基于标准化降水蒸散指数（SPEI）的毛乌素沙地1981—2020年干旱特征研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00002

摘要/Abstract

摘要：

大气干旱是影响半干旱沙区植被建设、生态恢复及社会经济可持续发展的重要因素。基于1981—2020年毛乌素沙地10个气象站点的逐月气象资料，计算了月、季和年尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI），分析了该沙区近40年降水和气温的变化趋势、干旱事件及其频率的时空特征。结果表明：（1）毛乌素沙地近40年降水量和气温均呈现显著的上升趋势（P<0.05）；秋季和冬季降水量呈现显著的上升趋势（P<0.05），四季气温均呈现显著的上升趋势（P<0.05）。（2）毛乌素沙地总体上呈现出不显著的湿润化趋势（P>0.05），但秋季呈显著的湿润化趋势（P<0.05）；中、西部地区呈现出湿润化趋势，而东部地区则呈现干旱化趋势。（3）近40年毛乌素沙地的月尺度下干旱总频率达32.71%，各等级发生频率为轻旱>中旱>重旱>特旱，季节发生频次为冬季>夏季、秋季>春季；轻旱主要发生在毛乌素沙地的北部、中部、东南和西南部，中旱在东部、北部和西部边缘，重旱在东部、中部以及南部地区，特旱在西北部、南部和东南部区域。

关键词: 毛乌素沙地, 标准化降水蒸散指数, 时空特征, 干旱频率

Abstract:

Atmospheric drought is an important factor affecting vegetation construction， ecological restoration and social-economically sustainable development in the semi-arid sand areas. To understand the spatiotemporal characteristics of drought events in the Mu Us Sandy Land during the past 40 years， this paper estimated the standardized precipitation evapotvanspiration index （SPEI） at monthly， seasonal and annual scales， based on the monthly meteorological data from 1981 to 2020. The results showed that：（1） The average annual precipitation （351.61 mm） and the temperature （8.49 ℃） in nearly 40a both showed a significant upward trend （P<0.05）. Seasonal precipitation increased throughout the four seasons， of which precipitation showed a significant upward trend in autumn and winter （P<0.05）. The average temperature in all four seasons showed a significant upward trend （P<0.05）. （2） Based on the SPEI index， it generally showed an insignificant wetting trend in the Mu Us Sandy Land （P>0.05） and a significant wetting trend in autumn （P<0.05）. Meanwhile， it showed a trend of wetting both in the central and western regions， while it showed a drying trend in the eastern region of the Mu Us Sandy Land. （3） In the past 40 years， the total drought frequency in Mu Us Sandy Land reached 31.9%. The order of the drought frequency was following as： light drought>moderate drought>severe drought>very severe drought； and the drought frequency had an order of winter>summer， autumn>spring. The light drought mainly occurred in the north， central， southeast and southwest regions； the middle drought occurred mainly in the eastern， northern and western edges regions； the severe drought mainly occurred in the eastern， central and southern regions； while the very severe drought events mainly occurred in the northwest， south and southeast regions of Mu Us Sandy Land. These results will contribute to the water resources planning， ecological restoration， disaster prevention and mitigation in the Mu Us Sandy Land.

Key words: Mu Us Sandy Land, standardized precipitation evapotranspiration index, spatiotemporal characteristics, drought frequency

中图分类号:

P467

廉泓林, 韩雪莹, 刘雅莉, 韩雨晴, 杨文斌, 熊伟. 基于标准化降水蒸散指数（SPEI）的毛乌素沙地1981—2020年干旱特征研究[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 71-80.

Honglin Lian, Xueying Han, Yali Liu, Yuqing Han, Wenbin Yang, Wei Xiong. Study on spatiotemporal characteristics of atmospheric drought from 1981 to 2020 in the Mu Us Sandy Land of China based on SPEI index[J]. Journal of Desert Research, 2022, 42(4): 71-80.

图/表 10

图1 毛乌素沙地气象站点分布

Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Mu Us Sandy Land

表1 基于标准化降水蒸散指数（SPEI）的干旱等级划分

Table 1 The classification of drought grade based on SPEI

干旱等级	干旱类型	SPEI数值范围
1	无旱	SPEI>-0.5
2	轻旱	-1.0<SPEI≤-0.5
3	中旱	-1.5<SPEI≤-1.0
4	重旱	-2.0<SPEI≤-1.5
5	特旱	SPEI≤-2.0

图2 1981—2020年毛乌素沙地年降水量和气温的变化趋势

Fig.2 The trends of the changes in the annual precipitation and the annual temperature in the Mu Us Sandy Land from 1981 to 2020

图3 1981—2020年毛乌素沙地春季（A）、夏季（B）、秋季（C）、冬季（D）降水量及气温的变化趋势

Fig.3 The trends of the changes of precipitation and temperature in spring， summer，autumn， winter in the Mu Us Sandy Land from 1981 to 2020

