我國(guó)干旱半干旱區(qū)氣候變化特征及其對(duì)干濕波動(dòng)的影響

朱飆 張強(qiáng) 李春華 黃鵬程 楊金虎 胡婕 劉晨汐

摘要 ?氣候干濕狀況是表征區(qū)域氣候特征的重要指標(biāo)，是在全球氣候變暖背景下，水循環(huán)與陸面蒸散發(fā)作用的綜合結(jié)果。本文從濕潤(rùn)度指數(shù)入手，結(jié)合降水與潛在蒸散的時(shí)空變化，分析了我國(guó)干旱半干旱區(qū)氣候特點(diǎn)與干濕變化特征及對(duì)土壤濕度的影響。分析發(fā)現(xiàn)：近50年來(lái)，我國(guó)干旱與半干旱區(qū)均呈變濕趨勢(shì)。干旱區(qū)與半干旱區(qū)潛在蒸散與降水月差值在年內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間上存在不一致，且干旱區(qū)明顯大于半干旱區(qū);3～9月為干旱氣候區(qū)潛在蒸散與降水差值大值期，3～6月半干旱區(qū)潛在蒸散明顯大于降水，7月起差值明顯減小。作用分析表明，在干旱區(qū)，降水對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的影響更大，而對(duì)于半干旱區(qū)，降水與潛在蒸散作用相當(dāng)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)整個(gè)干旱與半干旱區(qū)大部分土壤濕度在逐漸變干，尤其是農(nóng)業(yè)耕作層的淺層土壤，幾乎全區(qū)域一致呈現(xiàn)變干趨勢(shì)，說(shuō)明我國(guó)干旱半干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)存在較大的潛在干旱風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞 ?中國(guó)干旱半干旱區(qū); 氣候特征; 氣候干濕; 土壤濕度

氣候干濕變化是氣候變化的重要組成部分，是大氣水循環(huán)的體現(xiàn)，對(duì)地表輻射平衡（張強(qiáng)等，2014）、水熱過(guò)程（岳平等，2015）等有重大影響。目前，全球變暖已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，多種觀測(cè)資料一致表明，全球平均氣溫升高（IPCC，2021）。在全球氣候變化背景下，水循環(huán)以及降水量、水資源的分布也會(huì)發(fā)生變化，各地氣候干濕變化情況不盡相同。近年來(lái)，隨著對(duì)氣候變化更系統(tǒng)，更深入的研究，中國(guó)及典型區(qū)域的氣候干濕狀況正受到越來(lái)越多的關(guān)注。

張存杰等（2016）對(duì)我國(guó)氣候干濕研究歷程、方法、區(qū)劃進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。苑全治等（2017）分析了中國(guó)陸地1961—2015年氣候干濕狀況的時(shí)空分異規(guī)律，并討論了干濕變化的主導(dǎo)氣候因子。馬柱國(guó)等（2018）結(jié)合地表濕潤(rùn)指數(shù)與帕爾默干旱指數(shù)，對(duì)我國(guó)氣候干濕與旱澇的形態(tài)變化與調(diào)整進(jìn)行了研究。李明星和馬柱國(guó)（2012）等結(jié)合土壤濕度數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)氣候干濕進(jìn)行了不同于傳統(tǒng)方法的劃分結(jié)果。李宗梅等（2017）詳細(xì)分析了我國(guó)不同年代干濕波動(dòng)性規(guī)律的差異。張紅麗等（2016）利用濕潤(rùn)指數(shù)，對(duì)我國(guó)不同區(qū)域干濕化特征及原因進(jìn)行了研究分析。

