张潇^1,2,, 夏自强^1,2,3, 郭利丹^1,3,4,, 鄢波^1,2
1. 河海大学国际河流研究所,南京 210098
2. 河海大学水文水资源学院,南京 210098
3. 河海大学国际河流研究中心,南京 211100
4. 河海大学商学院,南京 211100

Analysis of aridity-wetness characteristics in the Balkhash Lake Basin from 1960 to 2010

ZHANGXiao^1,2,, XIAZiqiang^1,2,3, GUOLidan^1,3,4,, YANBo^1,2
1. Institute of International Rivers Research Academy,Hohai University ,Nanjing 210098,China
2. College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China
3. International River Research Centre,Hohai University,Nanjing 211100,China
4. Business School,Hohai University,Nanjing 211100,China
通讯作者:郭利丹,E-mail:ldguohhu@163.com
收稿日期:2015-06-29
修回日期:2016-05-5
网络出版日期:2016-06-20
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家自然科学基金项目（41401010）中央高校基本科研业务费专项资金资助（2015B03614,2014B35514）
作者简介:
-->作者简介：张潇,男,湖北宜昌人,硕士生,主要从事水文水资源、生态水文、国际河流等方面研究。E-mail:zxhhu1991@163.com



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摘要
根据巴尔喀什湖流域24个气象站1960-2010年逐月降水资料,在采用Kriging插值分析流域多年平均降水量及降水增率空间分布的基础上,通过SPI、Z、PDECI 3种干湿指标对比印证,分析了巴尔喀什湖流域的年际干湿变化特征、干湿事件发生频次、持续时间以及典型年干湿空间分布特征。研究结果显示：①巴尔喀什湖流域年际干湿交替出现,3个月尺度下的偏旱事件多发生在2-4月,偏涝事件多发生在6-8月;②20世纪70年代以后,湿润事件持续时间逐步增长;进入21世纪,湿润事件发生频次显著增加;3种指标印证结果显示,流域正处在湿润周期内;③ 典型丰、平、枯水年条件下,流域依次呈现“东南干旱、西部湿润”、“东北干旱、东南湿润”、“南部干旱、西部湿润”的干湿空间分布特征。研究成果有助于揭示巴尔喀什湖地区气候环境变化,可为流域水陆生态环境保护提供一定的参考。

关键词：巴尔喀什湖流域;降水;干湿指标;干湿事件;空间分布
Abstract
According to monthly precipitation data from 1960 to 2010 for 24 meteorological stations distributed in Kazakhstan in the Balkhash Lake Basin,average annual precipitation and precipitation using Kriging difference technology and SPI,Z and PDECI （aridity-wetness indexes）were used to study inter annual aridity-wetness change,aridity-wetness event frequency,aridity-wetness duration and aridity-wetness spatial distribution. The results showed that inter annual aridity-wetness events happened across the Basin,and under a time scale of three months as partial drought events usually occurred in February to April and partial moist events occurred from June to August. The duration of the moist event increased gradually after the 1970s; since entering 21st century the frequency of moist events has increased significantly. Currently,statistical results according to the three kinds of aridity-wetness indexes proved that the Basin is in a moist period. In a moist year in 1998,the Basin was “Southeast drought and west moist”; in a normal year in 2000 the Basin was “Northeast drought and southeast moist”;and in a drought year in 1978 the Basin was “South drought and west moist”. These research results reveal distribution changes in climate and environment in the area and provide references for protecting aquatic and land ecological environments of Balkhash Lake.

