基于SPEI指數(shù)的淮河流域干旱時空演變特征及影響研究

夏 敏,孫 鵬,3,*,張 強,姚 蕊,王友貞,溫慶志

1 安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點實驗室,蕪湖 241002 2 安徽省水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院,水利水資源安徽省重點實驗室,蚌埠 233000 3 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038 4 北京師范大學(xué),地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875 5 北京師范大學(xué),環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室,北京 100875

干旱是全球最常見、最普遍的自然災(zāi)害,具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣的特點。在氣候變化和人類活動的共同影響下,全球范圍的干旱問題已日趨嚴(yán)重[1- 2]?；春恿饔蚴俏覈匾唐芳Z基地,耕地面積14.27×104km2,占全國的9.8%,主要作物有小麥、水稻、玉米、薯類、大豆、棉花和油菜,平均每年向國家提供的商品糧約占全國商品糧的1/4,為國家糧食安全提供了強有力的保障[3- 4]。與此同時,淮河流域地處我國南北氣候過渡帶,氣候條件復(fù)雜,水旱災(zāi)害頻繁[5]。1949—2010年間,淮河流域累計旱災(zāi)受災(zāi)面積1.67×109hm2,成災(zāi)面積87.30×104km2,損失糧食13.96×109kg,平均每年2.70×104km2農(nóng)作物受旱,1.41×104km2農(nóng)作物成災(zāi)[5- 6]。干旱災(zāi)害不僅直接影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活,而且其伴生災(zāi)害也會影響生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展,成為制約區(qū)域社會經(jīng)濟快速發(fā)展的重要原因之一。

目前常用干旱指數(shù)來描述干旱現(xiàn)象,最常用的干旱指標(biāo)主要是帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)[7]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[8]、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)[9]。而在2010年由Vicente-Serrano等[10]提出標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI),通過標(biāo)準(zhǔn)化潛在蒸散與降水的差值的累積概率值表征一個地區(qū)干濕狀況偏離常年的程度,既考慮了PDSI在干旱對蒸散的響應(yīng)方面的優(yōu)勢,又考慮了SPI在空間上的一致性、多時間尺度的優(yōu)點,并很好的應(yīng)用在全球各個部分。Alam等[11]利用馬爾科夫鏈和三維對數(shù)線性模型,對印度6個主要干旱易發(fā)地區(qū)12個月時間尺度的干旱類別轉(zhuǎn)變進行了建模,并利用48年月降雨量和溫度數(shù)據(jù)的SPEI- 12時間序列,研究了相對于干旱類別轉(zhuǎn)變的差異。Yu等[12]使用SPEI指數(shù)研究了中國1951—2010年干旱特征,結(jié)果表明中國自1990年后的嚴(yán)重干旱和極端干旱情況加重；莊少偉等[13]利用中國氣象局160個站1951—2010年月降水和月平均氣溫資料,分析了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)在我國不同等級降水區(qū)域的適用性,并與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和濕潤指數(shù)H進行了對比分析,結(jié)果表明SPEI 既能充分反映氣溫躍變以后增溫效應(yīng)對干旱程度的影響,又可作為監(jiān)測指數(shù)識別干旱發(fā)生和結(jié)束,能較準(zhǔn)確地表征干旱狀況；葉磊等[14]基于嘉陵江流域1962—2010年實測月降水和月平均氣溫數(shù)據(jù),利用不同時間尺度(3、6、9、12個月)的SPI和SPEI指數(shù)分析了流域干旱趨勢的時空演變規(guī)律,結(jié)果表明1962—2010年嘉陵江流域整體呈干旱增加趨勢；熊光潔等[15]應(yīng)用SPEI分別對云南省夏玉米生長期及西南地區(qū)干旱特征進行研究,說明SPEI適用于全球變暖背景下的干旱監(jiān)測與評估。

盡管在中國研究干濕變化的指數(shù)很多,但對淮河流域的研究較少,在全球變暖的大趨勢下,高溫現(xiàn)象導(dǎo)致淮河流域干旱的頻繁發(fā)生[16],而SPEI指數(shù)綜合考慮了降水和溫度因子,具備的多時間尺度優(yōu)勢,能夠較好的分析淮河流域短期、中期和長期的時間和空間變化特征,成為監(jiān)測干旱的重要工具。因此,本文基于淮河流域149個氣象站點的SPEI,對不同時間尺度的淮河流域干旱時空變化特征進行探討,結(jié)合對淮河流域歷史旱情的分析,進一步論述該研究對淮河流域農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測與防治具有重要理論價值與實踐意義。

