蒸發(fā)需求干旱指數(shù)在北疆干旱識別中的應用

帕麗扎提·玉素甫，衛(wèi)炎豪，巴特爾·巴克

（新疆農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，新疆 烏魯木齊 830052）

干旱災害一直在不同程度地影響著人類的生存發(fā)展［1］。已有數(shù)據(jù)表明，在已發(fā)生的自然災害中氣象災害占比高達70%，其中干旱災害又占50%左右［2］。在我國連年頻發(fā)的干旱災害事件［3］，使得大量農(nóng)田因旱受災而導致糧食產(chǎn)量急劇下降，嚴重影響著我國的糧食和生態(tài)安全，同時也是制約我國可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。為了準確地監(jiān)測和評估干旱，國內(nèi)外學者已提出150多種干旱指數(shù)，其中常用的有帕默爾干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index, PDSI)［8］、McKee等［9］提出的以降水為基礎的標準降水指數(shù)(Precipitation Index, SPI)、Vicente-Serrano等［10］提出的標準降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evaporation Index, SPEI)、Hao等［11］所提出的優(yōu)化氣象干旱指數(shù)(Optimized Meteorological Drought Index, OMDI)。

上述干旱指標均由降水或降水和氣溫數(shù)據(jù)所計算得出。近年來提出的基于大氣蒸發(fā)需求(E0)的蒸發(fā)需求干旱指數(shù)(Evaporative Demand Drought Index, EDDI)以其算法簡明、原理清晰等特點而得到了眾多研究者的喜愛，它與其他干旱指數(shù)的區(qū)別在于不需要遙感數(shù)據(jù)和降水數(shù)據(jù)，只需一些常見的地面氣象數(shù)據(jù)就可計算獲得［12］。在降水季節(jié)因無法準確地預測干旱信息，不需要降水數(shù)據(jù)的EDDI指數(shù)比其他干旱指數(shù)能夠提前幾個月更好地捕捉到干旱暴發(fā)的時間，這很好地說明了該指數(shù)具有良好的預測干旱的能力［13］。針對EDDI指數(shù)的這個特點，研究者在有關研究中指出，EDDI指數(shù)可以比標準土壤濕度指數(shù)(Standardized Soil Moisture Index, SSI)和SPI指數(shù)更早地預測干旱暴發(fā)的時間，而比美國干旱監(jiān)測(The U.S. Drought Monitor，USDM)指數(shù)能更早地預測驟發(fā)干旱的發(fā)生［14］。

新疆作為我國典型的干旱、半干旱地區(qū)，其干旱災害具有風險大、分布廣、危害嚴重、災害帶來的損失大等特點［15］。新疆北部地區(qū)歷年發(fā)生干旱的次數(shù)和強度不斷增加，有關數(shù)據(jù)表明，全疆降水量明顯下降，干旱情況嚴重，其中北疆降水量下降最明顯。北疆還發(fā)生了嚴重的春、夏、秋、冬連旱事件［16］，由此導致農(nóng)業(yè)及其他領域受到大面積的危害，這對于全疆乃至全國有著不可忽視的影響。歷年來均有利用其他干旱指數(shù)識別新疆干旱的研究，但目前尚未見有關利用EDDI指數(shù)識別北疆干旱的報道。因此，本研究利用基礎氣象數(shù)據(jù)，分全年及四季5個時間尺度，計算出北疆1961—2020年的蒸發(fā)需求干旱指數(shù)，以此識別北疆歷年的干旱發(fā)生情況，探究了北疆干旱的時空演變特征，以期為北疆干旱災害成災機制和干旱減災管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)是指新疆維吾爾自治區(qū)天山山脈以北的區(qū)域，北部邊緣地區(qū)為阿爾泰山脈，地理坐標為79°57′～91°32′E、43°23′～49°10′N［17］，總面積約為5.95×105km2，平均海拔為300～920 m，該地區(qū)地形復雜，四季分明，冬季和夏季時間長，而春季和秋季較短，晝夜溫差較大，屬于典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候。北疆地區(qū)降水量極少，年降水量只有150～250 mm，年平均日照時數(shù)2800 h，年平均溫度在-4～9 ℃之間，年平均風速為2.5～3.5 m/s［18］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用到的基礎氣象數(shù)據(jù)有日照時數(shù)(h)、平均水汽壓(hPa)、平均氣溫(℃)、平均最低氣溫(℃)、平均最高氣溫(℃)、平均相對濕度(%)和平均風速(m/s)等。本文利用國家氣象信息中心(http://cdc.nmic.cn/home.do)所提供的基礎氣象數(shù)據(jù)來計算北疆地區(qū)26個主要氣象站點的EDDI指標，其中26個氣象站分布如圖1所示。

