中国生态脆弱区高温热浪和干旱历史变化特征分析

尹德震 李芳 林中达

1 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心，北京 100029

2 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

3 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029

1 引言

随着平均气温升高，近些年来全球各地高温热浪和干旱事件频发（Lewis et al., 2011; Xu et al.,2020）。IPCC 第五次评估报告（IPCC, 2014）指出受当前气候变率的影响，某些生态系统和许多人类系统具有明显的脆弱性和暴露度（很高信度）。例如，极端天气气候事件可以显著影响陆地生态系统碳循环过程及生态系统的结构和功能（朴世龙等, 2019）。在各种极端天气气候事件中，一般认为干旱对陆地生态系统的影响最大、最广泛；而高温热浪同样具有重要影响，且常与干旱相伴发生，进而造成更严重的影响（Frank et al., 2015）。

生态脆弱区也称生态交错区（Ecotone），是两种及两种以上不同类型生态系统交界的过渡区域。生态脆弱区不同于生态系统的核心区域，其环境及生物因子均处于相变的临界状态，生态环境变化明显，具有对气候变化敏感、系统抗干扰能力弱、时空波动性强、边缘效应显著、环境异质性高等特征。因此，生态脆弱区更易遭受高温热浪和干旱等极端气候的影响甚至破坏。如Will et al.（2013）研究指出：森林草原生态交错区的树木几乎处于其正常生长所需水分的极限，因而对水分和气温的变化十分敏感。Rai et al.（2012）对2010～2011 年喜马拉雅山西部生态脆弱区的极端天气气候事件的生态影响进行分析，指出这些极端事件会损害生态脆弱区各种植物的组织。Barros et al.（2017）针对阿尔卑斯山的生态交错区树线对干旱等的响应的研究表明，干旱会抵消气候变化和土地利用变化所导致的林木扩张。中国是世界上生态脆弱区分布面积最大、脆弱生态类型最多、生态脆弱性表现最为明显的国家之一（中华人民共和国环境保护部, 2008），各脆弱区目前正面临气候干旱等环境压力。在此背景下，研究中国生态脆弱区高温热浪和干旱的历史变化特征对我国生态系统的保护具有重要的指导意义。

以往对中国高温热浪或干旱的研究多聚焦于全国范围或地理分区。一般认为，我国高温热浪的发生呈阶段性变化，全国区域平均高温热浪频次在20 世纪60 年代到80 年代有减弱趋势，到20 世纪90 年代前后转为增加（叶殿秀等, 2013; 贾佳和胡泽勇, 2017）。从空间分布来看，南方地区、新疆地区高温热浪事件的发生频率相对较高，华南和西北地区有显著增加趋势（张嘉仪和钱诚, 2020）。华北地区的高温热浪在20 世纪70 年代中期至90年代中期前后相对较少，之后明显增多，其多发地区位于华北西部和南部（邢佩等, 2020）。此外，东北地区的年高温日数在近五十年整体也呈增加趋势，主要位于内蒙古东北部、黑龙江北部以及长白山以南（Wang L et al., 2018）。另一方面，我国干旱也有频次增加、范围扩大、程度加剧的趋势（廖要明和张存杰, 2017; 韩兰英等, 2019）。具体来看，在过去几十年间我国东部地区“南涝北旱”的格局正在发生显著的变化（马柱国等, 2018），而北方则呈现“西湿东干”的变化趋势（马柱国和符淙斌, 2006）。西南地区的干旱灾害在近60 年间有频率增加、范围扩大的趋势（韩兰英等, 2014）。而张强等（2010）研究表明：尽管西北部分地区近50 年来的降水量有所增加，但伴随气温的升高，除少部分地区有暖湿化倾向外，整体呈暖干化趋势。

