1965—2015年甘肃省干旱时空分布特征分析

栾振斌 宁和平 姚 瑞*贺海燕 徐 璐 张亚敏 郭俊彬 张榆锋

（1定西市气象局，甘肃定西 743000；2陇南市气象局，甘肃陇南 746000；3卓尼县气象局，甘肃卓尼 747600；4呼和浩特市新城区气象分局，内蒙古呼和浩特 010010；5通渭县华家岭气象站，甘肃通渭 743000）

干旱灾害是我国西北地区常见的气象灾害之一。我国西北地区深处内陆，全年降水量少、气候干燥、年温差大，又受到地形等因素的影响，沿海地区暖湿水汽难以深入内陆。近年来，随着全球气候变暖，干旱发生的频率不断升高，旱灾影响范围也进一步扩大，生态环境更加脆弱，给该地区人们的生产和生活带来很大影响，也对当地社会经济发展和生态环境建设提出挑战。随着全球气候变化趋势的不断发展，相关学者的研究成果表明，未来该地区干旱的影响程度和范围或将进一步加大，人们面临的干旱形势将更加复杂多变。

近年来，有很多研究学者从不同研究方向着手，对西北地区的干旱灾害进行了研究，并取得了丰硕的成果，为西北地区应对干旱灾害事件提供了重要的理论依据。例如，在区域范围上，任余龙等[1]、杨建玲等[2]利用标准化降水指数（SPI）和总和干旱指数（CI）对西北地区近50年来干旱时空分布规律及其变化特征进行了研究；在省级区域上，蔡新玲等[3]、张调风等[4]、张 勃等[5]分别对陕西省、青海省和甘肃省近50年来干旱时空分布规律及其变化特征进行了研究；杨小慧等[6]以甘肃省榆中县为例，对该区域半干旱区农户的干旱恢复力进行了定量分析。这些研究成果有助于明晰西北地区干旱发生的时空分布规律及其变化特征，为决策部门制定科学的防灾减灾策略、合理应对气象灾害、减少干旱带来的损失作出了积极贡献。

研究分析甘肃省干旱时空分布规律及其变化特征，对于该地区应对全球气候变化、综合利用气候资源、促进可持续发展具有十分重要的意义，也对相关部门制定有效的防灾减灾策略、改善生态环境具有重要的参考价值。 本文研究分析了甘肃省1965—2015年干旱时空分布规律及其变化特征，以期为该地区合理应对全球气候变化、增强旱灾防御能力、综合利用气象资源提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

甘肃省地处我国西北内陆，位于北纬32°11′～42°57′、东经 92°13′～108°46′范围内，在行政区划上西邻新疆，北接内蒙古、宁夏，东邻陕西，南接四川、青海，整体呈狭长状分布。全省总面积为45.3万km2，其中耕地面积仅4.54万km2，平均海拔1 900 m。境内大部分地区气候干燥，降水少，年平均降水量为300 mm，不足全国年平均降水量（632 mm）的1/2，全年降水时间分布不均匀，降水主要集中在6—9月；太阳辐射强，气温日变化大，全年平均日照时数2 500 h，年均温在0～14℃之间。甘肃省境内气候类型复杂多变，多样化显著，由北向南依次包括了高原气候、干旱气候、半干旱气候、半湿润气候、湿润气候等5个气候类型。受高原地形、季风和西风带的综合影响，该地区干旱致灾因子更加复杂多变，也使甘肃省境内干旱灾害频发。统计数据表明，甘肃省农作物平均每年因旱受灾面积达82.684万hm2，粮食减产50万～100万t[7]。长期以来，干旱灾害严重影响该区域人们的生产生活，成为甘肃省当前及今后一段时期面临的严峻挑战。

1.2 数据来源与处理

采用中国气象局气象数据中心网站下载的1965—2015年甘肃省地面气候资料日值数据集（逐日常规降水观测资料），其中包括兰州市、白银市、武威市、平凉市、酒泉市、定西市、金昌市、天水市、张掖市、陇南市、庆阳市及甘南州、临夏州共13个市（州）35个气象台站。由于人力和经济等综合原因，甘肃省境内气象站点十分有限且分布不均匀，位于偏远地区的气象资料难以获取。在对数据进行处理和计算前，先进行缺测数据的插值与订正，采用反距离加权插值法对缺测台站进行处理，最终得到连续、完整的35个气象台站的降水实测资料。各气象台站分布如图1所示。

1.3 研究方法

反距离加权插值法是在某个数据采集区域内，假设采样点周围未采样点的属性特征值是该点周围一定邻域内已知采样点的加权平均，以样点间距离作为权重的滑动平均加权插值法。由于计算过程较为简便，该方法成为研究中较常使用的由离散点生成网格点数据的插值方法[8]。标准化降水指数（SPI）是由Mckee等[9]于1993年提出用来划分旱涝等级的指数。这一指数的原理是基于降水量的分布为偏态分布，而非正态分布，因而在降水分析和干旱评估中，常采用Γ分布概率函数来描述降水量的变化。经验正交函数分解（EOF）最早于1901年由统计学家Pearson[10]提出，后来由Lorenz等首次在20世纪50年代将其引入气象学用于研究气象和气候变化[11]。标准化降水指数满足EOF分析的要求，根据EOF分析方法，本文中空间场特征值均为正值，若时间系数为负，则该时段气候趋于干旱，且数值越小，干旱越严重，反之气候趋于湿润。运用EOF分析可揭示甘肃省1965—2015年干旱的空间分布特点和时间变化规律，从而增进人们对甘肃农业干旱特征的认识。

