1 引言

干旱是中国最主要的气象灾害之一, 具有发生频率高, 影响范围广、持续时间长等特点, 对工农业生产和生态环境具有严重的影响。据统计, 全国每年因干旱造成的损失占各种自然灾害的15%以上, 每年受旱面积约占各种气象灾害受灾面积的60%(黄会平, 2010)。在全球气候变暖的背景下, 海陆表面温度以及实际的大气水分含量都会发生变化, 从而导致干旱发生的可能性增加(刘维成等, 2017), 干旱的问题已经成为众多国内外学者关注的焦点(王劲松等, 2012; Bai et al, 2014; Yan et al, 2014)。已有的研究表明, 干旱化趋势主要发生在我国北方, 其中西北地区东部降水量减少且持续性较强, 干旱连年发生(邓振镛等, 2007)。近50年来, 甘肃省干旱灾害的范围、程度和频次都呈增加趋势, 干旱灾害的风险不断上升(韩兰英等, 2016)。河西走廊位于我国西北干旱区东部地带, 是我国西北地区重要的生态安全屏障。由于气候、地理条件和人类活动等因素的影响, 河西走廊是我国干旱的频发地区(王劲松等, 2009; 任余龙等, 2013)。干旱的频繁发生成为制约河西走廊地区社会经济和生态发展的重要因素, 尤其是河西走廊属于灌溉农业区, 干旱灾害对当地的农业生产影响很大, 因此分析河西走廊干旱灾害特征的时空演化趋势对于河西走廊干旱灾害的防治具有重要意义。

目前, 关于河西走廊干旱气候变化方面的研究主要集中在西北地区或甘肃省等较大区域(任余龙等, 2013; 王素萍等, 2014), 也有学者针对走廊地区典型站点的干旱特征进行探讨(陈学君等, 2012), 王劲松等(2009)将径流量考虑到Palmer干旱指数中, 对河西灌溉区的干旱状况进行了监测, 但从全局上对河西走廊地区干旱灾害时空变化的研究还比较少。在气候变化的背景下, 河西走廊干旱的整体演变趋势是怎样的, 在年和季节尺度上干旱强度和干旱发生范围又是变化的, 其频率在空间上的分布具有什么样的特征, 这些问题都需要进一步的研究, 以便能深入的认识河西走廊地区干旱发生的规律。

干旱的成因复杂, 影响因素较多(王丹云等, 2017; 钱正安等, 2017), 对于干旱状况的定量化描述是干旱分析的关键。目前, 常用的表征干旱的指标主要包括降水距平百分率, 标准化降水指数(SPI), Palmer干旱指数(PDSI), 综合气象干旱指数(CI)、Z指数、相对湿润度指数(MI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)等。其中SPI指数具有多时间尺度特征, 对干旱变化反应敏感, 可以分析不同时间尺度和不同地区的干旱变化(孙晓光等, 2017), 而且SPI指数的计算相对比较简单, 具有很好的稳定性, 适用于月以上尺度干旱状况的监测与评估(张亚琳等, 2018)。国内外的学者利用该方法对不同的区域进行了大量的研究(闫峰等, 2010; 王莺等, 2014; 张立杰等, 2018), 取得较好的应用效果。针对河西走廊地区, 梁丹等(2015)比较了降水距平百分率、SPI、SPEI和相对湿润度指数对该地区的适用性, 结果表明SPI指数对所判定的干旱等级具有较好的模拟能力。陈丽丽等(2013)分析了甘肃省河西冷、暖气候区SPI指数和Z指数的变化特征, 结果表明SPI指数和Z指数具有较好的一致性。因此本文采用SPI指数法来表征干旱发生的程度, 利用干旱频率、干旱站次比等评估指标, 从时间和空间尺度上分析了河西走廊干旱灾害的演化特征, 以期为该流域干旱灾害风险评估, 防旱避灾对策的制定提供重要的参考依据。

