基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的北疆地區(qū)近52年旱澇變化特征

羅那那, 巴特爾·巴克, 吳燕鋒

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830052)

基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的北疆地區(qū)近52年旱澇變化特征

羅那那, 巴特爾·巴克, 吳燕鋒

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830052)

21世紀(jì)以來極端氣候事件頻發(fā)，其中旱澇災(zāi)害對人類影響最為明顯。該研究以北疆為例，選用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI(Standard Precipitation Index)為干旱指標(biāo)，基于北疆地區(qū)23個氣象站的1961—2012年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，運用趨勢分析法、EOF法、REOF法和ArcGIS中的Kring插值工具，對其旱澇時空變化特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：過去52 a北疆地區(qū)氣候呈濕潤化趨勢，年代和年際尺度上，干旱逐漸減少，雨澇則逐漸增多。年際尺度上，北疆地區(qū)不同時間尺度的SPI都呈增加趨勢，表明其濕潤化的趨勢加強。年代尺度上，1960s和1970s干旱頻次大于雨澇頻次，而在1980s—2000s雨澇頻次大于干旱頻次。且北疆地區(qū)的旱澇在區(qū)域空間分布上呈現(xiàn)四種差異型，并以此劃分為四個旱澇區(qū)域：北部地區(qū)(降水適宜區(qū))、東部地區(qū)(極度干旱區(qū))、西部地區(qū)(干旱區(qū))和中部地區(qū)(雨澇區(qū))。季節(jié)尺度上，中部的石河子、托里、克拉瑪依和北部的福海地區(qū)都是相對濕潤區(qū)域，東部的青河、北塔山和奇臺地區(qū)則是相對干旱的區(qū)域。

SPI; 北疆地區(qū); 旱澇; 變化特征

全球變暖對水資源、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等的影響已成為研究熱點。IPCC第五次報告中指出，1901—2012年全球陸地和海洋平均增加了0.89℃，其中1951—2012年增加了0.72[1]。全球變暖會在一定的程度上引起水循環(huán)發(fā)生變化，使水資源的總量時空分布不均，并對氣候的干濕狀況和水資源的供需平衡產(chǎn)生影響。干旱和洪澇是中國最主要的氣象災(zāi)害之一，尤其是干旱出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍大，對國民經(jīng)濟(jì)特別對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，近年來有關(guān)旱澇變化的研究受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2]。

國內(nèi)外基于旱澇指數(shù)提出了多種計算方法，主要有帕默爾干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)[3]、地表水分供應(yīng)指數(shù)(Surface Water Supply Index，SWSI)[4]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)[5]、相對濕潤指數(shù)(Relative Moisture Index，MI)[6]、綜合干旱指數(shù)(Meteorological Drought Comprehensive Index，CI)[7]等干旱指數(shù)，并對區(qū)域或者全球尺度的旱澇進(jìn)行了探究。其中標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)由于在計算過程中消除了降水的時空分布差異，在各個區(qū)域和各個時段都能有效地反映旱澇狀況，并具有良好的穩(wěn)定計算特性，其對干旱的反應(yīng)靈敏，能夠滿足不同水資源狀況分析的要求[8]，國內(nèi)外學(xué)者用該方法針對不同地區(qū)開展了一些研究[9-12]，能較好的反映區(qū)域的旱澇狀況。因此，本文選用SPI 來探究北疆地區(qū)的旱澇程度。

北疆地區(qū)是典型的干旱半干旱區(qū)，干旱一直是困擾該區(qū)的主要災(zāi)害之一，也是限制當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要因素之一。前人研究表明，伴隨著北疆地區(qū)降水的不斷增加，其濕潤化趨勢較為明顯[13-14]，但極端降水事件也呈增加趨勢。因此，亟需對暖濕化趨勢下北疆的旱澇演變特征進(jìn)行相關(guān)探究。本文運用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，以月SPI為基礎(chǔ)通過計算不同尺度下的)SPI，運用EOF和REOF法探究過去52 a北疆地區(qū)不同尺度下旱澇的時空變化特征，以期為進(jìn)行新疆干旱、半干旱區(qū)旱澇狀況的研究以及為全球變化背景下旱情程度和分布并采取相應(yīng)措施提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)北部，地處天山和阿爾泰山之間，包括準(zhǔn)格爾盆地到阿爾泰山地區(qū)。地勢西、北和南部高，中部和東部低，中部是古爾班通古特沙漠。行政區(qū)劃包括烏魯木齊、吐魯番、阿勒泰、塔城、昌吉、伊犁、博爾塔拉等地區(qū)。北疆為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，區(qū)域年均氣溫-4～9℃，西部、南部和北部為4～9℃，東部10～14℃；≥10℃有效積溫西部和北部為2 500～2 900℃，南部為3 000～3 600℃，東部4 500～5 400℃；全年降水量150～200 mm；全年無霜期140～185 d，無霜期西部和北部為140～155 d，南部155～190 d，東部200～240 d；年太陽總輻射量，西部、南部和北部為5 200～5 600 MJ/m2，東部為6 000～6 400 MJ/m2。四季分明，是北疆的一大特點。由于北疆地區(qū)氣候資源相對較好，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等發(fā)展迅速。

