基于SPEI 的開都河流域干旱時空演變特征分析

張瑋煊，刁 鵬，巴音才次克，尼米才仁·努加

（巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒841000）

干旱是降水、溫度及蒸散等氣候因子共同影響的結果[1]，作為全球最為嚴重的氣象災害之一，不僅影響廣、時間長、危害大，更會對人類的生產生活造成嚴重影響。隨著全球氣候變化，區域降水及蒸發產生了顯著改變[2]，導致區域的干旱趨勢進一步加劇[3]，這不僅對受氣候影響較大的農牧業系統易造成危害，還對水資源安全、生態環境保護及修復等方面帶來影響。因此，全面認識區域干旱變化規律，已成為科學界研究的熱點，尤其近些年，干旱和半干旱區域的干旱狀況受到普遍關注[4-6]。

為更好監測和定量描述干旱狀況，準確反映干旱發生機理[7]，研究人員將干旱指數作為開展干旱研究的有效工具。目前，常用的干旱指標包括：帕爾默干旱指數（PDSI）、標準化降水指數（SPI）以及標準化降水蒸散指數（SPEI）。PDSI 指數固定的時間尺度，導致其普適性較差[8]。SPI 指數時間尺度較為靈活，但在全球氣候變化背景下，未考慮到其他氣候因素對干旱的影響性[9-10]。因此，具有多時間尺度特征，兼顧降水和蒸發等特點的SPEI 指數，逐漸成為研究干旱特征的新理想指標[11-12]。Abdullah[13]采用SPEI 指數對孟加拉國的干旱特征進行了評估，得出孟加拉國東北部地區更易受到極端和嚴重干旱事件的影響；鄒磊等[14]基于SPEI 指數分析了渭河流域的干旱時空變化，發現渭河流域有變旱趨勢；曹博等[15]研究了長江中下游流域的干旱時空特征，得出21 世紀初年尺度的干旱頻率最高。

開都河流域位于我國新疆天山南麓焉耆盆地北緣，不僅是新疆的重要經濟發展區，還是新疆的重點生態保護區，但受西北干旱區氣候影響[16]，該區域極易引發干旱，對當地經濟社會發展、生態環境造成嚴重影響。目前，有關開都河流域干旱時空演變的研究較少，僅有宋玉鑫等[17]基于水文SWAT 模型分析了開都河流域1965—2016 年不同季節的干旱特征。由于數據序列長度或計算干旱指數方法的不同，導致研究結果會存有差異，如李劍鋒等[18]基于SPI 指數得出1957—2009 年的南疆夏季干旱有減弱趨勢，而郭冬等[19]利用SPEI 指數得出在1961—2020 年夏季南疆東部干旱有明顯增加趨勢，南疆西部干旱減弱趨勢不明顯。為此，在全球氣候不斷變化的背景下，及時采用較新數據資料開展干旱變化分析很有必要。本文利用開都河流域內國家基本氣象站點連續記錄的1961—2020 年氣象觀測資料，以SPEI 指數為干旱指標，對該流域的干旱時空演變規律及成因進行分析，以期為當地制定防災減災措施和促進經濟可持續發展提供一定科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

開都河流域位于41°47′～43°21′N，82°58′～86°55′E，地勢自西北向東南傾斜，流域干流全長500 km以上，流域面積為2.2 萬km2，是新疆重要的農業種植區、牧業養殖區以及生態保護區，更是極為重要的水源地之一。研究區西北多為海拔較高的山區，東南為海拔較低的平原，受大陸性溫帶干旱氣候影響，冬冷夏熱，全年日照充足，降水較少，蒸發能力強，由于深居歐亞大陸腹地，遠離海洋，且水汽輸送受天山山脈的阻擋影響，其來水方式主要以冰雪融水、降水以及地下水補給為主，導致流域生態環境較為脆弱，是我國氣候變化較為敏感的區域[17，20]。因此，干旱作為危害當地最嚴重的氣象災害之一，對其分析研究具有重要意義。

1.2 數據來源

采用開都河流域5 個國家基本氣象站1961—2020 年共60 a 的逐日降水量和氣溫等資料。所有數據均經過質量控制，其可靠性和連續性均能滿足研究需要。根據開都河流域特點，年統計資料按照自然年算法，季節的劃分采用氣象季節，即3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12—次年2月為冬季。

