近54年北方干濕變化的時(shí)空結(jié)構(gòu)

近54年北方干濕變化的時(shí)空結(jié)構(gòu)

干旱及其形成機(jī)制是一個(gè)古老而充滿挑戰(zhàn)的研究課程。這也是世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界每年的干旱經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)60萬億美元。干旱已成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題。關(guān)于干旱的研究還有困難。這不僅包括表面收支的自然變化，還包括人類活動(dòng)的嚴(yán)重干擾。這是一個(gè)需要多學(xué)科交叉研究的科學(xué)問題。然而，獲得的觀測數(shù)據(jù)并不能滿足研究的需要。干旱的大小是當(dāng)前商業(yè)和科學(xué)研究中必須考慮的問題之一。根據(jù)不同學(xué)科的需要，以往的研究采用了不同的干旱法，如氣候、農(nóng)業(yè)、水文、生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等干旱指標(biāo)。在美國，通常有13種干旱指數(shù)用于經(jīng)濟(jì)和研究。已有的工作通過對降水量變化的研究揭示了區(qū)域干旱的諸多事實(shí)[3～7],但降水在表征干旱及干旱化特征上的局限性已被大家所認(rèn)識(shí),特別是降水變化不能表征溫度變化對地表水分收支的影響,它只是作用于地表干濕變化的一個(gè)重要因子,但不唯一.隨著全球增暖的加劇,升溫引起蒸發(fā)潛力的變化已經(jīng)對地表濕潤狀況產(chǎn)生了重要作用[8～10],降水異常已不能客觀地表征地表的干濕變化,因此,我們必須尋求新的方法或者表征指標(biāo).Palmer早在1965年就提出了一個(gè)能夠用于干旱檢測及分析的指標(biāo)-Palmer干旱指數(shù)(ThePalmerDroughtSeverityIndex,簡稱PDSI),這是目前在全球或區(qū)域干旱檢測中應(yīng)用最廣泛的干旱指標(biāo),但它的局限性在于對計(jì)算方案中參數(shù)的區(qū)域性非常敏感.除此之外,還有大量的干旱指標(biāo)在研究和業(yè)務(wù)工作中得到應(yīng)用[2,8～10,13～17].地表濕潤指數(shù)近年來在中國區(qū)域干濕變化的檢測中得到很好的應(yīng)用,特別是對中國北方干旱、極端干旱和干濕變化趨勢的研究顯示出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值,它的優(yōu)點(diǎn)是既考慮降水變化又包含溫度變化的影響,計(jì)算方案中包含了地表水分收支的兩個(gè)重要過程降水和潛在蒸發(fā),計(jì)算方便,所需資料少,并且和目前國際通用的PDSI在表征中國區(qū)域干濕變化特征時(shí)是一致的.PDSI是1965年發(fā)展起來的,由于計(jì)算方案中的物理參數(shù)主要取自美國區(qū)域的氣候水文資料,所以在美國之外地區(qū)的應(yīng)用有很大的局限性.安順清等、劉巍巍等利用中國區(qū)域的氣候資料對PDSI計(jì)算方案的參數(shù)進(jìn)行了訂正,使其更適合于在中國區(qū)域的使用,但它的局限性還在于對土壤濕度參數(shù)使用的不確定性,由于實(shí)測土壤濕度資料的缺乏,這個(gè)局限性當(dāng)前還無法消除.土壤濕度被認(rèn)為是表征干旱特征的客觀指標(biāo)但由于觀測資料的缺乏,現(xiàn)有的觀測資料還無法滿足研究和業(yè)務(wù)工作的需要.目前土壤濕度的數(shù)據(jù)主要來自于反演和不完全的觀測數(shù)據(jù),為了彌補(bǔ)觀測數(shù)據(jù)的不足,土壤濕度的反演是一個(gè)行之有效的方法.