胡子瑛,周俊菊,張利利,魏　偉,曹建軍

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州　730070

IPCC第五次評估報告指出氣候變暖是毋庸置疑的事實(shí),20世紀(jì)50年代以來大氣變暖、海平面上升和溫室氣體增加等的速度是幾十年乃至上千年的時間里前所未有的,全球變暖改變了全球水循環(huán),高溫、干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件發(fā)生頻率與強(qiáng)度呈加劇趨勢[1- 2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他自然災(zāi)害所造成的損失。干旱是區(qū)域范圍內(nèi)因長期無降水或降水異常偏少而造成空氣干燥土壤缺水甚至干涸的現(xiàn)象,是氣候?yàn)?zāi)害中最主要的災(zāi)害之一,它具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍廣、后延影響大的特點(diǎn)[3]。干旱的頻繁發(fā)生不僅給國民經(jīng)濟(jì),特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失,還會造成水資源短缺、沙塵暴增加、荒漠化加劇等諸多不利的生態(tài)影響[3- 4]。對干旱進(jìn)行及時監(jiān)測、分析和評估十分必要[5]。干旱指數(shù)是開展干旱監(jiān)測、評估干旱風(fēng)險的基本依據(jù),也是研究干旱演變特征的有效工具[6- 7]。根據(jù)建立途徑的不同可以把干旱指數(shù)大致歸納為兩類[8],其中,通過氣象學(xué)方法研究降水量的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律[3]的方法具有計(jì)算簡單、指標(biāo)不涉及具體的干旱機(jī)理、適應(yīng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)[8],其代表性指標(biāo)是McKee等[9]提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)(SPI,Standardized Precipitation Index)。它比帕爾默干旱指數(shù)(PDSI,Palmer Drought Severity Index)更具有統(tǒng)計(jì)上的一致性[10],對干旱變化反映敏感[3],并能有效消除降水的時空分布差異[11],可以更好地表現(xiàn)出干旱的地區(qū)差異性[10],因而得到廣泛應(yīng)用[3,8,12- 17]。

中國北方地區(qū)干旱頻發(fā)[18],干旱已成為西部開發(fā)、東北商品糧基地和華北能源基地建設(shè)的一個主要障礙,給人民的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響[19- 20]。因此,北方地區(qū)干旱化問題一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)[18]。雖然相關(guān)研究[13,18,21-27]應(yīng)用不同干旱指數(shù)對中國北方不同地區(qū)干旱化趨勢進(jìn)行了分析,并取得一系列有意義的成果,但截至目前,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù),基于不同氣候干濕帶,探討中國北方地區(qū)氣候干濕變化及其空間差異特征的研究還鮮有報道。北方地區(qū)地域廣闊,氣候類型多樣,降水量時空分布差異大,而SPI指數(shù)能有效消除降水的時空分布差異,從而更好地表現(xiàn)出干旱的地區(qū)差異性。因此,本文選取SPI指數(shù)對中國北方地區(qū)及四大干濕區(qū)近55年氣候干濕變化過程進(jìn)行分析,揭示北方地區(qū)氣候干濕變化規(guī)律及不同干濕區(qū)氣候干濕變化的空間異質(zhì)性和內(nèi)在關(guān)聯(lián)性特征。以期為北方地區(qū)干旱監(jiān)測、預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)；為全球變化背景下,氣候干濕區(qū)的重新厘定提供參考。

1　研究區(qū)概況

如圖1所示,中國北方十五個省(區(qū)、市),包括東北(黑龍江省、吉林省、遼寧省)、華北(北京市、天津市、河北省、山西省、山東省、河南省、內(nèi)蒙古自治區(qū))、西北(陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū))[28]。據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒(2016)》記載,中國北方地區(qū)總面積約577.27萬km2,人口約5.76億,地區(qū)生產(chǎn)總值約297242億元,耕地面積約80.5萬km2,約占我國耕地總面積的60%,2015年農(nóng)作物受災(zāi)面積約13.9萬km2,其中旱災(zāi)受災(zāi)面積約9.4萬km2,約占全國旱災(zāi)受災(zāi)面積的89%。地跨濕潤、半濕潤、半干旱、干旱四大氣候干濕區(qū),干濕區(qū)劃分依據(jù)為多年平均降水量(大于800mm為濕潤區(qū)、400—800mm為半濕潤區(qū)、200—400mm為半干旱區(qū)、小于200mm為干旱區(qū))。

