甘肅省近48年春旱時(shí)空變化趨勢(shì)分析

馬建琴，韓 曦

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

隨著近年來全球氣候變暖，干旱事件已成為各國(guó)政府及科學(xué)界關(guān)注的全球環(huán)境變化的焦點(diǎn)之一［1］.中國(guó)西北地區(qū)干旱、半干旱面積約占國(guó)土面積的47%，是我國(guó)受干旱影響較重的區(qū)域.甘肅省地處西北內(nèi)陸地區(qū)，是氣候變化敏感和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物灌溉方式主要為雨養(yǎng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)降水量的變化響應(yīng)最為敏感.春旱是指3—5月期間出現(xiàn)的氣象災(zāi)害，此時(shí)正值甘肅冬小麥拔節(jié)、春小麥和大秋作物播種的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)水分的要求極高［2］.所以研究甘肅省春季干旱變化特征對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、糧食安全、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義.

近年來我國(guó)學(xué)者對(duì)甘肅省干旱進(jìn)行了多角度的研究，王燕等［3］利用EOF方法對(duì)甘肅省近37年的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析，指出甘肅省干旱區(qū)降水具有少且不穩(wěn)定的特點(diǎn).在EOF方法的基礎(chǔ)上，韓暉等［4］結(jié)合降水距平百分率等指標(biāo)對(duì)甘肅省降水結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為甘肅省區(qū)域降水不具有統(tǒng)一特征.尹憲志等［5］利用甘肅省近50年的旱災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料，分析了旱災(zāi)的特征并提出了旱災(zāi)應(yīng)對(duì)措施.但是現(xiàn)有研究多集中在甘肅省降水量空間分布規(guī)律及旱災(zāi)統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析上，對(duì)季節(jié)性干旱特別是春季干旱的時(shí)空規(guī)律特征和周期特征研究不足.

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standard Precipitation Index，SPI)是表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率的指標(biāo)之一.由于其計(jì)算簡(jiǎn)便、時(shí)間尺度靈活，因而更能適用于季節(jié)性干旱的監(jiān)測(cè)與評(píng)估.目前常用的氣候序列趨勢(shì)變化分析方法以參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法為主.此方法要求樣本遵從一定分布，且常受異常值的干擾，而降水序列通常不遵從特定的分布且波動(dòng)較大，因此并不適用于降水序列的趨勢(shì)變化分析.Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法(簡(jiǎn)稱M-K法)克服了參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法的缺點(diǎn)，適用于降水趨勢(shì)變化研究［6］.小波函數(shù)可以將時(shí)間序列分解成為時(shí)間和頻率，從而獲取復(fù)雜時(shí)間序列的周期規(guī)律，還可分辨時(shí)間序列在不同時(shí)間尺度上的演變特征.

因此，筆者采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法和小波分析法對(duì)甘肅省春季SPI的時(shí)空趨勢(shì)變化和周期特征進(jìn)行分析，旨在為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的健康發(fā)展提供理論參考.

1 研究資料

甘肅省地處青藏、黃土高原和內(nèi)蒙古三大高原交匯地帶，處于我國(guó)氣候自東南多雨帶向西北內(nèi)陸少雨帶逐漸過渡的地帶，降雨稀少，水資源匱乏，氣候變化格局復(fù)雜，導(dǎo)致氣象災(zāi)害頻發(fā)［5］.近年來，甘肅省春季干旱頻發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了巨大的影響.2007年甘肅隴東、隴南東部和甘南地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的春旱，受災(zāi)面積達(dá)30萬hm2，導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失5 600萬元.2009年甘肅爆發(fā)大面積春旱，全省農(nóng)業(yè)受旱面積1 500萬hm2，其中重旱面積600萬hm2.

這里采用中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)信息共享網(wǎng)提供的甘肅省境內(nèi)30個(gè)氣象站點(diǎn)1962—2010年的春季降水?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行變化特征和周期特征分析.甘肅省內(nèi)氣象站點(diǎn)的分布如圖1所示.

圖1 甘肅省內(nèi)氣象站點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)法

由于降水量一般呈偏態(tài)分布，所以在干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)估中，需對(duì)研究區(qū)域內(nèi)30個(gè)氣象站1962—2010年共48 a的春季降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行變換處理.首先計(jì)算出時(shí)段內(nèi)降水量的Γ分布概率，再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率分布來劃分干旱等級(jí)［7－8］.

假設(shè)某時(shí)段降水量為隨機(jī)變量x，則其Γ分布的概率密度函數(shù)為

式中β，γ分別為尺度和形狀參數(shù)，β＞0，γ＞0.實(shí)際計(jì)算中，β和γ可由極大似然估計(jì)法求得，即

確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后，可求出隨機(jī)變量x小于某一年降水量x0的概率，即

對(duì)Γ分布概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將由式(1)—(2)計(jì)算的結(jié)果代入標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布函數(shù)式(3)求得Z值.Z值即為SPI值.

實(shí)際計(jì)算中，可按式(4)來計(jì)算Z值.

式中:當(dāng)F ＞ 0.5時(shí)，S=1;當(dāng) F ≤0.5時(shí)，

2.2 Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法不要求變量服從正態(tài)分布，也不受樣本異常值的干擾，在氣候變量趨勢(shì)檢驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用.

設(shè)x1，x2，…，xn為降水時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列長(zhǎng)度，則有［9］:

式中:xj，xk分別為第j年和第k年的降水測(cè)量值，且k＞j;Var(s)為s的方差;z為正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量，若z≥1.64，表示通過信度為95% 的顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì).

變化趨勢(shì)的大小用β表示，

式中Median為取中位數(shù).β＞0表示上升趨勢(shì)，β＜0則表示下降趨勢(shì).

