遼西北地區(qū)干旱時空變化特征分析

曹永強+張亮亮+朱明明

摘要：利用遼西北地區(qū)14個氣象站與水文站1971年-2010年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到降水量距平值、連續(xù)無雨日數(shù)、河道來水量距平值和相對濕潤度，并以這四項指標(biāo)為基礎(chǔ)，利用可變模糊評價法得到遼西北地區(qū)綜合干旱級別特征值，再結(jié)合線性傾向估計法、Mann-Kendall趨勢檢驗與反距離權(quán)重法對遼西北地區(qū)的氣象、水文綜合干旱時空分布特征進行分析。結(jié)果表明：遼西北整體旱情呈顯著加重趨勢，1971年-1980年以輕度干旱為主，旱情較嚴(yán)重的時期為20世紀(jì)80年代后，1981年-1990年干旱程度最為嚴(yán)重，1980年-2010年是重度干旱高發(fā)期，但特大干旱少有發(fā)生；遼西北東北部和西南部地區(qū)旱情較為嚴(yán)重，且隨時間變化呈現(xiàn)出加重趨勢，而中部地區(qū)干旱較輕，因此抗旱減災(zāi)的重點應(yīng)集中在該區(qū)的東北部和西南部地區(qū)。

關(guān)鍵詞：遼西北；綜合干旱；可變模糊；時空變化；級別特征值

中圖分類號：S423文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0049-06

Abstract：Based on the basic data of 1971-2010 at 14 meteorological stations in northwestern Liaoning province，this paper selected four indexes （the precipitation anomaly，number of consecutive days without rain，river runoff anomaly，and relative humidity），and obtained the comprehensive drought level characteristic value of northwestern Liaoning province using the variable fuzzy evaluation method.Then it used the linear trend estimation method and Mann-Kendall test method to analyze the trend of drought and used the IDW method to analyze the spatial variation characteristics of comprehensive drought.The results show that the drought is growing significantly more serious.During 1971-1980，the drought was mostly mild，but was aggravated after the 1980s，and became the most serious during 1981-1990.The period of 1980-2010 witnessed a high incidence of severe droughts but few extremely severe droughts.The drought was more serious and was aggravated with time in the northeast and southwest of northwestern Liaoning province，but was less serious in the central region.Therefore，drought resistance and disaster reduction efforts should be mainly concentrated on the northeast and southwest of the region.

Key words：northwestern Liaoning province；comprehensive drought；variable fuzzy；temporal and spatial variation；the level characteristic value

IPCC第五次評估報告指出，全球氣候變暖已經(jīng)是毋庸置疑的事實，由于氣候變暖而引發(fā)的氣候異常時常發(fā)生[1]。氣候異常變化已經(jīng)使我國產(chǎn)生了大范圍的干旱[2]，并且造成了嚴(yán)重的社會經(jīng)濟損失。當(dāng)前，干旱問題已經(jīng)引起社會各界的廣泛關(guān)注并成為水資源科學(xué)的研究熱點[3]，干旱具體是指水分的收與支或供與求不平衡而形成的水分短缺現(xiàn)象[4]，干旱程度嚴(yán)重的將轉(zhuǎn)為旱災(zāi)，旱災(zāi)是主要的自然災(zāi)害之一，造成的危害非常嚴(yán)重[5]。旱災(zāi)的頻發(fā)，不僅較其他自然災(zāi)害影響范圍廣而且危害巨大，嚴(yán)重影響和制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[6-7]，因此，掌握研究區(qū)的干旱變化規(guī)律與特征，對于分析研究區(qū)是否存在干旱風(fēng)險，以及對相關(guān)部門進行防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃與管理等方面都有指導(dǎo)作用。目前，已有不少專家和學(xué)者對遼西北地區(qū)的干旱情況進行了分析：葛巖[8]等利用修正后的Z指數(shù)對遼西北地區(qū)干旱時空特性進行了分析，結(jié)果表明朝陽市為干旱高發(fā)區(qū)。董婷婷[9]構(gòu)建了遼西北地區(qū)的干旱監(jiān)測預(yù)警與評估系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了對該區(qū)域旱災(zāi)發(fā)展過程的監(jiān)測、預(yù)警工作。張繼權(quán)[10]等繪制的農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖與2006年遼西北受干旱影響糧食減產(chǎn)系數(shù)區(qū)劃圖匹配良好。

對于干旱的研究方法主要有Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）、綜合氣象干旱指數(shù)（CI）等，多數(shù)方法只針對某一種干旱類型進行分析。本文選取可變模糊評價法，建立基于氣象、水文干旱的綜合評價指標(biāo)體系，繼而對研究區(qū)旱情進行時空分析，該方法彌補了目前大多僅對單一類型干旱問題研究中的不足。本研究可為遼西北地區(qū)干旱風(fēng)險分析以及相關(guān)部門進行抗旱減災(zāi)規(guī)劃等方面提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

