近50年我國干濕時空變化特征分析

王彥芳

（河北省社會科學院 河北 石家莊 050051）

近50年我國干濕時空變化特征分析

王彥芳

（河北省社會科學院 河北 石家莊 050051）

干旱與雨澇是我國影響最大、最常見的氣象災害，分析其發(fā)生規(guī)律和演變特征，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活等各種人類活動有重要意義。本文利用標準化降水指數(shù) (Standardized Precipitation Index,SPI)和帕默爾干旱指數(shù) (The Palmer Drought Severity Index,PDSI)對我國近50年干濕趨勢的時空變化進行了全面分析。結(jié)果表明：SPI和PDSI在表現(xiàn)我國干濕狀況上具有較為一致的結(jié)果。過去50年我國干濕變化以東經(jīng)103°為主要分界線，分界線以東呈現(xiàn)自北向南的東北—華北—西南干旱帶，而西北的天山及其以北區(qū)和青藏高原東部區(qū)域為顯著變濕的區(qū)域。從季節(jié)上看，年際的干旱化趨勢主要出現(xiàn)在秋季。干旱頻率的年代際分布表現(xiàn)為先分散后集中，以60年代最為嚴重；雨澇則表現(xiàn)為先集中后分散，頻率和強度逐年代增加，90年代達到最大值。

干旱；雨澇；標準化干旱指數(shù)；帕默爾干旱指數(shù)；年代際

1 引言

我國地處東亞季風區(qū)，是世界氣候脆弱區(qū)之一，氣候異常給我國帶來了嚴重的氣候災害，尤其是降水的年際變率和季節(jié)變化非常大，導致旱澇災害交替發(fā)生[1]。

干旱是因水分供求不平衡而形成的一種水分短缺現(xiàn)象，是我國最常見、影響最大的氣候災害[1,2]。通常干旱類型可分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱，本文主要針對氣象干旱，即持續(xù)降水虧缺足以影響并引起嚴重的區(qū)域水文不平衡。干旱在全國各地均可發(fā)生，但主要發(fā)生在我國西北和華北地區(qū)[3]。我國西北地區(qū)地處內(nèi)陸深處，處于我國生態(tài)環(huán)境脆弱帶，受水文氣象條件的制約，干旱頻繁發(fā)生[4]。據(jù)國家統(tǒng)計局分析，1950～1994年西北地區(qū)共發(fā)生旱災24年次，重大旱災有8年次,其中特大農(nóng)業(yè)旱災發(fā)生率20%，大旱災發(fā)生率33%，一般旱災發(fā)生率48%[5]。華北地區(qū)從1965年以后，降水量連年降低，不同程度的干旱致使農(nóng)作物大范圍減產(chǎn)、水資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化、沙塵暴加劇。另外，1991年夏季華南和河套地區(qū)的嚴重干旱，1994年江淮流域的嚴重干旱[4]；2004年和2007年秋季，四川省和湖南省兩次遭受嚴重干旱，2006年重慶發(fā)生百年一遇的旱災；2009年秋季到2010年春季，中國西南地區(qū)遭受嚴重旱情，特別是云南發(fā)生了自有氣象記錄以來最嚴重的秋、冬、春連旱[6]。

雨澇是我國第二大氣象災害，每年造成的經(jīng)濟損失約占氣象災害造成經(jīng)濟總損失的27.5%，降水量過多則是產(chǎn)生雨澇災害的主要原因[1]。雨澇主要發(fā)生在長江中下游地區(qū)和東南沿海。長江流域1954年、1980和1991年發(fā)生了嚴重洪澇，1998年夏發(fā)生了特大洪澇，1991年夏季淮河流域發(fā)生了特大洪澇；1998年夏季嫩江、松花江流域發(fā)生了特大洪澇[3]。

