基于綜合氣象干旱指數(shù)的石羊河流域近50年氣象干旱特征分析

張調風，張 勃，* ，王有恒，2，劉秀麗，3，安美玲，張建香

(1.西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，蘭州 730070;2.西北區(qū)域氣候中心，蘭州 730020;3.忻州師范學院地理系，忻州 034000)

干旱是由于階段性降水減少導致水資源短缺造成的現(xiàn)象［1-2］。近年來，隨著全球氣候的變暖，在中國北方干旱、半干旱地區(qū)干旱加重的同時，南方和東部多雨區(qū)干旱也在擴展和加重，頻繁發(fā)生的旱災已成為非常突出的環(huán)境問題［3］。石羊河屬河西走廊內陸河流域之一，處于黃土、青藏、蒙新三大高原的交匯過渡帶，是生態(tài)和環(huán)境變化敏感的區(qū)域之一［4-5］。特殊的地理條件和氣候特征決定了石羊河流域是一個干旱頻繁發(fā)生的地區(qū)［6］，下游民勤湖區(qū)北部地區(qū)已出現(xiàn)“羅布泊”景象［7］。該流域氣候近幾十年出現(xiàn)了顯著變暖趨勢，且其增溫速率明顯大于全球增幅，并可能進一步變暖，同時，石羊河流域氣溫升高幅度大于降水上升幅度，而氣溫升高會加快水分循環(huán)，加強下墊面和水體的蒸發(fā)，有利于干旱趨勢發(fā)展［8-10］。為此，及時深入探討石羊河流域干旱發(fā)生特征及其變異規(guī)律，可以減少干旱給人類和生態(tài)環(huán)境帶來的影響，也可以為該流域水資源管理、防止植被退化、土地荒漠化提供一定的參考意義。干旱指數(shù)是監(jiān)測、預警、評估干旱的關鍵參數(shù)?！稓庀蟾珊档燃墶穱覙藴手幸?guī)定了相對濕潤指數(shù)(moisture index，MI)、標準化降水指數(shù)(stantand precipitation index，SPI)和帕默爾干旱指數(shù)(palmer drought severity index，PDSI)等單項氣象干旱指數(shù)和綜合氣象干旱指數(shù)(composite index，CI)［11］。前人引用單項指標做了大量有意義的工作［12-13］，但近幾年一些學者引用CI指數(shù)對全國及江蘇省、河南省、遼寧省和安徽省等局部地區(qū)的干旱特征進行研究［14-19］，結果表明綜合氣象干旱指數(shù)(CI)的優(yōu)勢與單純利用降水量的干旱指數(shù)比較具有較大的優(yōu)越性。本文將引入綜合氣象干旱指數(shù)(CI)作為評估干旱的指標，揭示1962—2010年石羊河流域干旱覆蓋范圍、干旱頻率和不同等級干旱強度持續(xù)時間等方面的時空特征和變化趨勢。研究結果對及時調整區(qū)域農業(yè)等人工管理生態(tài)系統(tǒng)管理方式和實現(xiàn)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域(圖1)位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，東以烏鞘嶺、毛毛山、老虎山與黃河流域為界，西以大黃山-馬營灘與黑河為界，介于 36°29'—39°27'N，101°41'—104°16'E 之間，流域面積 4.16 ×104km2。流域行政區(qū)劃包括武威市的古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣全部及天祝縣部分地區(qū)，金昌市以及張掖市肅南裕固族自治縣［4，20］。主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河等河流組成。該流域地勢南高北低，南部為祁連山褶皺，中部為走廊凹陷，北部為阿拉善臺地及北山斷塊，屬大陸性溫帶干旱氣候，干旱少雨、太陽輻射強、日照充足、溫差大、蒸發(fā)強烈、降水少，空氣干燥。流域上游年均氣溫低于6℃，年降水量400—600mm，年蒸發(fā)量700—1200mm;中游年均氣溫低于6—8℃，年降水量 150—300mm，年蒸發(fā)量 1300—2000mm;下游年均氣溫高于 8℃，年降水量小于150mm，年蒸發(fā)量2000—2600mm。由于氣候變暖、地表能量的傳輸和水汽交換速率發(fā)生顯著變化，造成地表能量和水分的收支嚴重平衡，使干旱和土地沙漠化更加嚴重［21］。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 資料來源