圖1　研究區(qū)Fig.1　The study area

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1　數(shù)據(jù)來源與處理

1960—2014年中國北方地區(qū)450個氣象站點(diǎn)逐月降水資料均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。為了保證數(shù)據(jù)的完整性,剔除其中缺測較多的站,選用其中320個站點(diǎn)55a的逐月氣象觀測資料,對個別月份有缺測值的21個氣象站點(diǎn),采用缺測站其余54a相同月份降水量的均值代替缺測值。

2.2　研究方法

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI及旱澇等級的劃分

降水分布是一種偏態(tài)分布,而不是正態(tài)分布,所以在降水分析和干旱評估中,采用伽瑪分布概率來描述降水量的變化,再經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后得到SPI值[13]。3月尺度SPI可以反映短期氣象旱澇特征,與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切；12月尺度SPI可標(biāo)識長期旱澇影響及持續(xù)時段,通常與河流水位,水庫水位,甚至地下水位相關(guān)度較高[3,29- 30]。因此,本文選取3月和12月尺度SPI進(jìn)行氣候干濕變化分析。季節(jié)劃分為：春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12—次年2月。取每季最后1月的SPI3值、每年最后一個月的SPI12值作為季節(jié)和年的SPI值。

根據(jù)相關(guān)研究[9,31],結(jié)合北方地區(qū)實(shí)際情況,對SPI旱澇等級進(jìn)行劃分(表1)。

表1　SPI旱澇等級

2.2.2干旱評價指標(biāo)

為了更加定量化地反映較大范圍內(nèi)的區(qū)域干旱發(fā)生程度,引入干旱站次比和干旱強(qiáng)度作為干旱評價指標(biāo)[32]。

(1)干旱站次比(Pj)：用某一區(qū)域內(nèi)發(fā)生干旱站數(shù)占全部站數(shù)的比例來評價干旱范圍的大小和嚴(yán)重程度,計(jì)算公式為：

Pj=mj/M×100%

(1)

式中：M代表研究區(qū)氣象站總數(shù)；j指代不同年份；mj為j年發(fā)生干旱的站數(shù)。當(dāng)Pj≥50%時,研究區(qū)域內(nèi)有一半以上的站發(fā)生干旱,為全域性干旱；當(dāng)50%>Pj≥33%時為區(qū)域性干旱；當(dāng)33%>Pj≥25%時為部分區(qū)域性干旱；當(dāng)25%>Pj≥10%時為局域性干旱；當(dāng)Pj<10%時為無明顯干旱發(fā)生。

(2)干旱強(qiáng)度(Sj)：用于評價干旱的嚴(yán)重程度,單站某時段內(nèi)的干旱強(qiáng)度可由SPI值反映,SPI絕對值越大,表示干旱越嚴(yán)重。計(jì)算公式為：

(2)

式中：i指不同站點(diǎn)代號,j指代不同年份,m為j年發(fā)生干旱的站數(shù),SPIi為發(fā)生干旱的i站SPI值。由旱澇等級可知：當(dāng)Sj<0.5時干旱強(qiáng)度不明顯；1>Sj≥0.5時為輕度干旱；1.5>Sj≥1時為中度干旱；Sj≥1.5時為重度干旱。

3　北方地區(qū)氣候干濕及年際干旱變化特征

3.1　年際干濕及年際干旱變化特征

3.1.1年際干濕變化特征

圖2　1960—2014年北方地區(qū)年SPI變化　Fig.2　Evolution of annual SPI in northern China from 1960 to 2014SPI指標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

