1965—2015年甘肅省干旱時空分布特征分析

欒振斌 寧和平 姚 瑞*賀海燕 徐 璐 張亞敏 郭俊彬 張榆鋒

（1定西市氣象局，甘肅定西 743000；2隴南市氣象局，甘肅隴南 746000；3卓尼縣氣象局，甘肅卓尼 747600；4呼和浩特市新城區(qū)氣象分局，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；5通渭縣華家?guī)X氣象站，甘肅通渭 743000）

干旱災(zāi)害是我國西北地區(qū)常見的氣象災(zāi)害之一。我國西北地區(qū)深處內(nèi)陸，全年降水量少、氣候干燥、年溫差大，又受到地形等因素的影響，沿海地區(qū)暖濕水汽難以深入內(nèi)陸。近年來，隨著全球氣候變暖，干旱發(fā)生的頻率不斷升高，旱災(zāi)影響范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，生態(tài)環(huán)境更加脆弱，給該地區(qū)人們的生產(chǎn)和生活帶來很大影響，也對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提出挑戰(zhàn)。隨著全球氣候變化趨勢的不斷發(fā)展，相關(guān)學(xué)者的研究成果表明，未來該地區(qū)干旱的影響程度和范圍或?qū)⑦M(jìn)一步加大，人們面臨的干旱形勢將更加復(fù)雜多變。

近年來，有很多研究學(xué)者從不同研究方向著手，對西北地區(qū)的干旱災(zāi)害進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的成果，為西北地區(qū)應(yīng)對干旱災(zāi)害事件提供了重要的理論依據(jù)。例如，在區(qū)域范圍上，任余龍等[1]、楊建玲等[2]利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）和總和干旱指數(shù)（CI）對西北地區(qū)近50年來干旱時空分布規(guī)律及其變化特征進(jìn)行了研究；在省級區(qū)域上，蔡新玲等[3]、張調(diào)風(fēng)等[4]、張 勃等[5]分別對陜西省、青海省和甘肅省近50年來干旱時空分布規(guī)律及其變化特征進(jìn)行了研究；楊小慧等[6]以甘肅省榆中縣為例，對該區(qū)域半干旱區(qū)農(nóng)戶的干旱恢復(fù)力進(jìn)行了定量分析。這些研究成果有助于明晰西北地區(qū)干旱發(fā)生的時空分布規(guī)律及其變化特征，為決策部門制定科學(xué)的防災(zāi)減災(zāi)策略、合理應(yīng)對氣象災(zāi)害、減少干旱帶來的損失作出了積極貢獻(xiàn)。

研究分析甘肅省干旱時空分布規(guī)律及其變化特征，對于該地區(qū)應(yīng)對全球氣候變化、綜合利用氣候資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義，也對相關(guān)部門制定有效的防災(zāi)減災(zāi)策略、改善生態(tài)環(huán)境具有重要的參考價值。 本文研究分析了甘肅省1965—2015年干旱時空分布規(guī)律及其變化特征，以期為該地區(qū)合理應(yīng)對全球氣候變化、增強旱災(zāi)防御能力、綜合利用氣象資源提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省地處我國西北內(nèi)陸，位于北緯32°11′～42°57′、東經(jīng) 92°13′～108°46′范圍內(nèi)，在行政區(qū)劃上西鄰新疆，北接內(nèi)蒙古、寧夏，東鄰陜西，南接四川、青海，整體呈狹長狀分布。全省總面積為45.3萬km2，其中耕地面積僅4.54萬km2，平均海拔1 900 m。境內(nèi)大部分地區(qū)氣候干燥，降水少，年平均降水量為300 mm，不足全國年平均降水量（632 mm）的1/2，全年降水時間分布不均勻，降水主要集中在6—9月；太陽輻射強，氣溫日變化大，全年平均日照時數(shù)2 500 h，年均溫在0～14℃之間。甘肅省境內(nèi)氣候類型復(fù)雜多變，多樣化顯著，由北向南依次包括了高原氣候、干旱氣候、半干旱氣候、半濕潤氣候、濕潤氣候等5個氣候類型。受高原地形、季風(fēng)和西風(fēng)帶的綜合影響，該地區(qū)干旱致災(zāi)因子更加復(fù)雜多變，也使甘肅省境內(nèi)干旱災(zāi)害頻發(fā)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，甘肅省農(nóng)作物平均每年因旱受災(zāi)面積達(dá)82.684萬hm2，糧食減產(chǎn)50萬～100萬t[7]。長期以來，干旱災(zāi)害嚴(yán)重影響該區(qū)域人們的生產(chǎn)生活，成為甘肅省當(dāng)前及今后一段時期面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站下載的1965—2015年甘肅省地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（逐日常規(guī)降水觀測資料），其中包括蘭州市、白銀市、武威市、平?jīng)鍪?、酒泉市、定西市、金昌市、天水市、張掖市、隴南市、慶陽市及甘南州、臨夏州共13個市（州）35個氣象臺站。由于人力和經(jīng)濟(jì)等綜合原因，甘肅省境內(nèi)氣象站點十分有限且分布不均勻，位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的氣象資料難以獲取。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算前，先進(jìn)行缺測數(shù)據(jù)的插值與訂正，采用反距離加權(quán)插值法對缺測臺站進(jìn)行處理，最終得到連續(xù)、完整的35個氣象臺站的降水實測資料。各氣象臺站分布如圖1所示。

