基于TerraClimate數(shù)據(jù)集的1960—2019年中國干濕氣候變化特征

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044； 2.廣東省氣象公共服務(wù)中心，廣州 510640)

1 研究背景

全球變暖仍在持續(xù)，且當前出現(xiàn)的氣候狀態(tài)是過去幾個世紀甚至幾千年來所未見的[1]。中國作為全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，隨著全球溫度的升高，地表蒸散量增加，降水強度和分布受到影響，其大部分區(qū)域的干濕狀況將會發(fā)生變化，進而影響我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和布局，制約經(jīng)濟發(fā)展，因此，對干濕問題的研究，一直備受氣候?qū)W者的重視[2-6]。目前，基于氣象站點觀測數(shù)據(jù)，眾多學(xué)者對中國區(qū)域的干濕狀況取得了大量的研究成果，如申雙和等[7]利用616個地面氣象臺站的日氣象資料，對中國干濕狀況進行了時空分析，指出近30 a來中國變濕地區(qū)多于變干地區(qū)；胡琦等[5]研究了近54 a中國干濕氣候時空變化特征，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)干濕狀況變化差異很大，干旱趨勢主要發(fā)生在半干旱半濕潤區(qū)；姜江等[8]對1962—2011年中國各干濕區(qū)范圍變化進行了分析，在空間上中國西部濕潤化、東部干旱化。我國的氣象站點的分布具有東部密集西部稀疏的特點，用氣象站點觀測數(shù)據(jù)研究全國范圍內(nèi)的干濕區(qū)域變化有一定的局限性，而高分辨率產(chǎn)品數(shù)據(jù)在獲取、可用性和空間覆蓋方面有更好的優(yōu)勢。

TerraClimate是一款具有長時間序列的全球陸地表面氣候和氣候水平衡的數(shù)據(jù)集，1958—2021年，其空間分辨率為1/24°，時間分辨率為月。該數(shù)據(jù)集利用氣候輔助插值，將來自WorldClim數(shù)據(jù)集的高空間分辨率氣候正常值與其他隨時間變化的粗分辨率數(shù)據(jù)相結(jié)合，以生成含有不同氣候因子的月度數(shù)據(jù)[9]。因為TerraClimate數(shù)據(jù)集具有較高的空間分辨率，能夠較好地模擬下墊面較為復(fù)雜的區(qū)域，因而在生態(tài)和水文分析中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者在基于Google Earth Engine與機器學(xué)習(xí)中，將其作為氣候數(shù)據(jù)的來源，以估算灌木覆蓋度[10-11]；國外學(xué)者利用TerraClimate數(shù)據(jù)集導(dǎo)出的標準降水指數(shù)(SPI)和標準降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)繪制菲律賓氣象干旱災(zāi)害地圖[12]，利用土壤濕度、降水量以及溫度的值對波托哈爾高原進行干旱監(jiān)測[13]，利用降水量、土壤濕度和徑流數(shù)據(jù)研究印度流域的水文趨勢[14]。

目前，尚未有學(xué)者利用TerraClimate數(shù)據(jù)集在中國區(qū)域進行相關(guān)研究。本研究分別利用降水量和濕潤指數(shù)2個干濕指標，基于TerraClimate數(shù)據(jù)集，對比分析近幾十年來中國區(qū)域干濕氣候分區(qū)的轉(zhuǎn)變以及干濕狀況的時空變化趨勢，并探討TerraClimate高分辨率數(shù)據(jù)集在中國區(qū)域的適用性。

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文所用模擬資料為1960—2019年包括降水和蒸散的兩個氣候因子的TerraClimate月度數(shù)據(jù)(https:∥climate.northwestknowledge.net/TERRACLIMATE/)，格式為NETCDF，由愛達荷大學(xué)西北知識網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲庫提供。實測資料是與模擬資料相同時間尺度和氣候因子的由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/data/weatherBk.html)提供的全國931個站點資料，將缺測月份少于10個月且總年數(shù)少于30年的站點剔除，共有674個站點，如圖1所示。

圖1 中國氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in China

2.2 濕潤指數(shù)的計算

目前，學(xué)者們常用降水量和濕潤指數(shù)這2個指標來研究干濕氣候區(qū)域的變化[15]。濕潤指數(shù)(HI)的計算公式為

(1)