不同的學(xué)者對遼西北范圍的劃定不同，本文中遼西北地區(qū)的范圍包括：朝陽、阜新、錦州、葫蘆島四個地級市及所轄市縣區(qū)及沈陽的康平、法庫和鐵嶺的昌圖縣。該地區(qū)主要為低山丘陵區(qū)，所轄范圍內(nèi)主要有大凌河、小凌河、老哈河、表龍河等幾大水系，但徑流量均較小，土地瘠薄，旱情嚴(yán)重并且發(fā)生頻率比較高[11]。氣候條件屬于暖溫帶半濕潤、半干旱氣候，受季風(fēng)影響較大，春季蒸發(fā)快且多大風(fēng)天氣，很容易形成春旱。此外遼西北是棕壤與褐土的過渡地帶，相互間呈鑲嵌分布，全區(qū)土壤組合有3種類型：努魯兒虎山和松嶺山地西麓低山丘陵區(qū)，土壤呈以褐土為主的枝狀分布；醫(yī)巫閭山和松嶺山地東麓低山丘陵區(qū)，土壤呈以棕壤為主的枝頭分布；阜新、北票等山間盆地區(qū)，由盆地中心而外依次出現(xiàn)沼澤土、潮土、潮褐土、褐土或石灰性褐土。全區(qū)土壤質(zhì)地以壤土和砂壤土為主，砂土和黏土零星分布。

本文所用數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集”。數(shù)據(jù)資料包括：日降水、日平均溫度、日最高溫度、日最低溫度、日照時數(shù)、2 m高處風(fēng)速等。水文站數(shù)據(jù)為遼寧西北部地區(qū)河道來水量的逐日資料。選取數(shù)據(jù)較為完整且分布均勻并具有代表性的14個站點?？紤]到整體數(shù)據(jù)的完整性，將數(shù)據(jù)時間序列定為1971年-2010年，共40年。遼西北地區(qū)地理位置及所選氣象站點分布見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 可變模糊評價法

可變模糊集理論是以工程模糊集理論為基礎(chǔ)，以相對隸屬度、相對差異度和模糊可變集合為核心的一個比較系統(tǒng)的可變模糊集體系[12]，它能夠量化的描述事物的質(zhì)變與量變，在模型變化和模型參數(shù)的選擇上選取了多組進行分類分析，提高了評價識別的可靠性，增加了決策的可信度。計算方法及步驟詳見文獻[13-14]。本文采用該方法選定合適的指標(biāo)體系對遼西北地區(qū)旱情進行等級劃定與分析。

選用降水距平值、連續(xù)無雨日數(shù)、河道來水量距平值以及相對濕潤度作為評價指標(biāo)，并依據(jù)確定的指標(biāo)體系的干旱等級標(biāo)準(zhǔn)值[15]（表1），建立遼西北地區(qū)氣象、水文綜合干旱評價標(biāo)準(zhǔn)?；诳勺兡：u價法計算得到的干旱級別特征值范圍在1～5之間分別對應(yīng)五個干旱等級，劃定干旱級別特征值：1～1.5為不干旱，1.5～2.5為輕度干旱，2.5～3.5為中度干旱，3.5～4.5為重度干旱，4.5～5為特大干旱。

1.2.2 趨勢分析法

線性傾向估計：用xi表示樣本為n的某一變量，用ti表示xi所對應(yīng)的時間，建立xi 與ti之間的一元線性回歸方程如下：

xi=a+bti i=1，2，…，n

其含義是表示一個變量x與時間t的線性關(guān)系，a代表線性回歸常數(shù)，b表示回歸系數(shù)，a和b一般用最小二乘法進行估計。

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法，廣泛應(yīng)用于檢測降水時間序列的趨勢分析中，該方法計算簡便，而且不受少數(shù)異常值的干擾[16]，鑒于線性傾向估計僅能反映遼西北地區(qū)旱情整體時間序列的趨勢變化情況，然而對階段性的旱情趨勢表現(xiàn)不足，因此本文應(yīng)用這兩種方法相結(jié)合，確保遼西北地區(qū)旱情趨勢變化的準(zhǔn)確性。

1.2.3 反距離權(quán)重插值法

反距離權(quán)重插值（IDW）是基于“相似相近”原理的一種常用的空間插值方法，以插值點與樣本間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均，離插值點越近的樣本賦予的權(quán)重越大[17-19]。本文運用該方法對遼西北地區(qū)綜合干旱級別特征值，及其變化傾向率進行空間插值，并通過對連續(xù)時間序列的插值結(jié)果進行對比分析，得到研究區(qū)干旱等級與干旱范圍的空間變化情況。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 遼西北地區(qū)綜合干旱時間序列變化特征分析

