衛(wèi)炎豪 古麗娜孜 巴特爾·巴克 帕麗扎提·玉素甫 祖力克艷·麻那甫 帕提古力·麥麥提

收稿日期：2023-04-23

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項目（2021D01A84）

作者簡介：衛(wèi)炎豪（1996-），男，山西晉城人，在讀碩士研究生，研究方向為資源利用與植物保護，（電話）18160608579（電子信箱）wyydsh@163.com；通信作者，巴特爾·巴克（1973-），男（維吾爾族），新疆莎車人，教授，主要從事干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境研究，（電子信箱）bateerbake@163.com。

衛(wèi)炎豪，古麗娜孜，巴特爾·巴克，等. 基于SPEI的北疆1961—2020年氣象干旱變化特征［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（5）：37-44，214．

摘要：基于北疆26個主要氣象站點1961—2020年逐日氣象數(shù)據(jù)，選取標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）為氣象干旱指標(biāo)，采用Mann-Kendall突變檢驗、小波分析等方法對北疆年及春、夏兩季SPEI和不同等級氣象干旱影響范圍變化特征進行了探究。結(jié)果表明，北疆實際輕旱情況更適合以-1.0

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）；氣象干旱；小波分析；Mann-Kendall突變檢驗；北疆

中圖分類號：P426.616 ????????文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）05-0037-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.007??????????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Meteorological drought variation characteristics of Northern Xinjiang from 1961 to 2020 based on SPEI

WEI Yan-hao1， Gulinazi2， Batur Bake1， Palizhati Yusufu1， Zulkeya Manap1， Patiguli Maimaiti3

（1.College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi? 830052， China；2.Bozhou Meteorological Bureau of Xinjiang， Bole? 833400， Xinjiang， China；3.Korla Agricultural Technology Extension Center， Korla? 841003， Xinjiang， China）

Abstract：Based on the daily meteorological data of 26 major meteorological stations in Northern Xinjiang from 1961 to 2020， the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） was selected as the meteorological drought index， and Mann-Kendall mutation test and wavelet analysis were used to explore the variation characteristics of SPEI and the influence of different grades of meteorological drought in Northern Xinjiang in annual， spring and summer. The results showed that the actual mild drought situation in Northern Xinjiang was more suitable for identification by -1.0

Key words：standard precipitation evapotranspiration index （SPEI）； meteorological drought； wavelet analysis； Mann-Kendall mutation test； Northern Xinjiang

有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，氣象災(zāi)害約占自然災(zāi)害的70%，而其中干旱災(zāi)害又占氣象災(zāi)害的50%左右［1］，具有持續(xù)時間長、發(fā)生頻率高等特點［2］，會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源利用等造成嚴重影響，已然成為制約中國社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素［3-7］。國內(nèi)外對不同地區(qū)氣象干旱進行研究時，通用的干旱指數(shù)主要包括標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standard precipitation index，SPI）、帕默爾干旱指數(shù)（Palmer drought severity index，PDSI）、降水Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standard precipitation evapotranspiration index，SPEI）等［8-10］，各氣象干旱指數(shù)的適用范圍及實際應(yīng)用效果都有差別［11］。

SPI和降水Z指數(shù)考慮了降水對氣象干旱的影響，PDSI主要考慮了降水、水分供給等因素，然而這些指數(shù)因其固定的時間尺度，在多時間尺度氣象干旱特征反應(yīng)方面表現(xiàn)不佳。SPEI指數(shù)可以同時兼顧降水及蒸散發(fā)的影響，在其計算過程中蒸散發(fā)對溫度的敏感特點可以被很好地考慮到，在當(dāng)下全球變暖的大背景下，尤其適合用其進行干旱監(jiān)測。菅會成等［12］基于SPEI對魯西北地區(qū)的干旱變化特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)氣候呈不顯著濕潤化趨勢，2008年為干旱情況突變年；余興湛等［13］基于SPEI分析了廣東省1971—2020年的干旱變化特征，發(fā)現(xiàn)廣東省年及四季均呈干旱化趨勢，但并不明顯，區(qū)內(nèi)干旱頻率較高，但強度相對較低；趙玉兵等［14］基于SPEI分析了河北省南部1962—2020年棉花生長季的干旱特征，發(fā)現(xiàn)棉花全生育期的干旱頻率為25%，且苗期氣候在1976年發(fā)生干濕變化突變。