1.2 數(shù)據(jù)來源

降水?dāng)?shù)據(jù)源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，包括北疆23個氣象站點的1961—2012年的逐月的降水資料。并對這23個站點的數(shù)據(jù)都進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制。從統(tǒng)計意義上看，這樣長的時間序列可獲得較為可信的趨勢結(jié)果。本文選取布爾津、和布吉賽爾、青河、托里、溫泉、博樂、阿拉山口、克拉瑪依、塔城、烏蘇、莫索彎、炮臺、石河子、奇臺、北塔山、伊寧、伊犁、烏魯木齊、阿勒泰、富蘊、精河、吉木乃、福海23個氣象站。

1.3 研究方法

McKee 等提出了一個相對簡單的干旱指數(shù)，其主要是基于自然降水為分布，運用較長時間的降水量(一般應(yīng)超過30 a)資料，經(jīng)過正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)化變換求得SPI 值，該指標(biāo)可以分析多時間尺度(1，3，6，…，48個月)的干旱特征，可對當(dāng)?shù)貧夂驙顩r的旱澇進(jìn)行監(jiān)測與評估[15]。根據(jù)文獻(xiàn)資料中的公式求得SPI 值，再根據(jù)SPI值確定干旱等級標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。本文主要分析了1個月、3個月、6個月和12個月四個時間尺度旱澇特征。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)旱澇分級

2 結(jié)果與分析

2.1 北疆地區(qū)旱澇時空變化特征

2.1.1 不同時間尺度SPI年際變化特征 不同時間尺度的SPI可以用于檢測不同類型的干旱，多種時間尺度的SPI綜合應(yīng)用可實現(xiàn)對干旱的綜合監(jiān)測評估。圖1為不同時間尺度SPI事件序列變化特征，SPI=1和-1為旱澇的閾值，其中SPI≤-1.0即為發(fā)生了干旱，SPI≥1.0即為發(fā)生了雨澇。由圖1可以看出，SPI1的變化率最小，隨著尺度的增加，變化率逐漸變大，SPI12的變化率最大。其中，短期內(nèi)的SPI1和SPI2由于受短時間降水影響很大，可以反映出短期的旱澇變化特征。SPI3可以反映季節(jié)尺度的干旱特征，其變化曲線較為平滑，與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切；SPI6和SPI12可以清楚的反映長期旱澇變化特征，并對于下層土壤水分、河流徑流量、地下水位以及水庫蓄水量有較好的反映。

北疆地區(qū)不同時間尺度的SPI都呈增加趨勢，表明其呈濕潤化的趨勢。其中SPI1中干旱頻次為78個月，雨澇頻次為91個月；SPI3中干旱頻次為85個月，雨澇頻次為96個月；SPI6中干旱頻次為72個月，雨澇頻次為111個月；SPI12中干旱頻次為80個月，雨澇頻次為112個月?？梢钥闯觯诤禎潮O(jiān)測上，隨著時間尺度的增加，雨澇頻次有所增加，而干旱頻次則有所波動。四個時間尺度旱的澇澇變化都具有明顯的時段性，在1980s之前干旱偏多、雨澇偏少，在1980s以后干旱偏少而雨澇偏多。

圖1 北疆地區(qū)不同尺度SPI指數(shù)變化特征

2.1.2 不同時間尺度SPI年代變化特征 表2為不同尺度下北疆旱澇的年代變化特征，可以看出同年代內(nèi)，季節(jié)尺度和年尺度下的SPI指數(shù)能較為充分的反映北疆的旱澇狀況，而1個月尺度和半年尺度的SPI在旱澇監(jiān)測上則表現(xiàn)不充分。隨著年代的增加，年代干旱頻次都逐漸減少，在1960s達(dá)到年代最高值，在2000s達(dá)到年底代最低值；不同時間尺度下，年代雨澇頻次都逐漸增加，在1960s達(dá)到年代最低值，在2000s達(dá)到年底代最高值。1980s前，干旱頻次大于雨澇頻次，而在1980s及其以后，雨澇發(fā)生頻次大于干旱發(fā)生頻次。因此，旱澇的年代變化表明了北疆地區(qū)明顯的濕潤化趨勢。