2 研究区概况

河西走廊位于甘肃省境内, 东起乌鞘岭, 西至星星峡, 南侧是祁连山脉, 北侧是龙首山、合黎山和马鬃山, 长约1000 km, 总面积为27.11×10⁴ km², 约占甘肃省面积的60%, 地理位置大致处于37°17′N—42°48′N, 93°23′E—104°12′E, 在行政上属于甘肃省张掖、酒泉、武威、金昌、嘉峪关5市。该地区地势南高北低, 南部祁连山区海拔大部分在3000~3500 m以上, 山前倾斜平原海拔一般为1300~2500 m, 以黑山、宽台山和大黄山为界将走廊分隔为石羊河、黑河和疏勒河3大内陆河流域。由于地处欧亚大陆腹地, 远离海洋, 受地形和海拔高度的影响, 河西走廊气候干旱, 水热条件分布不均, 降水量区域差异显著, 大部分地区的年降水量在200 mm以下, 年蒸发量为2000~3000 mm, 属典型的大陆性干旱气候, 是气候变化的敏感区和生态脆弱带(孟秀敬等, 2012)。

3 资料与方法 3.1 资料来源

选用河西走廊及其周边地区15个气象站为研究区的代表站:阿拉善右旗、安西、鼎新、敦煌、高台、红柳河、酒泉、马鬃山、民勤、山丹、乌鞘岭、武威、永昌、玉门和张掖, 选取台站1960—2016年的逐月降水资料, 数据来源于中国气象科学数据共享网。文中季节划分按照气象上通用划分, 即3—5月为春季, 6—8月为夏季, 9—11月为秋季, 12月至次年2月为冬季。年尺度为1—12月。

3.2 研究方法 3.2.1 标准化降水指数

SPI指数又称为标准化降水指数, 是由McKee在1993年提出的。SPI指数假设降水量的分布服从Γ分布, 通过概率密度函数求解累积概率, 再将累积概率进行标准化处理, 利用标准化降水累积概率分布来划分干旱等级。假设某一段时间的降水量x服从Gamma分布, 则其概率密度函数为:

$ g\left(x \right) = \frac{1}{{{\beta ^\alpha }\mathit{\Gamma }\left(\alpha \right)}}{x^{\alpha - 1}}{e^{ - x/\beta }}, x > 0 $

(1)

式中: Γ(α)为Gamma函数, 其表达式为Γ(α)=∫₀^∞x^α-1e^-xdx; α、β分别为形状参数和尺度参数, 可采用最大似然法进行估算, 其表达式为α=$\frac{{1 + \sqrt {1 + 4A/3} }}{{4A}}$, β=$\frac{{\overline x }}{\alpha }$, A=$\ln \left({\bar x} \right) - \frac{{\sum {\ln \left(x \right)} }}{n}$, 其中n为计算序列的长度。

对于给定时间尺度的降水序列, 其累积概率的计算公式为:

$ G\left(x \right) = \int_0^x {g\left(x \right){\rm{d}}x} = \frac{1}{{{\beta ^\alpha }\mathit{\Gamma }\left(\alpha \right)}}\int_0^x {{x^{\alpha - 1}}{e^{ - x/\beta }}{\rm{d}}x}, x > 0 $

(2)

由于Gamma方程不包含x=0的情况, 而实际的降水量可能为0, 所以将累积概率表示为:

$ H\left(x \right) = q + \left({1 - q} \right)G\left(x \right), $

(3)

式中: q为降水量为0的概率, 如果m表示时间序列中降水量为0的数量, 则q=m/n。累积概率H(x)可通过下式转换为标准正态分布函数。当0＜H(x)≤0.5时, 令t=$\sqrt {\ln \frac{1}{{H{{\left(x \right)}^2}}}} $, 则

$ SPI = - \left({t - \frac{{{c_0} + {c_1}t + {c_2}{t^2}}}{{1 + {d_1}t + {d_2}{t^2} + {d_3}{t^3}}}} \right), $

(4)

当0.5＜H(x)≤1时, 令t=$\sqrt {\ln \frac{1}{{{{\left[ {1 + H\left(x \right)} \right]}^2}}}} $, 则

$ SPI = t - \frac{{{c_0} + {c_1}t + {c_2}{t^2}}}{{1 + {d_1}t + {d_2}{t^2} + {d_3}{t^3}}}, $

(5)

式中: c₀=2.515517; c₁=0.802853; c₂=0.010328; d₁=1.432788; d₂=0.189269; d₃=0.001308。

