1962-2017年典型半干旱草原區(qū)不同時(shí)間尺度干旱特征分析

李 瑋，陳曉俊，王文君，吳英杰，全 強(qiáng)，周泉成

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

全球氣候變化導(dǎo)致了自然生態(tài)系統(tǒng)中水熱環(huán)節(jié)的失衡，由此造成水分缺失進(jìn)而引發(fā)的干旱現(xiàn)象也愈發(fā)頻繁[1]。近幾十年來(lái)，隨著干旱強(qiáng)度、頻率、范圍及持續(xù)時(shí)間的不斷擴(kuò)大，該現(xiàn)象也逐漸成為全球最為嚴(yán)重、對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生重大影響的水文氣象災(zāi)害之一[2]。據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)報(bào)道，全球氣象災(zāi)害約占自然災(zāi)害的70%，而干旱災(zāi)害又占?xì)庀鬄?zāi)害的50%。中國(guó)大部分地區(qū)受東亞季風(fēng)的影響，是受干旱災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家。據(jù)民政部統(tǒng)計(jì)，僅2017年全國(guó)受干旱災(zāi)害影響的農(nóng)作物耕地面積就超過(guò)了980×104hm2，其中75.24×104hm2絕收，直接造成經(jīng)濟(jì)損失375×108元。

隨著世界各地干旱形勢(shì)日趨嚴(yán)重，我國(guó)干旱的時(shí)空分布格局近年來(lái)也發(fā)生了顯著的變化[3]。為了揭示干旱的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，業(yè)內(nèi)學(xué)者就干旱特征做了大量的分析，而干旱指數(shù)的提出與應(yīng)用使相關(guān)研究有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。表征干旱的指數(shù)通常根據(jù)其影響因素類(lèi)別分為單因子指數(shù)和多因子指數(shù)，其中，主要通過(guò)降水這一關(guān)鍵要素來(lái)描述干旱變化的指數(shù)通常稱為單因子指數(shù)，該類(lèi)指數(shù)可以較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)干旱時(shí)空特征，常用的單因子指數(shù)包括降水距平百分率(Pa)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)；多因子指標(biāo)主要從干旱形成機(jī)理的角度來(lái)描述干旱的發(fā)生過(guò)程，具有較好的物理機(jī)制，但該類(lèi)指標(biāo)計(jì)算復(fù)雜且資料輸入具有不確定性，會(huì)在一定程度上降低指數(shù)的敏感性，常見(jiàn)指標(biāo)有帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等[4-6]。國(guó)內(nèi)外研究人員結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際旱情對(duì)各類(lèi)指數(shù)的適用性進(jìn)行了檢驗(yàn)分析[7]，其中，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為SPI的應(yīng)用消除了降水的時(shí)空差異，使干旱具有時(shí)空可比性[8]，同時(shí)指出該指標(biāo)具有參數(shù)容易獲取、計(jì)算特性穩(wěn)定以及對(duì)干旱響應(yīng)敏感等優(yōu)勢(shì)[9]。

位于干旱半干旱區(qū)的內(nèi)蒙古草原是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)最為脆弱的地區(qū)之一，其對(duì)氣候變化的響應(yīng)也最為敏感[10]。氣候變化使得該區(qū)域多旱少雨的形勢(shì)更為嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)、牧民的生產(chǎn)和生活，制約了地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。之前也有學(xué)者就該地區(qū)的干旱特征進(jìn)行過(guò)研究，但大多利用當(dāng)?shù)貧庀笳军c(diǎn)的降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[11]，研究精度會(huì)受到氣象站點(diǎn)不足且分布不均的影響，因此，本研究嘗試以格點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用SPI分析內(nèi)蒙古中部草原區(qū)——錫林郭勒盟在年、季尺度下干旱的時(shí)空分布特征，以期為牧區(qū)抗旱減災(zāi)和生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