圖1 淮河流域氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Huai River Basin

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文選取淮河流域149個氣象站1962—2016年逐日最高溫、日最低溫、日降水量資料,數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(圖1)。為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,確保結(jié)果準(zhǔn)確可靠,本文所使用的數(shù)據(jù)均使用RClimDex程序進行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測,包括異常值和錯誤值的篩選、日最高氣溫是否小于最低氣溫等,不合格數(shù)據(jù)按缺測值處理。缺測值使用三次樣條函數(shù)內(nèi)插補齊。

1.2 研究方法

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)由Vicente-Serrano等[10]對降水量與潛在蒸散量差值序列的累積概率值進行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。

本文采用Penman-Monteith公式計算1962—2016年逐日潛在蒸散量[17],然后計算逐月降水與蒸散的差值Di,即

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Pi為月降水量；PETi為月潛在蒸散量。通過疊加計算建立不同時間尺度氣候?qū)W意義的水分盈虧累積序列,即

(2)

式中：n≥k,k為時間尺度(月),n為計算次數(shù)。

對Di數(shù)據(jù)序列進行正態(tài)化處理,計算每個數(shù)值對應(yīng)的SPEI。其中,標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化擬合采用Log-logistic分布模型,并得到不同時間尺度的SPEI 。依據(jù)中國氣象局制定的SPEI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]對研究區(qū)干旱等級進行劃分。

1.2.2干旱的定量表征

干旱的定量表征通過其屬性來表示,主要包括干旱強度、干旱頻率[19]和干旱事件。

(1)干旱強度

干旱強度用來評價研究區(qū)內(nèi)干旱的嚴(yán)重程度。其定義為,在干旱過程內(nèi),旱情達到中旱的SPEI值記為1的累計值,其值越大表明干旱越強。

Q=∑SPEISPEI≤-1

(3)

式中：SPEISPEI≤-1為小于-1的SPEI值。

(2)干旱頻率

干旱頻率是研究期內(nèi)發(fā)生干旱的月數(shù)占總月數(shù)的比例,其值越大表明干旱發(fā)生越頻繁。

(4)

式中：m為發(fā)生干旱的月數(shù),M為研究期總月數(shù)。

(3)干旱事件

干旱事件是指SPEI值達到輕旱及以上旱情的發(fā)生次數(shù)。

O=SPEISPEI≤-0.5

(5)

式中：SPEISPEI≤-0.5為小于-0.5的SPEI值。

1.2.3Mann-Kendall趨勢分析

Mann-Kendall檢驗(簡稱M-K)是提取序列變化趨勢的有效工具,被廣泛應(yīng)用于氣候參數(shù)和水文序列的分析[20]。M-K方法以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱,Z為正值表示增加趨勢,負(fù)值表示減少趨勢,曲線Z在大于等于1.96時顯著上升趨勢,反之顯著下降趨勢。

1.2.4經(jīng)驗正交函數(shù)分解

經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF) 分解是氣候變化領(lǐng)域常用的時空分解方法[21]。其原理是將某氣候變量場的觀測資料以矩陣形式給出(m是觀測站,n是時間序列長度)：

(6)

氣象場的自然正交展開,將X分解為時間函數(shù)Z和空間函數(shù)V兩部分,即：

X=VZ

(7)

為研究淮河流域干旱發(fā)生的時間變化規(guī)律和空間模態(tài),本文對多尺度SPEI指數(shù)的年均變量場進行分解,從復(fù)雜的干旱變量場中分解出不同的時空模態(tài),研究干旱的時間變化和空間模態(tài),分析干旱特征,揭示干旱時空演變的規(guī)律性。

2 淮河流域氣象干旱時空演變特征分析

2.1 淮河流域年際變化特征

圖2 1962—2016年各等級干旱發(fā)生次數(shù)的年際變化Fig.2 Inter annual variation of the drought times in each grade from 1962 to 2016