1.3 研究方法

反距離加權(quán)插值法是在某個數(shù)據(jù)采集區(qū)域內(nèi)，假設(shè)采樣點周圍未采樣點的屬性特征值是該點周圍一定鄰域內(nèi)已知采樣點的加權(quán)平均，以樣點間距離作為權(quán)重的滑動平均加權(quán)插值法。由于計算過程較為簡便，該方法成為研究中較常使用的由離散點生成網(wǎng)格點數(shù)據(jù)的插值方法[8]。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）是由Mckee等[9]于1993年提出用來劃分旱澇等級的指數(shù)。這一指數(shù)的原理是基于降水量的分布為偏態(tài)分布，而非正態(tài)分布，因而在降水分析和干旱評估中，常采用Γ分布概率函數(shù)來描述降水量的變化。經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）最早于1901年由統(tǒng)計學(xué)家Pearson[10]提出，后來由Lorenz等首次在20世紀(jì)50年代將其引入氣象學(xué)用于研究氣象和氣候變化[11]。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)滿足EOF分析的要求，根據(jù)EOF分析方法，本文中空間場特征值均為正值，若時間系數(shù)為負(fù)，則該時段氣候趨于干旱，且數(shù)值越小，干旱越嚴(yán)重，反之氣候趨于濕潤。運用EOF分析可揭示甘肅省1965—2015年干旱的空間分布特點和時間變化規(guī)律，從而增進(jìn)人們對甘肅農(nóng)業(yè)干旱特征的認(rèn)識。

2 結(jié)果與分析

對1965—2015年甘肅省境內(nèi)35個氣象臺站四季及全年的SPI值進(jìn)行分解，得到SPI值空間典型場和時間系數(shù)的變化特征。其中，前5個載荷向量的方差貢獻(xiàn)率如表1所示。春、夏、秋、冬及全年第一模態(tài)空間分布方差貢獻(xiàn)率分別為57%、40%、45%、60%及37%，遠(yuǎn)高于后幾個模態(tài)空間場的貢獻(xiàn)率，這表明第一模態(tài)是甘肅省四季及全年干旱空間分布最主要的結(jié)構(gòu)型。本文主要分析四季及全年EOF第一模態(tài)的時空分布及變化特征。

表1 各模態(tài)解釋方差貢獻(xiàn)率 單位：%

從經(jīng)驗正交函數(shù)分解結(jié)果（圖2～圖6）來看，各季節(jié)及全年第一模態(tài)特征向量在整個區(qū)域范圍內(nèi)均為正值，反映了甘肅省干旱分布總體具有很好的一致性，說明在該模態(tài)下甘肅省的旱澇變化基本同步，即一致性變澇或變旱。其中：春季、秋季及冬季緯向分布特征顯著，變化趨勢基本一致，由東南向西北呈現(xiàn)出“低—高—低”的特點；夏季及全年則表現(xiàn)出甘肅西北部特征值低、中南部特征值高的特點；各季節(jié)及全年特征值均分布在0.05～0.20之間。

春季、秋季、冬季空間分布特征一致性較強，高值中心分布在酒泉、金昌、張掖、武威、臨夏以及白銀、蘭州、定西、慶陽西北部環(huán)縣一帶，最小值位于敦煌西部、酒泉北部、瑪曲、玉門關(guān)、金塔、民勤及隴南文縣一帶，表明這些地區(qū)是對旱澇變化最敏感的區(qū)域；夏季及全年高值中心在臨夏、白銀、蘭州、定西、慶陽西北部環(huán)縣一帶，最大值均位于蘭州、定西一帶，分布范圍較廣，馬鬃山北部也出現(xiàn)極大值分布，最小值位于寧縣、文縣、瑪曲、祁連山西側(cè)及肅北一帶。全年向量的較小值位于敦煌、酒泉、張掖一帶，最小值位于酒泉。夏季及全年總體呈現(xiàn)隴東南地區(qū)特征值較大、西北地區(qū)相對較小的分布格局。