因此，利用常規(guī)資料展開我國干濕旱澇的時空變化研究，對認識干旱、雨澇的發(fā)生規(guī)律、布局產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟和防災減災有著重要的意義。目前國內(nèi)外關(guān)于旱澇指標的研究主要分為以下三類，一類干旱指標是單源指標，主要是通過研究水的來源即降水量的統(tǒng)計分布規(guī)律來反映干旱的強度和持續(xù)時間，其中以Mckeeet al.(1993)提出的標準化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，簡稱SPI)和在中國廣泛使用的Z指數(shù)為代表模型[7,8]。而標準化降水指數(shù)(SPI)具有連續(xù)的空間性，并且易應用、結(jié)構(gòu)相對簡單，這為其應用提供有利的條件。但已有研究表明30年及其以上的降水量可用來估算SPI參數(shù)[5]。一類是以差值或比值形式分別考慮了水的收支即降水和蒸發(fā)能力的干旱指標[6,9,10]。另外一類是涉及干旱發(fā)生機理的指標，其中以Palmer(1965)提出的帕爾默干旱指標(Palmer Drought Severity Index,簡稱PDSI)為典型。目前針對干旱的研究比較多，尤其是在半干旱、干旱缺水地區(qū)[7,9,11]，以及針對近些年西南地區(qū)的極端旱情[12,13]研究。

本文利用1961～2010年我國582個氣象站點的月降水資料，計算各站點的標準化降水指數(shù)(SPI)，對近50年我國干濕狀況變化進行了年度、季節(jié)、年代際等時空變化分析，并與Dai等的1961～2005年P(guān)DSI數(shù)據(jù)進行對比分析。最后針對典型流域具體分析其干濕突變年份、周期的分析。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源。

月降水數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，選擇從1961年1月到2010年12月有完整降水資料的582個氣象站點。本文采用Dai等(2004年)[19]估算的全球PDSI柵格數(shù)據(jù)(1870～2005年)，分辨率為2.5度，提取1961～2005年的中國區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)進行年尺度的統(tǒng)計。

2.2 干濕指數(shù)

2.2.1 標準化降水指數(shù)SPI。由于降水量在不同時間和地區(qū)存在很大的變化幅度，并且降水分布常常是一種偏態(tài)分布，因此，很難在不同時空尺度上對降水量進行直接比較。為了消除降水在時空分布上的差異，便于不同地點的數(shù)據(jù)進行比較，將累計概率通過標準正態(tài)分布的反函數(shù)標準化[14]。因此，在降水分析和干濕監(jiān)測的評估中，通常采用伽瑪分布概率來表示降水量的變化情況。標準化降水指數(shù)(SPI)是在得出伽瑪分布概率的降水量后，再經(jīng)正態(tài)標準化處理，而后由降水的累積頻率結(jié)果劃分干旱等級。SPI研究干旱具有不同的時間尺度，一般有1、3、6和12個月等時間尺度[15]。為了分析季節(jié)和年際的干濕情況，本文分別計算了3月和12個月尺度的SPI3和SPI12結(jié)果。SPI反映的是不同時間與不同地區(qū)的降水氣候的特點，它是根據(jù)降水的累積頻率來劃分干旱等級的。干旱等級劃分有氣候意義，不同地區(qū)與不同時間尺度都適合。SPI值為正值時，是偏澇；SPI值為負值時，是偏旱。根據(jù)國家規(guī)范的 《氣象干旱等級》中劃分標準[16]，SPI干旱標準等級劃分及相應的頻率詳見表1。該指標僅需要降水數(shù)據(jù)，資料獲取簡單，具有穩(wěn)定的計算特性，消除了降水的時空差異，對干旱變化反應敏感，適用于不同地區(qū)、多時間尺度的對比研究[17]。

表1 標準化降水指數(shù)SPI值和帕默爾干旱指數(shù)PDSI的干濕等級劃分

為了分析各個站點干濕情況的年代際變化，本文利用3個月即季節(jié)的SPI3結(jié)果計算了各個站點的年代干旱/雨澇的頻率：

F為第i個年代的干旱(雨澇)頻率百分比，ni為第i個某個年代內(nèi)重/特旱(澇)出現(xiàn)的次數(shù)，N為50年內(nèi)重/特旱(澇)出現(xiàn)的總次數(shù)。F≤20%為干旱(雨澇)少發(fā)年代，20%＜F≤30%為較多年代，F(xiàn)＞30%為頻發(fā)年代。本文分別分析了干旱和雨澇的頻發(fā)年代的變化規(guī)律。