淮河流域1962—2016年各等級干旱發(fā)生次數(shù)的年際變化見圖2。從整體可以看出,干旱發(fā)生次數(shù)呈現(xiàn)波動變化,但總體趨勢呈現(xiàn)上升趨勢。從1962—2016年間,淮河流域平均每年發(fā)生3.8次干旱事件,干旱事件超過2.7次的共33年,其中1967年最為突出,發(fā)生中旱、特旱以及總數(shù)最多,共9.1次,高達淮河流域平均干旱事件的2倍以上。主要干旱年份發(fā)生在1965—1968年,1976—1982年,1990—2005年,2010—2016年,在90年代前,連續(xù)干旱年份時間較短,在1990—2005年,淮河流域處于較長的連續(xù)干旱狀態(tài),SPEI干旱發(fā)生次數(shù)一直保持一定的穩(wěn)定發(fā)展,表明了淮河流域具有較為明顯的干旱化趨勢。1962—2016年間重旱以及特旱年代際比重分別為24.8%、13.2%、10.0%、15.7%、17.1%、15.8%；其中90年代最低,60年代最高。淮河流域絕大數(shù)地區(qū)易發(fā)生輕旱及中旱,重旱及特旱較少,在整個流域中占旱災(zāi)發(fā)生總的次數(shù)比例也不高。因淮河流域地處我國南北氣候過渡帶,降水量波動大,當(dāng)遇到極端氣候或者連續(xù)多年干旱時,特大干旱發(fā)生次數(shù)驟增[22]。

從不同等級干旱可以看到,淮河流域中旱的發(fā)生次數(shù)每個年代相差不多,而90年代后中度干旱的發(fā)生次數(shù)明顯增多,且變化較為均勻,平均發(fā)生次數(shù)約187次,對比發(fā)現(xiàn)中旱的發(fā)生次數(shù)與淮河流域總體干旱變化規(guī)律基本符合。從圖中可以知道,淮河流域重旱、特旱形勢嚴(yán)峻,最突出的是1967年,149個站點中重旱發(fā)生次數(shù)超過400次,特旱超過200次,約同等級干旱的10倍。而從特旱中可以看出1966—1967年、1978—1979年、1994年、1999—2003年、2011年、2013—2014年等,査閱中國氣象災(zāi)害大典安徽卷、河南卷、山東卷和江蘇卷[23],經(jīng)對比淮河流域歷史干旱災(zāi)情記錄可知,與淮河流域歷史典型旱年非常吻合,表明SPEI指數(shù)能較好地判斷出淮河流域典型旱年(圖2)。

2.2 淮河流域干旱的空間分布特征

淮河流域干旱發(fā)生頻率的空間差異如圖3所示,發(fā)現(xiàn)不同等級干旱發(fā)生頻率在空間上差異較大。從總體來看,淮河流域干旱頻率在27.76%—36.04%之間,干旱范圍約占1/3,淮河流域東部、東北部、西南部的干旱頻率較高,而西部、中部干旱頻率較低一點,則西南部、東北部及中部干旱頻率>西北部和東南部,且流域東北部的干旱頻率>東南部,西南部的干旱頻率>流域中部和西北部。從空間上看,不同等級的干旱發(fā)生頻率的地區(qū)差異明顯。其中,中旱發(fā)生頻率主要集中在淮河流域東北部和西南部；重旱發(fā)生頻率主要集中在山區(qū)和各省份交界區(qū)域；特旱發(fā)生頻率則主要集中在淮河流域的東南部和西北部?；春恿饔驓鉁睾徒邓吭诳臻g上分布不均,受地形地貌等因素的影響,導(dǎo)致干旱分布具有區(qū)域性和復(fù)雜性。

圖3 1962—2016年不同等級干旱發(fā)生頻率分布圖Fig.3 Drought frequency distribution map of different grades from 1962 to 2016

由圖4可以看出,1962—2016年淮河流域旱災(zāi)強度主要由中部沿西南至東北分布,干旱強度較高區(qū)域主要集中在中部、東北部以及西南部；各月份平均差別較小,淮河流域干旱形勢較為嚴(yán)峻?；春恿饔虻臇|北部、中部和西南部都是干旱強度較高的區(qū)域。

淮河流域山東的干旱強度相對最高,主要是由于大氣環(huán)流的規(guī)律性運動和異常情況引起的,常年9月至翌年5月,受東亞槽后西北下沉氣流影響,西南暖濕氣流難以到達山東,引起降水稀少,加之天氣晴朗,空氣干燥,因此多干旱發(fā)生[24]。其次是淮河流域安徽和河南地區(qū),旱災(zāi)易發(fā),干旱類型多樣。由圖4可知,3—5月淮河流域空間干旱范圍較廣,淮河流域降水量少、蒸發(fā)量大、地下水位低以及鋒面雨帶的不及時到達等原因影響,易引發(fā)干旱。而這個時期是作物(小麥、油菜等)的主要生長季節(jié),需水量大,干旱對作物的影響大[25]。6—8月降水量較多,空間上干旱強度分布呈現(xiàn)出南高北低的特點。主要是受西太平洋副熱帶高壓季節(jié)性位移的影響,淮河流域降水分布受副高的影響程度由南向北逐漸變?nèi)鮗26]。9—11月干旱強度空間分布從西南向西北逐漸變低,干旱強度高值出現(xiàn)在淮河流域西北部。主要是夏季東南季風(fēng)向冬季西北季風(fēng)轉(zhuǎn)換的過渡時期,當(dāng)夏季風(fēng)過強,鋒面雨帶的迅速北移,且受到山區(qū)地形的影響[26]。

