基于SPI的渭河流域干旱評(píng)估分析

黃　歡，王黎敏

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712046)

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基于SPI的渭河流域干旱評(píng)估分析

黃歡1，王黎敏2

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712046)

隨著生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)需水量的增大以及全球氣候的變化，干旱已經(jīng)成為阻礙我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。本文在評(píng)估渭河歷史干旱的情況下，利用NCEP再分析資料與渭河流域13個(gè)氣象臺(tái)站的歷史降水觀測(cè)資料，根據(jù)渭河流域1960—2010年的月降水資料，計(jì)算不同的時(shí)間尺度上SPI的值，分析渭河流域氣象干旱特征并經(jīng)行評(píng)估。

渭河流域；干旱；NCEP；評(píng)估分析

1　緒　論

渭河流域是典型的干旱、半干旱地區(qū)，干旱、半干旱地區(qū)面積占80%以上，經(jīng)濟(jì)發(fā)展也很迅速，其生態(tài)環(huán)境問(wèn)題十分嚴(yán)峻。時(shí)至今日，旱災(zāi)仍是該地區(qū)最常發(fā)生的自然災(zāi)害之一，由此也給該區(qū)域社會(huì)生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)與環(huán)境等造成很大的負(fù)面的影響。尤其隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的加劇，干旱災(zāi)害發(fā)生更加頻繁，造成的影響也更為嚴(yán)重。該流域一般干旱形成原因概括為：①氣候、水文等自然因素，比如降雨量的大小、常年氣候情況、空間分布等；②人類的自然活動(dòng)因素，比如自然植被的破壞、人為的破壞森林、土地荒蕪等[1]。文章主要針對(duì)自然因素導(dǎo)致的干旱進(jìn)行分析研究。

2　渭河流域水文氣象

渭河流域降水南北差異很大，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，此流域總體變化趨勢(shì)是從南向北降水量漸遞減，一般平原小于山區(qū)。渭河之南秦嶺之北的山地雨水充裕，年平均降水量能夠達(dá)到890 mm，屬于高降水區(qū)，且隨海拔的增加雨量逐漸增大；關(guān)中平原降水量范圍：520～710 mm，從西向東遞增，西部達(dá)到最小東部達(dá)到最大值。其中水量平均在中值區(qū)域的是北洛河中上游和涇河的上游，其中年降水量達(dá)到310～420 mm。

渭河流域年平均蒸發(fā)水量為610～1090 mm。和降水量的不同之處在于蒸發(fā)量年際波動(dòng)在一定限值，年內(nèi)隨氣候變化蒸發(fā)水量數(shù)值也不同。5—8月隨著氣溫的增高，蒸發(fā)量也逐漸增大，6、7月份為年內(nèi)出現(xiàn)最大蒸發(fā)量的時(shí)期。相反，11—2月，年平均蒸發(fā)量小，通常在12月達(dá)到年內(nèi)最小水量蒸發(fā)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一般陸地的蒸發(fā)量基本位于510 mm左右，年平均蒸發(fā)量<水面蒸發(fā)，故因?yàn)榈匦蔚挠绊?，平原區(qū)的蒸發(fā)量大于山區(qū)。

3　渭河流域干旱評(píng)估

3.1干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)

SPI又稱標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，此參數(shù)主要用來(lái)反映某流域的干旱強(qiáng)度和干旱持續(xù)時(shí)間，故同一數(shù)值能夠表示出區(qū)域在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的干旱特征，因此廣泛應(yīng)用于水文學(xué)科的各個(gè)專業(yè)[2]。標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)推算的基本原理是先假設(shè)降水量服從Γ分布，前提是實(shí)際降水服從偏態(tài)分布，進(jìn)而完成正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理。這樣假設(shè)使求得的干旱數(shù)值能夠代表不同時(shí)間尺度上的干旱狀況，此計(jì)算方法被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，求解過(guò)程如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：α>0為形狀參數(shù)，β>0為尺度參數(shù)；Γ(α)為代表伽馬函數(shù)。求解α和β值使用極大似然法估算方法：

(3)

(4)

式中：

(5)

對(duì)上式進(jìn)行積分得出：

(6)

(7)

伽馬分布要求x>0，而實(shí)際降水量可能為0，而,故假設(shè)

(8)

H(x)=q+(1-q)G(x)

(9)

式中：m為實(shí)測(cè)降水為0時(shí)次數(shù)，n是降雨序列的長(zhǎng)度。將(9)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，可得出相應(yīng)的SPI值：

(10)

(11)

式中：a0=2.5151，a1=0.8029,a2=0.0103；b1=1.4328，b2=0.1893，b3=0.0013。

3.2同時(shí)間尺度的SPI比較

圖1　渭河流域13個(gè)站點(diǎn)不同時(shí)間尺度SPI的變化

SPI反映了不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上各地的旱澇狀況及旱澇持續(xù)時(shí)間。從圖1中，1961—2006年渭河流域13個(gè)氣象觀測(cè)站收集的年、月降水?dāng)?shù)據(jù)分析，計(jì)算出各站季、半年、全年的SPI值。結(jié)論如下：

1)SPI3時(shí)間尺度最短，因?yàn)镾PI3的時(shí)間特性決定，它在短時(shí)間內(nèi)受降水量的影響大，容易引發(fā)旱澇。特別是波動(dòng)劇烈的水文站點(diǎn)，SPI數(shù)值不?；顒?dòng)在0左右，它既反映短時(shí)間尺度上的旱澇變化特征，側(cè)面表示了旱澇頻繁發(fā)生的必然性[4]。