資料來源國家氣象信息中心(http://www.nmic.gov.cn/)石羊河流域烏鞘嶺、古浪、武威和民勤5個氣象站點1962—2010年逐日常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，包括日降水(mm)、日平均氣溫(℃)、10m處風速(m/s)、日照時數(shù)(h)和相對濕度(%)等資料。文中所用空間化方法采用ArcGIS9.3中空間分析模塊的Kring插值法實現(xiàn)了CI柵格數(shù)據(jù)的干旱區(qū)域面積提取和統(tǒng)計，空間分辨率為3cm×3cm，Kring法基于對空間分布的數(shù)據(jù)線性最優(yōu)、無偏內插估計，是當前應用最為廣泛、插值結果較為準確的插值方法之一［22］。

1.3 研究方法

1.3.1 綜合氣象干旱指數(shù)計算方法

綜合氣象干旱指數(shù)的計算方法參考《氣象干旱等級》國家標準(GB/T 20481—2006)中的規(guī)定，計算公式為:

式中，a為近30d標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上等級Z30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z30的值，平均取0.4;b為近90 d標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上等級Z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z90的值，平均取0.4;c為近30d相對濕潤指數(shù)，由達輕旱以上等級M30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小M30的值，取0.8;Z30、Z90分別為近30d和近90d的標準化降水指數(shù)SPI值;M30為近30d的相對濕潤度指數(shù)MI［13］。

標準化降水指數(shù)SPI的計算如下:

在McKee［23］等提出的標準化降水指數(shù)SPI計算中，假設某一時段的降水量x服從γ分布，其Γ分布的概率密度函數(shù)為:

式中，α為形狀參數(shù)，β為尺度參數(shù)，Γ(α)是gamma函數(shù)，將其計算得到累積概率密度函數(shù)G(x)，通過下式對G(x)進行轉化:

式中，q是降水序列中0值出現(xiàn)的頻率。并通過高斯函數(shù)將H(x)標準化后得到最終的SPI值，α、β的估計方法參照文獻14。

相對濕潤指數(shù)MI的計算如下:

式中，∑ETo為近30 d潛在蒸散發(fā)(mm)，∑P為近30 d降水量(mm)。

根據(jù)聯(lián)合國糧農組織推薦的基于Penman-Monteith公式的參考蒸散發(fā)計算方法可以近似為潛在蒸散發(fā)的估計，如下式:

式中，ETo為參考蒸散發(fā)量(mm/d);Rs、G分別為凈輻射和土壤熱通量(MJ·m－2·d－1));γ、Δ分別為干濕常數(shù)與飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);U2為2 m處風速(m/s);VPs和VP為飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)。計算過程用到的各項參數(shù)計算均采用前人推薦標準［24］。

利用(1)式滾動計算出逐日的綜合氣象干旱指數(shù)CI，跟蹤干旱發(fā)生過程［13］。根據(jù)氣象干旱等級(表1)對CI值劃分后進行干旱分析評估。

表1 綜合氣象干旱指數(shù)(CI)的干旱等級劃分Table 1 Levels of the compound index of meteorological drought(CI)

根據(jù)CI值可以判斷干旱過程及開始和結束日期，其中CIC10表示連續(xù)10d CI值，CIF1表示第一個CI值，CIP10表示前10d CI值，CIL1表示最后一個CI值。具體見表2。干旱過程開始到結束期間的時間為干旱持續(xù)時間。當某一時段內至少出現(xiàn)1次干旱過程，并且累積干旱持續(xù)時間超過所評價時段的1/4時，則認為該時段發(fā)生干旱事件，其干旱強度由時段內CI值為輕旱以上的干旱等級之和確定［13］。本文分別以年和季節(jié)作為研究時段，季節(jié)定義為1、2月和上年的12月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

