河西地区干湿变化特征分析及干旱年预测

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我国是干旱灾害频繁发生的国家,主要分布在我国北方的干旱半干旱地区,占将近一半的国土面积,是生态系统和水资源系统最脆弱的地区。深居内陆的河西地区,是干旱半干旱区中生存环境最敏感的地区,也是我国主要的粮仓基地。在全球变暖的大背景下,河西地区是如何响应气候变化的?再分析资料在该地区的适用性如何?该地区干湿变化有何特征?河西未来干旱发展趋势如何?这些问题都值得深入研究。论文对比分析了1951-2012年CRU资料、NCEP再分析资料在表征河西地区地表特征参量方面的差异性,选取适用性更高的CRU月平均降水和月平均潜在蒸发量资料,结合计算的地表湿润指数H、标准化降水蒸散指数SPEI分析了1901-2012年河西地区地表干湿变化特征;从大气环流和海洋涛动因子角度分析了河西干旱的可能成因,通过相关分析探讨了河西干旱与降水量、气温的关系:利用基于灰色残差的BP神经网络BP-n-GM(1,1)模型对河西地区发生干旱的年份进行了预测。得出以下主要结论:(1)CRU资料在河西地区的适用性比NCEP资料更好。对于CRU资料、NCEP再分析资料,距离基准站越近,或与基准站下垫面背景相似度越高的地区,其PET、H、SPEI与实测值的差异越小。(2)以敦煌、张掖、武威等站为代表,两套资料在敦煌的表现较好,CRU资料在张掖站的表现优于武威站,NCEP资料在武威站的表现次之,在张掖站的表现较差。CRU资料的PET、H、SPEI与实测值的差异敦煌较小,其值分别为0.1mm、0.009、0.001,武威较大,其值分别为13.2mm、0.11、0.009,三个站差异的平均值分别为8.7mm、0.047、0.004;NCEP资料的PET、H、SPEI与实测值的差异敦煌较小,其值分别为11.7rnm、0.016、0.001,张掖较大,其值分别为22.4mm、0.187、0.011,三个站差异的平均值分别为15.Smm、0.104、0.005。(3)百年来河西地区,PET总体呈增大趋势,增加率为1.9mm/10a,1938年和1992年发生突变,1992年后,PET持续增大,但趋势系数和气候倾向率不同区域有所差异。主要表现为从东南向西北潜在蒸发率逐渐增大,敦煌、金塔、马鬃山一带其值较大,增加率为4.0mm-5.0mm/10a,张掖、武威一带其值较小,增加率为0.5mm-1.0mm/10a。(4)百年来河西地区,SPEI在20世纪初至90年代,轻度干旱逐渐增多,中度干旱逐渐减小;90年代至今,干旱事件增多,中度干旱成为河西地区干旱的主要形式,干旱整体呈加重趋势。敦煌、马鬃山一带干旱化趋势尤为严重。(5)SPEI和AO、NAO、PDO三大涛动因子存在不同尺度的共振周期。SPEI指数与AO、NAO表现为正相关,主要体现在年代际尺度上;SPEI指数与PDO表现为明显的负相关,两者不仅同时存在50-70个月尺度的年际周期特征,而且在120个月尺度、250个月尺度上也表现出共振特征,PDO是与SPEI指数共振较为一致的涛动因子。(6)年代际尺度的SPEI距平与温度距平存在明显的负相关关系,与降水距平存在滞后3-5年的正相关关系,即降水发生异常后,3-5年内河西干旱发生异常。夏、秋季降水对河西干旱的缓解起主要作用,春季升温则会加重河西干旱,冬季PDO处于正位相时,会在一定程度上引起河西干旱。(7)基于灰色残差的BP神经网络BP-n-GM(1,1)预测模型,对河西地区未来可能发生干旱的年份进行预测,结果表明:敦煌发生干旱的年份分别为:2013、2018、2022年;张掖发生干旱的年份分别为:2013、2019、2024年;武威发生干旱的年份分别为:2013、2020、2026年。
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