2.1.1 遼西北干旱年際變化趨勢

根據(jù)劃分的干旱等級依次對1971年-2010年間的不干旱、輕度、中度、重度、特大干旱范圍進行40年較長時間序列的變化分析。由UF曲線可以看出，40年里不干旱的范圍（圖2（a））呈現(xiàn)出明顯的縮小趨勢，且從1988年左右開始超過0.05顯著性水平，趨勢顯著。1991年不干旱情況發(fā)生范圍最廣，達(dá)到45%，其余年份均低于30%。自1996年至2010年只有2007年有不干旱的情況發(fā)生，但不干旱范圍也低于10%，且在14個測站中只發(fā)生過一次不干旱；遼西北地區(qū)整體時間序列輕度干旱范圍（圖2（b））都很大，均在30%以上。其中1982年和2000年發(fā)生范圍最小，為35.7%，2010年發(fā)生范圍最大，高達(dá)92.9%。UF曲線顯示，輕度干旱范圍整體趨勢性不顯著，但從2000年起直至2010年，輕度干旱范圍正逐年增大。中度干旱范圍（圖2（c））在1971年-1980年呈現(xiàn)波動上升趨勢，在1980年-1994年呈現(xiàn)明顯的減小趨勢，1994年-1999年趨勢再次回升，之后除2004年范圍有所擴大之外，其余年份均低于15%。1980年中度干旱范圍最大，該區(qū)有7個縣市出現(xiàn)中度干旱；重度干旱范圍（圖2（d））經(jīng)歷先變小后變大的趨勢，1971年-1980年是重度干旱低發(fā)期，之后的30年里重度干旱頻繁發(fā)生，年平均發(fā)生范圍為15%；40年里特大干旱（圖2（e））少有發(fā)生，范圍逐漸縮小的趨勢顯著，只有7年（1972年、1977年、1984年、1988年、1989年、1992年、2000年）。1988年、2000年特大干旱范圍超過了20%，1972年超過了30%，旱情非常嚴(yán)重，其余的4年里均在7%左右，表明這幾年里少部分區(qū)域遭受特大干旱。

整體來看，1971年-1980年遼西北地區(qū)以輕度干旱為主，中度干旱在整個時間序列里經(jīng)歷了由緩慢上升到緩慢下降，再快速回升最后又開始下降且趨于平穩(wěn)的變化趨勢，1980年-2010年是重度干旱高發(fā)期，特大干旱少有發(fā)生。由于不干旱與輕度干旱對遼西北地區(qū)的影響較小，故將中度干旱，重度干旱和特大干旱發(fā)生范圍超過30%的典型年份和發(fā)生地區(qū)進行提取分析，希望得到遼西北地區(qū)干旱較為嚴(yán)重的區(qū)域。該地區(qū)共有5個年份受旱情比較嚴(yán)重，分別為1972年、1980年、1982年、1983年、1989年、1999年，基本集中在20世紀(jì)80年代后，與遼寧省農(nóng)作物旱災(zāi)成災(zāi)較嚴(yán)重的時期較為一致[20]。旱情嚴(yán)重區(qū)域主要集中在遼西北的東北部和西南部地區(qū)，中部地區(qū)中度以上旱災(zāi)少有發(fā)生。

2.1.2 遼西北干旱年代際變化特征

將4個連續(xù)時期的各測站級別特征值繪制成時間序列變化曲線見圖3。除了北票、義縣、黑山、錦州、興城五地級別特征值呈現(xiàn)較小的降低趨勢以外，其余監(jiān)測站點的級別特征值均呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢，呈現(xiàn)增大趨勢的站點占到了所有監(jiān)測站點的64.29%，并且彰武、建平、凌源以及綏中回歸系數(shù)都在0.1以上。其中綏中超過了0.3，是增大變化最為顯著的區(qū)域，其次是建平和凌源。在5個呈現(xiàn)減小趨勢的地區(qū)中，回歸系數(shù)的絕對值只有北票和錦州超過了0.1，減少變化的趨勢相對緩慢。在此基礎(chǔ)上，對各條曲線的線性趨勢進行顯著性檢驗見表2，結(jié)果除了阜新與義縣兩個測站未通過顯著性檢驗外，其余測站均通過了0.05顯著性水平檢驗，并且有部分測站通過了0.01顯著性水平檢驗，線性趨勢顯著。整體可以看出，遼西北地區(qū)干旱程度正在逐年加重。

