喀什河谷區(qū)的昭蘇、新源、特克斯和尼勒克4縣，發(fā)生氣候型半干旱及干旱的頻率平均僅為8.5%，而發(fā)生氣候型半濕潤及濕潤的頻率平均為91.5%，說明該地區(qū)干旱化程度較低，濕潤化程度較高；但地處半干旱地帶伊犁河谷區(qū)的察布查爾、霍城、伊寧市、鞏留和伊寧5縣市發(fā)生氣候型半干旱及干旱的頻率平均為68.8%，即大約每3年發(fā)生一次氣候型半干旱情況，而發(fā)生氣候型半濕潤及濕潤的頻率平均為31.2%，說明該地區(qū)干旱化程度較高，濕潤化程度較低。其中，察布查爾縣發(fā)生氣候型干旱的頻率為10%，發(fā)生氣候型半干旱的頻率為82%，即每10年發(fā)生一次氣候型干旱，并且每年都有可能發(fā)生氣候型半干旱情況，但其發(fā)生氣候型半濕潤及濕潤的頻率僅為8%，與其降水量較少、氣候干燥、年干旱指數(shù)較高等實際情況相符。

同樣對區(qū)域各行政分區(qū)以及流域分區(qū)各分級季干旱指數(shù)發(fā)生頻次及頻率統(tǒng)計結(jié)果顯示（表5—表7）：特克斯、鞏乃斯和喀什河谷區(qū)的昭蘇、新源、特克斯和尼勒克4縣，春、夏、秋3季發(fā)生氣候型半干旱及干旱的頻率分別為15%、26%、18%，而發(fā)生氣候型半濕潤及濕潤的頻率分別為85%、74%、82%，說明該地區(qū)春、夏、秋3季濕潤化程度均較高，并且其時空分布基本一致；但伊犁河谷區(qū)的察布查爾、霍城、伊寧市、鞏留和伊寧5縣市，春、夏、秋3季發(fā)生氣候型半干旱及干旱的頻率分別為56.8%、93.6%、47.6%，而發(fā)生氣候型半濕潤及濕潤的頻率分別為43.2%、6.4%、52.4%，說明該地區(qū)夏季干旱化程度很高，春、秋兩季干濕化程度基本相近，而夏季與春、秋兩季相比較，干濕化程度的空間分布的一致性較低。

表4 天山西部地區(qū)近50年各分級年干旱指數(shù)發(fā)生頻次及頻率統(tǒng)計

表5 天山西部地區(qū)近50年各分級春季干旱指數(shù)發(fā)生頻次及頻率統(tǒng)計

表6 天山西部地區(qū)近50年各分級夏季干旱指數(shù)發(fā)生頻次及頻率統(tǒng)計

表7 天山西部地區(qū)近50年各分級秋季干旱指數(shù)發(fā)生頻次及頻率統(tǒng)計

4 干旱指數(shù)的變化趨勢及原因分析

4.1 干旱指數(shù)的變化趨勢 表8是天山西部地區(qū)9站1957—2006年年干旱指數(shù)的變化比較。由表可知，20世紀80年代以來，本區(qū)域平均干旱指數(shù)總體呈下降趨勢，20世紀90年代和21世紀初中葉的干旱指數(shù)較1957—2006年50年年均值分別下降約5%和16%，較1957—1986年前30年的年均值下降約12%和22%。

圖3為區(qū)域代表站1957—2006年平均年干旱指數(shù)的年際變化過程。由圖可見，20世紀60年代至80年代中期，代表站的平均年干旱指數(shù)總體呈下降趨勢。而平均年干旱指數(shù)與時間序列（年）擬合的趨勢線（圖中直線）表明，近50年以來，代表站的年干旱指數(shù)呈下降趨勢，其氣候傾向率為-0.167/10a。按季節(jié)擬合的結(jié)果（圖略）進一步顯示，春季平均干旱指數(shù)的氣候傾向率為-0.118/10a，夏季平均干旱指數(shù)的氣候傾向率為-0.355/10a，秋季平均干旱指數(shù)的氣候傾向率為-0.119/10a，表明在季節(jié)變化中以夏季干旱指數(shù)的下降趨勢尤為明顯。但年以及春、夏、秋3季干旱指數(shù)的趨勢線均不能通過α≤0.05水平的相關(guān)性顯著檢驗，說明干旱指數(shù)雖然呈下降趨勢，但變化并不顯著。

表8 天山西部地區(qū)不同時期年干旱指數(shù)變化比較

4.2 干旱指數(shù)變化的原因 干旱指數(shù)是對降水、蒸發(fā)、氣溫等氣象要素的綜合反映［19］?？傮w而言，降水、蒸發(fā)、氣溫等氣象要素是影響干旱指數(shù)的重要因素［23］，圖4為區(qū)域代表站1957—2006年平均年水面蒸發(fā)量與年降水量系列的相關(guān)關(guān)系。不難發(fā)現(xiàn)，年水面蒸發(fā)量與年降水量呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.792，并可通過信度0.01顯著性水平的檢驗。進一步的分析表明：代表站1987—2006年年水面蒸發(fā)量呈減少趨勢（圖5），其氣候傾向率為-17.1mm/10a，并可通過信度0.01顯著性水平的檢驗；而代表站同期年降水量呈增加趨勢（圖略），其氣候傾向率為10.4mm/10a，但不能通過α≤0.05水平的相關(guān)性顯著檢驗。年水面蒸發(fā)量減少的速率大于年降水量增加的速率，可以初步認為，水面蒸發(fā)量的顯著減少是天山西部地區(qū)干旱指數(shù)降低的主要影響因素之一。

