考慮氣候分區的甘肅省干旱時空分布特征分析

鄭 健 鮑婷婷 王春霞 趙雨露 陳 婭 王 燕

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050；2.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，蘭州 730050；3.臨夏回族自治州水利科學研究院，臨夏 731100；4.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心，蘭州 730050)

0 引言

干旱是當今世界人類面臨的主要自然災害之一[1-2]，對不同地區、不同時期的農業、經濟和社會都會造成嚴重和多樣化的影響[3]，研究不同氣候類型和地理特征下的干旱時空變化，可為防災減災以及建立旱情預警、監測等提供有效可靠的科學依據。中國西北地區干旱發生時波及范圍廣、持續時間長、不可控因素多，對生態系統、農業生產和社會經濟都造成了不可估量的后果[4]。甘肅省地處西北，東西跨度大、氣候類型復雜多樣[5]，是我國自然生態類型最為復雜和脆弱的地區之一[6]。準確分析甘肅省干旱災害的演變規律，明確干旱時空演變特征是區域災害管理的重要組成部分，對于構建和完善地區干旱風險評價體系與管理機制具有重要意義。

評估干旱最常用的有標準化降水指數(Standardized precipitation index，SPI)[7]、帕爾默干旱指數(Palmer drought severity index，PDSI)[8]和標準化降水蒸散指數(Standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)[9]，研究表明，SPI計算簡單，能夠很好地描述某些區域的干旱特征，但該指數只考慮了降水這一因素，并且在全球變暖的大背景下忽略了溫度變化帶來的潛在影響，所以SPI有一定的局限性；PDSI考慮了溫度變化對干旱特征的影響，適合全球變暖下各地區干旱的研究，但該指數所涉及的各項參數較難獲取，且PDSI在劃分干旱等級時易受主觀意愿的影響[10]。而VICENT-SERRANO等[11]提出的SPEI指數不僅考慮了SPI指數未考慮的潛在蒸散發，并從多時間尺度描述干旱，還避免了PDSI指數在干旱等級劃分時的主觀性，結合了上述兩者優點的SPEI適用性好，能更好地對干旱進行監測[12]。文獻[3,12-14]都利用SPEI指數對不同區域的干旱進行了研究，證明了SPEI指數有較好的地區適用性。甘肅省是一個多氣候區共存的省份，李棟梁等[15]、鄭健等[16]都對甘肅省進行過區域劃分，但前者由于各氣候區劃分得比較細，國家氣象站點目前尚未完全覆蓋所有氣候區，后者則在劃分氣候區時未考慮甘肅省主要的四大氣候類型，而氣候類型和地理特征是干旱形成的重要影響因素。因此，本文綜合考慮上述因素將甘肅省劃分為河西大陸性氣候區(Ⅰ區)、隴中北部季風氣候區(Ⅱ區)、隴南-隴中南部季風氣候區(Ⅲ區)和甘南高寒氣候區(Ⅳ區)?？紤]氣候分區的SPEI能在不同氣候類型下更準確地識別干旱的發生特征和影響因素。

本文基于劃分的4個氣候分區，以中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)中甘肅省26個國家氣象站點1960—2019年逐日氣象觀測數據為基礎，通過Mann-Kendall突變檢驗、氣候傾向率、干旱站次比等干旱指標分析甘肅地區1960—2019年的干旱演變規律及干旱現狀，以期為甘肅省的旱災預警評估和旱災防控提供依據和指導。

1 材料與方法

1.1 研究區域及氣象數據資料

甘肅省位于中國西北內陸地區(32°11′～42°57′N，92°13′～108°46′E)，橫跨黃土、青藏和內蒙古三大高原，幅員遼闊且地形呈狹長型，東西蜿蜒約1 659 km，南北跨度約530 km，總面積約4.258×105km2(圖1)。得天獨厚的自然環境和氣候類型，使甘肅省形成了山地、平川、高原、沙漠、隔壁等多種地形地貌以及耕牧交錯的特色農牧業生態系統。甘肅省年均降水量為300 mm左右，但整體在時間和空間上分布不均，導致甘肅省極易發生干旱災害。

圖1 甘肅省氣象站點及氣候分區分布圖

甘肅省1960—2019年的氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，包括26個國家級氣象站點的逐日降水量、氣溫(日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫)、日照時數、日相對濕度等氣象資料。圖1是甘肅省各氣象站點及氣候分區分布圖。為了提高SPEI計算結果的準確性和科學性，利用數據插補法對缺失數據進行插補，具體方法見文獻[17]。