選取錫林郭勒盟為研究區(qū)，該區(qū)域位于內(nèi)蒙古中部，地處東經(jīng)115°13′～117°06′、北緯43°02′～44°52′之間，總面積約20×104km2，其中草原面積占95%，是我國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分。研究區(qū)屬于干旱半干旱大陸性氣候，且地勢(shì)高低起伏，降水空間分布差異較大。此外，研究區(qū)還經(jīng)常發(fā)生暴雨、干旱、霜凍、風(fēng)雪等自然災(zāi)害，其中尤以干旱為甚。2000年以后該地區(qū)發(fā)生連續(xù)的四季干旱，使當(dāng)?shù)卦馐芰藝?yán)重的損失。2000-2001年錫林郭勒盟旱情加劇，降水量和土壤水分達(dá)到歷史最低，致使牧草無(wú)法生長(zhǎng)、牲畜大量死亡；2006年研究區(qū)遭受了大面積干旱，約有2×108hm2草場(chǎng)受災(zāi)，此次旱災(zāi)導(dǎo)致大量牲畜死亡，牧民經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重；2018年6月中旬，盟內(nèi)9個(gè)牧業(yè)旗的0.129×108hm2草場(chǎng)遭受旱災(zāi)，受災(zāi)牧民群眾達(dá)到12.6×104人，受災(zāi)牲畜651×104頭(只)。在此背景下，研究區(qū)草原退化嚴(yán)重，很多河流出現(xiàn)斷流等情況。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

由于研究區(qū)錫林郭勒盟具有長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的氣象站點(diǎn)較少，不能全面覆蓋整個(gè)研究區(qū)，因此，本研究選用1962-2017年中國(guó)地面降水0.5°×0.5°降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱特征分布研究。該數(shù)據(jù)考慮了高程對(duì)降水空間分布的影響，由全國(guó)2 400多個(gè)國(guó)家氣象站實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)插值而成，具有較高的精度[12]。同時(shí)，本研究選取SPI來(lái)描述研究區(qū)干旱的時(shí)空分布特征。研究區(qū)氣象站點(diǎn)和降水格點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)和降水格點(diǎn)分布

2.3 研究方法

SPI是表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)，該指標(biāo)可以較好地反映不同時(shí)空尺度上的干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。在SPI計(jì)算過(guò)程中，認(rèn)為序列內(nèi)降水量變化服從gamma(Γ)分布，通過(guò)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理其降水Γ分布概率后，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來(lái)劃分干旱等級(jí)[13]。計(jì)算公式[14]如下：

(1)

(2)

式中：α和β分別為形狀參數(shù)和尺度參數(shù)；Г(α)為gamma函數(shù)。

運(yùn)用最大似然法估計(jì)α和β值：

(3)

(4)

(5)

式中：n為數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度。

進(jìn)一步可以得出：

(6)

當(dāng)t=x/β時(shí)：

(7)

實(shí)際降水量可以為0，則累積概率可用方程式(8)表示。

H(x)=q+(1-q)G(x)

(8)

式中：q為降水量為0時(shí)的概率，即q=m/n，m為該序列中降水量為0的年份。

進(jìn)一步由方程式(9)～(12)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

當(dāng)0≤H(x)≤0.5時(shí)：

(9)

(10)

當(dāng)0.5

(11)

(12)

式中：c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。

根據(jù)SPI指數(shù)的正態(tài)分布曲線及干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，干旱等級(jí)劃分如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)干旱等級(jí)

基于此，通過(guò)計(jì)算干旱頻率和干旱面積率來(lái)描述研究區(qū)的干旱特征。其中，干旱頻率為1962-2017年某格點(diǎn)達(dá)到某級(jí)別干旱的年數(shù)占總年數(shù)的比例；干旱面積率為1962-2017年達(dá)到某級(jí)別干旱的格點(diǎn)數(shù)與總格點(diǎn)數(shù)的比值，并將其影響范圍做如下劃分：0～10%為無(wú)明顯干旱；10%～25%為局域性干旱；25%～33%為部分區(qū)域性干旱；33%～50%為區(qū)域性干旱；50%～100%為全域性干旱[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年尺度干旱特征分析

通過(guò)計(jì)算1962-2017年研究區(qū)88個(gè)降水格點(diǎn)的SPI值，并進(jìn)一步識(shí)別其對(duì)應(yīng)程度的干旱事件，最終得出的不同時(shí)段各類(lèi)干旱事件的頻次及其變化趨勢(shì)如圖2所示。

