基于SPEI的新疆干旱變化特征分析

阿迪拉?阿布都熱合曼 昝梅

摘要 以新疆55個國家氣象站1961—2015年逐日氣溫和降水數(shù)據(jù)，采用季尺度下的標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI），以國家劃分的氣象干旱等級為判別標準，分析新疆干旱過程。結(jié)果表明，近55年新疆輕旱次數(shù)呈西北多東南少的趨勢分布;中旱次數(shù)呈西北和東北多、南部偏少的趨勢;重旱次數(shù)呈準噶爾盆地、吐魯番盆地和塔里木盆地東部干旱次數(shù)偏高，其余地區(qū)較低的分布趨勢;特旱次數(shù)呈南多北少的分布趨勢。近55年新疆干旱影響范圍及干旱強度極差較大，且兩者呈正相關(guān)。農(nóng)作物平均受災率與影響范圍年際變化具有較高的一致性。通過REOF時空分布將新疆分成3個模態(tài)：第一模態(tài)呈北疆與南疆相反格局的特征;第二模態(tài)高值區(qū)位于北疆北部，負值區(qū)位于新疆西南部;第三模態(tài)表現(xiàn)為新疆東西部呈相反格局的狀態(tài)。各模態(tài)干旱強度隨時間變化趨勢也不同。

關(guān)鍵詞 標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）;干旱;REOF;時空分布特征

中圖分類號 P429? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）11-0178-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.046

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Drought Change Characteristics in Xinjiang Based on SPEI

Adila·Abudureheman1， ZAN Mei1，2

（1.School of Geography and Tourism， Xinjiang Normal University， Urumqi，Xinjiang 830054;2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Areas， Urumqi， Xinjiang 830054）

Abstract Based on the daily temperature and precipitation data from 55 national meteorological stations in Xinjiang from 1961 to 2015，the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） at the seasonal scale was used to analyze the drought process in Xinjiang with the meteorological drought grades classified by the country as the criterion.The results showed that the number of light droughts in Xinjiang in the past 55 years showed a trend of more in the northwest and less in the southeast;the number of moderate droughts was more in the northwest and northeast and less in the south.The number of severe drought was higher in the Junggar Basin， Turpan Basin and eastern Tarim Basin， and lower in other areas. The number of special drought was more in the south and less in the north.The range and intensity of drought in Xinjiang in the last 55 years were significantly different， and the two were positively correlated. The average disaster rate of crops had a high consistency with the interannual variation of the affected area.Xinjiang was divided into three modes based on the spatial and temporal distribution of REOF. The first mode was the opposite pattern of northern Xinjiang and southern Xinjiang. The high value region of the second mode was located in the north of northern Xinjiang， and the negative value region was located in the southwest of Xinjiang. The third mode showed that the pattern of east and west of Xinjiang was opposite. The variation trend of drought intensity of each mode was also different with time.

Key words Standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI）;Drought;REOF;Temporal and spatial distribution characteristics

干旱是自然界中頻發(fā)的一種災害現(xiàn)象，其影響范圍廣，持續(xù)時間長，造成的災難性后果嚴重影響到我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全與社會經(jīng)濟發(fā)展[1-2]。IPCC報告中指出，自20世紀以來全球普遍升溫，蒸發(fā)量大幅度增加，干旱趨勢增強[3]。我國干旱、半干旱區(qū)開展不同尺度的區(qū)域干旱檢測與風險評估有利于改善地區(qū)干旱現(xiàn)象、提高地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復能力。干旱指數(shù)是開展區(qū)域干旱檢測與風險評估的有效手段之一[4]。

