郭 冬，吐尔逊·哈斯木，吴秀兰，张同文，王兆鹏，如先古丽·阿不都热合曼，阿依姆古丽·赛麦提

（1.新疆大学地理科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；
2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆树轮生态重点实验室，中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；
3.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002；
4.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

干旱是具有发生频率高、持续时间长和影响范围广等特点的一种自然灾害[1-2]，是区域地表水分持续亏缺的累计过程，降水量和蒸散发是干旱的主要影响因素。持续且频发的干旱不仅会影响工农业生产和城乡居民生活，还会造成区域水资源短缺、天然植被退化、土地荒漠化加剧等一系列生态环境问题[3]。由于干旱概念本身涉及比较广泛，因此将其分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱4种类型[3-5]，其中气象干旱被认为是各种类型干旱中最基础和最先发生的，常将对气象干旱的监测用于干旱预警。因此，选取适宜的干旱指数，对气象干旱进行有效监测，具有重要的研究意义。

为准确快速地监测和评估干旱状况，现已经发展出数百种干旱指数[6]。研究人员在不同区域开展了大量相关干旱指数研究。Dai 等[7]利用帕默尔干旱指数（PDSI）研究发现，20 世纪70 年代以来，全球极端干旱面积增加一倍多。马柱国等[8-9]利用地表湿润指数分析北方地区极端干湿事件的演变规律，得出20 世纪90 年代以来，东北和华北极端干旱频率显著增加。使用综合气象干旱指数（CI）本地化适用性分析发现，CI指数适用性较好，并且具有很好的连续性[10-11]。谢五三等[12]研究发现安徽地区较短时间尺度的SPI指数对表层土壤的干旱变化反映较好。四川地区不同干旱指数适用性研究表明，气象干旱综合指数（MCI）适用性优于标准化降水指数（SPI）和标准化降水蒸散指数（SPEI）[13]。新疆地区因远离海洋且周围存在高原和山脉阻隔，使得海洋水汽难以到达，其特殊的地理位置[14]受到了众多研究人员的重视，并利用多种干旱指数对新疆地区干旱状况进行深入研究[15]。谢培等[14]利用降水距平百分率（PA）、SPI指数对新疆地区干旱研究得出，过去55 a 域内干旱的频次、影响范围等总体呈下降趋势。通过SPEI指数研究发现，新疆地区从1987 年开始由普遍干旱期转型为相对湿润期[16]。施雅风等[17]研究发现，1987 年起新疆以天山西部为主地区，气候转向暖湿化。通过研究自适应帕默尔干旱指数（scPDSI）分析结果表明，1961—2003 年气候呈湿润化趋势，降水增加是其变化主要因素[18]。吴秀兰等[19]使用MCI指数研究表明，1988 年以来新疆干旱整体呈减弱趋势，且北疆干旱重于南疆。

在气候变化背景下[20]，选取适宜新疆地区的干旱指数，对该区域气象干旱进行有效监测和预警具有重要的研究意义。MCI指数是修订的《气象干旱等级》（GB/T 20481-2017）国家标准[21]中新的气象干旱指数，该指数与其它气象干旱指数在新疆地区的适用性、系统性研究目前较为少见。因此，本文选取PA、SPEI、scPDSI、MCI四种干旱指数研究在新疆地区的适用性，以及域内干旱的时空特征，为更快更好地监测和应对新疆地区的干旱变化提供科学理论依据。

新疆地处我国西北，属亚欧大陆腹地，位于73°40′～96°23′ E，34°25′～49°10′ N[22]，面积为166.49×104km2，由于深居内陆，远离海洋，形成了典型的温带大陆性干旱气候，生态环境脆弱，降水稀少、蒸发量大，水资源时空分布存在西多东少、北多南少、山区多平原少的不平衡特征[23]。区域内地形地貌复杂多样，主要为“三山夹两盆”，其中天山横亘新疆中部，形成了多样的气候、植被等自然风貌[24]。考虑到新疆地区内部气候条件的异质性以及天山对该地区气候的影响，将新疆地区分为北疆、天山及伊犁河谷、东疆、南疆西部和南疆东部5 个区域（图1）。

