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    基于SPEI的三江平原干旱時空分布特征分析

    2018-05-24 02:38:51肖偉華王建華楊明智
    關(guān)鍵詞:年數(shù)三江平原區(qū)域性

    陳 琰,肖偉華,王建華,王 浩,楊明智

    (中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038)

    1 研究背景

    近幾十年來,受全球氣候變化的影響,我國的干旱時空分布格局發(fā)生著變化[1],其中,東北地區(qū)普遍呈現(xiàn)出暖干化趨勢[2-3]。三江平原作為我國五大糧食產(chǎn)區(qū)之一,其抗旱能力弱[4],干旱對其社會經(jīng)濟(jì),特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大,還會造成水資源短缺、濕地萎縮、地下水位下降以及水土流失等諸多生態(tài)和環(huán)境方面的嚴(yán)重后果。因此,有必要對三江平原干旱的特征、變化趨勢以及原因進(jìn)行研究分析。

    干旱指標(biāo)是用于描述干旱現(xiàn)象、研究干旱特征的重要參數(shù)。在漫長的發(fā)展歷程中,干旱指標(biāo)完成了從非標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)到綜合型指標(biāo)、從僅考慮降水到綜合考慮各方面要素的演變[5]。1906年,Henry[6]提出降水距平這一非標(biāo)準(zhǔn)化干旱指標(biāo),該指標(biāo)在多個地區(qū)得到應(yīng)用[7-10]。鑒于非標(biāo)準(zhǔn)化干旱指標(biāo)無法對比不同地區(qū)的干旱情況,故出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化干旱指標(biāo),其中,McKee提出標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)(SPI)[11],之后被WMO推廣應(yīng)用并列入我國國家氣象干旱等級標(biāo)準(zhǔn)[12]。但SPI僅考慮降水,未考慮到蒸散發(fā)也是表征干旱的一大要素。2010年,Vicente等[13]提出基于簡單水量平衡關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指標(biāo)(SPEI),該指標(biāo)既考慮了干旱對蒸散發(fā)的響應(yīng),又有能適用于不同地區(qū)的優(yōu)點(diǎn),在全球得到較好的應(yīng)用[14-16]。

    目前關(guān)于三江平原干旱特性的研究較少,相關(guān)研究的年代也較為久遠(yuǎn)。鄭劍非[17]和王雷[18]定性分析了三江平原1981年前的干旱態(tài)勢及可能的成因;邢貞相等[19]、孟煥[20]主要研究三江平原氣候要素(如降水、氣溫)的變化規(guī)律,沒有特別關(guān)注干旱問題;董曉東[21]、丁紅等[22]使用旱澇指數(shù)(供水量與作物需水量的比值)、降水距平百分率、Z指標(biāo)和降水溫度均一化指標(biāo)研究三江平原旱情,旱澇指數(shù)和降水溫度均一化指標(biāo)未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,無法對比不同地區(qū)的干旱情況。降水距平百分率和Z指標(biāo)是單因素指標(biāo),對干旱的考慮并不全面。SPEI能避免以上缺陷,且SPEI指數(shù)在東北地區(qū)干旱預(yù)測和定量化研究中具有較好的適用性[23],故選用SPEI為干旱指標(biāo),對1961—2014年三江平原的干旱時空變化趨勢進(jìn)行分析,以期為三江平原的干旱監(jiān)測、水資源管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供一定的參考依據(jù)。

    2 研究區(qū)域概況

    三江平原位于黑龍江省東部,介于北緯43°50′~48°40′,東經(jīng)129°30′~135°05′之間,西起小興安嶺東南端,東至烏蘇里江,北自黑龍江畔,南抵興凱湖,總面積10.89萬km2[24]。緯度較高,地勢低平,山區(qū)主要分布于西部邊緣。耕地面積為5萬多平方公里[25],是我國重要的商品糧基地。

    本文選取了三江平原19個氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究,站點(diǎn)分布見圖1。