鑒于造成干旱現(xiàn)象的因素錯綜復雜，為了更好地研究干旱，也為了能更準確地表示干旱的嚴重程度，各國學者都提出了專門用于干旱監(jiān)測的指標。當前關(guān)于干旱指標的研究較多，其中應用較廣泛的氣象干旱指標有標準化降水指數(shù)（SPI）、標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）、氣象干旱綜合指數(shù)（MCI）、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）等，各指標都有各自不同的優(yōu)劣勢[5-9]。Vicente-Serrano等[10]提出的SPEI指數(shù)，是在SPI指數(shù)的基礎上，結(jié)合SPI、PDSI指數(shù)的優(yōu)點，綜合考慮了降水的蒸散發(fā)影響，且從多時間尺度角度比較分析，適用性更佳，逐步成為氣象干旱監(jiān)測中較理想的工具之一。目前利用不同干旱指標對新疆進行干旱變化特征的研究較多，但利用季尺度數(shù)據(jù)對研究區(qū)進行干旱時空變化特征及干旱災情的研究較少，3個月時間尺度可反映季節(jié)干旱狀況，12和24個月可分別反映年際、年代際干旱狀況。新疆作為我國國土空間面積最大的區(qū)域，地處西北邊陲，氣候干燥、降水稀少且水資源十分匱乏，干旱現(xiàn)象頻發(fā)，嚴重制約了當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展，加大了與我國內(nèi)陸地區(qū)的發(fā)展差距，基于此，筆者利用3個月尺度的SPEI指數(shù)，定量分析新疆干旱現(xiàn)象發(fā)生的時空演化規(guī)律，厘清新疆發(fā)生干旱的基本特征，為新疆的干旱監(jiān)控、預警、防范與減災工作提供理論借鑒和科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處73°29′54″～96°23′03″E、34°20′11″～ 49°10′55″N，位于我國西北。全疆總面積為166×104 km2，占全國總面積的1/6[11]。新疆屬于典型的溫帶大陸性氣候，年均降水量遠低于沿海地區(qū)。山脈與盆地相間排列構(gòu)成了新疆“三山夾兩盆”的地貌特征，由北至南分別是阿爾泰山、準噶爾盆地、天山山脈、塔里木盆地和昆侖山。以天山山脈為界形成了南北疆差異顯著的氣候特征。在全球氣候變暖的背景下，加劇了新疆的干旱特征，進而造成干旱災害頻繁發(fā)生，嚴重威脅著新疆社會經(jīng)濟發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究的氣象站觀測數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/site/index.html），選取了新疆55個國家氣象站點的平均氣溫和降水等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源準確、可靠性高、研究期數(shù)據(jù)完整。其中SPEI數(shù)據(jù)集及各站點經(jīng)緯度、海拔等數(shù)據(jù)來源于相關(guān)文獻[12]。該研究選用的新疆區(qū)域氣象站點分布如圖1所示。

1.3 研究方法

1.3.1

標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）的計算方法[13]。

（1）利用Thornthwaite方法，綜合考慮氣溫因素的影響來計算潛在蒸散量（PET），公式如下：

PET=16.0× 10TiHa （1）

式中， Ti為月平均氣溫，H為年熱量總和，a為常數(shù)。

（2）計算降水與潛在蒸散量的差值。計算公式如下：

Di = Pi -PET i （2）

式中， Pi 為月降水量，PET i 為月潛在蒸散量。

（3）對數(shù)據(jù)序列進行正態(tài)化處理，由于 Di 序列可能存有負值，采用log-logistic概率分布對 Di 進行擬合，并求累計函數(shù)。計算公式如下：

F（x）=1+αx-γβ-1（3）

式中，α、β、γ 分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)、Origin參數(shù)，均用線性矩方法擬合得到。

（4）利用正態(tài)逆變換求出SPEI。計算公式如下：

W =-2ln（ P ）（4）

SPEI= W-C0-C1W+C2W21+d1W+d2W2+d3W3（5）

式中，C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。當P>0.5時，P值取1-P [14]。

1.3.2 干旱強度的運算。

據(jù)國家氣候中心最新發(fā)布的氣象干旱等級（GB/T 20481—2006）[15]中對干旱過程及強度的定義：當SPEI指數(shù)持續(xù)10 d為輕旱以上等級時，可被判定為一次干旱過程。干旱強度定義為一次干旱過程累計的SPEI指數(shù)之和，其值越小，干旱過程越強。SPEI指數(shù)具有多時間尺度的特征，SPEI-3即季尺度的數(shù)值，能夠較明確地表示季節(jié)性土壤濕度的演變特征。統(tǒng)計新疆地區(qū)1961—2015年SPEI-3的數(shù)值，結(jié)合新疆特有地形地貌條件，以及前人的研究也表明SPEI 指數(shù)具有較好的區(qū)域適用性，因此SPEI 指數(shù)作為干旱評估研究標準是合理的，結(jié)果也是可參考的。SPEI指數(shù)的干旱等級劃分見表1。

1.3.3 干旱影響范圍的確定。

基于站點的SPEI對干旱影響范圍進行計算。SPEI值達到輕旱及以上等級的臺站數(shù)（ Ni）與總站數(shù)（N ）之比，即SPEI值≤-0.5時就表示有干旱的發(fā)生，作為不同級別干旱影響范圍的指標，其反映干旱面積大小。將干旱影響范圍超過90%的定義為大范圍干旱。計算公式為：