由圖2可知,1960—2014年北方地區(qū)年SPI在波動中減少,其變化傾向率為-0.051/10a,呈干旱化趨勢。干旱年和濕潤年分別為15a和17a,重度及以上旱澇年份分別為4a(1997、1999、2001和1965年)、2a(1964年和1998年)。其中,1964年和1997年的SPI值分別為3.09和-2.26,分別屬特澇和特旱年份。據(jù)《新中國五十年統(tǒng)計(jì)資料匯編(1949—1999)》、《中國統(tǒng)計(jì)年鑒(2002)》記載,1964、1998年中國澇災(zāi)的受災(zāi)面積和成災(zāi)面積分別為14.9萬km2、10萬km2；22.3萬km2、13.8萬km2,均高于一般年份,1965、1997、1999、2001年中國旱災(zāi)的受災(zāi)面積和成災(zāi)面積分別為13.6萬km2、8.1萬km2；33.5萬km2、20.3萬km2；30.2萬km2、16.7萬km2；38.5萬km2、23.7萬km2,均高于一般年份。說明基于年降水量的SPI能夠較準(zhǔn)確地監(jiān)測到旱澇發(fā)生的年份。

從年代際SPI值來看,1960s的SPI為正值,有6a為濕潤年,1970s正常年份長達(dá)7a,其余3a旱澇程度較輕,1980s、1990s和2000s的SPI均為負(fù)值,發(fā)生干旱的年份和程度大于洪澇,為干旱期。其中1960s為最濕潤年代,2000s為最干旱年代。1960s—2000s的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.27、0.54、0.80、1.23、0.96,1960s干濕波動最劇烈,其次為1990s,1970s干濕波動最平緩。馬柱國、符淙斌[18,27]、李維京[21]、王志偉[23]、王素萍[25]等人運(yùn)用不同方法均得出北方地區(qū)呈干旱化發(fā)展趨勢,與本文結(jié)論較為一致。相關(guān)研究表明大氣環(huán)流異常是導(dǎo)致降水異常、干旱頻發(fā)的直接原因[33],而在2003—2005年,東亞季風(fēng)發(fā)生了由弱到強(qiáng)的年代際變化[34],使得近10年來中國北方地區(qū)干旱化狀況有所緩解。2010—2014年SPI均值為0.63,干旱化趨勢有所減緩。

3.1.2年際干旱變化特征

圖3　1960—2014年北方地區(qū)干旱站次比、干旱強(qiáng)度變化　Fig.3　Drought stations proportion and drought intensity in northern China from 1960 to 2014

從圖3可以看出,北方地區(qū)年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度在同步波動中均呈下降趨勢。①發(fā)生全域性干旱的有5a,發(fā)生區(qū)域性干旱的有13a,發(fā)生部分區(qū)域性干旱和局域性干旱的均有18a,有1a無明顯干旱發(fā)生。其中,站次比在1997年達(dá)到最大值65.31%,與北方地區(qū)年SPI值最小的年份一致,其次,是1965年62.81%,1998年年際干旱站次比降至最小值9.06%,與北方地區(qū)年SPI值次大的年份一致。②干旱強(qiáng)度下降幅度較小,13a為輕度干旱,42a為中度干旱。其中,干旱強(qiáng)度在1965年達(dá)到最大值1.37,為北方地區(qū)重度干旱年份,1998年年際干旱強(qiáng)度降至最小值0.82,與北方地區(qū)年SPI值次大的年份一致。綜上所述,近55年來北方地區(qū)以部分區(qū)域性干旱和局域性干旱為主,中度干旱發(fā)生的頻率最高。干旱站次比較高的年份,亦是干旱強(qiáng)度較大的年份。

3.2　季節(jié)干濕變化特征

由圖4可知,1960—2014年北方地區(qū)春季和冬季呈濕潤化趨勢,冬季濕潤化趨勢最明顯,其SPI變化傾向率為0.193/10a；夏季和秋季呈干旱化趨勢,夏季干旱化趨勢最顯著,其SPI變化傾向率為-0.1/10a。北方地區(qū)干旱化的主要貢獻(xiàn)者是夏季,其次為秋季。①春季,干旱年和濕潤年均為19a,重度及以上旱澇年份分別為2a和4a；②夏季,干旱年和濕潤年分別為17a和19a,重度及以上旱澇年份分別為5a和3a；③秋季,干旱年和濕潤年分別為16a和18a,重度及以上旱澇年份分別為4a和3a；④冬季,干旱年和濕潤年分別為17a和21a,重度及以上旱澇年份分別為5a和1a。