當(dāng)前土壤濕度的反演無外乎兩種途徑,其一是利用衛(wèi)星遙感信息進(jìn)行土壤濕度的反演,有關(guān)研究最近幾年取得了很大的進(jìn)展,有著巨大的研究潛力和應(yīng)用前景,但由于衛(wèi)星遙感資料時(shí)間長度較短,不能用于長時(shí)間尺度的分析,反演的土壤濕度的精度還有一定局限性,也僅局限在對表層土壤濕度的反演.這就促使了利用基本氣候資料反演土壤濕度方法研究的開展,這是反演土壤濕度的第二種途徑.馬柱國建立的用基本氣候資料反演土壤濕度的方法經(jīng)驗(yàn)證對中國東部的土壤濕度有較好的反演,已用于長時(shí)間尺度的干濕變化分析.在增暖背景下,全球極端干旱的面積正在擴(kuò)大.大量的事實(shí)也揭示了中國北方地區(qū)干旱化正在加劇且增暖顯著.據(jù)統(tǒng)計(jì):吉林省草原面積每年以2.8%遞減,草原重度退化的面積占整個(gè)草原面積的47.5%;在內(nèi)蒙古東部,近10年沙漠化令科爾沁沙地以每年2.4%的速度擴(kuò)展.中國北方半干旱帶的分界線過去半個(gè)世紀(jì)正向東南方向波動(dòng)式擴(kuò)展;黃河徑流也在不斷減少;北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)不同程度的干旱面積均有擴(kuò)大的趨勢,這些都是干旱化的具體表現(xiàn).降水減少和溫度升高是形成當(dāng)前中國北方大部分地區(qū)顯著干化的主要原因.以上研究為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中國北方干旱化特征提供了豐富的證據(jù),但由于各自采用的方法、資料和所研究區(qū)域的不同,難以對整個(gè)北方近半個(gè)世紀(jì)以來干旱化趨勢的時(shí)空格局有一個(gè)系統(tǒng)完整的認(rèn)識(shí).本文擬在過去研究的基礎(chǔ)上,以地表濕潤指數(shù)變化的分析為主,通過與降水、PDSI和反演的土壤濕度3個(gè)干濕指標(biāo)的對比,揭示中國北方近54年(1951～2004年)的干旱化特征,系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)干旱化的年代際時(shí)空格局,而對形成干旱化的原因本文將不加涉及.1數(shù)據(jù)和方法1.1數(shù)據(jù)收集本文所用資料為中國氣象局國家氣候中心提供的160站的月降水和月平均氣溫資料,時(shí)間長度為1951～2004年.站點(diǎn)的分布見圖2.1.2干旱指數(shù)和相干干強(qiáng)度的計(jì)算(ⅰ)地表濕潤指數(shù).有關(guān)地表濕潤指數(shù)的建立,文獻(xiàn)已有詳細(xì)的介紹,在此只簡單地說明這個(gè)指數(shù)的物理意義.它的基本物理過程就是考慮了影響地表干濕狀況變化的兩個(gè)主要影響因子,降水和地表蒸發(fā)潛力(潛在蒸發(fā)).降水增多有利于地表變濕而地表蒸發(fā)潛力增大可使地表變干.年地表濕潤指數(shù)H的定義為其中P為年降水的觀測值,為年潛在蒸發(fā)總量,Pei為第i個(gè)月的潛在蒸發(fā),可由經(jīng)過改進(jìn)的Thornthwaite方法求得,其表達(dá)式如下:方法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡單,且僅依賴于月平均氣溫,根據(jù)(1)和(2)式即可計(jì)算出年地表濕潤指數(shù),它的意義就在于既考慮了降水變化又考慮了溫度變化對地表濕潤狀況的影響,這彌補(bǔ)了僅用降水變化研究地表干濕變化的缺陷.℃,潛在蒸發(fā)的計(jì)算方法有很多種,其中以Penman的計(jì)算方法最為經(jīng)典,后來以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的各種方法在陸面模式研究中得到廣泛的應(yīng)用,但這些方法在目前的資料條件下可操作性仍然不強(qiáng),特別是對大尺度、長時(shí)間變化的分析.