基于SPEI的渭河流域干旱特征分析

李　潔,莫淑紅,2,沈　冰,司海松,王義民

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,陜西 西安 710048；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

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基于SPEI的渭河流域干旱特征分析

李潔1,莫淑紅1,2,沈冰1,司海松1,王義民1

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,陜西 西安 710048；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

本研究采用渭河流域20個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2013年的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算該流域多重時(shí)間尺度的SPEI值，分析SPEI在該流域的應(yīng)用情況，同時(shí)基于SPEI分析渭河流域干旱時(shí)空分布特征。研究結(jié)果表明：渭河流域SPEI值呈顯著下降趨勢(shì)，干旱日趨嚴(yán)重。其中，春秋干旱有明顯加重的趨勢(shì)，夏旱及冬旱無(wú)明顯變化。就總體分布而言，干旱主要發(fā)生在西北部，其中輕旱、中旱、重旱大部分主要分布在西北部地區(qū)。相反，受1995年及1997年歷史特大旱災(zāi)事件影響，特旱主體分布在東南部地區(qū)。

干旱；標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)；渭河流域

近年來(lái)，由于全球氣候變化，導(dǎo)致干旱造成的影響越來(lái)越大。干旱是我國(guó)最主要的自然災(zāi)害之一，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失不計(jì)其數(shù)。我國(guó)干旱區(qū)面積占全國(guó)面積的31%，半干旱區(qū)占22%。有研究表明，2040 s整個(gè)北方地區(qū)極端干旱頻率增加、強(qiáng)度增強(qiáng)、影響范圍明顯擴(kuò)大[1]。渭河流域?qū)儆谖覈?guó)半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，地處西北地區(qū)東部生態(tài)環(huán)境脆弱帶，是氣候變化的敏感區(qū)，頻繁發(fā)生自然災(zāi)害。尤其以旱災(zāi)發(fā)生最為嚴(yán)重，是影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展最重要的因素。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，渭河流域水資源量和入黃河徑流量持續(xù)減少[2]。有研究表明，渭河流域年均氣溫在時(shí)間上呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢(shì)，未來(lái)渭河流域年平均氣溫仍將持續(xù)升高[3]，干旱情勢(shì)有可能進(jìn)一步加劇。因此探究渭河流域干旱時(shí)空分布特征具有重要意義。

干旱指標(biāo)是用來(lái)描述干旱特征的指標(biāo)，不同干旱指標(biāo)適用的地區(qū)與時(shí)間尺度也有所不同。干旱指標(biāo)是研究干旱氣候的基礎(chǔ)，也是衡量干旱程度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的干旱指標(biāo)主要有標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[5-7]、帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)[8]、Z指數(shù)[9]、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)[10]等。其中，1993年McKee等人提出的SPI計(jì)算簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用廣泛，其特點(diǎn)是只需要較長(zhǎng)時(shí)間(一般應(yīng)超過(guò)30年)的降水量資料[11]。但在全球氣候變暖的情況下，僅僅分析降水量的變化難以解釋干旱，氣溫的升高已成為干旱加劇的重要原因之一[12]。因此，Vicente-Serrano等[13]基于SPI提出了一個(gè)新的干旱指標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)。SPEI是在SPI的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了蒸散發(fā)量來(lái)反映干旱的程度。莊少偉等[14]研究了SPEI在中國(guó)區(qū)域的應(yīng)用，王林等[15]研究了SPEI對(duì)中國(guó)干旱的適用性，結(jié)果表明SPEI在中國(guó)的適用性很好，能夠準(zhǔn)確的表征干旱狀況。有研究表明，渭河流域降雨序列有弱變異性[16]。為充分認(rèn)識(shí)渭河流域的干旱狀況，本文分析SPEI在該流域的適應(yīng)性，并且基于SPEI對(duì)該流域干旱時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，以期揭示該地區(qū)的氣候變化規(guī)律，并為采取應(yīng)對(duì)措施減輕旱澇災(zāi)害及其不利影響提供參考依據(jù)。

