全球主要干旱區氣候變化研究綜述

王佳寧，李雯婧

1.黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江哈爾濱 150030；2.齊齊哈爾市氣象局，黑龍江齊齊哈爾 161000

0 引言

干旱區指屬于干旱氣候的地區，所占面積為1.9×107km2，約占全球陸地面積（14.9×107km2）的13%[1-2]。這里降水稀少、水資源缺乏、生態環境十分脆弱，對全球氣候變化的反應十分敏感。干旱地區的降水較少并且時空變化大，氣候干燥，水資源匱乏，導致其生態環境脆弱 。因此，干旱地區的氣候變化及其面積是否擴張，對人類生存環境的影響十分顯著[3]。

在全球變暖的環境背景下，全球干旱地區由于其脆弱的生態環境，極易受到氣候變化和人類活動的影響的特殊性，而引起國內外學者的重視。在這樣的環境背景下，研究并掌握干旱地區的氣候時空變化，有助于了解未來干旱地區氣候變化。

1 數據與方法

1.1 數據

研究所采用的平均氣溫和降水資料來自美國氣候中心所提供的NCEP再分析數據，空間分辨率為0.5°×0.5°。年潛在蒸發量的數據出自全球陸面數據同化系統，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間長度為1948—2010年，共計63年。

1.2 氣候劃分方法

干旱指數(Aridity Index, AI )是反映氣候干旱程度的指標，定義為年降水量(P)和年潛在蒸發(PET)的比值。PET表征的是大氣的蒸發“需求”，是在給定的氣候條件下，從濕潤的、有植被覆蓋的地表得到的蒸散發量的最大值。

依據聯合國環境規劃署的劃分標準，將年降水量與年潛在蒸發量的比值＜0.65的區域定義為旱地，并將其進一步劃分為極端干旱區（AI＜0.05）、干旱區（0.05≤AI＜0.2）、半干旱區（0.2≤AI＜0.5）和濕潤偏干區（0.5≤AI＜0.65）共4種類型。

1.3 研究方法

1.3.1 區域平均的氣象要素時間序列計算網格的面積會因為格點緯度的不同而有所不同，因此計算區域平均的時候需要考慮面積權重。利用網格面積大小求得各個格點氣象要素加權平均值，從而得到區域平均的氣象要素隨時間的變化序列。計算公式如下：

1.3.2 線性趨勢分析表示要素的時間序列（i=1, 2, 3, …, n），n是樣本容量（即為年份數），ti表示xi所對應的時間，xi與ti的一元線性回歸方程為：

式（2）中，a為氣象要素和時間的線性回歸系數，即氣象要素變化的速率?？梢岳米钚《朔ü浪愕玫?。a的正負值表示氣象要素x的傾向趨勢。如果a＜0，表示要素在計算時間內有下降的趨勢；如果a＞0，則表示要素在計算時間內有上升趨勢。通常把a×10稱為氣候傾向率，單位為氣象要素單位/10年，它的絕對值的大小可以表示變化趨勢的程度。

2 全球干旱區的空間分布

圖1是根據1961—1990年的干旱指數劃分出來的全球干旱區的空間分布圖。從圖1中可以看到，干旱區主要分布在撒哈拉沙漠的南部、中亞、中國北方的部分地區、蒙古國的南部、澳大利亞的大部分地區等。其中，中亞和澳大利亞地區的干旱區在全球干旱區中面積占比最大，因此此次研究主要分析中亞的澳大利亞干旱區氣候的時空分布特征。

圖1 1961—1990年全球干旱區的空間分布

3 中亞干旱區氣候變化

3.1 中亞干旱區的空間分布特征

根據干旱指數對干旱區和半干旱區的劃分，將干旱指數在0.05~0.2范圍內的區域定義為干旱區。圖2是根據1961—1990年的干旱指數劃分出來的中亞干旱區的空間分布圖。該地區處于亞歐大陸腹地，介于35°N~55°N，50°E~85°E，占全球干旱區面積的1/3，是典型的內陸干旱區，生態環境極其脆弱，對氣候變化反應較為敏感[4]。