由圖2可知，各時(shí)段內(nèi)研究區(qū)發(fā)生輕旱的頻次最高，之后依次為中旱、重旱和特旱。1962-2017年研究區(qū)輕旱頻次有下降趨勢(shì)，其中20世紀(jì)80年代輕旱頻次最低，1991-2010年其頻次有所上升，而2010年之后，輕旱頻次又有大幅減少的趨勢(shì)。整個(gè)研究序列內(nèi)中旱頻次呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在2001-2010年之間達(dá)到最高的133頻次，其次是2010年之后的69頻次。與此同時(shí)，重旱頻次也呈上升趨勢(shì)，且同樣在2001-2010年之間達(dá)到最高頻次。就特旱而言，其頻次也呈上升趨勢(shì)，但在1981-1990年間未檢測(cè)到特旱事件的發(fā)生，在此之后，特旱頻次大幅上升，并在2001-2010年間達(dá)到最高?？傮w而言，研究區(qū)輕旱頻次有所減少，但其余3類(lèi)干旱事件的頻次均有增加趨勢(shì)，且各類(lèi)干旱事件頻次均在2001-2010年間達(dá)到最高，由此可以判定，近年來(lái)研究區(qū)的干旱程度有所加劇。

圖2 1962-2017年研究區(qū)年尺度不同干旱事件頻次及變化趨勢(shì)

將各格點(diǎn)1962-2017年的SPI值進(jìn)行整體分析，刻畫(huà)出研究區(qū)不同干旱程度的空間分布如圖3所示。由圖3可知，研究區(qū)各地均發(fā)生過(guò)輕旱事件，其干旱率在3.58%～26.76%之間(圖3(a))，中部區(qū)域干旱率較低，而中南部以及南部區(qū)域輕旱發(fā)生率相對(duì)較高；同樣地，中旱事件也覆蓋了整個(gè)研究區(qū)，其干旱率為1.79%～16.06%(圖3(b))，中旱發(fā)生的高頻區(qū)與低頻區(qū)空間分布并不集中，中南部地區(qū)為中旱相對(duì)高發(fā)區(qū)；與中旱頻發(fā)區(qū)相似，中南部地區(qū)也是重旱高發(fā)區(qū)，其干旱率最高為12.50%，同時(shí)，中部以及東部地區(qū)也有重旱事件發(fā)生，但并不是整個(gè)區(qū)域都發(fā)生過(guò)重旱事件(圖3(c))；研究區(qū)特旱頻率最高為7.14%，主要集中在西部、中南部和東北部地區(qū)(圖3(d))，而北部地區(qū)則無(wú)特旱事件。從干旱整體空間分布來(lái)看，研究區(qū)發(fā)生輕旱、中旱、重旱以及特旱的頻率逐級(jí)下降，即各地區(qū)更易發(fā)生輕旱，發(fā)生特旱的區(qū)域相對(duì)較少。此外，研究區(qū)中北部發(fā)生各類(lèi)干旱事件的頻率較低，而中南部地區(qū)為各類(lèi)干旱事件的頻發(fā)區(qū)。

圖3 1962-2017年研究區(qū)年尺度不同干旱程度空間分布

3.2 季尺度干旱特征分析

基于SPI的季尺度不同干旱事件隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可知，春季特旱頻次呈上升趨勢(shì)，其余3類(lèi)干旱的頻次均趨于下降。在1970年之前和1981-1990年間沒(méi)有特旱事件發(fā)生，而到了2010年之后，春季特旱達(dá)到了89頻次，超過(guò)了同期輕旱的頻次，除此之外，其余各時(shí)段輕旱頻次都為最高(圖4(a))；夏季各類(lèi)干旱事件的頻次均呈上升趨勢(shì)，研究區(qū)2001-2010年間中旱頻次為最高的162頻次，然后依次為輕旱、特旱以及重旱，且該時(shí)段各類(lèi)干旱事件的頻次均高于其余時(shí)段相應(yīng)類(lèi)型干旱的頻次，由此可知，研究區(qū)在2001-2010年夏季受到干旱影響最為嚴(yán)重(圖4(b))；秋季除中旱趨勢(shì)呈下降外，其余3類(lèi)干旱均呈微弱的上升趨勢(shì)，且各時(shí)段各類(lèi)干旱事件的頻次大小依次為輕旱、中旱、重旱和特旱(圖4(c))；研究區(qū)冬季特旱頻次呈微弱的上升趨勢(shì)，其余類(lèi)型干旱頻次表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。其中，在20世紀(jì)70年代中旱頻次為最高的159頻次，而在2001-2010年間，重旱為76頻次，超過(guò)了同期中旱的頻次(圖4(d))。通過(guò)比較各類(lèi)干旱事件在不同季節(jié)的頻次可知，研究區(qū)輕旱多發(fā)生于秋季，該季節(jié)輕旱事件平均為136頻次；中旱和重旱事件則多發(fā)生于冬季，平均分別為84頻次和43頻次；而特旱事件常在夏季發(fā)生，平均為27頻次。