1　研究資料及方法

1.1研究區(qū)域概況

渭河發(fā)源于今甘肅省定西市渭源縣鳥(niǎo)鼠山，主要流經(jīng)甘肅天水、陜西關(guān)中平原的寶雞、咸陽(yáng)、西安、渭南等地，至渭南市潼關(guān)縣匯入黃河。渭河流域面積為13.48萬(wàn)km2，西部為黃土丘陵溝壑區(qū)，東部為關(guān)中平原區(qū)。流域處于干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)的過(guò)渡地帶，多年平均降水量572 mm，降水量空間分布為南多北少。

1.2資料來(lái)源

本次研究資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.gov.cn/)，數(shù)據(jù)取自國(guó)家基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站。選取渭河流域范圍內(nèi)寶雞、佛坪、固原、華家?guī)X、華山、環(huán)縣、崆峒、臨洮、洛川、岷縣、商縣、天水、銅川、吳旗、武功、西安、西峰鎮(zhèn)、西吉、延安、長(zhǎng)武20個(gè)氣象站的月降水量以及月平均氣溫資料計(jì)算SPEI值，分析渭河流域干旱情況。對(duì)個(gè)別有缺測(cè)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，利用相鄰站點(diǎn)相關(guān)性對(duì)資料進(jìn)行了插補(bǔ)延長(zhǎng)，使20個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間序列均為1961—2013年。渭河流域氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1　渭河流域20個(gè)氣象站點(diǎn)分布Fig.1　20 meteorological stations distribution in Weihe River Basin

1.3標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)及其計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)在計(jì)算中以月水分虧缺量(月降水量與月潛在蒸發(fā)量之差)代替了SPI計(jì)算中的月降水量。月潛在蒸發(fā)量用Thornthwaite方法計(jì)算。與SPI基于Gamma分布不同，SPEI是基于log-logistic分布的頻率值。具體計(jì)算步驟分為4步。

1)計(jì)算月潛在蒸發(fā)量PE。

(1)

式中，PE為月潛在蒸發(fā)量(mm)，K為修正系數(shù)，T為月平均氣溫(℃)，I為年熱量指數(shù)，m為常數(shù)。

2)計(jì)算月水分虧缺量Di。

(2)

式中，Pi為月降水量(mm)，Di為月水分虧缺量(mm)，i為月數(shù)。

3)基于log-logistic概率分布函數(shù)計(jì)算水分虧缺量的概率分布。

(3)

式中，f(x)為概率密度函數(shù)，x為自變量；α、β和γ分別是尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)。計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，ws是概率權(quán)重距(s取0，1，2)，Xl為累積水分虧缺量(l取1，2，…，n)。

log-logistic概率分布函數(shù)為：

(8)

4)對(duì)F(x)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(9)

(10)

式中，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI干旱等級(jí)分類(lèi)如表1所示。

表1　SPEI干旱分級(jí)[17]

2　結(jié)果與分析

2.1渭河流域干旱時(shí)間分布特征分析

2.1.1流域年SPEI值年際變化特性

為研究渭河流域干旱變化趨勢(shì)，繪制流域年SPEI值線性趨勢(shì)線及其10 a滑動(dòng)平均線如圖2所示。

圖2　渭河流域年SPEI值年際變化Fig.2　Inter-annual variation of SPEI index of Weihe River Basin

由圖2可以看出，渭河流域1961—2013年期間的SPEI值呈下降趨勢(shì)，平均每10 a下降0.21。根據(jù)10a滑動(dòng)平均曲線進(jìn)一步可知，20世紀(jì)90年代之前變幅較小，90年代之后降幅增加。且1995年以及1997年SPEI值達(dá)到最低，通過(guò)查閱歷史資料可知，渭河流域1995年及1997年發(fā)生嚴(yán)重干旱事件，這與SPEI分析得出的結(jié)論一致。

采用Mann-Kendall法檢驗(yàn)流域年SPEI值年際變化趨勢(shì)的顯著性，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行突變分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3　M-K突變檢驗(yàn)曲線Fig.3　Mann-Kendall test curve