表2 干旱過程判斷標準Table 2 Standards of the drought processes

1.3.2 干旱發(fā)生頻率和覆蓋百分率計算

利用公式(7)計算干旱發(fā)生頻率

式中，n為實際有干旱事件發(fā)生的日數(shù)，N為資料年代序列數(shù)，1961—2010年共50 a數(shù)據(jù)，但由于CI指數(shù)的計算是向后滾動的，帶入資料計算所得的CI值是從1962年開始，所以N取49。干旱覆蓋百分率=每年有干旱事件發(fā)生的站點數(shù)量/總站點數(shù)［21］，并將覆蓋百分率超過90%以上的干旱定義為大范圍干旱。

2 結果與分析

2.1 干旱的時間變化特征

春季，多年平均干旱覆蓋范圍為47.8%。近50年發(fā)生大范圍干旱的年份有9a，分別為1965、1966、1971、1973、1976、1999、2001、2002、2009年。研究區(qū)干旱以20世紀70年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率為71%，60年代次之，平均干旱覆蓋百分率為55%，80年代、90年代和2000年以來的平均干旱覆蓋百分率分別為34%、35%和45%，干旱還是較為嚴重(圖2)。

圖2 1962—2010年四季干旱覆蓋百分率Fig.2 Annual percentages of the drought covered area for the season in 1962—2010

夏季，多年平均干旱覆蓋范圍為70%，比其它季節(jié)都大(圖2)。近50年中發(fā)生大范圍干旱的年份有22a，主要集中在1976年以前和2000年以后。研究區(qū)干旱自2000年以后最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率為84%，20世紀60年代次之，平均干旱覆蓋百分率為80%，70年代和90年代平均干旱覆蓋百分率分別為76%和66%，80年代最低，為46%。

秋季受前期夏季降水較多的影響(圖2)，干旱范圍明顯減小，多年平均干旱覆蓋范圍不足60%，有11a發(fā)生了大范圍干旱，階段性變化不顯著，各年代出現(xiàn)的年份在1—3a之間，20世紀80年代多年干旱覆蓋范圍最高，為64%，60年代和90年代多年干旱覆蓋范圍分別為58%和54%，而70年代和2000年以后多年干旱覆蓋范圍不足50%，分別為44%和40%。

冬季覆蓋范圍在各季節(jié)中最小(圖2)，多年平均覆蓋百分率為37%，其中發(fā)生大范圍干旱的年份僅有4年，分別為1965、1971、1984、1994年。20世紀80年代的多年干旱覆蓋范圍達到50%，其余年代際的值都小于50%。對石羊河流域四季干旱覆蓋百分率進行置信度水平α=0.01和α=0.05的F顯著性檢驗發(fā)現(xiàn):四季的線性變化趨勢均不顯著。

綜合四季干旱出現(xiàn)年份可以看出，大范圍干旱主要集中在20世紀的60年代和2000年以后。其中1965年出現(xiàn)了春夏秋冬四季連旱;春夏連旱的年份有1966、2001、2009年;夏秋連旱的年份有6年，為1962、1963、1972、1991、1997、2010年;1984年為秋冬連旱。20世紀80年代中后期受西北地區(qū)蒙古高壓反氣旋環(huán)流增強的影響，祁連山中段南風分量增強，水期增加，從而降水有所增加［25］，同時，80年代石羊河流域平均徑流量增加最明顯，90年代減少最明顯［26］，對于本文研究的時段，80年代該流域干旱覆蓋范圍而有所減小，90年代以來重大旱災災害事件發(fā)生頻率呈現(xiàn)出快速增大趨勢。說明由于石羊河流域特殊的地理特征，干旱發(fā)生的規(guī)律主要受氣候系統(tǒng)異常變化和流域徑流量雙重影響。本文得出的夏季多旱、冬季少旱的規(guī)律與前人研究的相關結論一致［27］。1965年，流域發(fā)生持續(xù)干旱，干旱發(fā)生程度為1961年以來歷史同期所罕見，屬于異常干旱年份;入秋后降水偏少，氣溫異常偏高，整個流域受旱面積11.33×104hm2。20世紀80年代整個流域受旱面積基本上小于80×104hm2，2008—2010年整個流域受旱面積均在100×104hm2以上，為近10a中受旱面積最大的年份?？梢?，綜合氣象干旱指數(shù)在一定程度上能較好地反映實際干旱受災情況，適用于該區(qū)域氣象干旱監(jiān)測和評估工作。