在Penman的計(jì)算方案中,涉及了許多大氣邊界層與土壤水熱性質(zhì)的參數(shù),其中邊界層風(fēng)的變化也是控制潛在蒸發(fā)的一個(gè)重要參量,但目前在大尺度蒸發(fā)潛力的計(jì)算過程中,Penman及其衍生方法由于所需資料多還不能被廣泛應(yīng)用,而Thornthwaite的方法彌補(bǔ)了Penman方法在這方面的不足,它的優(yōu)點(diǎn)是僅考慮溫度的變化,而又能較客觀的得出地表的潛在蒸發(fā),但缺乏對邊界層風(fēng)的考慮.因此,關(guān)于邊界層風(fēng)速對干濕變化的影響在本文中不予涉及,不過作為影響干濕變化重要因素的風(fēng)速將是未來研究必須考慮的變量之一這要取決于觀測資料的進(jìn)一步發(fā)展和完善.(ⅱ)Palmer干旱指數(shù)(PDSI).文中所采用的PDSI是在Palmer最早所提出方案的基礎(chǔ)上,利用中國區(qū)域資料對計(jì)算方案的參數(shù)進(jìn)行訂正,以便該計(jì)算方案能夠較客觀的用于中國地區(qū)的計(jì)算.詳細(xì)的方案可參照文獻(xiàn)[19～21].(ⅲ)反演的土壤濕度.根據(jù)前期土壤濕度的變化特征及其與區(qū)域氣候變化關(guān)系的理論分析和統(tǒng)計(jì)事實(shí),并借鑒當(dāng)前土壤濕度計(jì)算中所存在的問題,利用常規(guī)的降水和氣溫資料,尋找一個(gè)能表示土壤水分收支狀況的物理量,以該物理量為基礎(chǔ),建立一個(gè)能夠定量反演中國東部土壤濕度的計(jì)算方案,且該方案可用于中國東部區(qū)域土壤濕度的計(jì)算.該方案具有所需變量少、資料容易獲得特點(diǎn),且計(jì)算的土壤濕度和觀測值具有很好的時(shí)空一致性,該方案的詳細(xì)介紹請參閱文獻(xiàn),這里不再贅述.1.3未固結(jié)條件發(fā)生的擬合檢驗(yàn)的方法為常用的Mann-Kendall方法(簡稱M-K法),在此對該方法作一個(gè)簡單介紹.M-K方法假設(shè)被分析要素的序列x1,x2,???,nx為平穩(wěn)的時(shí)間序列,遵從正態(tài)分布,各樣本之間是相對獨(dú)立的.設(shè)某一元素ix大于前面要素ix-1,???,x1的累積數(shù)為im,總累積數(shù)計(jì)為而新建序列d2,???,dN的均值和方差可計(jì)為將新建序列dk標(biāo)準(zhǔn)化得給定顯著水平0a,當(dāng)a1>a0時(shí),原假設(shè)成立,當(dāng)a1<a0,則原假設(shè)不成立,說明該要素存在明顯的化趨勢.標(biāo)準(zhǔn)化的新序列將組成一條新的時(shí)間變化曲線,如果該曲線落在置信區(qū)間內(nèi),那么原序列不存在變化趨勢,反之,原序列存在顯著的變化趨勢.本文選取置信區(qū)間|U|≤1.96(95%的信度水平),如果曲線值)落在|U|≤1.96之外,說明存在明顯變化趨勢,為正值表示增大趨勢,反之則為減小趨勢,否則,不存在顯著變化趨勢.219對2004年干旱發(fā)生的結(jié)果的分析表明2.1中國北方干旱化的空間變化為了客觀的檢測近54年來中國北方干旱化趨勢我們采用了不同的指標(biāo)分別進(jìn)行分析,這些指標(biāo)包括降水、地表濕潤指數(shù)、PDSI[19～21]及利用基本氣候數(shù)據(jù)反演的土壤濕度.圖1給出了利用M-K方法計(jì)算的1951～2004年降水、地表濕潤指數(shù)、PDSI和反演土壤濕度變化趨勢的空間分布.從圖1(a)可以看出,近54年,在長江以北、100°E以東地區(qū)降水量均為減少趨勢,而西北西部(100°E以西)降水量卻為增加趨勢.