1.3 大氣蒸發(fā)需求的估算

大氣蒸發(fā)需求或蒸發(fā)力(Evaporative Demand, E0)是指在大氣中存在的能夠控制各種下墊面類型蒸發(fā)過程的一種能力［19］。目前，大氣蒸發(fā)力的主要估算方法有3種：利用潛在蒸散方程、參考蒸散方程、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的實際測量等方法進行估算［20］。本研究所采用的是1965年被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)所提供的Penman-Monteith公式來近似估算E0，計算公式如下：

式 （1）中：E0為大氣蒸發(fā)力(mm/d)；Δ為2 m高處空氣溫度下飽和水汽壓曲線斜率(Pa/K)；γ為干濕表常數(shù)(Pa/K)；U為2 m高處的風速(m/s)；Rn為短波輻射(W/m2)；Ln為長波輻射(W/m2)；G為土壤熱通量(W/m2)；esat為飽和水汽壓(Pa)；ea為實際水汽壓(Pa)；Cn為常數(shù)，計算逐日E0時取值900；Cd表示常數(shù)，計算逐日E0時取值0.34。

1.4 EDDI指數(shù)的計算

EDDI指數(shù)的計算方法與SPI、SPEI不同，它是在一定時間尺度內(nèi)通過逐日E0計算值的大小進行排序，再創(chuàng)建E0的分布概率，同時對其進行正態(tài)標準化處理，其詳細計算方法及原理詳見文獻［12］。這種方法計算出來的指數(shù)可以有效地與其他指數(shù)進行對比分析。

一個時間尺度內(nèi)E0的累積分布概率的計算公式如下：

式（2）中：P(E0i)為E0的累計概率；i為E0累積量在研究時段內(nèi)排序后的秩(當E0最大時，i=1)；n為排序后序列的樣本總數(shù)，即研究時段的總年份。

基于Vicente-Serrano等［10］的反向正態(tài)方法計算EDDI，計算公式如下：

式（3）中：當EDDI=0時，說明E0的累積量在研究時間尺度內(nèi)等于氣候學的中位數(shù)，當EDDI＜0時表示所研究區(qū)域偏濕潤，當EDDI＞0時表示所研究區(qū)域偏干旱，而EDDI值越大表示越干旱。EDDI的范圍是n的函數(shù)，當n=60時，對應EDDI的范圍為±2.29。利用EDDI指數(shù)具有多時間尺度的優(yōu)點，本研究采用全年及四季5個時間尺度來計算新疆北部26個主要氣象站點的EDDI指數(shù)。

1.5 干旱發(fā)生頻率的計算

干旱發(fā)生頻率計算公式如下：

式（4）中，Pi表示干旱發(fā)生頻率，n表示干旱發(fā)生次數(shù)，N表示所研究年份長度(本研究為60)，i表示某級干旱強度(輕、中、重、特、極端)。

1.6 EDDI等級的劃分

本研究根據(jù)文獻［21］的方法，將EDDI分為輕旱(ED1)、中旱(ED2)、重旱(ED3)、特旱(ED4)、極端干旱(ED5)5種干旱等級。依據(jù)時間序列內(nèi)EDDI百分位值作為干旱等級的劃分標準，ED1、ED2、ED3、ED4、ED5干旱等級的EDDI值分別為0.511～0.817、0.817～1.232、1.232～1.555、1.555～1.872、≥1.872，其百分位分別為70%～80%、80%～90%、90%～95%、95%～98%、≥98%。

2 結果與分析

2.1 北疆大氣蒸發(fā)力的年際變化特征

由圖2可知，1961—2020年，北疆不同季節(jié)E0的年際變化特點不同。在研究期內(nèi)，北疆年均E0為1020.9 mm，最高值出現(xiàn)在1967年，為1159.4 mm，最低值出現(xiàn)在1993年，為927.0 mm，呈顯著性下降趨勢，氣候傾向率為-14.241 mm/10 a。北疆春季E0平均值為303.5 mm，占全年均值的29.7%，最高為416.1 mm，出現(xiàn)在1967年，最低為258.2 mm，出現(xiàn)在1988年，春季減少趨勢不明顯，氣候傾向率為-1.957 mm/10 a。北疆夏季E0平均值為509.7 mm，占全年均值的49.9%，最高為583.0 mm，出現(xiàn)在1974年，最低為454.2 mm，出現(xiàn)在1992年。夏季呈顯著性下降趨勢，氣候傾向率為-8.663 mm/10 a。北疆秋季E0平均值為176.3 mm，占全年均值的17.3%，最高值是在1971年，為206.0 mm，最低值在1992年，為151.7 mm，秋季呈顯著性下降趨勢，氣候傾向率為-3.511 mm/10 a。北疆冬季E0平均值為31.4 mm，占全年均值的3.1%，最高為42.3 mm，出現(xiàn)在1963年，最低為21.8 mm，出現(xiàn)在1984年，冬季減少趨勢不明顯，氣候傾向率為-0.111 mm/10 a。

