基于SPEI的衡水地區(qū)干旱趨勢(shì)變化及周期研究

，

(河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北 衡水 053000)

在全球氣候變暖的大背景下，氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸降低，氣候變化的極端性、不確定性加劇，尤其以干旱事件最為明顯，嚴(yán)重威脅著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著全球變暖的日益加劇，干旱對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響也日益增大。衡水地處半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，降水分布不均勻，且夏季常伴有高溫，素有“十年九旱”之說(shuō)。近年來(lái)，氣溫的升高，降水的減少，加劇了旱災(zāi)的發(fā)生；同時(shí)水資源供需矛盾加劇，為滿足上游地區(qū)取用水，上游水庫(kù)蓄水，導(dǎo)致處于下游的衡水地區(qū)河道季節(jié)性缺水，河道失去蓄水灌溉功能，取用地下水灌溉農(nóng)田，導(dǎo)致地下水水位下降，由于地下水超采嚴(yán)重，生成了以衡水市區(qū)為中心的，全國(guó)最大的地下水漏斗之一—冀棗衡地下漏斗，干旱已成為影響衡水經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最大的自然災(zāi)害之一。

近年來(lái)，專家學(xué)者在對(duì)量化干旱，干旱的變化趨勢(shì)等方面上，做了大量的研究，并提出了多種干旱指數(shù)。其中具有代表性且應(yīng)用較廣泛的干旱指數(shù)有：降水距平指標(biāo)、Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)和Palmer干旱指數(shù)(PDSI)等。2010年Vicente-Serrano提出標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，該指數(shù)以降水和蒸散發(fā)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，既保留了PDSI指數(shù)里蒸散對(duì)溫度敏感的特點(diǎn)，也具備了SPI指數(shù)多尺度、多空間的優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，本文基于SPEI指數(shù)定量分析衡水地區(qū)干旱變化特征。

SPEI指數(shù)在旱澇災(zāi)害評(píng)估領(lǐng)域已有大量的應(yīng)用：李偉光等[2]基于SPEI指數(shù)對(duì)我國(guó)干旱趨勢(shì)進(jìn)行研究，指出干旱化現(xiàn)象在我國(guó)已經(jīng)普遍存在，西部、華北和東北地區(qū)干旱化最為顯著；吳志杰等[3]通過(guò)和歷史資料對(duì)比，驗(yàn)證了SPEI指數(shù)在云南中部的適用性和對(duì)降水變化的敏感趨勢(shì)；陳斐[4]等應(yīng)用SPEI指數(shù)，并結(jié)合氣候統(tǒng)計(jì)分析和小波分析方法，探討了西北地區(qū)春旱的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)春旱強(qiáng)度和總頻次八十年代降至最低，兩千年增至最高，春旱發(fā)生頻次具有3 a、9 a以及25 a以上尺度的周期波動(dòng)特征；魯佩等[5]利用SPEI指數(shù)，結(jié)合M-K趨勢(shì)分析和小波分析方法對(duì)華北平原進(jìn)行干旱時(shí)空特征分析，指出近55年華北平原表現(xiàn)出干旱化趨勢(shì)，干濕變化存在3年、5年以及10年的振蕩周期，且未來(lái)幾年干旱趨勢(shì)為偏旱。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

衡水市處于河北省東南部平原，地理位置為：115°10′-116°34′E， 37°03′-38°23′N，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季干燥寒冷，夏季炎熱多雨。衡水作為嚴(yán)重缺水城市(供水率75%的保證率下，缺水率為67%，2003)[6]，隨著我市工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出。

1.2 資料來(lái)源

本文所用降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于衡水縣級(jí)雨量站，剔除資料缺失不連續(xù)的站點(diǎn)后，進(jìn)行質(zhì)量檢查，最終從11個(gè)縣市區(qū)個(gè)共選取十一個(gè)雨量站，序列連續(xù)完整，區(qū)域代表性較好，氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象數(shù)據(jù)信息中心。利用算數(shù)平均法得到1964-2015年衡水市逐月降水量和逐月平均氣溫，采用自相關(guān)系數(shù)法對(duì)其進(jìn)行一致性分析，經(jīng)計(jì)算，月降水自相關(guān)系數(shù)r1=-0.176，月氣溫自相關(guān)系數(shù)r2=-0.045，期統(tǒng)計(jì)量t服從自由度為N-1-2的 t分布，取置信度α=0.01，N=52，查t分布數(shù)值表得t0.01=2.682， | t0.01|> r1=-1.3 ，|t0.01|>r2=-0.3，說(shuō)明數(shù)據(jù)自相關(guān)性較好，資料系列具有一致性。

1.3 研究方法

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是通過(guò)計(jì)算水分虧缺量即降水量和蒸散量的差值，來(lái)反映季節(jié)干濕的變化。SPEI是以月降水和月平均氣溫為基礎(chǔ)，利用概率分布函數(shù)對(duì)其分布擬合，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)處理，最終得到標(biāo)準(zhǔn)化累計(jì)概率，參照干旱等級(jí)表，得到干旱等級(jí)。具體計(jì)算步驟如下[7]：

1)計(jì)算潛在蒸散量(PET)，利用Thornthwaite法計(jì)算：

PETi=16.0×(10Ti/H)A

(1)

式中：A為常數(shù)；H為年熱量指數(shù)；Ti為月平均氣溫。A和H的計(jì)算公式分別如下：

A= 6.75 × 10-7H3-7.71 × 10-5H2+ 1.792 × 10-2H + 0.49

(2)

Hi=(Ti/5)1.514

(3)

(4)

2)逐月降水量與蒸散量的差值計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Di = Pi-PETi

(5)

