引言

我国西北地区地处青藏高原北部和东北部, 远离海洋, 是全球同纬度最干旱的地区之一^[1], 同时这里受西风带气候、高原季风和东亚季风气候影响, 降水变率大, 干旱频率高, 是我国气候变化的敏感区和生态脆弱区^[2]。当前全球变暖日益显著, 而全球变暖驱动复杂的水循环变化, 可能导致近十几年来西北大部分地区气候环境发生变化, 出现降水与径流增加, 冰川消融加速, 湖泊水位上升, 大风与沙尘暴日数减少, 极端天气气候事件增多等现象^[3-6]。研究表明:西北气候可能正在由暖干向暖湿转型, 但还有待综合考虑其他气候要素来做深入分析^[7-10]。干湿气候是否转型根本上取决于水循环的变化状况, 蒸发是水循环中重要组成部分, 它和降水、径流一起决定着一个地区的水分平衡。全球变暖可能会导致陆地上水体蒸发量上升, 势必引起水循环的一系列变化。但目前在分析蒸发皿观测的蒸发量时, 却发现有些区域平均的蒸发皿观测的蒸发量存在稳定的下降趋势^[11-14]。王鹏祥等^[15]分析表明, 近44年来西北地区水面蒸发量表现为显著的减少趋势, 且在1976年左右发生了减少突变, 整个西北地区平均地面风速减少、日照时数减少、平均日较差减少、相对湿度增加及平均低云量增加可能是水面蒸发量减少的重要原因。

以前关于西北地区干湿特征的研究, 主要是针对降水量而进行的^{[7-9, 16-19]}, 很少有人综合考虑降水和蒸发两个水分平衡的重要分量来分析西北地区的干湿演变特征。降水量与蒸发量是代表一个地区水分平衡的两个方面, 因此综合考虑降水和蒸发这两方面水分收支情况来研究该地区的干湿气候转型是可行的, 这对我国西部生态环境与社会经济诸多方面均具有重大的现实意义和深远的战略意义。

1.   资料及方法

本文选用我国西北地区 (陕、甘、宁、青、新、内蒙古西部)1960—2003年131个台站降水和小型蒸发皿观测的蒸发量资料, 通过降水量与蒸发量的标准化距平之差定义了降水蒸发均一化干湿指数 (以下简称均一化干湿指数) 如下:

式 (1) 中, ΔR, ΔE, σ_R, σ_E分别为降水量和蒸发量的距平和均方差。从式 (1) 可以看出降水蒸发均一化干湿指数正负值分别对应湿和干两种异常状态。由于本干湿指数既考虑了降水和蒸发两个分量, 是表示水分平衡的一种综合指标, 它反映的信息要比降水更丰富^[20]。

利用降水量和蒸发量构建的各站均一化干湿指数序列的基础上, 运用EOF和REOF、趋势分析^[21]、M-K突变检测^[22]、Morlet小波分析^[23]等气候诊断方法, 进而对我国西北地区近44年来的干湿演变特征进行分析。

2.   西北地区年干湿指数异常空间分布特征

2.1   空间分布特征

对西北地区131个测站年降水蒸发均一化干湿指数场进行EOF分析, 其第h个特征向量的方差拟合率ρ_h及前h个特征向量的方差贡献率P_h见表 1。由表 1可见, 前3个特征向量拟合了西北地区年干湿指数总方差的55.3%。因此, 前3个特征向量基本可以反映出西北地区年干湿指数的空间分布特征。

表  1  EOF分析的前10个特征向量的方差贡献率 (单位:%)

Table  1.  The contribute percentage of filed variance first ten PC (unit:%)