圖4 1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱事件頻次及變化趨勢(shì)

1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱程度空間分布見(jiàn)圖5，根據(jù)圖5就不同季節(jié)的干旱空間分布進(jìn)行分析。

春季輕旱多發(fā)生于研究區(qū)中部和西部，其中西部地區(qū)干旱率最高，為28.57%，而東北部地區(qū)春季發(fā)生輕旱的概率相對(duì)較低(圖5(a))。春季發(fā)生中旱事件的概率在3.57%～17.86%之間，且多發(fā)生于中部及西南部地區(qū)(圖5(b))。春季重旱則多發(fā)生于研究區(qū)南部，而西部等局部地區(qū)并沒(méi)有重旱事件的發(fā)生(圖5(c))。春季特旱事件覆蓋了整個(gè)研究區(qū)，但其干旱率較低，尤其在中西部區(qū)域，干旱率僅為1.79%，而東北部特旱發(fā)生率相對(duì)較高，為7.14%(圖5(d))。研究區(qū)各地在夏季均有輕旱和中旱事件發(fā)生，只是其空間分布有所差異，其中輕旱主要分布于北部及東北部，其發(fā)生率最高為23.20%，而中旱則主要集中在研究區(qū)中部，頻率最高為16.06%，低頻區(qū)的干旱率為1.80%(圖5(e)、5(f))。與上述情形不同，重旱和特旱均只發(fā)生于局部區(qū)域，其中重旱常發(fā)生于研究區(qū)西部及南部地區(qū)，而特旱則主要分布在中部及東北部，其最大干旱率分別為10.71%與7.14%(圖5(g)、5(h))。研究區(qū)秋季輕旱頻率在3.61%～28.55%之間，其頻發(fā)區(qū)位于研究區(qū)中部及南部(圖5(i))，與輕旱的空間分布相似，中旱的高頻區(qū)也在研究區(qū)中部及南部，但其干旱率有所下降，在3.57%～17.86%之間(圖5(j))。此外，秋季重旱與特旱均未覆蓋整個(gè)研究區(qū)(圖5(k)、5(l))，其中，特旱事件的空間分布相對(duì)集中，其高頻區(qū)位于研究區(qū)北部及西北部。研究區(qū)冬季也常發(fā)生干旱，且中旱與重旱的干旱率在四季內(nèi)均為最高，分別分布在研究區(qū)東北部和南部地區(qū)，而冬季特旱主要集中在研究區(qū)中部，其干旱率最高為5.36%(圖5(m)～5(p))。

圖5 1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱程度空間分布

1962-2017年研究區(qū)季尺度不同干旱程度事件站次比隨時(shí)間的變化如圖6所示。由圖6(a)可知，局域性輕旱在研究序列各季節(jié)均較為常見(jiàn)，且于1984年春季發(fā)生了全域性輕旱。夏季不僅有19 a發(fā)生過(guò)局域性輕旱，而且還出現(xiàn)了4 a部分區(qū)域性輕旱及3 a區(qū)域性輕旱，此外，在2017年夏季還出現(xiàn)了全域性輕旱。秋季和冬季局域性輕旱幾乎貫穿整個(gè)研究期，冬季在1982年發(fā)生全域性輕旱。

