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基于有效干旱指數(shù)的錫林郭勒干旱時空分布特征

2024-03-18 07:59:22王思楠王文君吳英杰李瑋張偉杰陳澤勛
水土保持研究 2024年2期
關(guān)鍵詞:錫林郭勒降雨量時空

王思楠,王文君,吳英杰,李瑋,張偉杰,陳澤勛

(中國水利水電科學(xué)研究院內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國家野外科學(xué)觀測研究站,北京 100038)

草原是世界上分布最廣的植被類型之一,覆蓋了地球陸地表面的五分之一,由于氣候變化、人口增長和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等原因,中國一半以上的草原都出現(xiàn)了不同程度的退化[1]。草原退化已經(jīng)減少碳封存并且還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境和社會問題,例如植被生產(chǎn)力下降和土壤質(zhì)量下降以及沙塵暴[2]。

干旱是一種常見的自然災(zāi)害,有可能發(fā)生在任何地區(qū),干旱過程是復(fù)雜和自然的[3]。它對農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、水資源和社會也有很大的影響。由于全球氣候變暖,干旱經(jīng)常發(fā)生,并且有明顯的上升趨勢。它直接影響內(nèi)蒙古草原的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展[4]。因此,干旱評估和監(jiān)測對于減少損失和確保人員和財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。雖然干旱現(xiàn)象非常復(fù)雜,仍可以通過干旱指數(shù)來表征,例如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index,SPI)[5-7]、標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)[8-11]、旱偵測指數(shù)(reconnaissance drought index,RDI)[12]、帕爾默干旱嚴(yán)重指數(shù)(palmer drought severity index,PDSI)[13]和有效干旱指數(shù)(effective drought index,EDI)[14]。干旱指數(shù)可以通過干旱強(qiáng)度、干旱事件和干旱頻率等基本屬性來定量描述[15]。其中SPI使用最為廣泛,但是SPI是通過一段時間降雨的累積概率計(jì)算而得到,存在局限性。SPEI不僅考慮降水因素外,還考慮了潛在蒸散發(fā)等因素的影響[16]。但是,使用不同的潛在蒸散發(fā)計(jì)算方法會使同一時期產(chǎn)生不同的SPEI值。為了克服這些限制,Deo等[17]使用EDI指數(shù)量化干旱嚴(yán)重程度,與其他干旱指數(shù)相比,EDI指數(shù)也能夠反映受某一時段降水突然增多或減少引起的旱情變化。一些研究已經(jīng)表明了EDI指數(shù)的適宜性。特別是Kamruzzaman等[18]在監(jiān)測孟加拉國長期和短期干旱時,證明EDI比SPI更有優(yōu)勢。

錫林郭勒草原是生態(tài)環(huán)境中最脆弱的地區(qū)之一,其對干旱的反應(yīng)也極為敏感。干旱導(dǎo)致地表水和地下水的短缺,從而對草的生長和牲畜的飼養(yǎng)產(chǎn)生破壞性影響。許多學(xué)者利用SPI和SPEI指數(shù)對錫林郭勒的干旱特征進(jìn)行了研究[19-20],還沒有使用EDI指數(shù)來描述干旱事件的特征。因此,本研究首先利用研究區(qū)氣象站點(diǎn)的1969—2018年逐月降雨數(shù)據(jù),選擇EDI指數(shù)作為干旱評價(jià)指標(biāo),其次從干旱事件、干旱頻率和干旱強(qiáng)度入手,深入探究錫林郭勒的干旱時空演變特征,最后利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function,EOF)探討干旱的時空分布模態(tài),以期為草原干旱減災(zāi)工作提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒草原是歐亞草原帶的腹地,位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,介于111°08′—120°07′E,41°35′—46°40′N 之間。地勢南高北低,以高平原為主,各種地貌相間分布。海拔700~2 000 m,年降水量約為340 mm,降水量的月變化較大,降雨主要集中在6—8月。氣象站點(diǎn)分布如圖1A 所示。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布及1969-2018年不同氣象站月降雨時間變化Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area and variation of monthly rainfall time at different meteorological stations during 1969-2018

1.2 數(shù)據(jù)來源

1969—2018年9 個氣象站的月降雨數(shù)據(jù)(圖1B)來自中國國家氣象信息中心。

1.3 有效干旱指數(shù)

EDI是由有效降水(effective precipitation,EP)概念監(jiān)測干旱持續(xù)時間和嚴(yán)重程度。他們將有效降水量定義為當(dāng)月降雨量和前一特定時期的加權(quán)降雨量的函數(shù),使用依賴時間的減少函數(shù)計(jì)算。本研究采用EDI計(jì)算過程如下:

首先,由于降水而儲存的水積累超過一年,同時也考慮了由于蒸發(fā)而造成的損失。

式中:EP為月累計(jì)有效降水量;Pm為該月前m個月的降水量;n為前一個月的持續(xù)時間;i為總降雨持續(xù)時間,初始值為12個月(總降水持續(xù)時間)。因此,實(shí)際干旱指數(shù)是從降水開始之日起計(jì)算一年。例如,如果一個月的降雨量達(dá)到100 mm,那么這個月的降雨量隨時間的增加會逐漸減少,12個月后減少0 mm。

其次,計(jì)算月累計(jì)有效降水量與30 a同期平均有效降雨量之間的差值,計(jì)算公式如下:

式中:MEP為每個月的平均有效降水量;DEP 為月累計(jì)有效降水量與30 a同期平均有效降雨量之間的差值。

式中:EDI為有效干旱指數(shù);ST(DEP)為月累計(jì)有效降水量與30 a同期平均有效降雨量之間差值的標(biāo)準(zhǔn)差。DEP負(fù)值表示這月較平常來說更為干旱。如果DEP連續(xù)為負(fù)的月數(shù)超過12個月,則重新計(jì)算公式(1)和公式(3),干旱等級按照Deo等[17]提出的EDI分類方法進(jìn)行分類(表1)。除此之外,利用反距離加權(quán)插值法(inverse distance weight,IDW)量化了干旱事件、干旱頻率和干旱強(qiáng)度的空間分布特征。

表1 EDI分類閾值Table 1 EDI classification threshold

1.4 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

對于樣本量為n的時間序列構(gòu)造一個統(tǒng)計(jì)變量Sk,Sk為樣本第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值累計(jì)個數(shù):

假設(shè)時間序列X隨機(jī)且獨(dú)立,近似服從正態(tài)分布,定義統(tǒng)計(jì)量UFk為:

式中:E(Sk)和var(Sk)分別為累積數(shù)的均值和方差;UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

1.5 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解可以從復(fù)雜的干旱變量場中分解出不同的時空模態(tài)[21]。并將干旱指數(shù)以矩陣形式給出:

式中:m為觀測站;n為時間序列長度

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱年際變化及突變檢測

錫林郭勒年平均EDI值是9個氣象臺站年值的平均值,所有臺站均勻分布在錫林郭勒各地區(qū),具有很好的代表性。從圖2A 可以看出,1969—2018年,錫林郭勒地區(qū)的年平均EDI指數(shù)以0.029/10 a的速度下降,干旱趨勢明顯增強(qiáng)。在1980—2000年EDI值一般大于0,處于一個穩(wěn)定的時期,而在1970—1980年變化則十分劇烈,說明這段時間干濕交替比較明顯。整體來看,EDI變化主要在-1.5~1.5,錫林郭勒1969—2018 年平均每年發(fā)生0.5 次干旱事件,平均約2 a一次,其中2000年最為突出,發(fā)生中旱、重旱以及總數(shù)最多,共2.3次。

圖2 1969-2018年有效干旱指數(shù)時間變化特征及有效干旱指數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.2 Temporal variation of effective drought index and Mann-Kendall test of effective drought index during 1969-2018

圖2B是錫林郭勒有效干旱指數(shù)M-K 檢驗(yàn)結(jié)果。由圖可知,1969—2000年這一時間段干濕交替出現(xiàn),正序列曲線UF與反序列曲線UB有6個交點(diǎn),即1972年、1974年、1978年、1980年、1990年以及1995年,然而這些交點(diǎn)都沒有超過0.05顯著線。進(jìn)一步通過滑動t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有1995年為顯著的突變年。1995年的EDI值為0.78。2000年以后主要為干旱期。

2.2 干旱的空間分布特征

由圖3可知,錫林郭勒正常發(fā)生的頻率為67.17%~72.65%,發(fā)生重旱的頻率為0.02%~0.99%,發(fā)生不同干旱的頻率差異性較大。錫林郭勒西部、西北部、東南部容易發(fā)生干旱,特別是輕旱,而中部、東北部發(fā)生干旱的頻率較低,一般情況,西北部旱頻率大于西部和東南部,具有明顯的地帶特征。輕旱頻率高的地方主要在那仁寶力格和朱日和附近;重旱頻率高的地方主要在多倫附近;重旱頻率高的地方主要在多倫和二連浩特。不同干旱等級在頻率上出現(xiàn)不同的地方。