    圖1 三江平原概況

    3 研究方法與資料

    3.1 研究資料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)提供的三江平原內(nèi)19個站點(diǎn)日降水量和日平均氣溫數(shù)據(jù)。因1961—2014年間的降水氣溫資料較為完整,故選取該時間段的降水氣溫資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并對缺測數(shù)據(jù)用反距離權(quán)重法(IDW)進(jìn)行插補(bǔ)延長。三江平原平均降水量基于各站點(diǎn)的降水量用泰森多邊形法計算得到。

    3.2 研究方法 基于1961—2014年的月降水量和平均氣溫時間序列分別計算1月、3月、12月3個時間尺度的SPEI值,在此基礎(chǔ)上分析干旱發(fā)生頻次的空間分布特征以及不同年、季節(jié)和月份的干旱站次比和干旱強(qiáng)度的變化特征。

    3.2.1 SPEI SPEI的計算需要月平均氣溫、月降水量以及站點(diǎn)緯度(用于計算潛在蒸散發(fā))作為輸入。原理為用降水量與蒸散量的差值偏離平均狀態(tài)的程度來表征某地區(qū)的干旱程度。

    (1)通過Thornthwaite法計算潛在蒸散發(fā)量[26]

    式中:K為根據(jù)緯度計算的修正系數(shù);T為月平均氣溫;I為年總加熱指數(shù);a為由I決定的系數(shù)。(2)計算月降水量和月潛在蒸散發(fā)量的差值Di=Pi-PETi

    (2)式中:Pi為月降水量,PETi為月潛在蒸散發(fā)量。

    (3)用三參數(shù)Log-logistic分布對Di進(jìn)行擬合并求出累計函數(shù)

    式中:α、β、γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和origin參數(shù);為概率密度函數(shù);F()x為概率分布函數(shù)。通常認(rèn)為:

    式中:為關(guān)于( )1+1/β 的gamma函數(shù);ω0、ω1、ω2為原始數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩。

    (4)對累積分布函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)處理,得到相應(yīng)SPEI為

    式中:當(dāng)P≤0.5時,當(dāng)

    式中:SPEIi為站點(diǎn)i的SPEI值;ai為泰森多邊形法計算的權(quán)重(見表1)。SPEI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)參照《氣象干旱等級標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20481—2006》[12]劃分為5級,其指標(biāo)值對應(yīng)的累積概率如表2。c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。

    3.2.2 干旱評價指標(biāo) 選用干旱強(qiáng)度、干旱發(fā)生頻次和干旱影響面積3個指標(biāo)評估三江平原的干旱特性。

    (1)干旱強(qiáng)度(Sj)。Sj用于估計干旱的嚴(yán)峻程度。某一時段的干旱嚴(yán)峻程度可以直接通過SPEI的值來反映,SPEI越大,干旱程度越高。由于三江平原站點(diǎn)分布并非十分均勻,故用泰森多邊形法給每個站點(diǎn)的SPEI值賦權(quán)重,第j年的干旱程度可用下式表示:

    表1 泰森多邊形權(quán)重

    表2 SPEI的干旱等級劃分

    (2)干旱發(fā)生范圍。干旱發(fā)生頻次的臺站比例Qj可用下式表示:

    式中:M為總觀測臺站數(shù);m為發(fā)生干旱的臺站數(shù);j為年份;Qj為某地干旱影響面積,能間接反映干旱影響區(qū)域的干旱程度。參照熊光潔等[16]的研究對干旱站次比等級劃分,干旱站次比0%~10%無干旱,10%~25%為局域性干旱,25%~33%為部分區(qū)域性干旱,33%~50%為區(qū)域性干旱,50%~100%為全域性干旱。干旱站次比越高表示干旱影響面積越廣。

    (3)干旱發(fā)生頻次(Pi)。Pi用于評估站點(diǎn)發(fā)生干旱的次數(shù),其表達(dá)式為:

