塔城地區1961—2020 年季節性干旱演變特征

高 婧，井立紅，陳 靜，李?；?，井立軍

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.沙灣市氣象局，新疆 沙灣 832100；3.塔城地區氣象局，新疆 塔城 834700；4.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

干旱是全球普遍存在的一種自然災害，也是會對人類社會和經濟造成重大損失和影響極為嚴重的一種自然災害[1]。全球自然災害以洪水、干旱和風暴的危害性較大，1900—2018 年干旱造成的死亡人數最多，占全部因災死亡人數的36%[2]。干旱大致分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱[3]，氣象干旱表現為降水明顯少于正常狀態[4]，是其他類型干旱發生的前兆和誘發因素，可引起社會自然資源的惡化，進而引發一系列社會、經濟、環境和生態問題。對氣象干旱進行監測和評估，可為其他類型干旱提供預警和風險管理。國內外學者對干旱的研究主要集中在基于水分平衡原理、概率分布和遙感監測等相關指數對某一研究區域干旱頻率和程度進行評估方面，不同干旱指數適用范圍和應用效果也不盡相同。21 世紀氣候變化影響下，全球將可能面臨干旱頻率和強度增加的前景[5]，中國綠洲（除河套平原）的極端干旱事件發生頻次呈遞減趨勢，極端濕潤事件發生頻次呈遞增趨勢，降水是中國綠洲地表干濕狀況的主導氣象因子[6]；中國氣候變濕較明顯的區域主要位于西部地區，包括新疆大部、青海西部、甘肅和內蒙西部、西藏西北部等地[7]，特別是20 世紀90 年代初期以來，西北干旱區暖濕化進程加劇[8]，未來西北西部降水仍呈增加趨勢[9]；新疆北部為氣候向暖濕轉型的顯著區域，降水呈增加趨勢，水面蒸發和潛在蒸散量呈下降趨勢，干旱程度總體呈減輕趨勢，干旱狀況得到一定程度的緩解[10-11]，干旱程度在1987 年前后發生突變，1988 年以來干旱整體偏輕，春、夏、秋季干旱程度均呈顯著減弱趨勢[12]。

每種干旱指數都有其優勢和局限性，新疆干濕變化主要受降水量的影響[13]，標準化降水指數（SPI）用于量化不同時間尺度降水虧缺，它將降水記錄轉化為正態分布，克服了使用非標準化分布造成的差異，具有計算簡易、空間可比性強、時間尺度可變等優勢，被世界氣象組織（WMO）推薦為世界范圍通用的氣象干旱指標[14]，SPI被廣泛應用于干旱氣候學、干旱預報和農業干旱風險評價等領域[15]。干旱是塔城地區主要氣象災害之一，本文基于SPI指數運用最小二乘法、Mann-Kendall（M-K）檢驗方法等[16]從氣象干旱角度分析塔城地區季節性干旱發生頻率、影響范圍和干旱強度的時空演變特征，旨在為抗旱減災、農牧業生產布局和科學管理提供參考依據。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區概況

塔城地區位于新疆西北部，82°16′～87°21′E，43°25′～47°15′N，南北縱距437 km，東西橫距394 km，地跨準噶爾盆地西北地帶及準噶爾西部山區，地勢南北高、中間低。境內有盆地、平原、山地、丘陵、沙漠、戈壁等多種地貌，地形高差懸殊，地勢多變。年平均氣溫為3.9～8.7 ℃，年降水量為115～298 mm，屬中溫帶大陸性干旱氣候。參照文獻[17]劃分方法，將塔城地區7 個縣（市）及克拉瑪依市、炮臺鎮簡稱“塔城地區”（圖1）。

圖1 塔城地區氣象站點分布

1.2 資料來源

塔城地區9 個國家氣象觀測站1961 年1 月—2021 年2 月逐月降水量資料來源于新疆維吾爾自治區氣象信息中心。3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月—翌年2 月為冬季。

