基于有效干旱指數的錫林郭勒干旱時空分布特征

王思楠,王文君,吳英杰,李瑋,張偉杰,陳澤勛

(中國水利水電科學研究院內蒙古陰山北麓草原生態水文國家野外科學觀測研究站,北京 100038)

草原是世界上分布最廣的植被類型之一,覆蓋了地球陸地表面的五分之一,由于氣候變化、人口增長和社會經濟發展等原因,中國一半以上的草原都出現了不同程度的退化[1]。草原退化已經減少碳封存并且還導致了嚴重的環境和社會問題,例如植被生產力下降和土壤質量下降以及沙塵暴[2]。

干旱是一種常見的自然災害,有可能發生在任何地區,干旱過程是復雜和自然的[3]。它對農業、牧業、水資源和社會也有很大的影響。由于全球氣候變暖,干旱經常發生,并且有明顯的上升趨勢。它直接影響內蒙古草原的農牧業發展[4]。因此,干旱評估和監測對于減少損失和確保人員和財產安全至關重要。雖然干旱現象非常復雜,仍可以通過干旱指數來表征,例如標準化降水指數(standardized precipitation index,SPI)[5-7]、標準降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)[8-11]、旱偵測指數(reconnaissance drought index,RDI)[12]、帕爾默干旱嚴重指數(palmer drought severity index,PDSI)[13]和有效干旱指數(effective drought index,EDI)[14]。干旱指數可以通過干旱強度、干旱事件和干旱頻率等基本屬性來定量描述[15]。其中SPI使用最為廣泛,但是SPI是通過一段時間降雨的累積概率計算而得到,存在局限性。SPEI不僅考慮降水因素外,還考慮了潛在蒸散發等因素的影響[16]。但是,使用不同的潛在蒸散發計算方法會使同一時期產生不同的SPEI值。為了克服這些限制,Deo等[17]使用EDI指數量化干旱嚴重程度,與其他干旱指數相比,EDI指數也能夠反映受某一時段降水突然增多或減少引起的旱情變化。一些研究已經表明了EDI指數的適宜性。特別是Kamruzzaman等[18]在監測孟加拉國長期和短期干旱時,證明EDI比SPI更有優勢。

錫林郭勒草原是生態環境中最脆弱的地區之一,其對干旱的反應也極為敏感。干旱導致地表水和地下水的短缺,從而對草的生長和牲畜的飼養產生破壞性影響。許多學者利用SPI和SPEI指數對錫林郭勒的干旱特征進行了研究[19-20],還沒有使用EDI指數來描述干旱事件的特征。因此,本研究首先利用研究區氣象站點的1969—2018年逐月降雨數據,選擇EDI指數作為干旱評價指標,其次從干旱事件、干旱頻率和干旱強度入手,深入探究錫林郭勒的干旱時空演變特征,最后利用經驗正交函數(empirical orthogonal function,EOF)探討干旱的時空分布模態,以期為草原干旱減災工作提供理論依據。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

錫林郭勒草原是歐亞草原帶的腹地,位于內蒙古自治區中部,介于111°08′—120°07′E,41°35′—46°40′N 之間。地勢南高北低,以高平原為主,各種地貌相間分布。海拔700～2 000 m,年降水量約為340 mm,降水量的月變化較大,降雨主要集中在6—8月。氣象站點分布如圖1A 所示。

圖1 研究區氣象站點分布及1969-2018年不同氣象站月降雨時間變化Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area and variation of monthly rainfall time at different meteorological stations during 1969-2018

1.2 數據來源

1969—2018年9 個氣象站的月降雨數據(圖1B)來自中國國家氣象信息中心。

1.3 有效干旱指數

EDI是由有效降水(effective precipitation,EP)概念監測干旱持續時間和嚴重程度。他們將有效降水量定義為當月降雨量和前一特定時期的加權降雨量的函數,使用依賴時間的減少函數計算。本研究采用EDI計算過程如下:

首先,由于降水而儲存的水積累超過一年,同時也考慮了由于蒸發而造成的損失。

式中:EP為月累計有效降水量;Pm為該月前m個月的降水量;n為前一個月的持續時間;i為總降雨持續時間,初始值為12個月(總降水持續時間)。因此,實際干旱指數是從降水開始之日起計算一年。例如,如果一個月的降雨量達到100 mm,那么這個月的降雨量隨時間的增加會逐漸減少,12個月后減少0 mm。

其次,計算月累計有效降水量與30 a同期平均有效降雨量之間的差值,計算公式如下:

式中:MEP為每個月的平均有效降水量;DEP 為月累計有效降水量與30 a同期平均有效降雨量之間的差值。

式中:EDI為有效干旱指數;ST(DEP)為月累計有效降水量與30 a同期平均有效降雨量之間差值的標準差。DEP負值表示這月較平常來說更為干旱。如果DEP連續為負的月數超過12個月,則重新計算公式(1)和公式(3),干旱等級按照Deo等[17]提出的EDI分類方法進行分類(表1)。除此之外,利用反距離加權插值法(inverse distance weight,IDW)量化了干旱事件、干旱頻率和干旱強度的空間分布特征。