圖4　1960—2014年北方地區(qū)四季SPI變化Fig.4　Change of different seasons SPI in northern China from 1960 to 2014

不同年份的旱澇與季節(jié)旱澇之間的關(guān)系存在差異(表2)。 1964年特澇主要由該年春季和夏季特澇所致,1998年的重澇主要由該年春季特澇和夏季重澇所致；1965年的重旱主要由該年的秋季重旱所致,1997年的特旱主要由該年夏季特旱和秋季重旱所致,1999年的特旱主要由該年夏季特旱所致,2001年的重旱主要由該年的春季特旱所致。綜上所述,典型洪澇年的發(fā)生主要是由該年春季和夏季降水偏多所致,而典型干旱年的發(fā)生與該年度夏季和秋季降水偏少聯(lián)系密切。相關(guān)分析表明：北方地區(qū)年SPI值與夏季SPI值相關(guān)系數(shù)為0.863(通過0.001顯著性水平的檢驗(yàn)),為四季中最大。因此,北方地區(qū)夏季降水對年干濕狀況的變化起到?jīng)Q定性的作用。

表2　年和季節(jié)特旱(澇)和重旱(澇)年份對照表

4　不同干濕區(qū)氣候干濕及年際干旱變化特征

4.1　年際干濕及年際干旱變化特征

4.1.1年際干濕變化特征

(1)干濕變化整體特征

圖5　1960—2014年不同干濕區(qū)年SPI變化Fig.5　Evolution of annual SPI in different dry and wet areas from 1960 to 2014

由圖5可以看出,北方地區(qū)不同干濕區(qū)干濕變化趨勢差異顯著,濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)均呈干旱化趨勢,半濕潤區(qū)最為明顯,其年SPI變化傾向率為-0.108/10a(通過0.001顯著性水平的檢驗(yàn))；而干旱區(qū)和半干旱區(qū)均呈現(xiàn)濕潤化趨勢,干旱區(qū)最為顯著,其年SPI變化傾向率為0.309/10a(通過0.001顯著性水平的檢驗(yàn))。①濕潤區(qū),重度及以上旱澇年份分別為5a和3a,其中,2001年SPI值為-2.04,為特旱年份,1964年SPI值為2.89,為特澇年份；1960s干旱年和濕潤年分別為2a和4a,為最濕潤年代,1990s干旱年和濕潤年分別為5a和3a,為最干旱年代；②半濕潤區(qū),重度及以上旱澇年份分別為4a和1a,其中,1999年SPI值為-2.19,為特旱年份,1964年SPI值為3.08,為特澇年份；1960s—2000s一直在變干,1960s的干旱年和濕潤年分別為2a和5a,為最濕潤年代,2000s干旱年和濕潤年分別為4a和1a,為最干旱年代；③半干旱區(qū),重度及以上旱澇年份分別為2a和5a,其中,1965年SPI值為-2.66,為特旱年份,1998年SPI值為2.12,為特澇年份；2000s干旱年和濕潤年分別為5a和2a,為最干旱年代,1990s干旱年和濕潤年分別為2a和4a,為最濕潤年代；④干旱區(qū),重度及以上旱澇年份分別為4a和3a,其中,1962年SPI值為-2.18,為特旱年份,2010年SPI值為2.49,為特澇年份；1960s—2000s一直在變濕,1960s干旱年和濕潤年分別為4a和1a,為最干旱年代,2000s干旱年和濕潤年分別為0a和5a,為最濕潤年代,從1980s末開始,干旱區(qū)已進(jìn)入典型的濕潤期。

馬柱國等的相關(guān)研究[18,26- 27]表明我國北方干濕變化呈東西反向型：大致以100°E為界,以東地區(qū)呈干旱化趨勢,尤以西北地區(qū)東部、華北和東北中南部最為明顯；以西地區(qū)呈濕潤化趨勢,西北地區(qū)西部最為明顯,這與本研究中干旱區(qū)濕潤化趨勢顯著以及半濕潤區(qū)干旱化趨勢明顯的結(jié)論基本一致。相關(guān)研究[18,27,35]亦表明華北從1970s以來干旱嚴(yán)重,而西北自1980s中期以來出現(xiàn)變濕趨勢的原因可能與1970s中期至21世紀(jì)初東亞夏季風(fēng)明顯減弱有關(guān)。