图1 研究区位置及气象台站分布

2.1 数据来源

气象资料选取1961—2020 年新疆地区数据质量较好且完整的88 个气象站逐日平均气温、降水量、MCI指数的数据及1984—2020 年实际上报干旱灾情数据，数据来源于新疆气候中心。田间持水量（AWC）数据使用了国际应用系统分析研究所（IIASA）、联合国粮农组织（FAO）共同建立世界土壤数据库（HWSD）土壤数据集（v1.2）（https：//daac.ornl.gov/cgi-bin/dsviewer.pl?ds_id=1247），数据空间分辨率为0.05°×0.05°。数据均用于后续气象干旱指数计算使用。

2.2 标准

2.2.1 降水量距平百分率

降水量距平百分率（PA）反映某一时段降水量与同期平均状态的偏离程度，能够反映出某地区因降水异常导致的干旱情况。PA指数为某时段降水量与同时段内的气候平均降水量之差，再除以气候平均降水量。其中，气候平均降水量使用了《气象干旱等级》[21]的以30 a 为窗口滑动平均值。年或季节尺度的PA指数使用年或季节降水量与同时段内30 a平均降水量之差，再除以30 a 平均降水量得到。

2.2.2 标准化降水蒸散指数

标准化降水蒸散指数（SPEI）首先利用水量平衡方程原理计算降水和潜在蒸发量间的差值（D），其中，潜在蒸发量采用了Thornthwaite 法计算得出。然后采用Γ 函数的标准化D值累积频率分布来描述降水的变化，再将偏态概率分布的D值进行了正态标准化处理，最后使用标准化D值累积频率分布来划分干旱等级[25]。年和季节尺度的SPEI指数使用了3 个月和12 个月尺度SPEI指数。

2.2.3 自适应帕默尔干旱指数

Palmer（1965）提出了国际上应用最为广泛的帕尔默干旱指数，定义干旱为持久的异常水分缺乏，并建立了能够进行干旱程度分析的指标体系[8]。而自适应帕默尔干旱指数（scPDSI）在PDSI基础上根据所在站点的位置和历史数据对指数模型修正，使其具有更好的普适性与准确性。本文使用的自适应帕默尔指数计算方法是由美国国家农业决策和支持系统（NADSS）提供的PDSI2.0 程序版本[26-27]，该程序中潜在蒸散发计算使用了Thornthwaite 法。年或季度尺度scPDSI指数通过月尺度scPDSI指数计算年或季度的算数平均值获得。

2.2.4 气象干旱综合指数

气象干旱综合指数（MCI）是国家气候中心在大量调研和对比检验的基础上，修订了《气象干旱等级》国家标准[21]，考虑了60 d 内的有效降水（权重累积降水）、30 d 内蒸散（相对湿润度）以及季度尺度（90 d）降水和近半年尺度（150 d）降水的综合影响。年或季度尺度的MCI指数采用了年或季度的MCI指数的平均值。

2.2.5 干旱指数等级

本研究中的气象干旱等级的划分参考了国家标准《气象干旱等级》（GB/T 20481-2017）的标准[21]。另外，对不同干旱等级进行相应的赋值（表1），用于后续干旱等级数学期望的计算分析。在PA、SPEI、scPDSI、MCI气象干旱指数中，指数上升均表示为干旱程度减轻，反之，则表示为干旱程度加重。

2.3 研究方法

本研究采用一元线性回归对四种气象干旱指数进行变化趋势分析。通过使用SPSS 26 计算四种气象干旱指数之间的Pearson 相关系数，用以分析不同指数之间的干旱监测结果的差异性，相关系数为正，说明两种干旱指数之间趋势一致，干旱监测结果相同；
反之，相关系数为负，则两种干旱指数之间的变化趋势不同，干旱监测结果相反。通过使用某区域下月尺度的干旱指数计算该区域干旱等级的数学期望值，表示该区域内气象干旱指数等级的平均值，来反映该区域内旱情轻重的平均状况。使用不同干旱等级发生的干旱频率来评估四种指数中对干旱灾害等级判定是否存在异常值。统计不同区域每年发生灾情的县（市）的数量，除该区域县（市）数量，得到新疆不同区域历史干旱灾情发生比的年际变化；
然后根据干旱指数等级标准[21]和历史干旱灾情，统计每年春夏两季中不同等级发生干旱月份的占比，乘对应的干旱等级赋值（表1），得到不同干旱指数干旱等级的数学期望值年际变化；
对比不同干旱指数干旱等级数学期望值与历史干旱灾情发生比，用以分析不同指数对历史灾情的反映情况。综合上述研究结果和分析，选取最适应新疆地区干旱监测的指数，并采用克里金法对新疆近60 a 干旱的时空分布特征进行研究。