對(duì)于氣候干濕的研究由于目標(biāo)不同，研究也各有側(cè)重。已有研究表明，全球氣候變化對(duì)干旱半干旱區(qū)影響更為顯著，在同樣的全球增溫幅度下，北半球中高緯地區(qū)的干旱與半干旱地區(qū)對(duì)氣候變暖響應(yīng)更敏感，增溫更快，受到的影響更大（Ji et al.，2014;Huang et al.，2017a）;同時(shí)，在氣候變化中，溫度變化是直接和主動(dòng)的，它是氣候變化的主導(dǎo)因素，而降水變化則是間接和被動(dòng)的，更多是對(duì)溫度變化的直接或間接響應(yīng);且氣候變暖影響的不利程度可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其有利程度（張強(qiáng)等，2011）。預(yù)計(jì)在不同的二氧化碳排放情境下，全球干旱與半干旱區(qū)、濕潤(rùn)區(qū)的面積發(fā)生明顯改變，干旱區(qū)面積均將增加（Huang et al.，2016a，2016b，2017b）。因此，我國(guó)干旱半干旱區(qū)也將同樣受到明顯的影響，面臨同樣的挑戰(zhàn)。此外，我國(guó)受典型夏季風(fēng)影響，在濕潤(rùn)區(qū)與干旱、半干旱區(qū)之間存在著一個(gè)明顯的氣候過(guò)渡帶。這個(gè)過(guò)渡帶大致分布在西北、華北，直至東北，幾乎全部位于我國(guó)北方廣大區(qū)域（胡豪然和錢(qián)維宏，2007;湯緒等，2007，2009）。這一過(guò)渡帶氣候受夏季風(fēng)活動(dòng)影響顯著，氣候干濕介于半濕潤(rùn)與干旱區(qū)之間，其氣候干濕對(duì)夏季風(fēng)進(jìn)退和強(qiáng)弱變化的依賴性最強(qiáng)，夏季風(fēng)強(qiáng)，當(dāng)年一部分半干旱區(qū)氣候相對(duì)濕潤(rùn)，夏季風(fēng)弱，當(dāng)年一部分半濕潤(rùn)區(qū)氣候相對(duì)變干。且該過(guò)渡區(qū)與我國(guó)其他地區(qū)有著不同的地表能量平衡和能量再分配特征（趙建華等，2011;喬梁等，2019;張強(qiáng)等，2019a）。這使得我國(guó)干旱與半干旱地區(qū)降水、蒸散的影響因素更多，氣候干濕變化更加復(fù)雜。最新的研究表明，西北干旱區(qū)降水增加與東亞夏季風(fēng)減弱直接相關(guān)，東亞夏季風(fēng)的減弱伴隨著西太平洋副熱帶高壓的西伸和蒙古反氣旋活動(dòng)的增加，促進(jìn)了東風(fēng)對(duì)來(lái)自印度洋和太平洋夏季水汽的向西輸送，這對(duì)近幾十年來(lái)西北干旱區(qū)降水增加起到重要作用（陳發(fā)虎等，2021）。同時(shí)，在21世紀(jì)受氣候變暖的影響，夏季風(fēng)雨帶將持續(xù)北移，中國(guó)北方和西部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性多雨的格局（丁一匯等，2018），這更深化了對(duì)我國(guó)北方干濕變化原因的認(rèn)識(shí)。

已有學(xué)者就我國(guó)北方地區(qū)氣候干濕進(jìn)行了相關(guān)研究（閆炎等，2010;唐敏等，2016;鄭然和李棟梁，2016;張耀宗等，2019），研究表明氣候干濕線隨時(shí)間變化存在較明顯南進(jìn)或北退，且氣候干濕與200 mm、400 mm等降水線一致性較好。但已有研究對(duì)我國(guó)干旱、半干旱區(qū)聚焦不夠，尤其是在我國(guó)干旱半干旱區(qū)西部呈現(xiàn)較明顯暖濕化背景下（馬鵬里等，2020;李明等，2021;王澄海等，2021;張強(qiáng)等，2021），對(duì)該區(qū)域氣候干濕變化與氣象影響因子響應(yīng)作用研究較少。鑒于此，本文利用濕潤(rùn)度指數(shù)，對(duì)我國(guó)干旱半干旱區(qū)氣候特征與干濕整體狀況及降水與潛在蒸散對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)變化的相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行研究，并同時(shí)對(duì)土壤干濕趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)氣候干濕較全面的加以展示。

1 資料與方法

1 1 資料

本文選用了中國(guó)陸地區(qū)域485個(gè)氣象臺(tái)站1971—2019年的逐日氣象資料（包括日最高氣溫，日最低氣溫，降水，日平均風(fēng)速，日照時(shí)數(shù)，日平均相對(duì)濕度）。選用標(biāo)準(zhǔn)為每個(gè)臺(tái)站每年缺測(cè)資料小于等于3 d，對(duì)于缺測(cè)資料采用前后兩天的均值進(jìn)行插補(bǔ)，如出現(xiàn)連續(xù)兩天資料缺測(cè)，采用相鄰兩天的資料進(jìn)行等分插補(bǔ)。本資料來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象信息中心，已經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，并在研究中被廣泛使用（李慶祥等，2010;楊溯和李慶祥，2014）。

