沙潁河流域季節(jié)性干旱的時空分布特征

郭金萍，郭薇

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

干旱的發(fā)生會給社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)造成巨大損失。干旱變化特征分析是流域水資源規(guī)劃和管理的基礎(chǔ)[1]。干旱指標(biāo)被廣泛用于表征復(fù)雜的干旱現(xiàn)象，常用的干旱指數(shù)有Palmer干旱指數(shù)(PDSI)、降水量距平百分率(Pa)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等。其中，PDSI綜合考慮了降水和潛在蒸發(fā)量，是使用最廣泛的氣象干旱指數(shù)，但主要不足是時間尺度單一、參數(shù)區(qū)域性強(qiáng)[2]；降水量距平百分率雖比較直觀，但反映的旱澇程度比較弱[3]；SPI僅需降水?dāng)?shù)據(jù)，計算簡單且可用于監(jiān)測不同時間尺度，然而未考慮溫度和蒸散等的影響，對溫度變化引起的干旱現(xiàn)象反應(yīng)不敏感[4]；SPEI是Vicente-Serrano等[5]于2010年在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的基礎(chǔ)上提出的，該指數(shù)同時考慮了降水與蒸發(fā)，尤其適用于氣候變暖背景下的干旱特征分析，并且具有時空性，在許多地區(qū)的應(yīng)用檢驗(yàn)中都得到了很好的驗(yàn)證[6-8]。

沙潁河全長626 km，流域面積39 880 km2，流域內(nèi)人口眾多，人類活動劇烈，是河南省糧食主產(chǎn)區(qū)重要的灌溉用水來源。沙潁河流域自西向東由山區(qū)丘陵向平原地帶過渡，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，西部山區(qū)丘陵地帶多年平均氣溫較東部平原地區(qū)低，降水量由東南向西北逐漸遞減，且多集中在6—9月。受地形和氣候條件影響，沙潁河流域季節(jié)性干旱時常發(fā)生，嚴(yán)重制約流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近年來，有學(xué)者對沙潁河流域的降水特性[9]、降水量時空分布特征[10]及水文干旱演變情況[11]進(jìn)行分析，豐富了人們對流域內(nèi)氣候變化及降水分布的認(rèn)識，但缺乏針對氣象干旱的專門研究。氣象干旱是水文、農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)干旱最基本的起因，研究氣象干旱對流域內(nèi)水資源的合理分配、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。為此，選用SPEI作為干旱等級的劃分指標(biāo)，采用Mann-Kendall法和Morlet小波分析探討沙潁河流域內(nèi)季節(jié)性干旱的時空變化特征。

1 材料與方法

1.1 研究資料

本文選用的氣象數(shù)據(jù)為流域內(nèi)17個氣象站1961—2010年的月降水和月氣溫數(shù)據(jù)，來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，沙潁河流域內(nèi)氣象站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 沙潁河流域氣象站點(diǎn)的分布

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

SPEI是對降水量與潛在蒸散量的差值序列的累積概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，更能反映不同時空的旱澇情況[6]。

3個月時間尺度的SPEI可以很好地反映季節(jié)的干旱狀況，本文基于此分析流域季節(jié)干旱變化特征。依據(jù)氣象劃分季節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，春季為每年的3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]如下：SPEI>-0.5，無旱；-1

1.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)

非參數(shù)的Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法對樣本序列分布沒有特殊要求，人為干擾少，計算簡單，廣泛用于氣象、水文變量的趨勢檢驗(yàn)[13]。本文利用M-K檢驗(yàn)法分析沙潁河流域季節(jié)SPEI指數(shù)的時間變化趨勢，Z為正值表示序列呈上升趨勢，Z為負(fù)值表示序列呈下降趨勢，且|Z|≥1.645、1.96和2.58時，分別表示通過了90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)，即上升或下降趨勢顯著。

1.2.3 干旱頻率

干旱頻率Pi可用來評價某站有資料年份內(nèi)干旱發(fā)生的頻繁程度。本文中干旱指發(fā)生輕旱及輕旱以上的干旱事件。

1.2.4 Morlet小波分析

小波變換是分析非平穩(wěn)信號的可靠工具[14]。鑒于水文中大多數(shù)氣候要素的時間序列在統(tǒng)計中表現(xiàn)出周期性，因此常用小波變換來揭示時間序列變化的周期性。Morlet小波是常用的小波函數(shù)之一，它能識別一個時間序列中的主要周期性和時頻級數(shù)，給出時間序列變化的振幅和相位信息，且具有多時間尺度的特點(diǎn)[15]，適用于沙潁河流域干旱演變過程中周期性變化特征的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱時間變化特征

沙潁河流域各季節(jié)SPEI序列值見圖2。根據(jù)《治淮匯刊(年鑒)》《阜陽地區(qū)志》中關(guān)于沙潁河流域主要干旱事件的記錄，20世紀(jì)90年代沙潁河流域干旱災(zāi)害頻發(fā)，1990年秋季中旱，1992年夏季輕旱，1993—1994年春夏秋連旱，1995—1996年春季中旱，1997年夏季重旱、秋季中旱，1998年秋冬重旱，1999年夏季重旱。對比各季節(jié)的SPEI值判斷旱情等級：1990年秋季SPEI為-0.83判斷為輕旱，較實(shí)際干旱輕了一個等級；1992年夏季SPEI為-0.88判斷為輕旱，與實(shí)際干旱等級一致；1993年春夏秋SPEI值分別為0.38、-1.09和-0.66，判斷結(jié)果分別為無旱、中旱和輕旱，春季較實(shí)際旱情輕一個等級，夏季較實(shí)際旱情重一個等級，秋季與實(shí)際旱情等級一致。另外，從1994—1999年SPEI值中也能識別出干旱情況?？偟膩碚f，SPEI在描述具體干旱等級上尚顯不足，但可以識別出沙潁河流域的干旱情況，且與歷史災(zāi)情記錄基本相符。