图4 1981—2020年毛乌素沙地平均标准化降水蒸散指数（SPEI）的年际变化及M-K突变检验

Fig.4 Interannual variation of mean SPEI index and M-K mutation test in the Mu Us Sandy Land from 1981 to 2020

图5 1981—2020年毛乌素沙地平均标准化降水蒸散指数（SPEI）季节变化及M-K突变检验

Fig.5 Seasonal changes of the mean SPEI index and M-K mutation test in the Mu Us Sandy Land from 1981 to 2020

图6 近40年毛乌素沙地月尺度下干旱频率及频次

Fig.6 Drought incidence and drought frequency in the Mu Us Sandy Land in the nearly 40 years

图7 近40年毛乌素沙地年际标准化降水蒸散指数（SPEI）变化趋势空间分布

Fig.7 Spatial distribution of the tendency rate of annual SPEI in the Mu Us Sandy Land in the nearly 40 years

图8 近40年毛乌素沙地季节标准化降水蒸散指数（SPEI）变化趋势的空间分布

Fig.8 Spatial distribution of tendency rate of seasonal SPEI in the Mu Us Sandy Land in the nearly 40 years

图9 毛乌素沙地近40年年尺度下干旱频率空间分布

Fig.9 Spatial variation of drought frequencies in the Mu Us Sandy Land in the nearly 40 years

参考文献 33

1	邹旭恺，张强，王有民，等.干旱指标研究进展及中美两国国家级干旱监测［J］.气象，2005（7）：6-9.
2	夏敏，孙鹏，张强，等.基于SPEI指数的淮河流域干旱时空演变特征及影响研究［J］.生态学报，2019，39（10）：3643-3654.
3	李忆平，李耀辉.气象干旱指数在中国的适应性研究进展［J］.干旱气象，2017，35（5）：709-723.
4	马柱国，符淙斌.1951～2004年中国北方干旱化的基本事实［J］.科学通报，2006（20）：2429-2439.
5	Wang L， Chen W， Zhou W.Assessment of future drought in southwest China based on CMIP5 multimodel projections［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2014，31（5）：1035-1050.
6	胡实，莫兴国，林忠辉.未来气候情景下我国北方地区干旱时空变化趋势［J］.干旱区地理，2015，38（2）：239-248.
7	梁丰，刘丹丹，王婉昭，等.基于SPEI的中国东北地区1961-2014年干旱时空演变［J］.中国沙漠，2017，37（1）：148-157.
8	Zhang L X， Zhou T J.Drought over east Asia：a review［J］.Journal of Climate，2015，28（8）：3375-3399.
9	Wang L Y， Yuan X， Xie Z H，et al.Increasing flash droughts over China during the recent global warming hiatus［J］.Scientific Reports，2016，6（1）：30571.
10	Chen H P， Sun J Q.Anthropogenic warming has caused hot droughts more frequently in China［J］.Journal of Hydrology，2017，544：306-318.
11	曹永强，李玲慧，路洁，等.基于SPEI的辽宁省玉米生育期干旱特征分析［J］.生态学报，2021，41（18）：7367-7379.
12	张强，姚玉璧，李耀辉，等.中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望［J］.地球科学进展，2015，30（2）：196-213.
13	田甜，黄强，郭爱军，等.基于标准化降水蒸散指数的渭河流域干旱演变特征分析［J］.水力发电学报，2016，35（2）：16-27.
14	宋琳琳，张强，任余龙，等.PDSI及sc_PDSI干旱指数在中国西南地区适用性分析［J］.中国沙漠，2021，41（2）：242-252.
15	Vicente-Serrano S M， Begueria S， Lorenzo-Lacruz J，et al.Performance of drought indices for ecological，agricultural，and hydrological applications［J］.Earth Interactions，2012，16（10）：1-27.
16	Wang Q F， Wu J J， Lei T J，et al.Temporal-spatial characteristics of severe drought events and their impact on agriculture on a global scale［J］.Quaternary International，2014，349：10-21.
17	张佳琦，张勃，马彬，等.三江平原NDVI时空变化及其对气候变化的响应［J］.中国沙漠，2019，39（3）：206-213.
18	王东，张勃，安美玲，等.基于SPEI的西南地区近53 a干旱时空特征分析［J］.自然资源学报，2014，29（6）：1003-1016.
19	张钦，唐海萍，崔凤琪，等.基于标准化降水蒸散指数的呼伦贝尔草原干旱变化特征及趋势分析［J］.生态学报，2019，39（19）：7110-7123.
20	马彬，张勃，周丹，等.基于标准化降水蒸散指数的中国东部季风区干旱特征分析［J］.自然资源学报，2016，31（7）：1185-1197.
21	Tian H J， Cao C X， Chen W，et al.Response of vegetation activity dynamic to climatic change and ecological restoration programs in Inner Mongolia from 2000 to 2012［J］.Ecological Engineering，2015，82（4）：276-289.
22	Zhang Z H， Huisingh D.Combating desertifcation in China：monitoring，control，management and revegetation［J］.Journal of Cleaner Production，2018，182：765-775.
23	Huang Y Z， Wang NA， He T H，et al.Historical desertifcation of the Mu Us Desert，Northern China：a multidisciplinary study［J］.Geomorphology，2009，110（3/4）：108-117.
24	Zhao M， Geruo A， Zhang J E，et al.Ecological restoration impact on total terrestrial water storage［J］.Nature Sustainability，4（1）：56-62.
25	王旭洋，李玉霖，连杰，等.半干旱典型风沙区植被覆盖度演变与气候变化的关系及其对生态建设的意义［J］.中国沙漠，2021，41（1）：183-194.
26	韩雪莹.近30年毛乌素沙地沙漠化土地时空动态变化及其自相关研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2019.
27	Allen R G， Pereira L S， Raes D，et al.Crop evapotranspiration：guidelines for computing crop water requirements［R］.Rome，Italy：FAO，1998.
28	曹博，张勃，马彬，等.基于SPEI指数的长江中下游流域干旱时空特征分析［J］.生态学报，2018，38（17）：6258-6267.
29	Gocic M， Trajkovic S.Analysis of changes in meteorological variables using Mann-Kendall and Sen's slope estimator statistical tests in Serbia［J］.Global & Planetary Change，2013，100：172-182.
30	Sneyers R.On the use of statistical analysis for the objective determination of climate change［J］.Meteorologische Zeitschrift，1992，1：247-256.
31	周丹，张勃，安美玲，等.黄河流域不同时间尺度干旱对ENSO事件的响应［J］.中国沙漠，2015，35（3）：753-762.
32	卢爱刚，葛剑平，庞德谦，等.40 a来中国旱灾对ENSO事件的区域差异响应研究［J］.冰川冻土，2006，28（4）：535-542.
33	赵水平，陈永利.一百多年来ENSO事件分类和ENSO循环研究［J］.海洋湖沼通报，1998（3）：7-12.