采用ERA再分析資料四層土壤的含水量月值資料，深度分別為0～7 cm、7～28 cm、28～100 cm、100～289 cm，時(shí)間段為1979—2019年，分別采用線性插值到對(duì)應(yīng)的氣象站進(jìn)行分析。根據(jù)Liu et al.（2014）與張人禾等（2016）對(duì)多種再分析土壤資料均方根誤差的對(duì)比分析，ERA土壤濕度在量值上最接近觀測(cè)值，而CFSR、NCEP、JRA資料中的量值則依次次之，MERRA土壤濕度量值與觀測(cè)相差最大，因此在這里采用ERA再分析土壤資料。

采用我國(guó)部分農(nóng)業(yè)氣象站1992—2012年的土壤測(cè)墑資料。通過(guò)王愛(ài)慧等（2020）對(duì)中國(guó)西北地區(qū)陸地水分收支的分析，可知該資料準(zhǔn)確可靠。

1 2 方法

1 2 1 濕潤(rùn)度指數(shù)

濕潤(rùn)度指數(shù)是結(jié)合降水與潛在蒸散影響的基礎(chǔ)上來(lái)表征氣候干濕程度，本文采用Hulme et al.（1992）給出的定義，如式（1）所示，它已在氣候變化研究中被廣泛應(yīng)用（張存杰等，2016;張紅麗等，2016;李宗梅等，2017;苑全治等，2017;馬柱國(guó)等，2018）。

MI= ?P ?PET 。 ???（1）

其中：MI是濕潤(rùn)度指數(shù)，為無(wú)量綱數(shù); P 是年降水量，單位為mm;PET是年潛在蒸發(fā)量，單位為mm。

1 2 2 潛在蒸散

潛在蒸散采用已被廣為認(rèn)可的FAO Penman-Monteith公式計(jì)算（Allen et al.，1998，2007）。已有研究表明：該公式理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)、物理意義明確，全面考慮了能量平衡和水汽擴(kuò)散理論，能夠充分反映各氣象要素的綜合影響，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，適應(yīng)于不同氣候類型地區(qū)潛在蒸散量的計(jì)算（高歌等，2006;Cai et al.，2007），見(jiàn)式（2）（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2017）：

PET= 0 408 Δ（ R ?n -G）+ γ ?900 T ??mean +273 ?u ?2（ e ?s- e ?a） ?Δ+ γ（1+0 34 u ?2） 。 ??（2）

其中：PET為潛在蒸散量（mm·d ?-1 ）; Δ 為飽和水汽壓曲線斜率; γ 為干濕表常數(shù)（kPa·℃ ?-1 ）; R ?n為地表凈輻射（MJ·m ?-2 ·d ?-1 ）， G 為土壤熱通量（MJ·m ?-2 ·d ?-1 ）; T ??mean 為日平均氣溫（℃）; u ?2為2 m高度處風(fēng)速（m·s ?-1 ）; e ?s為飽和水汽壓（kPa）; e ?a為實(shí)際水汽壓（kPa）。計(jì)算中每天的 G 可以忽略不計(jì)。但月時(shí)間尺度，假設(shè)在適當(dāng)?shù)耐寥郎疃?、土壤熱容量為常?shù)2 1 MJ·m ?-3 ·℃ ?-1 時(shí)，由（3）式來(lái)估算月土壤熱通量 G ，進(jìn)一步獲得潛在蒸散的多年平均值。

G= c s T i-T ?i-1 ??Δ t ?Δ z= c s Δ z ?Δ t （T ??momth ，i -T ??momth ，i-1 ）= 0 14（T ??month ，i -T ??month ，i-1 ）。 ???（3）

其中：T ??momth ，i 第i月時(shí)的平均氣溫（ ℃ ）;T ??month ，i-1 上月 平均氣溫（℃）。

由于我國(guó)面積廣袤，氣候類型多樣，為后續(xù)分析方便，先采用全國(guó)1971—2019年的平均濕潤(rùn)度指數(shù)，對(duì)我國(guó)陸地區(qū)域進(jìn)行了氣候區(qū)劃，劃分標(biāo)準(zhǔn)按照極端干旱區(qū)（MI<0 03）、干旱區(qū)（0 03≤MI<0 2）、半干旱區(qū)（0 2≤MI<0 5）、半濕潤(rùn)區(qū)（0 5≤MI<1）、濕潤(rùn)區(qū)（MI≥1）5種類型（圖1a），圖中紅實(shí)線是本文擬研究區(qū)域，這一劃分結(jié)果與其他研究劃分結(jié)果非常一致（李宗梅等，2017;苑全治等，2017）。進(jìn)一步聚焦于我國(guó)干旱、半干旱區(qū)進(jìn)行分析（圖1b），對(duì)于極端干旱區(qū)，在此一并包含在干旱區(qū)內(nèi)分析。全國(guó)485個(gè)氣象站位于干旱與半干旱區(qū)的有80站，其中44站位于干旱區(qū)，36站位于半干旱區(qū)，研究區(qū)域與干旱、半干旱區(qū)氣象站點(diǎn)位置如圖1b所示。