式中：ppt為年降水量(mm)；pet為年潛在蒸散量(mm)。

基于降水量和濕潤指數(shù)的干濕分區(qū)標準[7]如表1所示，本文將氣候區(qū)域分為干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)4種。

表1 基于降水量和濕潤指數(shù)的干濕分區(qū)Table 1 Classification of arid-wet regions based onprecipitation and humidity index

2.3 Theil-Sen Median+Mann-Kendall趨勢分析法

Theil-Sen Median斜率(TSslope)估計法是一種非參數(shù)統(tǒng)計的趨勢方法，廣泛用于檢測長時間序列數(shù)據(jù)集的變化趨勢[16]。該方法計算效率高，相比于最小二乘法一元線性回歸趨勢分析法，其不受時間序列異常值的影響，且對于測量誤差和離群數(shù)據(jù)不敏感[17]。其計算公式為

式中：Median表示中位數(shù)函數(shù)；xi、xj分別表示第i、j時刻的序列數(shù)據(jù)。

利用TSslope的正負來判斷數(shù)據(jù)的變化趨勢：當TSslope>0時，表示變量呈現(xiàn)增加的趨勢；當TSslope<0時，表示變量呈現(xiàn)減少的趨勢；當TSslope=0時，表示變量變化趨勢不明顯。|TSslope|表示變量變化趨勢幅度狀況。

目前很多學(xué)者將Theil-Sen Median斜率與Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)合起來，形成一種全新的趨勢分析方法。Mann-Kendall檢驗[18-19]也被稱為無分布檢驗，該方法的優(yōu)點是只要求數(shù)據(jù)獨立，且受異常值的干擾較小，常用于氣候和水文時間序列趨勢分析中[20]。其計算公式為：

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

本文中置信度水平α為0.05，要素的變化趨勢和顯著性類型如表2所示。

表2 變化趨勢及顯著性檢驗Table 2 Change trend and significance test

3 結(jié)果分析

3.1 精度評價

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的674個氣象站點經(jīng)緯度利用ArcGIS軟件提取TerraClimate對應(yīng)像元1961—2019年間年均降水量及年均潛在蒸散量，分別與氣象站點觀測值進行對比，數(shù)據(jù)精度結(jié)果如表3所示。在年尺度上，該數(shù)據(jù)集的降水、潛在蒸散數(shù)據(jù)與氣象站觀測數(shù)據(jù)在整體上有較高的一致性，相關(guān)系數(shù)R分別為0.936和0.516，降水數(shù)據(jù)的精度要明顯優(yōu)于潛在蒸散數(shù)據(jù)。

表3 年降水量和年潛在蒸散量精度指標Table 3 Accuracy index of annual precipitation andannual potential evapotranspiration

圖2 中國干濕氣候區(qū)劃Fig.2 Zoning of dry-wet climate of China

3.2 干濕氣候區(qū)劃

利用氣象數(shù)據(jù)處理軟件CDO對TerraClimate數(shù)據(jù)集的降水和蒸散數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，運行ArcMap軟件將中國劃分為干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)。圖2(a)是基于降水量劃分的中國60 a干濕氣候區(qū)劃圖。降水量<200 mm的干旱區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古西部、甘肅西北部、青海西北部、西藏西部以及新疆的大部分地區(qū)；降水量在200～400 mm之間的半干旱區(qū)主要分布在大興安嶺以西、內(nèi)蒙古東部、青海中部以及西藏中部，少部分分布在新疆的西北角；降水量在400～800 mm之間的半濕潤區(qū)主要分布在東北平原、華北平原、黃土高原、青藏高原區(qū)的東部以及云南的西北部；降水量>800 mm的濕潤區(qū)主要分布在秦嶺—淮河以南、四川盆地等在內(nèi)的廣大中南部和東部地區(qū)，少部分分布在遼寧的東部以及吉林的南部。圖2(b)是基于濕潤指數(shù)劃分的中國60 a干濕氣候區(qū)劃圖。濕潤指數(shù)<0.2的干旱區(qū)與按降水量所劃分的干旱區(qū)大致吻合，但其他3個分區(qū)有些許差異，主要體現(xiàn)在西南地區(qū)，濕潤指數(shù)>1的濕潤區(qū)在該地東南部范圍變大，半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)范圍從該地中部向西縮小，云南半濕潤區(qū)范圍變大。前人利用氣象站點觀測資料基于降水量或濕潤指數(shù)劃分的干濕區(qū)結(jié)果，均與本研究利用TerraClimate數(shù)據(jù)集基于降水量的劃分結(jié)果[5,7-8,21-23]相一致。