1.3 研究方法

1.3.1 標準化降水指數（SPI）

SPI由Mckee 等[14]提出，假設降水量的分布服從不完全的Γ 分布，通過概率密度函數求解累積概率，再將累積概率進行標準化處理，利用標準化降水累積概率分布來劃分干旱等級。該指標適用于不同地區不同時間尺度干旱的監測與評估。本文選用12 個月和3 個月時間尺度的SPI值分析年尺度和季節尺度的干旱時空演化特征。標準化降水指數干旱等級劃分[18]，-0.5＜SPI為無旱，-1.0＜SPI≤-0.5 為輕旱，-1.5 ＜SPI≤-1.0 為中旱，-2.0 ＜SPI≤-1.5 為重旱，SPI≤-2.0 為特旱。

1.3.2 干旱評估指標

干旱頻率用來評價某一站點在參與計算時段內發生干旱的頻繁程度，計算公式為：

式中：Fi為i 站發生干旱的頻率，N 為參與計算的氣象資料年數，n 為發生干旱的年數。

干旱站次比為某區域內發生干旱的站數占該區域總站數的比例，可用來評價干旱影響范圍的大小，計算公式為：

式中：j 為年份，m 為發生干旱的站數，M 為參與評估的區域內的總站數。本文參照文獻[19]定義，Pj＜10%時為無明顯干旱發生；10%≤Pj＜25%時為局域性干旱；25%≤Pj＜35%時為部分局域性干旱；35%≤Pj＜50%時為區域性干旱；Pj≥50%時為全域性干旱。

干旱強度用來評價干旱的嚴重程度，單站某時段的干旱強度可用SPI值反映，某區域內多年干旱程度計算公式為：

式中：Kij為j 年發生干旱的i 站SPI值，m 為發生干旱的站數。0.5≤Sij＜1.0 時為輕度干旱，1.0≤Sij＜1.5時為中度干旱，Sij≥1.5 時為重度干旱，Sij越大，干旱越嚴重。

2 分析結果

2.1 干旱空間變化特征

2.1.1 年尺度干旱頻率

近60 年塔城地區年尺度干旱頻率（圖2）顯示，各站年干旱（輕旱及以上，下同）發生頻率為21.67%～38.33%，平均為30.37%，年干旱頻率在35.00%以上的站點有烏蘇和塔城，干旱頻率在25.00%以下的站點有額敏和托里。不同干旱等級中，輕旱發生頻率為3.38%～23.33%，額敏最少，塔城最多；中旱發生頻率為5.00%～15.00%，裕民和沙灣最少，烏蘇最多；重旱發生頻率為1.67%～6.67%，平均為4.26%，和布克賽爾和沙灣最多；特旱發生頻率為1.67%～5.00%，額敏發生最多。塔城地區降水受地形地貌、海拔和山脈走向等因素影響而導致降水概率分布不同，造成各地干旱發生頻率存在一定的差異性。

圖2 1961—2020 年塔城地區各站年尺度干旱頻率

2.1.2 季節性干旱頻率

塔城地區各站干旱發生頻率（圖3）顯示，各站季節性干旱發生頻率為25.00%～38.33%，夏旱發生頻率最高，冬旱最低。四季中，春旱發生頻率為28.33%～33.33%，和布克賽爾和托里發生頻率最低，裕民和炮臺最高；夏旱發生頻率為26.68%～36.67%，托里最低，塔城和烏蘇最高；秋旱發生頻率為25.00%～35.00%，克拉瑪依最低，烏蘇最高；冬旱發生頻率為25.00%～38.33%，烏蘇最低，和布克賽爾最高。塔城地區各站不同等級季節性干旱的發生頻率差異相對較小，均以輕旱和中旱為主，輕旱發生頻率為12.59%～16.67%，夏季最多，冬季最少；中旱發生頻率為9.07%～10.19%，夏季最多，春季最少；重旱發生頻率為5.00%左右，秋季最多，夏季最少；特旱發生頻率不足3.00%，春季最多，秋季最少。

