郭燕玲 毛文茜 王泓宇 张文煜 , 2

1 兰州大学大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，兰州 730000

2 郑州大学地球科学与技术学院，郑州 450001

1 引言

东亚极端干旱区下垫面复杂植被稀疏，生态环境脆弱，是全球气候变化响应敏感的地区之一（Huang et al.,2012;Zhang and Zhou,2015;Li et al.,2019）。极端干旱区占地广阔（赵艳茹，2018），是中国防风固沙生态功能区的重要组成部分（马彬，2017），其干湿的气候变化，关系到区域生态环境平衡以及西北荒漠化防治（陈梦熊，2004；Harris et al.,2010）。施雅 风（2003）的研究表 明20世纪80年代以来，中国西北干旱区有从暖干向暖湿变化的趋势。Han et al.（2016）对1961～2000年西北地区降水变化的分析发现，60年代以来极端干旱区降水量有增加趋势。Kumar et al.（2015）研究全球干湿变化趋势的过程中发现，极端干旱区在1985～2005年有变湿趋势。马彬（2017）的研究发现极端干旱区在1961～2015年间有变湿的趋势。然而，Zhang and Zhou（2015）的研究表明20世纪50年代以来西北地区干旱事件有增加趋势。Li et al.（2018）的研究也发现1961～2017年间该区极端干旱和极端高温天气发生的频率呈上升趋势，加重了区域气候干旱情况。以上研究表明，极端干旱区干湿的气候变化仍需要进一步探讨。

极端干旱区南部毗邻昆仑山脉、北部为阿尔泰山、西部为天山山脉、东部远离海岸，受外部物质能量输送的影响较小。而地表与上覆自由大气之间物质、能量、水汽等的交换过程均发生在边界层内（Feng et al.,2015;McGrath-Spangler,2016;Ma and Bao,2016），因此边界层过程在极端干旱区产生的影响不容忽视。边界层高度（Boundary Layer Height，BLH）是综合表征边界层过程的一个重要参数，极端干旱区近地表增温显著，感热通量较强，BLH较一般地区更为深厚（张强和王胜，2008；乔娟，2009；韦志刚等，2010；张杰等，2013，杨洋等，2016），日变化幅度也高于其他地区（Guo et al.,2016）。李岩瑛等（2016）利用2006～2012年逐日探空资料对中国西北干旱区BLH变化特征进行了分析，发现干旱区BLH变化呈减小趋势。万云霞等（2017）研究发现，1979～2009年间西北部分地区BLH降低显著。而赵艳茹等（2017a，2017b）利用再分析数据分析发现，1900～2010年间东亚干旱半干旱区BLH主要呈增加趋势。前期研究大多基于少数站点的分析，再分析数据的不断更新从空间和时间上弥补了观测数据的不足，为进一步开展这一区域BLH的研究提供了更好的基础。

BLH代表了大气边界层对水汽、有效热容等的 容 纳 能 力（Ahlgrimm and Randall,2006;Davy and Esau,2015）。BLH的变化会引起有效热容的改变，进而影响温度的变化（Esau,2008;Esau and Zilitinkevich,2010），对气候产生影响。从雨滴损耗的角度来看，BLH越高，降水过程中的雨滴蒸发率越大，导致降水量越小，使得干旱化越严重（Rosenfeld and Mintz,1988;Itano,1997,1998）。李岩瑛等（2012）的研究也表明西北干旱区的气候干湿变化与最大BLH关系密切，BLH越高，干旱越严重。这些研究说明BLH与干湿气候变化之间存在事实联系。

本文利用ERA5再分析数据，对极端干旱区BLH及气候干湿因子（干燥度指数，Aridity Index,AI）进行系统分析，了解极端干旱区BLH与AI指数在不同下垫面不同气候时段的变化特征，探究BLH与干湿气候变化之间存在的关系。

