鄱陽湖流域干旱氣候特征研究*

閔 屾，嚴(yán) 蜜，劉 健

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008)

鄱陽湖流域位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，受東亞季風(fēng)影響，降水的季節(jié)變化和年際變化均較大，不僅洪澇災(zāi)害頻繁出現(xiàn)，干旱災(zāi)害也較嚴(yán)重.近50年統(tǒng)計(jì)資料表明，在鄱陽湖區(qū)，雖然水災(zāi)的經(jīng)濟(jì)損失大于旱災(zāi)，但無論是受災(zāi)農(nóng)田面積還是受災(zāi)人口，都是旱災(zāi)多于水災(zāi)，說明旱災(zāi)對社會經(jīng)濟(jì)的影響并不亞于水災(zāi)［1］.閔騫等［2］分析江西省1995-2006年雨、水情特征，發(fā)現(xiàn)在1995-2006年間江西省經(jīng)歷了降水總量由多到少、空間分布由大范圍到局部多點(diǎn)、時間分配由長歷時到短時段的轉(zhuǎn)變;同時他還指出大范圍洪澇災(zāi)害減少、旱災(zāi)增多、旱情加重，防旱抗旱任務(wù)更為繁重.由于降水量的變化是影響極值流量最重要的因素［3］，蒸發(fā)量的變化也會對徑流造成一定程度的影響［4］，因此，近年來不少專家學(xué)者根據(jù)降水量和蒸發(fā)量的變化來分析鄱陽湖流域的干旱［5-9］.樊任華等［10］基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，分析了江西夏季干旱時空分布特征，結(jié)果表明夏季干旱較為頻繁，但干旱的發(fā)生以輕旱為主，干旱的頻率從10%到30%不等，贛南部分地區(qū)發(fā)生的頻率相對較低.閔騫等［11］根據(jù)7-10月蒸發(fā)總量與7-10月降水總量定義干旱指數(shù)，并結(jié)合歷史記載資料，分析了鄱陽湖區(qū)近1000年來干旱的氣候演變特征，表明從大周期上看，本世紀(jì)鄱陽湖湖區(qū)的氣候嚴(yán)重干旱屬正常偏少狀態(tài);但從小周期看，20世紀(jì)前20年湖區(qū)氣候嚴(yán)重干旱為偏多狀態(tài)，未來十幾年的抗旱形勢依然十分嚴(yán)峻.因此，分析鄱陽湖流域的干旱氣候特征對人民的生產(chǎn)生活以及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展依然有著至關(guān)重要的意義.

以往分析鄱陽湖流域干旱時，主要針對7-10月的干旱，即伏旱和秋旱，因?yàn)檑蛾柡饔蛳?、秋季?jié)降水相對較少，多發(fā)干旱，且夏、秋季節(jié)的干旱容易對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響.雖然春季是鄱陽湖流域的多雨季節(jié)，但據(jù)鄱陽湖水文局?jǐn)?shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，自1992年起，都昌水文站3月上旬至5月中旬平均水位正在以每年0.13 m左右的速度下降，說明鄱陽湖的春旱正在加劇.春天是萬物復(fù)蘇、生機(jī)勃發(fā)的季節(jié)，嚴(yán)重的春旱會給漁業(yè)乃至生態(tài)環(huán)境造成深遠(yuǎn)的影響.另外，以前的研究工作中，多選用降水量或蒸發(fā)量作為衡量干旱的標(biāo)準(zhǔn)，而不同時間尺度、不同地區(qū)的降水量、蒸發(fā)量變化差異較大，直接用降水量和蒸發(fā)量在時空尺度上相互比較缺乏合理性，需要選擇更加合理的干旱指數(shù)來研究鄱陽湖流域的干旱變化.Z指數(shù)不僅考慮了降水服從偏態(tài)分布的實(shí)際，而且也進(jìn)行了正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理［12］，使之適合不同時間尺度的旱澇監(jiān)測和評價，從而得到了廣泛的應(yīng)用［13-21］.因此，本文同樣選用Z指數(shù)作為劃分鄱陽湖流域干旱的標(biāo)準(zhǔn)，且不再局限于7-10月，而是分析全年12個月的干旱時空分布特征，并選取典型干旱年份研究其季節(jié)分布差異.