    式中:N為站點(diǎn)觀測總年數(shù);n為站點(diǎn)發(fā)生某等級干旱的年數(shù)。

    為方便比較,將中旱及以上干旱發(fā)生年份記為干旱,重旱及以上干旱發(fā)生年份記為重旱,特旱及以上干旱發(fā)生年份記為特旱。

    4 結(jié)果與分析

    4.1 三江平原干旱強(qiáng)度將SPEI12、SPEI3、SPEI1帶入式(8)可計算出1961—2014年三江平原年、季、月3個尺度的干旱強(qiáng)度,根據(jù)表2將干旱強(qiáng)度值劃分等級,結(jié)果如圖2所示。

    圖2 三江平原月、季、年干旱強(qiáng)度變化特征

    4.1.1 年際干旱強(qiáng)度 三江平原1961—2014年年際干旱強(qiáng)度變化特征如圖2最下一行及圖3所示。干旱強(qiáng)度值在-1.67至1.86之間。1961—2014年間無特旱年份,發(fā)生重旱、中旱及輕旱的年數(shù)分別為1a、7a、7a,無旱年數(shù)39a。1970年代后期和2000年代干旱強(qiáng)度較大。總體來說三江平原年際干旱強(qiáng)度呈略微增加趨勢(SPEI值越小干旱越嚴(yán)重,干旱強(qiáng)度越高)。

    4.1.2 季節(jié)干旱強(qiáng)度 為方便分析和對比,將一年根據(jù)氣象條件劃分為4個季節(jié),3月至5月為春季,6月至8月為夏季,9月至11月為秋季,12月至次年2月為冬季。

    春季SPEI值在-1.84至1.71間變化。三江平原春季未發(fā)生過特旱,1967年發(fā)生重旱,1969、1973、1974、1986年共4年發(fā)生中旱,干旱發(fā)生年數(shù)共計5年(圖2第13行)。

    夏季是干旱強(qiáng)度最大的季節(jié),SPEI值在-2.25至1.49間變化。2003年夏季發(fā)生特旱,1975年發(fā)生重旱,1993、1996、1998、2009年共4年發(fā)生中旱,干旱發(fā)生年數(shù)共計6年(圖2第14行)。

    秋季是干旱強(qiáng)度最低的季節(jié),SPEI值在-1.71至1.66間變化。三江平原秋季未發(fā)生過特旱和重旱,1970、1980、1982、2000、2008年發(fā)生中旱,干旱發(fā)生年數(shù)共計5年(圖2第15行)。

    冬季SPEI值在-1.75至1.98間變化。2001年發(fā)生重旱,2004、2005、2010年發(fā)生中旱,干旱發(fā)生年數(shù)共計4年(圖2第16行)。

    4.1.3 月干旱強(qiáng)度 1月至3月、11月、12月,干旱強(qiáng)度皆呈下降趨勢;4月至7月干旱強(qiáng)度的變化趨勢不明顯,8月至9月干旱強(qiáng)度呈上升趨勢。干旱強(qiáng)度高的月份從原本集中于春季逐漸演變?yōu)榧杏谇锛?。月干旱SPEI值也與季干旱SPEI值類似,這里不再贅述(圖2第1至12行)。

    從不同年代紀(jì)干旱所占百分比易看出1970年代和2000年代是干旱強(qiáng)度最高的2個年代紀(jì),且2000年代的干旱強(qiáng)度比1970年代更高(圖4)。