表1 EDI分類閾值Table 1 EDI classification threshold

1.4 Mann-Kendall趨勢檢驗法

對于樣本量為n的時間序列構造一個統計變量Sk,Sk為樣本第i時刻數值大于j時刻數值累計個數:

假設時間序列X隨機且獨立,近似服從正態分布,定義統計量UFk為:

式中:E(Sk)和var(Sk)分別為累積數的均值和方差;UFk為標準正態分布。

1.5 經驗正交函數分解

經驗正交函數分解可以從復雜的干旱變量場中分解出不同的時空模態[21]。并將干旱指數以矩陣形式給出:

式中:m為觀測站;n為時間序列長度

2 結果與分析

2.1 干旱年際變化及突變檢測

錫林郭勒年平均EDI值是9個氣象臺站年值的平均值,所有臺站均勻分布在錫林郭勒各地區,具有很好的代表性。從圖2A 可以看出,1969—2018年,錫林郭勒地區的年平均EDI指數以0.029/10 a的速度下降,干旱趨勢明顯增強。在1980—2000年EDI值一般大于0,處于一個穩定的時期,而在1970—1980年變化則十分劇烈,說明這段時間干濕交替比較明顯。整體來看,EDI變化主要在-1.5～1.5,錫林郭勒1969—2018 年平均每年發生0.5 次干旱事件,平均約2 a一次,其中2000年最為突出,發生中旱、重旱以及總數最多,共2.3次。

圖2 1969-2018年有效干旱指數時間變化特征及有效干旱指數Mann-Kendall檢驗Fig.2 Temporal variation of effective drought index and Mann-Kendall test of effective drought index during 1969-2018

圖2B是錫林郭勒有效干旱指數M-K 檢驗結果。由圖可知,1969—2000年這一時間段干濕交替出現,正序列曲線UF與反序列曲線UB有6個交點,即1972年、1974年、1978年、1980年、1990年以及1995年,然而這些交點都沒有超過0.05顯著線。進一步通過滑動t檢驗發現只有1995年為顯著的突變年。1995年的EDI值為0.78。2000年以后主要為干旱期。

2.2 干旱的空間分布特征

由圖3可知,錫林郭勒正常發生的頻率為67.17%～72.65%,發生重旱的頻率為0.02%～0.99%,發生不同干旱的頻率差異性較大。錫林郭勒西部、西北部、東南部容易發生干旱,特別是輕旱,而中部、東北部發生干旱的頻率較低,一般情況,西北部旱頻率大于西部和東南部,具有明顯的地帶特征。輕旱頻率高的地方主要在那仁寶力格和朱日和附近;重旱頻率高的地方主要在多倫附近;重旱頻率高的地方主要在多倫和二連浩特。不同干旱等級在頻率上出現不同的地方。

圖3 不同干旱程度下發生的頻率結果Fig.3 Results of frequency of occurrence under different drought degree

錫林郭勒的西南部、中部是干旱強度較高的區域(圖4)。主要是高緯度環流異常導致氣壓升高以及東亞季風的年代際減弱,向北輸入的水汽減少,表現為連續降水日數和降水強度的減少[22],最終使得錫林郭勒降水量進一步趨于下降。3—5月由于降雨量稀少,土壤蒸發量大,使其干旱空間分布范圍較大。其中4月份各氣象站點的平均干旱強度為8.51,干旱強度在平均值以上的站點個數為5個,占比約為55.56%,主要分布在東北部的東烏珠穆沁旗、中部的那仁寶力格、西南部二連浩特、朱日和,其中那仁寶力格的干旱強度達到了13.09。6—8月降水量較多,而降水的性質主要是對流性降水,導致干旱呈現出南高北低的分布情況。9—12月干旱強度空間分布從西南向東北逐漸變低,干旱強度高值出現在西南部。主要是該時間段降雨量稀少,其中12月份各氣象站點的平均干旱強度為13.65,干旱強度在平均值以上的站點個數為4個,占比約為44.44%,主要分布在中部的那仁寶力格、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗和南部的朱日和,其中朱日和的干旱強度達到了17.24。

圖4 不同月份干旱強度的空間分布結果Fig.4 Spatial distribution results of drought intensity in different months

2.3 干旱趨勢變化

圖5為錫林郭勒地區1969—2018年各月有效干旱指數趨勢變化空間分布圖,負值代表趨于干旱,正值表示趨于濕潤。不同月份有效干旱指數具有一定的差異性。其中1—3月,9—12月9個站點都呈干旱趨勢,9—11月發生的概率大于3—5月,在整個歷史時期表現出非常明顯的加重趨勢,10月份的趨勢最大,線性速率為-0.127/10 a;2月份的干旱趨勢最小,線性速率為-0.091/10 a。4—8月9個站點降水較歷史時期增多,既有干旱趨勢,又有濕潤趨勢,其中5—6月有8個濕潤的站點分別為東烏珠穆沁旗、二連浩特、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、朱日和、西烏珠穆沁旗、錫林浩特和多倫,錫林浩特的趨勢最大,線性速率為0.047/10 a。7月份濕潤的站點為多倫,8月份濕潤的站點為東烏珠穆沁旗和二連浩特。