圖3 不同干旱程度下發(fā)生的頻率結(jié)果Fig.3 Results of frequency of occurrence under different drought degree

錫林郭勒的西南部、中部是干旱強(qiáng)度較高的區(qū)域(圖4)。主要是高緯度環(huán)流異常導(dǎo)致氣壓升高以及東亞季風(fēng)的年代際減弱,向北輸入的水汽減少,表現(xiàn)為連續(xù)降水日數(shù)和降水強(qiáng)度的減少[22],最終使得錫林郭勒降水量進(jìn)一步趨于下降。3—5月由于降雨量稀少,土壤蒸發(fā)量大,使其干旱空間分布范圍較大。其中4月份各氣象站點(diǎn)的平均干旱強(qiáng)度為8.51,干旱強(qiáng)度在平均值以上的站點(diǎn)個數(shù)為5個,占比約為55.56%,主要分布在東北部的東烏珠穆沁旗、中部的那仁寶力格、西南部二連浩特、朱日和,其中那仁寶力格的干旱強(qiáng)度達(dá)到了13.09。6—8月降水量較多,而降水的性質(zhì)主要是對流性降水,導(dǎo)致干旱呈現(xiàn)出南高北低的分布情況。9—12月干旱強(qiáng)度空間分布從西南向東北逐漸變低,干旱強(qiáng)度高值出現(xiàn)在西南部。主要是該時間段降雨量稀少,其中12月份各氣象站點(diǎn)的平均干旱強(qiáng)度為13.65,干旱強(qiáng)度在平均值以上的站點(diǎn)個數(shù)為4個,占比約為44.44%,主要分布在中部的那仁寶力格、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗和南部的朱日和,其中朱日和的干旱強(qiáng)度達(dá)到了17.24。

圖4 不同月份干旱強(qiáng)度的空間分布結(jié)果Fig.4 Spatial distribution results of drought intensity in different months

2.3 干旱趨勢變化

圖5為錫林郭勒地區(qū)1969—2018年各月有效干旱指數(shù)趨勢變化空間分布圖,負(fù)值代表趨于干旱,正值表示趨于濕潤。不同月份有效干旱指數(shù)具有一定的差異性。其中1—3月,9—12月9個站點(diǎn)都呈干旱趨勢,9—11月發(fā)生的概率大于3—5月,在整個歷史時期表現(xiàn)出非常明顯的加重趨勢,10月份的趨勢最大,線性速率為-0.127/10 a;2月份的干旱趨勢最小,線性速率為-0.091/10 a。4—8月9個站點(diǎn)降水較歷史時期增多,既有干旱趨勢,又有濕潤趨勢,其中5—6月有8個濕潤的站點(diǎn)分別為東烏珠穆沁旗、二連浩特、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、朱日和、西烏珠穆沁旗、錫林浩特和多倫,錫林浩特的趨勢最大,線性速率為0.047/10 a。7月份濕潤的站點(diǎn)為多倫,8月份濕潤的站點(diǎn)為東烏珠穆沁旗和二連浩特。

圖5 不同月份干旱趨勢變化的空間分布結(jié)果Fig.5 Spatial distribution results of drought trends in different months

從有效干旱指數(shù)M-K 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果與分析,錫林郭勒不同月份不同站點(diǎn)干旱呈上升趨勢的站點(diǎn)占比12.03%,其中那仁寶力格通過顯著檢驗(yàn)占比最多5.55%,通過0.01顯著水平檢驗(yàn)的站點(diǎn)占比4%,僅有6月份的朱日和與多倫通過的0.05顯著水平檢驗(yàn),表明錫林郭勒各站點(diǎn)的干旱上升下降趨勢變化大多不顯著。

2.4 干旱時空模態(tài)分析

EDI指數(shù)的前2個特征值累積方差貢獻(xiàn)率接近70%(表2),其中模態(tài)一中特征向量的方差貢獻(xiàn)率達(dá)52.75%,遠(yuǎn)大于其他模態(tài)。模態(tài)二中特征向量的方差貢獻(xiàn)率為14.38%,明確錫林郭勒氣象干旱場主要有兩種類型,即錫林郭勒一致型和東南—西北反位相型。

表2 錫林郭勒年有效干旱指數(shù)EOF分解的前5個特征向量貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rate of the first 5 eigenvectors to EOF decomposition of Xilin Gol annual effective drought index