2 数据与方法

研究区域为（37°N～50°N，77°E～110°E）范围内的极端干旱区，即AI≤0.05的区域（Huang et al.,2016）（见 图1），归 一 化 植 被 指 数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）数据由美国亚利桑那大学领导、NASA资助的多机构 合 作 项 目 提 供 的VIP30（Vegetation Index and Phenology）产品，时间长度为1981～2014年。由图可知，极端干旱区主要由东部的蒙古高原、南部的柴达木盆地、西部塔里木盆地、北部的戈壁阿尔泰山等组成，地形复杂，下垫面以沙漠、戈壁为主，此外还有盆地边缘的绿洲区域，部分山地等。该地植被覆盖在空间上也存在很大差异，综合考虑选取绿洲（41°N～41.5°N，85°E～85.5°E）、山地（43°N～43.5°N，90°E～90.5°E）、沙漠（41°N～41.5°N，99°E～99.5°E）、戈壁（43.5°～44°N，96°E～96.5°E）共4个小区域代表不同下垫面。

ECMWF（European Centre for Medium Range Weather Forecasts）提供的ERA5再分析数据，时间长度为1950～2019年，空间分辨率为0.25°（纬度）×0.25°（经度）。文章分析的主要变量有BLH和AI指数，其中BLH由ERA5直接提供，AI指数利用ERA5提供的数据通过计算得到。

实测数据选取甘肃省敦煌站和酒泉站的L波段雷达探空数据，时间长度为2014～2019年。

2.1 AI指数的计算

AI的计算公式如下：

其中，降水量P由ERA20C数据直接给出；潜在蒸发量PET（为月均值，单位：mm/d）根据Penman–Monteith公式计算得出（Allen et al.,1998）：

式中，Rn代表净辐射通量（单位：MJ m−2d−1）；G代表土壤热通量（单位：MJ m−2d−1）；T代表2 m高度处气温（单位：°C）；es为饱和水汽压（单位：kPa）；ea为实际水汽压（单位：kPa）；∆为饱和水汽压—气温关系斜率（单位：kPa °C−1）；γ为干湿计常数（单位：kPa °C−1）；u2为2 m高度的风速（单位：m/s）；0.34（单位：s/m）和900（单位：K mm s−3Mg−1d−1）分别为参考作物类型和计算时间步长确定的常数。土壤热通量G的计算公式如下：

其中，Ti代表当月的平均温度，Ti+1为下个月平均温度，Ti−1为前一个月平均温度，单位均为°C。如果Ti+1未知，

最后，年潜在蒸发量值由潜在蒸发量月值累加得到。

2.2 气候倾向率

气候要素随时间的变化趋势可用一元线性回归方程表示：

其中，xi表示第i年该气候要素的值，ti表示对应的时间，A为回归常数，B为回归系数，1 0B即为气候倾向率，单位为（10 a）−1。

3 结果分析

3.1 BLH再分析数据的适用性分析

从图2可知，2014～2019年敦煌站和酒泉站BLH的ERA5再分析数据与探空观测数据的时间变化特征差异不大，趋势基本一致，说明BLH的ERA5再分析数据适用性较好。

图2 （a、b）敦煌和（c、d）酒泉07:00（左列）和19:00（右列）ERA5再分析数据与探空观测的边界层高度（Boundary Layer Height,BLH）对比Fig. 2 Comparison the ERA5 reanalysis Boundary Layer Height (BLH) data and sounding observational BLH data in (a,b) Dunhuang and (c,d)Jiuquan at 07:00 (left column) and 19:00 (right column)(a,b) Dunhuang and (c,d) Jiuquan at 07:00 (left column) and 19:00 (right column)

3.2 BLH和AI指数的空间分布特征

从图3可知，1950～2019年极端干旱区BLH年均值为695 m，空间分布呈现东高西低的特点，高值中心位于东部的巴丹吉林沙漠以及戈壁阿尔泰山，基本在750～800 m之间；BLH在西部塔里木盆地相对较低，一般在600～700 m之间。从气候倾向率来看，70年来BLH呈现东部升高、西部降低的特点：如东部巴丹吉林沙漠、塔里木盆地东南部等大部分区域均呈现抬升趋势，而在塔里木盆地西部边缘BLH呈降低趋势。

图3 1950～2019年极端干旱区（a、b）BLH和（c、d）AI指数的年均值（左列）和气候倾向率（右列）空间分布（图例同图1）Fig. 3 Spatial distributions of the average annual value (left column) and the climatic trend (right column) of (a,b) BLH and (c,d) AI index in the e xtreme arid region from 1950 to 2019 (legends are the same as in Fig. 1)