针对生态脆弱区的研究则多关注于某一特定脆弱区，且不同研究对同一脆弱区的定义范围多不相同。杜华明等（2015）对北方农牧交错带干旱灾害的研究显示，近52 年北方农牧交错带呈暖干化趋势，干旱发生的强度和频率增加。张成福等（2020）发现内蒙古荒漠草原区气温增加，降水减少，整体呈暖干化趋势。而青藏高原则呈暖湿化趋势，在此背景下青藏高原的干旱趋于缓解（李林等, 2018; 梁晶晶等, 2019）。孙艺杰等（2020）发现1960～2016 年黄土高原的高温热浪呈增加趋势，旱涝表现为由涝转旱，且干旱和热浪同时发生的事件也呈增加趋势。Wang X Y et al.（2018）研究了我国北方农牧交错带的16 个极端温度指标的变化情况（未包含高温热浪），发现1960～2016 年该地区的极端冷事件显著减少而极端暖事件显著增加。这些研究多针对于某一特定区域的高温热浪和旱涝事件，而对中国生态脆弱区的整体历史变化特征尚不清楚。孙康慧（2019）和孙康慧等（2019）发现20 世纪80 年代以来中国各生态脆弱区均为升温，空气变干，风减弱；2000 年后，北方脆弱区降水增多，南方减少；除青藏高原外，其他生态脆弱区到达地表的太阳辐射增强。相关工作主要集中在气温、降水、风速、日照时数等气象要素的变化特征的分析，并未涉及到中国生态脆弱区高温热浪和干旱的时空变化特征。

本文基于统计方法，全面分析了中国典型生态脆弱区（北方农牧林草区、黄土高原脆弱区、干旱半干旱脆弱区、青藏高原脆弱区、南方农牧脆弱区和西南岩溶山地石漠化脆弱区）在1980～2014 年发生的高温热浪和干旱的时空分布，进而了解我国生态脆弱区近35 年间高温热浪和干旱的历史变化特征。

2 数据与方法

2.1 数据

本文统计高温热浪事件所用的日最高气温数据来自CN05.1 格点化观测数据集。CN05.1 格点化观测数据集是吴佳和高学杰（2013）基于中国气象局所属2400 余个台站（基本、基准和一般站）的观测资料，分别采用薄盘样条函数法和角距权重法对气象要素的气候平均和距平进行插值并叠加得到的0.25°（纬度）×0.25°（经度）分辨率逐日观测数据，包含日最高气温、日最低气温、日平均气温、降水量、平均风速、相对湿度和蒸散发等气象要素。本研究采用了CN05.1 的日最高气温数据，根据吴佳和高学杰（2013）关于数据质量和可信度的讨论，该数据在中国生态脆弱区基本适用，可信度较高。

干旱指数采用Vicente-Serrano et al.（2010）提出的标准化降水蒸发指数（SPEI）。所用数据集来自Vicente-Serrano et al.（2015）利用CRU TS3.2气象数据集和Penman-Monteith 潜在蒸散发计算公式计算得到的全球1901 年1 月至2015 年12 月的0.5°（纬度）×0.5°（经度）分辨率逐月SPEI 格点数据。数据说明和下载地址为https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/standardized-precipitationevapotranspiration-index-spei[2021-01-29]。庄少伟等（2013）研究表明：在不同时间尺度的SPEI 中，12 个月尺度的SPEI 对我国不同等级降水区域的适用性最好，因此本文采用数据集中的12 个月尺度的SPEI 进行分析。

2.2 方法

2.2.1 分区

本文依照“全球变化及应对”重点专项项目“全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响研究”，参考《全国生态脆弱区保护规划纲要》（中华人民共和国环境保护部, 2008）和其他相关研究，划分了6 个中国典型生态脆弱区，即：林草交错带生态脆弱区、农牧交错带生态脆弱区、干旱半干旱生态脆弱区、黄土高原生态脆弱区、青藏高原生态脆弱区和西南岩溶山地石漠化生态脆弱区（于贵瑞等, 2017），其中部分生态脆弱区之间存在重叠。本文研究根据地理分布特征对分区作了两个调整：（1）因为农牧交错带生态脆弱区的南部和北部地理上不连通，我们将农牧交错带生态脆弱区分为南北两部分；（2）北方农牧交错带生态脆弱区与林草交错带生态脆弱区基本重叠，所以我们将二者合并为北方农牧林草区。最终得到本文的分区包括北方生态脆弱区和南方生态脆弱区两大部分（图1），其中北方生态脆弱区包括北方农牧林草区、黄土高原脆弱区和干旱半干旱脆弱区，主要位于干旱、半干旱地区，降水量少；尽管冬季气温低，该脆弱区夏季也常有高温热浪发生。南方生态脆弱区包括青藏高原脆弱区、南方农牧脆弱区和西南岩溶山地石漠化脆弱区，地形相对复杂，其西南地区水土流失严重、青藏高原地区气候恶劣，生产力都比较低，生态系统易遭极端事件破坏（中华人民共和国环境保护部, 2008）。