2.2 干旱的空間分布特征

干旱總體上是由水資源緊缺所造成，影響因素一般變化較快，甚至屬于異?；蛲蛔?。而石羊河流域水資源短缺是由降水稀少引起的水資源短缺，屬于氣候干旱型水資源短缺［28］。降水量在時間和空間上均存在不平衡性，加之地貌類型等因素的影響，如圖3可見，近50年來石羊河流域的干旱發(fā)生的頻率在空間和季節(jié)上都有所差異。

圖3 1962—2010年干旱發(fā)生頻率分布Fig.3 Spatial distribution of drought occurrence frequencies in 1962—2010

石羊河流域的干旱頻率，春、夏季的分布較為相似，呈現(xiàn)出明顯的北高南低特征，低值中心在烏鞘嶺地區(qū)，而在北部低山丘陵區(qū)及荒漠區(qū)的民勤有一高值中心，但夏季出現(xiàn)干旱的頻率(57.15%—83.6%)遠大于春季(28.58%—69.39%)。秋季的干旱頻率高于冬季、低于夏季，發(fā)生頻率高值中心轉移到中游地區(qū)的武威一帶，干旱頻率為28.57%—65.31%。冬季發(fā)生頻率為26.53%—48.97%，比其他任何季節(jié)都低，干旱分布特征與春夏季相似，不同的是低值中心轉移到古浪地區(qū)(圖3)。

為了更深的分析石羊河流域干旱的分布規(guī)律，統(tǒng)計了各季節(jié)中旱和重特旱出現(xiàn)的多年平均天數(shù)。由圖4可見，春季，民勤一帶發(fā)生中旱的多年平均天數(shù)最多為23d，烏鞘嶺一帶最少為7d，夏季全流域的多年平均天數(shù)較多，除過烏鞘嶺一帶為8d，其余地區(qū)的多年平均天數(shù)大于10d;秋季武威和民勤地區(qū)的天數(shù)最多為18d，烏鞘嶺一帶為7d;由圖4可見，春、秋季，上游和中游地區(qū)民勤—武威一帶多年重特旱平均天數(shù)大于10d，下游烏鞘嶺地區(qū)小于7d，夏季，民勤一帶多年平均天數(shù)高達26d，武威次之，達到22d，而永昌地區(qū)多年平均天數(shù)最少為12d。從季節(jié)上來看，夏季出現(xiàn)干旱的多年平均天數(shù)最多，重特旱天數(shù)大于中旱的天數(shù);從地域上看，從上游到下游多年各等級干旱多年平均天數(shù)依次減少。

圖4 各季節(jié)中旱、重特旱年均干旱日數(shù)分布Fig.4 Yearly average distribution of moderate drought、severe and extreme drought in different season from 1962 to 2010