一個(gè)值得注意的事實(shí)是,以100°E為界,中國北方東西兩部分的降水量變化趨勢是完全相反的,其中降水量顯著減少(減少趨勢達(dá)到95%的信度檢驗(yàn))的地區(qū)分別是東北的南部、華北的南部、陜西的中南部及四川部分地區(qū)(圖1(a)中的陰影區(qū)),這些顯著減少的地區(qū)形成了一個(gè)東北西南向的帶狀區(qū)域.前面提到,僅用降水量的減少來表征干旱及干旱化問題具有一定的局限性,原因是它無法表示目前發(fā)生在全球范圍內(nèi)的增暖對干旱及干旱化趨勢的貢獻(xiàn).怎樣客觀地表征干旱及干旱化是當(dāng)前研究及業(yè)務(wù)工作中所面對的一個(gè)關(guān)鍵問題.作為表示干濕變化的指標(biāo)土壤濕度由于觀測資料的缺乏還無法滿足研究和業(yè)務(wù)的需要,在這種背景下,選用代用指標(biāo)不失為一種理想的途徑.在這里我們以對地表濕潤指數(shù)的變化分析為主,通過與降水、PDSI和反演的土壤濕度三種干濕指標(biāo)的對比分析揭示北方干旱化的基本事實(shí),類似降水變化的分析方法,計(jì)算了三種指標(biāo)所表征的中國區(qū)域干濕變化趨勢(圖1(b)～(d))對比分析發(fā)現(xiàn),三種指標(biāo)變化趨勢的空間分布結(jié)構(gòu)基本一致,均顯示出中國北方100°E以東地區(qū)近54年來區(qū)域干旱化的重要事實(shí).不同的是,干濕指標(biāo)所指示的干旱化趨勢顯著的地區(qū)與降水顯著減少的范圍大小存在差異,由地表濕潤指數(shù)所表示的顯著干旱化的地區(qū)幾乎占除東北北部及華北東部以外的所有北方地區(qū)(100°E以東,35°N以北),而降水量顯著減少的地區(qū)不足這個(gè)地區(qū)的50%(圖1(a)),也就是說地表濕潤指數(shù)所揭示出的顯著干旱化趨勢的范圍較降水量顯著減少的范圍大.第二節(jié)提到,地表濕潤指數(shù)除考慮降水的變化外,還考慮了溫度變化對潛在蒸發(fā)力變化的影響,由于降水和潛在蒸發(fā)力是地表水分平衡過程中的2個(gè)重要參量,因而這個(gè)參數(shù)在表征地表干濕變化時(shí)具有較降水更為客觀的意義.對比分析的結(jié)果也說明降水量變化在表征干濕變化時(shí)的局限性,特別是在過渡帶地區(qū),降水量的少量變化也可能因增暖的趨勢而引起顯著的干旱化趨勢.盡管過去的研究利用降水量的變化揭示了北方干旱化的一些重要事實(shí),但無法表征溫度變化對干濕變化的作用,特別是在過渡帶等對干濕變化敏感的地區(qū).PDSI的分析結(jié)果給出了與地表濕潤指數(shù)基本一致的干旱化空間分布格局(圖1(c)),兩者的差異在東北地區(qū).比較圖1(b),(c)可以發(fā)現(xiàn),在東北地區(qū),地表濕潤指數(shù)所指示的干旱化顯著地區(qū)的范圍明顯小于由PDSI所指示的干旱化趨勢顯著地區(qū)的范圍,前者顯著干旱化的地區(qū)主要集中在中南部,而后者的范圍一直擴(kuò)展到東北北部,兩者的主要差異在東北北部,其余地區(qū)兩者所指示的干旱化特征基本一致.圖1(d)為反演的50～60cm厚度層土壤濕度的變化趨勢.可以看出,在中國東部,土壤濕度的變化趨勢與降水量、地表濕潤指數(shù)和PDSI的變化趨勢的空間分布結(jié)構(gòu)基本一致,所不同的是顯著干旱化地區(qū)的位置和范圍與其余3個(gè)指標(biāo)所指示的顯著區(qū)域位置有明顯差異.盡管在地表濕潤指數(shù)和PDSI變化趨勢圖上中國北方的東部大部分地區(qū)為顯著的干旱化趨勢,但50～60cm深層土壤的顯著變干區(qū)的范圍明顯縮小.與其余3個(gè)指標(biāo)的顯著變化區(qū)比較,土壤顯著干化的地區(qū)正好位于中國北方的過渡帶區(qū)域,然而在降水量的變化趨勢圖上,過渡帶上的降水盡管減少但并不顯著.也就是說,在過渡帶上,即使少量的降水減少也能造成深層土壤的干化,那么,引起這種變化的原因是什么?我們認(rèn)為這與該地區(qū)溫度升高有關(guān).