基于MCI的1961—2016年中國北方不同等級干旱趨勢研究＊

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據質量控制室，甘肅蘭州 730020）

1 引言

中國北方地區干旱呈現“西多東少”的分布特征[1]，但近幾十年來西北地區干旱減緩[2]、華北干旱增強[3]。其中西北地區干旱自1960年以來主要呈現年代際干旱變化的特征，1980年代以前西北地區干旱主要發生在西北地區西部，以后主要發生在西北地區東部[4-5]。而華北地區干旱存在持續增加的趨勢[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，西風環流、季風、西太副高等大尺度環流背景也發生調整[13-16]，受此影響，中國北方干旱的時空分布呈現新的規律，不同程度的干旱分布特征也發生相應改變，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，目前，用于定量描述干旱的指數主要包括Palmer干旱指數（PDSI）[17]、相對濕潤度指數（MI）[18]、標準化降水指數（SPI）[19-21]、標準化降水蒸散指數（SPEI）[22]等，這些干旱指數從降水、蒸散等角度考慮干旱的發生程度，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難以獲得完整（準確）的參數使得指數的區域代表性不足[24]，而SPI指數、MI指數以及SPEI指數考慮氣象要素相對單一難以準確描述干旱的連續性，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（Meteorological drought Composite Index，MCI）[26]，該指數能夠充分反映干旱的連續性、累積效應以及區域差異性的特征，具體來說：（1）通過引進標準化權重降水指數有效減少干旱發展過程中不合理跳躍現象；（2）通過引進150天標準化降水指數代表干旱發展過程的累積效應；（3）通過引進季節調節系數以適應不同區域、不同季節的干旱[27-28]。MCI指數具有處理非平穩序列、動態表征干旱的特性，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指數研究了甘肅近50年干旱情況，認為不同等級干旱均呈現增加的趨勢，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、陜西等北方地區干旱趨勢增加更為顯著，這意味著MCI指數對我國區域干旱具有更好的表征能力。MCI指數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指數開展中國北方1961—2016年不同等級干旱日數的年代際變化研究，揭示不同等級干旱發生頻次的時空演變規律。

2 方法與數據

本研究時段選為1961—2016年，資料為基于MCI指數的逐年不同等級干旱日數。MCI指數[26]目前在中國氣象局氣象干旱監測業務中投入使用，并由國家氣候中心提供逐日全國氣象干旱監測結果。不同等級干旱的劃分如表1所示，MCI指數越小，意味著干旱越顯著。研究中，逐年統計不同站點滿足不同等級干旱的日數，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稱為總干旱日數。中國北方共有870個觀測站點，在西北，內蒙古自治區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

3 研究內容

3.1 中國北方干旱趨勢分布

為了初步了解中國北方干旱分布情況，繪制總干旱日數的多年平均和逐年的區域平均（圖1），年平均干旱日數東部地區要多于西部地區,其中年平均干旱日數最多的區域主要位于河北（達到160 d）,其次是內蒙古東部、甘肅東部、寧夏中部等地區,平均干旱日數達到130 d；年平均干旱日數最少的區域主要位于新疆中南部、青海西部地區,其中新疆中南部地區最少（平均干旱日數少于50 d）。從時間變化上來看,北方總的平均干旱日數在1961—1990年期間變化幅度較小，1990—1999年期間呈現增加的趨勢（達到9.46 d/a,通過0.01的顯著性檢驗）,2000—2019年前后出現減小的趨勢（-1.94 d/a）,功率譜分析表明中國北方干旱呈現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、內蒙古在內的區域干旱日數均顯著減少，負趨勢最顯著的區域位于新疆北部、青海東部，達到-2.0 d/a；而東部地區的干旱日數增加，其中增加趨勢顯著的區域位于甘肅東部、寧夏、陜西南部，達到1.5 d/a。不同等級的趨勢變化來看，輕旱和中旱日數在內蒙古、甘肅、新疆、青海等地減少，輕旱日數在新疆、青海以及內蒙古東部減少顯著，中旱日數在新疆北部、青海中西部負趨勢顯著；北方其他省區輕旱和中旱日數增加。重旱和特旱日數趨勢在新疆、青海、內蒙古中西部、甘肅中部、山西、河北等地呈現負趨勢，其余地方呈現正趨勢。

圖1 中國北方地區年平均干旱日數（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呈現減少的特征，而東部地區主要呈現增加的特征。

2.2 干旱日數百分比

進一步分析總干旱日數中不同等級干旱日數的比例，輕旱呈現“西高東低”分布特征，其中西部輕旱所占比例較大區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%；而東部地區輕旱比例約占50%。中旱在總干旱日數中的比例呈現“東高西低”的分布特征，北方東部地區（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%；西部地區中旱比例較少，主要在新疆南部地區和青海西部地區，中旱比例少于20%。重旱的比例分布也呈現“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 不同等級干旱的區域平均干旱日數所占百分比隨時間變化

