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近54年祁连山地区干旱时空变化及成因分析

张国斌  
【摘要】:干旱是指水分收支不平衡时形成的一种水分供求严重不足的自然现象,它也是当前全球破坏程度最大的自然灾害之一。近年,在全球气候加剧变暖的背景下,干旱已成为一个严重干扰人类生存的环境问题,已经引起了社科界的普遍关注和高度重视,研究干旱时空变化规律,探寻变化原因,找出应对干旱变化带来的不良影响的策略、方法和途径,以达到监测、预警和调节的效果,已成为当前研究全球变化中最棘手的科学问题。本文运用标准化降水蒸散指数(SPEI),采用1961~2014年祁连山地区126个格点的气象资料,分析祁连山地区各区域不同季节、不同年代、不同强度和不同时间尺度的干旱时空变化特征。并从大气环流变化、地理环境/全球气候变暖两方面分析了祁连山地区干旱的关键原因。通过研究有以下主要结论:(1)通过分析祁连山地区多时间尺度的SPEI变化,并与中国气象灾害记录进行对比研究,发现多时间尺度的SPEI反映的祁连山地区干旱状况与实际记录吻合较好,能够很好表征近54祁连山地区干旱状况。祁连山地区SPEI1和SPEI3因为对于短期降水和温度变化都比较敏感;重大灾害年比重较大,干旱持续半年之久的频率也较高,尤其在1994~2003年和2008年以后;此外,祁连山地区有连续数年甚至十年以上年年干旱的特征,如1961~1963年3a连旱、1990~1992年的3a连旱、1994~1996年的3a连旱、1997~2002年的6a连旱等,而此时SPEI24和SPEI48也保持较大负值,与实录较为吻合。分区中,东段地区极端干旱月在1980s以后显著增多;重大干旱年的频率在1990s以后也明显增多。中段地区短尺度的极端干旱频率比东段地区明显降低,仅在1995~2001年间月极端干旱次数较多;年尺度的干旱出现了较为集中的状况。西段地区的月干旱频率自2000年以后发生较多且较为集中;年尺度的干旱主要发生在2000年前后。(2)通过研究祁连山地区近54年干旱时间变化,发现祁连山地区干旱仍处于加重趋势。在祁连山地区在气温升高、降水增加的过程中,干旱是由于蒸发的加强所致。全球变暖并没有促使该区向暖湿转型,该区的干旱状况仍然不可忽视,水资源持续紧缺。近54年祁连山地区干旱的加重主要呈现在SPEI指数年际均呈下降趋势,祁连山地区、东段、西段和中段SPEI指数分别以0.089/10a、0.128/10a、0.064/10a和0.119/10a的速率下降。通过突变和累积距平检验发现祁连山地区干旱在1994年发生显著的突变;东段地区和西段地区突变分别发生于1997、1990年,西段地区具有不确定性。季节变化中春旱呈现0.179/10a的下降趋势,其中1970s和1990s至今的春旱最为严重,分区春旱变化趋势与整区一致;夏季干旱变化呈现微弱的减轻趋势,仅有东段地区以0.075/(10a)的速率下降;秋季干旱加重最为明显,祁连山地区、东段、中段和西段SPEI指数均呈下降趋势,分别以0.193/10a、0.073/10a、0.263/10a和0.128/10a的速率下降。从干旱强度看,祁连山地区中度干旱事件自1990s以来明显增多,中度干旱事件发生次数最多的是西段地区;极端干旱事件自1990s以来呈现井喷式的增加,21世纪初期达到了峰值的399次。(3)从空间分布看,祁连山地区干旱化趋势呈现东强西弱的分布规律,干旱加重趋势最为显著的是东段地区,干旱程度则由西向东减轻,说明东段地区干旱变化在未来需引起高度重视,即使季风带来较多水汽。祁连山地区春季干旱加重趋势也较为明显,有122个(约占97%)格点呈现干旱加重的趋势,春季干旱程度则由中部向东西部减轻;夏季干旱程度虽然东段地区较轻但干旱加重趋势较为明显,这可能与西风对祁连山地区的影响加重而季风影响减弱有较大关系,中段地区干旱程度较轻且呈减轻趋势,西段地区干旱同中段地区减轻趋势较为一致;秋季的干旱是不可忽视的,几乎所有的格点均呈加重状况,秋旱呈中段地区向东西段地区加重的分布规律,其中东段和西段秋旱程度也较重,尤其西段地区的柴达木山和土尔根达坂山一带最为严重。(4)通过分析祁连山地区近54年干旱影响因素,发现AO指数对该区干旱影响最大,ENSO指数影响程度最弱,且NAO和AO影响该区西段地区较多,ENSO影响东段地区较大,具有界限性;在分析祁连山地区500hpa水汽输送过程中,发现祁连山地区青海湖北侧至张掖市一线西侧主要受到西风水汽影响为主,东侧水汽季风输送影响最重。这揭示了大气环流在祁连山地区的影响以青海湖北侧至张掖市一线呈明显东西部。在时间上,ENSO事件强度与东段地区的SPEI存在明显的负相关,中段地区和西段地区的SPEI变化与ENSO事件强度呈正相关,且SPEI变化存在滞后性。NAO事件强度和祁连山地区的年际SPEI有较强的相关性,当NAO事件增强时SPEI同样呈抬升趋势,当NAO事件减弱时SPEI则呈现较为明显的下降趋势;中段地区和西段地区的SPEI和NAO事件的存在明显的相关性。NAO事件和AO事件的强度变化对祁连山地区和不同分区SPEI变化的作用具有一致性,但AO事件的影响更为明显;当AO较弱时,祁连山地区的SPEI呈显著低值区;当AO变强时,该区SPEI呈显著的高值区。空间上,在长时间序列里祁连山地区干旱指数和ENSO指数存在相关性,但相关性较低,区域的相关性有明显的界限,西段地区全部为负相关,中段和东段地区主要呈现正相关,仅在东段较为明显,两者空间关系较清晰。祁连山地区干旱与NAO关系较为复杂,在东段地区主要呈负相关,以青海湖西侧为界的中段和西段地区主要呈正相关,且相关性在整个区域中较强。AO指数和NAO指数与祁连山地区干旱空间相关性具一致性,但AO指数与SPEI相关性更加强烈,影响范围向东推进较大;祁连山地区干旱与AO指数相关性最为复杂。研究发现,近54年AO与NAO对祁连山地区干旱的影响较强,ENSO影响较弱,也可认为西风对祁连山地区的影响在加强,季风对祁连山地区的影响在减弱。通过研究500hpa水汽输送过程,发现祁连山地区中西段地区干旱受到西风的影响最大,高纬度气团和高原气候区的影响不可忽视,季风对该区的影响仅在青海湖西侧至张掖市一线以东的祁连山地区,西风带来水汽到达祁连山已较少,且祁连山自西向东的山脉走向无法留住水汽是该地区干旱加剧的重要原因之一。(5)在地理环境/全球气候变暖方面,祁连山地区大陆性高寒半湿润山地气候,温度、降水等气候因子具有显著的水平差异和垂直带性,这导致了祁连山地区降水较少且时空分布不均。全球变暖的作用更加不可忽视,它引起气候发生较大变率,也进而影响了大气圈、陆地圈、水圈和生物圈,这推动了陆气间相互作用的加强,使得祁连山地区干旱变化更加复杂。


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