圖4 1962—2016年月尺度干旱強度空間分布Fig.4 Spatial distribution of scale drought intensity from 1962 to 2016

2.3 淮河流域氣象干旱趨勢變化

圖5是淮河流域1962—2016年各月份干旱變化趨勢圖。由圖可知,淮河流域總體呈干旱化趨勢,但是部分的27個站點則呈上升趨勢,在圖中呈現(xiàn)“Z”字型分布。上升趨勢站點主要分布在淮河干流及支流沙潁河,下降變化分布則集中在山東的東部沿海地區(qū)和南四湖(南陽湖、獨山湖、昭陽湖、徽山湖)地區(qū)、河南淮河流域的邊界以及淮河流域的西南邊界地勢較高的區(qū)域。

從月尺度看,各月份趨勢與年趨勢較為一致,總體是呈下降的趨勢,趨勢上升部分在圖中呈現(xiàn)“Z”字型分布,隨著月份的變化,“Z”字也隨著發(fā)生變化。由圖可知：1—6月“Z”字范圍最廣,平均上升占總數(shù)19.3%,表明“Z”字區(qū)域在這階段趨于濕潤化發(fā)展,而在7—12月“Z”字開始縮減,平均上升占總數(shù)12.3%,流域總體趨向于干旱化發(fā)展,這說明了下半年的干旱情況較上半年嚴(yán)峻,而這一現(xiàn)象也與4相呼應(yīng)。在當(dāng)前全球氣候變暖,極端氣候事件增多的大背景下,地區(qū)干旱整體上呈現(xiàn)加重的趨勢,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利的影響[27]。

流域中部和南部的干旱略有減少趨勢,流域東部和西部的干旱有增加趨勢變化,流域干旱呈上升趨勢的站點占比18.1%,均未通過的顯著性水平檢驗,而流域干旱呈下降趨勢的站點趨勢變化大部分未通過的顯著性水平檢驗,22.8%通過0.01顯著性檢驗,表明淮河流域各地的干旱上升下降趨勢變化大多不顯著,流域東北部和西南部干旱下降趨勢顯著(圖5)。

圖5 1962—2016年月尺度干旱趨勢變化圖Fig.5 Drought trend variation of stations from 1962 to 2016

2.4 淮河流域干旱的多尺度時空模態(tài)分析

為了更好的了解淮河流域干旱情況,對淮河流域149個站點1962—2016年的SPEI指數(shù)進行分解,探討淮河流域的干旱空間分型。由SPEI年均變量場的EOF分解結(jié)果可知：在1個月、3個月、12個月(分別對應(yīng) SPEI01,SPEI03 和SPEI12)尺度下,前3個特征向量的方差累積貢獻率分別達78.6%,76.5%和68% (表2)。

表1 前3個特征向量對多尺度年平均SPEI場的方差貢獻率

前3個模態(tài)的空間分布如圖6所示,SPEI01和SPEI03的空間模態(tài)全流域值一致為正值或負(fù)值時,表明淮河流域干旱分布一致性(圖6)。而SPEI12全流域值不一致,第一模態(tài)中零線縱向?qū)⒒春恿饔蚍譃閮刹糠?零線以東為負(fù),零線以西為正,表明淮河流域干旱具有東多(少)西少(多)的分布型；第三模態(tài)零線橫向?qū)⒒春恿饔蚍譃閮刹糠?零線以北為正,零線以南為負(fù),表明淮河流域以零線為界干旱呈相反的北多(少)南少(多)分布型式。而在空間中,SPEI01、SPEI03和SPEI12的空間分布具有一致性,第一模態(tài)呈經(jīng)向分布,第二模態(tài)呈緯向分布,第三模態(tài)呈緯向分布。

圖6 1962—2016年SPEI不同時間尺度對應(yīng)的前3個特征向量Fig.6 Spatial distributions of the EOF first three feature vectors of the SPEI in Huai River Basin