Keywords：Balkhash Lake Basin;precipitation;aridity-wetness indexes;drought and moist event;spatial distribution

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张潇, 夏自强, 郭利丹, 鄢波. 1960-2010年巴尔喀什湖流域干湿特征分析[J]. , 2016, 38(6): 1118-1128 https://doi.org/10.18402/resci.2016.06.11
ZHANG Xiao, XIA Ziqiang, GUO Lidan, YAN Bo. Analysis of aridity-wetness characteristics in the Balkhash Lake Basin from 1960 to 2010[J]. 资源科学, 2016, 38(6): 1118-1128 https://doi.org/10.18402/resci.2016.06.11

1 引言

联合国气象变化专门委员会（IPCC）第5次评估综合报告指出,全球气候变暖将导致系列性的极端旱涝事件增多^[1]。旱涝灾害威胁人类生存环境,已成为科学界普遍关注的热点问题^[2]。中亚地区的水资源冲突与矛盾由来已久,其主要原因之一就是该地域极端干旱的气候条件所导致的水资源短缺^[3]。降水稀少,水资源稀缺,严重限制了该地区各国工农业的发展和人民生活水平的提高,同时也对区域生态环境造成严重威胁,自20世纪60年代以来,土库曼斯坦、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦的部分山区气温均发生了显著升高^[4],该区域的冰川面积减少了近3%~14%^[5],植被多样性降低^[6],土地沙漠化^[7]等一系列生态问题显现出来,而其中巴尔喀什湖的生态问题成为了国际社会持续关注的热点之一。
巴尔喀什湖流域横跨哈萨克斯坦和中国,是中哈两国之间重要的跨界水域,拥有独立的内陆河流水系和径流区,巴尔喀什湖是哈萨克斯坦境内的大型水体之一,对中亚地区的气候起着重要的调节作用^[8]。20世纪80年代巴尔喀什湖流域因人类活动造成湖泊退化、湖面萎缩、水质恶化、水体盐碱化等严重生态问题^[5]。在该流域的气候变化^[10]、水资源利用^[11,12]、土地利用状况^[13,14]和生态议题^[15,16]等方面的研究引起****的广泛关注。在《上海合作组织宪章》的明确规定下,中国与中亚国家积极开展与环境保护相关的合作议题^[17],在包括中国和流域相关国家的共同努力下,目前巴尔喀什湖生态环境得到了积极有效的保护,湖泊及其周边生态环境也得到了一定的改善。然而近年来,随着全球气温的持续上升以及人类活动的加剧,中亚地区的各类气候问题面临着前所未有的挑战,这也将直接威胁到巴尔喀什湖及周边区域的生态安全。
目前,国内外针对该区域的气候研究,主要以分析单个站点的气温、降水的年际变化、年内分配以及变化趋势为主^[18-22],结合湖泊及周边生态环境的变化,分析气候变化的环境响应,在一定程度上揭示了该湖泊水量平衡的变化特征^[23],及区域潜在的气候变化机制^[24,25]。但此类研究尚未对该流域面上整体干湿分布特性进行研究。鉴于此,本文在分析巴尔喀什湖流域降水年际变化、年内分配特性、空间分布及变化趋势的基础上,通过多种干湿指标的对比印证,研究巴尔喀什湖流域的干湿变化特性,以期为揭示该地区气候环境变化分布特性,为巴尔喀什湖的水陆生态环境保护提供一定的参考。

2 研究区概况、数据来源及研究方法

2.1 研究区概况

巴尔喀什湖流域的地理位置大致分布在42°N-47°N,72°E-85°E之间,东西跨度约900km,南北跨度700km。巴尔喀什湖是目前世界上主要的大型湖泊之一,湖泊水面面积为1.82万km²,储水总量为106亿m³,流域面积为41.3万km²,流域国家为哈萨克斯坦和中国,其中哈方占流域面积的85%。该地区气候属于温带大陆性气候,具有年降水量偏少,年温差大等特点。本文选取巴尔喀什湖流域的哈方境内部分作为主要研究区域。

2.2 数据来源

本文共收集巴尔喀什湖流域24个气象站点1960-2010年的逐月降水资料（流域气象站分布见图1）,数据由NEESPI（欧亚大陆北部地球科学合作计划组织）及哈萨克斯坦水文气象部门提供,经检验,各气象站点的长序列降水数据无明显突变点,数据的一致性较好,可靠性较高,在该区域有较好的代表性。
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图1巴尔喀什湖流域气象站点分布（哈萨克斯坦境内）
-->Figure 1Distribution of meteorological stations on the Basin
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2.3 研究方法