图1 中国生态脆弱区区划Fig. 1 Distribution of ecologically fragile zones (EFZs) in China

2.2.2 高温热浪及干旱指数定义

高温热浪是指在一定持续时间内气温异常偏高的天气过程，往往引起人和动植物对环境的不适应甚至死亡（徐金芳等, 2009）。本文根据中国气象局的定义，将日最高气温≥35°C 视为一个高温日，将连续3 天及以上的高温视为一次热浪事件（徐金芳等, 2009）。

一般认为，干旱主要是由降水减少或温度升高造成的水分亏缺引起（庄少伟等, 2013）。12 个月尺度的SPEI 反映该月及前11 个月水分盈亏（降水量减去潜在蒸发量）的整体程度（Vicente-Serrano et al., 2010）。SPEI 大于0 代表该区域偏湿，而SPEI 小于0 代表该区域偏干。SPEI 干湿等级划分见表1（刘珂和姜大膀, 2015），以下对不同程度干旱的判断皆采用表1 等级划分标准。

表1 SPEI 干湿等级划分与概率Table 1 The standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) grade and its probability

2.2.3 统计分析方法

统计得到我国生态脆弱区内各格点在1980～2014 年的逐年高温日数、热浪次数、年平均SPEI以及年中等和极端干旱发生月数序列，进而得到各要素在此35 年间的平均气候态。之后分别计算各格点面积占相应区域总面积的面积百分比作为相应格点的加权系数，对各要素进行面积加权，计算得到各要素在各生态脆弱区以及全脆弱区平均的逐年序列。最后计算格点和区域平均序列的线性趋势及其显著性并对序列中可能存在的突变进行检验。其中，线性趋势的计算采用最小二乘（Ordinary Least Squares，OLS）线性回归方法，显著性及突变检验采用Mann-Kendall 非参数检验法进行检验。

3 结果

3.1 高温日数

对于1980～2014 年中国生态脆弱区年高温日数气候态而言（图2a），北方生态脆弱区的高温天气较南方生态脆弱区更普遍。其中，北方农牧林草区东部的大兴安岭以东部分地区、黄土高原脆弱区南部的关中平原、干旱半干旱脆弱区东部、干旱半干旱脆弱区中部河西走廊附近及西部的天山以北和塔里木盆地地区的年平均高温日数超过3 d。南方生态脆弱区的高温天气多发生在西南岩溶山地石漠化脆弱区东部和青藏高原脆弱区南端等海拔相对较低的地区。

在变化趋势上（图2b），除干旱半干旱脆弱区西部极少部分地区的高温日数呈下降趋势外，中国生态脆弱区高温日数在1980～2014 年间的变化趋势均为增多，且多大于0.2 d/10 a。其中干旱半干旱脆弱区中部和西部部分地区、黄土高原脆弱区南部的关中平原、青藏高原脆弱区南端及西南岩溶山地石漠化脆弱区北部和东部的高温日数增加趋势通过了Mann-Kendall 显著性检验（p＜0.05）。结合图2a 和2b 可以发现，中国生态脆弱区中高温天气多发地区的趋势多大于0.4 d/10 a（多通过显著性检验）。图3a 为全脆弱区和各生态脆弱区年高温日数变化趋势通过显著性检验的面积比例，可见生态脆弱区中所有变化趋势显著区域均呈现高温日数增加的趋势，其中西南岩溶山地石漠化脆弱区的面积比率最大，接近25%；干旱半干旱脆弱区、黄土高原脆弱区超10%；南方农牧脆弱区最少，几乎为0。对于中国生态脆弱区整体而言，高温日数增加显著的面积比例约为11%。

图2 1980～2014 年中国生态脆弱区年高温日数（a）气候态及（b）变化趋势空间分布。（b）中斜线区域表示通过0.05 显著性检验Fig. 2 Geographical distribution of (a) climatology and (b) linear trend of annual high-temperature days in EFZs in China during 1980-2014. Areas passing 0.05 significant trend in (b) are striped

图3 1980～2014 年全区和各脆弱区年（a）高温日数、（b）热浪次数、（c）SPEI、（d）中等干旱发生月数及（e）极端干旱发生月数趋势显著的格点所占面积比率（红色表示趋势为增加，蓝色表示趋势为降低）Fig. 3 Area proportion of grids with significant trends in annual (a) high-temperature days, (b) heat wave frequency, (c) SPEI, (d) occurrence months of moderate drought, and (e) occurrence months of extreme drought in each EFZ and the entire area during 1980-2014. Red and blue denote downward and upward trends, respectively