圖2 1961—2020年北疆不同尺度E0的年際變化特征

2.2 基于EDDI的干旱識別

從全年EDDI圖可以看出(圖3)，北疆EDDI＞0.511的高值區(qū)主要集中在前20年，說明北疆26個氣象站點在這個時段干旱程度嚴重。其中，極端干旱發(fā)生在1967和1962年，1974年為特旱，1977、1965和1997年為重旱，1968、1963、1982、1978、1975和2008年為中旱，1971、1983、1980、1976、1961和2006年為輕旱。自1984年以來除1997、2006、2008年以外北疆處于濕潤狀態(tài)。

北疆春季EDDI變化波動性強，干旱年份不集中。1984—1996年明顯沒有發(fā)生過干旱。春季的極端干旱在1967和2020年，特旱在1962年，重旱在1961、1997和2008年，中旱在1974、2012、1968、2000、1965和1982年，輕旱在1977、2001、1963、1983、1981和1991年發(fā)生。

北疆夏季EDDI＞0.511的高值區(qū)主要集中在1962—1982年。除2008年外5種干旱等級的干旱年份均出現(xiàn)在這個時段內(nèi)，其中極端干旱在1974和1962年，特旱在1977年，重旱在1965、1968和1963年，中旱在1976、1975、1982、1978、1971和1966年，而輕旱則在2008、1979、1973、1980、1997和1976年發(fā)生，說明夏季北疆在這20年干旱嚴重。1983—2020年北疆處于濕潤狀態(tài)。

從北疆秋季EDDI圖可觀察到，EDDI＞0.511高值區(qū)較明顯集中在20世紀60～80年代，其中60和70年代較多，說明北疆秋季這30年干旱嚴重。其中，極端干旱發(fā)生在1971和1978年，特旱發(fā)生在1997年，重旱發(fā)生在1977、1966和1970年，中旱發(fā)生在1965、1962、1990、1980、1973和2007年，輕旱發(fā)生在1995、1975、1988、1982、1974和1967年。

北疆冬季EDDI波動性強，研究時段的前23 a干旱發(fā)生頻繁。北疆冬季極端干旱在1963和1967年，特旱在1983年，重旱在2015、1999和2007年，中旱在1982、1968、1973、1992、1975和1996年，輕旱在1979、1987、1978、1995、1970和2020年發(fā)生。

2.3 基于EDDI的四季空間變化特征

從空間分布看(圖4)，北疆過去60 a利用EDDI指標識別干旱情況中全年、春、夏和秋季干旱區(qū)基本一致。高值區(qū)主要分布在北疆南部的達坂城、烏魯木齊，中部的克拉瑪依，北疆北部的福海和北疆西部的阿拉山口、博樂等地，說明過去60 a北疆這些區(qū)域有不同程度的干旱發(fā)生。在這4個時間尺度上北疆干旱特征主要表現(xiàn)為從中部到東部和西部越來越濕潤的變化趨勢，而北疆東部的富蘊、清河，北疆西部的昭蘇等地為最濕潤地區(qū)沒有干旱發(fā)生。冬季的空間分布情況與其他4個時間尺度的表現(xiàn)不同，冬季的高值區(qū)主要分布在北部的哈巴河、吉木乃、塔城，南部的達坂城和西部的昭蘇、尼勒克等地，說明冬季這些地區(qū)干旱發(fā)生情況嚴重。冬季的空間干旱特征與其他4個時間尺度相反，冬季北疆干旱特征為中部最濕潤，從中部向外呈越來越干旱的分布特征。

圖4 1961—2020年北疆不同尺度EDDI的空間變化特征

2.4 基于EDDI的各級干旱發(fā)生次數(shù)的變化特征

不同干旱等級在北疆各年代發(fā)生次數(shù)的對比分析結果表明：總體來看，輕旱發(fā)生次數(shù)最多，特旱發(fā)生次數(shù)則最少。20世紀60～70年代各級干旱發(fā)生的次數(shù)明顯比其他年代的次數(shù)多。從20世紀90年代開始北疆發(fā)生干旱的情況有所好轉，發(fā)生次數(shù)顯著下降(表1)。

