基于降水平均等待时间指数的西北绿洲干旱时空变化研究

陈丽丽，刘普幸，姚玉龙

干旱作为最严重的自然灾害之一，其发生频率高，影响范围大，持续时间长，因而成为近年来的一个热点问题［1］。干旱是西北干旱区最常见的一种气象灾害，随着经济、社会的快速发展，人口的不断增长，干旱灾害的影响已经从传统的农业领域扩展到了工业、城市、生态等多个领域，旱灾的损失也越来越大［2］。研究干旱的重要前提是干旱指数的确定，在这方面国内外学者已经取得了很多重要的成果和突破［3－11］。然而这些干旱指数均是基于某段时间的累计降水量，计算干旱指数后再判断干旱发生情况及确定干旱等级。但实际上，降水量的时空分布不均匀，也就导致降水量较多的年份也可能会出现严重的干旱；反之，降水量的时空分布较均匀，降水偏少的年份也会出现无干旱。因此，利用这些干旱指数来分析干旱的时空变化存在一定的局限性。而降水的平均等待 时 间 （averaged waiting time for precipitarion，AWTP）指数可以通过持续无降水日的分析，更能较好地反映干旱状况［2］。目前，AWTP指数在我国的应用还比较少［2，12－15］。西北绿洲位于中国西北干旱区，主体在新疆、甘肃河西走廊、青海的柴达木盆地等地区，土地总面积约2.48×106km2［16］。西北绿洲地处亚欧大陆的腹地，四周距海均比较遥远，气候干燥，自然降水稀少，因此干旱频繁发生，对当地的农业生产和生态环境的影响非常大，据统计，1950—1994年西北地区发生旱灾24年次，重大灾害有8年次，其中特大农业灾害发生率20%，大旱灾发生率33%，一般灾害发生率48%［17］。降水量的丰缺严重影响着绿洲农业的发展，因而分析降水量与干旱状况的关系是研究绿洲形成、发展及建设的最基本的内容［18］。绿洲的建设与发展其核心在绿洲农业，而干旱是制约农业发展的重要影响因素。加之近年来西北绿洲人口迅速增长，生态恶化加重，并且正面临着大面积的衰退、消失［19－22］，因此对绿洲资源的科学利用和改造已成为亟待解决的问题。本研究选用AWTP指数转化而来的相当干期分析西北绿洲的干旱时空变化特征，以期为西北绿洲的抗旱工作提供参考依据。

1 研究区概况

西北绿洲位于亚欧大陆的腹地，高山与盆地相间分布，气候干燥，年平均降水量小于200mm，冬季寒冷，夏季炎热，气温变化剧烈，年较差和日较差大。西北绿洲的光热资源非常丰富，太阳总辐射平均大于5.04×105J／（cm2·a），年日照时数大于2 800h，大于等于10℃的积温在2 600℃以上，无霜期约为140d［16］。西北绿洲的地带性植被主要以荒漠和荒漠草原为主，土壤以棕漠土、灰棕漠土和风沙土为主。

2 资料和方法

2.1 资料来源

采用西北绿洲中的气象站，并经过了严格的筛选，具体的筛选过程是将资料缺测的剔除掉，如一年中有一个月缺测，则该年为缺测［9］，以及观测年限不足52a（1960—2011年）的也剔除掉，最终得到了86个气象站点1960—2011年逐日降水量资料。

2.2 AWTP指数

AWTP指数由Cubasch等［7］提出，它不仅考虑无降水日（干日，指日雨量＜0.1mm）的总天数，而且也考虑雨日（日雨量≥0.1mm）的随时间分布情况。给定某时间长度为L天的时间序列，其AWTP指数定义为：

式中：L——研究时间序列长度（d）；J——该时间序列中某相邻两次降水（雨日）日间干期（连续干日）的天数（d）；I——研究时间序列中某相邻两次降水日间干期的总天数；N——研究时间序列中出现的最长干日的天数；F（I）——在研究时间序列内出现上述长度为I天的干期的次数。为了比较方便，可以将AWTP值转换为一次等效的连续干期I，即一次持续无雨时段的天数，即相当干期（equivalent dry period，EDP），则有