表1 四种干旱指数的等级划分

3.1 不同干旱指数的趋势变化特征

新疆地处中温带和暖温带，农牧业生产活动主要发生在春季—秋季。根据1984—2020 年历史实际干旱灾情数据和前人研究[19，28-29]发现，新疆旱情主要集中在春夏两季，冬季旱情较小且对当地农牧业生产活动影响较少，因此本研究分析了年、春、夏和秋季干旱指数。由新疆地区年、春、夏和秋季干旱指数的年际变化特征（图2a）得出，1961—2020 年相同干旱指数在年、春、夏和秋季变化趋势均具有一致性。然而，四种干旱指数对新疆地区干旱变化趋势则所不同。PA指数变化趋势均不显著；
SPEI指数则显著下降，干旱呈加重趋势；
而scPDSI和MCI指数均显著上升，干旱呈减轻趋势。

图2 新疆地区四种气象干旱指数的整体变化趋势

北疆和天山及伊犁河谷的干旱指数变化趋势相似（图3），PA和SPEI指数变化趋势均不显著；
而scPDSI和MCI指数显著上升，干旱呈减轻趋势。东疆和南疆东部的干旱指数变化趋势也相似，PA和scPDSI指数变化趋势不显著；
SPEI指数均显著下降，干旱呈加重趋势；
MCI指数则显著上升，干旱呈减轻趋势。南疆西部PA指数变化趋势不显著；
SPEI指数微弱下降；
MCI和scPDSI指数则显著上升，干旱呈减轻趋势。

图3 新疆地区全年不同区域四种气象干旱指数年际变化趋势

在季节尺度上，四种干旱指数对新疆不同区域的年际变化趋势结果如表2 所示。结合图2 发现，相同区域同一指数在不同季节变化趋势是相同的。PA指数在不同季节不同区域趋势变化均不显著；
SPEI指数在东疆和南疆东部的变化均存在显著下降，干旱呈加重趋势；
而scPDSI指数在北疆、天山及伊犁河谷和南疆西部显著上升，干旱呈减轻趋势。除南疆西部外，MCI指数在全疆不同区域不同季节变化则显著上升，干旱呈减轻趋势。

表2 新疆地区季节尺度下不同区域四种气象干旱指数年际变化趋势

3.2 不同干旱指数的相关性

使用高低通滤波器[30-31]对四种气象干旱指数的信息进行分解，得到各指数中的低频域和高频域。其中，全频域为没有进行分解的原始信息；
低频域为通过低通滤波器的低频（长波）信息；
高频域为通过高通滤波器的高频（短波）信息。由图4a 可知，从全疆来看，SPEI与scPDSI和MCI指数的干旱监测结果相关性较差，低频域出现了显著负相关。北疆、天山及伊犁河谷四种干旱指数的干旱监测结果相关性在全频域和高频域均较好，在低频域scPDSI和MCI指数的干旱结果相关性最好（图4b～4c）。东疆和南疆scPDSI和MCI指数的干旱监测结果具有较好的相关性；
SPEI与其他三种干旱指数的干旱监测结果在低频域出现了显著负相关（图4d～4f）。

