1960_2009年河西地区极端干湿事件的演变特征_曹立国

收稿日期：2012-12-03；修订日期：2013-02-27。 基金项目：国家自然科学基金项目 （41271289, 41230751, 41166002）。 第一作者简介：曹立国 （1986- ），男，吉林白山人，博士研究生，主要从事土壤侵蚀、气候变化的研究工作。
E-mail: lgcaonju@ *通信作者。
极端干旱定义为 H 的标准化变量≤-0.5，≥0.5 则定义为极端湿润事件[16]，并进行年
和月的统计。月地表湿润指数 H 的计算方法如下：
H=
P ET0
（1）
式中：H 为月湿润指数，P 为月降水量，ET0为月潜在蒸发量。月湿润指数标准化变量的
计算公式为：
D Hij
=
Hij - -Hi σ
（2）
i
式中： DHij 为第 j 年第 i 月湿润指数的标准化变量， Hij 为第 j 年第 i 月的湿润指数， -Hi 为 i
中图分类号：P467 文献标志码：A
文章编号：1000-3037(2014)03-0480-10
DOI：10.11849/zrzyxb.2014.03.011
近年来，在全球变暖背景下，极端气候事件的发生频率和强度都在迅速增加，严重 影响人类生存和社会的可持续发展[1-2]。IPCC 第四次评估报告指出，随着全球气候变暖， 大部分区域发生强降水事件的频率和严重干旱事件均有所增加[3]。由于极端干湿事件具有 较 大 的 危 害 性 ， 因 此 ， 其 研 究 成 为 国 内 外 学 者 广 泛 关 注 的 焦 点 。 Easterling 等 [2] 和 Groisman 等[4]分析了美国、中国东南部、加拿大南部、挪威北部、日本北部等地区强降 水事件的变化特征。Manton 等[5]和 Plummer 等[6]分别对东南亚、南太平洋地区和美国东北 部及澳大利亚、新西兰等地区的极端气候变化特征进行了研究。2000 年，严中伟等[7]对 国内极端气候变化情况进行了初步探讨，并指出极端气候变化研究具有重要意义，自此 拉开国内极端天气气候事件研究的序幕。钱维宏等[8]研究认为近 40 a 来中国温度极值和 降水极值事件与全球增暖和区域环流关系密切。马柱国等[9]研究发现西北西部地表有变湿 趋势，而华北地区地表则表现为变干趋势。在我国西北气候可能向暖湿转型的背景 下[10-11]，汪宝龙等[12]认为甘肃省极端气温年代变化趋势基本一致，年际变化极端高温呈增 加 （上升） 趋势，极端低温呈减少 （下降） 趋势。曹玲等[13]研究表明河西走廊极端低 温、霜冻呈显著减少趋势，极端高温呈显著增多趋势。黄小燕等[14]研究发现祁连山及河
频率减少区相对应，而极端干旱事件频率减少区与极端湿润事件频率增加区相对应。突变分
析表明，极端干旱和湿润事件频率分别在 1998 年和 1986 年发生突变。平均风速、平均气温
和相对湿度是影响河西地区极端干湿事件的主要气象因子，极端干旱和湿润事件频率的主周
期分别为 19 a 和 26 a。
关 键 词：河西地区；Penman-Monteith 模型；极端干湿事件
月多年平均值， σi 为 i 月湿润指数的标准差。
潜在蒸发量则采用世界粮农组织 （FAO） 1998 年修正的 Penman-Monteith 模型来计
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自然资源学报
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算，已有研究成果表明该模型的模拟效果相对较为精确[17-18]。计算公式如下：
ET0
=
0.408Δ(Rn - G) Δ+ϒ
摘要：采用 1960—2009 年甘肃省河西地区 13 个观测站逐日气象资料，应用 FAO Penman-
Monteith 模型计算各气象站年和月的地表湿润指数，进行标准化后统计极端干湿事件频率。
采用反距离加权插值法、Mann-Kendall 法及 Morlet 小波分析对河西地区极端干湿事件的时空
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20 世纪西北地区气候总体由暖干向暖湿转型的过程中[10-11]，河西地区极端干湿事件对西 北地区气候转型的响应却不尽相同，其中极端湿润事件频率的增加与西北地区气候转型 具有一致性。
