随着全球气候变化加剧，极端气候(如干旱、洪水、风暴等)更加频繁。气候变化直接或间接地影响自然生态系统和人类经济社会，自20世纪70年代全球变化的区域响应引起国际社会的广泛关注。干旱不仅影响范围广，而且危害大，如干旱引起水资源短缺、饥荒、疾病等一系列社会问题，因此被认为是影响最严重的极端气候，也越来越受到社会各界的重视^[1]。

尽管目前干旱尚没有统一定义，但是干旱指数是常用的衡量干旱趋势和程度的重要指标。目前对全球气候被干旱化趋势判断主要存在两个争论，一是全球干旱趋势增加，尤其是在干旱和半干旱地区^[2]，例如Cook等^[3]、Dai^[4]、Peter等^[5]发现中亚、东南亚、非洲、北美、欧洲及澳大利亚部分地区有明显的干旱化趋势，程善俊和梁苏洁^[6]发现在评估的全球干旱化趋势的环境下，半湿润区表现最显著；而另一种观点认为目前过度评估了气候的干旱化趋势，例如Greve等^[7]认为全球9.5%的区域存在干旱区有湿润化趋势而湿润区有干旱化趋势，Feng和Zhang^[8]发现全球约30%的地区有湿润化趋势。

张家口地处半湿润到半干旱的农业和农牧交错区，属于生态环境脆弱地带，同时也对气候变化具有敏感性的特征。张家口位于温带大陆性季风气候区，四季气候差异显著，再加上人类活动相对频繁，因此是旱灾、土壤侵蚀等自然灾害多发区。气候干旱化将加重张家口地区的生态退化。张家口是京津冀的生态屏障和重要水源地，张家口的生态安全对京津冀的生态环境发展具有重要作用。本研究对张家口的气候干旱化进行分析，不仅对张家口的生态工程建设具有指导作用，而且对京津冀的生态安全具有重要意义。

1.   研究区概况

张家口位于113°50′ – 116°30′ E，39°30′ – 42°10′ N。东靠河北省承德市，东南毗连北京市，南邻河北省保定市，西、西南与山西省接壤，北、西北与内蒙古自治区交界。张家口市南北长289.2 km，东西宽216.2 km，总面积3.68 × 10⁴ km²。

受温带大陆性季风气候影响，张家口四季分明，雨热同季，年际气温变化大。冬季寒冷而漫长，春季干燥多风沙，夏季炎热，秋季晴朗冷暖适中。据1959–2017年气象数据统计，张家口多年平均降水量为360 mm，降水集中在6月 – 8月，约占全年降水量的70%，空间分布极不均匀。区域地势西北高、东南低，阴山山脉横贯中部，将全市划分为坝上、坝下两个自然地理区域。坝头、崇礼东部、赤城东北部及小五台山一带较湿润，年降水量500 mm以上，坝上和桑干河、洋河河谷地带较干旱，年降水量不超过420 mm，丘陵地带降水量约为400 mm。

张家口属于典型的生态脆弱区。农业用地和“四荒”地比例高，林草比例相对较低，造成土壤沙化，水土流失严重，土地的生产能力差异较大。坝下地区气候、土壤条件相对较好，土地生产能力远高于坝上地区。坝上地区气温低、风沙严重、土壤多为沙壤土，有机质含量很低，因此农作物产量低，地表植被以草和灌木生态林为主。

2.   资料来源与研究方法

本研究所用的降水量、温度数据来自于中国气象数据共享网(http://data.cma.cn/)。采用张家口地区及周边11个国家气象站点1959年以来逐月降水量和温度数据，分析研究区降水量、温度及干旱化变化趋势，气象站点包括：延庆、北京、张北、蔚县、丰宁、张家口、怀来、化德、多伦、天镇、灵丘等(图1)。