区域平均而言（图4、表2），1980～2014 年全脆弱区和各生态脆弱区年高温日数呈增加趋势，且除北方农牧林草区外，增加趋势均通过显著性检验。从高温日数时间序列来看（图4），北方各生态脆弱区以1995 年前后为界发生突变，之前区域平均年高温日数少且年际变化也小，之后高温日数及年际变化迅速增加。为验证该突变，对北方各生态脆弱区的年高温日数序列进行Mann-Kendall 突变检验，结果如图5 所示。北方各生态脆弱区的UF 统计量和UB 统计量曲线在1995 年前后存在交点且交点位于0.05 显著性水平的置信区间内，北方各生态脆弱区的年高温日数在1995 年前后发生突变，这与前人研究（贾佳和胡泽勇, 2017; 孙艺杰等, 2020; 邢佩等, 2020）得到的我国北方高温热浪在20 世纪90 年代中期之后发生变化的结论相似。而南方生态脆弱区的高温日数则不存在如北方生态脆弱区的明显的突变现象。各生态脆弱区中，南方农牧脆弱区几乎无高温天气发生，只在2012 年和2014 年出现了两次。

图4 1980～2014 年（a）全脆弱区、（b）北方农牧林草区、（c）黄土高原脆弱区、（d）干旱半干旱脆弱区、（e）青藏高原脆弱区、（f）南方农牧脆弱区、（g）西南岩溶山地石漠化脆弱区区域平均年高温日数的时间变化。*、**分别表示通过0.05、0.01 显著性检验Fig. 4 Changes in region-averaged annual high-temperature days in(a) the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs,(e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and(g) southwest karst rocky desertification EFZs, in which * and **denote passing 0.05 and 0.01 significant trends, respectively

图5 1980～2014 年北方各生态脆弱区（a）北方农牧林草区、（b）黄土高原脆弱区、（c）干旱半干旱脆弱区区域平均年高温日数Mann-Kendall 突变检验Fig. 5 Mann-Kendall mutation test for region-averaged annual hightemperature days in (a) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (b) Loess Plateau EFZs, and (c) arid and semiarid EFZs in northern China during 1980-2014

3.2 热浪

热浪事件的持续时间长，对生态系统的影响大于普通的高温天气。1980～2014 年中国生态脆弱区年热浪次数气候态的空间分布（图6a）与高温日数相似（图2a）。热浪天气在北方生态脆弱区较南方脆弱区更为频发。北方生态脆弱区东部的热浪发生次数较少，年平均热浪次数多小于1 次，而西部的热浪次数较多，部分地区超过3 次；与高温相似，南方生态脆弱区的热浪天气发生的区域较小，多发生于海拔相对较低的西南岩溶山地石漠化脆弱区北部和东部及青藏高原脆弱区南端，其中青藏高原脆弱区南端的年平均热浪次数甚至超过3 次。

生态脆弱区的热浪次数多呈增加趋势（图6b），趋势变化的空间分布与气候态的空间分布具有很好的一致性。在趋势为增加的区域中，除少部分地区外，多数地区热浪次数的增加速率小于0.8 (10 a)-1，此外还有部分地区有不明显的减少趋势。与高温日数相比，各脆弱区热浪次数趋势显著的面积比更小，约为高温日数的一半左右。总体而言，全脆弱区有约4%区域的热浪次数呈显著增加。与高温日数相似的是，各脆弱区年热浪次数显著增加面积比最大的是西南岩溶山地石漠化脆弱区，最小的是南方农牧脆弱区（图3b）。

图6 1980～2014 年中国生态脆弱区年热浪次数（a）气候态及（b）变化趋势空间分布。（b）中斜线区域表示通过0.05 显著性检验Fig. 6 Geographical distribution of (a) climatology and (b) linear trend of annual heat wave frequency in EFZs in China during 1980-2014. Areas passing 0.05 significant trend in (b) are striped