表1 年尺度的EDDI指數(shù)干旱等級發(fā)生次數(shù)

2.5 基于EDDI的各級干旱頻率變化特征

從干旱頻率變化結果得出(圖5)，過去60 a北疆這5種干旱強度發(fā)生次數(shù)越來越少，其中，輕旱發(fā)生次數(shù)最多，極端干旱發(fā)生次數(shù)最少。過去60 a北疆輕旱發(fā)生頻率最多的年份為1970年，中旱發(fā)生頻率最多的年份為1982年，重旱發(fā)生頻率最多的年份為1968年，特旱發(fā)生頻率最多的年份為1977年，極端干旱最嚴重的為1962年。

圖5 1961—2020年北疆各級干旱發(fā)生頻率的變化特征

3 結論與討論

3.1 大氣蒸發(fā)力的年際變化特征

從大氣蒸發(fā)力的年際變化特征得出，北疆在1961—2020年總體呈濕潤化的變化趨勢。在5個時間尺度中，大氣蒸發(fā)力減少最明顯的為夏季，其氣候傾向率為8.7 d/10 a；最不明顯的為冬季，其氣象傾向率為0.1 d/10 a；蒸發(fā)力最高的年份則為1967、1974、1971和1963年?？傮w來看，大氣蒸發(fā)力逐漸減小。

3.2 基于EDDI的年際變化特征

從5個時間尺度上北疆EDDI指數(shù)結果看出，全年和夏季結果基本一致，高值區(qū)很明顯地集中在前20 a，1980年之后干旱情況有很大的好轉。本研究的結果與吳燕鋒等［22］利用其他干旱指數(shù)得出的結果高度一致。而春季和冬季結果相似，階段性不明顯，發(fā)生中級以上干旱事件分布在各個年代。這可能與北疆特殊地理位置形成的北疆季節(jié)性強的氣候特點有關。而秋季干旱情況表現(xiàn)為前30 a干旱，后30 a旱情有所好轉的趨勢。EDDI在北疆四季上的干旱強弱順序表現(xiàn)為：冬季＞春季＞秋季＞夏季，這完全符合北疆的季節(jié)性特點。

3.3 基于EDDI的空間變化特征

空間上的變化特征得出，北疆冬季與其他4個時間尺度結果整體上相反。其他4個時間尺度結果基本一致，表現(xiàn)為濕潤地區(qū)主要在北疆東北和西南地區(qū)，而干旱區(qū)主要是在東南、中部及西北地區(qū)。然而冬季的變化規(guī)律則是從中部向四周越來越干旱的分布特征。在5個時間尺度上，干旱地區(qū)主要有達坂城、克拉瑪依、阿拉山口、博樂等，這與吳燕鋒等［22］利用6種干旱指標所得的結果基本一致。北疆大部分地區(qū)旱情逐漸減輕，雖說1980年之后北疆旱情有了很大的進步，但是特大干旱還是時有發(fā)生。因此，還需進一步與其他干旱指數(shù)結果進行對比分析。

3.4 各級干旱發(fā)生次數(shù)及頻率變化

各級干旱發(fā)生次數(shù)及頻率結果表明：輕旱＞中旱＞重旱＞特旱＞極端干旱，北疆干旱強度情況不嚴重。按照各年代對比分析，20世紀60～70年代各級干旱發(fā)生的次數(shù)明顯比其他年代的次數(shù)多，這與基于EDDI時間上的變化趨勢保持一致性。其中1962年發(fā)生極端干旱次數(shù)最多，說明北疆20世紀60年代旱情不為樂觀。

利用EDDI指標來識別北疆干旱年份與其他研究者利用綜合氣象干旱指數(shù)(CI)、SPEI指數(shù)和SPI指數(shù)得出的干旱年份的結果基本一致［22］。綜合氣象干旱指數(shù)的分析結果表示，全域性季節(jié)干旱在20世紀60年代較為頻發(fā)，從干旱強度的年代變化角度，結果也顯示以20世紀60年代為北疆干旱強度最大［24］，也與本研究結果一致。由于本研究所采用北疆26個氣象站點的全年(12月)和四季(3個月)時間尺度的平均EDDI，所識別出的結果只是北疆干旱的平均狀況，因此，對于北疆整體干旱情況，還可以從其他時間尺度和空間尺度上進行對比分析，才能更全面地反映北疆干旱的整體情況。