(2)不同干濕區(qū)干濕變化相關(guān)性分析

從圖6年SPI 5a滑動平均可以看出：①濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)年SPI 5a滑動平均值均呈同步波動變化趨勢,其中,濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)年SPI 5a滑動平均值的相關(guān)系數(shù)為0.673(通過0.01顯著性水平的檢驗(yàn))(圖6a),半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)年SPI 5a滑動平均值的相關(guān)系數(shù)為0.387(通過0.01顯著性水平的檢驗(yàn))(圖6b)；②濕潤區(qū)和干旱區(qū)、半濕潤區(qū)和干旱區(qū)年SPI 5a滑動平均值均呈反向波動變化趨勢,其中,濕潤區(qū)和干旱區(qū)年SPI 5a滑動平均值的相關(guān)系數(shù)為-0.286(通過0.05顯著性水平的檢驗(yàn))(圖6c),半濕潤區(qū)和干旱區(qū)年SPI 5a滑動平均值的相關(guān)系數(shù)為-0.335(通過0.05顯著性水平的檢驗(yàn))(圖6d)。與此同時,濕潤區(qū)和半干旱區(qū)年SPI 5a滑動平均值的相關(guān)系數(shù)為-0.133(0.05和0.01顯著性水平的檢驗(yàn)均未通過),半干旱區(qū)和干旱區(qū)年SPI 5a滑動平均值的相關(guān)系數(shù)為0.068(0.05和0.01顯著性水平的檢驗(yàn)均未通過)。綜上所述,中國北方東部季風(fēng)區(qū)的濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)以及處于季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)分界線兩側(cè)的半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)氣候干濕變化均呈顯著同步波動變化趨勢,而中國北方東部季風(fēng)區(qū)的濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)與中國北方西部非季風(fēng)區(qū)的干旱區(qū)氣候干濕變化呈顯著反向波動變化趨勢。此規(guī)律是否存在于中國更大區(qū)域范圍,有待于進(jìn)一步深入研究。

圖6　不同干濕區(qū)年SPI 5a滑動平均波動過程圖Fig.6　Evolution of annual SPI 5 year moving average in different dry and wet areas

4.1.2年際干旱變化特征

從圖7可以看出,濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度均呈增加趨勢,而半干旱區(qū)和干旱區(qū)年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度均呈減少趨勢。①濕潤區(qū),干旱站次比有較明顯的增加趨勢,其變化傾向率為2%/10a,平均值為32.83%。55年中有18a發(fā)生區(qū)域性干旱,以區(qū)域性干旱為主(表3)；干旱強(qiáng)度亦呈增加趨勢,其變化傾向率為0.0147/10a,平均值為0.88,1960—2014年有27a為輕度干旱,以輕度干旱為主；②半濕潤區(qū),干旱站次比有較為明顯的增加趨勢,其變化傾向率為1.79%/10a,平均值為31.41%。有18a發(fā)生局域性干旱,以局域性干旱為主(表3)；干旱強(qiáng)度亦呈增加趨勢,其變化傾向率為0.0135/10a,平均值為1.08。有36a為中度干旱,以中度干旱為主；③半干旱區(qū),干旱站次比有微弱的下降趨勢,其變化傾向率為-0.08%/10a,平均值為31.11%,有18a發(fā)生局域性干旱,以局域性干旱為主(表3)；干旱強(qiáng)度亦呈微弱的下降趨勢,其變化傾向率為-0.0018/10a,平均值為1.05,有33a發(fā)生中度干旱,以中度干旱為主；④干旱區(qū),干旱站次比有明顯的下降趨勢(通過0.05顯著性水平的檢驗(yàn)),其變化傾向率為-4.76%/10a。平均值為31.28%,有15a發(fā)生局域性干旱,以局域性干旱為主(表3)；干旱強(qiáng)度亦呈顯著的下降趨勢(通過0.01顯著性水平的檢驗(yàn)),其變化傾向率為-0.0425/10a,平均值為1.07,有33a為中度干旱,以中度干旱為主。