脆弱区的区域平均年热浪次数的时间变化特征（图7 和表2）与高温日数也相似。全脆弱区的区域平均年热浪次数增加速率为0.041 (10 a)-1，通过显著性检验（p＜0.01）。除北方农牧林草区和几乎不发生高温热浪的南方农牧脆弱区以外，其余生态脆弱区的增加趋势均通过显著性检验。其中，西南岩溶山地石漠化脆弱区的增加速率为0.086 (10 a)-1，通过显著性检验（p＜0.01），是各脆弱区中增加最快的。以1995 年前后为界，北方生态脆弱区的区域平均年热浪次数也发生了突变，之前的热浪次数几乎无变化，之后出现较大的年际变化，该突变要比高温日数的更为明显。同样对北方各生态脆弱区的年热浪次数序列进行Mann-Kendall 突变检验，结果如图8。可见，北方各生态脆弱区的UF 统计量和UB 统计量曲线在1995 年前后存在交点且通过了显著性检验（p＜0.05）。因此，北方各生态脆弱区的年热浪次数在1995 年前后同样发生了变化。值得注意的是，南方农牧脆弱区在2014 年首次发生热浪事件，该热浪发生在5 月下旬至6 月上旬的四川攀枝花和凉山彝族自治州范围内，且还伴随着西南地区干旱的发生。在此期间，西南大部地区环流平直，无明显南支槽波动，同时副高强度也较常年平均明显偏强，西南地区长期受副高控制，高温少雨（段海霞等, 2015）。此次热浪事件的发生主要和局地对流层中、高层出现异常的下沉运动有关：异常的下沉运动进一步增强了气候态上、由于副热带西风气流沿着该地区西侧山地下沉导致的地表大气增温，进而出现极端的热浪事件（图略）。

图7 1980～2014 年（a）全脆弱区、（b）北方农牧林草区、（c）黄土高原脆弱区、（d）干旱半干旱脆弱区、（e）青藏高原脆弱区、（f）南方农牧脆弱区、（g）西南岩溶山地石漠化脆弱区区域平均年热浪次数的时间变化。*、**分别表示通过0.05、0.01 显著性检验Fig. 7 Changes in region-averaged annual heat wave frequency in (a)the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs,(e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and(g) southwest karst rocky desertification EFZs during 1980-2014, in which * and ** denote passing 0.05 and 0.01 significant trends,respectively

图8 1980～2014 年北方各生态脆弱区（a）北方农牧林草区、（b）黄土高原脆弱区、（c）干旱半干旱脆弱区区域平均年热浪次数Mann-Kendall 突变检验Fig. 8 Mann-Kendall mutation test for region-averaged annual heat wave frequency in (a) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (b) Loess Plateau EFZs, and (c) arid and semiarid EFZs in northern China during 1980-2014

表2 全区和各脆弱区年高温日数、热浪频次、SPEI 和干旱发生月数（包括中等干旱和极端干旱）的变化趋势及显著性Table 2 Linear trend and its significance of annual high-temperature days, heat wave frequency, SPEI, and occurrence months of drought (includes moderate drought and extreme drought) over each FEZ and the whole area

3.3 干旱

3.3.1 干湿情况

从1980～2014 年干湿变化趋势上看，中国生态脆弱区的东部多变干，中部和西部多变湿（图9）。北方生态脆弱区的大兴安岭及以东地区和天山东部地区趋向变干，其中天山东部地区的变干趋势多通过了显著性检验；其余地区存在变湿的倾向，其中腾格里沙漠附近湿润化速率甚至超过0.3 (10 a)-1（通过了显著性检验）。南方生态脆弱区西部的青藏高原部分整体有变湿倾向，东部则整体为变干趋势。从图3c 来看，全脆弱区整体上显著变干的面积与显著变湿的面积相当。其中干旱半干旱脆弱区变干与变湿的面积相当；北方农牧林草区以变干为主，占7%左右；南方农牧脆弱区和西南岩溶山地石漠化脆弱区只存在显著变干区域，分别占2%左右和20%左右；而青藏高原脆弱区和黄土高原脆弱区则只存在显著变湿区域，分别占15%左右和8%左右。

图9 1980～2014 年中国生态脆弱区年平均标准化降水蒸发指数（SPEI）的变化趋势空间分布。图中斜线区域表示通过0.05 显著性检验Fig. 9 Geographical distribution of the linear trend of annual standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) in EFZs in China between 1980 and 2014. Areas passing 0.05 significant trend are striped