表2 不同時間尺度旱澇年代變化特征

2.1.3 不同時間尺度下不同干旱等級年際變化特征 不同時間尺度下，不同干旱等級年際變化過程大致相當(dāng)，都能在總體上反映具體時段的旱澇狀況，但在旱澇持續(xù)時間上有多不同(圖2)。其中SPI12的不同干旱等級變幅最大，能反映區(qū)域旱澇的長期變化過程。在雨澇監(jiān)測上，極澇月數(shù)在1980年之前發(fā)生月數(shù)極少，SPI6反映為2個月，SPI1，SPI3和SPI12都反映僅有1個月；在1980年之后，發(fā)生月數(shù)則逐漸增多，SPI6和SPI12都反映最大頻次為5個月，表明雨澇發(fā)生頻次和持續(xù)時間都在。四個時間尺度都表明重澇和極澇月數(shù)在1971—1980年偏少，在1990—2000年偏多，并且仍然呈增加趨勢。正常等級月數(shù)則呈現(xiàn)較大的波動性，總體變化趨于平穩(wěn)。輕旱等級月數(shù)在1961—1983年相對較多，在2000年前后極少發(fā)生。中旱和特旱月數(shù)在1960—1990年相對偏多，在2000—2010年發(fā)生的頻次較低，甚至連續(xù)多年無干旱發(fā)生，尤其是特旱等級，在2001年后沒有發(fā)生過。

圖2北疆地區(qū)不同時間尺度下不同干旱等級年際變化特征

2.2 北疆地區(qū)旱澇空間變化特征

2.2.1 旱澇年尺度空間分布特征 北疆地區(qū)為典型的干旱半干旱區(qū)溫帶大陸性氣候，但是由于北疆地形地貌、土壤、水文等要素的空間差異性，其旱澇特征在空間分布上也會有所不同。為研究北疆地區(qū)旱澇的年尺度空間分布特征，對SPI12進(jìn)行了EOF分析，結(jié)果表明前四個特征向量占方差的91.783%，可以代表北疆旱澇的空間分布特征。圖3為前四個特征向量的空間分布。第一特征向量占總方差的68.6%，是北疆地區(qū)干旱分布的主要形態(tài)，呈一致的正值分布，較大值主要集中在北疆中部的托里、克拉瑪依和石河子地區(qū)，較小值主要在東部的青河、輪臺和北塔山一帶，這是由北疆地區(qū)大尺度天氣引起的降水在空間分布的差異性導(dǎo)致的，所以第一特征向量所代表的空間變化特征可以視為北疆地區(qū)年尺度旱澇分布第一型，即總體一致型[15]。

第二特征向量占總方差的10.2%，空間上呈現(xiàn)東北部—西南部相反，自東北向西南其值逐漸變小的趨勢，正值中心分布在哈巴河、吉木乃、布爾津和阿勒泰地區(qū)，負(fù)值中心分布在博樂和精河地區(qū)，反映了東北部和西南部反向的旱澇趨勢；第二特征向量所代表的空間變化特征可定義為北疆地區(qū)旱澇分布第二型，即東北部—西南部差異型。

第三特征向量占總方差的8.4%，其值在空間上呈現(xiàn)自西北向東南遞增，正值中西分布在西南的奇臺、北塔山和青河地區(qū)，低值中心分布在吉木乃、和布吉賽爾、哈巴河和布爾津地區(qū)，反映了北疆地區(qū)旱澇的第三種分布類型，即西北—東南差異型。第四特征向量占總方差的4.5%，中部石河子地區(qū)和烏魯木齊地區(qū)是低值區(qū)，西部、北部和東部都是高值區(qū)，反映了北疆地區(qū)旱澇的第四種分布類型，即中部—邊緣差異型。

