陳 敏,顏鵬程,張鐵軍,周甘霖△
(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室,甘肅蘭州 730020;2.甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心氣象數(shù)據質量控制室,甘肅蘭州 730020)
中國北方地區(qū)干旱呈現(xiàn)“西多東少”的分布特征[1],但近幾十年來西北地區(qū)干旱減緩[2]、華北干旱增強[3]。其中西北地區(qū)干旱自1960年以來主要呈現(xiàn)年代際干旱變化的特征,1980年代以前西北地區(qū)干旱主要發(fā)生在西北地區(qū)西部,以后主要發(fā)生在西北地區(qū)東部[4-5]。而華北地區(qū)干旱存在持續(xù)增加的趨勢[6],20世紀80—90年代最為顯著[7],之后干旱趨勢趨向于平緩[8-9]。影響中國北方干旱影響因子繁多,不同因子之間非線性作用強、關系復雜[10-12],加之全球增暖背景下,西風環(huán)流、季風、西太副高等大尺度環(huán)流背景也發(fā)生調整[13-16],受此影響,中國北方干旱的時空分布呈現(xiàn)新的規(guī)律,不同程度的干旱分布特征也發(fā)生相應改變,亟需開展更為詳細的研究。
研究不同等級干旱需用合適的干旱指數(shù),目前,用于定量描述干旱的指數(shù)主要包括Palmer干旱指數(shù)(PDSI)[17]、相對濕潤度指數(shù)(MI)[18]、標準化降水指數(shù)(SPI)[19-21]、標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[22]等,這些干旱指數(shù)從降水、蒸散等角度考慮干旱的發(fā)生程度,但是在計算和準確描述干旱方面存在一些不足[23],如PDSI指數(shù)利用土壤水份平衡原理,考慮降水、蒸散、徑流以及土壤有效儲水等要素,實際計算中大多地區(qū)難以獲得完整(準確)的參數(shù)使得指數(shù)的區(qū)域代表性不足[24],而SPI指數(shù)、MI指數(shù)以及SPEI指數(shù)考慮氣象要素相對單一難以準確描述干旱的連續(xù)性,更難以反映干旱的累積效應[25]。為此,2017年國家標準《氣象干旱等級》出版并提出新型氣象干旱綜合指數(shù)(Meteorological drought Composite Index,MCI)[26],該指數(shù)能夠充分反映干旱的連續(xù)性、累積效應以及區(qū)域差異性的特征,具體來說:(1)通過引進標準化權重降水指數(shù)有效減少干旱發(fā)展過程中不合理跳躍現(xiàn)象;(2)通過引進150天標準化降水指數(shù)代表干旱發(fā)展過程的累積效應;(3)通過引進季節(jié)調節(jié)系數(shù)以適應不同區(qū)域、不同季節(jié)的干旱[27-28]。MCI指數(shù)具有處理非平穩(wěn)序列、動態(tài)表征干旱的特性,綜合表征干旱的能力更強。近年來,不少學者利用該指數(shù)研究了中國的干旱變化情況[29-32],如成青燕等[33]利用MCI指數(shù)研究了甘肅近50年干旱情況,認為不同等級干旱均呈現(xiàn)增加的趨勢,其中春季、夏季較為顯著;廖要明和張存杰[34]利用該指數(shù)研究認為我國總體干旱趨勢是增加的,其中甘肅南部、寧夏、陜西等北方地區(qū)干旱趨勢增加更為顯著,這意味著MCI指數(shù)對我國區(qū)域干旱具有更好的表征能力。MCI指數(shù)劃分的不同干旱等級,能夠進一步衡量干旱的嚴重程度,從“輕旱、中旱、重旱、特旱”4個不同等級來具化干旱的影響。因此,本研究利用MCI指數(shù)開展中國北方1961—2016年不同等級干旱日數(shù)的年代際變化研究,揭示不同等級干旱發(fā)生頻次的時空演變規(guī)律。