3.3 干濕氣候區(qū)時空變化

圖3為基于降水量和濕潤指數(shù)劃分的中國1990—2019年與1960—1989年相比的前后30 a干濕區(qū)變化。圖中展示了6種氣候區(qū)轉(zhuǎn)變類型，其中，向更干旱氣候轉(zhuǎn)變的區(qū)域有3種類型：半干旱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊祬^(qū)、半濕潤區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榘敫珊祬^(qū)、濕潤區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榘霛駶檯^(qū)。向更濕潤氣候轉(zhuǎn)變的區(qū)域有3種類型：干旱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榘敫珊祬^(qū)、半干旱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榘霛駶檯^(qū)、半濕潤區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶檯^(qū)。

圖3 中國前后30 a干濕氣候區(qū)變化Fig.3 Dry-wet climatic changes in China in 1960-1989and 1990-2019

由圖3(a)可見，向更干旱氣候區(qū)轉(zhuǎn)變的區(qū)域主要分布在橫跨內(nèi)蒙古中部和昆侖山西部邊緣以及西藏西部的狹長帶狀區(qū)，吉林以西、沿山西、陜西與內(nèi)蒙古交界線到甘肅南部，吉林南部、遼寧東部以及秦嶺；向更濕潤氣候區(qū)轉(zhuǎn)變的區(qū)域主要分布在新疆西北部、從西藏中西部至青海北部的狹長帶狀區(qū)，天山西部、從西藏東南部至青海東北部的狹長帶狀區(qū)以及河北北部，四川中南部和安徽北部。由圖3(b)可見，基于濕潤指數(shù)所劃分的變化區(qū)域與圖3(a)有較好的一致性，但從變化面積來看，其發(fā)生干濕區(qū)域變化的面積較多，且變干和變濕的區(qū)域有些許差異。與基于年降水量劃分的干濕區(qū)變化相比，基于濕潤指數(shù)劃分的向更干氣候區(qū)轉(zhuǎn)變的區(qū)域在黑龍江、河北以及云南等地的范圍明顯擴大，向更濕潤氣候區(qū)轉(zhuǎn)變的區(qū)域在西藏和青海中部以及云南西北部的覆蓋范圍略微縮小。

圖4展示了基于年降水量和濕潤指數(shù)劃分的各分區(qū)前后30 a的變化。由圖4可見，基于這2個指標的干濕區(qū)域面積增減趨勢相同，但變化幅度存在差異。1990—2019年與1960—1989年相比，中國的干旱區(qū)和濕潤區(qū)面積負增長，半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)面積正增長，這也與前人研究結(jié)果[4-5,15,24-26]相一致。

圖4 中國前后30 a各干濕分區(qū)變化直方圖Fig.4 Histogram of dry-wet zoning changes inChina in 1960-1989 and 1990-2019

圖5 基于降水量和濕潤指數(shù)劃分的干濕氣候界線年代際波動Fig.5 Interdecadal fluctuation of dry-wet climatic boundary based on precipitation and humidity index

3.4 干濕氣候分界線的年代際波動

隨著氣候的變化，干濕氣候分界線也是變化的。圖5展示了分別基于年降水量和濕潤指數(shù)劃分的各年代干濕氣候界線變化。由圖5可見，1970s較1960s而言明顯變化的是濕潤指數(shù)0.2線在內(nèi)蒙古中部向東小幅度偏移，400 mm等降水量線、濕潤指數(shù)0.5線在內(nèi)蒙古高原東北部向東北方突出；1980s較1970s而言明顯變化的是400 mm等降水量線在內(nèi)蒙古高原東北部向西南方向退回，800 mm等降水量線在淮河向南退回，濕潤指數(shù)0.5線在內(nèi)蒙古東北部向西南方向退回、在河北和山西向南推進，濕潤指數(shù)1.0線在黑龍江西北部向南擴大、在湖北中部小幅度向北退回；1990s較1980s而言明顯變化的是400 mm等降水量線在內(nèi)蒙古高原東北部向西退回，800 mm等降水量線在秦嶺向南退回，濕潤指數(shù)0.5線在西藏南部向西退回、在天山向東推進；2000s較1990s而言明顯變化的是200 mm等降水量線在內(nèi)蒙古高原中部向東推進，400 mm等降水量線、濕潤指數(shù)0.5線在內(nèi)蒙古高原東北部大幅度向東推進；2010s較2000s而言明顯變化的是400 mm等降水量線在內(nèi)蒙古高原東北部向西退回，800 mm等降水量線在淮河向南退回，濕潤指數(shù)1.0線在黑龍江東部向南擴大。這與楊建平等[27]、黃亮等[25]關(guān)于中國干濕氣候界線年代際波動的研究結(jié)果具有很好的一致性。