作為中國典型干旱、半干旱地區(qū)，北疆地區(qū)年參考蒸散發(fā)量高達1 200 mm［15］，蒸散發(fā)也是北疆氣象干旱的主要影響因素。雖然馬賽［16］、吳秀蘭等［17］、張喜成等［18］、黃靜等［19］基于不同指標(biāo)對新疆干旱變化特征的研究中均指出新疆20世紀(jì)80年代后暖濕化趨勢較為明顯［16-19］，但姚俊強等［20］的相關(guān)研究表明，新疆1997年后干旱頻率、干旱發(fā)生月份及干旱覆蓋范圍等均有明顯增加，新疆氣候出現(xiàn)了從暖濕化向暖干化轉(zhuǎn)折的強烈信號。曹艷萍等［21］指出，2008年新疆出現(xiàn)了30年以來最嚴重的干旱災(zāi)害，受其影響，新疆特別是北疆遭遇了嚴重的春夏秋三季連旱，超4.67萬hm2小麥絕收，全區(qū)有0.19億hm2天然草場嚴重受旱。鑒于此，本研究基于SPEI指標(biāo)，以年和季為時間尺度，探究了暖濕化大趨勢下北疆1961—2020年的氣象干旱演變特征，以期為氣候變化背景下北疆農(nóng)業(yè)灌溉的合理規(guī)劃及水資源優(yōu)化管理提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

考慮到研究時間段較長（1961—2020年），而高空間分辨率的遙感氣象數(shù)據(jù)記錄均起始于2000年，且諸多再分析數(shù)據(jù)及模式數(shù)據(jù)在北疆地區(qū)的適用性有待考證，故選取時間分辨率更高的氣象站點數(shù)據(jù)對北疆1961—2020年氣象干旱變化特征進行初步探究。所用到的基礎(chǔ)氣象資料由烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站所提供，主要包括北疆地區(qū)26個主要氣象站點1961—2020年逐日平均氣溫、降水量數(shù)據(jù)，來自中國氣象局數(shù)據(jù)庫中輸出且經(jīng)過質(zhì)量控制。研究區(qū)及氣象站點位置如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 SPEI計算和干旱等級劃分 SPEI的計算基于Rstudio中的SPEI包［22，23］，其中潛在蒸散量（PET）的計算基于SPEI包的Thornthwaite函數(shù)，Thornthwaite法是國際通用計算潛在蒸散量的方法，僅需月平均溫度及站點緯度，并結(jié)合溫度因子與日照時長建立的經(jīng)驗公式便可算得［24］。

SPEI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)參考國家最新氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20481—2017［25］及王林等［26］所用方法，兩種不同標(biāo)準(zhǔn)僅在無旱和輕旱判別時有所不同，國家最新氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)下的無旱標(biāo)準(zhǔn)為SPEI>-0.5，輕旱標(biāo)準(zhǔn)為-1.00，輕旱標(biāo)準(zhǔn)為-1.0

1.2.2 其他指標(biāo)計算方法 按照氣象上的通用標(biāo)準(zhǔn)來劃分季節(jié)，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季［27］，因5—8月是植物主要生長季，故主要對春、夏兩季進行分析。北疆各尺度不同等級氣象干旱在當(dāng)時的影響范圍以干旱站次比（各等級干旱站點數(shù)/站點總數(shù)）表示；氣象干旱指標(biāo)變化趨勢分析采用一元線性回歸進行趨勢傾向估計，利用最小二乘法求其線性增長趨勢，并對所有的線性趨勢進行顯著性檢驗；突變分析采用Mann-Kendall（M-K）檢驗，用小波分析探究其變化周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 SPEI指標(biāo)適宜性分析