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图 1是前3个载荷向量的空间分布图。第1载荷向量场 (VL1) 除青海南部极小部分地区外, 几乎整个西北地区表现为一致的正值, 载荷量最大值在河套一带, 表明整个西北地区一般受大尺度气候系统的影响, 表现为一致的干旱或湿润, 该模态占总方差的31.39%。第2载荷向量场 (VL2) 表现为西北与东南部反向变化特征, 具体来说, 位于青海东南部、甘肃河东、宁夏南部及整个陕西的西北东南部为负值区, 而西北地区西北部为一致的正值区, 这主要是由于西北地区东南部属季风影响区, 而其西北部属西风带影响区, 所以造成其干旱的位相变化不一致, 该模态占总方差的15.56%。第3载荷向量场 (VL3) 表现为西南与东北部反向变化特征, 具体来说, 位于新疆东北部、甘肃中部及陇东地区、宁夏、陕北及111°E以西的内蒙古地区为正值区, 而其他区域为负值区, 这种分布可能与影响西北地区的北方系统有关, 由于高原等高大山脉的阻挡, 北方下滑的冷空气容易使新疆东北部、甘肃中部及陇东、宁夏、陕北及111°E以西的内蒙古地区形成降水。该模态占总方差的8.35%。由于前3个载荷向量占总方差的55.20%, 所以可以认为它们是西北地区年干湿分布最主要的分布模态。将以上3个模态同西北地区年降水的EOF分解所得到的前3个模态比较发现, 它们之间存在明显的差异, 所以降水蒸发均一化干湿指数是值得研究的。

图  1  前3个载荷向量的空间结构分布图

Figure  1.  The space patterns of the first three loading vectors from EOF analysis

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   气候分区

以上讨论了西北地区年干湿指数的总体空间异常分布特征, 可以看出既有一致的方面, 也存在明显的地域差异, 为了进一步说明西北地区年干湿特征的地域特点, 在主成分分析的基础上, 取前几个载荷向量及对应的主成分参加旋转。通过对比前几个载荷向量方差贡献率发现, 第3个特征向量同第4个特征向量贡献率之差仅为2.42, 而第4个同第5个之差为0.29, 根据Screen法则^[24]选取前3个特征向量进行旋转比较合理, 所以本研究只选取前3个特征向量进行旋转进而得到年降水蒸发均一化干湿指数场的3个主要空间异常气候区 (图 2)。西北地区降水的地区差异比较明显, 所以以往众多专家^[16]将整个西北分成5个或6个分区。这也说明利用降水量和蒸发量构造的降水蒸发均一化干湿指数比较理想地反映出西北地区近年来干湿变化的一致性特征。

图  2  REOF前3个载荷向量场的空间结构分布

Figure  2.  Distribution of REOF-given the first three loading vector fields

下载: 全尺寸图片 幻灯片

第一分区:西风带气候区。旋转载荷量RVL1大值区位于新疆、甘肃黄河以西及111°E以西的内蒙古黄河以北地区, 其中载荷值最大的4个站分别是新疆的吐鲁番0.81、拜城0.76和内蒙古的阿拉善右旗0.79、巴音毛道0.77。

第二分区:高原气候区。旋转载荷量RVL2大值区位于青海高原上, 其中载荷值最大的4个站分别是青海的伍道梁-0.76、诺木洪-0.69、恰卜恰-0.67和清水河-0.66。

第三分区:季风气候区。旋转载荷量RVL3大值区位于甘肃黄河以东、宁夏、陕西及位于111°E以西的内蒙古黄河以南地区, 其中载荷值最大的4个站分别是甘肃的秦安0.91、静宁0.91、华家岭0.91和通渭0.90。

综合以上分析发现, 西北地区干湿异常可以分为西风带气候区、高原气候区和东亚季风气候区, 简称西风区、高原区和季风区。这同施雅风等^[7-9]提出的西北地区3个干湿转型特点不同的区域完全吻合。