SPEI01特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)第一模態(tài)總體呈下降趨勢,由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值,即表明第一模態(tài)具有“由濕轉(zhuǎn)干”的變化特點；第二空間模態(tài)基本保持不變；第三模態(tài)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值,即表明第三模態(tài)具有“由干轉(zhuǎn)濕”的變化特點(圖7)。

SPEI03特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)第一模態(tài)總體呈上升趨勢,由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值,即表明第一模態(tài)具有“由干轉(zhuǎn)濕”的變化特點；第二空間模態(tài)基本保持不變；第三模態(tài)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值,即表明第三模態(tài)具有“由干轉(zhuǎn)濕”的變化特點(圖7)。

SPEI12特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)第一模態(tài)總體呈上升趨勢。由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值,具有“由濕轉(zhuǎn)干”的變化特點；第二空間模態(tài)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值,具有“由干轉(zhuǎn)濕”的變化特點；第三模態(tài)由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值再轉(zhuǎn)為正,則經(jīng)歷了“濕-干-濕”的軌跡變化(圖7)。

圖7 SPEI年均變量場的前3個特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)Fig.7 Time coefficients of the first three feature vectors

圖8是淮河流域149個氣象站點時間系數(shù)的M-K趨勢圖。由圖8可知：時間系數(shù)趨勢變化均未超過0.05的顯著性水平檢驗。3種時間尺度下變化趨勢在±1.96線內(nèi)波動,整體趨勢變化不明顯,未有顯著的上升或下降趨勢[28]。而流域降水整體呈下降趨勢[29],這也導(dǎo)致了年和月尺度具有“由濕轉(zhuǎn)干”的特點。而季尺度變化特點與月、年尺度相反,雖有不同的干濕變化,但未通過顯著性檢驗。主要由于淮河流域降水年際、年內(nèi)變化大,春季和秋季降水呈減小趨勢,夏季和冬季呈增加趨勢[30- 31]。從季節(jié)來看水澇災(zāi)害增多、旱災(zāi)減弱趨勢,變化趨勢不顯著,季節(jié)尺度的研究與郭冬冬等[32]的結(jié)果一致。

圖8 1962—2016年時間系數(shù)的趨勢檢驗Fig.8 The trend test of time coefficient from 1962 to 2016

在多時間尺度下將干旱進行分解可知,隨著時間尺度的增大,特征向量的正負(fù)值分界線由復(fù)雜轉(zhuǎn)向簡單。當(dāng)時間尺度減小,干旱的變化頻率越清晰,而隨著時間尺度增大,干旱的空間規(guī)律性越明顯。在時間系數(shù)的變化上,隨著研究時間尺度的增大,時間系數(shù)的變化頻率逐漸減弱,而變化波動幅度逐漸增大,長時間尺度的SPEI對氣候的響應(yīng)減慢,更清楚地反映干旱變化的年際特征[19]。

3 討論

為了研究SPEI指數(shù)在淮河流域的適應(yīng)性,獲取到淮河流域1981—2014年的歷年干旱受災(zāi)面積和成災(zāi)面積[5- 6](圖9)。從淮河流域149個站點中提取出安徽省、河南省、江蘇省和山東省的相對應(yīng)氣象站點,由圖9可知,干旱受災(zāi)面積和成災(zāi)面積較重的年份與干旱發(fā)生次數(shù)較為吻合。

1981—2014年間,受災(zāi)、成災(zāi)面積與干旱次數(shù)的相關(guān)系數(shù)均為正值,二者存在正相關(guān),隨著干旱次數(shù)的增多,受災(zāi)面積與成災(zāi)面積也相應(yīng)的增加。在1981—2010年間,淮河流域干旱次數(shù)與受災(zāi)成災(zāi)面積的變化相互對應(yīng)；在2010年以后,淮河流域安徽、河南與江蘇地區(qū)受災(zāi)成災(zāi)面積大幅度降低,隨著干旱次數(shù)增多,其受災(zāi)面積與成災(zāi)面積都在降低,而山東地區(qū)則與之相反。主要原因是2010年后國家發(fā)布中央一號文件,要求加強水利設(shè)施建設(shè),而山東全省水利工程主要建于“大躍進”及“文革”期間,工程質(zhì)量差且運行50年以上,年久失修,老化退化極為嚴(yán)重,實際攔蓄能力較低,且工程設(shè)施建設(shè)時標(biāo)準(zhǔn)不高,設(shè)施配套不全,遇連續(xù)干早,難以滿足抗早需要[33]。