本文各站SPI指数的计算采用国际气象组织认可的美国干旱减灾中心开发的SPI计算程序, 分别选用12个月和3个月时间尺度的SPI分析研究区年和季节尺度的干旱灾害时空演化特征, 按照《气象干旱等级GB/T 20481—2006》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2006)中的分级标准划分为5个干旱等级:特旱(SPI≤-2.0)、重旱(-2.0＜SPI≤-1.5)、中旱(-1.5＜SPI≤-1.0)、轻旱(-1.0＜SPI≤-0.5)、无旱(-0.5＜SPI)。

3.2.2 干旱评估指标

(1) 干旱频率

干旱频率利用某一站点发生干旱的次数占该站点参与评估的有气象资料的总年数的比例来表征某站在一定时间段内干旱的频繁程度, 其计算公式为:

$ {P_i} = \left({n/N} \right) \times 100\%, $

(6)

式中: N为参与计算的某站有气象资料的年数; n为该站发生干旱的年数; 下标i对应于参与评估的不同站点; P_i即为该站发生干旱的频率。可依据干旱频率的计算公式求出不同等级的干旱所发生的频率。

(2) 干旱站次比

干旱站次比利用某区域内发生干旱的站数占该区域内总站数的比例来评价干旱影响范围的大小, 其计算公式为:

$ {P_j} = \left({m/M} \right) \times 100\%, $

(7)

式中:下标j对应于不同的年份; m为发生干旱的站数; M为参与评估的区域内的总站数。可以依据干旱站次比的值确定干旱影响的程度, 本文参照黄晚华等(2010)对干旱影响范围的定义, 即:当P_j＜10%时, 可认为无明显的干旱发生; 当10%≤P_j＜25%时为局域性干旱; 当25%≤P_j＜33%时为部分区域性干旱; 当33%≤P_j＜50%时为区域性干旱; 当P_j≥50%时为全域性干旱。

(3) 干旱强度

干旱强度用来评价干旱的严重程度, 其计算公式为:

$ {S_{ij}} = \frac{1}{w}\sum\limits_{i = 1}^w {\left| {SP{I_{ij}}} \right|, } $

(8)

式中: SPI_ij为j年发生干旱的i站的SPI值; w为发生干旱的站数; 对应于干旱等级的分级, 当0.5≤S_ij＜1时为轻度干旱、1≤S_ij＜1.5为中度干旱、S_ij≥1.5时为重度干旱, S_ij越大, 干旱越严重。

4 结果分析 4.1 干旱时间变化特征 4.1.1 年干旱变化

(1) 干旱站次比

基于SPI12时间序列, 按照SPI干旱等级划分标准可以得到各站点在历年的干旱等级, 从而计算出河西走廊地区的干旱站次比, 其变化过程如图 1所示, 由图 1(a)可知, 河西走廊地区近57年中全域性干旱发生的年份有12年: 1961, 1962, 1965, 1972, 1978, 1980, 1985, 1986, 1989, 1991, 1997和2013年, 所占的比例为21%。区域性干旱在该地区出现的频次是最高的, 达到29.8%, 57年中共有17年发生区域性干旱。部分区域性干旱和局域性干旱分别有2年和12年。从干旱站次比的年代变化来看(表 1), 20世纪60年代的年均干旱站次比最大, 达到39.33%, 干旱影响的范围最广, 2001—2010年和2011—2016年的平均干旱站次比最小, 均为23.33%。近57年来, 干旱站次比的线性倾向率为-3.85%·(10a)^-1, 说明从干旱站次比的整体变化趋势来看, 河西走廊地区的干旱发生范围呈不断减小的趋势, 主要以区域性干旱为主。

(2) 干旱强度

由公式(8)计算得到的河西走廊地区的年干旱强度[图 1(b)]可知, 河西走廊地区在研究时段内干旱强度的波动范围为0~1.76, 平均干旱强度为0.92。轻度干旱和中度干旱的年份分别有28年和21年, 表明河西走廊地区的干旱主要以轻度干旱和中度干旱为主。重度干旱主要发生在20世纪60年代, 分别为1960、1962和1963年, 其中1962年的干旱强度最大, 达到1.76。从年代变化来看, 20世纪60年代的年均干旱强度最大, 20世纪80年代次之, 20世纪90年代和2001-2010年的平均干旱强度相同且最小, 其年均干旱强度值分别为1.15、0.97和0.81。河西走廊地区干旱强度的线性倾向率为-0.07·(10a)^-1, 其整体的变化趋势与干旱站次比的变化趋势比较一致, 整体上干旱发生的强度呈减小趋势。

