鞏　杰，高秉麗，李 焱，靳甜甜，張云霞，朱月華

1960-2020年黃河流域氣候干濕狀況時空分異及變化趨勢*

鞏杰，高秉麗，李 焱，靳甜甜，張云霞，朱月華

（蘭州大學資源環(huán)境學院/西部環(huán)境教育部重點實驗室，蘭州 730000）

基于濕潤指數(shù)，利用黃河流域及周邊1960-2020年113個氣象站點日值氣候數(shù)據(jù)，通過氣候傾向率、Morlet小波、簡單相關分析和Hurst指數(shù)等方法，分析近61a黃河流域干濕狀況時空演變特征，預估黃河流域未來干濕變化趨勢，以期為流域防旱減災、合理利用氣候資源提供科學依據(jù)。結果表明：（1）空間上，黃河流域年和季節(jié)濕潤指數(shù)呈現(xiàn)為東南部高、西北部低。流域年、春秋兩季以變干為主，濕潤指數(shù)呈顯著下降的站點占總站點的比例分別為5.31%、7.96%、6.19%；流域夏、冬季以變濕為主，濕潤指數(shù)呈顯著上升的站點占比分別為10.62%、13.27%。（2）年際變化上，1960-2020年黃河流域年和季節(jié)濕潤指數(shù)均無顯著變化趨勢。流域全年、春、夏、秋、冬季分別處于半濕潤、半干旱、半濕潤、半濕潤和半干旱狀態(tài)。黃河流域年和季節(jié)濕潤指數(shù)存在多時間尺度的周期振蕩特征，第一主周期分別為3a、26a、14a、3a和15a。（3）降水量、相對濕度與濕潤指數(shù)呈極顯著正相關，日照時數(shù)與濕潤指數(shù)呈極顯著負相關，均為黃河流域濕潤指數(shù)的主要驅動因素。（4）黃河流域年和季節(jié)濕潤指數(shù)的Hurst指數(shù)均大于0.50，表明流域年、春季和秋季氣候將持續(xù)變干，夏季和冬季氣候將持續(xù)變濕。

濕潤指數(shù)；未來趨勢；時空分異；Morlet小波分析；黃河流域

《氣候變化與土地特別報告》指出，近百年來全球氣候日益變暖，2006?2015年全球陸地溫度在1850?1900年基礎上增加了1.53℃[1]。全球氣候變暖及其變化的時空差異影響著全球和區(qū)域降水、蒸散發(fā)等，進而導致全球和區(qū)域氣候的干濕狀況及其空間格局發(fā)生變化，影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境[2?3]。全球和區(qū)域尺度干濕變化特征認知是應對和適應氣候變化的關鍵參考因素，備受關注[4]。干濕狀況可反映地氣系統(tǒng)中水分收支平衡變化[5]。濕潤指數(shù)同時考慮了大氣降水和潛在蒸散發(fā)，計算方便簡單，且所需資料較少，是目前常用的氣候干濕變化表征指標，能客觀反映區(qū)域干濕狀況[6]，可用于流域水資源綜合管理應用[7]。近年來，一些學者利用濕潤指數(shù)開展了中國氣候干濕狀況時空演變特征研究。如Li等[8]基于濕潤指數(shù)發(fā)現(xiàn)中國淮河流域在年際尺度上呈不顯著變濕趨勢。Liu等[9]采用濕潤指數(shù)發(fā)現(xiàn)1961?2016年中國西北地區(qū)、青藏高原及華南東部地區(qū)呈濕潤化趨勢，而華南西部、華北和東北地區(qū)呈干旱化趨勢。賈艷青等[10]發(fā)現(xiàn)1960?2016年中國西北地區(qū)、青藏高原及內(nèi)蒙古地區(qū)呈現(xiàn)濕潤化，而華北地區(qū)在變干。可見，不同區(qū)域濕潤指數(shù)對氣候變化的響應存在一定差異。

推斷和預測未來氣候變化是氣候研究中的前沿課題。目前，未來氣候變化預測方法主要有兩類：一是從氣候動力學模型出發(fā)，二是基于氣候資料和氣候代用資料，利用不同的統(tǒng)計分析方法推斷未來氣候變化趨勢[11]。其中，統(tǒng)計分析方法中的Hurst指數(shù)可以較好地揭示氣候要素時序變化趨勢，被廣泛用于不同區(qū)域氣候要素未來趨勢預測[12]。史雯雨等[13]基于Hurst指數(shù)開展了金沙江流域未來氣溫變化趨勢預估；侯青青等[14]利用Hurst指數(shù)預測了黃土高原標準化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）的未來變化趨勢，發(fā)現(xiàn)黃土高原未來干旱化趨勢加重。