圖6 中國區(qū)域降水量年際變化趨勢及顯著性檢驗Fig.6 Interannual variation trend and significance testof regional precipitation in China

圖7 中國區(qū)域濕潤指數(shù)年際變化趨勢及顯著性檢驗Fig.7 Interannual variation trend and significance testof regional humidity index in China

3.5 降水量和濕潤指數(shù)的年際變化趨勢分析

利用Theil-sen估計法和MK檢驗對2種指標進行年際變化趨勢分析。圖6和圖7分別是降水量和濕潤指數(shù)的中國區(qū)域年際變化趨勢及顯著性檢驗結(jié)果。由圖6(a)可知，ppt_sen趨勢介于-3.33～7.00 mm/a之間，降水量正變化的區(qū)域主要分布在西北干旱半干旱區(qū)的中西部、青藏高原區(qū)、除山東省的華東地區(qū)、湖北東部、湖南東部以及華南地區(qū)；降水量負變化的區(qū)域主要分布在東北地區(qū)西南部、華北地區(qū)、陜西、湖北西部、貴州以及云南大部分地區(qū)。由表2和圖6(b)可知：降水量增減的區(qū)域與圖6(a)正負變化的區(qū)域具有較好地一致性，但大部分區(qū)域并未通過顯著性水平檢驗。降水量顯著增加的區(qū)域主要集中在新疆西北部、甘肅中部、青海以及西藏中部；降水量顯著減小的區(qū)域主要集中在遼寧西南角、山東東北角。由圖7(a)可知：HI_sen趨勢介于-1.43～0.01/a之間，濕潤指數(shù)正變化的區(qū)域要小于負變化的區(qū)域，正變化的區(qū)域主要分布在中國的西部。由表2和圖7(b)可知：濕潤指數(shù)增減的區(qū)域與圖5(b)(HI=0.2)正負變化的區(qū)域具有很好地一致性，通過顯著性檢驗的區(qū)域要少于未通過的。濕潤指數(shù)顯著增加的區(qū)域主要集中在塔里木盆地、準噶爾盆地、西藏中部以及青海中部；濕潤指數(shù)顯著減小的區(qū)域主要集中在大興安嶺西部、吉林南部、遼寧東部、山西、陜西南部、四川以及云南東南部。對比相關(guān)文獻關(guān)于我國降水量和濕潤指數(shù)年際變化趨勢分析的研究成果[5,22,25-26,28]，TerraClimate數(shù)據(jù)集的降水量資料更具有適用性。

4 討 論

目前，國內(nèi)關(guān)于中國各地區(qū)干濕氣候變化的研究成果較多，且主要是基于氣象站點觀測資料對中國干濕變化狀況和變化趨勢[4,6-7,15]、干濕氣候變化的成因[5,21,23]、干濕氣候界線的變遷[25,27-28]等方面進行的分析。但是，中國國土面積遼闊，地形地貌復(fù)雜，而氣象觀測站一般建設(shè)在平坦開闊地帶，東部平原地區(qū)站點密集，西部地形復(fù)雜地區(qū)站點數(shù)量稀少，這種站點分布狀況對干濕氣候變化的研究有著一定的局限性?；跉庀笳军c觀測資料開展的干濕變化研究結(jié)果可以反映宏觀變化趨勢，但在研究較小區(qū)域尤其是缺乏氣象觀測的地區(qū)時還存在著不足。本研究選取了TerraClimate高分辨率數(shù)據(jù)集分析了中國地區(qū)干濕氣候變化狀況，研究得到的中國各干濕區(qū)范圍、各干濕區(qū)面積增減趨勢、干濕氣候界線的年代際波動結(jié)果以及降水量和濕潤指數(shù)的年際變化趨勢均與前人利用氣象站觀測資料的相關(guān)研究結(jié)果在宏觀上是相對一致的[4-5,7-8,15,21-28]。