图4 新疆地区不同区域四种气象干旱指数相关性

3.3 针对不同等级干旱发生频率

四种干旱指数对全疆、北疆、天山及伊犁河谷、东疆、南疆西部和南疆东部干旱等级判定的频率变化（图5），全疆PA、SPEI、scPDSI和MCI指数大都随着干旱等级的增大发生频率在降低；
但是PA指数在特旱等级的干旱发生频率明显偏高。由图5b～5c 可知，在北疆、天山山区和伊犁河谷，SPEI和scPDSI指数对不同干旱等级的判定结果相似，但在重旱判定上，scPDSI指数发生频率明显比SPEI和MCI指数高；
MCI指数在轻旱、中旱、重旱等干旱等级发生频率均低于其他三种干旱指数；
PA指数对特旱等级判定出的干旱频率要高于其他指数。而在东疆和南疆，PA指数在特旱干旱等级判定上出现明显异常情况，其特旱的发生频率高达36.6%～38.9%，高出其他干旱指数20 倍以上；
scPDSI指数判定的中旱和重旱频率要高于SPEI和MCI指数，分别是其频率的2～3 倍和8～20 倍（图5d～5f）。

图5 1961—2020 年新疆地区不同区域四种干旱指数不同干旱等级频率变化（a 为全疆，b 为北疆，c 为天山及伊犁河谷，d 为东疆，e 为南疆西部，f 为南疆东部）

从季节尺度看（表3），春夏季东疆和南疆PA指数特旱等级发生频率存在异常偏高现象，在北疆、天山山区和伊犁河谷PA指数在特旱的发生频率均高于其他三种干旱指数。在SPEI、scPDSI和MCI指数中，scPDSI指数中旱和重旱等级发生频率明显高于SPEI和MCI指数。PA指数对于旱情的判断与实际不符，尤其是在东疆和南疆区域出现了明显的异常表现，因此不适合新疆地区对干旱的监测。

表3 新疆地区季节尺度不同区域四种干旱指数不同干旱等级频率变化

3.4 对历史灾情反映能力

根据1984—2020 年新疆历史干旱灾情数据，南疆东部历史干旱灾情数量为零，因此不对南疆东部进行对比。新疆地区不同区域的历史干旱发生比和不同干旱指数春夏两季干旱等级数学期望的对比分析（图6）。北疆和天山及伊犁河谷四种指数中MCI指数与灾情对应最好，其次为PA和SPEI指数对应较好。东疆历史灾情较少，PA和SPEI指数在2005年之前，与部分灾情能够相对应，在2005—2020 年没有历史灾情，PA、SPEI和scPDSI指数却出现较高的期望值，MCI指数明显优于其他三种指数。南疆西部四种干旱指数在1994、1997、2004 和2007 年均和历史灾情相对应，但在2010 年之后，PA、SPEI和scPDSI指数在缺乏历史灾情而出现较高的期望值。总体上，MCI指数与历史干旱灾情的对应优于其他三种干旱指数，其次是PA和SPEI指数。近几年来东疆和南疆西部没有历史灾情数据，而PA、SPEI和scPDSI指数存在较高的期望值。结合上述结果发现，scPDSI指数在重旱等级判定上均要高于SPEI和MCI指数，对实际干旱灾情的反映能力上MCI指数要优于scPDSI指数。通过分析变化趋势、相关性、干旱频率和历史实际干旱灾情发现，MCI指数是四种干旱指数中最适合干旱监测的指数。

图6 1984—2020 年新疆不同区域历史干旱灾情与四种指数春夏季干旱等级数学期望对比分析（图中灰色柱状图表示历史干旱事件的发生比，线段表示四种指数干旱等级的数学期望值）

3.5 干旱状况变化特征

通过上述研究可知，MCI相对其他干旱指数，既考虑了降水、气温等多种气象因子对于干旱的共同作用，还考虑了前期气象因子对干旱的影响，并且在全疆范围内适用性都较好。因此选取MCI指数分析新疆地区不同区域的干旱状况的时空分布特征。由图7 可得，全疆各个区域均呈现出干旱程度减轻变化趋势，尤其在20 世纪80 年代后期之后，干旱发生的强度小于之前。全疆不同区域在1962—1967、1974—1977、1989—1991、1997、2020 年 均 发 生 干旱，并且主要集中在春、夏两季。其中，2020 年的干旱北疆最为显著，其次为天山及伊犁河谷，南疆和东疆表现不显著。总之，北疆发生干旱最强且次数最多，其次为天山及伊犁河谷区域，南疆和东疆发生干旱最少。