式中：Di為降水量與蒸散量的差值；Pi為月降水量；PETi為月蒸散量。

3)Di數(shù)據(jù)序列正態(tài)化。采用log-logistic概率分布F(x)對(duì)Di進(jìn)行擬合，計(jì)算每個(gè)Di數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI值。采用下式計(jì)算SPEI，P≤0.5時(shí)，S=1，P>0.5時(shí),S=-1。

(6)

(7)

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

表1 SPEI指數(shù)干旱等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 SPEI指數(shù)年際變化特征

從圖1可知，SPEI指數(shù)的變化大致可分為兩個(gè)階段：1)1964-1985年，SPEI指數(shù)均值為0.158，高于整體水平，這個(gè)階段SPEI指數(shù)呈現(xiàn)震蕩上升的趨勢(shì)，說(shuō)明該時(shí)期衡水地區(qū)整體氣候處于一個(gè)干旱變濕潤(rùn)的時(shí)期。2)1986-2015年，SPEI指數(shù)均值為-0.132，低于整體水平，這個(gè)階段SPEI指數(shù)呈現(xiàn)震蕩下降的趨勢(shì)，在1997-1999年出現(xiàn)極值，導(dǎo)致連續(xù)三年的中度以上干旱，后出現(xiàn)緩慢的震蕩回升但依然經(jīng)歷了三次中度干旱，說(shuō)明該時(shí)期衡水地區(qū)整體處于一個(gè)由濕潤(rùn)變干旱的時(shí)期。這一結(jié)果和吳楊潔[8]基于干旱指數(shù)對(duì)河北干旱研究結(jié)果一致。

圖1 衡水地區(qū)1964-2015年SPEI指數(shù)年際變化

SPEI指數(shù)干旱年份統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)表2)顯示，1964-2015年共有17個(gè)干旱年份，占比32.5%，其中中度干旱年份所占比最大，為13.5%，說(shuō)明衡水地區(qū)的干旱主要以中度干旱為主；上世紀(jì)八十年代發(fā)生輕度干旱的年份較多；嚴(yán)重干旱發(fā)生在六十年代(1965、1968)和九十年代(1997、1999)。這與前人研究結(jié)果[9]相同，河北省在1965、1997、1999年發(fā)重旱，覆蓋面積大于50%，均包括位于河北省東南部的衡水地區(qū)。從時(shí)間歷程看，從上世紀(jì)六十年代開(kāi)始，干旱時(shí)有發(fā)生過(guò)，六七十年代干旱發(fā)生則為嚴(yán)重干旱或中度干旱，而從八十年代開(kāi)始，干旱頻繁發(fā)生，幾乎每個(gè)兩至三年均發(fā)生一次干旱，一零年后干旱情況有所好轉(zhuǎn)。

表2 衡水地區(qū)1964-2015年干旱年份分布

2.2 SPEI年際變化周期分析

小波分析是一個(gè)強(qiáng)有力的統(tǒng)計(jì)分析工具，各種氣象因子、水文過(guò)程、以及生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的物質(zhì)交換過(guò)程都可以視為隨時(shí)間變化的周期性信號(hào)，因此利用小波分析對(duì)衡水地區(qū)基于SPEI指數(shù)的干旱周期變化進(jìn)行分析。

由圖2小波時(shí)頻分布圖可知，衡水地區(qū)1964-2015年SPEI干旱指數(shù)時(shí)間序列存在多個(gè)時(shí)間尺度，中心頻域尺度主要集中在10～15 a和3～7 a，在10～15 a尺度經(jīng)歷了干—濕—干—濕—干—濕6次干濕周期交替變化，從震蕩中心可以看出，干旱主要發(fā)生在60年代末期、80年代初期和2000年初期，2014年后正值由濕變干的交替時(shí)期，因此，預(yù)測(cè)未來(lái)幾年內(nèi)氣候有變干的趨勢(shì)。

由圖2小波方差圖可以看出，小波方差隨時(shí)間尺度的變化過(guò)程中，出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值，對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為5 a和13 a，其中13 a對(duì)應(yīng)的小波方差最大，說(shuō)明衡水地區(qū)SPEI干旱指數(shù)的第一主周期為13 a，第二主周期為5 a。

圖2 衡水地區(qū)1964-2015年SPEI指數(shù)小波實(shí)部圖和方差圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于SPEI干旱指數(shù)，探討了衡水地區(qū)干旱趨勢(shì)變化及干旱周期。主要結(jié)論如下：

(1)1964-2015年衡水地區(qū)氣候整體處于正常水平，SPEI指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，折線傾向率為-0.06/10a，未通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明該地區(qū)存在不顯著的干旱趨勢(shì)。上世紀(jì)六七十年代干旱年份的發(fā)生等級(jí)為嚴(yán)重干旱或中度干旱，而從八十年代開(kāi)始，干旱頻繁發(fā)生，從發(fā)生時(shí)間點(diǎn)來(lái)看，SPEI干旱年與前人研究結(jié)論基本一致，嚴(yán)重干旱發(fā)生在六十年代(1965、1968)和九十年代(1997、1999)，說(shuō)明SPEI指數(shù)在衡水地區(qū)適用性良好。

(2)1964-2015年衡水地區(qū)SPEI指數(shù)存在兩個(gè)震蕩周期，第一主周期為13a，第二主周期為5a，2014年后正值由濕變干的交替時(shí)期，因此，預(yù)測(cè)未來(lái)幾年內(nèi)氣候有變干的趨勢(shì)。

(3)本文基于SPEI指數(shù)對(duì)衡水地區(qū)進(jìn)行干旱分析，但除降水和氣溫，干旱亦受風(fēng)速、地表植被、土壤類型、人類活動(dòng)等多方面影響，要更真實(shí)的反映區(qū)域干旱情況仍需深入研究。