黃河流域作為氣候變化敏感區(qū)之一，氣候時空分異大，加之受人類活動等影響，流域降水和蒸散發(fā)的變化趨勢明顯，流域氣候干濕狀況隨之而變。近年來，國內(nèi)許多學者針對黃河流域開展了干旱時空變化特征方面研究。Wang等[15]采用SPEI發(fā)現(xiàn)黃河流域春、夏、秋季干旱程度均有所加重；Huang等[16]采用綜合干旱指數(shù)指出黃河流域中游旱情最為嚴重；徐冬平等[17]發(fā)現(xiàn)黃河流域自北向南、自西向東水分虧缺量逐漸遞減；周帥等[18]采用標準化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）揭示了黃河流域四季干旱化程度加劇。但已有研究對黃河流域氣候干濕狀況時空變化及格局認識還不夠系統(tǒng)深入，對流域未來氣候變化趨勢預測報道相對較少[19]。因此，本研究基于1960?2020年黃河流域及周邊113個氣象站點資料，開展黃河流域氣候干濕時空變化特征分析，預測流域氣候干濕狀況未來趨勢，以期為流域水資源利用、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)及氣候變化應對等提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域（32°10'?41°50'N、95°53'?119°05'E）總面積約79.5×104km2，從西向東橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原，包括青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南及山東9省區(qū)（圖1），選取各省區(qū)在黃河流域的區(qū)域作為研究區(qū)[20]。黃河流域地形地貌差異顯著，地勢西高東低，海拔介于?9～6250m。全流域多年平均降水量440mm，多年平均氣溫7℃，降水和氣溫均呈由南向北、由東向西遞減的特征[21]。

圖1 黃河流域及相關氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取黃河流域及周邊氣象站點1960?2020年的逐日氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），包括最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫、平均風速、日照時數(shù)、相對濕度和降水量等。受建站時間、儀器損壞等影響，部分站點存在數(shù)據(jù)缺測（失）。研究中設定：1月內(nèi)日值缺測多于7d則為缺測月，1年內(nèi)月值缺測多于1月則為缺測年[22]。剔除缺測月、年值及觀測年限不足61a（1960?2020年）的站點后，以數(shù)據(jù)較齊全的113個站點為基礎數(shù)據(jù)，利用相鄰日該氣象要素的平均值對零星缺測值進行插補[23]。以3?5月為春季，6?8月為夏季，9?11月為秋季，12月?翌年2月為冬季進行分析。

1.3 研究方法

1.3.1濕潤指數(shù)

濕潤指數(shù)是區(qū)域降水量和潛在蒸散發(fā)的比值，可客觀反映區(qū)域水熱平衡狀況，是一個理想的能夠表征地表干濕狀況的指標[24]。計算式為

式中，HI為濕潤指數(shù)；R為降水量（mm）；PET為潛在蒸散發(fā)（mm）。各站點的潛在蒸散發(fā)（PET）采用Penman-Monteith模型計算，即

1.3.2 Hurst指數(shù)

累積離差為

極差為

標準差為

1.3.3 其它方法

2 結果與分析

2.1 黃河流域氣候干濕狀況的空間分布格局

2.1.1 年/季濕潤指數(shù)空間分布

1960?2020年黃河流域多年平均濕潤指數(shù)介于0.15～1.31，總體呈現(xiàn)自東南向西北逐漸遞減的態(tài)勢（圖2a）。處于干旱狀態(tài)的區(qū)域占流域總面積的3.39%，主要為內(nèi)蒙古西部和寧夏東北部。處于半干旱狀態(tài)的區(qū)域占比為39.54%，主要為青海北部、甘肅北部、寧夏中北部、陜西西北部及內(nèi)蒙古大部。處于半濕潤狀態(tài)的區(qū)域占比為56.55%，主要位于流域西南部及東南部；處于濕潤狀態(tài)的區(qū)域占比僅為0.52%，主要分布于黃河下游的山東片區(qū)（圖2a）。由圖2b可知，黃河流域年降水量自東南向西北遞減，與流域年濕潤指數(shù)空間分布格局相似，表明流域年濕潤指數(shù)空間變化對流域年降水量變化極為敏感[6]，且流域年濕潤指數(shù)0.2、0.5等值線分別與200mm、400mm等降水量線基本吻合（圖2b）。黃河流域中東部為潛在蒸散發(fā)高值區(qū)，潛在蒸散發(fā)低值區(qū)主要位于流域西南部，潛在蒸散發(fā)與濕潤指數(shù)的空間分布相似性較弱，可見，相較于潛在蒸散發(fā)，黃河流域濕潤指數(shù)對降水量的敏感性更高（圖2c）。