圖9 安徽省淮河流域1981—2014年干旱次數(shù)與干旱成災(zāi)、受災(zāi)面積對比Fig.9 Comparison of drought frequency and drought disaster in Huai River Basin from 1981 to 2014

圖10 淮河流域各省份干旱次數(shù)與干旱成災(zāi)、受災(zāi)面積相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis of drought frequency and drought disaster in each province of Huai river basin

1981—2010年干旱頻次與受災(zāi)面積和成災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù),均通過了0.05的顯著性水平檢驗；而1981—2014年干旱頻次與受災(zāi)面積和成災(zāi)面積均通過0.1的顯著性水平檢驗。受災(zāi)與成災(zāi)面積與淮河流域干旱頻次相關(guān)系數(shù)較大的地區(qū)主要位于1981—2010年,特別是河南區(qū)域相關(guān)性最大(0.65),且通過了0.01的顯著性水平檢驗,表明該區(qū)域的干旱次數(shù)與承災(zāi)、受災(zāi)面積直接相關(guān)。江蘇省的干旱次數(shù)與受災(zāi)面積(0.35)的相關(guān)系數(shù)高于成災(zāi)面積(0.32),由于該區(qū)域降水年際變化大,年內(nèi)分配不均,整體抗旱水平不高,隨著國家積極推進抗旱系統(tǒng)工程建設(shè),積極應(yīng)對干旱災(zāi)害,加強抗旱應(yīng)急工程建設(shè),增加抗旱灌溉設(shè)施的修建[34],干旱次數(shù)與成災(zāi)面積相關(guān)系數(shù)下降0.03,顯著性下降5%。而山東省則正好相反,干旱次數(shù)與受災(zāi)面積(0.36)的相關(guān)系數(shù)低于成災(zāi)面積(0.45),由于山東省長時間的降水量及降水日數(shù)持續(xù)偏少,引起地下水的連年減少,導(dǎo)致的成災(zāi)面積的擴大[35-36]。

4 結(jié)論

本文基于SPEI指數(shù)和EOF分解等方法,分析了1962—2016年淮河流域干旱時空演變特征,并探討了干旱時間變化規(guī)律和空間分布模態(tài)。得出以下幾個結(jié)論：

(1)淮河流域旱災(zāi)發(fā)生頻繁,發(fā)生重旱和特旱次數(shù)占總干旱的比重是20.0%,其中重旱和及特旱在1960s比重最大(24.8%),其次是2010s(15.8%),在1980s比重最低(10.0%)；淮河流域易發(fā)生輕旱及中旱,重旱及特旱較少。結(jié)合淮河流域災(zāi)害大典歷史旱情記錄以及干旱受災(zāi)和成災(zāi)面積檢驗可知,在1966—1967年、1978—1979年、1994年、1999—2003年、2011年、2013—2014年與淮河流域歷史典型旱年非常吻合,表明SPEI的指數(shù)能較好地判斷出淮河流域典型旱年,且在淮河流域干旱監(jiān)測中有較好的區(qū)域適應(yīng)性。

(2)淮河流域年均干旱空間分布主要呈中心對稱分布,干旱發(fā)生頻率流域東北部>西北部,西南部>西北部。從發(fā)生頻率看,干旱發(fā)生頻率在增加,從干旱趨勢看,淮河流域呈現(xiàn)干旱化趨勢,表明淮河流域干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響有增加的趨勢。

(3)淮河流域干旱空間分布主要有3個主要模態(tài),在3個時間尺度下,前3個主要特征向量的方差累積貢獻率分別達78.6%,76.5% 和68%。前3個分布型為全流域一致多或少型、南北相反型以及東西相反型。研究SPEI在淮河流域多時間尺度干旱研究中的應(yīng)用,有利于揭示干旱發(fā)生規(guī)律,為進一步預(yù)測氣候變化背景下干旱發(fā)展趨勢及農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測與防治提供科學(xué)依據(jù)。

(4)淮河流域總體呈干旱化的趨勢,其中呈上升濕潤趨勢平均比重約為18.1%,在圖中呈現(xiàn)“Z”字型分布。而下降趨勢較明顯,極少數(shù)地區(qū)有顯著下降的趨勢,平均比重約為22.8%,通過了0.01的檢驗。干旱的發(fā)生不僅與降水溫度有關(guān),還與其他自然環(huán)境、人類活動等多方面有關(guān),而淮河流域自然環(huán)境、人類活動等因素較為復(fù)雜,還有待于更進一步的研究。