对于区域平均年SPEI 变化趋势，如图10 和表2，由于脆弱区内部干湿变化不一致，全脆弱区几乎不存在趋势，而各脆弱区的整体趋势也并不显著。对于北方生态脆弱区，北方农牧林草区略有变干倾向，黄土高原脆弱区和干旱半干旱脆弱区则有变湿的倾向。南方生态脆弱区中的青藏高原脆弱区有变湿的倾向，南方农牧脆弱区无明显趋势。而西南岩溶山地石漠化脆弱区则有较为明显的变干趋势，区域平均年SPEI 变化速率为-0.133 (10 a)-1，但也并未通过显著性检验。

图10 1980～2014 年（a）全脆弱区、（b）北方农牧林草区、（c）黄土高原脆弱区、（d）干旱半干旱脆弱区、（e）青藏高原脆弱区、（f）南方农牧脆弱区、（g）西南岩溶山地石漠化脆弱区区域平均年SPEI 的时间变化Fig. 10 Changes in region-averaged annual SPEI in (a) the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs,(c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs, (e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and (g) southwest karst rocky desertification EFZs during 1980-2014

3.3.2 干旱情况

基于表1 中对干旱的划分，统计得到1980～2014 年中国生态脆弱区中等干旱和极端干旱发生月数气候态和变化趋势的空间分布（图11）。中国生态脆弱区年平均中等干旱发生月数多大于1（严重地区甚至大于4），而年极端干旱发生月数多小于1（图11a 和11c）。具体来看，北方生态脆弱区东部和中部的干旱更加严重，而西部准噶尔盆地地区的干旱较少。南方生态脆弱区东部在变干的同时，干旱也较为多发，但多为中等干旱；而西部青藏高原地区部分尽管有变湿的迹象，其干旱却也不容忽视。

中等干旱和极端干旱发生月数变化趋势的空间分布与干湿变化趋势有一定的相似性（图11b 和11d），整体呈现东部增加、西部减少的特征。北方生态脆弱区较为复杂：北方农牧林草区东部的大兴安岭及以东地区极端干旱整体呈增加趋势（少数地区通过了显著性检验），中等干旱同样也呈增加趋势（部分地区通过了显著性检验）；除关中平原呈显著增加趋势外，中部黄土高原脆弱区多数地区的中等干旱发生月数整体呈减少趋势，而极端干旱在东北部增加，西部减少；除东部内蒙古高原和西部吐鲁番盆地以北等显著变干区域的干旱呈显著增加趋势外，干旱半干旱脆弱区多数区域的干旱有减少趋势。南方生态脆弱区西端少部分地区和东部地区的干旱有显著增加趋势，青藏高原脆弱区整体呈减少趋势。

图11 1980～2014 年中国生态脆弱区年平均（a、b）中等和（c、d）极端干旱发生月数气候态（左列）及变化趋势（右列）的空间分布。（b、d）中斜线区域表示通过0.05 显著性检验Fig. 11 Geographical distribution of the average (left column) and the linear trends (right column) of annual (a-b) occurrence months of moderate drought and (c-d) occurrence months of extreme drought in EFZs in China during 1980-2014. Areas passing 0.05 significant trend in (b) and (d) are striped

区域来看，全脆弱区有近10%区域的年中等干旱发生月数呈显著增加趋势，只有近5%区域为显著减少，而年极端干旱发生月数显著增加与显著减少的面积相近（图3d 和3e）。具体来看，北方农牧林草区的中等干旱以增加为主，占总面积的17%左右，极端干旱显著增加的区域也明显大于减少；黄土高原脆弱区和青藏高原脆弱区与之相反，以显著减少为主；干旱半干旱脆弱区中等干旱发生月数显著增加与显著减少的区域相当，而极端干旱则以减少为主；南方农牧脆弱区多数区域的中等干旱发生月数无显著变化，但有13%左右区域的极端干旱发生月数显著增加；西南岩溶山地石漠化脆弱区的干旱最为严重，中等和极端干旱显著增加的面积比都超20%。如图12 及表2，同样由于脆弱区内部变化的不一致，全脆弱区的年干旱发生月数也并没有较为明显趋势。具体来看，北方生态脆弱区中只有北方农牧林草区的干旱发生月数呈增加趋势，但也未通过显著性检验；而南方生态脆弱区中的西南岩溶山地石漠化脆弱区的区域平均年干旱发生月数以0.708 months/10 a（通过显著性检验）的速率增加。