總體來(lái)看，各季在20世紀(jì)90年代均較為集中地出現(xiàn)了大范圍輕旱；就中旱而言(圖6(b))，夏冬兩季分別在2001和1974年發(fā)生過(guò)全域性中旱，同時(shí)，夏季還在1972和1997年發(fā)生過(guò)區(qū)域性中旱，而春、秋、冬三季分別有5、3和4 a出現(xiàn)區(qū)域性中旱，除此之外，研究區(qū)冬季還曾在70年代中期到80年代中期發(fā)生過(guò)4次部分區(qū)域性中旱。整個(gè)研究期內(nèi)，夏、冬兩季均有10 a發(fā)生了局域性中旱，且多數(shù)發(fā)生在2000年以后；由圖6(c)可以看出，研究區(qū)各季在1993年之后出現(xiàn)了大范圍重旱事件，但并未發(fā)生過(guò)全域性重旱，只有1986年春季和1989、2011年夏季發(fā)生了區(qū)域性重旱；由圖6(d)可知，夏季有7 a發(fā)生了特旱事件，其中在2010年發(fā)生了全域性特旱，1980年發(fā)生部分區(qū)域性特旱，2005、2007、2009、2014及2016年發(fā)生局域性特旱，僅冬季在2002年發(fā)生過(guò)區(qū)域性特旱，而春季在1974和1994年發(fā)生了局域性特旱，在2017年發(fā)生了全域性特旱。

4 討 論

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古高原，為大興安嶺和陰山山脈所包圍，暖濕氣流難以入境，從而形成蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水不足的氣候特征[17]。1962-2017年研究區(qū)的干旱類(lèi)型主要為輕旱和中旱，其程度有加劇的趨勢(shì)，這與大多數(shù)學(xué)者的研究成果一致[11]，但在局部地區(qū)存在偏差，這可能與所選氣象數(shù)據(jù)有關(guān)，傳統(tǒng)干旱研究是基于降水站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而本研究則是基于降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在一定程度上克服了傳統(tǒng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)以點(diǎn)概面的缺陷，提高了檢驗(yàn)精度。

有研究表明，近幾十年來(lái)高緯度環(huán)流異常導(dǎo)致氣壓升高以及東亞季風(fēng)減弱使得水汽向北輸送減少，這是我國(guó)北方干旱嚴(yán)重的主要原因之一[18]。尤其是近30年來(lái)，錫林郭勒盟夏季降水量減少趨勢(shì)顯著，導(dǎo)致研究區(qū)在該時(shí)間段干旱程度加劇[19]，這一現(xiàn)象與本研究結(jié)果一致。而由于東亞季風(fēng)發(fā)生了由弱到強(qiáng)的年代變化，才使得近年來(lái)研究區(qū)各季干旱略有緩解[20]。此外，人類(lèi)對(duì)流域下墊面改造引起的土地利用與覆被變化作為重要的輻射強(qiáng)迫也會(huì)對(duì)氣候變化產(chǎn)生重要影響，因此，研究區(qū)干旱的空間分布差異也與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施有一定關(guān)系，在以后的研究中應(yīng)進(jìn)一步考慮相關(guān)因素。文中所選標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)僅包含了降水這一因子，而導(dǎo)致干旱的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，所以，進(jìn)一步綜合考慮各項(xiàng)水文氣象要素來(lái)明晰干旱的演變進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警將是以后研究的重點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本文基于降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)分析了錫林郭勒盟近1962-2017年不同時(shí)間尺度干旱的時(shí)空分布，研究結(jié)果較好地反映了研究區(qū)的干旱演變，主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)發(fā)生輕旱、中旱、重旱以及特旱的頻率在逐級(jí)下降，其中，中、南部地區(qū)為各類(lèi)干旱事件的頻發(fā)區(qū)。1962-2017年研究區(qū)輕旱頻次有所降低，而中旱、重旱以及特旱的頻次均有所增加，由此可知，研究區(qū)的干旱程度有所加劇。

(2)研究區(qū)輕旱多發(fā)生于秋季，且主要分布于研究區(qū)中部及南部，中旱和重旱則多發(fā)生于冬季，分別集中在研究區(qū)東北部和南部，而特旱事件常在夏季發(fā)生，其高頻區(qū)位于研究區(qū)西部。此外，夏季不同程度干旱事件的頻次均呈上升趨勢(shì)，并在2001-2010年間受到干旱影響最為嚴(yán)重。

(3)研究區(qū)20世紀(jì)90年代各季均出現(xiàn)了大范圍輕旱，其中春、夏、冬三季分別于1984、2017和1982年發(fā)生全域性輕旱。夏、冬兩季還分別在2001和1974年發(fā)生過(guò)全域性中旱，而這兩季的局域性中旱主要發(fā)生在2000年以后。研究區(qū)各季節(jié)在1993年之后較為集中地發(fā)生了大范圍重旱事件，并于2010年夏季和2017年春季出現(xiàn)了全域性特旱。