Ri=NiN×100%（6）

1.3.4 正交函數(shù)方法。經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)（REOF）是分析氣象要素時空分布特征時廣泛使用的統(tǒng)計方法[16-19]。正交函數(shù)方法能將同時隨時間及空間變化的某要素場進行分解，將其分解為僅隨空間變化的空間模態(tài)和僅隨時間變化的時間系數(shù)的線性組合。采用EOF方法，根據(jù)EOF原理進行分解，對任意標準化氣象矩陣 X 可展開下列矩陣運算[20]：

mXn=（mVk×λk）×1λk×kTn=mLk×kFn（7）

式中，mLk是空間特征向量矩陣，kTn是時間系數(shù)，mVk是空間特征向量矩陣，kFn是主成分陣，λk為mXn的相關(guān)系數(shù)陣mRn的特征值。

REOF基于EOF對載荷特征向量場進行方差極大旋轉(zhuǎn)變換，使旋轉(zhuǎn)空間向量場上各空間點旋轉(zhuǎn)一個或幾個，與EOF方法相比，它解決了不能明確表示不同地理區(qū)域特征的局限。旋轉(zhuǎn)后所得的典型空間分布更好地反映了不同地理區(qū)域的變化情況，也反映了不同區(qū)域的相關(guān)分布狀況。該研究對干旱過程強度進行REOF分析，所采用的空間插值方法為克里金插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆不同等級干旱次數(shù)空間分布

從新疆不同等級年干旱次數(shù)空間分布（圖2）可以看出，1961—2015年各氣象站點輕旱等級年平均干旱次數(shù)大體呈西北多東南少的趨勢分布，發(fā)生輕旱次數(shù)最少的站點為十三間房，為274次。哈密地區(qū)西部及吐魯番市輕旱次數(shù)偏少，小于299次;研究區(qū)南部焉耆、拜城，北部的布爾津、鞏留等16個站點輕旱次數(shù)在298～311次;研究區(qū)西北、西南及東部的吉木乃、塔城、烏魯木齊、莎車等23個站點發(fā)生輕旱次數(shù)在311～323次;輕旱次數(shù)在323～335次的12個站點多數(shù)分布在天山山脈及阿爾泰山脈周邊，其余少數(shù)站點全疆零星散布。

研究區(qū)各站點中旱等級年干旱次數(shù)的分布趨勢并不明顯，大體呈西北和東北多、南部偏少的趨勢。發(fā)生中旱次數(shù)最少的站點為巴音郭楞蒙古自治州西部的輪臺站（48次）;發(fā)生中旱次數(shù)最多的站點為伊犁州的新源站（89次）;發(fā)生中旱次數(shù)較少（48～64次）的站點大多分布在南疆地區(qū)，站點數(shù)為13個;中旱次數(shù)在64～80次的站點均勻分布在全疆各地，發(fā)生中旱次數(shù)較多的站點在北疆的布爾津、新源以及南疆的拜城等7個站點。

研究區(qū)各站點重旱等級年干旱次數(shù)空間分布明顯，準噶爾盆地、吐魯番盆地周邊及塔里木盆地東部地區(qū)干旱次數(shù)偏高，其余地區(qū)較低。發(fā)生重旱次數(shù)最多的站點為哈密地區(qū)的十三間房站點（62次），最少的站點為和靜站（25次）。發(fā)生重旱次數(shù)在25～39次的站點數(shù)為38個，發(fā)生重旱次數(shù)在39～61次的站點數(shù)為15個。

研究區(qū)各站點特旱等級年干旱次數(shù)呈南多北少的趨勢分布，發(fā)生干旱次數(shù)最多的站點為莎車站（29次），最少的站點為十三間房（5次）。吉木乃、博樂、巴音布魯克、塔什庫爾干等21 個站點發(fā)生干旱次數(shù)為5～14次;發(fā)生干旱次數(shù)在14～19次的站點數(shù)為17個;發(fā)生重旱次數(shù)較多的站點集中在新疆南部地區(qū)，有15個站點發(fā)生干旱次數(shù)在19～28次。