1.2 研究方法

1.2.1標準化降雨蒸散指數計算方法

首先采用Penman-Monteith法計算潛在蒸散量[18-21]，計算過程詳見文獻[22-23]。再利用Penman-Monteith法計算的潛在蒸散量來計算SPEI，SPEI詳細計算過程如下[24-25]：

計算逐月降雨量與潛在蒸散量的差值Di，計算公式為

Di=Pi-PETi

(1)

式中Pi——第i月的降雨量，mm

PETi——用Penman-Monteith法計算得到的第i月的潛在蒸散量，mm

計算不同時間尺度的SPEI，本文計算1、3、12個月尺度的SPEI，計算式為

(2)

式中k——月時間尺度

n——計算次數

采用擬合效果較好的log-logistic概率密度分布函數f(χ)對D進行擬合，即

(3)

(4)

式中α′——尺度參數

β——形狀參數

γ——位置參數

F(χ)——累計概率分布函數

以上各參數可通過線性矩估計的方法獲得。

最后對累計概率密度進行標準化，得到SPEI，計算式為

(5)

(6)

(7)

式中w——參數P——累計概率

其中常數c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI具有多時間尺度的特性，本文分別計算了甘肅省26個國家氣象站點1個月(月尺度)、3個月(季尺度)、12個月(年尺度)時間尺度的SPEI，依次記為SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12。SPEI-3可以描述干旱的季節發生規律(春季(3—5月)由5月的SPEI-3表示、夏季(6—8月)由8月的SPEI-3表示、秋季(9—11月)由11月的SPEI-3表示、冬季(12—2月)由次年2月的SPEI-3表示)、SPEI-12可以描述干旱的年際發生規律[26]，本文主要分析SPEI-3和SPEI-12，而SPEI-1主要用于對甘肅省典型干旱事件進行比較與驗證。

本文參考國家氣象干旱等級相關標準[27]和其他學者[18,28]對干旱閾值的分級，根據SPEI的計算結果將干旱分為特旱、重旱、中旱、輕旱和正常5個不同的等級，如表1所示。

表1 SPEI干旱等級劃分

用于與同期SPEI驗證比較的典型干旱事件資料來源于《中國氣象災害大典：甘肅卷》[29]和中國氣象數據網上記載的甘肅省各氣候分區發生的典型干旱事件，本文整理了甘肅省1960—2019年17次較大的旱災事件，如表2所示。

表2 近年來甘肅省各氣候分區典型干旱事件與SPEI干旱指數比較與驗證

1.2.2Mann-Kendall突變檢驗

Mann-Kendall突變檢驗是一種趨勢檢驗法，可以直觀地判斷序列的變化趨勢是上升還是下降，并且其計算結果比較穩定，少數異常值對其基本沒有干擾，便于應用且計算簡單，是檢驗時間序列變化趨勢及時間序列何時發生突變的一種有效方法，其中順序統計量UF和逆序統計量UK小于零時，表明序列呈下降趨勢，反之則呈上升趨勢，當它們超過顯著性水平α=0.05的臨界線時，表明變化趨勢顯著，當UF和UK在臨界線之間相交時，則此時就是突變開始的時刻。其具體計算過程見文獻[30]。

1.2.3氣候傾向率

氣候傾向率是通過各氣候要素與時間序列之間建立的一元線性回歸方程實現，能在一定程度上反映各氣候要素的變化趨勢，假設Xi為樣本量為m的某一氣候變量，ti為相對應的時間，建立Xi和ti之間的一元線性回歸方程[30]

Xi=a+bti(i=1,2,…,m)

(8)

式中a——回歸常數b——回歸系數

其中a和b都用最小二乘法估計，將10b作為氣候傾向率。

1.2.4干旱評價指標

利用干旱站次比描述甘肅省各氣候分區干旱發生范圍；利用干旱發生頻率描述甘肅省干旱發生的頻繁程度。計算公式分別為[19,31]

(9)

(10)