极端干旱区AI指数的年均值约为0.03，低值中心位于西部塔里木盆地东南部、中心戈壁等区域，气候最为干旱；AI指数在塔里木盆地西部边缘、巴丹吉林沙漠等区域则相应较大，气候相对湿润。AI指数的变化趋势呈现东部减小（变干）、西部增大（变湿）的特点：东部巴丹吉林沙漠呈现减小趋势，西部大部分区域则为增大趋势。整体来看，极端干旱区BLH与AI指数的变化，在空间分布上存在一定联系，如东部BLH升高区域，AI指数减小，西部BLH降低区域，AI指数增大。

3.3 BLH和AI指数的时间变化特征

3.3.1 区域均值的时间变化

图4为极端干旱区BLH和AI指数区域均值进行标准化后的年际变化及距平变化。从图4可知，1950～2019年极端干旱区BLH整体呈波动抬升趋势，气 候 倾 向 率 为0.7 m/10 a。1950～1964年BLH显著降低，由正距平转为负距平，气候倾向率达到−25.0 m/10 a；1965年后BLH由低谷迅速抬升，1966年出现峰值742 m；随后BLH波动降低，基本处于负距平，于1992年达到最低值651 m；1993～2009年BLH逐渐抬升，由负距平开始转为正距平，气候倾向率达到27.1 m/10 a；2010年后BLH波动降低。

图4 1950～2019年极端干旱区（a）区域平均BLH、AI指数的年均序列（直线为线性趋势）和（b）区域平均BLH、AI指数的距平变化（曲线为11年滑动平均）Fig. 4 (a) Annual series of the average BLH and AI indexes in the extreme arid region (lines are linear trends) and (b) anomaly change of average BLH and AI index in the region (curve are the 11-year moving averages) from 1950 to 2019

极端干旱区AI指数整体呈波动增大趋势，气候倾向率为0.8×10−3/10 a。1950～1969年间AI指数 逐 渐 增 大，气 候 倾 向 率 达 到3.1×10−3/10 a；1970年后AI指数波动增大，由负距平转为正距平，于1993年达到峰值0.049；1994～2009年AI指数逐渐减小，由正距平转为负距平，气候倾向率达到−8.7×10−3/10 a；2010年后AI指数波动增大。

由以上分析可知，1950～1964年、2010～2019年BLH逐渐降低，AI指数逐渐增大；1993～2009年BLH逐渐抬升，AI指数逐渐减小；60年代BLH变化波动较大，AI指数变化也较大。此 外，BLH在1964年、1966年、1992年、2009年分别达到峰谷、峰值、峰谷、峰值，AI指数在1964年、1965年、1993年、2009年分别达到峰值、峰谷、峰值、峰谷，说明两者在变化过程中呈现一定的反位相变化。距平变化也显示，两者有80%的年份呈反位相变化，这意味着BLH较高的年份往往是AI指数相对较低的年份，气候相对干旱，BLH较低的年份AI指数相对较高，气候相对湿润。相关性分析也发现BLH和AI指数相关系数为−0.62，呈显著负相关。

选取1950～1964年、2010～2019年两个气候时段，分析极端干旱区BLH和AI指数的空间分布（图5）。对比两个气候时段可以发现，2010～2019年东部巴丹吉林沙漠和戈壁阿尔泰山的BLH明显高于1950～1964年，AI指数显示2010年～2019年间极端干旱区的分界线较1950～1964年更偏东，该地更加干旱，极端干旱区向东扩张；2010～2019年西部塔里木盆地的BLH则低于1950～1964年，极端干旱区的分界向东收缩，塔里木河流域气候由极端干旱变得相对湿润。总体来看2010～2019年极端干旱区在东部范围扩张，在西部范围收缩，极端干旱区整体向东移动。此外还可以看出较高（低）的BLH对应较大（小）的极端干旱区范围，1966年和1992年两个特殊年份BLH和AI指数的空间分布同样说明了这种关系，1966年极端干旱区BLH达到峰值，该年极端干旱区边界线向东、向西均有显著的扩张，1992年BLH处于峰谷，极端干旱区范围明显较小，在西部塔里木河流域尤为显著。