2.3 小波分析法

小波分析具有時(shí)頻多分辨率功能，局部分析性能優(yōu)越，可以展現(xiàn)時(shí)間序列的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而可以對(duì)不同時(shí)間尺度上的變化情況進(jìn)行分析，更準(zhǔn)確地確定干旱的變化周期［8］.小波方差反映波動(dòng)隨尺度的分布，可以用來確定一個(gè)時(shí)間序列中各種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度［9］.

已有研究表明［7，9］，小波分析實(shí)部的變化趨勢(shì)與降雨的起伏是一致的，能反映時(shí)間序列的時(shí)頻局部變化特征和任意時(shí)刻各周期所在時(shí)間的位置.因此這里采用復(fù)值morlet小波進(jìn)行周期分析，其表達(dá)式為

3 春季SPI時(shí)間變化特征分析

采用M-K法、小波分析法對(duì)甘肅省春季干旱的時(shí)間變化特征(包括趨勢(shì)、頻率、周期)進(jìn)行研究.

3.1 春季干旱趨勢(shì)

計(jì)算甘肅省1962—2010年的春季SPI值，結(jié)果如圖2所示.在研究時(shí)段內(nèi)，甘肅省春季SPI值的變率β為－0.116/10 a，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明甘肅省春季干旱趨勢(shì)加快.標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量z值為3.14，通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，表明甘肅春季干旱加快趨勢(shì)明顯.

圖2 甘肅省春季各年SPI值

3.2 春季干旱頻率

對(duì)春季干旱頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，甘肅省春季干旱發(fā)生頻率較高，約為41%，其中發(fā)生中旱以上的頻率約為20%，發(fā)生重旱以上的頻率約為3.6%.圖2中畫圈部分顯示，中等及中等以上干旱多集中于1980s初期和2000s后期.

3.3 春季干旱周期

對(duì)甘肅省春季SPI值進(jìn)行分析，研究其周期規(guī)律特征，分析結(jié)果如圖3—4所示.由圖3可知，在13 a的時(shí)間尺度上，甘肅春季SPI周期變化比較明顯，經(jīng)歷著一減一增的交替循環(huán)，且隨著年際變化振蕩幅度愈加強(qiáng)烈;2010年春季SPI等值線仍未閉合，預(yù)計(jì)在未來的一段時(shí)間內(nèi)春季干旱還會(huì)呈現(xiàn)加劇趨勢(shì).由圖4可知，甘肅省春季SPI小波方差在13 a的時(shí)間尺度上均出現(xiàn)峰值，則甘肅省春季SPI以13 a為主周期.

4 春季SPI空間變化特征分析

利用M-K趨勢(shì)分析法計(jì)算得到的各站點(diǎn)春季SPI的β值.將甘肅省地圖數(shù)字化，并將β值導(dǎo)入ArcGIS軟件中進(jìn)行插值計(jì)算，得到甘肅省春季SPI趨勢(shì)分布，如圖5所示.

圖5 甘肅省春季SPI趨勢(shì)分布

由圖5可見，隴東、隴南、甘南高原所在的河?xùn)|地區(qū)多年春季SPI值均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說明該地區(qū)春旱趨勢(shì)加速;祁連山地、河西走廊沿線所在的河西地區(qū)多年春季SPI值呈現(xiàn)微弱上升趨勢(shì)，說明該地區(qū)春旱趨勢(shì)減緩.總體來看，全省春旱趨勢(shì)在空間上的分布特征是:自西北地區(qū)向東南地區(qū)，春旱趨勢(shì)逐步加速;隴南地區(qū)春季SPI以平均0.189/10 a的速度下降，春旱加速趨勢(shì)最為明顯;海拔較高的祁連山地和河西走廊西南部春季SPI分別以0.152/10 a，0.700/10 a的速度上升，春旱趨勢(shì)暫時(shí)放緩.

5 結(jié)語

針對(duì)甘肅春旱頻發(fā)，而以往對(duì)春旱趨勢(shì)特征研究不足的情況，以甘肅省春季降雨為研究對(duì)象，利用該地區(qū)30個(gè)氣象站1962—2010年的春季降水資料，基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法和小波分析等方法對(duì)甘肅省春季SPI的時(shí)空變化特征和周期特征進(jìn)行了研究.結(jié)果顯示:甘肅省春季SPI以－1.16/10 a速度下降，春季干旱趨勢(shì)加快;甘肅省春季干旱發(fā)生頻率為41%，中旱以上發(fā)生頻率約為20%，重旱以上發(fā)生頻率約為3.6%;春季SPI以13 a為主周期變化;全省春旱呈現(xiàn)自西北地區(qū)向東南地區(qū)加速的趨勢(shì)，其中以隴南地區(qū)春旱加速趨勢(shì)最為明顯;河?xùn)|地區(qū)春旱趨勢(shì)加速，河西地區(qū)春旱趨勢(shì)減緩.

河?xùn)|地區(qū)是旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物所需的水分主要依靠自然降水，是春旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴(yán)重的區(qū)域.鑒于河?xùn)|地區(qū)春旱趨勢(shì)加速，河西地區(qū)春旱趨勢(shì)減緩的情況，建議河?xùn)|地區(qū)，特別是甘南東南、隴東西北及隴南地區(qū)加強(qiáng)干旱監(jiān)測(cè)，合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整.

該研究成果可為當(dāng)?shù)卮汉档陌l(fā)生和發(fā)展趨勢(shì)提供預(yù)測(cè)，為防旱抗旱減災(zāi)決策以及生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展等提供理論支持和決策依據(jù).

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