圖3 1961—2020 年塔城地區干旱頻率空間分布

2.1.3 標準化降水指數SPI的傾向率空間分布

由表1 可知，近60 年塔城地區年尺度SPI呈上升趨勢，66.67%的站點通過0.05 的顯著性檢驗，其中裕民、克拉瑪依和烏蘇SPI為0.19～0.23/10 a（P＜0.01），干旱減弱趨勢顯著。四季中，春季大部分站點SPI呈不顯著上升趨勢，其中和布克賽爾和烏蘇上升趨勢顯著；夏季除塔城SPI不顯著下降外，其余站點均呈不顯著上升趨勢；秋季各站SPI均呈上升趨勢，其中克拉瑪依、炮臺和烏蘇以0.15～0.19/10 a 的速率顯著上升；冬季絕大部分站點SPI呈著上升趨勢，有5 站SPI極顯著上升，可見冬季干旱減弱的幅度在四季中最大。

表1 1961—2020 年塔城地區各站SPI 傾向率/10 a

2.2 干旱時間變化特征

由圖4a 可知，近60 年塔城地區年平均SPI為-1.84～2.22，1997 年最小，2016 年最大。年尺度SPI呈波動上升趨勢[0.15/10 a（P＜0.01）]，表明干旱狀況總體有所減緩。M-K 突變檢驗（圖5a）表明，年尺度SPI經歷了上升、下降、上升的變化過程，1987 年之后SPI呈上升趨勢，UF 和UB 曲線在置信區間相交于1987 年（突變開始時間），并在2004 年超過0.05 顯著性水平臨界線，表明干旱減弱的突變顯著。這與吳秀蘭等[12]基于MCI指數的新疆干旱程度在1987年發生突變的結論一致。

圖4 1961—2020 年塔城地區年（a）、春（b）、夏（c）、秋（d）及冬（e）季SPI 變化

圖5 1961—2020 年塔城地區年（a）、春（b）、夏（c）、秋（d）及冬（e）季SPI 值M-K 檢驗

為揭示不同季節干旱的變化情況，以季節尺度SPI分析各季干旱的時間演變特征（圖4b～4e、圖5b～5e）。塔城地區四季SPI值均表現為增大趨勢，冬季增幅最大，氣候傾向率為0.21/10 a，秋季次之；春季和夏季SPI增大趨勢不顯著。塔城地區春季SPI值為-1.84～1.64，1989 年最小，2010 年最大。20 世紀60 和70 年代年際振蕩較大，自90 年代初期開始SPI呈持續緩慢上升趨勢，經M-K 和滑動t 檢驗分析，無顯著突變點；夏季SPI值為-1.51～1.67，1974 年最小，2013 年最大，在1988 年發生由少到多的突變，1997 年之后呈持續上升趨勢；秋季SPI值為-1.81～1.72，1997 年最小，2015 年最大，1979 年開始呈上升趨勢，1986 年前后發生突變，并在1997 年超過0.05顯著性水平臨界線；冬季SPI值為-2.12～2.52，1967年最小，2015 年最大，1986 年發生突變，并在1997年之后上升趨勢加劇，超過0.05 的顯著性水平臨界線，冬旱減弱趨勢在四季中最顯著。研究表明，中國西北地區年空中水汽含量自1986 年開始呈上升趨勢[20]，以1986 年為界，新疆由普遍干旱期轉為相對濕潤期[21]。塔城地區年和夏、秋、冬季SPI在20 世紀80年代中期發生突變，空中水汽含量（降水量）增加是干旱發生減弱突變的主導因素。

2.3 干旱站次比（影響范圍）和干旱強度

2.3.1 年尺度干旱站次比和干旱強度

由公式（2）計算得到年干旱站次比（圖6a），近60 年塔城地區干旱站次比呈顯著減小趨勢，傾向率為-5.34%/10 a，表明干旱發生范圍呈不斷縮小趨勢。干旱站次比在20 世紀80 年代中期之前較大，之后在波動中持續減小。塔城地區主要以局域性和全域性干旱為主，占比達60%，其中局域性干旱發生頻率最高，為21 次，1970—1973 年連續4 a 出現局域性干旱；全域性干旱發生15 次，其中1967、1974和1997 年所有站點均發生不同程度的干旱；部分區域性干旱發生6 次；區域性干旱最少，僅出現3 次。從塔城地區干旱站次比的年代際變化（表2）可知，20 世紀70 年代—21 世紀00 年代站次比呈逐漸減小趨勢，21 世紀10 年代又有增大傾向。