1 2 3 線性回歸方法確定相對(duì)貢獻(xiàn)率

為分析降水與潛在蒸散對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)，借鑒Fu and Feng（2014）采用的方法，對(duì)（1）式進(jìn)行差分，得到（4）式，將其中PET與MI分別用研究區(qū)每站的多年平均值代替，各站點(diǎn)多年的濕潤(rùn)度指數(shù)變化值、降水變化值、潛在蒸散的變化值，則構(gòu)成了二元線性函數(shù)，以左邊相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的變化值以及右邊降水與潛在蒸散的變化值分別作為被擬合量、擬合因子，通過(guò)回歸量與因子以及因子與因子的協(xié)方差，對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)各站點(diǎn)建立二元線性回歸方程，求得各回歸系數(shù)，通過(guò)擬合方差確定降水與潛在蒸散對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率（黃嘉佑，2004）。

Δ MI= ?Δ P PET -MI ?Δ PET PET 。 ???（4）

2 結(jié)果與分析

2 1 我國(guó)干旱與半干旱區(qū)基本氣候特征

近50 a以來(lái)，我國(guó)干旱與半干旱區(qū)溫度均呈現(xiàn)出顯著的逐漸上升的趨勢(shì)，從擬合直線的斜率可以確定，干旱區(qū)與半干旱區(qū)線性增溫傾向率分別為0 399 ℃／（10 a）和 0 371 ℃／（10 a），干旱區(qū)略大于半干旱區(qū)，且均在20世紀(jì)80年代增溫加快，2010年前后增溫有所趨緩，隨后又逐步加快，二者的變化趨勢(shì)非常一致，因此，干旱與半干旱區(qū)總體的變化趨勢(shì)與二者也一致（圖2），且與全球變暖特征基本相似（蘇京志等，2016）。

從我國(guó)干旱與半干旱區(qū)潛在蒸散多年距平變化可見(jiàn)（圖4），近50 a我國(guó)干旱區(qū)與半干旱區(qū)潛在蒸散變化趨勢(shì)一致性非常好，均呈現(xiàn)一致的減少趨勢(shì)，干旱區(qū)的減少更明顯。從逐時(shí)段看，潛在蒸散似乎存在較明顯的準(zhǔn)20 a周期，自20世紀(jì)70年代到80年代，存在一潛在蒸散偏大期，隨后自20世紀(jì)80年代到90年代中期，存在一潛在蒸散偏小期，此后直到2010年之前，干旱與半干旱區(qū)均又出現(xiàn)潛在蒸散的輕微偏大時(shí)段，并且后面周期的變化幅度較上一歷史周期幅度小，而最近10 a，潛在蒸散的變化趨勢(shì)不明顯。因干旱與半干旱區(qū)潛在蒸散變化趨勢(shì)一致，因此該區(qū)域總體變化與之相似。最近10余年，干旱半干旱區(qū)潛在蒸散的偏小時(shí)段與趨勢(shì)不明顯時(shí)段，與該區(qū)域濕化在時(shí)間上有對(duì)應(yīng)，因此，應(yīng)該可判斷為研究區(qū)濕化的原因之一。

2 2 ?我國(guó)干旱與半干旱區(qū)氣候干濕波動(dòng)與土壤濕度變化特征

2 2 1 ?我國(guó)干旱與半干旱區(qū)濕潤(rùn)度指數(shù)的時(shí)間變化特征

本節(jié)對(duì)我國(guó)干旱、半干旱區(qū)及該區(qū)域整體多年來(lái)濕潤(rùn)度指數(shù)的變化進(jìn)行分析。由圖5可見(jiàn)，我國(guó)干旱、半干旱區(qū)及該區(qū)域整體多年來(lái)濕潤(rùn)度指數(shù)雖有上升趨勢(shì)，但非常輕微，同時(shí)，半干旱區(qū)較干旱區(qū)濕潤(rùn)度指數(shù)上升趨勢(shì)在數(shù)量級(jí)上要大一點(diǎn);當(dāng)然，因濕潤(rùn)度指數(shù)本身量值很小，因此，這一變化趨勢(shì)，對(duì)于研究區(qū)域氣候干濕影響是存在影響的。