    圖3 三江平原年干旱強(qiáng)度變化趨勢

    圖4 三江平原各年代紀(jì)季干旱強(qiáng)度百分比堆疊圖

    4.2 三江平原干旱發(fā)生范圍 通過每個站點(diǎn)SPEI1、SPEI3、SPEI12可分別計算分析三江平原月、季、年尺度下的干旱發(fā)生范圍。

    4.2.1 年際干旱發(fā)生范圍 三江平原1961—2014年年際干旱發(fā)生范圍變化特征如圖5最下一行所示。干旱站次比在0%~89.5%之間。1967年、1970年、1975年、1977年、1979年、1982年、1999年、2001年、2008年皆發(fā)生全域性干旱(干旱站次比大于50%)。1961—2014年間,發(fā)生局域性干旱、部分區(qū)域性干旱、區(qū)域性干旱、全域性干旱的年數(shù)分別為5a、3a、3a、9a,無旱年數(shù)34a。1970年代和2000年代干旱發(fā)生范圍較廣??傮w來說三江平原干旱站次比呈不顯著上升趨勢(圖6)。

    4.2.2 季節(jié)干旱發(fā)生范圍 春季平均干旱站次比為17.3%,全域性干旱主要發(fā)生于1960年代后期至1970年代前期以及1980年代后期至1990年代前期,區(qū)域性干旱主要發(fā)生于1970年代及1990年代。發(fā)生局域性干旱、部分區(qū)域性干旱、區(qū)域性干旱、全域性干旱的年數(shù)分別為:11a、1a、7a、6a,無干旱年數(shù)為29a(圖5第13行)。

    圖6 三江平原年干旱發(fā)生范圍變化趨勢

    夏季平均干旱站次比為17.1%,全域性干旱主要發(fā)生于1990年之后,區(qū)域性干旱主要發(fā)生于1970年代初及1980年前后。發(fā)生局域性干旱、部分區(qū)域性干旱、區(qū)域性干旱、全域性干旱的年數(shù)分別為:8a、4a、4a、6a,無干旱年數(shù)為32a(圖5第14行)。

    秋季平均干旱站次比最高,為19.1%,發(fā)生頻率較高的全域性干旱主要發(fā)生2000年之后,區(qū)域性干旱主要發(fā)生于1999年至2011年之間。發(fā)生局域性干旱、部分區(qū)域性干旱、區(qū)域性干旱、全域性干旱的年數(shù)分別為:6a、2a、6a、8a,無干旱年數(shù)為32a(圖5第15行)。

    冬季平均干旱站次比最低,為16.9%,全域性干旱主要發(fā)生于1999年至2010年之間,發(fā)生頻率較高的區(qū)域性干旱主要發(fā)生于2005年之后。發(fā)生局域性干旱、部分區(qū)域性干旱、區(qū)域性干旱、全域性干旱的年數(shù)分別為:6a、8a、2a、7a,無干旱年數(shù)為30a(圖5第16行)。

    總體來說,全域性干旱發(fā)生次數(shù)最多的季節(jié)為秋季,其次為冬季,夏季和春季全域性干旱發(fā)生次數(shù)最少;區(qū)域性干旱發(fā)生次數(shù)最多的季節(jié)為春季,冬季最少。

    4.2.3 月干旱發(fā)生范圍 與季節(jié)干旱發(fā)生范圍變化趨勢類似,除1月、2月、3月、12月干旱發(fā)生范圍呈下降趨勢外,其他月份皆呈上升趨勢。時間越往后月干旱發(fā)生范圍越大,且越集中于一年中靠后的月份(秋季)。月干旱發(fā)生范圍值也與季干旱范圍值類似,這里不再贅述(圖5第1至12行)。各年代紀(jì)都是無干旱的發(fā)生概率最大,其次是局域性干旱。其他范圍等級的干旱發(fā)生概率在各年代紀(jì)不盡相同,1970年代和2000年代是發(fā)生范圍較大的干旱占百分比最高的年代紀(jì)(圖7)。