圖2 沙潁河流域1961—2010年各季節(jié)SPEI值的變化

利用M-K檢驗(yàn)法計算流域和各站點(diǎn)不同季節(jié)SPEI的統(tǒng)計量Z值(表1)。

由表1可知：流域整體春季和秋季SPEI的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計量均為負(fù)值，可知SPEI呈下降趨勢，流域趨向干旱，其中秋季|Z|≥1.96，表明通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，變干趨勢顯著；流域整體夏季和冬季的Z值均為正值，說明有不顯著的濕潤趨勢。

表1 流域內(nèi)各站點(diǎn)不同季節(jié)SPEI的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計量

注：*、**、***分別表示通過信度為90%、95%和99%的顯著性水平檢驗(yàn)。

流域內(nèi)各站點(diǎn)春季均有不顯著的干旱化趨勢；夏季均有濕潤化趨勢，其中郟縣、魯山、葉縣站分別通過了不同水平的顯著性檢驗(yàn)，濕潤化趨勢顯著；秋季均有干旱化趨勢，除鄲城、登封、許昌、鄢陵、葉縣、禹州和周口7個站點(diǎn)未通過顯著性檢驗(yàn)外，其他地區(qū)均通過了不同水平的顯著性檢驗(yàn)；冬季除漯河、項(xiàng)城、新鄭、許昌、葉縣、周口和尖崗7個站點(diǎn)有干旱化趨勢外，其他10個站點(diǎn)均有濕潤化趨勢，但僅有阜陽站通過了99%水平的顯著性檢驗(yàn)?？偟膩碚f，流域內(nèi)大多數(shù)站點(diǎn)和流域整體的季節(jié)干濕變化趨勢具有一致性。

2.2 干旱頻率空間分布

在ArcGIS 10.1軟件中用反距離權(quán)重插值法對流域1961—2010年各站點(diǎn)不同季節(jié)的干旱頻率進(jìn)行空間插值，結(jié)果見圖3。春旱發(fā)生頻率在24%～38%，流域西部和中下游地區(qū)春旱發(fā)生頻率較高，最易發(fā)生春旱的地區(qū)為阜陽和潁上，頻率高達(dá)38%；夏旱發(fā)生頻率在28%～42%，中游南部和下游地區(qū)易發(fā)生夏旱，漯河和潁上地區(qū)夏季干旱發(fā)生的頻率高達(dá)42%；秋旱發(fā)生頻率在28%～36%，上游、中游地區(qū)易發(fā)生秋旱，尖崗、許昌、兩河口地區(qū)秋旱發(fā)生頻率達(dá)36%；冬旱發(fā)生頻率在26%～37%，下游阜陽地區(qū)和上游兩河口、登封地區(qū)發(fā)生冬旱的頻率在34%～39%，中游地區(qū)也易發(fā)生冬旱，頻率在32%～37%。

2.3 周期性分析

采用Morlet小波分析法對沙潁河流域4季SPEI序列的周期性進(jìn)行分析，小波系數(shù)實(shí)部等值線圖和小波方差圖分別如圖4、圖5所示，灰度深淺表示SPEI值高低變化。在不同的時間尺度上，正負(fù)相位交替變化明顯，具有2個時間尺度的周期波動特征。年際尺度上，存在4～8 a的小尺度信號。春季SPEI的小波方差在4 a和8 a的時間尺度上均出現(xiàn)峰值，說明春季SPEI存在4 a和8 a的周期振蕩規(guī)律，在8 a處的方差峰值最大，說明8 a為第一主周期，4 a為第二主周期。

綜合分析小波系數(shù)等值線圖和小波方差圖，可以得到其他3個季節(jié)SPEI的周期。夏季SPEI存在8 a的第一主周期，16 a和3 a分別為第二、第三主周期；秋季SPEI存在17 a的第一主周期，4 a和12 a分別為第二、第三主周期；冬季SPEI存在20 a的第一主周期和3 a的第二主周期。

3 小結(jié)

選用SPEI氣象干旱指數(shù)，采用M-K檢驗(yàn)法和Morlet小波分析探討了沙潁河流域季節(jié)性干旱的時空變化特征，主要結(jié)論如下：(1)通過與沙潁河流域歷史干旱事件的對比，證明了SPEI在沙潁河流域干旱評價中的適用性。流域內(nèi)大多數(shù)站點(diǎn)和流域整體的季節(jié)干濕變化趨勢具有一致性。(2)流域不同站點(diǎn)各季節(jié)干旱頻率在24%～42%，季節(jié)干旱空間分布差異較大，最易發(fā)生春旱的地區(qū)為阜陽和潁上，中游南部和下游地區(qū)易發(fā)生夏旱，上游、中游地區(qū)易發(fā)生秋旱，下游阜陽地區(qū)和上游兩河口、登封地區(qū)和中游地區(qū)易發(fā)生冬旱。(3)1961—2010年沙潁河流域氣象干旱有明顯的周期變化，春季SPEI存在4～8 a的短周期，其他3個季節(jié)SPEI均存在3～8 a的短周期、12～20 a的長周期。

圖3 沙潁河流域季節(jié)干旱頻率空間的分布

圖4 小波變換系數(shù)實(shí)部等值線

圖5 各季小波方差分析