本研究時段選為1961—2016年,資料為基于MCI指數(shù)的逐年不同等級干旱日數(shù)。MCI指數(shù)[26]目前在中國氣象局氣象干旱監(jiān)測業(yè)務中投入使用,并由國家氣候中心提供逐日全國氣象干旱監(jiān)測結果。不同等級干旱的劃分如表1所示,MCI指數(shù)越小,意味著干旱越顯著。研究中,逐年統(tǒng)計不同站點滿足不同等級干旱的日數(shù),主要分析輕旱、中旱、重旱和特旱4類干旱,其中輕旱及以上干旱的干旱日數(shù)稱為總干旱日數(shù)。中國北方共有870個觀測站點,在西北,內蒙古自治區(qū)和黃河以西的站點空間分布較為稀疏;而華北,山東、河南等地的站點空間分布較為密集。
表1 依據MCI劃分的不同干旱等級
為了初步了解中國北方干旱分布情況,繪制總干旱日數(shù)的多年平均和逐年的區(qū)域平均(圖1),年平均干旱日數(shù)東部地區(qū)要多于西部地區(qū),其中年平均干旱日數(shù)最多的區(qū)域主要位于河北(達到160 d),其次是內蒙古東部、甘肅東部、寧夏中部等地區(qū),平均干旱日數(shù)達到130 d;年平均干旱日數(shù)最少的區(qū)域主要位于新疆中南部、青海西部地區(qū),其中新疆中南部地區(qū)最少(平均干旱日數(shù)少于50 d)。從時間變化上來看,北方總的平均干旱日數(shù)在1961—1990年期間變化幅度較小,1990—1999年期間呈現(xiàn)增加的趨勢(達到9.46 d/a,通過0.01的顯著性檢驗),2000—2019年前后出現(xiàn)減小的趨勢(-1.94 d/a),功率譜分析表明中國北方干旱呈現(xiàn)2~3 a和20 a的準周期振蕩。從趨勢變化來看,包括新疆、青海、甘肅河西地區(qū)、內蒙古在內的區(qū)域干旱日數(shù)均顯著減少,負趨勢最顯著的區(qū)域位于新疆北部、青海東部,達到-2.0 d/a;而東部地區(qū)的干旱日數(shù)增加,其中增加趨勢顯著的區(qū)域位于甘肅東部、寧夏、陜西南部,達到1.5 d/a。不同等級的趨勢變化來看,輕旱和中旱日數(shù)在內蒙古、甘肅、新疆、青海等地減少,輕旱日數(shù)在新疆、青海以及內蒙古東部減少顯著,中旱日數(shù)在新疆北部、青海中西部負趨勢顯著;北方其他省區(qū)輕旱和中旱日數(shù)增加。重旱和特旱日數(shù)趨勢在新疆、青海、內蒙古中西部、甘肅中部、山西、河北等地呈現(xiàn)負趨勢,其余地方呈現(xiàn)正趨勢。
圖1 中國北方地區(qū)年平均干旱日數(shù)(灰色線)隨時間變化,單位:day
由此可見,不同等級干旱在中國北方西部干旱半干旱區(qū)呈現(xiàn)減少的特征,而東部地區(qū)主要呈現(xiàn)增加的特征。
進一步分析總干旱日數(shù)中不同等級干旱日數(shù)的比例,輕旱呈現(xiàn)“西高東低”分布特征,其中西部輕旱所占比例較大區(qū)域主要分布在新疆中南部、青海西北部、甘肅西部、內蒙古西部,輕旱比例超過70%;而東部地區(qū)輕旱比例約占50%。中旱在總干旱日數(shù)中的比例呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征,北方東部地區(qū)(包括甘肅東部、寧夏中南部、陜西、山西、河南、山東、河北、北京、天津等)中旱比例約占30%;西部地區(qū)中旱比例較少,主要在新疆南部地區(qū)和青海西部地區(qū),中旱比例少于20%。重旱的比例分布也呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征,其中山東、河南等地重旱比例超過12%,而西部地區(qū)重旱低于6%,其中新疆西南部甚至重旱比例接近0%。特旱所占比例總體來說偏少,其中東部零星地區(qū)特旱所占比例超過4%,而新疆西部、內蒙古西部重旱均接近于0%。