中国柴达木盆地同时发生的干旱和热浪的时空模式

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Spatial-temporal patterns of concurrent droughts and heatwaves in the Qaidam Basin, China

柴达木盆地1990-2020年极端高温干旱复合事件时空特征及驱动机制分析。研究发现，1天高温事件频率显著上升（2.3次/十年），空间上北部（如Golmud）增幅最大；干旱化趋势在长期尺度（SPEI3、6、12）呈现下降，但复合事件频率总体下降，2000年出现峰值与大气环流异常相关。本地气候（降水、湿度）和大气环流（NAO、WP）共同驱动事件，验证了非线性相互作用在高原气候变化中的重要性。

　　近年来，极端气候事件的频率和强度在全球范围内显著上升，对生态环境、农业生产以及人类社会带来了越来越大的影响。这些极端事件，如干旱和热浪，往往同时或连续发生，形成复合型极端气候事件（CDHW），其综合影响远大于单一事件。本研究聚焦于青藏高原东部的祁连山盆地（Qaidam Basin），探讨1990年至2020年间该地区极端热浪-干旱复合事件的时空变化特征及其协同机制，旨在为极端气候事件的风险评估和应对策略提供科学依据。

祁连山盆地属于典型的大陆性高原气候，其气候特征包括低降水量、强日照、长日照时间以及频繁的风力活动。由于地理环境的特殊性，该地区在气候变化背景下呈现出独特的极端气候事件模式。研究发现，祁连山盆地的热浪频率在所有持续时间（1至7天）上均呈现出显著上升趋势，其中1天的热浪事件增长最为明显，年均增加2.3次。这一现象表明，随着全球变暖的加剧，该地区的极端高温事件正在变得更加频繁。值得注意的是，热浪频率在时间维度上表现出一定的波动，但总体趋势仍为上升。例如，1990年至1997年间，热浪频率相对较低，而从1998年到2020年，热浪事件的频率逐渐增加，但增长速度有所放缓。

在空间分布上，热浪频率呈现出从南向北增强的趋势。其中，格尔木气象站（Golmud Station）的热浪频率增长最为显著，年均增加5.1次。这表明，祁连山盆地北部地区更容易受到极端高温的影响，可能与该地区的地理位置、地形特征以及大气环流变化有关。相比之下，位于盆地南部的站点如小灶火站（Xiaozaohuo）和达柴旦站（Dachaidan）则表现出较低的热浪频率增长。这种空间异质性可能与区域内的微气候差异、植被覆盖程度以及地表热力特性等因素密切相关。

与此同时，干旱事件的时空变化也呈现出复杂的模式。研究通过标准化降水-蒸散发指数（SPEI）分析了祁连山盆地的干旱趋势，发现不同时间尺度的SPEI呈现出不同的变化趋势。例如，在月尺度上，SPEI表现出明显的湿润趋势，年均增加0.108次；而在季节和年尺度上，SPEI则显示出干旱趋势，年均减少0.007至0.088次。这种月尺度的湿润与季节尺度的干旱形成鲜明对比，揭示了祁连山盆地在干旱事件上具有显著的多时间尺度特征。此外，极端干旱事件在2001年和2013年达到峰值，分别对应SPEI1为-2.03和SPEI6为-1.87，表明这两个年份是祁连山盆地历史上较为严重的干旱年份。

在复合事件的分析中，研究发现，热浪与干旱的共同发生频率总体呈下降趋势，但2000年出现了异常的峰值。这一现象可能与青藏高原的大气环流异常有关，特别是由于高原南部和北部之间的环流变化，导致特定区域的干旱与热浪同时发生。这种异常的峰值事件显示出复合型极端气候事件的复杂性和不可预测性，强调了对大气环流模式的深入研究的重要性。

研究进一步探讨了复合事件的驱动因素，发现局部气候条件（如降水量和相对湿度）对复合事件的发生具有显著影响，其相关系数达到-0.41。此外，北太平洋涛动（NAO）和西太平洋指数（WP）在调节复合事件的年际变化方面起到了关键作用。这表明，虽然局部气候因素是复合事件的主要触发机制，但大尺度大气环流的变化同样不可忽视。在2000年这一极端事件年份，研究发现500百帕（hPa）位势高度异常（-10 gpm）和700hPa的气旋性风场模式是主要的驱动因素，这种异常的大气环流模式导致了该地区降水减少和气温升高，从而引发了严重的干旱和热浪复合事件。