2 结果与分析

对1965—2015年甘肃省境内35个气象台站四季及全年的SPI值进行分解，得到SPI值空间典型场和时间系数的变化特征。其中，前5个载荷向量的方差贡献率如表1所示。春、夏、秋、冬及全年第一模态空间分布方差贡献率分别为57%、40%、45%、60%及37%，远高于后几个模态空间场的贡献率，这表明第一模态是甘肃省四季及全年干旱空间分布最主要的结构型。本文主要分析四季及全年EOF第一模态的时空分布及变化特征。

表1 各模态解释方差贡献率 单位：%

从经验正交函数分解结果（图2～图6）来看，各季节及全年第一模态特征向量在整个区域范围内均为正值，反映了甘肃省干旱分布总体具有很好的一致性，说明在该模态下甘肃省的旱涝变化基本同步，即一致性变涝或变旱。其中：春季、秋季及冬季纬向分布特征显著，变化趋势基本一致，由东南向西北呈现出“低—高—低”的特点；夏季及全年则表现出甘肃西北部特征值低、中南部特征值高的特点；各季节及全年特征值均分布在0.05～0.20之间。

春季、秋季、冬季空间分布特征一致性较强，高值中心分布在酒泉、金昌、张掖、武威、临夏以及白银、兰州、定西、庆阳西北部环县一带，最小值位于敦煌西部、酒泉北部、玛曲、玉门关、金塔、民勤及陇南文县一带，表明这些地区是对旱涝变化最敏感的区域；夏季及全年高值中心在临夏、白银、兰州、定西、庆阳西北部环县一带，最大值均位于兰州、定西一带，分布范围较广，马鬃山北部也出现极大值分布，最小值位于宁县、文县、玛曲、祁连山西侧及肃北一带。全年向量的较小值位于敦煌、酒泉、张掖一带，最小值位于酒泉。夏季及全年总体呈现陇东南地区特征值较大、西北地区相对较小的分布格局。

由时间系数演变柱状图可知，春季最大值出现在 1967 年（2.28），最小值出现在 1979 年（-2.37），极值相差较大，时间系数呈现由负到正、再到正负交替演变的变化趋势。结合空间分布场，表明从20世纪60年代中期到80年代初期为少雨时段，80年代初期到90年代中期为相对湿润时段，90年代中后期至2015年时间系数交替变化且湿润年份偏多，近年来有向湿润气候变化的态势。夏季年际间呈波动变化，最大值出现在1979年（3.02），最小值出现在1982年（-1.99），时间系数正负交替出现。1965—1970年以湿润为主，1970—1975年间偏向干旱发展，20世纪70年代末到20世纪末气候以湿润为主，2000—2010年以干旱为主且干旱持续加重，但近年来仍有偏向干旱发展的态势。秋季最大值出现在 1975 年（1.69），最小值出现在 1972 年（-3.31），时间系数变化趋势不明显，旱涝交替。1965—1985年间的时间系数正负分布大致持平，20世纪80年代中期至20世纪末气候变化偏向干旱，2000年以后气候逐渐向湿润转变，特别是近15年向湿润变化的趋势更为显著。冬季时间系数年际间变化特征显著，时间系数最大值、最小值分别出现在2007年和1973年，分别为1.64和-1.58，时间系数在分布上较均衡。时间系数的正、负值都维持较长一段时间，气候变化比较稳定。1965—1980年气候持续干旱，20世纪70年代末至2015年的气候变化以湿润为主且持续性较强，近年来有向湿润气候变化的态势。全年时间系数年际间变化波动趋势错落交替，最大值出现在 2003 年（1.74），最小值出现在 1972 年（-2.37），时间系数呈现正负交替。1965—1980年气候以干旱为主，20世纪80年代初至2015年逐渐向湿润气候转变，尤其是80年代中期和2010—2015年湿润特征更为显著。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文选取甘肃省境内35个气象站点1965—2015年的逐日降水资料，采用标准化降水指数结合经验正交函数分解（EOF）方法对该研究区干旱时空分布及时间变化特征进行研究，得出结论如下：

（1）各季第一模态空间分布方差贡献率最高，特征值由东南向西北呈现出“低—高—低”的分布特点，中部地区特征值较大而南北两端的西北、东南两区域相对较小。

（2）冬季时间系数变化最显著，1965—2015年春、秋、冬季气候向湿润转变，而夏季有向干旱变化的趋势。

（3）全年总体呈东南地区特征值较大、西北地区较小的分布格局，气候呈现由干旱到湿润的变化。

3.2 讨论

本文从标准化降水指数出发，对1965—2015年甘肃省干旱变化时空分布特征进行研究分析，所得的结论可为防御干旱提供借鉴。与应用于该区域其他类似指数及其他基于多气象要素的干旱指标研究结果相比，SPI所呈现的旱涝特征与已有研究成果较为一致[12-14]。该指数反映的干旱情况与本区域历史事件记载也较为相符，这也表明降水是旱涝灾害形成与发展过程中不可忽视的重要因素之一。

因EOF分析方法自身的特点，SPI值分解后各分量之间是正交的，即各分量相互独立，故用EOF方法提取的不同时空场也相互独立。这样就有利于把握干旱发展变化过程中的主要特征，但该方法只能进行分析，而不能用于预报。

在全球气候变化的背景下，干旱时空变化除受降水因素影响外，还受到季风、地形地貌和土壤湿度等因素的影响。本研究中仅选取了降水因子，而未考虑其他气象因子。因此，有必要结合该区域内实际情况，综合考虑土壤水分、径流、温度、连续无雨日和降雨日数等指标对甘肃省干旱时空变化特征进行深入研究。