3.   西北地区及各分区年降水蒸发均一化干湿指数时间演变特征

3.1   年际、年代际变化及趋势分析

为了搞清楚西北地区及各分区年干湿特征的年际、年代际演变特征, 图 3给出了西北地区及各分区年降水蒸发均一化干湿指数EOF分解的第1特征向量时间系数序列及其线性 (实线) 和六阶 (虚线) 拟合曲线。从图 3a可以看出, 西北地区从20世纪60年代到90年代初时间系数在波动变化中缓慢增加, 90年代前期到中后期呈明显减小, 而在近几年来又明显的增加。从线性变化趋势看, 近44年来EOF分解的第1特征向量时间系数呈明显的增加趋势, 转折点发生在1982年, 在其之前的22年中有9年为正, 而且其中有7年的正值较小, 在1982年之后的22年中只有8年为负, 且负值的绝对值明显小于70年代以前, 结合EOF第1模态空间特征来看, 西北地区近44年来呈变湿趋势。

图  3  西北地区及各分区年干湿特征的时间演变及线性和六阶拟合曲线

(a) 西北地区, (b) 西风区, (c) 高原区, (d) 季风区

Figure  3.  Temporally-varying and linear, six step fitting curve of arid and moist change in Northwest China and every sub-region

(a) Northwest China, (b) westerly belt region, (c) plateau region, (d) monsoon region

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 3b是西风区干湿指数EOF第1特征向量时间系数序列时间演变图, 从六阶时间趋势反映出该区44年来时间系数在波动中一直增大, 特别在最近几年增大趋势更明显, 在1982年之前的22年中只有3年为正值, 而在1982年之后的22年中只有6年为负, 特别在80年代末期以后的3个负值绝对值很小, 从线性趋势变化来看, 44年来表现为很明显的增大趋势, 结合西风区EOF第1模态 (略) 空间分布可以看出, 该区44年来表现为显著的变湿趋势。

从高原区干湿指数EOF第1特征向量时间系数序列时间演变 (图 3c) 可以看出, 从20世纪60年代初到80年代后期时间系数在波动中增大, 从90年代开始又呈明显的下降趋势, 在1982年之前的22年中只有2年为正, 而在之后的22年中只有7年为负值, 特别在80年代普遍为正值, 且绝对值很大, 而近几年来以负为主, 结合该区EOF第一模态空间分布 (略) 可以看出, 该区从60年代初到80年代末期呈变湿趋势, 而80年代末期以来呈变干趋势。

图 3d为季风区EOF第1特征向量时间系数序列干湿指数时间演变图, 从六阶时间趋势拟合线可以看出, 20世纪60年代和80年代时间系数为正值, 而70年代和90年代干湿指数表现为负值, 但是80年代以来的波动振幅明显强于60和70年代, 而从线性趋势拟合线可以看出, 近44年来季风区时间系数呈减小趋势, 结合该区EOF第1模态空间分布 (略) 可以看出, 季风区近44年来有变干的趋势。

为了进一步了解整个西北地区以及3个分区年干湿特征长期变化的趋势程度, 分别求出了相应时间系数序列的气候趋势系数 (表 2)。从整个西北地区来看, 近44年来的趋势系数为0.32, 该值通过了0.05的显著性检验, 也就是说近44年来整个西北区表现出了显著的变湿趋势; 西风区的趋势系数高达0.67, 该值已通过了0.001的显著性检验, 所以西风区近44年来的变湿趋势是相当显著的; 高原区的趋势系数同整个西北区的完全一致, 所以该区近44年来也表现出了显著的变湿趋势; 而季风区44年来的趋势系数为-0.18, 该值没有通过0.05的显著性检验, 所以可以说季风区44年来表现为弱的变干趋势。

表  2  西北地区及各分区年干湿变化的趋势系数

Table  2.  Tendency coefficient of arid and moist change in Northwest China and every sub-region

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.2   突变检测

通过对西北地区及3个分区EOF分解所得的第1模态时间系数进行M-K检测, 结合各区第1模态空间分布发现, 西北地区 (图 4a) 从20世纪70年代初表现为明显的变湿趋势, 在90年代初期这种趋势更为显著, 在1974年发生了由干向湿的突变; 西风区 (图 4b) 从60年代初就表现出了明显的变湿趋势, 并且在70年代初期至今这种趋势非常显著, 大约在1976年发生了由干向湿的突变现象; 高原区 (图 4c) 从60年代后期开始表现出变湿趋势, 而80年代初期至今这种趋势表现得更为显著, 突变大约发生在1973年; 季风区 (图 4d) 在70年代后期到90年代初期干湿特征表现为波动变化, 而之后表现出了明显的变干趋势, 大约在1994年发生了由湿向干的突变。