（1）对于站点中存在个别的缺测数据,采用相关分析法和线性回归法进行插补延展。
（2）对巴尔喀什湖流域哈萨克斯坦境内流域面平均降水量采用Kriging法进行计算,即将区域划分成网格,构成格点,基于Kriging的插值原理,采用研究区气象站点的月平均降水量,对空间格点内的降水量进行插值,最后对格点数据值求平均,即为面平均降水量。
（3）通过过程线法、滑动平均法、线性趋势分析法以及直方图分析法对流域降水年际变化及年内分配进行统计分析。
（4）采用标准化降水指数（SPI）^[26]、干旱Z指数^[27]、降水百分位指数（PDECI）^[28]等3种干湿指标用于量化干湿事件的大小,通过对3个月、6个月和12个月尺度下的3种指标的对比印证,分析巴尔喀什湖流域干湿变化特征。其中：①指标的时间变化过程图,可以反映不同的干湿指标随时间变化的交替规律;②二维时间分布图,能够直观地反映研究区域内干湿情况年际及年内的分布特征,有效揭示在不同年份下,各月的干湿分布状况;③干湿发生频次图,能够直观地反映不同指标量化的各年代干湿事件的出现频率;④干湿持续时间分布图,能够直观地反映不同指标量化的干湿事件持续时间的长短。综上,本文采用上述方法对于干湿事件的量级、过程、状态、频率、历时等多个特征进行描述。
（5）采用降水频率划分20%、50%、80%的典型年作为代表年,对其干湿空间分布特征进行分析,探讨不同降水频率下的典型年的流域干湿空间分布特征。

3 结果及分析

3.1 降水时空分布特征

3.1.1 降水年际变化及年内分配特征
通过Kriging插值计算求得流域逐年月平均降水量,并绘制其年际变化过程线（见图2）。由图2可知,1960-2010年流域多年平均降水量为461.56mm,最大值为621.12mm（2010年）,最小值为325.74mm（2008年）,极值比值为1.91,变差系数为0.14;年降水量呈6.62mm/10a的速率增加变化,但变化趋势并未通过95%的显著性检验,说明流域降水增加趋势不显著。
巴尔喀什湖流域降水年内分配（如图3所示）,流域最大降水月份为5月份,降水量为67.58mm,最小降水月份为1月份,降水量为13.42mm;年内四季中,春、夏两季降水量较多,分别占全年的33.7%和35.6%,秋、冬两季降水量分别占20.7%和10.0%。
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图21960-2010年巴尔喀什湖流域降水年际变化
-->Figure 2Inter-annual precipitation variation in Balkhash Lake Basin from 1960 to 2010
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图31960-2010年巴尔喀什湖流域逐月平均降水量
-->Figure 3Monthly precipitation distribution of Balkhash Lake Basin from 1960 to 2010
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3.1.2 降水空间分布及变化趋势
从巴尔喀什湖流域多年平均降水空间分布及降水增率空间分布（图4a、图4b）可以看出,流域南部阿拉木图地区整体降水相对偏多,湖区及西南部降水相对较少,阿拉木图地区、卡拉塔尔河上游及流域西北部多年降水增率大于7.5mm/10a,而特克斯河上游多年降水增率相对较小,流域整体降水呈增加趋势。
由此可见,巴尔喀什湖流域年内降水分布和空间降水量及降水增率的不均匀性可能是影响流域干湿分布的主要原因。
Table 1
表1
表13种指标的干湿等级划分标准
Table 1The classification standard of three kinds of aridity-wetness indices

等级	SPI	Z	PDECI/%	类型
1	≥2.00	≥1.645	≥75	重涝
2	1.50~1.99	1.037~1.645	50~75	中涝
3	1.00~1.49	0.842~1.037	25~50	偏涝
4	-0.99~0.99	-0.842~0.842	-25~25	正常
5	-1.49~-1.00	-1.037~-0.842	-50~-25	偏旱
6	-1.99~-1.50	-1.645~-1.037	-75~-50	中旱
7	<-2.00	<-1.645	<-75	重旱