2.2 遼西北綜合干旱空間分布特征分析

2.2.1 遼西北干旱空間展布與空間趨勢變化

借助ArcGIS軟件的IDW對遼西北地區(qū)的干旱級別特征值及變化傾向率進行空間插值，得到遼西北地區(qū)干旱的空間展布（圖4（a））和變化傾向率的空間分布（圖4（b））。整體可以看出，遼西北地區(qū)西南部的凌源、建平、喀左一帶干旱級別特征值最大，東北部次之，旱情較為嚴(yán)重；東南部的綏中、建昌以及朝陽、義縣和彰武等地的部分區(qū)域干旱級別特征值比較小，干旱程度較輕。結(jié)合變化傾向率的空間分布情況可以看出，西南部地區(qū)變化傾向率最大，東北部相對較小且均為正值，說明西南部和東北部地區(qū)的干旱情況隨時間變化有加重的趨勢。此外，中部地區(qū)的北票、錦州和興城一帶的變化傾向率均為負(fù)值，說明該地區(qū)的干旱程度有減輕的趨勢，與上文趨勢分析結(jié)果相一致。

遼西北地區(qū)干旱空間分布情況主要受該地區(qū)的地形與氣候特點的影響，該地區(qū)東部地勢較為平緩，西部地勢較高，當(dāng)東南季風(fēng)帶來的水汽由遼寧省中部平原輸送至遼西北時，受到西部山地阻擋從而使該區(qū)東部降水相對較多，因此旱情相對較輕，然而西部地區(qū)常年處于少雨狀態(tài)從而導(dǎo)致了該區(qū)旱情較為嚴(yán)重。

2.2.2 遼西北干旱空間演化規(guī)律

將40年的時間序列劃分為4個階段，以各測站各期級別特征值為基礎(chǔ)，同樣運用IDW空間插值得到遼西北地區(qū)各階段的空間分布狀況，以期對比分析遼西北地區(qū)旱情空間演變規(guī)律，結(jié)果見圖5（（a）為1971年-1980年旱區(qū)空間分布，（b）為1981年-1990年旱區(qū)空間分布，（c）為1991年-2000年旱區(qū)空間分布，（d）為2001年-2010年旱區(qū)空間分布）。

對比圖5中的（a）、（b）、（c）、（d）可知，1971-1980年遼西北地區(qū)整體都處于輕度干旱范圍，只有昌圖縣西北部小范圍內(nèi)出現(xiàn)中度干旱現(xiàn)象；1981年-1990年比前10年的干旱程度有所加重，其中東北部地區(qū)直至中部地區(qū)干旱等級由輕度干旱轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸雀珊担送庠诮ㄆ?、凌源、喀左、錦州四地的部分地區(qū)也出現(xiàn)了小范圍的中度干旱，輕度干旱并未向不干旱的情況轉(zhuǎn)變；1991年-2000年干旱程度相比1981年-1990年有所緩解，對比分析可以看出遼西北大范圍中度干旱區(qū)域已經(jīng)變?yōu)檩p度干旱，旱情有所緩解，但凌源縣附近中度干旱范圍有所擴大，圖5（a）和圖5（c）相比較，昌圖縣西北部中度干旱范圍有所擴大；2001年-2010年旱情繼續(xù)擴大，此時整個昌圖縣幾乎完全轉(zhuǎn)變成中度干旱并且延伸到康平、法庫的東北部地區(qū)，此外建平、凌源、喀左、綏中的部分區(qū)域也開始變?yōu)橹卸雀珊怠?/p>

綜合40年來的整體情況，在1981年-1990年遼西北地區(qū)干旱程度最為嚴(yán)重，以凌源西北部和昌圖西北部地區(qū)為中心，由輕度干旱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸雀珊挡⑶曳秶谥鹉陻U大，整體旱情加重的趨勢顯著，與葛巖等認(rèn)為遼西北干旱頻率呈現(xiàn)上升趨勢的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

（1）遼西北整體旱情加重的趨勢顯著。旱情較嚴(yán)重的時段集中在20世紀(jì)80年代后，1971年-1980年以輕度干旱為主，中度干旱在整個時間序列里經(jīng)歷了由緩慢上升到緩慢下降再快速回升最后又開始下降且趨于平穩(wěn)的變化趨勢，1980年-2010年是重度干旱高發(fā)期，1981年-1990年是遼西北地區(qū)干旱程度最為嚴(yán)重的時期，重度干旱范圍經(jīng)歷先變小后變大的趨勢，特大干旱少有發(fā)生。

（2）遼西北中部以及東南部地區(qū)的干旱程度較輕，北票、錦州、興城以及朝陽、義縣一帶旱情呈現(xiàn)出減輕趨勢。東北部和西南部地區(qū)旱情較為嚴(yán)重，且隨時間變化呈現(xiàn)出加重趨勢，因此抗旱減災(zāi)重點應(yīng)集中在遼西北的東北部和西南部地區(qū)。

（3）遼西北旱情隨時間變化的空間演化趨勢為，以凌源西北部和昌圖西北部地區(qū)為中心，由輕度干旱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸雀珊挡⑶腋珊捣秶谥鹉陻U大。

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