根據(jù)石羊河流域農業(yè)種植結構，近年流域主要作物有春小麥、玉米、棉花等，水熱條件的季節(jié)性差異使作物生長期表現(xiàn)出較強的季節(jié)性規(guī)律［29］。春季至秋季是當?shù)刈魑锷L成熟期和麥田的收墑期，同時也是水庫、水窖的蓄水期，地面蒸發(fā)和作物蒸騰比較旺盛，作物對水分需求也相對較多，該階段發(fā)生的干旱將直接影響到作物的生長狀況和產量。根據(jù)對石羊河流域近50年的干旱演變形勢分析，近50年來夏季干旱覆蓋范圍和干旱頻率均處于年內最嚴重水平。因此，農業(yè)生產中對夏旱必須給予最充分的重視和對待。同時，也要密切注意對秋旱的實時監(jiān)測，秋旱不但影響到當年的糧食產量，而且造成農田土壤水分儲存量減少，地下水位下降，可能引起來年的春旱，而將影響到春播生產等。農業(yè)生產部門在指導干旱防控時，大力研究節(jié)水型種植結構、調虧灌溉、免耕覆蓋種植、設施農業(yè)等適應干暖氣候條件下的高效節(jié)水農業(yè)調控體系［30］。另外，根據(jù)資料分析，流入民勤縣境內水量已由20世紀50年代的4.6×108m3較少到90年代的1.5×108m3;1988年石羊河流域積雪面積為430.5km2，2005年面積減少為305.0 km2，減少了約30%左右，上中游農業(yè)灌溉用水量、工業(yè)用水量、生活用水量等不斷增加，進而影響進入下游的徑流量［31］。鑒于上中游已有較好的灌溉條件，而下游灌溉條件相對較差且干旱較為嚴重，應適當加快農業(yè)節(jié)水技術的推廣和轉化，以土壤水分的調控為中心，在下游充分利用當前灌溉設施的基礎上，進一步加強中、小型水庫等水利配套設施建設，做好夏季和秋季水庫儲水工作，同時，政府等相關部門應采取相應措施調控上中游地區(qū)對水資源的過度開采，從而實現(xiàn)石羊河水資源的可持續(xù)發(fā)展，從整體上提高流域的防旱水平。

4 結論

通過各站歷年逐日CI值的計算，揭示了石羊河流域近50年來干旱發(fā)生頻率、覆蓋范圍、以及不同等級干旱多年平均天數(shù)，研究得到以下結論:

在季節(jié)變化上，主要受到東亞季風和西南季風的影響，夏季干旱發(fā)生頻率最高，最高值達到84%，中旱和重特旱多年平均日數(shù)最多，均大于13d;春秋季相似，介于29%—70%之間，中旱和重特旱多年平均日數(shù)介于10—13d之間;冬季頻率最低，為27%—43%。春、夏、冬季干旱發(fā)生頻率高值區(qū)主要集中在流域下游民勤一帶，秋季主要集中在武威一帶，四季低值中心在上游烏鞘嶺一帶。

在年代際變化方面，由于受到氣候系統(tǒng)異常變化和流域徑流量的雙重作用，春季干旱以20世紀70年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率為71%，大范圍干旱年份有9a;夏旱以2000年以來最嚴重，平均干旱覆蓋百分率70%，大范圍干旱年份有22a;秋季干旱以80年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率不足60%，大范圍干旱年份有11a;冬季干旱以80年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率達到50%，大范圍干旱年份僅有4a。與災情統(tǒng)計資料具有較好的一致性，能在一定程度上反映實際的受旱情況。

根據(jù)石羊河流域近50年干旱時空分布特征，當?shù)剞r業(yè)生產部分應充分重視春季到秋季的干旱，尤其是夏旱的發(fā)生情況，合理調控上游地區(qū)人類對水資源的過度開發(fā)，加強和改進下游地區(qū)農田的灌溉系統(tǒng)，從而實現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)發(fā)展。雖然綜合氣象干旱指數(shù)CI同時考慮了降水和蒸發(fā)能力因子，與單純利用降水量的干旱指數(shù)比較具有較大的優(yōu)越性，蒸發(fā)能力的計算也比較簡便，滾動計算后能較好地反映干旱的發(fā)生、發(fā)展、緩解和結束過程，但以天為時間單位進行計算，沒有考慮干旱跨季度發(fā)生的延續(xù)性，同時也未考慮當?shù)赝寥缐勄?、灌溉、耕作、社會經濟等因素，因此不能完全反應實際干旱對當?shù)剞r業(yè)生產、人民生活的影響。但是，本文得到該流域干旱長期變化趨勢與前人根據(jù)降水量和其他干旱指數(shù)變化分析獲得的結果基本相近［32-33］，說明上述結論具有比較高的可信度。綜合氣象干旱指數(shù)可以用于該典型區(qū)域氣象干旱監(jiān)測業(yè)務和干旱變化研究。本文分析得出結果也可作為相關部門制定減緩和適應干旱災害的科學依據(jù)。

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