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图41960-2010年巴尔喀什湖流域多年平均降水量及降水增率空间分布
-->Figure 4Spatial distribution of annual mean precipitation and increasing rate in Balkhash Lake Basin from 1960 to 2010
-->

3.2 3种指标的干湿分布评价

针对巴尔喀什湖流域干湿特性问题的研究,本文采用SPI、Z、PDECI 3种指标对其年际变化、发生频次及历时进行研究,并分析其典型年的干湿空间分布特征。
3.2.1 干湿等级划分
统一将3种指数的干湿等级划分为7级,划分结果见表1。3种指数等级划分的一致性有利于对比印证,其评价结果更能客观反映巴尔喀什湖流域干湿状况。
3.2.2 干湿年代际变化特征
多时间尺度干湿指标可以更加有效的反映干湿程度及旱涝持续时间^[29,30]。以3个月、6个月、12个月为研究尺度,分别对3种尺度下的SPI指数、Z指数和PDECI指数进行计算,3种指数随时间变化的过程见图5。从图5中可以直观看出,在12个月较大的时间尺度下,3种指数反映的巴尔喀什湖流域的干湿交替规律波动一致性较好;在3个月、6个月较小的时间尺度下,3种指数所反映的流域干湿交替变化过程会随降水过程发生较大的波动,甚至有波动规律相反的过程出现。
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图51960-2010年巴尔喀什湖流域SPI、Z和PDECI指数变化
-->Figure 5Indices change of SPI,Z,PDECI in Balkhash Lake Basin from 1960 to 2010
-->

多时间尺度干湿等级二维分布图,可直观、有效地反映出区域干湿程度随时间分布的特性。从3种指数的多时间尺度干湿等级二维时间分布图（见图6,见本文第1123页）可以看出,在干湿大小程度上,Z值等级分布与PDECI值等级分布的一致性较好,而SPI值相比于上述2个指标,其干湿程度明显偏小。巴尔喀什湖流域地处中亚,具有典型的温带沙漠、草原的大陆性气候。该地区降水稀少、昼夜温差较大,是旱情的高发区域。因此,相比于SPI指数,Z指数和PDECI指数能更为客观地反映该流域的干湿分布状况。以Z指数为例：3个月尺度下的流域偏旱月份主要集中在2-4月,偏涝月份主要集中在6-8月;12个月尺度的Z指数则标识了该流域典型的干湿年月、持续时间及干旱程度,1960-2010年间,持续时间超过1年以上的干旱事件一共5次,其中持续时间最长的干旱事件发生在1982-1985年,而干旱程度最高的事件则发生在1977-1978年。在年际变化上,偏涝月份分布和偏旱月份分布呈现出一定的周期性交替变化规律,其中Z₆和Z₁₂均表现出随时间推移而增加的趋势,两者变化趋势均通过了95%的显著性检验,说明该区域在向湿润化演进。
3.2.3 干湿发生频次及持续时间分布特征
本文定义一次干旱事件的指标数值应持续为负值,以指标数值出现小于0的月份作为起始时间节点,以指标数值大于0的月份作为结束时间节点,期间至少有1个月份出现偏旱等级以上;同理以此类推湿润事件。分别统计巴尔喀什湖流域不同年代不同时间尺度下的干湿事件发生频次,其中SPI指数统计的干湿事件频次明显比其他两个指数偏小,但3种指数随年代变化的趋势基本一致。以Z₃指数所确定的干湿事件频次结果为例（图7a、图7b）,20世纪60 -90年代,各年代干旱频次基本稳定,21世纪10年代,干旱频次有所下降;相反湿润事件在20世纪60-90年代发生频次呈现下降的趋势,进入21世纪以后则明显上升。通过分析1960-2010年3种指标各尺度（3个月、6个月、12个月）下的干湿事件频次发现,进入21世纪后,湿润事件发生频次相比于干旱事件偏多,说明该时段巴尔喀什湖流域整体上处于湿润状态。
干湿持续时间分布图横坐标表示干湿事件持续时长,纵坐标表示干湿时间尺度,由巴尔喀什湖流域不同时间尺度干湿持续时间分布图（图8,见本文第1124页）可以看出,流域内大小干湿事件相互嵌套,大尺度长历时的干旱（湿润）事件由多个小尺度短历时的干旱（湿润）事件构成,不同时间尺度下的3种干湿指标干湿持续时间分布基本一致性。以Z指数为例,其干湿持续时间统计结果表明：3月尺度下的干旱平均持续时间随年代推移基本维持稳定在5.8个月左右,而湿润平均持续时间在20世纪70年代后持续增长,进入21世纪后平均持续时间增长到6.5个月左右;12个月尺度下的干旱平均持续时间在80年代后持续下降,而湿润平均持续时间在进入21世纪后增长到44个月。由此可见,进入21世纪后,巴尔喀什湖流域各时间尺度的湿润事件发生频次和平均持续时间均明显增加,说明该区域进入了一个新的湿润周期,且还在持续发展。
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图61960-2010 年巴尔喀什湖流域多时间尺度干湿等级二维时间分布
-->Figure 6Two dimensional distribution of drought and moist degree in multi time scales from 1960 to 2010
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图71960-2010年巴尔喀什湖流域不同年代下干湿事件发生频次
-->Figure 7Frequency of occurrence frequency of dry and wet events in different scales from 1960 to 2010
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图8不同时间尺度干湿持续时间分布
-->Figure 8Distribution of drought and moist duration time in multi time scales
-->