式中Pj——干旱站次比，%

m′——某區域發生干旱的氣象站點數

M——某區域內總氣象站點數

Pk——干旱發生頻率，%

n′——序列中某一站點發生干旱的總年數

N——序列總年數

2 結果與分析

2.1 甘肅省干旱時間格局特征

2.1.1不同時間尺度下SPEI變化特征

SPEI具有多時間尺度的特性。圖2為不同時間尺度SPEI(SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12)的變化規律。由圖2可知，不同時間尺度的SPEI波動頻率由高到低依次為SPEI-1、SPEI-3和SPEI-12；SPEI-1沿著0值上下波動頻繁，表明月尺度的SPEI對干旱的響應最為顯著，并且時間尺度越大，即年尺度的SPEI對干旱的響應存在延遲，但卻能整體把握干旱變化規律和走勢，且反映的干旱變化規律也越穩定。進一步分析圖2還可以看出，甘肅省從1960—2019年SPEI呈下降趨勢，表明近年來甘肅省的氣候正逐漸轉變為干旱的情形，干旱期主要集中在1997—2019年，以中旱和重旱為主，這種干旱發展趨勢不利于農牧業及社會經濟的發展，需要因地制宜制定抗旱策略。

圖2 1960—2019年甘肅省不同時間尺度下SPEI演變特征

2.1.2SPEI年際變化及Mann-Kendall突變檢驗

為了進一步研究甘肅省各氣候分區SPEI的四季變化規律，對其進行Mann-Kendall突變檢驗，如圖3(圖中CIup、CIlow分別為顯著性水平α=0.05的上限和下限)所示。由圖3可知，春、夏、秋季甘肅省各氣候分區在20世紀60年代到20世紀90年代中期UF曲線基本上都是先小于0再大于0，表明SPEI先呈下降趨勢再呈上升趨勢，各地濕潤化趨勢明顯，但在20世紀90年代中期到21世紀10年代UF曲線在各氣候分區都小于0，并且UF曲線在21世紀初期到21世紀10年代超過了0.05顯著性水平線，表明SPEI呈下降趨勢并且下降趨勢明顯，可知各氣候分區干旱越來越顯著，并且在春季，Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區由濕潤轉變為干旱的突變年分別為2001、2000、1997、2007年；夏季Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區由濕潤轉變為干旱的突變年分別為2000、1999、1995、1997年；秋季，Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區由濕潤轉變為干旱的突變年分別為1998、1990、1988、1997年。冬季各氣候分區在20世紀60年代到20世紀70年代初期UF曲線均小于0，20世紀70年代中后期到21世紀10年代UF曲線大于0，表明SPEI先呈下降趨勢再呈上升趨勢，且UF曲線在上升過程中都超了過0.05顯著性水平線，表明上升趨勢明顯，可知冬季各氣候分區濕潤化趨勢顯著，并且Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅳ區由干旱轉變為濕潤的突變年分別為1988、1982、1981年；Ⅲ區UF和UB曲線有多個交點，表明旱澇變化極不穩定。由以上分析可知甘肅省各氣候分區在春夏秋三季都處于變干旱的趨勢，從20世紀60年代到20世紀90年代中期，SPEI大多呈現為正指數，表明較為濕潤，但從20世紀90年代后期到21世紀10年代，SPEI大多呈現負指數，表明干旱程度總體偏重；但甘肅省各氣候分區在冬季是處于變濕的趨勢，且濕潤程度總體偏輕。

圖3 1960—2019年甘肅省不同氣候分區四季SPEI及Mann-Kendall突變檢驗曲線

2.1.3干旱范圍演變特征

從干旱的影響范圍來描述干旱，可以更全面闡明甘肅省1960—2019年的干旱演變特征。本文利用干旱站次比來反映干旱發生的范圍，干旱站次比越大則干旱發生的范圍越大。表3為甘肅省各氣候分區干旱影響范圍的不同等級干旱發生次數，可以看出各氣候分區干旱發生的范圍基本上呈兩極分化的趨勢，發生的都是全域性干旱(Pj≥50%)和無明顯干旱(Pj<10%)；近60年，區域性干旱(33%≤Pj<50%)在Ⅰ區發生過1年、在Ⅳ區發生過4年；部分區域性干旱(25%≤Pj<33%)在Ⅲ區發生過9年；局域性干旱(10%≤Pj<25%)在Ⅱ區和Ⅳ區都發生過5年。并且在1960—1999年，各氣候分區普遍發生的都是無明顯干旱，而2000—2019年，各氣候分區普遍發生的都是全域性干旱，表明從1960—2019年的60年時間內甘肅省先呈現的是無明顯干旱的趨勢，從20世紀90年代發生轉變，開始變得極度干旱，區域性干旱趨勢顯著。