通過查閱中國氣象災(zāi)害大典（新疆卷）中有關(guān)北疆干旱事件［28］，于不同尺度SPEI中找到其對應(yīng)時空的SPEI，同時標(biāo)注對應(yīng)干旱等級（GB/T 20481—2017），結(jié)果見表2。由表2可知，1961—2000年共有約16年次不同程度的氣象干旱在北疆各地發(fā)生，其中1962年截至6月底，阿勒泰、奇臺、烏魯木齊等北疆區(qū)域及南疆部分地區(qū)共有6.67萬hm2農(nóng)田受災(zāi)，而這一年1—6月奇臺的SPEI為-1.87（重旱），阿勒泰的SPEI為-1.97（重旱），烏魯木齊的SPEI為-1.90（重旱）；1974年全疆糧食減產(chǎn)4.78億kg，全站點平均年尺度SPEI為-1.29（中旱）；1997年阿勒泰、塔城、昌吉等地冬春草場受旱80%以上，其中阿勒泰春季SPEI為-2.47（特旱）。

但是也要注意，在國家最新氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)下，1976年春、夏昌吉自治州2.0萬hm2農(nóng)田受災(zāi)，有約1.07萬hm2小麥顆粒無收，而此時蔡家湖（蔡家湖位于昌吉自治州境內(nèi)）站點的春季SPEI為0.26（無旱）；1980年夏季全疆發(fā)生干旱，13.33萬hm2農(nóng)田受旱較重，阿勒泰466.67萬hm2草場受旱，此時北疆夏季全站點平均SPEI為-0.29（無旱）、阿勒泰為-0.43（無旱）。

綜上所述，SPEI指標(biāo)可以很好地識別北疆地區(qū)的氣象干旱，但在國家最新氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)下，一些較嚴重的氣象輕旱事件可能被漏判，故而輕旱閾值為-1.0

2.2 北疆氣象干旱變化特征

2.2.1 年及春、夏季SPEI的變化特征 如圖2a所示，1961—2020年北疆地區(qū)年尺度下的SPEI處于上升趨勢（P=0.267），表明北疆近60年呈不顯著的濕潤化趨勢。該尺度下SPEI最低的5個年份分別為1997年、1962年、1974年、2008年、1977年，即在年尺度下，這5年是北疆地區(qū)近60年整體干旱最為嚴重的年份。經(jīng)查閱歷史干旱災(zāi)情資料［29］發(fā)現(xiàn)，1962年、1965年、1974年和2008年均為全疆性的大旱年份，可見標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)可以很好地表征北疆地區(qū)典型的干旱年份。

如圖2b、圖2c所示，春季（P=0.903）和夏季（P=0.278）SPEI呈不顯著的下降趨勢，與年尺度變化趨勢相反，分別以0.012/10年和0.056/10年的速率下降，說明北疆地區(qū)的春季和夏季均呈干旱化趨勢。

2.2.2 年及春、夏季各級氣象干旱站次比的變化特征 為探究北疆地區(qū)各等級氣象干旱頻率的變化趨勢，基于北疆地區(qū)26個氣象站年及春、夏兩季的SPEI，將-1≤SPEI<0視作輕旱發(fā)生，以各年26個站點中不同等級氣象干旱站次比近似代替北疆地區(qū)氣象干旱覆蓋范圍。圖3、圖4分別為北疆年及春、夏兩季不同等級氣象干旱站次比變化趨勢。

由圖3、圖4可知，1961—2020年北疆年尺度的各等級干旱站次比及春季的中旱站次比均呈不顯著下降趨勢，但是北疆春季的輕旱、重旱、特旱站次比及夏季的各等級干旱站次比均呈上升趨勢，其中夏季的重旱（P=0.038 4）和特旱（P=0.017 2）站次比呈顯著上升趨勢。這表明在整體暖濕化趨勢下，北疆更多地區(qū)春、夏兩季仍要面臨影響范圍不斷擴大的氣象干旱災(zāi)害帶來的損失，夏季極端干旱事件的波及范圍顯著上升。