由此可見,北方干旱的空間分布在西部主要以輕旱為主,在東部則以中旱及以上等級干旱為主。從不同等級干旱在總干旱日數(shù)中的百分比隨時間變化來看(圖2),輕旱所占比例最高,達到56.48%,其次是中旱(30.26%),再次是重旱(10.55%),最后是特旱(2.71%),其中1970年以前,在中旱所占比例變化幅度不大的基礎上,輕旱、重旱和特旱所占比例的變化幅度較大,之后一直到1990年都較為穩(wěn)定;1990年以后到2000年前后,中旱所占比例變化趨勢仍然較小,而輕旱所占比例呈現(xiàn)顯著負趨勢,重旱和特旱所占比例增加趨勢顯著;2000-2005年期間,輕旱所占比例增加,重旱和特旱所占比例減少。2005年以后,不同等級干旱所占比例變化趨勢不顯著。
圖2 不同等級干旱的區(qū)域平均干旱日數(shù)所占百分比隨時間變化
綜上所述,輕旱和中旱日數(shù)占總干旱日數(shù)中的絕大部分,并且總干旱日數(shù)中的年代際變化也主要由這兩種干旱貢獻的;重旱和特旱日數(shù)在1970年以前和1996—2005年期間的總干旱日數(shù)中占的比例較大。
上述結論也表明干旱日數(shù)變化呈現(xiàn)年代際變化的特征,為此利用滑動T檢驗(Moving T Test,MTT)方法對總干旱日數(shù)進行突變檢測,統(tǒng)計量在1995年和2002年超過0.01的顯著性檢驗,故以此為分界,分為3個時段分別進行研究。總干旱日數(shù)來看,在1961—1995年期間年平均干旱日數(shù)較少(120d),而1996—2001年期間年平均干旱日數(shù)顯著偏多(140 d),2002年以后干旱日數(shù)顯著減少(僅為110d)。不同時段干旱日數(shù)的空間分布來看,在1961—1995年期間,北方干旱日數(shù)空間分布東西部差異較小(90~100 d),河北部分地區(qū)出現(xiàn)超過150 d干旱的分布、小于60 d的干旱主要分布在新疆東南部地區(qū);1996—2002年期間,東西部干旱日數(shù)差異較大,其中河北、山西、山東地區(qū)的干旱日數(shù)明顯較前一時期顯著偏多,達到180 d,部分地區(qū)甚至超過210 d的干旱日數(shù);而西部地區(qū)小于60 d的干旱區(qū)域較前一時段偏大,新疆中部和東部地區(qū)、青海西部均出現(xiàn)干旱日數(shù)小于60 d(甚至更少)的情況。2003—2016年期間,東部干旱日數(shù)的空間分布與1961—1995年較為類似,但西部干旱日數(shù)顯著偏少,其中干旱日數(shù)低于60 d的區(qū)域擴長至整個新疆地區(qū)、青海大部地區(qū)、甘肅河西地區(qū)以及內蒙古西部區(qū)域。
綜上來看,中國北方東部干旱日數(shù)在不同時段都要多于西部地區(qū),其中東部地區(qū)在1961—1995年期間,平均干旱日數(shù)為120 d,而1996—2002年干旱日數(shù)顯著增加,達到180 d左右,2003—2016年干旱日數(shù)減少至120 d。西部地區(qū)則呈現(xiàn)持續(xù)減少的特征,1961—1995年期間,僅在新疆東部部分地區(qū)干旱日數(shù)少于60 d,而1996—2002年期間這一范圍擴大至新疆大部分地區(qū)和青海西部部分地區(qū),2003年以后,整個西部地區(qū)干旱日數(shù)都少于60 d。