2.2.2 帕默爾干旱指數(shù) PDSI。PDSI(The Palmer Drought Severity Index)是由W.C.Palmer于1965年提出的，基本原理是土壤水分平衡原理。帕默爾認為干旱是數(shù)月或數(shù)年內(nèi)在給定地區(qū)實際水分供給量相當顯著地少于氣候上期望或者氣候適宜水分供給量，旱度被認為是水分虧缺持續(xù)期和虧缺量的函數(shù)[18]，指數(shù)經(jīng)標準化處理，一般在-6(干)和+6(濕)之間變化，可以對不同地區(qū)、不同時間的土壤水分狀況進行比較。PDSI在計算水分收支平衡時，考慮了前期降水量和水分供需，物理意義明晰。在建立水分平衡方程時，Palmer提出了“當前情況下達到氣候上適宜”的概念，即CAFEC(Climatically Appropriate For Existing Conditions)。也就是說帕默爾干旱指數(shù)是表征在一段時間內(nèi)，該地區(qū)實際水分供應持續(xù)的少于當?shù)貧夂蜻m宜水分供應的水分虧缺[16]。

2.3 統(tǒng)計方法。

針對50年來的干濕結(jié)果，本文利用Mann-Kendall趨勢檢驗法、滑動t-檢驗的突變檢驗方法以及小波分析，分別分析不同區(qū)域50年來的干濕趨勢、突變情況和周期。Mann-Kendall趨勢檢驗方法主要是通過計算統(tǒng)計量τ、方差αδt2和標準化變量M，來判斷序列趨勢是否顯著。計算公式如下：

其中

式中：s 為序列所有對偶觀測值(Xi，Xj，i〈j中Xi〈Xj)出現(xiàn)的次數(shù)；N為序列長度，在α=0.05的顯著水平，如果|M|〉Mα/2=1.96，則表示該時間序列在此置信水平下存在顯著變化趨勢，M〉0為顯著的上升或增加趨勢，M〈0為顯著的下降或減少的趨勢。

t-檢驗是通過估計兩個子序列的均值在統(tǒng)計上的差異來進行檢驗的?；瑒觮-檢驗是在t-檢驗的基礎(chǔ)上進行改進的一種方法?；瑒觮-檢驗是從正態(tài)母體中選擇相鄰的兩個固定長度的子樣進行t-檢驗，然后依次向后滑動，最后選擇最佳變異點。此種方法比t-檢驗的改進之處在于它可以對序列中的多個變異點進行估計，也可以由第一變異點的性質(zhì)(正負)估計整個序列的主要趨勢。

另外，本文采用采用Morlet復小波對典型區(qū)域干濕的周期變化展開分析。Morlet小波表示為：

式中，ω0為常數(shù)；i表示虛數(shù)。Morlet小波的時間尺度a與周期尺度T有如下關(guān)系：

當時ω0=2π時，T≈α。因此，Morlet小波可用于進行周期分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 近50年我國干濕變化趨勢

3.1.1 近50年我國干濕變化趨勢。利用Mann-Kendall趨勢檢驗對我國過去50年干濕變化做趨勢分析，結(jié)果呈現(xiàn)非常明顯的空間分異規(guī)律(如圖1)。單從降水角度考慮即從SPI的結(jié)果來看，呈現(xiàn)顯著變干趨勢的區(qū)域主要為從東北到西南的條帶狀干旱化趨勢，包括遼河、灤河、海河、黃河流域中段、長江流域宜賓至宜昌段直至云南東北部流域。而變濕的區(qū)域位于干旱帶的東西兩側(cè)，東側(cè)大部分的區(qū)域呈現(xiàn)不顯著的變干或變濕趨勢，只是在長江河口及福建境內(nèi)的沿海區(qū)域呈現(xiàn)顯著的變濕趨勢。西側(cè)分為兩大區(qū)域，一處為新疆，尤其是天山及其以北地區(qū)，呈顯著的變濕趨勢。另外以青海湖為中心的河西走廊、柴達木盆地和青藏高原各自的東部區(qū)域呈顯變濕趨勢。PDSI的結(jié)果與SPI的趨勢類似，尤其是干濕趨勢的分界線，大約以東經(jīng)103°為干濕變化趨勢的分界線，東部以變干的趨勢為主，西部以變濕的趨勢為主。和SPI的結(jié)果一樣形成一條干旱帶即東北—華北—西南條帶，兩個濕潤極即天山及北部地區(qū)和青藏高原東部區(qū)域。干旱對于我國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的影響很大[20]，尤其是對于我國北方主要的糧食產(chǎn)區(qū)，東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)等嚴重的干旱化趨勢直接威脅到我國糧食安全。