溫度的升高引起土壤表面潛在蒸發(fā)力的增加,因而加劇了由于降水減少所引起的干旱化趨勢這種干旱化趨勢因強(qiáng)度大而向土壤的更深層傳播從而引起深層土壤干化.然而,華北中南部卻表現(xiàn)出與此不同的特征,盡管降水量的減少是顯著的,但深層土壤變干卻不顯著,這些地區(qū)同樣也是增暖明顯地區(qū),為什么深層土壤的變干趨勢卻不顯著,與過渡帶的干旱化形成機(jī)理的本質(zhì)區(qū)別是什么?這包含著復(fù)雜的氣候-水文相互作用過程,需要用氣候與水文的耦合模式進(jìn)行模擬研究,才能深入了解其形成的機(jī)理.以上分析說明,降水、地表濕潤指數(shù)、PDSI和反演的土壤濕度在大的空間分布格局上所表征的干旱化趨勢基本一致,但在對水分變化比較敏感的地區(qū),如過渡帶和干旱區(qū),它們所指示的干旱及干旱化特征和強(qiáng)度有顯著差異,通過比較可發(fā)現(xiàn)降水在表征干濕變化時(shí)的缺陷,同時(shí)也可以看出降水以外的環(huán)境因子變化(如溫度)對干旱化進(jìn)程的重要貢獻(xiàn).一些研究雖然也從考慮溫度變化的角度對中國北方的干濕變化進(jìn)行了分析,但只是給出了多年平均干濕狀況的分布,缺乏對干濕狀況時(shí)空結(jié)構(gòu)變化的分析,這正是以上分析所要突出的結(jié)果.2.2干旱化趨勢的變化特征以上分析說明,中國北方100°E以東在近54年來均處于一個(gè)干旱化時(shí)段,顯著干化的地區(qū)位于西北東部、華北和東北中南部.為了更清楚地說明各個(gè)區(qū)域變化的總體特征及其變化的強(qiáng)度,根據(jù)其典型的氣候特點(diǎn),我們把北方分為4個(gè)子區(qū)域(西北西部、西北東部、華北和東北區(qū)域,圖2)進(jìn)行分析.圖3給出4個(gè)子區(qū)域的氣溫、降水、地表濕潤指數(shù)、PDSI的區(qū)域平均距平變化.為了突出更長時(shí)間的年代際變化趨勢,對各個(gè)參量的區(qū)域平均序列進(jìn)行5年的滑動(dòng)平均,然后計(jì)算其相對于30年平均值(1961～1990年)的距平.可以看出:西北東部、華北和東北都表現(xiàn)明顯的年代際干旱化趨勢.其中西北東部、華北地區(qū)的干旱化趨勢開始于20世紀(jì)70年代的末期,一直至今,持續(xù)時(shí)間在20年以上.在1951～2004時(shí)間段上,以1979年為時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn),之前降水、地表濕潤指數(shù)和PDSI的距平均為正值,說明這個(gè)時(shí)段兩個(gè)地區(qū)相對較濕;之后,為負(fù)的距平,為明顯的干旱時(shí)段.相對于濕的時(shí)段,干旱化時(shí)段的強(qiáng)度較大且持續(xù)時(shí)間較長;所不同的是,東北地區(qū)的干旱化開始于20世紀(jì)90年代的中期,持續(xù)時(shí)間為10年左右,和西北東部和華北比較,其明顯的特征是在近半個(gè)世紀(jì)表現(xiàn)為明顯的30年左右的干濕周期振蕩,如果按此周期推測,東北地區(qū)未來5年內(nèi)仍然處于一個(gè)干旱時(shí)段,也就是說這個(gè)地區(qū)的干旱化趨勢仍將持續(xù),該時(shí)段有3個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別是1965,1983和1996.與上述地區(qū)不同,西北西部在1960前是一個(gè)相對的濕期,1960～1985為相對較干的時(shí)期,1985年以后又轉(zhuǎn)為相對濕期,2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別是1960和1985.