因此，可通过求解一元二次方程得到I值：

3 结果与分析

3.1 年际及年代际干旱变化

为了分析西北绿洲干旱的时间变化趋势，将西北绿洲逐年平均AWTP值转化为EDP，得到了西北绿洲年平均相当干期的逐年变化特征（图1）。从图1可以看出，西北绿洲年平均相当干期总体呈缓慢下降趋势，相当干期的倾向率为－1.109／10a，表明西北绿洲的降水呈现增加趋势，干旱状况有微弱的缓解但不显著，与施雅风［23］对西北地区气候研究由暖干向暖湿转变的资料一致。在52a中，1991年的相当干期最大，为108.9d，干旱程度最强；而1970年最小值，仅为34.9d，干旱程度最小，最高值和最低值相差74d，说明了年相当干期的极端变化较大。从5a滑动平均曲线来看，西北绿洲的相当干期变化大致可分为2 个 阶 段：1960—1964 年、1979—1990、2002—2011年为平缓时期，相当干期小于多年平均值（60.9 d）；1965—1978年、1991—2001年为剧烈时期，相当干期大于多年平均值，平均周期为10a左右。

图1 西北绿洲相当干期年际变化趋势

西北绿洲相当干期的年代际变化也比较明显（图2）。1960s至1970s年均相当干期呈现逐渐增加的趋势，增加幅度较小，但都高于多年平均相当干期60.9d，与中国气候的干湿变化资料一致［24］。1970s至1980s年均相当干期呈减小趋势，比1960s和1970s分别减小了6.5和8.1d，减幅较小。1980s至1990s年均相当干期迅速增加，比1980s增加了10.6 d，增幅较大，1990s是52a以来相当干期最大的时期，与程国栋［25］对西北干旱在1990s最严重的研究结论一致。1990s到2001—2011年的年均相当干期又迅速减小并低于多年平均值（60.9d）。1960—1990年相当干期的平均值为60.8d，1991—2011年相当干期的平均值为61d，20世纪90年代相当干期增加了0.2d，说明了1990年之后西北绿洲的干旱发生较之前呈现增加的趋势，21世纪以来，相当干期的变化较缓和。已有研究表明，1981年以来西北地区整体上呈现出干旱增加的趋势，西北西部转湿区域在1991年以后又出现了干旱化的趋势，这与气温持续升高有密切的关系［26］的结论一致。

3.2 干旱指数的季节变化

为了更好地分析西北绿洲干旱的空间分布特征，首先根据传统气候学中季节的划分方法，将四季划分为：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12至翌年2月为冬季。

图3为西北绿洲各季节相当干期的时间变化曲线。由图3可以看出，近52a来，西北绿洲四季的相当干期变化均呈现出微弱的降低趋势，表明西北绿洲四季的干旱状况整体上有所缓解，干旱程度降低。其中，以春季的相当干期变化倾向率最小，为－0.970／10a，干旱程度减小对春季农作物播种及发芽等具有重要的现实意义；而夏季最小，为－0.283／10a，说明夏季的相当干期减小趋势最微弱，秋季和冬季的变化相类似。有研究［27］表明，西北地区春、夏季的气温增加较小，大部分的地区不到0.5℃；春季降水量虽然少，但增加却最大，而夏季降水占全年的50%，因此得出以上结果与以往资料一致。从四季平均相当干期天数来看，春夏秋冬平均相当干期为分别为14.9，1.4，21.1和37.9d，其中冬季的相当干期最长；其次是秋季、春季，而夏季最短。因此，西北绿洲秋、冬季的相当干期比春、夏季平均长20～30d左右，说明西北绿洲秋、冬两季发生干旱的可能性最大，干旱的累积效应也较春、夏季更显著。

图2 西北绿洲各年代平均相当干期

图3 西北绿洲相当干期季节变化趋势

3.3 西北绿洲相当干期的突变检验

采用t滑动检验和累计距平法对1960—2011年西北绿洲年相当干期进行了突变分析（图4），通过两种方法的比较来确定比较可靠的突变年份。由图4可以看出，西北绿洲相当干期的t滑动检验表明突变年份在1976和1996年，而累计距平则表明西北绿洲相当干期的突变年份为1976，1990和1996年，1976年之后相当干期呈现减少趋势，而1996年之后呈现逐渐增加的趋势。比较得出，西北绿洲相当干期的突变年份在1976和1996年比较显著，其中1976年与林学椿［27］对中国年代际气候跃变大都发生在70年代后期至80年代初的结论一致，而1996年的突变与贾文雄研究祁连山区气候变化的结论一致［28］。显然西北绿洲相当干期的变化对全球气候的变化非常敏感。