由圖3分析可知，渭河流域年SPEI值在1989年附近發(fā)生突變，該年份以后SPEI值下降趨勢(shì)顯著。渭河流域干旱趨于嚴(yán)重，這與和宛林等[18]的分析結(jié)果一致。

2.1.2流域不同季節(jié)SPEI值年際變化特性

為了更好的揭示渭河流域干旱的季節(jié)性變化特性，計(jì)算了流域不同季節(jié)的SPEI指數(shù)。圖4分別為春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的SPEI指數(shù)變化過(guò)程線。圖5為相應(yīng)的Mann-Kendall突變點(diǎn)分析結(jié)果。

圖4　各季節(jié)SPEI指數(shù)變化過(guò)程線Fig.4　Variation curves of hydrograph of SPEI at seasonal scales

圖5　各季節(jié)SPEI值的M-K突變檢驗(yàn)曲線Fig.5　M-K test curves of SPEI at seasonal scales

由圖4(a)可知，渭河流域春季SPEI值以每10 a年0.24的變幅遞減。20世紀(jì)80年代之前春季SPEI值變幅較小，80年代之后降幅增加。分析圖5(a)得出，春季SPEI值下降顯著，在2003年達(dá)到0.05顯著性水平臨界線，并且在1993年發(fā)生突變。

由圖4(b)可知，夏季SPEI值在20世紀(jì)60年代以后緩慢下降，但在70年代到80年代又急劇上升，90年代之后又緩慢下降。分析圖5(b)得出，夏季SPEI值整體下降趨勢(shì)不顯著，無(wú)明顯突變。

由圖4(c)可知，秋季SPEI值大體呈下降趨勢(shì)，并以每10 a年0.21的變幅遞減。但在2000年之后有所上升。分析圖5(c)得出，秋季SPEI值下降趨勢(shì)顯著，在1988年達(dá)到0.05顯著性水平，并且在1970年發(fā)生突變。

由圖4(d)可知，冬季SPEI值有所波動(dòng)，但無(wú)明顯變化趨勢(shì)。分析圖5(d)得出，冬季SPEI值整體無(wú)顯著變化趨勢(shì)，無(wú)明顯突變。

綜合分析，渭河流域夏季以及冬季干旱無(wú)明顯變化趨勢(shì)。春季及秋季干旱趨于嚴(yán)重，其中春季干旱在20世紀(jì)90年代以后有加重的趨勢(shì)，秋季干旱在70年代之后加重。

2.2渭河流域干旱空間分布特征分析

計(jì)算渭河流域20個(gè)氣象站點(diǎn)的干旱發(fā)生頻率，流域平均值取站點(diǎn)算術(shù)平均值，結(jié)果如表2和圖6所示。由表2及圖6可知，渭河流域輕旱頻率在5.7%～22.6%之間，中旱頻率在3.8%～18.9%之間，重旱頻率在1.9%～9.4%之間，特旱頻率在0～3.8%之間?？偢珊殿l率在26.4%～39.6%之間，平均頻率為32.5%，整體以輕中旱為主。其中干旱發(fā)生頻率較低的站點(diǎn)為寶雞、銅川、延安，干旱發(fā)生頻率最高的站點(diǎn)為環(huán)縣。

表2　渭河流域各站點(diǎn)干旱發(fā)生頻率

圖6　渭河流域各站點(diǎn)不同程度干旱頻率Fig.6　Varying degrees of drought frequency in Weihe River stations

圖7　渭河流域不同程度干旱頻率空間分布Fig.7　Varying degrees of drought frequency distribution in Weihe River Basin

渭河流域不同程度干旱發(fā)生頻率空間分布如圖7所示。由圖7(a)可知，該流域干旱主要發(fā)生在西北部地區(qū)，平均發(fā)生頻率為37.4%，東南部干旱程度相對(duì)較輕，平均發(fā)生頻率為29.5%。