特別是最近20年,表現(xiàn)出截然相反的變化特征,降水量、地表濕潤指數(shù)和PDSI都是正的距平,說明該地區(qū)在這個(gè)時(shí)段是一個(gè)相對較濕的時(shí)期,這一點(diǎn)與過去的研究結(jié)果一致,比較地表濕潤指數(shù)和降水的距平可發(fā)現(xiàn),盡管都是變濕趨勢,但地表濕潤指數(shù)變化趨勢的強(qiáng)度(距平)明顯弱于降水距平的變化,在個(gè)別年份,兩者的距平符號甚至相反,這正是溫度升高所致,也是我們無法從過去研究結(jié)果里看出的特征.為了更清楚的說明這一點(diǎn),下面將就氣溫、降水和地表濕潤指數(shù)的變化進(jìn)行詳細(xì)的比較分析.分析溫度距平發(fā)現(xiàn),中國北方4個(gè)子區(qū)域氣溫在20世紀(jì)70年代或80年代初都出現(xiàn)明顯的升高趨勢(正距平)且持續(xù)至今.如果單從溫度變化對蒸發(fā)的影響來考慮,氣溫升高將使蒸發(fā)潛力增大,不利于地表水分的保持,將成為引起和加劇干旱及干旱化趨勢的一個(gè)重要因素,但從大尺度背景來看,增暖將有利于某些地區(qū)降水量的增加[37～40].在這種條件下,如果考慮溫度對干濕變化的影響,需要綜合地表水分收支各分量的變化(比如降水量和蒸發(fā)的同時(shí)增加),但對于降水量減少、溫度升高的區(qū)域,這個(gè)問題就變得簡單,即溫度的升高將使干旱化趨勢加劇和維持.所以,在西北東部、華北及東北地區(qū),溫度的升高將是當(dāng)前干旱化趨勢維持和加劇的一個(gè)重要的因素.在1990～2004年間,中國北方地區(qū)增暖的趨勢不斷加強(qiáng)為了說明溫度變化對干旱化影響的事實(shí),在表1分別列出了1990～2004年溫度、降水和地表濕潤指數(shù)的平均值相對于30年平均(1961～1990年)值的差值.可以看出:近15年,從西到東增溫強(qiáng)度依次增大,東北地區(qū)增溫強(qiáng)度最大,為1.11℃,西北西部最弱,為0.47℃,對應(yīng)降水的平均值變化,4個(gè)子區(qū)域的差值分別為23,-31.2,-5.8和-3.8mm.比較這四個(gè)地區(qū)降水和地表濕潤指數(shù)變率發(fā)現(xiàn),在西北西部,地表濕潤指數(shù)的變率小于降水變率約7個(gè)百分點(diǎn),即是說地表變濕(地表濕潤指數(shù)正的變率)小于降水增加的變率;在其余3個(gè)地區(qū),地表濕潤指數(shù)減小(變干)的變率明顯大于降水減少3～5個(gè)百分點(diǎn).這些結(jié)果說明,溫度升高減緩了西北西部的變濕趨勢,加強(qiáng)了其余3個(gè)地區(qū)的變干趨勢.從上面分析中不難看出,近54年干旱化趨勢嚴(yán)重(通過95%的信度水平)的地區(qū)主要集中在西北東部、華北南部和東北中南部.為了更深入地認(rèn)識(shí)中國北方干旱化趨勢的特征,我們對這些顯著干化的地區(qū)分為兩個(gè)區(qū)(分別記為A區(qū)和B區(qū))進(jìn)行討論.圖4是2個(gè)干旱化趨勢顯著地區(qū)區(qū)域平均溫度、降水和地表濕潤指數(shù)的5年滑動(dòng)平均距平.分析發(fā)現(xiàn),A區(qū)(范圍:34°N～39°N,103°E～120°E;包括西北東部和華北南部)溫度正距平出現(xiàn)在1976年,1982～1987年溫度接近常年;之后,溫度急劇上升,從1996年開始溫度正的距平值都在1℃以上;降水的負(fù)距平開始于1977年,較溫度正距平的開始時(shí)間滯后一年,在其后的22年里,有2年出現(xiàn)微弱的正距平,其余年份距平都為負(fù)值,說明該地區(qū)這個(gè)時(shí)段處于一個(gè)持續(xù)少雨時(shí)期,這應(yīng)與大尺度氣候的年代際變化有關(guān)[41～43]地表濕潤指數(shù)的負(fù)距平也開始于1977年,之后連續(xù)20多年均為負(fù)距平,即使在降水距平為弱正距平的2個(gè)年份,地表濕潤指數(shù)的距平仍然為負(fù),這也說明在降