    4.3 三江平原干旱發(fā)生頻次利用式(10)計算12月、3月、1月尺度不同等級的干旱發(fā)生頻次。結(jié)果表明,三江平原多年平均干旱發(fā)生頻次在13%至22.2%之間,平均值為17.8%(圖8(a)),相比全國其他地區(qū)而言較低[27-30]。三江平原西北大部分地區(qū)多年平均干旱發(fā)生頻次較高,鶴崗、富錦、佳木斯、蘿北、集賢的干旱發(fā)生頻次皆大于20%。東南地區(qū)則為干旱低頻區(qū),其中虎林的干旱發(fā)生頻次最低,為13%。多年平均重旱發(fā)生頻次在3.7%至11.1%之間,平均值為6.9%,發(fā)生頻次最高的地區(qū)為西部湯原地區(qū),其次為南部地區(qū)(圖8(b))。多年平均特旱發(fā)生頻次在0%至3.7%之間,平均值為0.9%,發(fā)生頻次最高的地區(qū)位于三江平原東部(圖8(c))。100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%1970年前 1970s 1980s 1990s 2000s 2000年后無干旱 局域性干旱 部分區(qū)域性干旱 區(qū)域性干旱 全域性干旱

    圖7 三江平原各年代紀(jì)季干旱發(fā)生范圍百分比堆疊圖

    圖8 三江平原年尺度下干旱、重旱、特旱發(fā)生頻次的空間分布

    不同年代紀(jì)三江平原年尺度干旱發(fā)生頻次的大小和空間分布也有所不同。1970年之前的干旱發(fā)生頻次普遍較低,西部地區(qū)相對較高;1970年代達(dá)到峰值,西北部大部分地區(qū)干旱發(fā)生頻次高至50%以上;1980年代至1990年代有所下降,干旱發(fā)生頻次較高的區(qū)域也從東北大部轉(zhuǎn)向東北角和西部。2000年代再次達(dá)到峰值,東北地區(qū)干旱發(fā)生頻次最高;2000年以后干旱發(fā)生頻次降低,頻次值最高地區(qū)位于三江平原西南角(圖9)。

    圖9 三江平原不同年代紀(jì)年尺度干旱發(fā)生頻次的空間分布

    三江平原多年平均干旱月、季干旱發(fā)生頻次總體較為相似。干旱平均發(fā)生頻次約為17.5%,重旱平均發(fā)生頻次約為5.6%,特旱平均發(fā)生頻次約為0.8%,干旱等級越高,干旱發(fā)生頻次越低。對于干旱和重旱,秋季發(fā)生干旱的頻次最高,對于特旱而言,夏季的干旱發(fā)生頻次最高(表3)。

    表3 三江平原不同月份及季節(jié)干旱發(fā)生頻次

    5 結(jié)論

    通過各站點(diǎn)年、季、月尺度的SPEI值計算得到的干旱強(qiáng)度、干旱范圍、干旱發(fā)生頻次,揭示了三江平原1961—2014年干旱時空分布變化特征,得到以下結(jié)論:(1)對于干旱強(qiáng)度而言,年尺度上干旱強(qiáng)度呈不顯著增加趨勢,季尺度上夏季干旱強(qiáng)度最大,月尺度上干旱強(qiáng)度高的月份從原本集中于春季逐漸演變?yōu)榧杏谇锛尽#?)對于干旱發(fā)生范圍而言,年尺度上干旱發(fā)生范圍同樣呈不顯著增加趨勢,而季尺度上秋季干旱發(fā)生范圍最廣。(3)對于干旱發(fā)生頻次,三江平原干旱總體發(fā)生頻次相對全國其他地區(qū)較低。中旱及以上強(qiáng)度干旱發(fā)生頻次較高的區(qū)域主要集中于鶴崗、富錦、佳木斯、蘿北、集賢等地,呈從東南向西北增加的特點(diǎn),而重旱和特旱發(fā)生的相對高頻區(qū)分別為西部湯原地區(qū)及東部地區(qū)。(4)從不同年代紀(jì)來看,三江平原的干旱情況呈波動態(tài)勢,其中1970年代和2000年代干旱強(qiáng)度最大、干旱發(fā)生范圍最廣、干旱頻次也最高,是干旱最嚴(yán)重的年代紀(jì)。

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