图12 1980～2014 年（a）全脆弱区、（b）北方农牧林草区、（c）黄土高原脆弱区、（d）干旱半干旱脆弱区、（e）青藏高原脆弱区、（f）南方农牧脆弱区、（g）西南岩溶山地石漠化脆弱区区域平均年干旱发生月数（中等干旱及极端干旱）的时间变化。*、**分别表示通过0.05、0.01 显著性检验Fig. 12 Changes in region-averaged annual occurrence months of drought (both moderate drought and extreme drought) in (a) the whole area of EFZs, (b) northern agriculture, pasture, forest, and grassland EFZs, (c) Loess Plateau EFZs, (d) arid and semiarid EFZs, (e) Tibet Plateau EFZs, (f) southern agriculture and pasture EFZs and (g)southwest karst rocky desertification EFZs during 1980-2014, in which* and ** denote passing 0.05 and 0.01 significant trends, respectively

4 结论与讨论

通过以上对我国1980～2014 年生态脆弱区高温热浪及干旱的分析，可得到如下结论：

（1）中国生态脆弱区年高温日数整体呈增加趋势，其气候平均和趋势的空间分布形态具有较好的一致性。其中，北方生态脆弱区的高温天气分布更广泛，其变化特征在20 世纪90 年代中期前后发生突变，之前区域平均年高温日数少且年际变化也小，之后高温日数及年际变化迅速增加。南方生态脆弱区多位于高海拔地区，高温天气只发生在西南岩溶山地石漠化脆弱区东部和青藏高原脆弱区南端等海拔较低的地区，但这些地区高温日数增加速率较北方生态脆弱区快。值得注意的是，基本不发生高温天气的南方农牧脆弱区近些年也出现了高温现象。

（2）热浪的时空变化与高温日数相似。北方生态脆弱区热浪天气的分布同样更加广泛，其变化特征在20 世纪90 年代中期前后同样发生突变，且该突变比高温日数更加明显，突变之后热浪天气开始频繁。南方生态脆弱区的热浪事件同样只在海拔相对较低的地区发生，其增加速率同样较快，尤以西南岩溶山地石漠化脆弱区为著。在热浪事件愈加频发下，南方农牧脆弱区也在2014 年首次有热浪事件发生。

（3）干湿程度而言，中国生态脆弱区东部整体呈变干趋势，而西部多为变湿趋势。在区域平均上，各生态脆弱区的变化趋势都比较小，且无生态脆弱区通过显著性检验。

（4）大部分生态脆弱区都有至少1 个月达到中等干旱程度，而极端干旱发生月数则多小于1。干旱发生月数趋势的空间分布与干湿变化相似，但黄土高原脆弱区例外：尽管多数地区存在变湿的趋势，但其东北部地区的极端干旱发生月数却呈增加趋势。西南岩溶山地石漠化脆弱区的干旱事件增加最快且显著。

Wang X Y et al.（2018）分析了北方农牧交错带45 个站点的极端温度指数变化情况，指出该地区的极端暖事件（如暖夜日数、暖昼日数、夏季日数、热夜日数等）呈显著增加趋势，且上升趋势多在1980 年后；本文也指出北方农牧林草区在1980年以后高温热浪有增加的趋势，但该趋势并不显著。两者之间的差异可能与采用的指数不同有关。本文统计的高温热浪是依据中国气象局的定义：将日最高气温≥35°C 视为一个高温日，将连续3 d 及以上的高温视为一次热浪事件。而Wang X Y et al.（2018）文章中统计的极端暖事件的定义是气候变化检测与指数专家组（ETCCDI）提出的指数（包括绝对指标、相对指标和极值指标等）。孙艺杰等（2020）利用日最高气温的90%分位数作为高温阈值，超过该阈值时定义为一次高温热浪事件，通过对1960～2016 年黄土高原地区发生的高温热浪进行统计，发现高温热浪在1995 年以后呈明显增加趋势，这与本文的结果相似。张嘉仪和钱诚（2020）的研究中对高温热浪的定义与本文一致，其对西北地区高温热浪的分析发现1960～2018 年西北地区的高温热浪同样呈增加趋势。You et al.（2017）计算并比较了1961～2014 年全国和不同区域16 个不同热浪指数的变化趋势，其青藏高原和西南地区的计算结果与本文相似，多数指数显示这两个区域的热浪呈显著增加趋势，其主要增加的时段为1991～2014 年。