水增加微弱的條件下,溫度升高能使干濕變化的性質(zhì)發(fā)生變化,兩者的共同作用使得這個(gè)地區(qū)處于一個(gè)嚴(yán)重干旱化的時(shí)段.B區(qū)(范圍:42°N～44°N,121°E～127°E,主要是東北中南部)溫度正距平開始的時(shí)間為1980年,較A區(qū)滯后了4年,但溫度上升的強(qiáng)度明顯高于其他地區(qū),1988年以后,溫度距平都在0.5℃以上,達(dá)到1.0℃以上也發(fā)生在1996年,這與A區(qū)的特征一致;在降水量距平圖上,該地區(qū)降水量正負(fù)距平交替出現(xiàn),1966年以前為正的距平,之后至1983年主要以負(fù)距平為主要特征,18年間僅有2年為正的距平,是降水偏少的時(shí)段.1993年以后,降水距平發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化,轉(zhuǎn)為負(fù)的距平,且負(fù)距平在1996年以后迅速增大,最近2年(2003和2004年)是自1951年來負(fù)距平是最大的,達(dá)到了100mm以上.對比分析這個(gè)地區(qū)降水距平和地表濕潤指數(shù)距平,不難發(fā)現(xiàn)溫度對干濕變化的重要影響.在1984～1993年10年間,降水均為明顯的正距平,然而在地表濕潤指數(shù)距平圖上,這10年間有5年為弱的正距平,4年為負(fù)的距平,僅1年距平值為0,這說明在這個(gè)時(shí)段,盡管降水為明顯的正距平,但地表濕潤指數(shù)卻沒有表現(xiàn)為明顯濕的趨勢,這正好對應(yīng)著劇烈的增暖時(shí)段即是說,氣溫升高導(dǎo)致地表濕潤指數(shù)與降水距平符號相異.通過分析這兩個(gè)典型干旱化趨勢顯著地區(qū)干濕變化的特征,我們再一次認(rèn)識(shí)到了溫度變化對北方地區(qū)干濕變化的重要影響.因此,在當(dāng)前增暖的背景下,對干旱問題的研究及業(yè)務(wù)檢測都必須考慮溫度變化的影響.2.31漸增中坡度圖5給出了1990～2004年全國區(qū)域溫度距平(1990～2004年溫度平均值減去1961～1990年30年平均值)、降水和地表濕潤指數(shù)的相對變率([15年平均值-30年平均值]/30年平均值).由圖5(a)可知,除新疆天山山脈及周邊地區(qū)、黃河上游地區(qū)外,北方大部分地區(qū)近15年來的增溫幅度都在0.5℃以上,其中西北東部、華北和東北地區(qū)的增溫幅度都在1℃以上.在東部地區(qū)(100°E以東),隨著緯度的增加,增溫幅度逐漸遞增,緯度越高,增溫幅度越大;另外,從東到西,增溫幅度依次遞減,形成這種異常增溫幅度的空間分布的原因尚不清楚,如果把溫度的這種變化看成城市化發(fā)展的結(jié)果(城市的熱島效應(yīng)),那么增溫幅度隨緯度的增加而增大卻無法解釋,因此北方近15年溫度異常變化的空間結(jié)構(gòu)除可能與城市化發(fā)展有關(guān)外,大尺度強(qiáng)迫因子也是不可忽視的原因.分析圖5(b)可知,內(nèi)蒙古中東部的降水量為正的相對變率說明近15年這個(gè)地區(qū)降水量是增加的,而東北中東部、華北的南部和西北東部降水仍然維持減少的趨勢其中陜西大部、漢水流域及華北東部減少的幅度最為顯著,主要位于河套和長江以北地區(qū),而長江以南降水為正的相對變率.分析還發(fā)現(xiàn),中國東部地區(qū)從南到北,近15年降水相對變率的分布為正、負(fù)、正的空間結(jié)構(gòu).在圖5(c)上,一個(gè)值得注意的重要事實(shí)是在圖5(b)上東部的空間分布結(jié)構(gòu)不再存在,代之為中國東部大范圍地表濕潤指數(shù)負(fù)的相對變率,兩圖的空間分布結(jié)構(gòu)截然不同.