由于我國(guó)干旱與半干旱區(qū)主要降水時(shí)段明顯不同，因此，進(jìn)一步對(duì)干旱區(qū)與半干旱區(qū)潛在蒸散與降水差值的月變化進(jìn)行分析。由圖6a可見(jiàn)，對(duì)于干旱區(qū)而言，潛在蒸發(fā)減去降水后，一年之內(nèi)均為正值，差值自3月起就增大到近60 mm，隨后快速增大，4—8月差值均大于100 mm，直到9月回落到100 mm以下，說(shuō)明對(duì)干旱區(qū)而言，3—9月均為氣候干期，同時(shí)該時(shí)段干旱發(fā)生的可能較大，這與該區(qū)域春旱、春末夏初旱、伏旱頻繁發(fā)生相對(duì)應(yīng)，同時(shí)，干旱區(qū)在一年大部分時(shí)段中，降水始終處于蒸發(fā)狀態(tài)，并且隨著降水集中期的到來(lái)，蒸發(fā)也進(jìn)一步增大，這也表明了該地區(qū)長(zhǎng)期處于能量主導(dǎo)狀態(tài)。對(duì)于半干旱區(qū)而言，由圖6b可見(jiàn)，潛在蒸發(fā)減去降水之后的年內(nèi)變化與干旱區(qū)在時(shí)間上差異非常明顯，在1—5月，為差值快速增大期，5月達(dá)到年內(nèi)最大值，超過(guò)100 mm，6月開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，潛在蒸散與降水的差值開(kāi)始回落，小于5月，

但差值依然較大，說(shuō)明半干旱區(qū)這一時(shí)段處于能量為主導(dǎo)的蒸發(fā)狀態(tài)，同時(shí)也表明該區(qū)域干旱易發(fā)生的主要時(shí)段在3—6月。7—10月潛在蒸散與降水差值變小，穩(wěn)定在40～60 mm，這與降水集中期的出現(xiàn)時(shí)間相一致。干旱區(qū)與半干旱區(qū)潛在蒸散與降水差值在年內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間上存在不一致，同時(shí)干旱區(qū)月差值平均在80 mm以上，而半干旱區(qū)月差值平均在50 mm，這是二者最主要的兩點(diǎn)差異。

一般在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，濕潤(rùn)度指數(shù)的變化取決于降水與潛在蒸散的自然變化，二者在不同時(shí)段、不同地區(qū)會(huì)表現(xiàn)出不同的變化關(guān)系。同時(shí)由于我國(guó)干旱與半干旱區(qū)地域廣大，氣候特征不同，干旱區(qū)大部分降水在200 mm以下，半干旱地區(qū)降水在200～400 mm。進(jìn)一步對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)的降水與潛在蒸散距平分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（圖7）。圖7給出的干旱區(qū)和半干旱區(qū)1971—2019 年49 a，逐站點(diǎn)降水距平與潛在蒸散距平的配置關(guān)系，可以看出，干旱區(qū)與半干旱區(qū)的降水與潛在蒸散配置關(guān)系差別較大。干旱區(qū)站點(diǎn)降水與潛在蒸散距平標(biāo)準(zhǔn)化之后，主要分布在二四象限，正的降水距平對(duì)應(yīng)負(fù)的潛在蒸散距平，反之，負(fù)的降水距平對(duì)應(yīng)正的潛在蒸散距平，也即在西部，氣象站點(diǎn)代表區(qū)域的氣候干濕變化表現(xiàn)為“干者越干，濕者越濕”的特征，這與已有的研究結(jié)論，我國(guó)西部廣大的半干旱區(qū)逐步更干，濕潤(rùn)區(qū)更濕類似（Huang and Coauthors，2008;Zhu et al.，2022）。而在我國(guó)半干旱區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)化后的降水與潛在蒸散距平圍繞原點(diǎn)分布在四個(gè)象限，表明在這一區(qū)域，干濕變化規(guī)律不明顯，氣候干濕變化隨機(jī)性強(qiáng)，不確定性較大。