通过交叉小波变换（CWT）方法，研究分析了复合事件与大气环流指数之间的关系，发现不同时间尺度的SPEI和热浪频率之间存在显著的周期性关联。例如，ENSO、NAO、PDO和WP等环流指数在3至7年周期内对复合事件的频率产生了显著影响。这种环流模式的周期性变化表明，大气环流的波动是复合事件发生的重要外部驱动力。特别是西太平洋副热带高压的异常增强和扩展，对祁连山盆地的降水模式产生了显著影响，从而加剧了干旱事件的发生。

研究还指出，尽管局部气候因素在复合事件的发生中起主导作用，但大尺度环流模式的变化仍然是不可忽视的关键变量。例如，NAO的负相位通常与西南地区冬季和春季的干旱有关，而WP的增强则可能导致该地区的秋季干旱。此外，PDO的冷相位与南方地区的秋季降水减少有关，而ENSO的暖相位则可能导致东部地区的夏季降水减少。这些环流模式的变化不仅影响降水和温度，还通过改变区域内的水分输送和蒸发过程，对复合事件的形成起到关键作用。

在祁连山盆地，复合事件的频率和强度呈现出一定的空间差异。例如，1天的热浪事件在盆地北部和南部呈现出不同的变化趋势，而3天、5天和7天的热浪事件则在不同区域表现出不同的增长或减少模式。这种空间异质性可能与盆地内的地形特征、植被覆盖和水文条件密切相关。此外，研究发现，SPEI和热浪频率之间的相关性在不同时间尺度上也存在差异，其中SPEI1与热浪频率的负相关性较强，而SPEI3、SPEI6和SPEI12则表现出较弱的负相关性。

研究还强调了复合事件对区域生态系统和农业生产的影响。由于祁连山盆地的干旱和热浪事件往往同时发生，其对当地生态环境构成严重威胁。例如，低地草甸、内陆沼泽湿地和冰川融水湖泊等生态系统对极端气候事件极为敏感，而频繁的复合事件可能导致这些生态系统退化或崩溃。此外，农业和畜牧业对极端气候事件的适应能力也受到严重影响，特别是对于以狼毒花（Lycium barbarum）为主要经济作物的地区，干旱和热浪的复合影响可能导致产量下降，进而影响当地居民的生计。

在分析复合事件的驱动机制时，研究指出，大气环流的变化是影响复合事件发生频率的关键因素之一。例如，ENSO、NAO、PDO和WP等环流指数的变化对复合事件的频率产生了显著影响，而这些环流模式的变化往往与全球气候变化密切相关。此外，研究还发现，局部的水分条件（如降水量和相对湿度）在复合事件的发生中起到了重要作用，其变化趋势与复合事件的频率和强度之间存在显著的负相关性。

然而，研究也指出了一些局限性。例如，目前的分析仅基于七个气象站的数据，可能无法全面反映整个祁连山盆地的气候特征。此外，研究主要依赖于日尺度的温度和降水数据，未能深入探讨短时间尺度的极端气候事件。未来的研究可以考虑引入更高分辨率的气候数据，结合遥感技术，对复合事件的形成机制进行更细致的分析。同时，研究还可以进一步探索多种因素之间的相互作用，如大气环流、地表过程和人类活动等，以更全面地理解复合事件的发生机制。

总体而言，本研究揭示了祁连山盆地极端热浪和干旱事件的时空变化特征及其协同机制，为理解该地区极端气候事件的演变趋势提供了重要的科学依据。研究结果不仅有助于评估该地区在气候变化背景下的极端气候风险，还为制定相应的适应和减缓策略提供了参考。未来的研究应更加关注复合事件的多因素相互作用，以及其对区域生态系统和经济发展的长期影响，以进一步完善对极端气候事件的预测和应对能力。