在降水量圖上(圖5(b))長江以南和內(nèi)蒙古中東部的降水正相對變率在圖5(c)上大部分區(qū)域已經(jīng)轉(zhuǎn)為負(fù)的相對變率,這說明,盡管近15年這些地區(qū)的降水的相對變率為正,但卻表現(xiàn)為干旱化趨勢的特征,這些地區(qū)恰好就是半干旱的過渡帶地區(qū),增暖是造成兩者差異的主要原因.以上事實(shí)表明,在100°E以東地區(qū),中國北方地區(qū)均為干旱化趨勢,而且這種干旱化趨勢在近15年有加劇的跡象,特別是在過渡帶地區(qū),降水量的少量增加還不足以改變其干旱化趨勢的時(shí)空結(jié)構(gòu).2.41月pdsi.9月—951～2004年極端干旱的變化趨勢極端干旱往往造成更加嚴(yán)重的自然災(zāi)害,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日程生活帶來嚴(yán)重的威脅.大量的統(tǒng)計(jì)事實(shí)表明,極端干旱所造成的損失在急劇增長,因此有必要對極端干旱發(fā)生的頻率及其變化趨勢進(jìn)行研究.鑒于此,我們對1951～2004年中國區(qū)域極端干旱頻率的變化趨勢進(jìn)行分析.具體的作法是:分別計(jì)算出54年每個(gè)站的逐月PDSI值,當(dāng)月PDSI≤-3.0時(shí),即認(rèn)為為極端干旱月,記為一次,按每年12個(gè)月統(tǒng)計(jì),分別計(jì)算每年極端干旱發(fā)生的次數(shù)即為極端干旱的頻率.為了進(jìn)行比較研究,同時(shí)也給出了月PDSI<0所發(fā)生的頻率分布.通過研究頻率的時(shí)間變化來認(rèn)識(shí)極端干旱的演變特征.圖6為近54年月PDSI<0(一般干旱)和月PDSI≤-3.0(極端干旱)頻率的變化趨勢.分析圖6(a)發(fā)現(xiàn)中國東部30°N以北地區(qū),月PDSI<0的頻率為增加的趨勢,說明這些地區(qū)干旱發(fā)生的頻率在逐年增加.顯著增加的地區(qū)是華北、西北東部和東北的中東部,基本與降水顯著減少的地區(qū)相對應(yīng).從圖6(b)可以看出,干旱和極端干旱發(fā)生頻率變化趨勢的空間分布結(jié)構(gòu)基本相似.在100°E以東、30°N以北地區(qū),極端干旱發(fā)生頻率為增加的趨勢,但趨勢顯著的地區(qū)范圍(圖中陰影區(qū))略小于圖6(a)相對應(yīng)的顯著區(qū)域范圍;西北西部和長江以南都是極端干旱頻率減少的區(qū)域,其中西北西部最為顯著.表2給出了不同年代4個(gè)典型地區(qū)月PDSI<0和月PDSI≤-3.0的發(fā)生頻率.分析還發(fā)現(xiàn),除西北西部外,一般干旱(PDSI月<0)發(fā)生的次數(shù)在西北東部、華北和東北均為上升趨勢,其極端干旱發(fā)生頻率也為上升趨勢,特別是20世紀(jì)90年代以后,西北東部和東北區(qū)域極端干旱發(fā)生的次數(shù)急劇增加,且增加幅度在一倍以上,其中東北尤為明顯2001～2004年平均為6次/年,華北極端干旱頻率增加發(fā)生在20世紀(jì)80年代,早于西北東部和東北地區(qū)西北西部極端干旱的次數(shù)變化不大,大部分穩(wěn)定在1次左右.圖7是西北東部、華北和東北3個(gè)代表站1951～2004年逐年極端干旱發(fā)生次數(shù)的變化.可以看出,西北東部的代表站西安自1990年以后14年都發(fā)生了極端干旱的月份,且呈明顯增長趨勢,2003年達(dá)到11次,是近54年最高,為11次,即是2003年有11個(gè)月處于極端干旱狀態(tài);華北區(qū)域代表站北京的極端干旱發(fā)生頻率從1980開始也明顯增加,25年間共有21年存在極端干旱月份,其中2002年達(dá)到罕見的11次;東北代表站長春極端干旱增加開始于1993年相對于前兩個(gè)代表站開始較晚,但其發(fā)生次數(shù)增加的幅度卻是最大的,2002和2003年達(dá)到了罕見的12次.由上述的分析可知,這三個(gè)地區(qū)的增暖都開始于1980前后,且在20世紀(jì)80年