2 2 2 ?我國(guó)干旱與半干旱區(qū)濕潤(rùn)度指數(shù)的空間變化特征

通過(guò)對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)近50 a濕潤(rùn)度指數(shù)的氣候趨勢(shì)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由圖8a可見(jiàn)，我國(guó)干旱半干旱區(qū)在此時(shí)段變濕趨勢(shì)明顯，氣候趨勢(shì)系數(shù)在0～0 55，尤其是干旱與半干旱區(qū)105°E以西區(qū)域只有極個(gè)別站點(diǎn)變干，而東邊變干站點(diǎn)個(gè)數(shù)較西邊為多，但占總體站數(shù)的比例也很低。為進(jìn)一步查看近20 a我國(guó)干旱半干旱區(qū)干濕與之前時(shí)段的變化，用2001—2019年濕潤(rùn)度指數(shù)的均值與1971—2000年濕潤(rùn)度指數(shù)的氣候態(tài)值進(jìn)行相減，由圖8b可見(jiàn)，我國(guó)干旱半干旱區(qū)由西自東呈現(xiàn)較一致的濕化趨勢(shì)，只有少部分站點(diǎn)較20世紀(jì)后30 a變干，但無(wú) 論變 干變濕，濕潤(rùn)度指數(shù)變化值均較小，約在 -0 05～0 11。

2 2 3 我國(guó)干旱與半干旱區(qū)土壤濕度變化特征

既然降水與潛在蒸散均直接影響一地氣候的干濕，同時(shí)土壤濕度也反過(guò)來(lái)影響氣候干濕，二者之間有互饋關(guān)系（李明星和馬柱國(guó)，2012;張人禾等，2016）。那么，在前述的我國(guó)干旱與半干旱區(qū)氣候干濕變化特征下，土壤濕度如何變化？為此，接下來(lái)使用再分析土壤濕度數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)降水與潛在蒸散對(duì)土壤濕度的影響進(jìn)行分析。在使用再分析土壤濕度資料前，與選取的我國(guó)干旱與半干旱區(qū)從西到東四個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1992—2012年的實(shí)測(cè)土壤濕度進(jìn)行了對(duì)比分析，由于實(shí)際土壤測(cè)墑深度不足1 m，因此對(duì)再分析0～7 cm、7～28 cm、28～100 cm層三層土壤濕度求取平均后進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)比對(duì)，兩種資料雖有差異，但具有較好的線性關(guān)系，在趨勢(shì)分析中有較好的可信度（圖9）。

將再分析土壤濕度插值到研究區(qū)域?qū)?yīng)氣象站點(diǎn)后，與降水及潛在蒸散進(jìn)行相關(guān)性分析。從降水與不同深度土壤濕度的時(shí)間相關(guān)性（圖10a）可見(jiàn)，長(zhǎng)期平均降水與不同深度土壤濕度有著較小的正相關(guān)，對(duì)于最深的100～289 cm土壤濕度影響最小;從潛在蒸散與不同深度土壤濕度的時(shí)間相關(guān)性分析（圖10b）可見(jiàn)，潛在蒸散與0～7 cm、7～28 cm、28～100 cm層土壤濕度有著顯著的負(fù)相關(guān)，與最深的100～289 cm土壤相關(guān)性較差，說(shuō)明深層土壤受潛在蒸散影響相對(duì)較小。由圖10可見(jiàn)，在研究區(qū)域，土壤濕度受到降水的正效應(yīng)影響，受到潛在蒸散的負(fù)效應(yīng)影響，且潛在蒸散的負(fù)效應(yīng)似乎大于降水的正效應(yīng)，因此，有必要對(duì)研究區(qū)域土壤濕度的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2 2 4 土壤濕度的變化趨勢(shì)

既然潛在蒸散與降水均影響著土壤濕度，且潛在蒸散的影響似乎更明顯，那么我國(guó)干旱區(qū)與半干旱區(qū)土壤濕度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)究竟是變濕還是變干？為此，在前述資料比對(duì)的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域1979—2019年土壤濕度的氣候趨勢(shì)進(jìn)行分析。由圖11可見(jiàn)，從長(zhǎng)期看，我國(guó)干旱與半干旱區(qū)0～7 cm、7～28 cm、28～100 cm深度土壤層濕度均主要呈現(xiàn)為變干趨勢(shì)，氣候傾向率主要以負(fù)值為主（圖中黑色虛線左側(cè)），其中0～7 cm、7～28 cm、28～100 cm土壤濕度變干站點(diǎn)分別占到分析站點(diǎn)的77 5％、77 5％、67 5％，100～289 cm深度土壤層與其余土壤層變化趨勢(shì)差異明顯，近60％站點(diǎn)氣候傾向率主要以正值為主（圖中黑色虛線右側(cè)），主要在干旱氣候區(qū)，但變干站點(diǎn)仍然占到41 3％，主要在半干旱區(qū)。深層土壤與淺層土壤氣候變化趨勢(shì)不完全一致，與我國(guó)干旱與半干旱區(qū)氣候長(zhǎng)期的濕化相對(duì)應(yīng)?？梢?jiàn)，盡管我國(guó)干旱與半干旱區(qū)大部分區(qū)域氣候逐漸變濕，但長(zhǎng)期以來(lái)，該區(qū)域土壤濕度變化趨勢(shì)并沒(méi)有與氣候干濕變化完全對(duì)應(yīng)，尤其是農(nóng)業(yè)耕作層的淺層土壤，幾乎一致呈變干趨勢(shì)，這說(shuō)明我國(guó)干旱與半干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)存在較大的潛在干旱風(fēng)險(xiǎn)。