表2 塔城地區年、季干旱站次比和干旱強度年代際變化

圖6 1961—2020 年塔城地區年尺度干旱站次比（a）和干旱強度（b）變化

由公式（3）計算得到年干旱強度（圖6b），近60年塔城地區干旱強度以-0.11/10 a 的速率顯著減弱，干旱強度的總體變化趨勢與干旱站次比基本一致，平均干旱強度為0.74，波動范圍為0.00～1.84，其中輕度干旱發生頻數最高，為30 次，主要發生在20世紀60、70 和90 年代；中度干旱發生12 次（1962、1965、1967、1973、1975、1982—1983、1985、1991、2008、2011 和2020 年）；重度干旱發生3 次，出現在1974、1984 和1997 年，干旱強度分別為1.77、1.71 和1.84（最大）。干旱強度年代際變化表現為20世紀70 年代平均干旱強度最大，20 世紀60 年代次之，21 世紀00 年代最小。

2.3.2 季節性干旱站次比和干旱強度

2.3.2.1 春旱

由圖7a 可知，塔城地區春旱站次比的變化范圍為0%～100%，站次比＞10%的年份所占比例達68.33%，其中局域性春旱發生頻數最多，共計18次，1972—1973、2003—2004 年出現連年局域性春旱；全域性春旱發生15 次，1962、1967、1975、1989和1991 年站次比達到100%；部分區域性和區域性春旱分別發生7 次和1 次。由表2 可知，春旱站次比20 世紀60 年代最大，21 世紀00 年代最小。在干旱強度方面，春旱平均強度為0.69，波動曲線與春旱站次比基本一致，其中輕度春旱發生20 次，20 世紀70年代中后期發生頻繁；中度春旱發生18 次，20 世紀60 年代和21 世紀10 年代較多，分別出現5 和4次；重度春旱發生3 次，分別出現在1977 年（干旱強度為2.13，最大）、1989 和1991 年。春旱強度20 世紀70 年代最大，21 世紀00 年代最小。塔城地區春旱站次比和強度呈不顯著減小趨勢，線性傾向率分別為-4.37%/10 a 和-0.06/10 a，表明干旱影響范圍略有減小，強度略微減弱。

圖7 1961—2020 年塔城地區春（a）、夏（b）、秋（c）及冬（d）季干旱站次比和干旱強度變化

2.3.2.2 夏旱

由圖7b 可知，塔城地區夏旱發生頻率在四季中最高，達到81.67%，其中局域性夏旱發生24 次，1966—1968、1983—1985、1990—1992、2001—2003和2010—2012 年均為連續3 a 出現局域性夏旱。全域性夏旱發生18 次，1974—1979 年連續6 a 出現全域性夏旱；部分區域性夏旱發生7 次，無區域性夏旱發生。夏旱站次比20 世紀70 年代發生范圍最大，20 世紀60 年代最小。在干旱強度方面，夏旱平均強度為0.82，亦為四季中最大，其中輕度夏旱發生29次，占比48.33%，連續2 a 以上輕度夏旱發生8 次；中度夏旱發生16 次，1965—1966、1996—1997 和2018—2019 年出現連年中度夏旱；重度夏旱發生4次，分別出現在1974、1976、1984（干旱強度為1.70，最大）和1989 年。夏旱強度20 世紀70 年代最大，20世紀60 年代最小。夏旱站次比和強度的傾向率分別為-0.17%/10 a 和-0.01/10 a，在四季中減幅最小，可見夏旱的減輕程度十分微弱。