图7 1961—2020 年新疆地区不同区域MCI 指数年际变化（蓝色表示干旱，红色表示湿润）

全疆各站点年平均MCI指数趋势斜率在天山大西沟站最大，七角井站最小（图8a）。整体上MCI指数趋势斜率基本呈正值，空间差异明显，天山及伊犁河谷、南疆西部、北疆南北两侧升高最为明显；
南疆东部、东疆和北疆西部变化较小。年、春、夏和秋季的空间分布发现（图8b～8d），夏季增减幅度最大，春秋两季变化幅度相似。春季在北疆东部、天山山区中部升高最大；
北疆西部、天山山区西部、伊犁河谷、南疆西部均变化较小。夏季天山、南疆西部、北疆北部升高最大；
南疆东部、伊犁河谷、东疆和北疆西部区域变化较小。秋季天山西部、南疆西部、伊犁河谷升高最大，南疆东部和东疆变化较小。其中，夏季的空间分布与年际趋势斜率的空间变化相似，表明全年变化可能主要受夏季气候变化的影响。

图8 1961—2020 年新疆地区年、春、夏、秋MCI 指数变化趋势的空间分布（a 为全年，b 为春季，c 为夏季，d 为秋季）

4.1 不同干旱指数在新疆地区的适用性

通过上述对PA、SPEI、scPDSI、MCI四种干旱指数变化趋势、相关性、干旱频率分析以及与历史灾情对比，研究新疆不同区域干旱指数适用性研究。首先，四种干旱指数的变化趋势并不一致，研究表明，1982—2006 年新疆地区整体以暖湿化为主，植被以改善为主[32]。施雅风等[17]发现1987 年起新疆天山西部地区，气候转向暖湿化。新疆地区总体上气候变暖变湿，植被不断改善，侧面反映出新疆地区干旱程度呈减轻趋势。其中，scPDSI和MCI指数趋势变化与新疆总体气候变化相同，PA和SPEI指数则表现出明显的不同。PA指数只考虑了降水因子，且使用的是30 a 滑动平均值，因此总体趋势变化平稳。但是，PA指数与其他干旱指数在全频域和高频域相关性却很好，说明PA指数的高频波动与其他指数相同。SPEI指数在东疆和南疆东部区域所反映的变化趋势与新疆整体的变化相反，可能是SPEI指数在计算蒸散发PET时使用单纯考虑温度Thornthwaite 法，计算PET与实际情况产生了误差。王舒等[15]研究表明SPEI指数适合天山北麓、北疆西部和南疆西部山区等降水量较多的区域，实际土壤湿度与PET的偏差多集中在东疆和南疆。研究表明，新疆地区归一化植被指数（NDVI）受干旱影响突出[33]，土壤水分条件是影响NDVI指数变化的主要因素[34-35]，土壤水分条件对实际旱情具有重要的影响。scPDSI指数的计算同样使用降水因子和Thornthwaite 法计算的PET，但scPDSI指数计算引入了有效土壤持水量（田间持水量），使得该指数变化趋势比SPEI指数更符合南疆和东疆区域的实际变化情况。MCI指数是综合了多种时间尺度的不同指数的综合气象干旱指数，对不同区域不同时段干旱的反映均表现较好。天山南坡研究发现MCI指数适用性优于SPEI、CI等干旱指数[25]。另外，不同区域和时段的scPDSI和MCI指数干旱结果的相关性均极显著正相关（P＜0.01）。其次，PA指数在东疆和南疆特旱判定上异常高于其他干旱指数。南疆和东疆区域常年干旱少雨[36]，降雨量有近半的月份为0 值。而PA指数只考虑了降水因子，当降水为0 值时，则PA指数判断为特旱等级，造成南疆和东疆特旱等级判定异常。在SPEI、scPDSI和MCI三种干旱指数中，不同区域scPDSI指数在重旱判定上均高于SPEI和MCI指数。慈晖等[37]也发现新疆部分气象站点基于scPDSI不同等级干旱发生频率在评定的中旱、重旱发生频率要远远超过正常。研究表明，春夏两季的干旱强度要高于秋、冬季节[38]。最后，通过历史灾情对比与四种干旱指数春夏两季的干旱等级数学期望进行对比分析，研究结果发现MCI指数对实际干旱灾情反映较其它指数最优（图6）。总体上，年、春、夏和秋季在不同区域中，MCI指数在新疆地区的适用性要优于其它3 种干旱指数。