綜上所述，輕旱和中旱日數占總干旱日數中的絕大部分，并且總干旱日數中的年代際變化也主要由這兩種干旱貢獻的；重旱和特旱日數在1970年以前和1996—2005年期間的總干旱日數中占的比例較大。

3.3 不同時段干旱空間分布情況

上述結論也表明干旱日數變化呈現年代際變化的特征，為此利用滑動T檢驗（Moving T Test，MTT）方法對總干旱日數進行突變檢測，統計量在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?？偢珊等諗祦砜?，在1961—1995年期間年平均干旱日數較少（120d），而1996—2001年期間年平均干旱日數顯著偏多（140 d），2002年以后干旱日數顯著減少（僅為110d）。不同時段干旱日數的空間分布來看，在1961—1995年期間，北方干旱日數空間分布東西部差異較?。?0～100 d），河北部分地區出現超過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；1996—2002年期間，東西部干旱日數差異較大，其中河北、山西、山東地區的干旱日數明顯較前一時期顯著偏多，達到180 d，部分地區甚至超過210 d的干旱日數；而西部地區小于60 d的干旱區域較前一時段偏大，新疆中部和東部地區、青海西部均出現干旱日數小于60 d（甚至更少）的情況。2003—2016年期間，東部干旱日數的空間分布與1961—1995年較為類似，但西部干旱日數顯著偏少，其中干旱日數低于60 d的區域擴長至整個新疆地區、青海大部地區、甘肅河西地區以及內蒙古西部區域。

綜上來看，中國北方東部干旱日數在不同時段都要多于西部地區，其中東部地區在1961—1995年期間，平均干旱日數為120 d，而1996—2002年干旱日數顯著增加，達到180 d左右，2003—2016年干旱日數減少至120 d。西部地區則呈現持續減少的特征，1961—1995年期間，僅在新疆東部部分地區干旱日數少于60 d，而1996—2002年期間這一范圍擴大至新疆大部分地區和青海西部部分地區，2003年以后，整個西部地區干旱日數都少于60 d。

不同等級干旱不同時段的干旱日數空間分布來看，1996—2002年期間的干旱日數整體上要多于1961—1995年的情況，2003—2016年的干旱日數最少。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，其中干旱日數最少的區域位于新疆東南部（少于30d）；1996—2002年的輕旱除了新疆東南部地區（少于30 d），大部分地區干旱日數均多于60 d，其中河北、內蒙古東部、甘肅南部部分地區干旱日數超過90 d；2003—2016年的輕旱主要分布在東部地區，其中105°E以東地區輕旱日數超過45 d；（2）中旱，中旱日數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（超過30d），其中1996—2002年期間的中旱日數要明顯偏多，主要集中在河北南部、內蒙古東部、甘肅南部等地區，干旱日數接近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、陜西中部部分地區重旱日數超過40 d，1961—1995年、2003—2016年的2個時段重旱日數較少，其中105°E以東干旱日數在16～24 d之間，西部干旱日數則更少。（4）特旱也主要發生在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，干旱日數超過18 d，其余地區干旱日數少于6 d；1961—1995年期間，北方特旱日數幾乎為0；2003—2016年時段，105°E以西干旱日數接近于0，東部的干旱日數少于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增多、西部地區略有減少；而后一時段（2003—2016年）的干旱在整個北方地區均有所減少，西部地區干旱日數減少要多于東部地區，這一現象在輕旱和中旱中比較明顯。

4 結論與討論

文章基于MCI指數研究了中國北方不同等級干旱日數的趨勢特征，結論如下：

（1）中國北方東部干旱日數多于西部干旱日數，其中年平均干旱日數最多的區域主要位于河北，達到160 d，而年平均干旱日數最少的區域主要位于新疆中南部地區，少于50 d；從時間變化來看呈現年代際變化特征，1961—1990年期間干旱日數變化趨勢幾乎為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，是總干旱日數在此時段增加的主要原因。

（3）輕旱、中旱、重旱和特旱日數百分比的區域平均分別為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，輕旱干旱日數百分比主要呈現“西高東低”的分布特征，百分比最高區域位于新疆（超過70%），而東部區域百分位為50%左右，中旱、重旱和特旱則呈現“東高西低”的分布特征，其中中旱在東部地區百分比為30%左右，而西部地區則少于20%；從長期變化趨勢來看，1990年以前，不同等級的干旱日數百分比較為穩定，沒有顯著的趨勢，而1990—1998年期間輕旱日數百分比呈現顯著負趨勢、重旱和特旱日數百分比顯著增加，1999—2005年期間這一情況相反，2006年以后不同等級干旱日數百分比趨勢幾乎為0，這一現象在輕旱和中旱日數中更為明顯。