1.3 研究方法

1.3.1 標準化降水蒸散指數SPEI

SPEI 指數主要是計算降水量與蒸散量的差值，然后比較其與平均狀態的離散程度，以此來反映某區域的干旱狀況[21]。SPEI 指數計算關鍵在于蒸散量，本文主要采用Thornthwaite 方法[22]用于計算潛在蒸散量。具體SPEI 指數計算方法可參考文獻[5]。

主要采用2 個時間尺度的SPEI 指數數據集，分別為反映季節干旱水平的SPEI-3 和反映年干旱水平的SPEI-12[23]。研究中分別選取SPEI-3 中5、8、11 月及次年2 月的SPEI 指數代表當年各季的干旱狀況，選取SPEI-12 中12 月的SPEI 指數代表當年年際干旱狀況。SPEI 指數等級標準（表1）參照國家氣象干旱等級[24]劃分，并以此得出流域各干旱等級的發生頻率。

表1 基于SPEI 指數的干旱等級劃分

1.3.2 Mann-Kendall 趨勢檢驗法

Mann-Kendall 趨勢檢驗法（M-K）是一種無需樣本服從特定分布的非參數統計檢驗方法，是目前國內外常用的趨勢診斷方法之一。本文基于M-K 法分析開都河流域不同尺度的SPEI 指數變化趨勢及顯著性水平。

1.3.3 Morlet 小波分析法

Morlet 小波分析方法具有非正交性，不僅在時間與頻率的局部化之間具有較好的平衡，而且能有效濾去隨機因素對參數的影響。因此，本文利用MATLAB 軟件選取復Morlet 小波函數，對開都河流域各尺度下的SPEI 指數變化規律開展分析。

1.3.4 趨勢歸因分析

由于SPEI 指數受各氣象因子影響的程度不同，且不同因子間的變化存在一定相互作用。為此，本文采用數值試驗的方法得出各氣象因子對開都河流域干旱變化趨勢的貢獻。該數值試驗包括控制試驗與敏感性試驗。其中，控制試驗是指使用未進行處理的各氣象因子數據計算SPEI 指數。敏感性試驗是指每次只對某一氣象因子數據進行逐月去趨勢化處理，再計算SPEI 指數。最終控制試驗與敏感性試驗的SPEI 指數趨勢差值為某一氣象因子對開都河流域干旱變化趨勢的貢獻。

2 結果分析

2.1 SPEI 時間演變特征

2.1.1 趨勢分析

由圖1 可知，SPEI 指數的傾向率為-0.043/10 a，說明流域有干化趨勢。從變化幅度看，流域具有較為明顯的“偏干—偏濕—偏干”特征，其中1986 年后多為正值，2003 年后多為負值，表明1987—2003 年偏濕，2004—2020 年偏干。流域除冬季SPEI 指數呈顯著上升趨勢（P＜0.02）外，其余季節SPEI 指數均呈減小趨勢，其中速率下降春季最大，為-0.075/10 a，夏季最小，為-0.002/10 a，說明冬季濕化趨勢明顯，春季、夏季和秋季呈緩慢干旱化趨勢。

圖1 開都河流域年與季節尺度的SPEI 指數年際變化與M-K 檢驗

由M-K 趨勢檢驗可得，流域在20 世紀90 年代有一定上升趨勢，而進入21 世紀初后呈下降趨勢。同時，在0.05 顯著性臨界線內，雖然UF、UB 曲線相交于2003 年，但之后UF 線未通過0.05 的顯著性檢驗，因此流域的年尺度SPEI 指數突變年份不顯著。春秋、夏秋及秋季均突變不明顯，但都在20 世紀90年代有上升趨勢，在21 世紀初呈下降趨勢；冬季流域整體上升趨勢顯著，并在1970 年發生突變。綜上可得，流域在20 世紀90 年代存在較為明顯的偏濕化，除冬季外，其余季節均呈干旱化趨勢，這對當地農牧業的發展將造成一定不利影響。

2.1.2 周期分析

根據小波功率譜（圖2）可知，小波影響椎COI（U 型線）內，開都河流域整個研究期間顯著存在2～4 a 的變化周期（粗黑線封閉區域代表通過0.05 的顯著性檢驗），而1970—1995 年則主要存在4～6 a的變化周期。春季，SPEI 指數的變化周期在20 世紀90 年代前為2～5 a，在20 世紀90 年代末則主要為2～7 a；夏季，SPEI 指數的周期變化較為分散，1972—1998 年變化周期主要為2～6 a，2000—2008 年為2～3 a，2010 年后為2～5 a，但其大部分面積位于COI范圍外；秋季，流域自1982 年開始具有明顯變化周期，2003 年前以2～8 a 的變化周期為主，之后為2～6 a；冬季，1972—1980 年變化周期為2～5 a，1982—2008年為2～6 a。