為了進(jìn)一步分析北疆地區(qū)的旱澇空間特征，對前四個特征向量按最大方差進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)正交經(jīng)驗分解(REOF)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)后各特征向量的方差貢獻(xiàn)比旋轉(zhuǎn)前分布均勻，前三個特征向量分別占總方差的36.84%，34.66%和28.50%。按旋轉(zhuǎn)后的因子載荷將北疆地區(qū)劃分為四個旱澇區(qū)域：北部地區(qū)(阿勒泰、哈巴河、福海、布爾津、吉木乃、和布吉賽爾)、東部地區(qū)(青河、北塔山和奇臺)、西部地區(qū)(塔城、溫泉、托里、阿拉山口、伊寧、富蘊、精河、博樂)和中部地區(qū)(克拉瑪依、炮臺、莫索灣、烏蘇、石河子和烏魯木齊)。

圖3北疆地區(qū)干旱年尺度EOF前4個特征向量的空間分布

2.2.2 旱澇季節(jié)空間空間分布特征 對23個站點的四季的SPI 3值進(jìn)行EOF分析(圖4)，選取第一特征向量空間分布研究不同季節(jié)的干旱空間分布特征。春季、夏季、秋季和冬季的第一特征向量分別解釋了總方差的64.50%，64.01%，57.25%和63.57%，足以代表各季節(jié)的旱澇的空間分布特征，且其分量都為正值，表明北疆地區(qū)旱澇以及降水在空間具有很好的一致性。

春季的SPI 3第一特征向量有高值兩個中心，分別是石河子市、烏蘇、炮臺、莫索灣、克拉瑪依地區(qū)和托里地區(qū)、福海地區(qū)，低值中心分布在東部的奇臺、青河和北塔山地區(qū)，表明春旱主要發(fā)生在東部的青河、北塔山和奇臺地區(qū)，而中部的石河子地區(qū)、克拉瑪依和托里地區(qū)則春澇相對多發(fā)；夏季的干旱主要分布在東部的奇臺地區(qū)和西部的伊寧地區(qū)，雨澇分布在中部石河子地區(qū)、克拉瑪依市、托里、中北部的和布吉賽爾、福海、吉木乃、布爾津和哈巴河地區(qū)。秋季的干旱主要發(fā)生在東部的奇臺、北塔山、青河地區(qū)和西部的伊寧地區(qū)，雨澇主要發(fā)生在中部的石河子市、烏蘇、炮臺、莫索灣、克拉瑪依、托里、吉木乃、布爾津、福海、和布吉賽爾地區(qū)。冬季的干旱主要發(fā)生在東部的奇臺、北塔山和青河地區(qū)，雨澇則主要發(fā)生在托里、克拉瑪依、莫索灣、炮臺、石河子、布爾吉木乃和福海地區(qū)。綜合可以看出，北疆地區(qū)中部四季降水相對充足，而東部地區(qū)干旱較為嚴(yán)重。

3 討 論

1980s為干旱向濕潤的轉(zhuǎn)折期，這與姜逢清[16]、賀晉云[17]、施雅風(fēng)[18]的研究結(jié)果是一致的。SPI1，SPI3，SPI6和SPI12值的時間序列都表明，北疆地區(qū)干旱發(fā)生較為頻繁，且在1980s年之前更為頻繁且持續(xù)時間長，1980s年后也有發(fā)生但大多持續(xù)時間較短；而雨澇在1980s年之前相對較少，在1987年后頻發(fā)，這表明1980s年后北疆的濕潤化趨勢極為明顯的。北疆氣候的濕潤化有利于改善北疆地區(qū)的干旱半干旱的環(huán)境，但是，伴隨著進(jìn)一步的濕潤化，雨澇災(zāi)害頻發(fā)，甚至達(dá)到了極澇等級。其主要是由于北疆地區(qū)降水量在增加且降水的集中性在增強，從而引起極端降水事件越發(fā)頻繁。

圖4北疆地區(qū)干旱四季EOF第1特征向量的空間分布

空間上的分布來看，北疆地區(qū)旱澇整體變化趨勢是一致的，都在趨于濕潤化，是對全球變化的整體響應(yīng)，但是由于北疆地區(qū)自然地理狀況的空間異質(zhì)性，空間上也呈現(xiàn)東北—西南、西北—東南、中部—邊緣差異型[19]。四級旱澇在空間上都呈現(xiàn)出中部偏南的石河子地區(qū)、托里和克拉瑪依地區(qū)以及北部的富蘊地區(qū)是相對多雨澇區(qū)域，東部的奇臺、北塔山和青河地區(qū)是相對干旱區(qū)域。研究表明，北疆地區(qū)北部和南部是極端降水增加趨勢較為明顯的地區(qū)，極端降水的增加在一定程度上會導(dǎo)致雨澇多發(fā)。