圖1 鄱陽湖流域氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Lake Poyang catchment

1 資料與方法

本文運(yùn)用國家氣象信息中心提供的1960-2007年地面高密度臺站逐日降水、溫度數(shù)據(jù)，全國各省共2466個觀測站，其中基本基準(zhǔn)站756個，一般站1668個，行業(yè)站42個，鄱陽湖流域范圍內(nèi)共有162個站點(diǎn).在使用資料時，進(jìn)行了質(zhì)量控制，首先剔除在研究時間段內(nèi)遷過站的臺站.在缺測值方面，如果某個站點(diǎn)中連續(xù)缺測的天數(shù)超過5 d，那么也將該站點(diǎn)剔除.沒剔除的站點(diǎn)中，當(dāng)出現(xiàn)缺測值時，采用線性插值的方法進(jìn)行處理，由于剩余站點(diǎn)中缺測值較少，一般為1～2 d，因此對于整體研究影響較小.基于上述條件，本文在鄱陽湖流域(24°～30°N，113°30'～118°30'E)范圍內(nèi)選取了127個站點(diǎn)(圖1).

本文中選用單站Z指數(shù)來劃分旱澇等級.具體做法為假定某時段降水量服從PersonⅢ型分布，則可將其概率密度函數(shù)轉(zhuǎn)換得到:

式中，Cs為偏態(tài)系數(shù)，φi為標(biāo)準(zhǔn)化變量，n為樣本個數(shù).這里將降水量表示為D，即有:

經(jīng)過Z指數(shù)變換過程，將降水量轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)變量，以此來減小由于降水分布不均而導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)誤差，由此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)界值將旱澇分為7級(表1)，將旱澇等級＞4的統(tǒng)稱為干旱，旱澇等級=5、6、7的分別稱為偏旱、大旱和特旱.

2 鄱陽湖流域干旱的時間變化

鄱陽湖流域年降水總量在1960s以偏少為主，1970s和1980s年際變化比較明顯，從1990年至2007年呈現(xiàn)出由明顯偏多轉(zhuǎn)為偏少的變化趨勢(圖2a).分析鄱陽湖流域年平均溫度的年際-年代際變化(圖2b)可知，其在1990s中期以前以偏低為主，1997年以來呈現(xiàn)顯著的上升趨勢.由于溫度升高可能導(dǎo)致蒸散異常變化，因此，采用日本高橋浩一郎提出的計(jì)算公式［22］來計(jì)算鄱陽湖流域各站實(shí)際蒸散量.在2000年以前，鄱陽湖流域年蒸散總量與年降水總量呈現(xiàn)出很好的正相關(guān)關(guān)系，年降水總量偏多(少)時年蒸散總量偏多(少);2000年以來，鄱陽湖流域年降水總量呈現(xiàn)下降的趨勢，但是年蒸散總量依然偏多(圖2c)，這可能是增溫顯著造成的.

表1 旱澇等級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification of drought and flood

圖2 鄱陽湖流域年平均降水總量(a)、溫度(b)、蒸散總量(c)和有效降水量(d)標(biāo)準(zhǔn)化距平以及11年滑動平均曲線Fig.2 Time series of the normalized annual precipitation amount(a)，temperature(b)，evaporation(c)，effective precipitation amount(d)and their 11-year running average in Lake Poyang catchment

許多研究表明，在全球增暖的背景下，極端天氣與氣候事件急劇增加，對國民經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重災(zāi)害.因此，我們在定義氣象干旱指數(shù)時，不僅需要考慮降水異常的作用，也需要考慮由于增暖導(dǎo)致蒸散加劇的影響.本文以降水量減蒸散量(下面稱為有效降水量)作為表征干旱強(qiáng)弱的物理量.鄱陽湖流域有效降水量的年際變化基本與年降水總量一致，由于受到增溫蒸散加劇的影響，近十年來有效降水量的下降趨勢比年降水總量更加明顯，其中，2003、2004和2007年有效降水量顯著偏少(圖2d).因此，下面用有效降水量替代降水量來計(jì)算Z指數(shù).