2.2 新疆干旱影響范圍年際變化特征及干旱災情分析

根據(jù)氣象干旱過程及干旱強度的定義，經(jīng)站點比例計算得到近55年新疆地區(qū)干旱影響范圍。由圖3a可知，研究區(qū)干旱影響范圍（ Ri ）極差較大，超過90%;影響較小的干旱范圍在1987、1992和1993年出現(xiàn)，分別為0、3.6%、0;影響較大的干旱范圍出現(xiàn)在1997和2008年，分別為98.1%、92.7%;近55年平均干旱影響范圍為46.3%。從平均累計強度（SPEI）分析干旱過程的年際特征，由圖3b可知，干旱強度的極差也較大，干旱強度最弱的年份出現(xiàn)在1987年，累計強度為529.5;最強的干旱強度年出現(xiàn)在1997年，為-625.3。干旱影響范圍與區(qū)域平均累計強度年際變化特征彼此一致，說明大多數(shù)情況下干旱強度及其影響范圍呈現(xiàn)正相關(guān)，干旱強度越強，影響范圍越廣，干旱強度越弱其影響范圍也越小。

旱災對新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展影響較大。氣象、農(nóng)業(yè)及水文干旱為干旱的3種類型，其中氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱的關(guān)聯(lián)性較高，從某種程度上來說，農(nóng)業(yè)干旱是氣象干旱的進一步發(fā)展。受旱面積和受災率作為農(nóng)業(yè)干旱指標，能夠較全面地反映農(nóng)業(yè)受災情況[21]。因資料年代受限，在此僅討論1990—2008年全疆受旱面積情況[22]。從全疆1990—2008年災情平均情況（圖4）來看，2008年農(nóng)作物年均受旱面積最大，超過80×104 hm2;2002年全疆農(nóng)作物受旱面積最小，在2×104 hm2以下，其余年份受旱面積均在2×104～50×104 hm2。由于新疆面積廣，氣候條件特殊，因而導致年份間受災面積相差較大，該研究以農(nóng)作物受旱面積占受災面積的百分率來代表當年農(nóng)業(yè)干旱受災率，分析干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的影響。從1990—2008年農(nóng)作物平均受災率（圖4）來看，2004、2006、2008年均超過了50%，其對應的干旱影響范圍分別為50.9%、76.3%、92.7%，這與上述的影響范圍年際變化特征具有較高的一致性;平均受災率較低的年份出現(xiàn)在1992、1993、1998、1999、2002和2003年，這些年份干旱影響范圍分別為3.6%、0、30.9%、67.2%、45.4%、14.5%，其中1992、1993和2002年的平均受災率與干旱影響范圍年際變化特征一致性較高，部分年份一致性較低。SPEI指數(shù)能夠較好地反映不同時間尺度干旱的評估，但由于SPEI主要考慮的是氣象因子，沒有考慮到其他人為因素的影響，因而可能導致了部分年份一致性較低的情況。

2.3 新疆干旱強度時空特征

2.3.1 干旱強度空間模態(tài)。

根據(jù)該研究定義得到近55年來新疆出現(xiàn)的所有干旱過程，計算新疆55個氣象站點逐年所有干旱過程的累計強度，將MCI指數(shù)矩陣先進行EOF分解，然后再對前5個分量進行REOF處理并分析，得到REOF結(jié)果（表2）。從表2可看出，REOF前5個模態(tài)累計方差貢獻率達到了66.37%。

圖5為對新疆SPEI指數(shù)進行REOF分析的前3個空間模態(tài)的分布情況，從圖中可看出，第一模態(tài)表現(xiàn)出以北天山為分界線，新疆北部與南部呈現(xiàn)相反格局的空間分布特征;

REOF特征向量值最小值為-0.015，方差貢獻率為24.76%，高值區(qū)位于東疆地區(qū)和南疆地區(qū)，說明基于季尺度的SPEI來說，南疆為新疆干旱指數(shù)變化敏感的中心地區(qū)。第二模態(tài)表現(xiàn)為正中心區(qū)在北疆阿勒泰、塔城地區(qū)以及準噶爾盆地北部，位于研究區(qū)東南方向的庫木庫勒盆地為過渡區(qū)，負值中心在新疆西南以及東部部分地區(qū)，方差貢獻率為14.24%。第三模態(tài)表現(xiàn)為新疆西部與東部呈現(xiàn)相反格局的模態(tài)，高值區(qū)在新疆西部，其位于天山西部高值區(qū)的伊犁河谷地區(qū)的水汽主要來自大西洋，而南疆地區(qū)近些年來的濕潤化也較為明顯，據(jù)前人研究，由于新疆獨特的地形作用，北冰洋和西伯利亞沼澤水汽通過阿爾泰山和天山的缺口，導致水汽從中灌入，進而使南疆西部出現(xiàn)較濕潤的氣候。