3.3 典型来水年干湿空间分布特征

根据降水频率的20%、50%、80%划分丰水年、平水年和枯水年,根据各典型年Z₁₂指数干湿空间分布图（图9,见本文第1125页）,分析不同来水情况下,巴尔喀什湖流域年内干湿空间分布特性。由图9可以看出,典型丰水年（1988年）,西巴尔喀什湖及周边区域、阿亚古兹河上游整体湿润程度较高,而特克斯河上游部分地区处于中旱状态;典型平水年（2000年）,伊犁河中上游地区较为湿润,而阿亚古兹河地区干旱程度较高;典型枯水年（1978年）,伊犁河中上游及阿拉木图地区干旱程度较高,整个巴尔喀什湖周边及伊犁河三角洲南部地区相对湿润。
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图9典型年Z₁₂条件下巴尔喀什湖流域干湿空间分布
-->Figure9Spatial distribution of drought and moist in the Balkhash Lake Basin in the typical years Z₁₂
-->

4 结论与讨论

4.1 结论

巴尔喀什湖流域降水量空间分布及降水量空间变率不均匀性,对流域年际干湿变化、干湿发生频次、干湿持续时间、干湿空间分布均造成了不同程度的影响,主要体现在以下方面：
（1）分析Z₃指数发现偏旱和偏涝事件的发生月份主要为2-4月和6-8月,Z₁₂指数则在1960-2010年间标识了5次超过1年以上的干旱时间,其中历时最长的干旱事件为4年,而干旱程度最高的事件发生在1977-1978年。整体上,流域的干湿事件呈现交替出现的特征。
（2）3月尺度下的干旱平均持续时间随年代推移基本维持稳定,而湿润平均持续时间在20世纪70年代后持续增长,进入21世纪后平均持续时间增长到6.5个月左右;12个月尺度下的干旱平均持续时间在80年代后持续下降,而湿润平均持续时间在进入21世纪后增长到44个月。同时在发生频次上,21世纪10年代湿润事件发生频次大于干旱事件,说明该区域进入了一个新的湿润周期,且还在持续发展。
（3）典型丰水年（1988年）,西巴尔喀什湖及周边区域、阿亚古兹河上游整体湿润程度较高,而特克斯河上游部分地区处于中旱状态;典型平水年（2000年）,伊犁河中上游地区较为湿润,而阿亚古兹河地区干旱程度较高;典型枯水年（1978年）,伊犁河中上游及阿拉木图地区干旱程度较高,整个巴尔喀什湖周边及伊犁河三角洲南部地区相对湿润。