圖2 開都河流域年與季節尺度的SPEI 指數小波功率譜分析

由小波實部圖可知，流域在17 a 周期上，經歷了2 個明顯的“濕、干”交替循環，其中2008—2013年是干旱最嚴重時期。季節尺度上，各季節均在10～20 a 左右周期上，出現了較明顯的“干、濕”循環，并在3～9 a 的小尺度上，周期振蕩最頻繁。春季在1995 年前，干濕變化較為分散，1995 年后變化周期較穩定；夏季偏干濕時期出現較少，一直較為穩定，而最濕潤與最干旱時期分別為1989—1999 年、2008—2013 年；秋季大致每5 a 出現一次干濕交換，變化周期較固定；冬季在1985 年前干濕變化周期較長，之后周期較短。

2.2 SPEI 空間變化特征

由圖3 可知，開都河流域的SPEI 指數變化趨勢由北向南大致呈“+-”的空間分布狀況，其中和靜、焉耆區域呈顯著減小趨勢，變干態勢明顯。而季節尺度上，流域各季節的干濕空間變化趨勢存在相異特征。其中，流域春季和秋季的SPEI 指數變化趨勢不僅空間上分布一致，均自西向東呈“-+”的空間分布狀況，而且SPEI 指數呈減小趨勢的區域也相同，只有和碩區域的SPEI 指數呈上升趨勢，并在秋季趨勢顯著；夏季，流域的SPEI 指數空間變化趨勢與年際基本一致，不僅自北向南呈“+-”的空間分布特征，且焉耆區域干旱化態勢顯著；冬季，流域整體呈“+”的空間分布狀況，只有巴音布魯克區域變濕趨勢顯著。因此結合圖2 可知，開都河流域除冬季外均呈干旱化趨勢，主要是受和靜與焉耆的SPEI 指數變化趨勢影響。作為流域農作物主要生產區的和靜與焉耆區域，除冬季外干旱化趨勢明顯，這對當地的農業經濟將產生嚴重影響。

圖3 開都河流域年與季節尺度的SPEI 指數變化趨勢空間分布

2.3 干旱事件特征分析

2.3.1 時間尺度分析

為充分了解開都河流域1961—2020 年干旱事件演變特征，結合表1 統計了流域不同年代、季節的干旱事件發生頻率（圖4）。由圖4a 可知，流域年尺度的干旱事件總頻率整體呈增加趨勢，6 個年代的干旱事件發生頻率呈現“增—減—增”的變化趨勢，同時21 世紀初不僅干旱事件發生的累計頻率最高，且中度干旱事件與輕度干旱事件發生頻率也最高。從圖4b 可知，發生干旱事件的頻率為：春季＞秋季＞夏季＞冬季，其中春季發生干旱事件的頻率最多，為28.33%，秋季次之，僅比春季少1.66%。從干旱程度看，重度干旱事件只有春季發生過；中度干旱事件各季節均有發生，夏季和秋季發生頻率最多；輕度干旱事件是流域發生最多的干旱事件，其中春季和秋季發生頻率最多。由此可知，輕度干旱事件是流域主要干旱事件，且多發生于春季和秋季。

圖4 開都河流域不同年代（a）和季節（b）的干旱發生頻率

2.3.2 持續性分析

由于持續干旱事件對農業的生產損失更為嚴重，且干旱事件的持續時間越長，干旱狀況越嚴重[25]，因此根據SPEI-1 數據，依據表1 定義SPEI≤-0.5（發生輕度干旱及以上）連續2 個月為1 次連續干旱過程，將該干旱過程的SPEI 平均值作為此次干旱事件程度。