4.1.2 季节干旱变化

(1) 春旱

由春旱站次比和春季干旱强度的变化[图 2(a)]可知, 春旱站次比的变化范围为0%~86.67%。1960-2016年期间共发生19次全域性干旱, 所占的比例为33.33%, 发生的时段主要集中于20世纪60年代、80年代和90年代。春旱发生范围最大的年份为1962, 1968和1984年, 其干旱站次比均为86.67%, 其次为1981和2013年, 达到80%。春季发生区域性干旱、部分区域性干旱、局域性干旱的次数分别为6次、5次和8次, 其中区域性干旱主要集中于20世纪70年代, 10年中共发生3次区域性干旱。从各年代来看, 20世纪70年代的年均干旱站次比最高, 达到37.33%, 20世纪80年代次之, 达到34%, 2001-2010年的年均干旱站次比最低, 达到20.67%。从变化趋势来看, 春季干旱站次比的线性倾向率为-2.27%·(10a)^-1, 表明河西走廊地区春季干旱发生的范围呈减小趋势。在干旱强度方面, 春季干旱强度在0~1.8之间波动, 波动曲线与春旱站次比基本一致。近57年中, 春季发生轻度干旱的年份有23年, 中度干旱有19年, 重度干旱有2年, 表明研究区在春季主要以轻度干旱和中度干旱为主。春季重度干旱发生的年份分别为1981和1995年, 其中1981年的干旱强度最大, 达到1.8。各年代中, 20世纪70年代的干旱强度最大, 干旱强度的均值为0.95。2001—2010年的干旱强度最小, 其均值为0.45。从干旱强度的线性变化趋势来看, 春季干旱强度的线性倾向率为-0.05·(10a)^-1, 表明春季干旱强度呈减弱趋势。

(2) 夏旱

通过分析夏旱站次比和夏季干旱强度的变化[图 2(b)]可知, 近57年来河西走廊地区夏季发生全域性干旱12年, 区域性干旱11年, 部分区域性干旱7年, 局域性干旱13年, 无明显干旱的年份有14年。全域性干旱主要集中在20世纪60年代和2001—2010年。干旱站次比最大的年份为2010年, 所有的站点都发生了不同程度的干旱。从各年代来看, 2001—2010年的平均干旱站次比最大, 达到45.33%, 20世纪60年代次之, 达到42%, 2011—2016年的平均干旱站次比最小, 仅为7.78%。夏旱站次比的线性倾向率为-2.62%·(10a)^-1, 表明夏季干旱发生的范围整体呈减小的趋势。在干旱强度上, 夏季干旱强度的变动范围为0~1.81。近57年中, 夏季发生的轻度干旱有28年, 中度干旱有17年, 重度干旱有5年, 表明研究区在夏季主要以轻度干旱和中度干旱为主。夏季重度干旱发生的年份分别为1962, 1989, 1991, 2001和2010年, 其中1962年夏季的干旱强度最大, 达到1.81。各年代中, 2001—2010年的干旱强度最大, 干旱强度的均值为1.07。2011—2016年的年均干旱强度最小, 其均值为0.51。从干旱强度的线性变化趋势来看, 夏季干旱强度的线性倾向率为-0.06·(10a)^-1, 说明夏季干旱强度呈减弱趋势。

(3) 秋旱

从秋旱站次比和秋季干旱强度的变化[图 2(c)]可知, 秋旱站次比在0%~93.33%内变化。近57年来河西走廊地区秋季发生全域性干旱17年, 区域性干旱9年, 部分区域性干旱4年, 局域性干旱7年, 无明显干旱的年份有20年。全域性干旱主要集中在20世纪70年代、80年代和90年代。干旱站次比最大的年份为1991年, 其值为93.33%, 1980年和1993年次之, 其干旱站次比均为86.67%。从各年代来看, 20世纪90年代的年均干旱站次比最高, 达到44.67%, 2011—2016年的年均干旱站次比次之, 为41.11%, 2001—2010年的年均干旱站次比最小, 为14%。从秋旱站次比的线性变化趋势来看, 其线性倾向率为0.02%·(10a)^-1, 表明秋季干旱发生的范围整体呈微弱的增加趋势, 但增加的趋势不明显。在干旱强度方面, 秋季干旱强度的变动范围为0~1.45。近57年中, 秋季发生的轻度干旱有18年, 中度干旱有26年, 无重度干旱发生, 研究区在秋季主要以中度干旱和轻度干旱为主。各年代中, 20世纪80年代的干旱强度最大, 干旱强度的均值为0.95。2001—2010年的年均干旱强度最小, 达到0.44。从干旱强度的线性变化趋势来看, 秋季干旱强度的线性倾向率为-0.06·(10a)^-1, 表明秋季干旱强度呈减弱趋势。