氣候干濕狀況受很多因素的影響，比如溫度、濕度、風(fēng)速等，以濕潤指數(shù)為評價指標比單純用降水量單個因素進行干濕變化分析更有優(yōu)勢。蒸散數(shù)據(jù)的可靠性影響著濕潤指數(shù)的評價結(jié)果，利用Penman-Montieth[29]公式計算潛在蒸散具有明確的物理意義，但是該方法在一定區(qū)域內(nèi)存在參數(shù)估計的誤差，且實際蒸散也會因不同氣候區(qū)、經(jīng)緯度、地形、土壤等而有所差異[6-7]，因此對潛在蒸散的計算還要進一步的驗證和校正。TerraClimate數(shù)據(jù)集對潛在蒸散數(shù)據(jù)進行了修正，考慮了積雪覆蓋或生長季節(jié)開始之前地表水通量的減少，并利用與溫度的經(jīng)驗關(guān)系來考慮降水階段的有效蒸騰的變化[9]，這可能是本研究中由降水量和潛在蒸散量共同決定的濕潤指數(shù)開展的相關(guān)研究結(jié)果與其他學(xué)者產(chǎn)生差異的原因之一。此外，TerraClimte數(shù)據(jù)本身的局限性也是造成研究結(jié)果差異的原因，類似于該數(shù)據(jù)集的網(wǎng)格化氣候數(shù)據(jù)具有不確定性，這種不確定性可能來自于插值和外推方法以及數(shù)據(jù)隨時間的可用性變化[9,30-32]。

本文利用具有高分辨率的長時間序列的柵格數(shù)據(jù)對1960—2019年的中國干濕狀況進行了分析，為我國氣候變化規(guī)律的研究及防災(zāi)減災(zāi)提供參考，特別是缺乏氣象資料的地區(qū)，但僅使用了TerraClimate數(shù)據(jù)集的降水和蒸散數(shù)據(jù)，溫度、風(fēng)速、水汽壓等數(shù)據(jù)也可以在未來的研究中加以利用。

5 結(jié) 論

本文使用了TerraClimate數(shù)據(jù)庫中公開的1960—2019年的降水和潛在蒸散數(shù)據(jù)，利用降水量和濕潤指數(shù)作為評價干濕氣候的指標，分析了中國區(qū)域干濕氣候特征，并探討了該數(shù)據(jù)集在中國的適用性，其結(jié)論可歸納如下：

(1)利用TerraClimate數(shù)據(jù)集降水數(shù)據(jù)進行干濕氣候特征分析的結(jié)果與利用地面氣象站點觀測值進行分析的結(jié)果具有高度的一致性，從精度評價的結(jié)果更能直觀地反映出該數(shù)據(jù)集具有較為準確的降水信息捕捉能力。

(2)1990—2019年與1960—1989年相比，基于降水量和濕潤指數(shù)劃分的各干濕區(qū)面積增減趨勢一致，即干旱區(qū)和濕潤區(qū)面積負增長，半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)面積正增長。

(3)基于降水量的干旱與半干旱區(qū)的分界線主要在內(nèi)蒙古高原中部按年代東西波動，半干旱與半濕潤區(qū)分界線主要在內(nèi)蒙古高原東北部按年代東西波動，半濕潤和濕潤區(qū)分界線主要在淮河按年代南北波動；基于濕潤指數(shù)的干旱與半干旱區(qū)的分界線主要在內(nèi)蒙古中部按年代小幅度偏移，半干旱與半濕潤區(qū)分界線主要在內(nèi)蒙古東北部、西藏南部按年代東西波動，半濕潤與濕潤區(qū)分界線主要在黑龍江按年代向南擴大。

(4)近60 a來我國大部分地區(qū)降水量和濕潤指數(shù)變化趨勢不顯著，中國的西部和東南部降水量和濕潤指數(shù)趨于增大，氣候變濕；東北、華北、華中、陜西、甘肅西部、四川盆地、貴州以及云南大部分地區(qū)降水量和濕潤指數(shù)趨于減小，氣候變干。