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近54年北方干湿变化的时空结构 干旱及其形成机制是一个古老而充满挑战的研究课程。这也是世界上最严重的自然灾害。据统计，世界每年的干旱经济损失可达60万亿美元。干旱已成为一个严重的环境问题。关于干旱的研究还有困难。这不仅包括表面收支的自然变化，还包括人类活动的严重干扰。这是一个需要多学科交叉研究的科学问题。然而，获得的观测数据并不能满足研究的需要。干旱的大小是当前商业和科学研究中必须考虑的问题之一。根据不同学科的需要，以往的研究采用了不同的干旱法，如气候、农业、水文、生态、社会经济等干旱指标。在美国，通常有13种干旱指数用于经济和研究。 已有的工作通过对降水量变化的研究揭示了区域干旱的诸多事实[3～7], 但降水在表征干旱及干旱化特征上的局限性已被大家所认识, 特别是降水变化不能表征温度变化对地表水分收支的影响, 它只是作用于地表干湿变化的一个重要因子, 但不唯一.随着全球增暖的加剧, 升温引起蒸发潜力的变化已经对地表湿润状况产生了重要作用[8～10], 降水异常已不能客观地表征地表的干湿变化, 因此, 我们必须寻求新的方法或者表征指标.Palmer早在1965年就提出了一个能够用于干旱检测及分析的指标-Palmer干旱指数 (The Palmer Drought Severity Index, 简称PDSI) , 这是目前在全球或区域干旱检测中应用最广泛的干旱指标, 但它的局限性在于对计算方案中参数的区域性非常敏感.除此之外, 还有大量的干旱指标在研究和业务工作中得到应用[2, 8～10, 13～17]. 地表湿润指数近年来在中国区域干湿变化的检测中得到很好的应用, 特别是对中国北方干旱、极端干旱和干湿变化趋势的研究显示出独特的应用价值, 它的优点是既考虑降水变化又包含温度变化的影响, 计算方案中包含了地表水分收支的两个重要过程降水和潜在蒸发, 计算方便, 所需资料少, 并且和目前国际通用的PDSI在表征中国区域干湿变化特征时是一致的. PDSI是1965年发展起来的, 由于计算方案中的物理参数主要取自美国区域的气候水文资料, 所以在美国之外地区的应用有很大的局限性.安顺清等、刘巍巍等利用中国区域的气候资料对PDSI计算方案的参数进行了订正, 使其更适合于在中国区域的使用, 但它的局限性还在于对土壤湿度参数使用的不确定性, 由于实测土壤湿度资料的缺乏, 这个局限性当前还无法消除. 土壤湿度被认为是表征干旱特征的客观指标但由于观测资料的缺乏, 现有的观测资料还无法满足研究和业务工作的需要.目前土壤湿度的数据主要来自于反演和不完全的观测数据, 为了弥补观测数据的不足, 土壤湿度的反演是一个行之有效的方法.当前土壤湿度的反演无外乎两种途径, 其一是利用卫星遥感信息进行土壤湿度的反演, 有关研究最近几年取得了很大的进展, 有着巨大的研究潜力和应用前景, 但由于卫星遥感资料时间长度较短, 不能用于长时间尺度的分析, 反演的土壤湿度的精度还有一定局限性, 也仅局限在对表层土壤湿度的反演.这就促使了利用基本气候资料反演土壤湿度方法研究的开展, 这是反演土壤湿度的第二种途径.马柱国建立的用基本气候资料反演土壤湿度的方法经验证对中国东部的土壤湿度有较好的反演, 已用于长时间尺度的干湿变化分析. 在增暖背景下, 全球极端干旱的面积正在扩大.大量的事实也揭示了中国北方地区干旱化正在加剧且增暖显著.据统计:吉林省草原面积每年以2.8%递减, 草原重度退化的面积占整个草原面积的47.5%;在内蒙古东部, 近10年沙漠化令科尔沁沙地以每年2.4%的速度扩展.中国北方半干旱带的分界线过去半个世纪正向东南方向波动式扩展;黄河径流也在不断减少;北方主要农业区不同程度的干旱面积均有扩大的趋势, 这些都是干旱化的具体表现.降水减少和温度升高是形成当前中国北方大部分地区显著干化的主要原因.以上研究为进一步认识中国北方干旱化特征提供了丰富的证据, 但由于各自采用的方法、资料和所研究区域的不同, 难以对整个北方近半个世纪以来干旱化趋势的时空格局有一个系统完整的认识. 本文拟在过去研究的基础上, 以地表湿润指数变化的分析为主, 通过与降水、PDSI和反演的土壤湿度3个干湿指标的对比, 揭示中国北方近54年 (1951～2004年) 的干旱化特征, 系统地认识干旱化的年代际时空格局, 而对形成干旱化的原因本文将不加涉及. 1 数据和方法 1.1 数据收集 本文所用资料为中国气象局国家气候中心提供的160站的月降水和月平均气温资料, 时间长度为1951～2004年.站点的分布见图2. 1.2 干旱指数和相干干强度的计算 (ⅰ) 地表湿润指数.有关地表湿润指数的建立, 文献已有详细的介绍, 在此只简单地说明这个指数的物理意义.它的基本物理过程就是考虑了影响地表干湿状况变化的两