图  1  研究区位置及气象站点图

Figure  1.  location of study area and meteorological station

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2.1   干旱指数

利用ArcGIS软件泰森多边形法及克里格插值法，计算了研究区1959 – 2017年共59年逐月面平均降水量、面平均温度。采用De Martonne(DE)^[9]干旱指数对研究区气候干旱化趋势进行分析，DE干旱指数计算公式为：

式中：I为干旱指数；P为降水量，单位为mm；T为温度，单位为℃。

基于研究区逐月平均降水量、温度及干旱化指数，对研究区年均、春季(2月 – 4月)、夏季(5 –7月)、秋季(8月 – 10月)、冬季(11月 – 次年1月)及植被生长期(5月 – 10月)、植被非生长季(11月 – 次年4月)等不同时间尺度的降水量、温度及干旱指数进行统计。

2.2   Pettitt检验

Pettitt检验法最先由Pettitt用于检验突变点，是一种非参数检验方法，前提是序列存在趋势性变化，其核心是通过检验时间序列要素均值变化的时间，来确定序列跃变时间。该检验使用Mann-Whitney的统计量U_t,N来检验同一个总体x(t)的两个样本，统计量U_t,N的计算公式为^{[10- 11]}：

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Pettitt检验的零假设为序列无变异点，其统计量K_N和相关概率的显著性检验公式为：

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3.   结果分析

3.1   降水变化趋势

采用趋势线法分析1959 – 2017年研究区年均、四季、植被生长期及非植被生长期降水量变化趋势，并采用T检验法进行显著性检验，各因子的变化趋势如图2和图3所示。

图  2  1959 – 2017年年均及四季降水量变化趋势

Figure  2.  Trend of precipitation in annual and seasonal variation from 1959 to 2017

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图  3  1959 – 2017年植被生长期及非植被生长期降水量变化趋势

Figure  3.  Trend of precipitation in vegetation growing period and non-vegetation growing period from 1959 to 2017

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1959–2017年研究区年均降水量总体呈上升趋势，速率为1.2 mm·a^–1，T检验ρ = 0.025，小于0.05，说明降水量增加趋势显著(图2)。年均降水量最大值出现在1995年，为517 mm，最小值出现在1965年，为217 mm。春、夏、秋、冬四季降水量均呈增加趋势，增长率分别为0.06、0.8、0.3和0.2 mm·a^–1，T检验ρ分别为0.53、0.01、0.42、0.03，说明夏季和冬季降水量增加趋势显著，春季和秋季降水量增加趋势不显著。其中，春季降水量增长率最小，夏季降水量增长率最大。植被生长期、非植被生长期降水量均呈上升趋势，速率分别为0.9和0.2 mm·a^–1，植被生长期降水量序列T检验ρ = 0.054，小于0.05，非植被生长期降水量序列T检验ρ = 0.056，大于0.05，说明植被生长期和非植被生长期降水量增加趋势不显著(图3)。植被生长季降水量最高出现在1995年，为504 mm，最低出现在1964年，为17.9 mm。非植被生长期降水量最高、最低值分别为1963年79.1 mm、2005年9.8 mm。年均、四季、植被生长期及非植被生长期降水量序列Pettitt检验的统计量ρ均为2，说明年均、四季、植被生长期及非植被生长期降水量序列无明显突变。

综上可知，研究区年均及夏季、冬季降水量均呈显著上升趋势，春季、秋季、植被生长期和非植被生长期降水量呈上升趋势，但趋势不显著。

3.2   温度变化趋势

采用趋势线法分析1959–2017年研究区年均、四季、植被生长期及非植被生长期温度的变化趋势，并采用T检验法进行显著性检验，各因子的变化趋势如图4和图5所示。

图  4  1959–2017年年均及四季温度变化趋势

Figure  4.  trend of temperature in annual and seasonal variation from 1959 to 2017

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图  5  1959–2017年植被生长期及非植被生长期温度变化趋势

Figure  5.  trend of temperature in vegetation growing period and non-vegetation growing period from 1959 to 2017