近 50 a 来河西地区极端干旱和湿润事件的频率分别呈减少和增加趋势，然而不同年 代及区域内部的变化差异明显。表 1 为河西各个地区年代际极端干湿事件频率的平均 值。就整个河西地区而言，20 世纪 60 至 80 年代极端干旱事件发生次数有所减少，但是 仍高于多年平均值，90 年代极端干旱事件频率与多年平均值持平，而进入 21 世纪后，极 端干旱事件频率已减少到平均 3.8 次/10 a，表明 20 世纪 60 至 80 年代是河西地区极端干旱 事件多发的年代。已有研究表明，近 49 a 来河西地区气温升高 1.4 ℃[13]，由此可知，河西 地区的增温并未导致区域内极端干旱事件的频发。极端湿润事件频率在 20 世纪 60 至 90 年代变化较小，其中 60、70、90 年代平均为 2.3 次/10 a。已有研究表明，河西走廊东部 年代降水量总体呈增加趋势[20-21]，且各年代的平均降水量以 2001—2008 年为最大[20]，而研 究区的极端降水天数也呈增加趋势[22]，近 50 a 来，石羊河流域的降水及湿润指数也均在 波动中呈较明显的增加趋势[23]。2000 年以后，极端湿润事件频率呈现明显增加趋势，且 2000—2009 年极端湿润事件频率的平均值已接近 4 次/a。表明 2000 年以后，河西地区极 端湿润事件频率对西北气候可能向暖湿转型[10-11]的响应较为强烈，有利于缓解当地农业旱 情和改善区域内的生态环境。
演变特征进行探讨。结果表明：近 50 a，河西地区极端干旱和湿润事件频率在波动变化中分
别呈减少和增加趋势，其倾向率分别为-0.009 次/a、0.019 次/a，且 2000 年以后，趋势更为显
著；空间变化上，区域内极端干旱事件倾向率的空间差异整体呈减小趋势，以 2000—2009 年
的空间差异为最小。20 世纪 60 年代，大部分区域极端干旱事件频率增加区与极端湿润事件
降，其速率为-0.009 次/a （图 2），年平均极端干旱事件频率为 4.1 次，极大值出现在 1965 年 （5.3 次），而极小值出现在 2003 年 （2.5 次）。极端干旱事件频率≥4 次的年份共有 29 a，占样本容量的 57%。20 世纪 60 年代中后期到 70 年代初为极端干旱事件频率较低的年 代，80 年代为极端干旱事件相对频发的年代。极端湿润事件频率在波动变化中呈增加趋 势，且波动的幅度较极端干旱事件频率大，速率为 0.019 次/a （图 2），年平均极端湿润事 件频率为 2.3 次，极大值出现在 1988 年 （3.9 次），而极小值出现在 1965 年 （0.8 次）。在
辐射。净辐射是 Penman-Monteith 模型计算的基础，参数的确定直接影响计算精度，建议
采用 FAO 推荐的值，即 c=0.34、d=0.14、e=1.35、f=0.35 和祝昌汉[19]得出的西北区的 a、b
系数 0.281、0.441，其余各项参数的计算均采用 FAO 的推荐值。
在 ArcGIS 环境下通过反距离加权 （Inverse Distance Weighted，IDW） 插值法绘制河
选取河西地区 13 个气象站 （图 1） 1960—2009 年共计 50 a 的日平均气温、日最高气 温、日最低气温、日照时数、日平均相对湿度、日平均风速等气象观测资料 （资料由国 家气象信息中心提供），计算月地表湿润指数 H。
图 1 研究区气象站点分布
Fig.1 The spatial distribution of the meteorological stations in the study area
极端干 极端湿 旱事件 润事件
1980 年代
极端干 极端湿 旱事件 润事件
1990 年代
极端干 极端湿 旱事件 润事件
4.9
1.4
5.5
2.0
3.6
2.4
4.0
2.2
44.9
2.3
3.8
2.7
4.0
2.0
4.0
2.0
3.8
2.7
4.6
1.7
5.1
2.2
5.3
2.4
4.4
2.6
4.1
西地区极端干湿事件倾向率的空间分布图。采用 Mann-Kendall （M-K） 检验法，对河西
地区年极端干湿事件的频率进行突变检验。在 Matlab 软件中利用复方 Morlet 小波分析对
年极端干湿事件的周期变化进行分析，并用小波方差来确定主周期。
2 结果与分析
2.1 河西地区极端干湿事件的时间变化特征 在全球气候变化的背景下，近 50 a 来，河西地区极端干旱事件的频率总体有所下
1 研究区概况和研究方法
1.1 研究区概况 甘肃省河西地区东起乌鞘岭，西至玉门关，南与祁连山相接，北有北山山系与内蒙
古毗邻。东西长约 1 000 km，南北宽 50~100 km，面积 2.15×105 km2，约占甘肃全省面积 的 60%，是甘肃省重要的粮油生产中心[15]。河西走廊的气候属温带大陆性气候，冷热变 化剧烈，风大沙多。除沿河冲积平原上仅有的绿洲外，大部分地区均是以风力作用和干 燥剥蚀为主的戈壁荒漠，从东向西绿洲面积逐渐减少，西部多荒漠地带，地表裸露，蒸 散强烈，生态环境极其脆弱。 1.2 数据来源与研究方法
+ϒ (1 +
T 9+02073U2(es 0.34U2)
-
ea)
（3）
( ) Rn
=
(1
-
a)
éêa ë
+
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