由圖5 可知，流域持續性干旱事件共發生35次。從持續時間看（圖5a），持續2 個月＞持續3 個月＞持續4 個月＞持續5 個月，發生概率分別為71.43%、20%、5.71%、2.86%，主要起始月份分別為4、1、3、8 及2 月。從跨越季節來看，春季＞夏季與冬季＞秋季，發生次數分別為16、13、13、9 次，累積時間分別為29 個月，18 個月，20 個月，16 個月。從持續程度看（圖5b），輕度干旱＞中度干旱＞重度干旱，其中出現輕度干旱的頻率是中度干旱的1.8 倍，更遠高于重度干旱。輕度干旱多始于1 月，中度干旱多始于4 月，而重度干旱只在7 月發生。從頻率看，開始發生持續干旱最多的月份是4 月，為20%，其次為1 月，為14.29%。1 月多開始發生持續3 個月的輕度干旱，4 月多開始發生持續2 個月的中度干旱，而流域發生持續干旱事件多以輕度干旱為主，且春季最易發生持續干旱事件。

圖5 開都河流域持續干旱事件的持續時間（a）與持續程度（b）

2.4 干旱影響因素分析

由于SPEI 指數主要受降水量和潛在蒸散發共同影響，而基于Thornthwaite 公式計算的潛在蒸散發又與氣溫變化相關。因此，為分析流域的干旱變化過程，本文基于數值試驗結果，得出了不同時間尺度下降水量及氣溫對流域年均SPEI 指數的貢獻程度。

由表2 可知，開都河流域SPEI 指數在時間上的變化特征。從局部看，各時間尺度下的降水量，在20世紀80 年代之前，貢獻基本為負值，之后為正值；氣溫在21 世紀初，貢獻逐漸由正轉負，表明開都河流域20 世紀80 年代開始呈濕化趨勢，主要受降水量影響，而21 世紀初開始呈干旱化趨勢，則受氣溫影響。從總體看，除冬季的其余時間尺度上，降水量增加對SPEI 指數趨勢的正向貢獻幅度（分別為年0.01/a，春季0.006/a，夏季0.004/a，秋季0.008/a）小于氣溫顯著增加對SPEI 指數趨勢的負向貢獻幅度（分別為年-0.017/a，春季-0.015/a，夏季-0.01/a，秋季-0.011/a），導致流域年、春季、夏季和秋季呈干旱化趨勢，表明流域的干旱化趨勢主要受氣溫變化影響。冬季，由于降水量增加（貢獻為0.036/a）抵消了氣溫增加（貢獻為-0.001/a）造成的偏干趨勢，造成冬季流域濕化明顯，這與該季節氣溫普遍較低，不利于地表蒸發有關，但隨著氣溫增加明顯，未來也可能呈偏干化。

表2 開都河流域不同時期和區域的氣溫與SPEI 指數變化趨勢

由圖6 和表3 可知開都河流域SPEI 指數在空間上的變化趨勢。巴音布魯克、巴倫臺、和碩區域除春季受氣溫貢獻較大外，其余時間尺度受降水量貢獻較大，而和靜與焉耆區域除冬季受降水量貢獻較大外，其余時間尺度受氣溫貢獻較大。從空間看，北部地區（巴音布魯克、巴倫臺）降水量增加的貢獻（年平均為0.016/a，夏季平均為0.005/a）大于氣溫增加的貢獻（年平均為-0.009 5/a，夏季平均為-0.005/a），南部地區（和靜、和碩、焉耆）降水量增加的貢獻（年平均為0.006 7/a，夏季平均為0.002 7/a）小于氣溫增加的貢獻（年平均為-0.022/a，夏季平均為-0.012 7/a），導致流域年尺度與夏季自北至南呈“+-”的空間分布。春季和秋季由于西部地區（巴音布魯克、和靜、焉耆）降水量微弱增加的貢獻小于氣溫顯著增加的貢獻；而東部地區（巴倫臺、和碩）因降水量增加的貢獻大于氣溫增加的貢獻，造成流域自西向東呈“-+”的空間分布；冬季的各區域雖然氣溫增加，但其貢獻遠小于降水量增加的貢獻，因而流域呈“+”的空間分布。

圖6 開都河流域不同區域降水量和氣溫對SPEI 指數的趨勢貢獻

表3 開都河流域季節尺度不同區域的降水量和氣溫傾向率

2.5 SPEI 指數與氣溫對比分析

作為氣候變化較為敏感的開都河流域，其干旱變化主要受氣溫影響，而在全球氣候變暖背景下，一定程度上影響了流域的干旱時空演變。因此，通過分析氣溫與SPEI 指數的變化趨勢，可得出流域干旱變化的氣候背景，進一步了解流域干旱演變的機制。