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1959–2017年研究区年均温度总体呈明显的上升趋势，上升速率为0.06 ℃·a^–1，T检验ρ = 0，小于0.05，说明温度上升趋势显著(图4)。春、夏、秋、冬四季温度均呈增加趋势，增长率分别为0.05、0.9、0.8、0.02 ℃·a^–1，T检验ρ分别为0、0、0、0.09，说明春、夏和秋三季温度增加趋势显著，冬季温度增加趋势不显著。其中，夏季温度增长率最大，冬季温度增长率从最小，夏季和秋季的增长率均超过多年平均温度的增长率。植被生长期和非植被生长期温度均呈上升趋势，上升速率分别为0.09、0.04 ℃·a^–1(图5)。植被生长期温度序列T检验ρ = 0，小于0.05，非植被生长期温度序列T检验ρ = 0，小于0.05，说明植被生长期和非植被生长期温度上升趋势显著。2002年研究区年平均温度最高，达到8.2 ℃，1969年年均温度最低，为4 ℃。植被生长季温度最高出现在2002年，18.2 ℃，最低出现在1976年，为12.9 ℃·a^–1。非植被生长期2013年温度最高，为–1.2 ℃，1967年温度最低，为–5.6 ℃·a^–1。年均、四季、植被生长期及非植被生长期温度序列Pettitt检验的统计量ρ均为2，说明年均、四季、植被生长期及非植被生长期温度序列无明显突变。

综上可知，研究区年均、春季、夏季、和秋季的温度均呈显著上升趋势，冬季、植被生长期和非植被生长期温度上升趋势不显著。

3.3   干旱化趋势

采用De Martonne(DE)干旱指数分别对研究区1959–2017年年均、四季、植被生长期、非植被生长期的干旱化趋势进行分析，并采用T检验法进行评估，变化趋势见图6、图7。

图  6  1959–2017年年均及四季的干旱指数变化趋势

Figure  6.  trend of aridity index in annual and seasonal variation from 1959 to 2017

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图  7  1959–2017年植被生长期及非植被生长期的干旱指数变化趋势

Figure  7.  trend of aridity index in vegetation growing period and non-vegetation growing period from 1959 to 2017

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1959–2017年研究区干旱指数呈明显下降趋势，植被生长期干旱指数呈下降趋势，而非植被生长期干旱化指数呈上升趋势。说明研究区干旱化趋势明显，植被生长期研究区气候呈干旱化趋势，非植被生长期气候呈湿润趋势。年均干旱指数和植被生长期干旱指数分别以0.06和0.001·a^–1的速率下降，T检验ρ分别为0.69和0.71，均大于0.05，说明年均干旱指数和植被生长期干旱指数下降趋势不显著。非植被生长期干旱指数以每年0.002的速率上升，T检验ρ = 0.52，且 > 0.5，说明非植被生长期干旱指数上升趋势不显著。春季和秋季干旱指数均呈下降趋势，速率分别为每年0.007和0.012，T检验ρ分别为0.56、0.4，说明春季和秋季干旱化增加趋势不显著。夏季和冬季干旱指数增加趋势，速率分别为每年0.006和0.114，T检验ρ分别为0.61、0.11，说明夏季和冬季干旱化下降趋势不显著。年均、四季、植被生长期及非植被生长期干旱指数序列Pettitt检验的统计量ρ均为2，说明年均、四季、植被生长期及非植被生长期干旱指数序列无明显突变。