首先，為了定量描述鄱陽湖流域干旱出現(xiàn)站點(diǎn)的多少，以絕對值大于0的年份定義為偏多或偏少年，絕對值大于1的年份定義為異常偏多或偏少年.分析發(fā)現(xiàn)鄱陽湖流域在1960s中期出現(xiàn)干旱(旱澇等級＞4)的站點(diǎn)偏多，1970s和1980s也有異常偏多的年份存在，如1971、1978及1986年;1990s出現(xiàn)干旱的站點(diǎn)偏少，從2000年以來又呈現(xiàn)出偏多的趨勢，說明2000年以來鄱陽湖流域干旱呈現(xiàn)出增加的趨勢，尤其是2003、2004和2007年干旱站點(diǎn)異常偏多，這與由有效降水量得到的結(jié)果一致，它們之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=－0.94，P＜0.001)，即有效降水量偏少(多)時，干旱等級偏大(小)，這也表明Z指數(shù)在表征鄱陽湖流域干旱方面是有效的.

1970s以來秋、冬季(11、12月)偏旱出現(xiàn)的站點(diǎn)數(shù)較多，另外，冬季1、2月在1980s中期也有較多站點(diǎn)出現(xiàn)偏旱;除1990s以外，夏季(6-8月)出現(xiàn)偏旱的站點(diǎn)數(shù)也較多;春季偏旱相對較少(圖3a).鄱陽湖流域大旱主要發(fā)生在上半年(1-6月)，1960s初1-3月尤其顯著;春季(3-5月)發(fā)生大旱的站點(diǎn)相對較多(圖3b).鄱陽湖流域特旱也存在比較明顯的季節(jié)和年代際變化，1960s 1-6月出現(xiàn)特旱情況的站點(diǎn)數(shù)相對較多，1970s特旱站點(diǎn)數(shù)較多的季節(jié)出現(xiàn)在2-4月，而1980s以來特旱主要出現(xiàn)在3-6月(圖3c).

圖3 鄱陽湖流域各級干旱站點(diǎn)數(shù)的季節(jié)-年際變化:(a)偏旱;(b)大旱;(c)特旱Fig.3 Seasonal and interannual variations of the station numbers with different grades of drought occurred in Lake Poyang catchment:(a)slight drought;(b)heavy drought;(c)extreme drought

為了更方便地看出鄱陽湖流域各月發(fā)生干旱的情況，給出各月各等級干旱發(fā)生的頻率(圖4)，結(jié)果表明偏旱的極大值出現(xiàn)在夏季的7月，發(fā)生頻率達(dá)24.0%，其次為秋季的11月，約為21.1%;偏旱的極小值出現(xiàn)在秋季的10月，發(fā)生頻率為10.4%;而春季3個月份偏旱發(fā)生頻率均相對較少.大旱發(fā)生頻率的季節(jié)分布特征與偏旱不同，其極大值出現(xiàn)在冬季的2月，發(fā)生頻率達(dá)13.0%，冬季的1、2月份大旱平均發(fā)生頻率為10.6%(冬季的12月大旱發(fā)生頻率為0);大旱發(fā)生頻率的次大值出現(xiàn)在春季的4月，約為12.9%，整個春季平均大旱發(fā)生頻率為11.3%;秋季大旱發(fā)生的頻率最小.特旱發(fā)生頻率的季節(jié)變化特征與大旱類似，1-6月特旱發(fā)生頻率較大，7-12月幾乎不發(fā)生;且特旱發(fā)生頻率最大的3個月均出現(xiàn)在春季.