圖1 基于年尺度SPI和PDSI的過去50年我國氣候干濕趨勢

3.1.2 近50年我國干濕季節(jié)變化趨勢。季度的干濕趨勢同樣表現(xiàn)出強烈的空間和季節(jié)的差異性(圖2)。春季全國大部分區(qū)域(71.65%)都呈現(xiàn)變濕的趨勢(表2)，只有我國中部地區(qū)，包括黃河中下游、淮河流域及漢江流域部分地區(qū)有干旱趨勢，尤其是關(guān)中、陜南區(qū)域春旱趨勢嚴重。夏季除了天山山區(qū)和青藏高原東北部地區(qū)的顯著變濕趨勢和黃土高原上若干呈現(xiàn)變干趨勢的站點外，全國大部分的區(qū)域變化趨勢不明顯，但整體來說，變濕趨勢(包括顯著和不顯著)的站點比變干的站點數(shù)多大約13%。和夏季相比秋季的干旱趨勢特別明顯，而且和年尺度上的趨勢類似，形成東北—華北—西南的干旱帶，可以看出東北到西南的干旱趨勢區(qū)域主要是以秋季干旱最為明顯。嚴重的秋旱會導致農(nóng)作物植株小、根系弱、葉片面積小，生物產(chǎn)量大幅度減少，在華北地區(qū)嚴重影響夏玉米、冬小麥農(nóng)作物的生長[21]。冬季變濕的區(qū)域明顯地集中在西北，西南，長江、淮河下游地區(qū)，中部仍為變干趨勢。冬季天山及以北山區(qū)降水的顯著增加對于冰川和第二年春季徑流的形成起到一定的補給作用?？傊?，春季和冬季全國大部分地區(qū)都有變濕潤的趨勢，而秋季干旱趨勢的范圍最大，夏季變濕的區(qū)域比變干的范圍略大，但以不顯著趨勢為主。我國中部地區(qū)包括寧夏、陜西及黃淮海地區(qū)四季都呈現(xiàn)變干的趨勢。

圖2 四季的干濕變化趨勢

表2 四季干濕趨勢的站點比例(%)

3.2 干濕狀況年代際的變化特征。

根據(jù)公式(1)計算各個站點不同年代的干旱和雨澇即SPI≤-1.5的重旱和特旱或SPI≥1.5的重澇和特澇的頻率百分比(圖3)。60年代是干旱發(fā)生頻率最高的年代，干旱主要發(fā)生在天山及其北部地區(qū)、內(nèi)蒙古中東部、東北松遼流域、青藏高原東部和中國東南部地區(qū)。60年代全國發(fā)生的重旱和特旱的頻次為5 283次，SPI的平均強度為-1.99，都明顯高于其他年代(表3)。七十、八十年代全國旱情有所減少，干旱區(qū)域也在轉(zhuǎn)移，90年代干旱發(fā)生的區(qū)域比較集中，主要在東北的遼寧、山西、陜西以及和河南、湖北、四川的交界，因此，盡管從全國來看頻率和強度都較60年代小，但是主要集中在農(nóng)業(yè)區(qū)，因此對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重影響。2000年之后又呈分散的空間分布，主要為東北地區(qū)和西南地區(qū)。

發(fā)生雨澇頻率較高的區(qū)域的空間分布與干旱頻率相反。60年代主要集中分布在黃河中下游、海河流域和西南部分地區(qū)。70年代的分布發(fā)生向西延伸的趨勢，呈現(xiàn)C型擴散分布，80年代繼續(xù)向西推進到達西北，并廣泛分布。90年代主要集中分布在西北地區(qū)、內(nèi)蒙古東北部、西南地區(qū)和東南部的大部分地區(qū)，重澇和特澇發(fā)生的頻率為5 107次，平均強度為1.93，明顯高于其他年代。而2000年后，西北地區(qū)的濕潤程度繼續(xù)增加，而且范圍繼續(xù)擴大，同時東北地區(qū)發(fā)生雨澇的頻率增加。

圖3 干旱和雨澇的年代際變化

表3 基于季節(jié)尺度SPI3的近50年旱澇頻率和強度的年代際統(tǒng)計(干旱：SPI3〈0；雨澇：SPI3〉0；特旱：SPI3〈-2；特澇：SPI3〉2)

3.3 典型區(qū)域分析。

為了進一步驗證SPI結(jié)果并對比分析不同區(qū)域的變化趨勢，本文根據(jù)我國二級流域邊界確定以下五個典型區(qū)域進行分析，包括Ⅰ西北內(nèi)陸干旱區(qū)、Ⅱ黃河中段—海河流域區(qū)、Ⅲ西南長江—珠江上游區(qū)、Ⅳ東南閩浙區(qū)和Ⅴ東北松遼區(qū)(圖4)。利用滑動t檢驗確定每個區(qū)域的SPI3干濕突變并對比分析不同區(qū)域SPI12和PDSI，結(jié)果見圖5。