不同等級干旱不同時段的干旱日數(shù)空間分布來看,1996—2002年期間的干旱日數(shù)整體上要多于1961—1995年的情況,2003—2016年的干旱日數(shù)最少。具體來說:(1)輕旱,1961—995年整個北方輕旱的空間分布較為一致,介于60~80 d之間,其中干旱日數(shù)最少的區(qū)域位于新疆東南部(少于30d);1996—2002年的輕旱除了新疆東南部地區(qū)(少于30 d),大部分地區(qū)干旱日數(shù)均多于60 d,其中河北、內蒙古東部、甘肅南部部分地區(qū)干旱日數(shù)超過90 d;2003—2016年的輕旱主要分布在東部地區(qū),其中105°E以東地區(qū)輕旱日數(shù)超過45 d;(2)中旱,中旱日數(shù)要明顯少于輕旱的情況,3個不同時段中,中旱主要分布在105°E以東地區(qū)(超過30d),其中1996—2002年期間的中旱日數(shù)要明顯偏多,主要集中在河北南部、內蒙古東部、甘肅南部等地區(qū),干旱日數(shù)接近75 d;(3)重旱,重旱的空間分布較多的時段主要集中在1996—2002年期間,仍然以105°E以東為主(超過20 d),河北南部、山東西部、陜西中部部分地區(qū)重旱日數(shù)超過40 d,1961—1995年、2003—2016年的2個時段重旱日數(shù)較少,其中105°E以東干旱日數(shù)在16~24 d之間,西部干旱日數(shù)則更少。(4)特旱也主要發(fā)生在1996-2002年期間,主要分布在陜西中南部、山西中南部、山東等地區(qū),干旱日數(shù)超過18 d,其余地區(qū)干旱日數(shù)少于6 d;1961—1995年期間,北方特旱日數(shù)幾乎為0;2003—2016年時段,105°E以西干旱日數(shù)接近于0,東部的干旱日數(shù)少于6 d。
總體來說,中國北方不同等級干旱均存在“先增多、后減少”的年代際變化特征,其中相比較于1961—1995年時段,1996—2002年期間的干旱主要在北方東部地區(qū)增多、西部地區(qū)略有減少;而后一時段(2003—2016年)的干旱在整個北方地區(qū)均有所減少,西部地區(qū)干旱日數(shù)減少要多于東部地區(qū),這一現(xiàn)象在輕旱和中旱中比較明顯。
文章基于MCI指數(shù)研究了中國北方不同等級干旱日數(shù)的趨勢特征,結論如下:
(1)中國北方東部干旱日數(shù)多于西部干旱日數(shù),其中年平均干旱日數(shù)最多的區(qū)域主要位于河北,達到160 d,而年平均干旱日數(shù)最少的區(qū)域主要位于新疆中南部地區(qū),少于50 d;從時間變化來看呈現(xiàn)年代際變化特征,1961—1990年期間干旱日數(shù)變化趨勢幾乎為0,1990—1999年期間增加趨勢達到9.46 d/a(通過0.01的顯著性檢驗),而2000—2016年期間減小趨勢為-1.94 d/a。
(2)不同等級干旱,輕旱、中旱、重旱和特旱的多年平均干旱日數(shù)分別為65.50 d、37.13 d、13.68 d和3.75 d,意味著中國北方干旱主要以輕旱和中旱為主,且是北方干旱的年代際變化的主要貢獻;重旱和特旱所占比重較小,但這兩類干旱在1996—2005年期間的干旱日數(shù)異常高于多年平均值,分別達到18.95 d和7.12 d,是總干旱日數(shù)在此時段增加的主要原因。
(3)輕旱、中旱、重旱和特旱日數(shù)百分比的區(qū)域平均分別為56.48%、30.26%、10.55%和2.71%,主要以輕旱和中旱為主;從空間分布來看,輕旱干旱日數(shù)百分比主要呈現(xiàn)“西高東低”的分布特征,百分比最高區(qū)域位于新疆(超過70%),而東部區(qū)域百分位為50%左右,中旱、重旱和特旱則呈現(xiàn)“東高西低”的分布特征,其中中旱在東部地區(qū)百分比為30%左右,而西部地區(qū)則少于20%;從長期變化趨勢來看,1990年以前,不同等級的干旱日數(shù)百分比較為穩(wěn)定,沒有顯著的趨勢,而1990—1998年期間輕旱日數(shù)百分比呈現(xiàn)顯著負趨勢、重旱和特旱日數(shù)百分比顯著增加,1999—2005年期間這一情況相反,2006年以后不同等級干旱日數(shù)百分比趨勢幾乎為0,這一現(xiàn)象在輕旱和中旱日數(shù)中更為明顯。