圖7　1960—2014年不同干濕區(qū)干旱站次比、干旱強(qiáng)度變化Fig.7　Drought stations proportion and drought intensity in different dry and wet areas from 1960 to 2014

干旱站次比Droughtstationsproportion濕潤區(qū)Humidarea半濕潤區(qū)Semi-humidarea半干旱區(qū)Semi-aridarea干旱區(qū)Aridarea全域性干旱Universaldrought1210138區(qū)域性干旱Regionaldrought18111012部分區(qū)域性干旱Partlyregionaldrought112814局域性干旱Localdrought12181815無明顯干旱Unconspicuousdrought12466

相關(guān)研究表明,我國東北[36]、華北[37- 38]等地年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度均呈增加趨勢,新疆[39]、內(nèi)蒙古西部[40- 41]等地年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度均呈減少趨勢。與本研究中年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度在濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)增加,而在干旱區(qū)和半干旱區(qū)減少的結(jié)論基本一致。

4.2　季節(jié)干濕變化特征

4.2.1干濕變化整體特征

圖8　1960—2014年不同干濕區(qū)四季SPI傾向率　Fig.8　Tendency rate of different seasons SPI in different dry and wet areas from 1960 to 2014

從圖8可以看出,不同干濕區(qū)不同季節(jié)干濕變化情況存在較大差別。①濕潤區(qū),除冬季SPI呈增加趨勢外,其他3個季節(jié)SPI均呈減少趨勢,其中,秋季減少速度最快,干旱化趨勢最明顯；冬季易發(fā)生重旱及特旱(6a),春季易發(fā)生重澇及特澇(5a)；②半濕潤區(qū),夏季和秋季SPI呈減少趨勢,而春季和冬季SPI呈增加趨勢,冬季濕潤化趨勢明顯；夏季易發(fā)生重旱及特旱(6a),春季易發(fā)生重澇及特澇(5a)；③半干旱區(qū),除夏季SPI呈減少趨勢外,其他3個季節(jié)SPI均呈增加趨勢,冬季濕潤化趨勢最明顯；冬季易發(fā)生重旱及特旱(5a),春季易發(fā)重澇及特澇(6a)；④干旱區(qū),4個季節(jié)均呈濕潤化趨勢,其中,冬季的濕潤化最為顯著(通過0.001顯著性水平的檢驗(yàn))；夏季易發(fā)生重旱及特旱(5a),春夏均易發(fā)生重澇及特澇(均為5a)。不同干濕區(qū)均在夏冬兩季易發(fā)生重旱及特旱,在春季易發(fā)生重澇及特澇。

從表4可以看出,濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)極端濕潤年份均與該年春季和夏季降水偏多關(guān)系密切,而干旱區(qū)極端濕潤年份卻主要由該年春季和秋季降水偏多所致；濕潤區(qū)極端干旱年份主要由該年春旱和秋旱所致,而半濕潤、半干旱區(qū)和干旱區(qū)極端干旱年份均由該年夏旱所致。

4.2.2不同干濕區(qū)季節(jié)干濕變化相關(guān)性分析

(1)春季干濕變化相關(guān)性分析

從表5可以看出,春季,除濕潤區(qū)與干旱區(qū)干濕變化正相關(guān)不顯著(未通過任何顯著性水平的檢驗(yàn))之外,其他各干濕區(qū)之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系(均通過0.05顯著性水平的檢驗(yàn)),說明我國北方四大干濕區(qū)春季干濕旱澇變化具有較好的同步一致性。

(2)夏季干濕變化相關(guān)性分析

從表6可以看出,夏季,濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)與半干旱區(qū)SPI存在顯著正相關(guān)關(guān)系(均通過0.01顯著性水平的檢驗(yàn)),濕潤區(qū)與干旱區(qū)、半濕潤區(qū)與干旱區(qū)SPI存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(均通過0.01顯著性水平的檢驗(yàn)),說明濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)與半干旱區(qū)夏季干濕變化具有同步一致性,而濕潤區(qū)與干旱區(qū)、半濕潤區(qū)與干旱區(qū)夏季干濕變化具有明顯的反向波動特征,該規(guī)律與北方不同干濕區(qū)年SPI 5a滑動平均的相關(guān)關(guān)系非常一致。