2.3.2.3 秋旱

塔城地區局域性秋旱發生19 次，20 世紀80 年代和90 年代發生最為頻繁，共計11 次；全域性秋旱發生13 次，其中1971 和1997 年站次比達到100%（圖7c）；部分區域性和區域性秋旱分別為6 和5次。秋旱站次比年代際變化表現為20 世紀70 年代最大，21 世紀10 年代最小。在干旱強度方面，秋旱平均強度為0.77，其中輕度秋旱發生20 次，主要集中在1990—2003 年，期間共發生9 次，連續2 a 以上輕度秋旱發生5 次；中度秋旱發生15 次，1966—1970、1973—1974、1977—1978 和2005—2007 年出現連年秋旱；重度秋旱發生8 次，分別出現在1971、1975、1984、1985、1991、1997、2013 和2018 年（1.87，最大），且后4 次干旱強度（平均值為1.76）明顯大于前4 次（平均值為1.56），可見重度秋旱事件的強度有增大傾向，極端干旱事件的發生風險有增大的可能性。秋旱強度年代際差異相對較小，20 世紀60 年代最大，21 世紀00 年代和10 年代最小。秋旱站次比和強度分別以-3.74%/10 a 和-0.08/10 a 的速率不顯著減小，表明秋旱范圍略有減小，強度略有減弱。

2.3.2.4 冬旱

塔城地區局域性冬旱發生21 次，20 世紀70 年代初—90 年代中期發生較頻繁，其中1988—1992年連續5 a 發生局域性冬旱；全域性冬旱發生12次，20 世紀60 年代和80 年代前期發生較多，1995年之后無全域性冬旱發生；區域性冬旱和部分區域性冬旱分別發生7 和3 次。冬旱站次比的年代際差異較大，20 世紀60 年代最大（51.11%），21 世紀00年代最?。?0.00%）（圖7d）。在干旱強度方面，冬旱平均強度為0.73，其中輕度冬旱發生23 次，1964—1965、1971—1972、1975—1976、1984—1985、1988—1989、1991—1992、1997—1998 和2003—2004 年均為連續2 a 發生輕度冬旱；發生中度冬旱17 次，1997 年之前約有1/3 的年份發生了中度冬旱，之后明顯減少，與前文冬季SPI在1997 年達到顯著增大的時間相對應；重度冬旱發生3 次，分別出現在1962、1967（1.97，最大）和1982 年。冬旱強度年代際變化表現為20 世紀60 年代—21 世紀00 年代依次減小，21 世紀10 年代略有增大。冬旱站次比為-7.79%/10 a，冬旱強度為-0.11/10 a，可見冬季干旱程度減輕趨勢在四季中最顯著。

3 討論

目前沒有一種指數能夠完全定量地描述干旱的時空特征，且適用于不同區域干旱特征的表征及其對環境和社會影響的評估，即使對同一個研究對象，不同干旱指數所得結果亦存在明顯差異。這是全球干旱化的趨勢變化研究存在諸多爭議[22-23]的原因。在全球范圍內，由于降水減少和氣溫升高，過去近60 年和21 世紀主要以干旱化趨勢為主[24]；部分區域由于降水增加，干旱程度減輕，如斯堪的納維亞、白俄羅斯、烏克蘭和俄羅斯[25]。已有的關于新疆區域干旱的研究為塔城地區干旱變化提供了事實依據和理論基礎。如慈暉等[26]對多種氣象干旱指數在新疆干旱評價中的應用對比研究表明，SPI（SPEI，標準化降水蒸散指數）對降水（氣溫）響應較快，導致對干旱的判斷偏輕（重），但干濕趨勢變化總體特征一致；PDSI（Palmer 干旱指數）對干濕變化響應較慢。整體上，新疆干旱發生具有明顯的區域性和季節性特征，年季干旱影響范圍均呈縮減趨勢。郭冬等[27]對不同干旱指數在新疆區域適用性進行研究，PDSI和MCI（氣象干旱綜合指數）變化趨勢表明新疆干旱程度呈減輕趨勢，SPEI指數僅在東疆和南疆東部區域表現出干旱程度有加重趨勢。與歷史災情對比顯示，MCI指數在新疆地區的適用性優于其他指數。