表3 1960—2019年甘肅省不同氣候分區干旱影響范圍的不同等級發生次數

2.2 甘肅省干旱空間格局特征

2.2.1SPEI氣候傾向率空間分布

從空間角度分析干旱分布狀況可以更全面、更直觀地了解甘肅省近60年的干旱演變規律，本文應用ArcGIS 10.4軟件對甘肅地區各站點的SPEI 氣候傾向率進行反距離權重插值，得到不同氣候分區四季和年際SPEI氣候傾向率空間分布圖(圖4)。由圖可知，春(圖4a)、夏(圖4b)、秋(圖4c)三季的SPEI氣候傾向率在空間分布上與冬季(圖4d)差異十分顯著，春季甘肅省各氣候分區干旱加劇趨勢非常顯著，尤其在Ⅰ區和Ⅱ區，SPEI氣候傾向率平均為-0.31(10 a)-1，且SPEI氣候傾向率最低的站點是環縣，為-0.38(10 a)-1；夏季甘肅省各氣候分區除Ⅲ區的西峰鎮是干旱減輕的趨勢，SPEI氣候傾向率為0.05(10 a)-1，其余地區都呈現干旱加劇的變化趨勢，SPEI氣候傾向率處于-0.37～-0.23(10 a)-1之間；秋季甘肅省各氣候分區也是干旱加劇的趨勢，但相對于春季和夏季加劇趨勢有所減輕，除安西和西峰站點外，整體上SPEI氣候傾向率均處于-0.34～-0.22(10 a)-1；不同于其他季節，冬季甘肅省各氣候分區均呈干旱減輕的趨勢，SPEI氣候傾向率平均為0.12(10 a)-1，尤其是在Ⅰ區、Ⅳ區和Ⅲ區的華家嶺干旱減輕趨勢非常明顯，SPEI氣候傾向率最高可達0.30(10 a)-1，考慮可能是因為冬季氣溫相對比較低，蒸散量比較小。進一步分析圖4e可知，甘肅省各氣候分區全年SPEI氣候傾向率空間分布差異明顯，Ⅰ區除民勤、武威和馬鬃山地區干旱呈加劇的趨勢外，其他地區都呈干旱減緩的趨勢，尤其是Ⅰ區的鼎新，干旱減緩趨勢顯著，SPEI氣候傾向率為0.25(10 a)-1；Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區呈干旱加劇的變化趨勢，尤其在華家嶺，SPEI氣候傾向率可達-0.38(10 a)-1。

圖4 1960—2019年甘肅省不同氣候分區四季和年際SPEI氣候傾向率空間分布

2.2.2不同等級干旱發生頻率空間分布

為進一步分析甘肅省不同氣候分區的干旱狀況，繪制不同干旱等級發生頻率空間分布圖。由圖5可以看出，甘肅省近60年不同干旱等級發生頻率空間分布差異較大，且輕旱和重旱發生頻率相對較高，特旱發生頻率最低，中旱發生頻率居中；輕旱在Ⅱ區發生頻率最高，在13.33%～19.50%之間，輕旱發生頻率相對較低地區有Ⅰ區的永昌、民勤，Ⅲ區的西峰鎮，發生頻率在3.33%～8.34%之間；重旱發生頻率較高，在除了鼎新外的Ⅰ區、Ⅱ區的環縣、Ⅲ區的華家嶺，發生頻率在11.67%～18.33%之間，重旱發生頻率相對較低的地區有Ⅰ區的鼎新、Ⅲ區的武都、Ⅳ區的瑪曲和臨夏，發生頻率在6.67%～8.33%之間；中旱發生頻率較低且發生頻率分布較規律，呈自東南向西北逐漸增大的變化趨勢，且干旱頻率控制在3.33%～11.67%之間，中旱在Ⅰ區發生頻率最大，在3.33%～11.67%之間，Ⅱ區發生頻率最小，在3.33%～6.67%之間；不同氣候分區內特旱發生頻率最低，尤其是在Ⅰ區的敦煌、安西、馬鬃山、玉門鎮、鼎新和酒泉地區發生頻率為0。因此，甘肅省不同干旱等級發生頻率由小到大依次為：特旱、中旱、重旱、輕旱。