[1]	朱士华, 方霞, 杭鑫, 谢小萍, 孙良宵, 曹良中. 中亚草地植被指数（ *NDVI* ）对气候变化及人类活动的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 229-241.
[2]	任余艳, 郑玉峰, 张彦东, 王海兵, 王世强, 何金军. 毛乌素沙地库伦生态经济圈可持续性评价[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 264-272.
[3]	乔碩, 王海兵, 左合君, 刘茜雅, 吴月茹. 毛乌素沙地绿洲化过程中生态服务价值及生态网络格局演变[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 118-126.
[4]	颜明, 张应华, 贺莉, 程维明, 王随继, 许炯心. 无定河上游河道对沙漠化的阻截效应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 62-68.
[5]	梁海荣, 王涛, 杨宇, 冯伟, 廉泓林, 刘雪锋, 李佳陶, 刘佳. 毛乌素沙地与浑善达克沙地水分深层渗漏特征对比[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 69-76.
[6]	袁小琴, 刘生权, 艾峰, 张正, 李强, 蒋晋豫, 石长春. 毛乌素沙地东南缘沙柳（*Salix psammophila*）群落枯落物抗风蚀特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 134-138.
[7]	王娟, 何慧娟, 董金芳, 郭斌. 黄河流域植被净初级生产力时空特征及自然驱动因子[J]. 中国沙漠, 2021, 41(6): 213-222.
[8]	石麟, 赵雨兴, 哈斯额尔敦null, 张萍, 许映军, 王卓然. 毛乌素沙地沙障环境下的沙丘迎风坡植被及土壤养分变化[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 140-146.
[9]	马晓慧, 庞奖励, 刘小槺, 丁丹, 岳晓晓, 贾飞飞. 瓦窑沟剖面记录的早中全新世毛乌素沙地东南缘气候变化[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 71-80.
[10]	樊瑾, 李诗瑶, 余海龙, 黄菊莹. 毛乌素沙地不同类型生物结皮与下层土壤酶活性及土壤碳氮磷化学计量特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 109-120.
[11]	王姣月, 秦树高, 张宇清. 毛乌素沙地植被水分利用效率的时空格局[J]. 中国沙漠, 2020, 40(5): 120-129.
[12]	周虹, 吴波, 高莹, 成龙, 贾晓红, 庞营军, 赵河聚. 毛乌素沙地臭柏*（Sabina vulgaris）*群落生物土壤结皮细菌群落组成及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2020, 40(5): 130-141.
[13]	许明静, 吕萍, 肖南, 杨军怀, 刘铮瑶, 冯淼彦, 梁准. 毛乌素沙地西北部植被覆盖对沙丘移动的影响[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 71-80.
[14]	李想, 苏志珠, 马义娟, 张彩霞, 柳苗苗. 毛乌素沙地东南缘全新世气候不稳定性[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 109-117.
[15]	徐丹蕾, 丁靖南, 伍永秋. 1989-2014年毛乌素沙地湖泊面积[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 40-47.