基于SPI的塔城地區干旱變化與新疆地區[12，26-28]的干旱變化特征大體一致，干旱狀況得到一部分緩解，但這不改變塔城地區干旱的氣候本質，塔城地區未來水資源狀況依然不容樂觀。近60 年塔城地區呈現增暖增濕趨勢，考慮其他氣象要素對干旱的影響，對9 站年日照時數、低云量、平均風速和直徑20 cm蒸發量分析顯示，9 站僅裕民站日照時數不顯著增加，其余站均呈減少趨勢；各站低云量（平均風速）呈極顯著增多（減?。┶厔?；77.78%的站點蒸發量呈減少趨勢，以上要素的變化趨勢與蘇宏超[13]、張山清等[29]研究的關于新疆區域的變化趨勢大體一致。賈艷青[30]也發現中國北方地區風速和日照時數減少使潛在蒸散量下降的作用超過氣溫和相對濕度對潛在蒸散上升的作用。

通過對比各站年、季節SPI的變化趨勢發現，塔城地區年降水量＜200 mm 的干旱區（和布克賽爾、克拉瑪依、炮臺和烏蘇）SPI增大幅度較大，即干旱減輕趨勢較研究區域內的半干旱區更加明顯，這是對HUANG 等[31]指出的中亞干旱區面積在縮小的響應，也是中亞干旱區縮小進程的一部分。有研究表明，西北西部（新疆）的濕潤化進程并未因氣溫的升高而停止[30]，20 世紀80 年代中后期以來，新疆呈“暖濕化”特征，但1997 年之后有70%以上的區域呈變干趨勢，發生了“濕干轉折”，但塔城地區仍以增濕為主[32]。由于干旱成因復雜，特別是季節性干旱，不僅要考慮前期降水，還要考慮降水對后期的影響程度。近60 年塔城地區氣溫顯著增暖，變暖驅動水循環過程加快，從而導致降水量顯著增加，暖濕化進程加劇，四季中尤其以冬季趨暖增濕最顯著，冬旱發生程度明顯減輕，同時冬季有效雪層、積雪深度增厚，利于翌年冬小麥和牧草的返青及生長，降低了春旱發生的風險。

SPI能很好地體現塔城地區干旱的年際變化，王舒等[28]指出SPI和SPEI在北疆平原谷地區域的適用性較好?；赟PI得到的塔城地區干旱情況與實際干旱災情記錄基本一致，特別是中度以上干旱、全域性干旱基本都能在文獻[33]和災情普查結果上得到印證，SPI在塔城地區適用性較好，但基于降水單要素指標評估干旱存在片面性，今后還需開展多種干旱指數在塔城地區的適用性研究。

4 結論

利用塔城地區9 個國家氣象觀測站近60 年逐月降水資料，基于SPI干旱指數探討塔城地區干旱的演化特征，得到以下結論：

（1）近60 年塔城地區各站年干旱發生頻率為21.67%～38.33%，季節性干旱發生頻率為25.00%～38.33%，主要以輕旱和中旱為主，占比約為24.00%。年、夏、秋和冬季SPI在20 世紀80 年代中期發生突變，與新疆干濕轉折時間相吻合。

（2）干旱影響范圍方面，各季節均以局域性干旱和全域性干旱為主，夏旱發生最頻繁，冬旱發生最少；干旱強度方面，各季以輕度干旱和中度干旱為主，夏旱強度最大，春旱最小。各季干旱站次比和干旱強度均呈減小趨勢，表明季節性干旱程度整體有所減輕。

（3）塔城地區干旱程度總體呈減輕趨勢，冬季尤為顯著，有66.67%的站點SPI顯著增大，77.78%的站點SPI增幅在四季中最大，冬旱站次比與強度減幅在四季中亦最大。

（4）基于降水的SPI能較好地揭示降水及干旱的時空分布，但塔城地區正經歷增暖趨濕的過程，忽略溫度等要素的影響，很可能導致對旱情嚴重程度的判斷偏輕。為此，開展多種干旱指數在塔城地區的適用性分析和本地化修訂將是今后的重點工作，旨在提高干旱監測的精確化和定量化水平，對農牧業生產規劃、合理規避可能的氣候風險和有效防御干旱意義深遠。