4.2 干旱特征的时空变化

新疆MCI指数60 a 的变化分析表明（图7），近60 a 来，全疆不同区域的干旱程度均呈减轻趋势。20 世纪80 年代末，全疆气候呈现“暖湿化”[17]，干旱发生的强度明显降低。空间上，北疆、天山山区、伊犁河谷发生干旱比南疆和东疆概率大。研究表明，1987年之后，北疆增温高于南疆，而降水则相反[39]，这使得北疆发生干旱的概率要高于南疆。结合图7 和图8 发现，新疆地区发生干旱主要发生于春夏两季，与历史实际干旱灾情情况相同。春季主要在新疆西部区域MCI指数斜率变化平稳，相较其他区域易发生干旱。新疆地区春季升温快，蒸散发强烈，降水少，此时主要水汽来源巴伦支海—新地岛的冷湿气流和里海、黑海的水汽，并且水汽含量少，北部气流经过西伯利亚翻越阿尔泰山后难以形成较大降水，西部气流几经凝结，到达新疆上空时已所剩无几[40-41]。因此，春季新疆西部地区容易出现干旱现象。夏季新疆西南部，尤其是南疆西部和天山山区干旱明显减缓，博斯腾湖流域的研究表示中天山区域20 世纪80—90 年代径流呈增加趋势[42]；
北疆西部、南疆东部和南疆MCI指数斜率变化平稳，北疆西部部分站点有所下降。夏季南亚高压双体型形成、伊朗副高东扩、西太副高西移北伸为新疆带来大量降水[43-44]，由于西部天山和帕米尔高原的影响，降水多增加在天山山区和南疆西部区域，从而导致北疆西部干旱易发。秋季新疆地区副热带急流逐步南撤，降水逐渐减少、气温下降，而此时牧草枯黄，农作物收获，因此秋季新疆干旱整体偏轻[19]。结合新疆地区的人口和绿洲分布情况表明，春夏两季北疆西部和伊犁河谷区域易出现干旱灾情对农牧业造成损失。

综上所述，MCI指数是新疆地区四种气象干旱指数中适用性最优的。未来需要在更细分区讨论和更多干旱指数对比的基础上继续开展分析研究。

采用PA、SPEI、scPDSI和MCI四种气象干旱指数，对不同区域的年、春、夏和秋季分别进行变化趋势、相关性和干旱频率的分析，并与历史灾情进行对比，研究1961—2020 年新疆不同区域干旱指数适用性，主要结论如下：

（1）干旱指数变化趋势方面，PA指数变化趋势均平稳，scPDSI和MCI指数显著上升，干旱程度呈减轻趋势，其干旱监测结果一致率高；
而SPEI指数所呈现干旱监测结果的趋势变化与其他三种干旱指数均不相同，尤其在南疆和东疆区域呈显著下降，干旱程度呈加重趋势。

（2）干旱指数监测结果相关性上，scPDSI和MCI指数的干旱监测结果相关性最好，SPEI指数与其他三种干旱指数的干旱监测结果低频域出现了负相关。

（3）干旱频率分析结果显示，PA指数的特旱等级判定存在异常情况，特别是南疆和东疆。

（4）干旱等级数学期望与历史灾情对比结果显示，MCI指数适用性优于其他三种干旱指数。

（5）60 a 来，全疆不同区域的MCI指数明显上升趋势，干旱程度不断减轻。1990 年以来，干旱发生的强度明显降低。新疆西北部发生干旱比南疆和东疆区域概率大。全疆不同区域在1962—1967、1974—1977、1989—1991、1997、2020 年 均 发 生 干旱，并且主要集中在春夏两季。

（6）年、春、夏和秋季的空间分布上，全年和夏季的空间分布结果一致，其夏季上升幅度是季节中最大，其干旱强度可能主要受夏季气候变化影响。夏季，在天山、北疆北部MCI指数升高最为明显，这些区域干旱的发生强度不断降低。

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