(4) 冬旱

由冬旱站次比和冬季干旱强度的变化[图 2(d)]可知, 冬旱站次比的波动范围为0%~86.67%。近57年来河西走廊地区冬季发生全域性干旱13年, 区域性干旱9年, 部分区域性干旱7年, 局域性干旱12年, 无明显干旱的年份有16年。全域性干旱主要集中在20世纪60年代和80年代。干旱站次比最大的年份为1964年, 其值为86.67%。从各年代来看, 20世纪60年代的年均干旱站次比最高, 达到38%, 20世纪70年代的年均干旱站次比次之, 为33.33%, 2001—2010年的年均干旱站次比最小, 为16%。从冬旱站次比的变化趋势来看, 其线性倾向率为-2.52%·(10a)^-1, 表明冬季干旱发生的范围整体呈减小的趋势。在干旱强度方面, 冬季干旱强度的变动范围为0~1.64。近57年中, 冬季发生的轻度干旱有27年, 中度干旱有21年, 重度干旱有2年, 表明研究区在冬季主要以中度干旱和轻度干旱为主。冬季重度干旱发生的年份分别为1981年和2013年, 其中2013年的干旱强度最大, 达到1.64。各年代中, 20世纪60年代的干旱强度最大, 干旱强度的均值为1.05。2001—2010年的年均干旱强度最小, 达到0.59。从干旱强度的线性变化趋势来看, 冬季干旱强度的线性倾向率为-0.06·(10a)^-1, 表明冬季干旱强度呈减弱趋势。

4.2 干旱空间变化特征 4.2.1 干旱频率空间分布

由1960—2016年河西走廊地区各气象站点年尺度和季节尺度干旱频率的空间分布(图 3)可知, 近57年来, 河西走廊地区在年尺度上和季节尺度上发生干旱的频率具有明显的空间差异, 年和四季的干旱频率分别介于26.3%~36.8%, 24.6%~38.6%, 22.8%~40.4%, 28.1%~36.8%和22.8%~33.3%, 年干旱发生的频率在33%以上的站点主要包括阿拉善右旗、鼎新、酒泉、马鬃山和玉门, 其中酒泉的年干旱发生频率最高, 达到36.8%。春季干旱发生频率在33%以上的站点包括安西、酒泉、山丹、武威、永昌和玉门, 其中安西和玉门是春旱频率最高的地区, 其春旱频率均达到38.6%。夏季干旱发生频率在33%以上的站点包括高台、酒泉、玉门和张掖, 其中酒泉在夏季发生干旱的频率最高, 达到40.4%。秋季干旱发生频率在33%以上的站点包括鼎新、高台、酒泉、山丹、武威、玉门和张掖, 其中山丹和玉门在秋季发生的频率最高, 其秋旱频率均为36.8%。冬季干旱发生频率在33%以上的站点包括安西、红柳河、马鬃山和玉门。综合来看, 玉门和酒泉在年和季节尺度上的干旱频率都高于30%, 是干旱频发地区。武威、山丹和玉门在春季和秋季发生干旱的频率都高于35%, 其干旱的发生对农业的影响较大。