图5 （a）1950～1959年、（b）2010～2019年、（c）1965年和（d）1992年极端干旱区BLH均值的空间分布和极端干旱区边界（白线为1950~2019年极端干旱区分界，黑线为不同气候时段极端干旱区分界，其他同图1）Fig. 5 Spatial distribution of the mean values of BLH and the extreme drought area boundaries in different climatic periods (a) 1950−1959 and (b)2010−2019 and in special years (c) 1965 and (d) 1992 (white line represents the extreme drought area boundaries from 1950 to 2019 and black line represents the extreme drought area boundaries in different climatic periods;others are the same as Fig. 1)

3.3.2 不同下垫面的时间变化

极端干旱区四周分布高大山系，内部下垫面复杂。由图6和表1可知，1950～2019年绿洲下垫面BLH整体呈降低趋势，气候倾向率为−2.7 m/10 a，通过显著性检验；山地、沙漠及戈壁下垫面的BLH均呈波动抬升趋势。AI指数在巴丹吉林沙漠下垫面呈减小趋势，70年来该区气候变得更干燥，极端干旱区范围逐渐扩大；绿洲、山地和戈壁下垫面AI指数则呈增大趋势，气候相对变得湿润，极端干旱区范围有缩小趋势。

图6 1950～2019年（a）绿洲、（b）山地、（c）沙漠、（d）戈壁的年均BLH和AI指数时间序列Fig. 6 Time series of the annual average BLH and AI indexes from 1950 to 2019 in (a) oasis,(b) mountain,(c) desert,and (d) the Gobi

表1 各区域BLH与AI指数线性趋势和相关系数Table 1 Linear trend and correlation coefficient between the BLH and AI index in each region

4类区域BLH和AI指数呈反位相的年份占比分别达到84.3%、77.1%、67.1%、74.3%，两者相关系数分别为−0.79、−0.53、−0.54、−0.55，均为显著负相关。1950～1964年间，4类下垫面的BLH和AI指数负相关性最强，2010～2019年间负相关性最弱。不同下垫面BLH与AI指数的变化趋势虽然不同，但在变化过程中两者变化趋势基本相反，即BLH抬升（降低），AI指数减小（增大）。

4 结论

文章利用ERA5再分析数据集对1950年～2019年间极端干旱区BLH与AI指数的时空变化特征进行统计分析，对两个变量的变化特征及相互关系得到了进一步的认识。主要结论如下：

（1）空间分布上：极端干旱区BLH年均值为695 m，呈现东高西低的分布特点；变化趋势呈现东部升高、西部降低的特点。AI指数均值为0.03，以塔里木盆地、中心戈壁等区域为低值中心，向四周递增；变化趋势则呈现东部减小、西部增大的特点。

（2）时间变化上：1950～2019年间，极端干旱区BLH整体呈波动抬升趋势，气候倾向率为0.7 m/10 a，AI指数整体呈波动增大趋势，气候倾向率为0.8×10−3/10 a；1950～1964年BLH降低，气候倾向率为−25.0 m/10 a，AI指数增大，气候倾向率为3.1×10−3/10 a；1993～2009年BLH显著抬升，气候倾向率达到27.1 m/10 a，AI指数显著减小，气候倾向率达到−8.7×10−3/10 a；2010～2019年BLH波动降低，AI指数波动增大。

（3）两者变化关系分析：BLH和AI指数的平均值在空间分布上具有较好的对应关系，BLH越高的区域，AI指数较小，气候干燥，BLH越低的区域，AI指数相对较大，气候相对湿润。极端干旱区东部BLH抬升的区域，AI指数减小，气候变得越加干燥，极端干旱区范围扩大；极端干旱区西部BLH降低的区域，AI指数增大，气候变得相对湿润，极端干旱区范围缩小。不同下垫面不同气候时段BLH和AI指数基本呈负相关，70年来区域均值的相关系数为－0.62，呈反位相变化的年份达到80%。其中，西部塔里木河绿洲区域负相关性最强，相关系数达到－0.79。