進(jìn)一步分析干旱發(fā)生頻率發(fā)現(xiàn)，全年有3個月份的干旱發(fā)生頻率大于30.0%，按大小順序依次為春季的4月、夏季的6月以及冬季的2月.春季干旱平均發(fā)生頻率為30.8%，其中14.8%為大旱、特旱;夏季的7、8月干旱平均發(fā)生頻率為25.0%，其中偏旱占22.6%，而6月干旱發(fā)生頻率為31.6%，其中13.7%為大旱、特旱;秋季干旱平均發(fā)生頻率為16.9%，其中16.5%為偏旱;冬季的1、2月干旱平均發(fā)生頻率為29.3%，其中11.8%為大旱、特旱，而12月只有偏旱發(fā)生.上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明鄱陽湖流域7-12月發(fā)生的干旱以偏旱為主，而大旱、特旱主要發(fā)生在1-6月.

圖4 鄱陽湖流域各級干旱發(fā)生頻率的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal frequencies of drought with different grades occurred in Lake Poyang catchment

3 鄱陽湖流域干旱的空間分布

為了避免由于站點(diǎn)分布不均而導(dǎo)致的空間插值以及統(tǒng)計(jì)誤差，把24°～30°N，113°30'～118°30'E范圍內(nèi)的127個站點(diǎn)分成1°×1°的小方格，即共有5×6=30個小方格，計(jì)算每個小方格中的站點(diǎn)數(shù)N.某一年每個小方格中旱澇等級＞4(或旱澇等級=5、6、7)的站點(diǎn)數(shù)n與該方格中站點(diǎn)數(shù)N的比值表示為該格這一年的干旱(偏旱、大旱、特旱)強(qiáng)度，比值大于0說明該格這一年出現(xiàn)干旱(偏旱、大旱、特旱)，比值為1說明該方格內(nèi)所有站點(diǎn)均出現(xiàn)干旱(偏旱、大旱、特旱)，即強(qiáng)度達(dá)到最大.所有出現(xiàn)干旱的格點(diǎn)總數(shù)表示該年發(fā)生干旱的范圍;某一格在1960-2007年間干旱強(qiáng)度不為0的年份數(shù)表示該格發(fā)生干旱的頻數(shù).

本文利用年Z指數(shù)對鄱陽湖流域干旱的總體分布特征進(jìn)行分析.從鄱陽湖流域干旱出現(xiàn)頻數(shù)的分布表明(圖5a)，極大值出現(xiàn)在江西北部鄱陽湖湖區(qū)附近，達(dá)27年以上，極小值出現(xiàn)在江西東南部，約為20年;鄱陽湖流域多年平均干旱強(qiáng)度(圖5b)呈現(xiàn)出與干旱頻數(shù)相反的分布形式，干旱強(qiáng)度的極小值小于0.60，出現(xiàn)在鄱陽湖湖區(qū)附近，而極大值大于0.70，出現(xiàn)在江西東南部.鄱陽湖流域干旱出現(xiàn)頻數(shù)與多年平均干旱強(qiáng)度的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)到－0.78，超過了0.001的顯著性水平.

鄱陽湖流域偏旱出現(xiàn)頻數(shù)的分布形式與干旱頻數(shù)的分布型基本類似(圖略)，二者的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94，顯著相關(guān)，其中偏旱極大值為24年左右，極小值小于14年.鄱陽湖流域偏旱強(qiáng)度分布形式也與干旱強(qiáng)度基本類似，兩者空間相關(guān)系數(shù)約為0.84(圖略)，偏旱強(qiáng)度的極大值出現(xiàn)在江西東南部，大于0.50，極小值出現(xiàn)在鄱陽湖湖區(qū)附近，小于0.40.鄱陽湖流域大旱、特旱出現(xiàn)頻數(shù)的分布形式同樣與干旱頻數(shù)基本類似，極大值出現(xiàn)在鄱陽湖湖區(qū)，有15年出現(xiàn)大旱，6年出現(xiàn)特旱;極小值出現(xiàn)在鄱陽湖流域東南部，出現(xiàn)大旱的年份小于10年，而出現(xiàn)特旱的年份小于4年.鄱陽湖流域大旱、特旱強(qiáng)度也與干旱強(qiáng)度的分布基本類似(圖略)，鄱陽湖湖區(qū)附近大旱、特旱強(qiáng)度約為0.35和0.30，而江西南部分別達(dá)0.50和0.75以上.以上結(jié)果說明鄱陽湖流域的各級干旱基本呈現(xiàn)出南少北多，南強(qiáng)北弱的分布形式.