2 3 ?降水與潛在蒸散對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)濕潤(rùn)度指數(shù)影響

為了分析我國(guó)干旱與半干旱區(qū)降水與潛在蒸散對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)，根據(jù)前述公式（4）建立二元線性回歸方程，通過(guò)對(duì)回歸量與因子以及因子與因子的協(xié)方差構(gòu)成的矩陣求逆矩陣，得到各方程回歸系數(shù)，并通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，隨后以復(fù)相關(guān)系數(shù)確定降水與潛在蒸散變化對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)變化的相對(duì)貢獻(xiàn)大小，對(duì)結(jié)果按照干旱與半干旱區(qū)繪制了箱線圖。由圖12可見(jiàn)，對(duì)于干旱區(qū)而言，降水對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的平均相對(duì)貢獻(xiàn)在62 8％，潛在蒸散對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的平均相對(duì)貢獻(xiàn)在37 2％，顯然對(duì)干旱區(qū)，降水對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的影響更大;而對(duì)于半干旱區(qū)而言，降水與潛在蒸散的平均相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為51 5％和48 5％，二者作用相當(dāng)。

3 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)降水與潛在蒸散、濕潤(rùn)指數(shù)的分析，結(jié)合再分析土壤濕度資料，得到以下主要結(jié)論：

1）近50 a我國(guó)干旱與半干旱區(qū)氣候特征表現(xiàn)為溫度與降水均呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，干旱與半干旱區(qū)增溫速率非常接近，對(duì)降水而言，半干旱區(qū)降水增加更為明顯;干旱與半干旱區(qū)潛在蒸散均表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，干旱區(qū)潛在蒸散減少更加明顯。

2）由于表征氣候干濕的濕潤(rùn)度指數(shù)與降水與潛在蒸散均有著直接關(guān)系，降水的增加與潛在蒸散的減少，促使我國(guó)干旱與半干旱區(qū)氣候變濕趨勢(shì)明顯，這也從兩個(gè)氣候分區(qū)濕潤(rùn)度指數(shù)的氣候趨勢(shì)系數(shù)以及近20 a濕潤(rùn)度指數(shù)與20世紀(jì)末30 a相減的 差值上得到印證。我國(guó)干旱氣候區(qū)降水與潛在蒸散標(biāo)準(zhǔn)化距平配置多為反相，而半干旱氣候區(qū)二者配置更復(fù)雜。降水與潛在蒸散對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的影響作用分析表明，在干旱區(qū)，降水對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)的影響更大，而對(duì)于半干旱區(qū)，二者作用相當(dāng)。

3）從我國(guó)干旱與半干旱區(qū)潛在蒸散與降水差值的月變化可見(jiàn)，對(duì)干旱區(qū)而言，在3—9月，潛在蒸散大于降水，這一時(shí)期干旱有較大的發(fā)生可能，這與干旱區(qū)春旱、春末夏初旱、伏旱，直至秋旱均易發(fā)生相對(duì)應(yīng);對(duì)于半干旱區(qū)而言，干旱易發(fā)生的主要時(shí)段在一年中的3—6月，年內(nèi)7月起，潛在蒸散與降水差值明顯減小，這與干旱區(qū)有顯著的差異，此外，干旱區(qū)潛在蒸散與降水月差值明顯大于半干旱區(qū)。