4.2.2 SPI指数倾向率空间分布

通过河西走廊及其周边地区各气象站点年尺度和季节尺度的SPI指数倾向率(图 4)可知, 河西走廊地区在近57年来年尺度SPI呈下降趋势的站点只有马鬃山, 其SPI倾向率为-0.13·(10a)^-1, 表明从线性变化趋势来看, 只有马鬃山呈现出干旱增加的趋势, 其余站点则主要表现为干旱减弱的趋势, 其中乌鞘岭、永昌和玉门的SPI倾向率都高于0.18·(10a)^-1, 干旱减弱的趋势比较显著(p＜0.05)。春季SPI呈下降趋势的站点包括鼎新和马鬃山, 其线性倾向率分别为-0.03·(10a)^-1和-0.07·(10a)^-1, 表明春季马鬃山和鼎新干旱化的趋势比较微弱。夏季SPI呈下降趋势的站点也只有马鬃山, 其线性倾向率为-0.19·(10a)^-1, 下降的趋势比较显著(p＜0.05), 干旱化趋势比较明显。秋季SPI呈下降趋势的站点包括鼎新、武威、永昌和张掖, 其SPI倾向率介于-0.03·(10a)^-1~-0.01·(10a)^-1, 其中下降幅度最大的站点是武威, 其SPI倾向率为-0.03·(10a)^-1。冬季SPI呈下降趋势的站点包括鼎新、马鬃山和武威, 其SPI倾向率介于-0.043·(10a)^-1~-0.001·(10a)^-1, 安西、高台、红柳河、乌鞘岭和永昌的SPI倾向率均高于0.18·(10a)^-1且通过0.05的显著性检验, 说明冬季干旱减弱的幅度是四季中最大的。综合来看, 河西走廊有66.7%的站点在年和季节尺度上SPI均呈上升趋势, 整体表现出干旱减弱的趋势。马鬃山在年尺度、春季、夏季和冬季均表现出干旱增加的趋势, 干旱化趋势比较明显, 其余站点则在年尺度上表现出干旱减弱的趋势, 其中永昌的干旱减弱趋势最显著。季节尺度上, 冬季有33.3%的站点呈现出较为显著的干旱减弱趋势, 在四季中干旱减弱的幅度最大。

5 讨论

在气候变暖的背景下, 全球和区域尺度的干旱时空分布都发生了变化(Hirabayashi et al, 2008)。河西走廊近57年干旱变化特征结果表明:在年尺度上, 河西走廊的干旱整体呈减弱的趋势, 其干旱站次比和干旱强度的变化曲线基本一致, 均表现出下降的趋势, 其中干旱发生的范围主要以区域性干旱为主, 所占的比例为29.8%, 干旱强度则主要以轻度干旱为主, 其比例为49.1%。在季节尺度上, 河西走廊春季发生全域性干旱的频率最高, 达到33.3%, 秋季次之, 其全域性干旱发生的频率为29.8%。四季中除秋季外其他季节的干旱站次比都呈下降趋势, 秋季表现为不显著的增加趋势, 其中夏旱站次比的下降幅度最大, 其倾向率为-2.62%·(10a)^-1。干旱强度在各个季节均表现出下降的趋势, 其中夏季和冬季干旱强度下降幅度较大, 其线性倾向率均为-0.06·(10a)^-1。相较于河西走廊的干旱变化特征, 西北地区干旱发生的范围在20世纪80年代发生转折, 其干旱站次比由1961—1980年的35%下降到15%左右(任余龙等, 2013)。甘肃省在夏秋季更容易出现大范围的干旱, 春季干旱强度最强, 秋季最弱(成青燕等, 2017)。由于降水量的增加, 甘肃河西地区的地表湿润指数在1961—2012年期间增加了5%~25%, 变湿的时间主要在冬季的12月和次年1月(王素萍等, 2014)。综合来看, 河西走廊地区的干旱特征变化在整体上与西北地区的变化一致, 产生差异的原因主要与河西走廊地区的地理条件、大气环流等因素相关。河西走廊位于西北地区的东半部, 其气候变化受到南亚季风、东亚副热带高压季风及青藏高原自身热状况的交互影响, 而ENSO循环是这些交互影响的较强信号之一(蓝永超等, 2002)。已有的研究表明, 河西走廊地区干旱的发生与厄尔尼诺现象密切相关, 干旱事件多发生在连续性的厄尔尼诺事件年(杨龙等, 2012)。此外, 全球显著变暖驱动水循环过程加快, 使得西北地区中部的气候向暖湿转型(施雅风等, 2003), 从而导致河西走廊地区的年降水量显著增加(孟秀敬等, 2012), 这也是河西走廊地区干旱减弱的可能原因之一。