圖2 黃河流域年濕潤指數(shù)、降水量和潛在蒸散發(fā)的空間分布（1960-2020年）

黃河流域季節(jié)濕潤指數(shù)與年濕潤指數(shù)的空間分布格局相似，流域各季濕潤指數(shù)均為自東南向西北遞減（圖3）。黃河流域春、夏、秋、冬季濕潤指數(shù)范圍分別介于0.07～0.92、0.26～2.98、0.19～1.86及0.027～0.48，平均濕潤指數(shù)分別為0.34、0.86、0.77及0.19。春季流域處于干旱狀態(tài)的區(qū)域占比為20.82%，主要位于內(nèi)蒙古西部、寧夏北部、甘肅東北角等；處于半干旱狀態(tài)的區(qū)域占比為63.08%，主要分布于東西走向的流域中部地帶及流域東北部等；處于半濕潤狀態(tài)的區(qū)域占比為16.10%，主要為四川大部、甘肅西南部、陜西西南部和河南西南部等（圖3a）。夏季流域處于半干旱、半濕潤和濕潤狀態(tài)的區(qū)域占比分別為14.47%、58.29%和27.24%（圖 3b）。夏季處于半干旱狀態(tài)的區(qū)域主要位于內(nèi)蒙古西部、寧夏北部、甘肅東北部等；處于半濕潤狀態(tài)的片區(qū)主要有青海北部、甘肅局部、寧夏南部、陜西大部、山西中西部、內(nèi)蒙古中東部及河南西北部等；處于濕潤狀態(tài)的區(qū)域主要為流域西南部及流域東部等。秋季流域處于半濕潤狀態(tài)的區(qū)域占比超過流域面積的一半，主要位于青海大部、甘肅局部、寧夏南部、陜西北部、內(nèi)蒙古東部和山西北部等（圖 3c）。冬季流域處于干旱狀態(tài)的區(qū)域占比為59.84%，主要位于青海和甘肅大部、寧夏、內(nèi)蒙古中西部及陜西西北部等（圖3d）。綜上，黃河流域年、夏季和秋季處于半濕潤狀態(tài)的區(qū)域面積占比最大，春季時流域多為半干旱狀態(tài)，而冬季多為干旱狀態(tài)（圖3）。

2.1.2 年/季濕潤指數(shù)變化趨勢

圖3 黃河流域季節(jié)濕潤指數(shù)空間分布（1960?2020年）

Fig. 3 Spatial distribution of seasonal humidity index in the Yellow River Basin(1960?2020)

圖4 1960-2020年黃河流域年/季濕潤指數(shù)變化傾向率[（10a）?1]的空間分布

Fig. 4 Spatial distribution of annual and seasonal climatic variables [(10y)?1] of humidity index in the Yellow River Basin in 1960-2020

2.2 黃河流域氣候干濕狀況時間變化特征

2.2.1 流域平均濕潤指數(shù)變化趨勢

由圖5可見，1960?2020年黃河流域夏季和秋季濕潤指數(shù)偏高，而春季和冬季的濕潤指數(shù)偏低，年濕潤指數(shù)則介于其間，年和四季濕潤指數(shù)均無顯著變化趨勢。研究期內(nèi)黃河流域平均濕潤指數(shù)為0.57（半濕潤狀態(tài)），年濕潤指數(shù)最大值出現(xiàn)在1964年（0.92）；年濕潤指數(shù)最小值出現(xiàn)在1986年（0.41）。春、夏、秋和冬季平均濕潤指數(shù)分別為0.36、0.92、0.80和0.21，表明四季分別處于半干旱、半濕潤、半濕潤和半干旱狀態(tài)（圖5）。