4）綜合分析降水與潛在蒸散對(duì)我國(guó)干旱與半干旱區(qū)土壤濕度的影響后發(fā)現(xiàn)，盡管我國(guó)干旱與半干旱區(qū)逐漸變濕，但長(zhǎng)期以來(lái)，該區(qū)域大部土壤濕度在逐漸變干，尤其是農(nóng)業(yè)耕作層的淺層土壤，幾乎較一致呈現(xiàn)變干趨勢(shì)，這說(shuō)明我國(guó)干旱與半干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)存在較大的潛在干旱風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于深層土壤，干旱與半干旱區(qū)有約2／3站點(diǎn)呈現(xiàn)變濕趨勢(shì)。

氣候變暖已對(duì)全球氣候造成影響，使得地表蒸散增加，水循環(huán)加快，我國(guó)西北干旱與半干旱區(qū)尤為明顯（張強(qiáng)等，2022）。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)北方干旱區(qū)氣候主要受西風(fēng)環(huán)流控制，以夏季降水為主，常年水汽主要來(lái)源于中緯度西風(fēng)輸送（Chen et al.，2019;張強(qiáng)等，2019b），新的研究表明，同時(shí)包圍東亞大陸的太平洋年代尺度振蕩（PDO）、北大西洋多年代尺度振蕩（AMO）以及印度洋海盆模態(tài)（IOBM）通過(guò)不同位相的組合，可分別對(duì)東亞夏季風(fēng)產(chǎn)生影響（丁一匯等，2020），進(jìn)而影響北方氣候干濕?？梢?jiàn)，確如有學(xué)者指出，分析偏暖波動(dòng)的分布規(guī)律及其與大洋濤動(dòng)的聯(lián)系機(jī)制，有助于理解我國(guó)近百年氣候變化（嚴(yán)中偉等，2020）。目前對(duì)全球各干旱區(qū)氣候變化成因的認(rèn)識(shí)分歧很大，對(duì)造成干旱半干旱區(qū)氣候變化的機(jī)理和數(shù)值模擬研究還十分缺乏，尚不能定量區(qū)分自然變化和人類活動(dòng)等因素的相對(duì)貢獻(xiàn)（黃建平等，2013）。因此，僅通過(guò)分析降水與潛在蒸散，以及濕潤(rùn)度指數(shù)變化來(lái)研究我國(guó)干旱與半干旱區(qū)氣候干濕還很不全面，后續(xù)將結(jié)合水循環(huán)與大氣環(huán)流及海洋因子，對(duì)我國(guó)干旱、半干旱區(qū)進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，以深入理解該區(qū)域的氣候干濕變化及其他因子對(duì)該氣候區(qū)的長(zhǎng)期影響。

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Characteristics of climate change in arid and semi-arid areas of China and its influence on climatic dry-wet fluctuation

ZHU Biao ?1，2，3 ，ZHANG Qiang 2，LI Chunhua 4，HUANG Pengcheng 1，YANG Jinhu ?1，2，3 ，HU Jie 1， LIU Chenxi 1

1Lanzhou Regional Climate Center，Lanzhou 730020，China;

2Institute of Arid Meteorology，CMA／Key Open Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction of CMA／Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province，Lanzhou 730020，China;

3Gansu Province Meteorology Bureau，Lanzhou 730020，China;

4Lanzhou Resources ＆ Environment Voc-Tech University，Lanzhou 730021，China

Climate wetness and dryness are important indicators of regional climate characteristics，which are the comprehensive results of the water cycle and land surface evapotranspiration in the context of global warming.Based on the wbtness index and the spatiotemporal variation of precipitation and potential evapotranspiration （PET），this paper analyzes the characteristics of climate change and climatic dry-wet variation and its effects on soil moisture in arid and semi-arid areas in China.The analysis reveals that Chinas arid and semi-arid areas have become wet in the past 50 years.The monthly difference in PET and precipitation between arid and semi-arid areas is inconsistent over the year，and the arid area is obviously larger than the semi-arid area.From March to September，the PET is greater than the precipitation in the arid areas，and from March to June，the PET is greater than the precipitation in the semi-arid areas of China.Since July，the difference has decreased significantly.The wetness index is analyzed using the difference method，and the results show that precipitation has more influence on the wetness index than PET in the arid region，while precipitation and PET have similar influences in the semi-arid region.For a long time，the majority of soil moisture in arid and semi-arid areas in China has gradually become drier，especially the plough layer，which has shown a trend of becoming drier throughout the entire region，indicating that there are great potential drought risks in northern agricultural and animal husbandry production.

arid and semi-arid areas of China;climatic characteristics;climatic dry-wet;soil moisture

doi：10 13878／j.cnki.dqkxxb.20221101012

（責(zé)任編輯：劉菲）