4.2 讨论

（1）巴尔喀什湖作为中亚地区的大型湖泊体,其生态环境的发展状况备受世界瞩目。在全球气候变化的背景下,随着极端气候事件发生频次的加剧,巴尔喀什湖流域内的生态环境和人类生存发展均面临着诸多挑战,例如湖泊水位逼近东西湖分离的极限水位,流域内的极端干湿事件频率不断增大,东巴尔喀什湖盐碱化加剧等。与此同时,巴尔喀什湖作为一个大型湖泊,其对区域的气候调节也具有不可忽视的作用。由于全球气候及局部小气候双重影响,巴尔喀什湖流域的干湿特点在整个中亚干旱区中呈现其独特性。
（2）从时间分布上看,时间尺度为3个月的偏旱事件主要集中发生在2-4月份,而偏涝事件主要集中发生在6-8月份,这与温带大陆性气候的降水分布特征较为一致,夏季降水多易形成偏涝事件,而冬季降水少易形成偏旱、甚至极端干旱事件。有研究表明,北半球温度和中亚区域温度自20世纪70年代以来加速升温,巴尔喀什湖所处区域在这一时期降水增幅加大^[31],这与本文研究的这段时间湿润事件持续时间逐步增加相吻合,降水增幅的提高和湿润事件持续时间的延长与全球温度的快速升温建立了较好的响应。此外,中亚地区除了降水趋势产生变化之外,还存在显著的周期性变化,包括2-3a、5-6a的震荡周期^[32],其中中亚干旱区年降水、气温变化规律表现出显著的TBO（对流层准两年周期震荡）现象^[32,33],这种多尺度的降水周期震荡可能是形成不同时间尺度的干湿事件相互嵌套的主要原因之一。
（3）从空间分布上看,干湿指标量化的巴尔喀什湖的干湿空间分布规律,能够直观的反映巴尔喀什湖流域内各区域的干湿分布状况。20世纪70年代末,由于冬、春两季降水贡献减少,中亚东部降水偏少^[31],巴尔喀什湖流域处于整体偏旱的状态,伊犁河中上游、卡斯克连河、恰伦河、库尔什利克河、特克斯河上游均处于中旱或者重旱状态,阿克苏河、卡拉塔尔河、列普西河处于偏旱状态,巴尔喀什湖周边由于受到湖泊水汽的调节作用,整体相对湿润。20世纪80年代后,可能在中纬度西风环流的作用下,研究区降水持续波动上升^[34],1998年为保证率20%的丰水年,巴尔喀什湖流域整体偏湿程度较高,2000年为保证率50%的平水年,伊犁河中上游、卡斯克连河、恰伦河、库尔什利克河、特克斯河上游、阿克苏河、卡拉塔尔河、列普西河均处于较为湿润的状态,而阿亚古兹河及巴尔喀什湖周边相对干旱。整体上,巴尔喀什湖流域1950-2010年的空间降水分布呈现南部湿润,北部干旱的分布特征。这与之前的相关研究成果基本一致,而这一降水分布特征的主要原因可能与地区地形地貌特征,以及西风环流和北大西洋涛动有关^[35]。
本文对巴尔喀什湖流域区干湿事件的时空分布特征做了详细的分析,并应用多种干湿指标对比印证分析,从年际干湿变化特征、干湿事件发生频次、持续时间以及典型年干湿空间分布特征多个方面进行了探讨。本次研究不仅对揭示中亚地区巴尔喀什湖流域内的气候变化规律具有一定的科学借鉴意义,同时对巴尔喀什湖的水陆生态环境保护,区域气候资源利用、旱涝灾害防治等方面具有一定的实践指导作用。
The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献文献选项 原文顺序
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