圖2 1961-1990年中亞干旱區的空間分布

3.2 中亞干旱區的降水變化特征

中亞干旱區冬季總降水量的年際變化波動較小，1997—1999年有劇烈的突變，1952年和1997年出現總降水量最大值，1999年出現最小值。過去63年中亞干旱區冬季總降水量的均值為45 mm。根據線性趨勢可知，整體上過去63年中亞干旱區冬季總降水量呈下降趨勢（沒有通過顯著性檢驗），下降速率為0.13 mm/10年。

可見中亞干旱區夏季總降水量的年際變化波動也較小，過去63年中亞干旱區夏季總降水量的均值為23 mm。根據線性趨勢可知，整體上過去63年中亞干旱區夏季總降水量也呈下降趨勢（沒有通過顯著性檢驗），下降速率為0.31 mm/10年。有研究資料表明，中亞干旱區降水呈顯著的季節性變化，與中亞干旱區春、冬季為雨季，夏、秋季為枯水期特征吻合。中亞干旱區受到西風環流和北大西洋濤動的影響，降水特征為以冬季、春季為主的西風區降水特征。冬季可占全年降水量的24.4%，夏季降水量占全年降水量的17.9%[5]。

分析可知，中亞干旱區年總降水量年際變化波動較大，年總降水量最大值出現在1981年，為215 mm；最小值出現在2000年，為100 mm，二者相差115 mm。過去63年中亞干旱區年總降水的均值為151 mm。整體上，過去63年中亞干旱區年總降水量呈下降的趨勢（沒有通過顯著性檢驗），下降速率為2.80 mm/10年。

3.3 中亞干旱區的溫度變化特征

由1948—2010年中亞干旱區冬季平均溫度變化可知，中亞干旱區冬季平均溫度最低值出現在1968年，為-10.5℃，溫度最高值在1998年、2001年、2003均有出現，為-1℃，二者差值為9.5℃。過去63年的平均溫度為-4.5℃。根據線性趨勢可知，整體上1948—2010年中亞干旱區冬季平均溫度呈上升趨勢（通過了95%的顯著性檢驗），上升速率為0.34℃/10年。

由1948—2010年中亞干旱區夏季平均溫度變化可知，中亞干旱區夏季平均溫度最高值出現在2010年，為25.6℃，溫度最低值出現在1957年，為22.7℃，二者差值為2.9℃。過去63年的夏季平均溫度為24℃。根據線性趨勢可知，1948—2010年中亞干旱區夏季平均溫度整體呈上升趨勢（通過了99%的顯著性檢驗），上升速率為0.23℃/10年。

由1948—2010年中亞干旱區年均溫度變化可知，溫度最高值出現在2004年，為11.6℃，溫度最低值出現在1950年和1969年，為8.2℃，二者差值為3.4℃。過去62年的年均溫度為10℃。根據線性趨勢可知，1948—2010年中亞干旱區年均溫度整體呈上升趨勢（通過了99%的顯著性檢驗），上升速率為0.30℃/10年（表1）。

表1 中亞干旱區降水量、溫度變化速率

4 澳大利亞干旱區氣候變化

4.1 澳大利亞干旱區的空間分布特征

根據干旱指數對干旱區和半干旱區的劃分，將干旱指數在0.05~0.20范圍內的區域定義為干旱區。圖3根據1961—1990年的干旱指數劃分出來的澳大利亞干旱區的空間分布圖。該地區位于南太平洋和印度洋之間的澳大利亞大陸，介于10°S~40°S、110°E~150°E。干旱區位于澳大利亞大陸的西部和中部，占澳大利亞的大部分地區。