2.3.2 各模態(tài)時間系數(shù)變化。

據(jù)REOF分解出來的3個空間模態(tài)對應的時間序列，結(jié)合“2.2”干旱影響范圍年際變化特征的內(nèi)容，分析近55年來新疆各模態(tài)干旱強度隨時間的變化特征。

REOF1突出表現(xiàn)了南疆的正值區(qū)，對應的時間序列（圖6a）在1961—1965年處于正負值間變化的趨勢;1966—1996年基本上處于在正值區(qū)域飄浮變化的趨勢，說明在這段時間新疆進入了相對干旱緩解的階段。其中達到正值區(qū)的典型年份是1972、1976、1987、1992和1996年;1997—2015年處于在負值區(qū)域變化的趨勢，這說明這段時間新疆變干趨勢明顯，典型干旱年份為2001、2007—2009、2013年，從圖5a、圖6a可看出，南北疆處于變化相反的格局，自20世紀90年代末期，北疆處于較干旱的變化趨勢。

REOF2空間分布特征（圖5b）與REOF1相差較大，第二模態(tài)高值區(qū)位于北疆北部地區(qū)，對應的時間序列（圖6b）在1961—1967年處于正負值間變化不定的趨勢;1968—1973年處于在正值間變化的趨勢，其典型年份為1969年，說明在這段時間干旱有變緩趨勢;1974—2001年處于長期在正負值間變換的階段，北疆西北部、南疆除東南部外的大部分地區(qū)都處于干旱狀態(tài)，典型干旱年份為1982、1997年。

REOF3空間模態(tài)（圖5c）表現(xiàn)為新疆東西部呈相反的格局，高值區(qū)主要位于北疆西部、南疆西南部。由時間序列變化趨勢（圖6c）可知，1961—1980年處于正負值間振蕩變化的趨勢;1981—2015年，除少數(shù)年份外，大部分年份處于正值區(qū)域，典型年份為1987年。這說明20世紀80年代后，干旱趨勢得到了明顯緩解，且造成了東干西濕的局面，近些年來西北地區(qū)的濕潤化也確實得到了前人的驗證[23-24]。

3 討論與結(jié)論

標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）為主要考慮蒸散發(fā)影響的氣象干旱指數(shù)，新疆地形條件復雜、氣候多變，該研究僅從氣象角度來分析干旱特征，并未從灌溉或社會經(jīng)濟因素考慮。因此該研究的干旱影響范圍與農(nóng)作物實際受旱情況一致性有待探討?？傮w上，通過

SPEI分析得出，1961—2015年新疆不同等級年干旱次數(shù)空間分布明顯;通過計算SPEI干旱強度，較好地反映了近55年來新疆干旱影響范圍年際變化特征與干旱災情之間的關(guān)系;基于SPEI指數(shù)，用REOF方法將新疆分成了3個模態(tài)，并與其對應的時間系數(shù)進行了對比討論。具體得出以下結(jié)論：

（1）近55年新疆輕旱次數(shù)呈西北多東南少的趨勢分布;中旱次數(shù)分布趨勢不明顯，大體呈西北和東北多、南部偏少的趨勢;重旱次數(shù)空間分布明顯，準噶爾盆地、吐魯番盆地及塔里木盆地東部干旱次數(shù)偏高，其余地區(qū)較低;特旱次數(shù)呈南多北少的分布趨勢。

（2）近55年新疆干旱影響范圍及干旱強度極差較大，且兩者呈正相關(guān)。從1990—2008年災情情況來看，2008年農(nóng)作物受旱面積最大，2002年受旱面積最小。農(nóng)作物平均受災率與影響范圍年際變化具有較高的一致性。

（3）通過REOF將新疆分成3個模態(tài)，第一模態(tài)呈北疆與南疆相反格局的特征，其時間系數(shù)表明，自20世紀90年代末期以來，北疆處于較干旱的變化趨勢;第二模態(tài)高值區(qū)位于北疆北部，負值區(qū)位于新疆西南部，時間系數(shù)表明其經(jīng)歷了干旱緩解期到長期干旱的變化;第三模態(tài)表現(xiàn)為新疆東西部呈相反格局的狀態(tài)，其時間系數(shù)表明20世紀80年代后期干旱趨勢得到了明顯的緩解。

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