由圖7(b)、(c)、(d)、(e)分析可知，渭河流域輕旱主要發(fā)生在渭河流域中部地區(qū)，其中最嚴(yán)重的站點(diǎn)是甘肅環(huán)縣，達(dá)到了22.6%；西部地區(qū)也較為嚴(yán)重，平均頻率為16.5%。中旱主要發(fā)生在西北地區(qū)，平均頻率為13.2%，比東南地區(qū)高4%左右，其中較為嚴(yán)重的站點(diǎn)是固原、華家?guī)X以及吳旗。重旱主要分布在中部偏西南部地區(qū)，最嚴(yán)重的站點(diǎn)是西安站以及位于北部的吳旗地區(qū)，均為9.4%。渭河流域特旱主要發(fā)生在東部地區(qū)，最為嚴(yán)重的是銅川、洛川及西峰鎮(zhèn)地區(qū)，頻率為3.8%。

綜上分析，渭河流域輕旱、中旱、重旱均在西北部地區(qū)更為嚴(yán)重，東南部地區(qū)相對(duì)較輕；而特旱卻在東南部地區(qū)發(fā)生較多，這主要是受1995年以及1997年的特大干旱事件影響所致，1995年及1997年的特旱主要發(fā)生在渭河?xùn)|南部地區(qū)，由東南地區(qū)向西北地區(qū)遞減。圖8(a)、(b)分別為1995年、1997年渭河流域干旱分布情況。

圖8　渭河流域1995年及1997年干旱分布Fig.8　Drought distribution in Weihe River Basin in 1995 and 1997

3　結(jié)　論

1)利用SPEI指數(shù)分析渭河流域干旱狀況可知，SPEI在渭河流域適用性較好，渭河流域年SPEI值呈顯著下降趨勢(shì)，整體干旱趨于嚴(yán)重。流域夏季及冬季SPEI值無(wú)顯著下降趨勢(shì)，無(wú)明顯突變，干旱狀態(tài)無(wú)明顯變化。春季以及秋季SPEI值均顯著下降，其中春季在1993年發(fā)生突變，秋季在1970年發(fā)生突變，春秋干旱明顯加重。

2)渭河流域主要以輕中旱為主，干旱主要發(fā)生在西北部地區(qū)，平均干旱頻率為37.4%。其中，輕旱主要發(fā)生在渭河流域中部地區(qū)及西部地區(qū)，最嚴(yán)重的站點(diǎn)是甘肅環(huán)縣；中旱主要發(fā)生在西北地區(qū)，較嚴(yán)重的站點(diǎn)是固原、華家?guī)X以及吳旗；重旱主要分布在中部偏西南地區(qū)，最嚴(yán)重的站點(diǎn)是西安以及吳旗；與其它類(lèi)干旱相反，特旱主要發(fā)生在東南部地區(qū)，最為嚴(yán)重的是銅川、洛川及西峰鎮(zhèn)地區(qū)，這主要是受1995年以及1997年的特大干旱事件影響所致。

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(責(zé)任編輯周蓓)

Analysis of drought characteristics of the Weihe River Basin based on SPEI

LI Jie1,MO Shuhong1,2,SHEN Bing1,SI Haisong1,WANG Yimin1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China)

The meteorological data of 20 meteorological stations from 1961 to 2013 in Weihe River are used to calculate the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI)at different scales and to analyze the application of SPEI in the basin.At the same time,drought distribution of time and space in Weihe River is analyzed by using SPEI index,and research results show that there is an obviously reducing trend of SPEI index in Weihe River,with drought increasingly tending towards severity.Spring and autumn drought have a significantly worsening trend,but summer and winter drought is of no obvious change.On the overall distribution purposes,droughts occur mainly in the northwest,among which most light droughts,moderate droughts and severe droughts occur mainly in the northwestern region.Conversely,due to the impact of historical severe drought event in 1995 and 1997,extra severe droughts often occurred in the southeastern region.

drought; SPEI; Weihe River

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.013

2015-10-29

南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2014491911)；陜西省水利廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014slkj-01)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209169)；陜西高校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研資助項(xiàng)目(12JS067)

李潔，女，碩士生，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)水文。E-mail：lijie_793@163.com

莫淑紅，女，副教授，博士，研究方向?yàn)楹祬^(qū)水文水資源。E-mail：moshuhong@xaut.edu.cn

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1006-4710(2016)01-0070-07