圖3 1961—1990年澳大利亞干旱區空間分布

4.2 澳大利亞干旱區的降水變化特征

澳大利亞處于南半球，所以冬季為每年的6—8月。過去63年澳大利亞干旱區冬季總降水量的均值為42 mm。1973年出現降水量最大值為105 mm，1970年出現降水量最小值為10 mm，二者相差95 mm?？梢?，1970—1973年之間出現了劇烈的突變降水。此外，1976—1978年、1982—1986年之間也出現了明顯的突變降水變化。根據線性趨勢可知，1948—2010年澳大利亞干旱區冬季總降水量呈下降趨勢（沒有通過顯著性檢驗），下降速率為0.74 mm/10年。

過去63年夏季的總降水量的均值為112 mm。1948—1970年以及1980—2010年降水變化的振蕩趨勢比較穩定，但是1971—1979年出現的明顯的降水量突變。在1973年出現了降水量最大值為300 mm。根據線性趨勢可知，過去63年澳大利亞干旱區夏季總降水量呈上升趨勢（通過了95%的顯著性檢驗），上升速率很大，上升速率為6.1 mm/10年。

在1972年出現了降水量最低值為150 mm，1974年出現了降水量最高值為540 mm?？梢?，在1972年—1974年這三年間發生了劇烈的降水量突變過程。過去63年的年平均總降水量為260 mm。根據線性趨勢可知，過去63年澳大利亞干旱區年總降水量呈上升趨勢（沒有通過顯著性檢驗），上升速率為6.7 mm/10年。

4.3 澳大利亞干旱區的溫度變化特征

1956年，澳大利亞干旱區出現最低溫度，為13℃；1996年，出現最高溫度為16.2℃。根據線性趨勢可知，過去63年澳大利亞干旱區冬季平均溫度呈上升趨勢（通過了99%的顯著性檢驗），上升速率為0.19℃/10年。

澳大利亞干旱區夏季的平均溫度的均值為28.8℃，夏季平均溫度均值比冬季高14.4℃。在1990年出現最高溫度，為30.2℃，在1948年出現最低溫度，為27.4℃，二者差值為2.8℃。根據線性趨勢可知，過去63年澳大利亞干旱區夏季平均溫度呈上升趨勢（通過了99%的顯著性檢驗），上升速率為0.11℃/10年。

澳大利亞干旱區年均溫度為22℃。過去63年中，澳大利亞干旱區年均溫度呈上升趨勢（通過了99%的顯著性檢驗），在震蕩中持續上升，上升速率為0.17℃/10年（表2）。

表2 澳大利亞干旱區降水量、溫度變化速率

5 結論

利用美國氣候中心的NCEP再分析資料以及降水資料，根據聯合國環境規劃署劃分標準，得到了旱地的時空分布，并劃分出了中亞以及澳大利亞干旱分區。本文系統性地將中亞干旱區以及澳大利亞干旱區的溫度以及降水進行了詳細的對比分析。主要的研究結論如下。

（1）中亞干旱區處于亞歐大陸腹地，介于35°N~55°N、50°E~85°E。中亞干旱區年總降水量和冬夏季總降水量都呈下降的趨勢。澳大利亞干旱區的降水主要集中在夏季，而中亞干旱區的降水主要集中在冬季。有研究資料表明，中亞干旱區降水呈顯著的季節性變化，中亞干旱區受到西風環流和北大西洋濤動的影響，降水特征為以冬季、春季為主的西風區降水特征。

（2）中亞干旱區年均溫度和冬夏季平均溫度都呈上升趨勢，冬季溫度上升速率大于年均溫度上升速率和夏季溫度上升速率。

（3）澳 大 利 亞 介 于10°S~40°S、110°E~150°E。干旱區位于澳大利亞大陸的西部和中部，占澳大利亞的大部分地區。澳大利亞干旱區降水主要集中在夏季，年總降水量呈上升趨勢，上升速率為6.7 mm/10年。夏季總降水量也呈上升趨勢，上升速率為6.1 mm/10年。但冬季總降水量呈下降趨勢，下降速率為0.74 mm/10年。

（4）澳大利亞干旱區年均溫度和冬夏季平均溫度都呈上升趨勢，且冬季平均溫度的上升速率大于夏季。