圖5 1960?2020年黃河流域平均年/季濕潤指數(shù)變化過程

2.2.2 流域平均濕潤指數(shù)變化周期

由圖6可見，1960?2020年黃河流域年際和季節(jié)濕潤指數(shù)存在多重時間尺度的振蕩和周期變化。黃河流域年濕潤指數(shù)在2～5a、6～11a和20～32a變化較為密集（圖6a），流域存在一個3a的主周期和7a、9a、14a、25a的次周期，其中3a經(jīng)歷了密集的“干?濕”變化循環(huán)（圖6f）。流域春季濕潤指數(shù)在2～14a、18～32a的時段較為密集（圖6b），存在26a、4a、6a和12a四個周期，其中26a經(jīng)歷了“濕?干?濕?干?濕”的交替循環(huán)（圖6g）。流域夏季濕潤指數(shù)在2～5a、6～9a和11～18a的時間尺度上較為密集（圖6c）；夏季濕潤指數(shù)在14a時間周期的小波方差值最大（即主周期），并在該周期經(jīng)歷了4次“濕?干”交替循環(huán)，此外在3a、8a時間周期也存在極值（即次周期）（圖6h）。流域秋季濕潤指數(shù)在2～5a、6～12a和17～26a的時間尺度上較為密集（圖6d），小波方差圖顯示3a、9a、18a、25a處存在極值，可推斷流域秋季濕潤指數(shù)存在一個3a的主周期和9a、18a、25a的次周期（圖6i）。黃河流域冬季濕潤指數(shù)在2～7a、10～22a的時間尺度上較為密集（圖6e）；由圖6j可見，冬季存在一個15a的主周期和3a、4a、6a的次周期，其中15a經(jīng)歷了4次“干?濕”變化循環(huán)。綜上，黃河流域年濕潤指數(shù)存在2～5a、6～11a、20～32a的周期變化，流域年和四季濕潤指數(shù)分別存在3a、26a、14a、3a和15a的第一主周期（圖6）。

圖6 黃河流域年/季濕潤指數(shù)小波變換系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖

2.3 黃河流域氣候干濕狀況的影響因素分析

2.4 黃河流域未來干濕狀況趨勢預測

表1 1960?2020年黃河流域濕潤指數(shù)與各氣象因子的相關系數(shù)

注：*和**分別表示相關系數(shù)通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗。

圖7 黃河流域年/季濕潤指數(shù)序列的重標極差（R/S）分析結果

3 結論與討論

3.1 結論

（1）空間上，1960?2020年黃河流域年和四季濕潤指數(shù)呈現(xiàn)東南高西北低的分布特征。流域全年、春、秋季以變干為主，濕潤指數(shù)呈顯著下降的站點占比分別為5.31%、7.96%、6.19%；流域夏、冬季以變濕為主，濕潤指數(shù)呈顯著上升的站點占比分別為10.62%和13.27%。

（2）年際變化上，1960?2020年黃河流域年和季節(jié)濕潤指數(shù)均無顯著變化趨勢。流域全年、春、夏、秋和冬季分別處于半濕潤、半干旱、半濕潤、半濕潤和半干旱狀態(tài)。黃河流域濕潤指數(shù)在年際和季節(jié)變化上具有多個時間尺度的周期振蕩特征，第一主周期分別為3a、26a、14a、3a和15a。

（3）黃河流域年和各季濕潤指數(shù)均與降水量、相對濕度呈極顯著正相關，與日照時數(shù)呈極顯著負相關，降水量、相對濕度和日照時數(shù)是影響黃河流域濕潤指數(shù)變化的主導因素，最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫和平均風速對濕潤指數(shù)影響較小。

（4）黃河流域年和季節(jié)干濕狀況的未來變化趨勢與過去61a干濕狀況變化趨勢有著良好的自相似性，即黃河流域年、春季和秋季在未來一段時間內(nèi)氣候將持續(xù)變干，其中秋季呈較強持續(xù)性變干；夏季和冬季流域氣候將持續(xù)變濕。