2.2.3 年及春、夏季SPEI的突變分析 對不同時間尺度的SPEI時間序列進行M-K突變檢驗，結(jié)果如圖5所示。年SPEI時間序列（圖5a）的UF和UB統(tǒng)計量在1979年出現(xiàn)了交點，其中UF統(tǒng)計量在1984年后開始大于0，且于1993—2010年多次達0.05顯著水平，說明自1979年起北疆整體氣候發(fā)生了突變，且突變后于1984年開始呈濕潤趨勢，這種趨勢在1993—2010年達顯著水平。春季SPEI時間序列（圖5b）的UF和UB統(tǒng)計量在1962年產(chǎn)生交點且之后直至2014年前UF統(tǒng)計量均大于0，說明北疆春季的氣候自1962年發(fā)生突變，且之后呈較長時間的濕潤化趨勢，但UF統(tǒng)計量在2014年開始出現(xiàn)短暫的負值，且于2020年再次出現(xiàn)負值，說明這2年中研究區(qū)春季氣候曾出現(xiàn)過短暫的干旱化信號。夏季SPEI時間序列（圖5c）的UF和UB統(tǒng)計量在1979年出現(xiàn)了交點，且于1988年開始大于0，說明北疆夏季氣候在1979年發(fā)生突變，1988年后開始大于0，自此研究區(qū)夏季干旱情況逐漸得到緩解；值得注意的是，UF統(tǒng)計量在1997年，短時間內(nèi)由正轉(zhuǎn)負，表明該年已經(jīng)開始出現(xiàn)氣候轉(zhuǎn)變的信號；2008年UF及UB統(tǒng)計量再次產(chǎn)生交點，且自該年開始，UF統(tǒng)計量均小于0，說明研究區(qū)夏季氣候在2008年再次突變，突變后干旱情況又開始逐步加劇。

2.2.4 年及春、夏季SPEI的周期分析 以小波功率譜探究北疆地區(qū)年及春、夏兩季SPEI的周期變化特征（圖6），圖中黑色錐形線所包圍的區(qū)域為通過了95%置信水平的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗，錐形線內(nèi)部的黑色實線包圍區(qū)為COI（Cone of influence）區(qū)域，而錐形線外的功率譜所表征的周期性有著較大的不確定性。右側(cè)的小波方差圖中，藍色實線為小波方差，紅色虛線表示95%置信水平的紅噪聲檢驗曲線，如果小波方差峰值超出檢驗曲線，則表示周期顯著。

結(jié)果（圖6）表明，北疆SPEI在1961—2020年主要存在1～4年的顯著變化周期。其中，年尺度的SPEI存在1～4年的周期性震蕩，另在20世紀(jì)90年代期間，有4～8年的周期性震蕩且通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其他周期因未通過紅噪聲檢驗，可能為虛假周期；北疆春季SPEI存在1～4年的周期性震蕩，另在2007—2016年存在6～8年的周期性震蕩，其余周期均未通過紅噪聲檢驗；北疆夏季SPEI在1961—1978年及2003年后也存在1～4年的周期性震蕩，在1987—1997年則存在2～8年的周期性震蕩。

3 討論

本研究基于SPEI指標(biāo)，以年和季為時間尺度，對暖濕化大趨勢下北疆1961—2020年的氣象干旱演變特征進行探究。通過查閱中國氣象災(zāi)害大典（新疆卷）中北疆相關(guān)的氣象干旱事件，并對比基于國家最新氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)下對應(yīng)時空不同尺度SPEI所處干旱等級，發(fā)現(xiàn)部分氣象災(zāi)害大典中記錄的氣象輕旱現(xiàn)象，其對應(yīng)地點當(dāng)時的SPEI位于-0.5～0，所處干旱等級均為無旱，與實際情況不符，故而北疆地區(qū)氣象輕旱的發(fā)生更適合以-1.0