5個區(qū)域SPI12和PDSI的年際對比表明，兩種干旱指數(shù)在表達不同區(qū)域旱澇特征時具有類似的結(jié)果(圖5)。西北內(nèi)陸干旱區(qū)在過去50年呈明顯的由干旱變濕潤的趨勢，發(fā)生突變的年份為1987年，其中1965年之前的干旱和1975年左右的干旱強度和持續(xù)時間都比較長，1987年前后存在非常明顯的旱澇轉(zhuǎn)折，90年代以來還出現(xiàn)了1995年和1997年那樣的嚴重旱年[22]。黃河中段—海河流域是典型的變干趨勢，突變發(fā)生在1991年，且以90年代的干旱最為嚴重。華北平原1964年的雨澇，1965、1972、1980、1997和1999年的干旱[23]，1965年降水出現(xiàn)劇減躍變后[22]，SPI3的結(jié)果都有體現(xiàn)。西南長江-珠江上游區(qū)是另外的一個干旱趨勢明顯的區(qū)域，有1985年和1995年兩個突變點。1985年以后區(qū)域明顯變干。尤其是近年來的幾次異常干旱災害，如2005年春季云南異常干旱、2006年夏季川渝地區(qū)特大干旱以及2009年秋～2010年春的西南大旱[6,12]，從季節(jié)的SPI3可以明顯看出2005年后的幾次干旱時間和強度。東南閩浙區(qū)和東北松遼區(qū)的趨勢并不明顯。前者六七十年代比較干旱，而且持續(xù)時間比較長，從1987年發(fā)生突變以后以適宜的濕潤為主，但到90年代后期出現(xiàn)了嚴重的雨澇，即1998年的雨澇，2000年以后又比較干旱。后者50年來出現(xiàn)兩次強度比較大持續(xù)時間比較長的干旱，分別是1975年到1980年和1999年到2003年之間。

圖4 典型區(qū)域的空間分布

圖5 (a)5個典型區(qū)域過去50年季節(jié)SPI的變化趨勢；(b)5個典型區(qū)域年際SPI與PDSI的對比

從周期上來看，五個區(qū)域都存在不同的大周期和小周期，除東北外其余地區(qū)的大周期都在30年以上，東北松遼地區(qū)為22年(如表4)。

表4 5個典型區(qū)域過去50年SPI3的突變年份和變化周期 (年)

4 結(jié)論

本文基于標準化干旱指數(shù)SPI和帕默爾干旱指數(shù)PDSI對近50年全國的干濕時空變化做了細致的分析，主要得出以下結(jié)論：

4.1 SPI和PDSI在表現(xiàn)區(qū)域干濕狀況上具有較為一致的結(jié)果。過去50年我國干濕趨勢以東經(jīng)103°為分界線，呈現(xiàn)一個干旱條帶，兩個濕潤極，即東北—華北—西南干旱帶，天山及其以北地區(qū)和青藏高原東部兩個濕潤區(qū)。東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)等嚴重的干旱化趨勢直接威脅到我國糧食安全。

4.2 從季節(jié)上看，春季和冬季全國大部分地區(qū)都有變濕潤的趨勢，秋季的干旱化趨勢最為嚴重，夏季變濕的區(qū)域比變干范圍略大，但以不顯著趨勢為主。我國中部地區(qū)包括寧夏、陜西及黃淮海地區(qū)四季都呈現(xiàn)變干的趨勢；而西北和東南地區(qū)的四季都呈現(xiàn)變濕的趨勢。

4.3 50年來我國干旱和雨澇發(fā)生的頻率相當，干旱的年代際分布表現(xiàn)為先分散后集中，以60年代最為嚴重，之后有減少的趨勢，強度也逐漸減小，90年代干旱范圍最集中，主要在東北的遼寧、山西、陜西以及和河南、湖北，四川的交界；雨澇則為先集中后分散，頻次逐年代增加，90年代達到最大值，平均強度也隨著頻率增加。

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2017年度河北省社會科學院研究課題 (2017B03)；2017年度河北省社會科學基金項目 (HB17YJ089)