5 結(jié)論和討論

由以上分析結(jié)果，可以得出如下初步結(jié)論：

（1）按行政分區(qū)統(tǒng)計，昭蘇、新源、尼勒克、特克斯和伊寧5縣多年平均干旱指數(shù)分別為1.65、2.04、2.21、2.36和2.98，屬于半濕潤區(qū)；鞏留、伊寧市、霍城和察布查爾4縣市多年平均干旱指數(shù)分別為3.33、3.90、4.16和4.74，屬于半干旱區(qū)。按流域劃分的4個分區(qū)統(tǒng)計，特克斯河谷區(qū)、鞏乃斯河谷區(qū)和喀什河谷區(qū)屬于半濕潤區(qū)，伊犁河谷區(qū)屬于半干旱區(qū)。全地區(qū)按流域分區(qū)算術(shù)平均法和面積加權(quán)法計算的多年平均干旱指數(shù)分別為2.52和2.64，全地區(qū)氣候?qū)儆诎霛駶檯^(qū)，而全地區(qū)總的氣候類型應為半濕潤—半干旱區(qū)。昭蘇、新源、尼勒克和特克斯4個縣不是荒漠環(huán)境，不應列入綠洲區(qū)。

（2）天山西部地區(qū)年干旱指數(shù)具有明顯的地區(qū)分布特性，年干旱指數(shù)隨海拔高程的增高而降低，海拔高程每增高100m，年干旱指數(shù)則下降約0.22。一般而言，平原、氣候溫和以及海拔高程低的地區(qū)干旱指數(shù)高，山區(qū)、氣候寒冷以及海拔高程高的地區(qū)干旱指數(shù)低。干旱指數(shù)的地區(qū)分布與水面蒸發(fā)量的分布基本一致，存在明顯的垂直地帶分布規(guī)律。干旱指數(shù)隨著海拔高程的增高、氣溫的降低、降水量的增大、水面蒸發(fā)量的減少而降低。

（3）天山西部地區(qū)平均系列年干旱指數(shù)的Cv值為0.28，春季為0.55，夏季為0.44，秋季為0.53，歷年干旱指數(shù)的年際變化較不穩(wěn)定，尤其是春、秋兩季的年際變化較大。

（4）近50年來，研究區(qū)各行政分區(qū)和流域分區(qū)各分級年干旱指數(shù)發(fā)生的頻次及頻率不盡相同。地處半濕潤區(qū)的昭蘇、新源、特克斯和尼勒克4縣，年度和春、夏、秋3季發(fā)生氣候型半濕潤及濕潤的頻率分別為91.5%和85.0%、74.0%、82.0%，濕潤化程度較高；而地處半干旱區(qū)的察布查爾、霍城、伊寧市、鞏留和伊寧5縣市，年度和春、夏、秋3季發(fā)生氣候型半干旱及干旱的頻率分別為68.8%和56.8%、93.6%、47.6%，年度和夏季的干旱化程度很高，而春、秋兩季干濕化程度基本相近。

（5）近50年以來，研究區(qū)平均年干旱指數(shù)總體呈下降趨勢，20世紀90年代和21世紀初中葉的干旱指數(shù)較1957—2006年50年年均值分別下降約5%和16%，較1957—1986年前30年年均值下降約12%和22%，年干旱指數(shù)的氣候傾向率為-0.167/10a，春季為-0.118/10a，夏季為-0.355/10a，秋季為-0.119/10a，表明在季節(jié)變化中以夏季干旱指數(shù)的下降趨勢尤為明顯。雖然年以及春、夏、秋3季干旱指數(shù)存在下降趨勢，但其變化趨勢并不顯著。

（6）區(qū)域平均年水面蒸發(fā)量與年降水量呈負相關(guān)關(guān)系，年水面蒸發(fā)量呈減少的趨勢，氣候傾向率為-17.1mm/10a，而年降水量呈增加的趨勢，氣候傾向率為10.4mm/10a，年水面蒸發(fā)量減少的速率大于年降水量增加的速率，可以初步認為，水面蒸發(fā)量的顯著減少是天山西部地區(qū)干旱指數(shù)減少的主要影響因素之一。

（7）在干旱指數(shù)計算過程中，由于缺乏實測資料，水面蒸發(fā)量間接采用E-601型蒸發(fā)器觀測的水面蒸發(fā)量代替。根據(jù)有關(guān)方面的分析研究［25］，在新疆用E-601型蒸發(fā)器觀測的水面蒸發(fā)量比天然水體水面蒸發(fā)量偏大10%左右，即實際計算天然水體水面蒸發(fā)量時，還要將E-601型蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量乘以0.9的系數(shù)，換言之，干旱指數(shù)也應乘以0.9的系數(shù)。因此，由本文計算方法得出的干旱指數(shù)，至少也偏大了10%左右。而有的文章直接以20cm口徑蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量與降水量來計算干旱指數(shù)，導致干旱指數(shù)過大，顯然是不正確的。

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