综上可知，研究区年均、春季、秋季、植被生长期干旱化趋势增加，但趋势不显著，夏季、冬季和非植被生长期干旱化趋势下降，下降趋势不显著。

3.4   降水、温度对干旱化的影响

采用SPSS软件建立1959 – 2017年年均、四季、植被生长期、非植被生长期的干旱指数与降水量、温度的关系，分析降水量、温度对干旱化趋势的影响。

式中：I_春、I_夏、I_秋、I_冬、I_植被、I_非植被、I_年均分别为春、夏、秋、冬、植被生长期、非植被生长期、多年平均的干旱指数；P_春、P_夏、P_秋、P_冬、P_植被、P_非植被、P_年均分别为春、夏、秋、冬、植被生长期、非植被生长期、多年平均的降水量；T_春、T_夏、T_秋、T_冬、T_植被、T_非植被、T_年均分别为春、夏、秋、冬、植被生长期、非植被生长期、多年平均的温度。

从以上不同时期降水量、温度与干旱指数的关系可以看出，冬季的降水量和温度的变化对干旱化趋势的影响最大。植被生长期降水量对干旱化趋势的影响高于温度，而其他几个时期，温度的变化对干旱化趋势的影响高于降水量。

4.   讨论

气候干旱一般是由降水减少、气温升高所导致。研究区年均降水量虽然呈现增加趋势，但是干旱化仍然呈加重趋势。这主要是由于研究区的气温也呈升高趋势，气温升高引起增加的蒸发量抵消甚至超过增加的降水量，加重研究区干旱趋势^[12-13]。Gao等^[14]发现1960年以来中国北方的实际蒸发量呈增加趋势，Li等^[15]也发现1960年以来海河上游区域参考作物蒸散发量呈增加趋势，可见气温升高引起蒸发量增加导致研究区干旱趋势加剧。尽管研究区降水量和温度在四季及植被生长期及非植被生长期都呈增加趋势，但是由于干旱程度同时受降水量变化和温度的变化影响，不同研究时段的降水量和温度的变化程度不同，干旱化程度也不同。李玥^[16]、谭云娟^[17]同样发现全球半湿润区有明显干旱化趋势，半湿润半干旱地区干湿变化受降水控制。马柱国和任小波^[18]、黄荣辉等^[19]研究发现北方地区处于气候干旱化的过程中，而胡子瑛等^[20]则发现中国北方具有冬春季湿润、夏秋季干旱化趋势，荣艳淑和屠其璞^[21]发现天津地区也存在气温升高引起蒸发量增加导致干旱加剧。造成北方气候干旱化的原因目前尚无统一定论，廉毅等^[22]认为中国气候干旱化与东亚夏季风在30° N以北地区活动和太平洋区极涡强度指数减弱有关，黄刚^[23]则认为华北干旱加剧与北、南半球气温变化差异的减少导致亚非季风系统发生了年代际减弱和南撤有关。

5.   结论

采用统计分析方法分析了张家口1959–2017年年均、四季、植被生长期及非植被生长期的降水量、气温变化趋势及特点，并结合干旱指数分析了研究区年均、四季、植被生长期及非植被生长期的干旱化趋势。结果显示：1) 1959年来研究区年均及夏季、冬季降水量均呈显著上升趋势，春季、秋季、植被生长期和非植被生长期降水量呈上升趋势，但趋势不显著；2) 年均、春季、夏季、和秋季的温度均呈显著上升趋势，冬季、植被生长期和非植被生长期温度上升趋势不显著；3) 年均、春季、秋季、植被生长期干旱化趋势增加，但趋势不显著，夏季、冬季和非植被生长期干旱化趋势下降，下降趋势不显著；4) 年均、四季、植被生长期及非植被生长期的降水量、气温、干旱化序列均无明显突变；5) 冬季的降水量和温度的变化对干旱化趋势的影响最大；6) 植被生长期降水量对干旱化趋势的影响高于温度，而其他几个时期，温度的变化对干旱化趋势的影响高于降水量；7) 研究区年均降水量虽然呈现增加趋势，但是干旱化仍然呈加重趋势，这可能是由于同样升高的气温，增加了研究区的蒸发量，增加的蒸发量抵消甚至高于增加的降水量，导致即使降水量增加干旱化趋势却没有减小，不同研究时段的变化程度不同，导致不同研究时段干旱化程度变化不同。

参考文献