由時間系數(shù)演變柱狀圖可知，春季最大值出現(xiàn)在 1967 年（2.28），最小值出現(xiàn)在 1979 年（-2.37），極值相差較大，時間系數(shù)呈現(xiàn)由負(fù)到正、再到正負(fù)交替演變的變化趨勢。結(jié)合空間分布場，表明從20世紀(jì)60年代中期到80年代初期為少雨時段，80年代初期到90年代中期為相對濕潤時段，90年代中后期至2015年時間系數(shù)交替變化且濕潤年份偏多，近年來有向濕潤氣候變化的態(tài)勢。夏季年際間呈波動變化，最大值出現(xiàn)在1979年（3.02），最小值出現(xiàn)在1982年（-1.99），時間系數(shù)正負(fù)交替出現(xiàn)。1965—1970年以濕潤為主，1970—1975年間偏向干旱發(fā)展，20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)末氣候以濕潤為主，2000—2010年以干旱為主且干旱持續(xù)加重，但近年來仍有偏向干旱發(fā)展的態(tài)勢。秋季最大值出現(xiàn)在 1975 年（1.69），最小值出現(xiàn)在 1972 年（-3.31），時間系數(shù)變化趨勢不明顯，旱澇交替。1965—1985年間的時間系數(shù)正負(fù)分布大致持平，20世紀(jì)80年代中期至20世紀(jì)末氣候變化偏向干旱，2000年以后氣候逐漸向濕潤轉(zhuǎn)變，特別是近15年向濕潤變化的趨勢更為顯著。冬季時間系數(shù)年際間變化特征顯著，時間系數(shù)最大值、最小值分別出現(xiàn)在2007年和1973年，分別為1.64和-1.58，時間系數(shù)在分布上較均衡。時間系數(shù)的正、負(fù)值都維持較長一段時間，氣候變化比較穩(wěn)定。1965—1980年氣候持續(xù)干旱，20世紀(jì)70年代末至2015年的氣候變化以濕潤為主且持續(xù)性較強，近年來有向濕潤氣候變化的態(tài)勢。全年時間系數(shù)年際間變化波動趨勢錯落交替，最大值出現(xiàn)在 2003 年（1.74），最小值出現(xiàn)在 1972 年（-2.37），時間系數(shù)呈現(xiàn)正負(fù)交替。1965—1980年氣候以干旱為主，20世紀(jì)80年代初至2015年逐漸向濕潤氣候轉(zhuǎn)變，尤其是80年代中期和2010—2015年濕潤特征更為顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文選取甘肅省境內(nèi)35個氣象站點1965—2015年的逐日降水資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)結(jié)合經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）方法對該研究區(qū)干旱時空分布及時間變化特征進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

（1）各季第一模態(tài)空間分布方差貢獻(xiàn)率最高，特征值由東南向西北呈現(xiàn)出“低—高—低”的分布特點，中部地區(qū)特征值較大而南北兩端的西北、東南兩區(qū)域相對較小。

（2）冬季時間系數(shù)變化最顯著，1965—2015年春、秋、冬季氣候向濕潤轉(zhuǎn)變，而夏季有向干旱變化的趨勢。

（3）全年總體呈東南地區(qū)特征值較大、西北地區(qū)較小的分布格局，氣候呈現(xiàn)由干旱到濕潤的變化。

3.2 討論

本文從標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)出發(fā)，對1965—2015年甘肅省干旱變化時空分布特征進(jìn)行研究分析，所得的結(jié)論可為防御干旱提供借鑒。與應(yīng)用于該區(qū)域其他類似指數(shù)及其他基于多氣象要素的干旱指標(biāo)研究結(jié)果相比，SPI所呈現(xiàn)的旱澇特征與已有研究成果較為一致[12-14]。該指數(shù)反映的干旱情況與本區(qū)域歷史事件記載也較為相符，這也表明降水是旱澇災(zāi)害形成與發(fā)展過程中不可忽視的重要因素之一。

因EOF分析方法自身的特點，SPI值分解后各分量之間是正交的，即各分量相互獨立，故用EOF方法提取的不同時空場也相互獨立。這樣就有利于把握干旱發(fā)展變化過程中的主要特征，但該方法只能進(jìn)行分析，而不能用于預(yù)報。

在全球氣候變化的背景下，干旱時空變化除受降水因素影響外，還受到季風(fēng)、地形地貌和土壤濕度等因素的影響。本研究中僅選取了降水因子，而未考慮其他氣象因子。因此，有必要結(jié)合該區(qū)域內(nèi)實際情況，綜合考慮土壤水分、徑流、溫度、連續(xù)無雨日和降雨日數(shù)等指標(biāo)對甘肅省干旱時空變化特征進(jìn)行深入研究。