第1個特征向量系數(shù)為一致的正值分布且相差較小,說明各站降水量對干旱貢獻(xiàn)較均衡,較大值主要位于錫林浩特市和阿巴嘎旗的北部。第2個特征向量的空間分布總體上表現(xiàn)為由西南部蘇尼特右旗、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍(lán)旗、多倫縣和太仆侍旗向北部和東北部旗縣干旱逐漸減輕的趨勢,最干旱區(qū)位于蘇尼特右旗(圖6)。

圖6 EDI指數(shù)的干旱時空模態(tài)結(jié)果Fig.6 Temporal and spatial modal results of drought in EDI index

第一模態(tài)時間序列可以看出(圖7A),整體呈現(xiàn)下降趨勢,尤其是2000—2010年末十分明顯,其標(biāo)準(zhǔn)差為±1.34,該模態(tài)具有較大的權(quán)重,從個別年份的情況看,1970年、1992年、1998年遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.34,可以說明這些年份較為濕潤,而2001年、2005年、2006年、2007年、2011年的時間序列小于-1.34,干旱較為嚴(yán)重。第二模態(tài)時間序列呈現(xiàn)出上升趨勢(圖7B),其標(biāo)準(zhǔn)差為±0.70,從個別年份看,1989 年、1990 年、2001 年時間序列遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.84,相對濕潤,然而1973 年、1975年、1976年、1979年、1996年、2009年、2010年時間序列小于-0.70,較為干旱。從《氣象災(zāi)害大典》的記錄來看1975年、1976年、1979年、2009年、2010年均為錫林郭勒干旱較為嚴(yán)重的年份。

圖7 1969-2018年EDI的前2個特征向量所對應(yīng)的時間系數(shù)Fig.7 Time coefficients corresponding to the first two eigenvectors of EDI during 1969-2018

3 討論

內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)的氣候受季風(fēng)環(huán)流影響,是錫林郭勒地區(qū)降水在近十幾年的微弱減少、氣象干旱增加的主要原因,但整體趨勢與張煦庭等[23]采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)研究干旱時空分布特征的結(jié)果大致相近。錫林郭勒干旱災(zāi)害出現(xiàn)頻繁、持續(xù)時間長,其分布具有一致性的特點(diǎn),干旱出現(xiàn)的時段主要出現(xiàn)在冬、春及初夏季,嚴(yán)重時則會出現(xiàn)冬春初夏連旱,而近年來秋季干旱呈頻發(fā)之勢[24],這是由于當(dāng)每年9月以后干季到來時,受到西風(fēng)環(huán)流的控制,同時海拔較高,形成了氣溫低,風(fēng)大,雨少的氣候特征。本文通過干旱時空模態(tài)分析,得出全錫林郭勒一致型和東南—西北反位相型干旱分布格局,這與張巧鳳等[25]得出的錫林郭勒盟一致性趨勢的結(jié)果基本一致。但是在模態(tài)的數(shù)量與方差貢獻(xiàn)率的表現(xiàn)有所不同,可能是使用干旱指數(shù)的差異與干旱尺度的不同導(dǎo)致的。EDI指數(shù)雖然可以反映錫林郭勒的時空變化特征,但是EDI仍存在一些不足,EDI以月降水量作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),不能反映區(qū)域的干旱事件的持續(xù)日數(shù),尤其是干旱產(chǎn)生和解除的機(jī)理。

4 結(jié)論

(1)1969—2018年,錫林郭勒地區(qū)的年平均EDI指數(shù)以0.029/10 a的速度下降,干旱趨勢明顯增強(qiáng)。在1970—1980年EDI值變化十分劇烈,說明這段時間干濕交替比較明顯。平均每年發(fā)生0.5次干旱事件,平均約2 a一次,其中2000年最為突出,發(fā)生中旱、重旱以及總數(shù)最多,共2.3次。

(2)錫林郭勒正常發(fā)生的頻率在67.17%~72.65%,發(fā)生重旱的頻率在0.02%~0.99%,西南部、中部是干旱強(qiáng)度較高的區(qū)域。

(3)錫林郭勒在整個歷史時期的1—3月和9—12月9個站點(diǎn)都呈干旱趨勢,而4—8月既有干旱趨勢,又有濕潤趨勢。其中10月份的趨勢最大,線性速率為-0.127/10 a;2月份的干旱趨勢最小,線性速率為-0.091/10 a。從EDI指數(shù)M-K 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同月份不同站點(diǎn)干旱呈上升趨勢的站點(diǎn)占比12.03%。

(4)錫林郭勒干旱時空模態(tài)空間分布呈現(xiàn)一致型和東南—西北反位相型。

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