3.4 西北绿洲相当干期的周期分析

为了进一步分析西北绿洲的干旱状况随时间的变化，将西北绿洲划分为了5个区域，分别为北疆、南疆、青海柴达木盆地、河西走廊、宁夏平原，利用Morlet小波分析方法对5个分区1960—2011年相当干期的时间序列进行小波分析。结果表明，西北绿洲相当干期的年际及年代际变化存在不均匀、多尺度、多层次的周期变化结构特性。其中，北疆绿洲存在2，5，13和26a的周期，其优势周期为13a；南疆绿洲存在2，5，12和26a的周期，其优势周期为12a。通过比较南疆和北疆绿洲的周期变化得出，两者的短、中长周期变化几乎一致，这与南疆和北疆共同受西风控制的影响因素有关［29］。柴达木盆地绿洲存在2，5，9，16和26a的周期，其优势周期为9和5a；河西绿洲存在2，6，13，20和26a的周期，其优势周期13a；宁夏绿洲存在2，4，10和26a的周期，但存在20及26a的周期因时间序列短而不可靠，因此宁夏绿洲的主周期为10a。通过比较得出，西北绿洲具有共同的2a周期，这与2和4a左右的周期与副高脊线位置的准3a的周期有关，其中12和13a左右的周期与太阳黑子活动周期相关，5a左右的周期与厄尔尼诺现象有关［30－31］。

3.5 相当干期的空间分布

通过计算西北绿洲86个气象站点的平均AWTP值转化为EDP指数，并以此为参数，基于ArcGIS的IDW插值方法计算得出52a来研究区AWTP和EDP指数的空间分布图（图5）。干旱指数的大小决定了干旱的严重程度，指数值越大，表明干旱程度越严重；指数值越小，表明干旱程度较轻。

从图5可以看出，西北绿洲的AWTP变化的等值线梯度比较大，空间分布不均匀，高低值的分布比较集中，整个区域的干旱发生具有区域特性。西北绿洲的空间变化整体上呈现出两个特征：（1）自东南向西北增加；（2）自山区向塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地和河西走廊增加，与塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地和河西走廊是西北地区降水最少的资料一致［32］。

由图5得出，相当干期的高值区域分为两部分：（1）塔里木盆地的西北部，即柯坪、阿拉尔地区；（2）新疆吐鲁番盆地、塔里木盆地的东南部和柴达木盆地西部围成的区域，表明这两个地区发生农业干旱的频次要比其他地区多并且更明显，然后以此为中心向四周减小。

从图5可以看出，新疆地区北部及河西走廊中西部的干旱指数减小最显著，河西走廊东部和宁夏绿洲减小幅度不显著。研究［33］资料表明，西北西部降水呈增加趋势，其中天山地区增加最多，则有利于准格尔盆地绿洲荒漠化的逆转；而东部季风边缘区、西南部的塔里木盆地随着气温的升高而降水量呈减少趋势，将加剧土地荒漠化的迅速发展和干旱事件的发生。从图5可以看出，塔里木盆地西北部的柯坪和阿拉尔地区最为干旱，就平均角度而言，该区的干旱累计状况为一个450d的干旱期的后果，其次为新疆吐鲁番盆地—塔里木盆地的东南部—柴达木盆地西部围成的区域。综合分析得出，西北绿洲的干旱空间分布呈现出明显的空间差异性，整体上空间分布以塔里木盆地的西北部、新疆吐鲁番盆地—塔里木盆地的东南部—柴达木盆地西部围成的区域为两个中心向四周减小的半环状分布特征。

图5 西北绿洲区AWTP（左）和相当干期（右）的空间分布

4 结论

（1）西北绿洲相当干期年变化总体呈现下降趋势，其变化倾向率为－1.109／10a。在年际变化的同时还叠加着明显的年代际变化，20世纪60年代初期，相当干期的变化较平缓，而进入60年代中后期，相当干期的变化波动比较大，而70—80年代处于震荡的时期，90年代为明显波动幅度剧烈时期，21世纪以来，相当干期的变化较缓和。

（2）西北绿洲四季的相当干期变化均呈降低趋势，春季降低趋势最明显，而夏季降低趋势最小。从四季平均相当干期天数来看，冬季最长，夏季最短。

（3）近52a来，西北绿洲相当干期的变化存在明显的突变现象，突变点在1976和1996年，1976年之后相当干期呈现减少趋势，而1996年之后呈现逐渐增加的趋势。

（4）Morlet小波分析表明，北疆绿洲的相当干期存在13a左右的主周期，南疆绿洲存在12a左右的主周期，柴达木盆地绿洲存在9和5a左右的主要周期，河西绿洲存在13a左右的主周期，宁夏绿洲存在10a左右的主周期。

（5）西北绿洲的干旱空间分布呈明显的区域差异性，AWTP指数和相当干期的空间格局整体上均以塔里木盆地的西北部和新疆吐鲁番盆地—塔里木盆地的东南部—柴达木盆地西部围成的区域为两个中心向四周减小的半环状分布特征。

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