在空间尺度上, 酒泉、玉门是河西走廊的干旱频发地区, 尤其是玉门地区, 在年尺度和四季的干旱发生频率均高于33%。从干旱的演变趋势来看, 在年尺度上河西走廊地区大部分站点都表现出干旱减弱的趋势, 只有马鬃山表现为干旱增加趋势。季节尺度上, 冬季有33.3%的站点呈现出较为显著的干旱减弱趋势, 在四季中干旱减弱的幅度最大。河西走廊干旱分布的空间差异主要受到季风、环流、地形以及海拔等因素的影响, 其中河西走廊东部受西南和东南夏季风的影响, 西部受西风环流的控制, 中部处于两种环流系统的交汇处, 再加上青藏高原季风的影响, 局地气候变化比较复杂(贾文雄等, 2010)。在气候变暖的背景下, 东亚夏季风可以进一步向北推进, 从而使靠近东亚夏季风边缘北侧的河西走廊西部降水量增加, 受海拔的影响, 河西走廊西北部的降水则呈减少趋势(孟秀敬等, 2012), 这是马鬃山呈干旱化趋势的可能原因。此外, SPI对于干旱等级的设定是根据降水量的概率密度分布得到的, 即假定不同地区的干旱发生概率相同(黄晚华等, 2010), 而在实际中不同地区降水的概率分布略有不同, 尤其是在河西走廊地区, 降水在空间上的分布受海拔高度等因素的影响较大, 造成各地干旱发生频率存在一定的差异性。

河西走廊地区的水资源脆弱程度较高(李智飞等, 2014), 干旱的发生会对当地的农业生产和生态环境产生重要影响。基于SPI指数对该地区干旱特征进行评价将为当地制定应对干旱变化的措施提供重要的参考依据。总体而言, 河西走廊地区干旱呈减弱的趋势, 这将更有利于当地的农业生产, 然而在主要作物生长季内, 春季和秋季更容易发生大范围的干旱, 当地应做好相应的应对措施。此外, 蓝永超等(2013)的研究表明河西内陆河流域山区年代、年和大部分季节的降水量均呈增加的态势, 所以尽管祁连山区和河西走廊地区的连续干旱日数呈减少趋势, 但是该地区的极端降水总量和极端降水日数却呈增加趋势(贾文雄等, 2014), 这反映出研究区在降水增加的背景下, 虽然干旱的情势得到一定程度的缓解, 但是在河西走廊浅山地带局地暴雨发生的概率会增大(钱莉等, 2012; 贾文雄, 2012), 使得该地区洪涝灾害事件增多。另外河西走廊三大水系上游山区气温总体呈现出显著的上升趋势(蓝永超等, 2014), 这会导致祁连山区冰雪融水增加, 从而增加洪水事件发生的可能性(高翔等, 2014), 因此河西走廊地区在注意抗旱的同时也要加强对局地暴雨和山洪灾害的防御。本研究系统的分析了河西走廊地区干旱灾害的时空演化规律, 但是SPI指数仅仅以降水量为基础, 缺乏对土壤墒情、水分蒸发等要素的考虑, 同时以一种指标对干旱进行评估相对比较片面, 今后还应该结合其他指标对河西走廊地区的干旱进行深入分析。

6 结论

(1) 从年际变化来看, 近57年来, 河西走廊的干旱站次比随时间变化呈减小的趋势, 在研究时段内主要以区域性干旱和局域性干旱为主。干旱强度的变化与干旱站次比一致, 主要以轻度干旱和中度干旱为主。干旱发生范围的减小和干旱强度的减弱将有利于当地的农业生产和生态环境, 但是在降水增加和气温升高的背景下, 河西走廊地区局地暴雨和山洪灾害发生的可能性变大, 因此在注意抗旱的同时也要加强对局地暴雨和山洪灾害的防御。

(2) 从季节变化来看, 河西走廊地区四季中除秋季外其他季节的干旱站次比都呈下降趋势, 秋季表现为不显著的增加趋势, 其中夏旱站次比的下降幅度最大, 春季和秋季更容易发生全域性干旱。干旱强度在各个季节均表现出下降的趋势, 其中夏季干旱强度的下降幅度最大。

(3) 空间变化上, 玉门和酒泉的干旱发生频率在年尺度上和季节尺度上都相对较高。从干旱的演变趋势来看, 河西走廊地区有66.7%的站点在年和季节尺度上都呈干旱减弱的趋势, 在年尺度上, 河西走廊地区只有马鬃山呈现为干旱增加趋势, 其余站点均表现为干旱减弱的趋势。季节尺度上, 冬季有33.3%的站点呈现出较为显著的干旱减弱趋势, 在四季中干旱减弱的幅度最大。