分析干旱范圍和干旱強(qiáng)度的變化可知(圖略)，2000年以來干旱范圍和干旱強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加的趨勢，尤其是2003、2004和2007年.這三年分別有26、29和21個小方格發(fā)生干旱，其中發(fā)生大旱和特旱的小方格數(shù)分別為 22、24 和 19;這三年干旱強(qiáng)度分別為0.84、0.85 和0.92，而大旱和特旱強(qiáng)度為0.72、0.73 和0.84.這說明這三年干旱發(fā)生的范圍廣、強(qiáng)度大，與上面得到的結(jié)論一致.因此，下面具體分析這三年干旱的季節(jié)分布特征.

4 鄱陽湖流域典型年份的干旱特征

利用逐月Z指數(shù)分析2003、2004和2007年各級干旱的季節(jié)變化特征.2003年除了1、5和11月以外，其他月份的干旱范圍均過半，極大值出現(xiàn)在7月，整個鄱陽湖流域均出現(xiàn)干旱;偏旱出現(xiàn)的范圍與干旱基本一致，只在3-7月范圍略小;各個季節(jié)出現(xiàn)大旱的范圍均不大，相對較大的月份為2、3、6和7月，約占全流域面積的30%～40%，其他月份均在3個小方格以內(nèi);另外，僅在4月有1個小方格出現(xiàn)特旱，其它月份均無特旱出現(xiàn)(圖6a).2004年干旱季節(jié)變化顯著，僅在2、3、4、6和10月干旱面積過半，極大值出現(xiàn)在6月;偏旱范圍與干旱范圍較一致，僅在3月和6月比干旱范圍小;出現(xiàn)大范圍大旱、特旱的月份主要集中在3月和6月，其中6月有22個小方格出現(xiàn)大旱以及7個小方格出現(xiàn)特旱，分別約占整個鄱陽湖流域面積的73.3%和23.3%(圖6b).2007年干旱的季節(jié)變化也非常明顯，5月整個鄱陽湖流域均出現(xiàn)干旱，7月也有約93.3%的范圍出現(xiàn)干旱，1、8和12月出現(xiàn)干旱的范圍小于20.0%;偏旱出現(xiàn)范圍最大的月份為7、10和11月也有60.0%以上的范圍出現(xiàn)偏旱;大旱、特旱的變化較為極端，主要集中在5月出現(xiàn)，大旱范圍達(dá)86.7%，而特旱范圍也達(dá)80.0%(圖6c).

圖6 典型干旱年份各級干旱范圍的季節(jié)變化:(a)2003年;(b)2004年;(c)2007年Fig.6 Seasonal variations of drought range with different grades occurred in 2003(a)，2004(b)and 2007(c)