從表2 可知，流域在1981—1990 年和2011—2020 年不僅氣溫呈增加趨勢，SPEI 指數也呈增加趨勢，表明流域該期間趨于“暖濕化”，而1991—2000年，在氣溫持續增加下，SPEI 指數呈減小趨勢，說明此時流域趨于“暖干化”。各區域不僅趨于“暖濕化”和“暖干化”的時期相異，而且出現的次數也不盡相同。其中，巴音布魯克1961—1970 年和1991—2000年趨于“暖濕化”，1981—1990 年趨于“暖干化”；巴倫臺經歷了持續20 a 的“暖濕化”趨勢，以及2 個“暖干化”時期；和碩經歷了“暖濕化”時期2 次，“暖干化”時期3 次；焉耆自1971 開始，一直趨于“暖干化”，但干旱化趨勢正減??；和靜只在1981—1990 年經歷了“暖濕化”，而“暖干化”時期經歷了3 個。流域在“暖濕化”時期，主要受和靜、和碩、巴音布魯克與巴倫臺等區域影響，而“暖干化”則受和靜、和碩與焉耆等區域的影響。

3 討論

本文基于SPEI 指數分析了開都河流域1961—2020 年干旱時空變化特征，得出流域除冬季外，年、春季、夏季和秋季的SPEI 指數均呈下降趨勢，有變干態勢，這與任培貴等[5]和郭冬等[19]分別利用SPEI指數對西北地區的干旱變化趨勢分析及南疆東部地區干旱指數分析的結果一致。在空間分布上，流域夏季自北向南呈“上升—下降”的分布趨勢，而宋玉鑫等[17]研究表明，開都河流域夏季北部呈下降趨勢，南部呈上升趨勢。造成這種差異的可能原因有：研究時段及區域范圍不同，宋玉鑫等[17]選取的研究時段為1965—2016 年，研究區域只有和靜區域，本研究時間序列為1961—2020 年，研究區域涵蓋了和碩、焉耆等區域。其次，計算SPEI 指數的方法不同?；跉庀笥^測數據計算的SPEI 指數，在一定程度上更符合開都河流域區域的氣候特征[26-27]，而基于SWAT 水文模型模擬出的降水量和潛在蒸散發量受下墊面影響較大，從而導致流域不同區域的分布趨勢與前者不一致。

此外，開都河流域北部地區的干旱變化除春季外，主要受降水量變化影響，而南部地區除冬季外，主要受氣溫變化影響。因此，作為開都河流域源頭的西北地區，其干旱的發生將直接關系到東南地區人們的生活生產，而東南地區的干旱發生，將影響當地社會經濟的戰略發展。在開都河流域整體變干的背景下，各區域應采取針對性的抗旱工作，如：在西北地區加強空中云水資源利用，做好水土保持工作等，在東南地區加強農田水利基本建設，改善農業生產條件等，這將為實現開都河流域生態可持續發展做出貢獻。

本研究還有一些不足之處，根據已有研究結果[28-30]可知，基于Penman-Monteith 公式獲得的潛在蒸散量與干旱區的實測數據契合度比較好，雖然降水量和氣溫均是干旱變化的重要影響因子，但研究其他不同氣象因子對開都河流域干旱變化的影響也十分有必要。在后續的研究中，將基于Penman-Monteith 公式進行SPEI 指數的對比計算，以期更加全面地分析開都河流域的干旱成因。

4 結論

（1）1961—2020 年開都河流域的年SPEI 指數以-0.056/10 a 傾向率呈波動下降趨勢，表明流域有干化趨勢。在不同季節中，除冬季濕潤化趨勢顯著外，春季、夏季和秋季均呈干旱化趨勢，但干旱化趨勢不顯著。在空間分布上，年與夏季，流域由北向南呈逐漸減小的空間分布趨勢；春季與秋季，流域自西向東呈增加趨勢；而冬季，流域整體呈增加趨勢。

（2）開都河流域各時間尺度下的降水量與氣溫對SPEI 指數的長期貢獻具有年代際變化特征，且流域干化的主導因素為氣溫，濕化的主導因素為降水。同時，流域北部地區除春季受氣溫影響較大，其余時間尺度下均受降水量影響較大，南部地區則是除冬季受降水影響較大，其余時間尺度下受氣溫影響較大。

（3）從干旱事件來看，近60 年開都河流域的干旱事件總頻率整體呈增加趨勢，各時間尺度上的干旱基本2～6 a 一遇，以輕旱為主，中旱次之，春季和秋季是干旱多發時期，且春季不僅是重度與輕度干旱事件發生最多時期，也是持續干旱易發生時期。