3.2 討論

氣候干濕狀況是表征區(qū)域氣候變化的重要指標[31]。黃河流域年和四季濕潤指數(shù)空間分布不均，受地形、海陸距離、不同氣象因子等的影響，流域年和四季濕潤指數(shù)自東南向西北內(nèi)陸逐漸遞減，這與劉勤等[32]的研究結果一致。黃河流域春季以變干為主，這可能是由于春季降水較少而春播和植被返青需水耗水增加，且隨著氣溫回升等導致潛在蒸散發(fā)增大[33]。流域秋季以變干為主，這可能是由于該季節(jié)降水減少趨勢大于潛在蒸散發(fā)減少趨勢，且秋季干旱頻率較高，干旱歷時長及干旱烈度大[18]。夏季流域以變濕為主即旱情減緩，可能是由于該季節(jié)氣溫升高且降水豐沛，降水量增加在很大程度上消減了潛在蒸散發(fā)增大等造成的影響。流域冬季受干冷氣團控制，溫度極低，潛在蒸散發(fā)小，且伴隨降水的增加將導致流域以變濕為主。Hurst指數(shù)表明，黃河流域年、春季和秋季在未來一段時間內(nèi)氣候將持續(xù)變干，而夏季和冬季氣候將持續(xù)變濕。Huang等[16]研究也表明黃河流域未來氣溫將明顯升高，可能導致流域水資源減少和旱情加重。綜合考慮黃河流域濕潤指數(shù)時空變化特征、未來趨勢及農(nóng)牧業(yè)與社會經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢，黃河流域氣候變化應對和水資源利用的對策建議主要有，黃河流域絕大部分地區(qū)年濕潤指數(shù)小于1，季節(jié)性干旱特征明顯，生態(tài)環(huán)境脆弱，需遵循開發(fā)利用和建設保護并舉原則；春季和秋季是黃河流域抗旱減災的重點時段，采取節(jié)水灌溉、種植耐寒（旱）作物、加強農(nóng)田水利基本建設、水資源的科學規(guī)劃與合理利用等措施減緩黃河流域未來干旱趨勢。同時，黃河流域不同區(qū)域干濕狀況變化趨勢不一致，應因地制宜，進行水資源合理利用和旱澇防災減災等。此外，本研究側重于黃河流域干濕狀況的趨勢預測，對流域未來干濕變化趨勢的空間差異分析不夠。今后應進一步分析黃河流域未來干濕變化趨勢的空間差異及其成因。

本研究利用濕潤指數(shù)分析了近61a黃河流域干濕狀況時空變化，可為黃河流域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、水資源合理利用及防災減災等提供一定科學支撐。但濕潤指數(shù)僅是一個氣象指標，一個區(qū)域干濕狀況研究不僅要考慮氣象要素的變化，還應考慮地形地勢、人類活動、作物種類、土壤性質(zhì)等非氣象要素的變化。因此，氣候變化背景下的濕潤指數(shù)、地形地貌、人類活動等對黃河流域干濕狀況的共同影響是未來亟待解決的議題之一。

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Spatiotemporal Variation of Climate Dry-Wet Condition and Its Potential Trend in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

GONG Jie, GAO Bing-li, LI Yan, JIN Tian-tian, ZHANG Yun-xia, ZHU Yue-hua

(College of Earth and Environmental Sciences/Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Based on the humidity index, using the daily climate data of 113 meteorological stations in and adjacent the Yellow River Basin(YRB) from 1960 to 2020, climate trend rate, Morlet wavelet, simple correlation analysis, and Hurst index were used to analysis the spatiotemporal characteristics of dry-wet condition in the YRB in the latest 61 years and to predict the future trend of dry-wet changes in the YRB, to provide scientific basis for drought prevention and mitigation and rational utilization of climate resources in the YRB. The results showed that: (1) among all the geographic zones, the annual and seasonal humidity index in the YRB was high in the southeastern YRB and low in the northwestern YRB. Spatially, the climate of the annual, spring and autumn in the YRB was mainly dry, the proportions of stations with significant decrease of humidity index of the total stations were 5.31%, 7.96% and 6.19%, respectively.The climate of summer and winter was mainly wet, the proportions of stations with significant increase of humidity index were 10.62% and 13.27%, respectively. (2) As for the interannual change, the annual and seasonal humidity index of the YRB from 1960 to 2020 showed no significant change. Semi-humid, semi-drought, semi-humid, semi-humid, semi-drought were found in entire year, spring, summer, autumn, and winter, respectively. The annual and seasonal humidity index of the YRB had periodic oscillation characteristics at multiple time scales, and the first main period was 3 years, 26 years, 14 years, 3 years and 15 years, respectively. (3) The change of humidity index in the YRB was extremely significantly positively correlated with precipitation and relative humidity. There was a extremely significant negative correlation between sunshine duration and humidity index. Precipitation, relative humidity, and sunshine duration were the main factors affecting the change of humidity index in the YRB. (4) The Hurst index of annual and seasonal humidity index in the YRB were larger than 0.50, indicating that the climate of annual, spring, and autumn of the YRB would continue to be drying, the summer and winter climate would continue to be wetting.

Humidity index; Future trend; Spatiotemporal variation; Morlet wavelet analysis; Yellow River Basin

鞏杰,高秉麗,李焱,等.1960-2020年黃河流域氣候干濕狀況時空分異及變化趨勢[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(3):165-176

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.03.001

2021?09?02

國家自然科學基金重大項目（41991231）

鞏杰，博士，教授，主要從事景觀生態(tài)學、生態(tài)系統(tǒng)服務、環(huán)境遙感與生態(tài)評價等方面的科研和教學工作，E-mail: jgong@lzu.edu.cn