本研究對不同尺度SPEI變化特征的研究發(fā)現(xiàn)，年尺度下，北疆SPEI呈不顯著上升趨勢，這與軒俊偉等［30］、胡文峰等［31］的研究一致；北疆地區(qū)春、夏兩季SPEI呈不同程度的不顯著下降趨勢，表明北疆春、夏季呈與整體氣候截然相反的干旱化趨勢。本研究在對不同尺度的SPEI時間序列進行M-K突變檢驗時，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代是北疆整體氣候的轉(zhuǎn)變期，這與姜逢清等［32］、羅那那等［33］的研究結(jié)果是一致的；雖然之前諸多研究均表明新疆的氣候呈暖濕化趨勢［34，35］，但姚俊強等［20］最新研究結(jié)果顯示1997年后新疆氣候出現(xiàn)了從暖濕化向暖干化轉(zhuǎn)折的強烈信號，本研究在對北疆春、夏季SPEI時間序列進行? M-K突變檢驗時，發(fā)現(xiàn)其分別在2014年、1997年出現(xiàn)了由濕轉(zhuǎn)干的趨勢信號；夏季SPEI于2008年再次發(fā)生突變，一改之前長時間的濕潤化趨勢，轉(zhuǎn)而呈干旱化趨勢。在對北疆年及春、夏季SPEI的小波分析中發(fā)現(xiàn)，北疆年及春、夏季SPEI在1961—2020年有1～4年的周期性變化，與宋玉鑫等［36］的研究一致，與此同時北疆年SPEI在20世紀(jì)90年代另有4～8年的變化周期，春季SPEI在2007—2016年另存在6～8年的變化周期，夏季SPEI在1987—1997年則另存在2～8年的變化周期。在對年及春、夏季各等級干旱站次比的研究中發(fā)現(xiàn)，雖然年尺度下各等級干旱影響范圍呈不顯著縮小趨勢，但春、夏兩季各等級干旱影響范圍卻呈不同程度的擴大趨勢，與胡文峰等［31］的研究一致，其中夏季極端干旱（重旱、特旱）呈顯著上升趨勢，這無疑為北疆地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的合理規(guī)劃及水資源優(yōu)化管理提出了更高的要求。

因研究時段較長，而更高空間分辨率的遙感氣象數(shù)據(jù)記錄均起始于2000年，且諸多分析數(shù)據(jù)及模式數(shù)據(jù)在北疆地區(qū)的適用性有待考證，故本研究選取了氣象站點數(shù)據(jù)對北疆1961—2020年氣象干旱變化特征進行了初步探究。但本研究所用氣象站點少且分散，其所展示的特征不能充分代表北疆近50萬km2的干濕氣候變化的整體情況，若之后對短時間內(nèi)北疆氣象干旱進行探究，則可使用更高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品代替。

4 小結(jié)

本研究基于SPEI指標(biāo)，以年和季為時間尺度，對暖濕化大趨勢下北疆1961—2020年的氣象干旱演變特征進行探究，結(jié)果如下。

1）相較于國家最新氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)中SPEI指標(biāo)輕旱（-1.0

2）北疆年尺度氣候呈濕潤化趨勢，但春、夏兩季則呈不同程度的干旱化趨勢；年尺度下北疆各等級氣象干旱的影響范圍呈縮小趨勢，但春季的輕旱、重旱、特旱及夏季各等級氣象干旱的影響范圍均有擴大趨勢，其中夏季極端氣象干旱（重旱、特旱）事件影響范圍顯著擴大。

3）北疆整體氣候于20世紀(jì)80年代轉(zhuǎn)變后呈濕潤化趨勢，且這種趨勢在1993—2010年達顯著水平。春、夏季氣候分別在2014年及1997年出現(xiàn)了由濕轉(zhuǎn)干的趨勢信號；夏季氣候在1979年及2008年均發(fā)生了突變，研究區(qū)夏季的干旱情況于1988年開始逐漸得到緩解，但是2008年的突變之后干旱情況又開始逐步加劇。

4）北疆年及春、夏季SPEI在1961—2020年有1～4年的周期性震蕩，年SPEI在20世紀(jì)90年代另有4～8年的震蕩周期，春季SPEI在2007—2016年另存在6～8年的震蕩周期，夏季SPEI在1987—1997年則另存在2～8年的震蕩周期。

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