杜华明等（2015）采用降水温度均一化指标对北方农牧交错带1961～2012 年的干旱情况进行了分析，尽管结果显示北方农牧交错带1961～2012年的干旱整体呈减少趋势，但此地区干旱灾害的发生频率与强度在1997 年以后呈加强趋势，这与本文结果相似。孙艺杰等（2020）使用标准化降水指数（SPI）分析了黄土高原1960～2016 年干旱情况，发现黄土高原整体存在由涝转旱的趋势，与本文结论相反；这可能是孙艺杰等（2020）所采用的SPI指数未考虑蒸散发的影响，而本文所采用的SPEI同时考虑了降水和蒸散发的影响。黄小燕等（2015）采用降水量比潜在蒸散量的地表湿润指数分析了我国西北地区1960～2011 年极端干旱发生情况，尽管研究区域比干旱半干旱脆弱区大，其极端干旱同样呈减少趋势，且极端干旱变化趋势的空间分布也与本文结果有一定相似。梁晶晶等（2019）采用SPEI 对青藏高原1980～2014 干旱趋势的分析结果与本文相似，即青藏高原地区的干旱整体有缓解趋势。王东等（2014）基于SPEI 对西南地区1960～2012 年干旱的分析显示，西南各地区均呈干旱化趋势，其中云贵高原部分的趋势相对更加明显，这也与本文西南岩溶山地石漠化脆弱区干旱增加最快且显著的结论一致。

平均气候的变化会导致其所对应的极端气候的概率发生非线性变化（程炳岩等，2013）。孙康慧等（2019）的研究表明，自20 世纪80 年代以来中国生态脆弱区的日平均气温、日最高、最低气温几乎都呈上升趋势。可见，中国生态脆弱区高温热浪事件的增加可能在一定程度上是由于气温升高导致的。而我国北方生态脆弱区的干湿变化与孙康慧等（2019）分析的年均降水变化的空间分布基本一致，说明尽管SPEI 指数考虑了蒸散发，但北方生态脆弱区的整体干湿变化可能主要由降水变化决定。对于西南岩溶山地石漠化脆弱区干旱的显著增加，温度升高可能是其主要原因，而降水减少等也在一定程度上加重了干旱（韩兰英等, 2014）。

除了与局地平均气候的变化有关外，高温热浪和干旱的变化可能还与大气环流、海表面温度（SST）变化及人类活动有关。比如，西南地区的高温热浪变化与异常高压的形成和维持有关（黄小梅等, 2020），北方生态脆弱区东部的干旱化趋势与东亚季风自20 世纪70 年代中后期起的减弱有关（黄荣辉等, 2008），20 世纪90 年代中期北方生态脆弱区高温热浪的突变与大气环流在1997 年前后发生的巨大转变有关（李娟等, 2012）。Wang et al.（2017）发现热带西太平洋暖SST 通过激发向北传播到东亚的Rossby 波增加中国北方地区（包括北方生态脆弱区）的热浪发生的风险；而南方生态脆弱区东部、黄土高原脆弱区和干旱半干旱脆弱区西部的干旱变化受ENSO 等的调制（苏明峰和王会军, 2006; 王东等, 2014; 孙艺杰等, 2019）。此外，人类活动（如温室气体排放，土地利用等）对我国的干旱影响正在日益加强（Chen and Sun,2017; Omer et al., 2020）。

我国生态脆弱区高温热浪频率和强度的增加以及北方农牧林草区和西南岩溶山地石漠化脆弱区的干旱化会对生态系统产生一系列影响。比如，干旱和高温热浪均会减少通过光合作用进入生态系统的碳量并增加火灾的发生风险，高温热浪会增加土壤呼吸（Li et al., 2012; Bonan, 2016）。在干旱条件下，水分胁迫导致植物生长受限，从而降低自养呼吸速率，同时由于植物碳底物的供应减少和微生物分解作用下降，土壤异养呼吸速率也呈降低趋势；干旱还会导致树木“水力传导失效”或“碳饥饿”死亡并增加病虫害（朴世龙等, 2019）。以上均会减弱生态系统碳汇功能，增加生态系统脆弱性。同时北方农牧林草区和南方农牧脆弱区高温热浪的增加还会增强作物开花期附近的热胁迫，从而导致减产（Siebert and Ewert, 2014）。相反，干旱半干旱脆弱区和青藏高原脆弱区变湿的趋势可在一定程度上减缓这些地区的脆弱性。

致谢感谢高学杰研究员提供了CN05.1 格点化观测数据集，同时感谢曾晓东研究员对本文进行了细致的检查修改。