2)從SPI3和SPI6的變化中得出，在已經(jīng)發(fā)生的旱澇年份如1967年、1989年，其旱澇等級(jí)強(qiáng)度不同，隨著時(shí)間的后延降雨蒸發(fā)量大于降水量，故干旱等級(jí)變化幅度很劇烈。

3)SPI12時(shí)間尺度長(zhǎng)，對(duì)降水量的反映減緩，干旱或雨澇變化幅度區(qū)域定值，時(shí)間尺度上比較固定，13個(gè)站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)重大旱澇的次數(shù)很少，干旱和雨澇之間的發(fā)生也趨于平緩，這得益于前期降水的累積。

3.2干旱趨勢(shì)特征分析

由3.1章節(jié)的分析得知，SPI3對(duì)時(shí)間、氣象反應(yīng)比較敏感，它客觀實(shí)際的反映出一定時(shí)間的降水量，但缺點(diǎn)是不能體現(xiàn)干旱的持續(xù)性，對(duì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的反應(yīng)也不具體；SPI12較好的反映出長(zhǎng)期旱澇的變化特征是趨于穩(wěn)定的，時(shí)間尺度上也是比較固定。缺點(diǎn)是對(duì)短時(shí)間的降水影響響應(yīng)慢。綜合考慮，選擇SPI6，因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)間的敏感程度折中，較好的反映渭河流域干旱的特性，表2為SPI6前提下渭河流域各年份的干旱Zs值。

表2　1960—2010年渭河流域干旱Zs值

由表1可知，13個(gè)站點(diǎn)在各年份大部分的Zs為負(fù)值，且隨著年代的增大，Zs的絕對(duì)值也越大，Zs的變化幅度愈大。

70年代通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的氣象站中有6個(gè)站點(diǎn)的Zs值為正值，主要位于渭河干流上游的百分比為58.2%，70年代渭河流域的干旱概率逐漸降低，相應(yīng)的降水量增多。

80年代各氣象站中有4個(gè)站點(diǎn)的Zs為負(fù)，占有率為67.3%，表明SPI6持續(xù)減少，干旱增加的概率逐漸增高。

90年代各氣象站Zs均為負(fù)值，SPI6數(shù)值均有所下滑，下降值最大的為西峰站Zs=-4.84，說(shuō)明渭河流域大部分地區(qū)發(fā)生干旱，且隨著時(shí)間的遞增影響也越大。

00年代通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的氣象站Zs值正負(fù)均勻分布Zs值多數(shù)為正，表明降雨量大。反之，負(fù)值表示降雨量小。

4　小　結(jié)

本章采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)作為研究干旱的指標(biāo)，根據(jù)渭河流域1960—2010年的月降水資料，計(jì)算不同的時(shí)間尺度上SPI的值，分析渭河流域氣象干旱特征并經(jīng)行評(píng)估，總體上年均SPI呈下降趨勢(shì)，氣象干旱程度加劇。多時(shí)間尺度SPI標(biāo)識(shí)的干旱有一定的滯后性，但SPI值與實(shí)際渭河流域的干旱情況較符合。

[1]崔冬林．近50年中國(guó)區(qū)域持續(xù)性氣象干旱事件的客觀識(shí)別及變化研究[D]．蘭州：蘭州大學(xué)，2010．

[2]劉燕，胡安焱．渭河流域近50年降水特征變化及其對(duì)水資源的影響[J]．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006(01)：85-87．

[3]劉向培，王漢杰，何明元．應(yīng)用統(tǒng)計(jì)降尺度方法預(yù)估江淮流域未來(lái)降水[J]．水科學(xué)進(jìn)展，2012(01)，29-37．

[4]范麗軍，符淙斌，陳德亮．統(tǒng)計(jì)降尺度法對(duì)未來(lái)區(qū)域氣候變化情景預(yù)估的研究進(jìn)展[J]．地球科學(xué)進(jìn)展，2005(03):320-329．

[5]來(lái)文立，宋進(jìn)喜，章杰．近60 a渭河流域降水特征[J]．干旱區(qū)研究， 2013(06)：1106-1112．

[6]何毅，王飛，穆興民．白渭河流域降水和氣溫的時(shí)空特征分析[J]．水土保持通報(bào)， 2012(04)，102-105．

Draught Estimation Analysis of Wei River Basin based on SPI

HUANG Huan and WANG Li-min

(Shanxi International Business School, Xianyang 712046,China)

With the increase of water demand for life, agriculture and industry and the change of global climate, the draught has become the most serious natural disaster that hinders agricultural development. According to the estimation on historical draught of Wei River, this paper used NCEP to analyze again the data and the historic precipitation observation data about 13 meteorological stations; based on the monthly precipitation data about Wei River from 1960 to 2010, the SPI values in different time were calculated to analyze and estimate the draught characteristics of Wei river basin.

SPI; Weihe river basin;draught;estimation analysis

1007-7596(2016)06-0010-05

2016-05-22

黃歡(1988-)，女，助教，黑龍江哈爾濱人，從事工程造價(jià)、工程項(xiàng)目管理教學(xué)工作；王黎敏(1966-)，女，副教授，陜西咸陽(yáng)人，從事土木工程、工程造價(jià)教學(xué)工作。

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