圖5 1960—2019年甘肅省不同氣候分區不同干旱等級發生頻率空間分布

3 討論

基于氣候類型和地理特征將甘肅省劃分為4個氣候分區，采用基于Penman-Monteith法計算的SPEI干旱指數分析甘肅省近60年來的干旱時空格局特征，發現在不同氣候變化背景下，甘肅西部地區(Ⅰ區)近年來呈干旱緩解趨勢，而甘肅東南部地區(Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區)呈干旱加劇趨勢，甘肅省整體呈現干旱化的變化趨勢，這一結論與李亮等[17]和任培貴等[32]對甘肅省及中國西北地區氣象干旱變化趨勢的分析結果基本上一致，但在干旱影響范圍和不同等級干旱發生頻率空間分布上與上述學者的研究有一定的差異，主要可能是本文把甘肅省劃分了4個氣候分區，在一定程度上提高了干旱影響范圍的準確性，而不同等級干旱發生頻率空間分布上的差異考慮可能是所選的氣象站點不同導致的，在后續研究中可適當增加一些省級氣象站點的氣象數據以及采用空間分辨率較高的柵格數據來提高計算結果的精度。

甘肅省四季干旱發生規律也不盡相同，研究表明春、夏、秋季呈干旱加劇的演變趨勢，而冬季則呈干旱緩解的演變趨勢，這與劉楊奕等[33]在對中國西北地區氣象干旱時空演變特征研究時所得出的結論一致。主要原因為：甘肅省是中國主要的農作物種植區和畜牧區，需水量極大，但年平均降水量只有300 mm左右，且四季分布不均，隨著全球變暖，蒸發蒸騰量也隨之變高，因此甘肅省春、夏、秋季干旱情勢比較嚴重。

利用SPEI指數對全中國[19]、中國西南地區[34]、黃河流域[35]和長江中下游地區[36]的研究比較多，但對甘肅地區的研究比較少，尤其是基于氣候分區的甘肅省干旱的研究。同時，從SPEI的計算機理上來說，該指數不僅對溫度變化敏感，又具有SPI的多尺度特性，適用于氣候變暖條件下干旱的描述，能更客觀地反映區域內的干濕狀況，因此SPEI相較于其他干旱指數計算結果更為可靠[17]；并且從甘肅省各氣候分區發生的典型干旱事件(表2)與同期SPEI的驗證與比較中可以看出，干旱的發生時間、發生的區域及干旱的發生強度和SPEI值基本上一致，表現出了較高的可靠性。以上所述證明在采用本文分區條件下，SPEI干旱指數對研究甘肅省干旱時空分布特征具有較好的可靠性和準確性。

本文對甘肅省近60年來的干旱時空分布特征進行了探討，但對干旱的演變成因研究還顯不足，干旱的發生不僅與該地區的降雨和氣溫等氣象因素有關，而且人類活動、大氣環流異常、地形、植被等都可能對干旱的發生產生影響。將會在后續的工作中進一步探討與研究，以期為甘肅省旱災防治提供更加科學實用的理論依據。

4 結論

(1)甘肅省不同時間尺度的SPEI波動規律不同，SPEI-1波動幅度最小，SPEI-12波動幅度最大，SPEI-3居中，但各時間尺度的SPEI都呈現出明顯的干旱化趨勢。

(2)甘肅省各氣候分區春、夏與秋季干旱化趨勢明顯，冬季濕潤化趨勢明顯，Mann-Kendall突變檢驗顯示全省各氣候分區由濕潤轉變為干旱的突變年份基本集中在1990—2006年，由干旱轉變為濕潤的突變年基本集中在1980—1990年。

(3)在干旱影響范圍上，甘肅省各氣候分區在1960—1999年普遍發生的都是無明顯干旱，而在2000—2019年普遍發生的都是全域性干旱。

(4)在空間分布上，春季Ⅰ區和Ⅱ區SPEI氣候傾向率最低，平均為-0.31(10 a)-1，表明干旱加劇趨勢明顯，冬季全省SPEI氣候傾向率最高，平均為0.12(10 a)-1，表明呈干旱緩解趨勢，總體上甘肅省全年Ⅰ區呈干旱減緩，Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區呈干旱加劇趨勢；甘肅省不同等級干旱發生頻率由小到大依次為：特旱、中旱、重旱、輕旱。