图  4  西北地区及各分区年干湿变化的M-K检测曲线 (a) 西北地区, (b) 西风区, (c) 高原区, (d) 季风区 (图中两直线为α=0.05显著性水平临界值, U_F, U_B为Mann-Kendall统计量)

Figure  4.  M-K check curve of arid and moist in Northwest China and every sub-region (a) Northwest China, (b) westerly belt region, (c) plateau region, (b) monsoon region (two lines are for 0.05 significance level critical value; U_F, U_B are M-K statistics)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从以上的分析发现西风区同高原区近44年来发生了由干向湿的突变现象, 并且突变点大约在20世纪70年代中期, 而季风区在90年代前期发生了由湿向干的突变现象, 从整个西北地区来讲, 其干湿特征大约在70年代中期发生了从干向湿的突变现象, 这同施雅风提出的西北气候可能正在由暖干向暖湿转型的科学推断是相吻合的。以夏季为例, 王鹏祥等^{[10, 25]}通过对夏季北极涛动和东亚夏季风与西北地区夏季降水及干湿指数年代际关系的分析表明, 西北地区干湿状况东南部与西北部空间变化的这种不一致性与1976年前后大气环流调整、北半球中纬度西风带加强和夏季风减弱有关。

3.3   周期分析

为了解西北地区年干湿特征的周期变化特征, 本文对西北地区及各分区年降水蒸发均一化干湿指数进行EOF分解所得的第1模态时间系数序列进行小波分析, 从Morlet小波变换系数 (实部) 等值线图 (图略) 可以发现, 西北区年干湿特征在近44年来一直存在准13年和准9年的周期振荡。相比较, 准13年的周期振荡振幅较强, 另外在20世纪60年代到70年代中期还存在准3年周期振荡, 80年代至今也存在准5年的周期振荡, 但振幅较弱。西风区近44年来一直存在准15年周期振荡, 另外在90年代中期之前也存在准11年的周期振荡, 但振幅明显偏弱, 准5年和准7年的周期在80年代中期以后也有所反映。高原区在44年来一直存在准8年和准11年的周期振荡, 但振幅强度偏弱, 80年代之前存在的准18年周期在80年代以后逐渐变为准20年的周期, 另外60年代和80年代中期到90年代中期还存在准4年的周期振荡。季风区近44年来一直存在准13年的周期振荡, 而且振幅强度较强, 60年代中期到90年代中期准8年的周期振荡也表现得较为清楚, 另外70年代以来还存在准5年的周期振荡, 还有70年代中期以前也存在准3年周期振荡, 不过准3年和准5年的年周期振荡振幅偏弱。

通过以上的分析可以看出, 不论是整个西北地区还是各个分区, 其干湿特征主要以8年以上的年代际振荡为主, 而3~5年的年际振荡各区均有所反映, 但振幅强度偏弱。

4.   结论

1) 一致性异常是我国西北地区年干湿特征的最主要空间分布模态, 西北地区西北部同东南部以及东北部和西南部呈反相变化特征也是西北地区年干湿特征异常的两个重要模态。

2) 我国西北地区年干湿异常特征可以分为西风带气候区、高原气候区、季风气候区3个关键区域。

3) 近44年来整个西北地区、西风带气候区、高原气候区年干湿特征表现为显著的变湿趋势, 大约在20世纪70年代中期均发生了从干向湿的突变现象, 其中以西风带气候区的变湿趋势最为显著, 高原气候区次之。而西北地区东南部的季风气候区干湿状况有变干趋势, 大约在90年代前期发生了从湿向干的突变现象。

4) 尽管整个西北地区以及3个关键区全年干湿特征的周期变化不完全一致, 但其主要以8年以上的年代际振荡为主, 而3~5年的年际振荡各区均有所反映, 但振幅强度偏弱。