表4　不同干濕區(qū)特旱(澇)年份的年和季節(jié)旱澇等級對照表

表5　不同干濕區(qū)春季SPI 5a滑動平均相關(guān)系數(shù)

*代表通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；**代表通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

表6　不同干濕區(qū)夏季SPI 5a滑動平均相關(guān)系數(shù)

*代表通過了0.05的水平檢驗(yàn)；**代表通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

(3)秋季干濕變化相關(guān)性分析

從表7可以看出,秋季,濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)與半干旱區(qū)、半干旱區(qū)與干旱區(qū)SPI具有顯著正相關(guān)關(guān)系(均通過0.01顯著性水平的檢驗(yàn)),而其他任何兩個干濕區(qū)之間SPI的相關(guān)性均不顯著,說明相鄰干濕區(qū)之間秋季干濕變化具有同步一致性,而非相鄰干濕區(qū)之間在秋季干濕變化過程中相關(guān)性較弱。

表7　不同干濕區(qū)秋季SPI 5a滑動平均相關(guān)系數(shù)

*代表通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；**代表通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

(4)冬季干濕變化相關(guān)性分析

從表8可以看出,任何兩個干濕區(qū)之間SPI均存在顯著正相關(guān)關(guān)系(均通過0.01顯著性水平的檢驗(yàn)),說明我國北方四大干濕區(qū)之間冬季干濕變化具有非常好的同步一致性。

表8　不同干濕區(qū)冬季SPI 5a滑動平均相關(guān)系數(shù)

*代表通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；**代表通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

5　結(jié)論

(1)北方地區(qū)年SPI在波動中下降,呈干旱化趨勢,1964年和1997年分別屬特澇和特旱年份,1960s為最濕潤年代,2000s為最干旱年代。年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度均在波動中同步下降。以部分區(qū)域性干旱和局域性干旱為主,中度干旱發(fā)生的頻率最高。

(2)北方地區(qū)在春冬兩季呈濕潤化趨勢,冬季更明顯,夏秋兩季呈干旱化趨勢,夏季更顯著。夏季降水對年干濕狀況的變化起到?jīng)Q定性的作用,為北方地區(qū)干旱化的主要貢獻(xiàn)者。

(3)不同干濕區(qū)干濕變化趨勢差異顯著：濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)均呈干旱化趨勢,半濕潤區(qū)更明顯,而干旱區(qū)和半干旱區(qū)均呈濕潤化趨勢,干旱區(qū)更顯著。濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)年際干旱站次比和干旱強(qiáng)度均呈上升趨勢,而干旱區(qū)和半干旱區(qū)則相反,干旱區(qū)下降明顯。濕潤區(qū)以區(qū)域性干旱為主,輕度干旱發(fā)生的頻率最高,半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)以局域性干旱為主,中度干旱發(fā)生的頻率最高。

(4)不同干濕區(qū)不同季節(jié)干濕變化差別較大：濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)呈現(xiàn)濕潤化趨勢的季節(jié)分別為一個(冬季)、兩個(春、冬季)、三個(春、秋和冬季)和四個(春、夏、秋和冬季)。濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)極端濕潤年份均與該年春夏降水偏多關(guān)系密切,而干旱區(qū)極端濕潤年份卻主要由該年春秋降水偏多所致；濕潤區(qū)極端干旱年份主要由該年春旱和秋旱所致,而半濕潤、半干旱區(qū)和干旱區(qū)極端干旱年份均由該年夏旱所致。

(5)中國北方東部季風(fēng)區(qū)的濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)以及處于季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)分界線兩側(cè)的半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)氣候干濕變化均呈顯著同步波動變化趨勢,而中國北方東部季風(fēng)區(qū)的濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)與中國北方西部非季風(fēng)區(qū)的干旱區(qū)氣候干濕變化呈顯著反向波動變化趨勢。夏季具有同樣的規(guī)律,而冬季和春季四大干濕區(qū)干濕變化具有較好的同步一致性,秋季相鄰干濕區(qū)之間干濕變化具有同步一致性,而非相鄰干濕區(qū)之間干濕變化相關(guān)性較弱。

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