圖5 不同月份干旱趨勢變化的空間分布結果Fig.5 Spatial distribution results of drought trends in different months

從有效干旱指數M-K 趨勢檢驗結果與分析,錫林郭勒不同月份不同站點干旱呈上升趨勢的站點占比12.03%,其中那仁寶力格通過顯著檢驗占比最多5.55%,通過0.01顯著水平檢驗的站點占比4%,僅有6月份的朱日和與多倫通過的0.05顯著水平檢驗,表明錫林郭勒各站點的干旱上升下降趨勢變化大多不顯著。

2.4 干旱時空模態分析

EDI指數的前2個特征值累積方差貢獻率接近70%(表2),其中模態一中特征向量的方差貢獻率達52.75%,遠大于其他模態。模態二中特征向量的方差貢獻率為14.38%,明確錫林郭勒氣象干旱場主要有兩種類型,即錫林郭勒一致型和東南—西北反位相型。

表2 錫林郭勒年有效干旱指數EOF分解的前5個特征向量貢獻率Table 2 Contribution rate of the first 5 eigenvectors to EOF decomposition of Xilin Gol annual effective drought index

第1個特征向量系數為一致的正值分布且相差較小,說明各站降水量對干旱貢獻較均衡,較大值主要位于錫林浩特市和阿巴嘎旗的北部。第2個特征向量的空間分布總體上表現為由西南部蘇尼特右旗、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍旗、多倫縣和太仆侍旗向北部和東北部旗縣干旱逐漸減輕的趨勢,最干旱區位于蘇尼特右旗(圖6)。

圖6 EDI指數的干旱時空模態結果Fig.6 Temporal and spatial modal results of drought in EDI index

第一模態時間序列可以看出(圖7A),整體呈現下降趨勢,尤其是2000—2010年末十分明顯,其標準差為±1.34,該模態具有較大的權重,從個別年份的情況看,1970年、1992年、1998年遠遠大于1.34,可以說明這些年份較為濕潤,而2001年、2005年、2006年、2007年、2011年的時間序列小于-1.34,干旱較為嚴重。第二模態時間序列呈現出上升趨勢(圖7B),其標準差為±0.70,從個別年份看,1989 年、1990 年、2001 年時間序列遠遠大于0.84,相對濕潤,然而1973 年、1975年、1976年、1979年、1996年、2009年、2010年時間序列小于-0.70,較為干旱。從《氣象災害大典》的記錄來看1975年、1976年、1979年、2009年、2010年均為錫林郭勒干旱較為嚴重的年份。

圖7 1969-2018年EDI的前2個特征向量所對應的時間系數Fig.7 Time coefficients corresponding to the first two eigenvectors of EDI during 1969-2018

3 討論

內蒙古錫林郭勒地區的氣候受季風環流影響,是錫林郭勒地區降水在近十幾年的微弱減少、氣象干旱增加的主要原因,但整體趨勢與張煦庭等[23]采用標準化降水蒸散指數研究干旱時空分布特征的結果大致相近。錫林郭勒干旱災害出現頻繁、持續時間長,其分布具有一致性的特點,干旱出現的時段主要出現在冬、春及初夏季,嚴重時則會出現冬春初夏連旱,而近年來秋季干旱呈頻發之勢[24],這是由于當每年9月以后干季到來時,受到西風環流的控制,同時海拔較高,形成了氣溫低,風大,雨少的氣候特征。本文通過干旱時空模態分析,得出全錫林郭勒一致型和東南—西北反位相型干旱分布格局,這與張巧鳳等[25]得出的錫林郭勒盟一致性趨勢的結果基本一致。但是在模態的數量與方差貢獻率的表現有所不同,可能是使用干旱指數的差異與干旱尺度的不同導致的。EDI指數雖然可以反映錫林郭勒的時空變化特征,但是EDI仍存在一些不足,EDI以月降水量作為數據基礎,不能反映區域的干旱事件的持續日數,尤其是干旱產生和解除的機理。

4 結論

(1)1969—2018年,錫林郭勒地區的年平均EDI指數以0.029/10 a的速度下降,干旱趨勢明顯增強。在1970—1980年EDI值變化十分劇烈,說明這段時間干濕交替比較明顯。平均每年發生0.5次干旱事件,平均約2 a一次,其中2000年最為突出,發生中旱、重旱以及總數最多,共2.3次。

(2)錫林郭勒正常發生的頻率在67.17%～72.65%,發生重旱的頻率在0.02%～0.99%,西南部、中部是干旱強度較高的區域。

(3)錫林郭勒在整個歷史時期的1—3月和9—12月9個站點都呈干旱趨勢,而4—8月既有干旱趨勢,又有濕潤趨勢。其中10月份的趨勢最大,線性速率為-0.127/10 a;2月份的干旱趨勢最小,線性速率為-0.091/10 a。從EDI指數M-K 趨勢檢驗結果發現不同月份不同站點干旱呈上升趨勢的站點占比12.03%。

(4)錫林郭勒干旱時空模態空間分布呈現一致型和東南—西北反位相型。