2003年2、3、7和12月的干旱強(qiáng)度在0.70以上，偏旱強(qiáng)度的變化形式與干旱強(qiáng)度類似，極大值出現(xiàn)在12月，約為0.75，全年平均偏旱強(qiáng)度較大，約為0.51;大旱強(qiáng)度在3、6和7月較大，達(dá)0.40以上;特旱雖然只出現(xiàn)在4月，但強(qiáng)度達(dá)0.75(圖7a).2004年干旱強(qiáng)度極大值出現(xiàn)在6月，僅4個月份干旱強(qiáng)度大于0.50;偏旱強(qiáng)度在1-10月變化幅度較小，約在0.30～0.50之間，全年平均偏旱強(qiáng)度約為0.38;大旱強(qiáng)度極大值出現(xiàn)在6月，為0.55，特旱強(qiáng)度在3月和6月較大，分別為0.54和0.49(圖7b).2007年5、7和11月干旱強(qiáng)度大于0.70，極大值出現(xiàn)在5月，達(dá)0.95;偏旱強(qiáng)度的極大值出現(xiàn)在11月，為0.75，除7、10和11月以外，其它月份的偏旱強(qiáng)度均小于0.50，全年平均偏旱強(qiáng)度約為0.39;大旱強(qiáng)度極大值出現(xiàn)在4月，為0.51，而5月大旱、特旱強(qiáng)度均較大，分別為0.44和0.55(圖7c).

圖7 典型干旱年份各級干旱強(qiáng)度的季節(jié)變化:(a)2003年;(b)2004年;(c)2007年Fig.7 Seasonal variations of drought strength with different grades occurred in 2003(a)，2004(b)and 2007(c)

5 結(jié)論

本文利用鄱陽湖流域127個站點(diǎn)1960-2007年的逐日降水以及溫度資料，選用Z指數(shù)分析了鄱陽湖流域干旱的氣候特征.主要結(jié)論歸納如下:

1)鄱陽湖流域出現(xiàn)干旱的站點(diǎn)總數(shù)在整個研究時段內(nèi)呈現(xiàn)出先減少再增加的趨勢，2000年以來鄱陽湖流域干旱站點(diǎn)數(shù)明顯增加，尤其是2003、2004和2007年.這與鄱陽湖流域區(qū)域平均年有效降水總量的年際變化和趨勢變化特征一致，說明了Z指數(shù)表征鄱陽湖流域干旱特征的有效性.

2)鄱陽湖流域7-12月偏旱發(fā)生頻率相對較高，且這幾個月的干旱主要以偏旱為主，基本不發(fā)生大旱、特旱;大旱、特旱主要集中發(fā)生在1-6月，其中以春季的發(fā)生頻率最高.可見上半年尤其是春季鄱陽湖流域的防旱形勢更為嚴(yán)峻，應(yīng)針對這一形勢做好防旱工作.

3)鄱陽湖流域干旱基本呈現(xiàn)出南部發(fā)生次數(shù)較少但強(qiáng)度相對較大，而北部發(fā)生次數(shù)較多但強(qiáng)度相對較小的空間分布形式.應(yīng)針對這種區(qū)域分布特征，分別進(jìn)行防旱工程的建設(shè).

4)200 3、2004和2007年的干旱均呈現(xiàn)出范圍廣強(qiáng)度大的特征，但它們存在不同的季節(jié)變化.2003年除1、5和11月以外，其它月份均有大面積偏旱發(fā)生，且全年平均偏旱強(qiáng)度達(dá)0.51，全年大旱、特旱出現(xiàn)的范圍均相對較小，但3、4、6和7月的大旱、特旱強(qiáng)度較大;2004年僅在2、3、4、5和10月出現(xiàn)較大面積偏旱，且在3月和6月出現(xiàn)范圍大且強(qiáng)度強(qiáng)的大旱、特旱;2007年干旱季節(jié)分布較為極端，7月偏旱面積達(dá)總面積的90%，11月偏旱強(qiáng)度達(dá)0.75，但全年平均偏旱強(qiáng)度僅為0.39，大旱、特旱主要集中在5月出現(xiàn)，面積均達(dá)到總面積的80%以上，且強(qiáng)度也較大.雖然3年中干旱的出現(xiàn)存在較大的季節(jié)差異，但大旱、特旱均出現(xiàn)在上半年，而下半年主要以偏旱為主.可見不同年份由于環(huán)流形勢的不同，干旱發(fā)生的時間及區(qū)域均有所不同，應(yīng)加強(qiáng)環(huán)流形勢與干旱發(fā)生之間關(guān)系的研究，做好預(yù)測工作，為防旱抗旱提供理論依據(jù).

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