SPI在反映了北疆地區(qū)旱澇的時空變化特征，但是SPI仍存在一些不足，如降水僅僅是影響旱澇的其中一個因素，氣溫、蒸發(fā)、日照時數(shù)、風(fēng)速等也與旱澇密切相關(guān)。SPI以月降水量作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，不能反映區(qū)域的干旱事件的持續(xù)日數(shù)尤其是干旱產(chǎn)生和解除的機理。因此，結(jié)合多種氣象要素和區(qū)域自然環(huán)境的空間異質(zhì)性，從整體上綜合探究北疆地區(qū)的旱澇時空分布特征及其內(nèi)在機理需要進(jìn)一步的研究工作。

4 結(jié) 論

過去52 a北疆地區(qū)不同尺度下的SPI值都呈增加趨勢，表明了北疆地區(qū)明顯的濕潤化趨勢。不同時間尺度的SPI的年際和年代變化都表明，過去52 a旱澇時間變化以1980s為分界線，1961—1980年干旱頻發(fā)且持續(xù)時間長而雨澇發(fā)生較少且持續(xù)時間短，1991—2012年干旱發(fā)生較少且持續(xù)時間短而雨澇頻發(fā)且持續(xù)時間長。

空間上分布上，年尺度的旱澇在空間上整體上不斷濕潤化，在區(qū)域上呈現(xiàn)整體一致型、東北—西南、西北—東南、中部—邊緣差異型分布，并以此劃分為四個旱澇區(qū)域：北部地區(qū)(降水適宜區(qū))、東部地區(qū)(極度干旱區(qū))、西部地區(qū)(干旱區(qū))和中部地區(qū)(雨澇區(qū))。季節(jié)尺度上，中部的石河子、托里、克拉瑪依地區(qū)和北部的福海地區(qū)是相對濕潤區(qū)域，東部的青河、北塔山和奇臺地區(qū)是相對干旱的區(qū)域。

暖濕化趨勢下北疆地區(qū)旱澇的變化是多種因素共同作用的結(jié)果，也會對區(qū)域的水熱資源的分配尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展產(chǎn)生影響。因此，對其成因及其可能的影響有待進(jìn)一步研究。

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AnalysisonSpatiotemporalCharacteristicsofDrought-FloodBasedonStandardPrecipitationIndexinNorthernXinjianginRecent53Years

LUO Nana, Batur·Bake, WU Yanfeng

(CollegeofGrasslandandEnvironmentalScience,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

Since the beginning of the 21st century，frequent extreme weather events have occurred under a background of global climate change. This pattern reflects that the characteristics of climate change and drought and floods are one of the most serious disaster impacts on human beings. Exploring the relationship between climate change and drought/flood disasters using climate change performance characteristics has become a prime research issue. Drought/flood events have frequently taken place in northern Xinjiang， however，few studies have concerned drought and flood assessment in this area. The characteristics of drought and flood in northern Xinjiang was analyzed based on monthly precipitation data of 23 meteorological stations from 1961 to 2012 by means of different scales of standard precipitation index, combining with trend analysis, GIS spatial analysis techniques, EOF and REOF method. The results showed that there was a significantly humid trend in northern Xinjiang over the past 52 years. The frequency of drought decreased continuously during that period and specially presented the more frequency of flood from 1961 to 1980, whereas the frequency of flood continuously increased during that period and specially presented the more frequency of flood from 1981 to 2012. There were three types of spatial distribution of drought and flood in this area, which were divided into three regions: northern area (precipitation comfort zone), eastern area (extreme arid area), western area (arid area) and mid-area (waterlogging area). Similarly, Shehezi, Tuoli and Kelamayi regions are located at the center of Xinjiang and tend to be waterlogging all the year, Qinghe, Beitashan and Qitai regions are located in the eastern areas which were easy to be dry.

standard precipitation index(SPI); northern Xinjiang; drought-flood; variation

2016-04-25

：2016-05-05

國家國際科技合作計劃項目(2010DFA92720-13);2014年度新疆研究生科研創(chuàng)新項目(XJGRI2014079);新疆維吾爾自治區(qū)土壤學(xué)重點學(xué)科

羅那那(1989—),女,甘肅天水人,碩士研究生,研究方向為干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境。E-mail:luonan27@163.com,15276654231

巴特爾·巴克(1973—),男(維吾爾族),新疆維吾爾自治區(qū)莎車縣人,博士,教授,主要從事干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail: bateerbake@163.com

P467

：A

：1005-3409(2017)02-0293-07