黑河流域1967-2009年氣象干旱時空變化特征

昝大為

(甘肅省水文水資源局， 甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

IPCC于2007年發(fā)布的第四次評估報告表明[1]，干旱在全球的影響范圍將更加廣泛，已經(jīng)成為世界各國共同關(guān)注的焦點，在氣候變化和社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展的背景下，水資源短缺問題會更加嚴重，干旱發(fā)生概率也呈逐漸增加趨勢。目前國內(nèi)外干旱研究中常用的干旱指數(shù)很多，如水分虧缺指數(shù)、標準化降水指數(shù)(SPI)[2]、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)[3]、標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[4]等。雖然，SPI具有計算簡便、空間可比性等優(yōu)點，但忽略了氣溫和蒸發(fā)量對干旱發(fā)生的影響，在氣候變暖條件下研究干旱問題具有局限性[5]，PDSI在綜合考慮降水量、潛在蒸散量等因素基礎(chǔ)上進行計算，但存在時間尺度單一、不具有空間可比性等缺點[6]。而SPEI同時考慮降水和溫度因素，融合了PDSI和SPI的優(yōu)點，考慮溫度對干旱的影響并能夠表現(xiàn)干旱的多尺度特性，有助于準確識別干旱特性[7]。Yang等[8]利用SPEI研究海河流域干旱時空分布特征，結(jié)果表明SPEI在氣候變化的背景下可以較好地進行干旱監(jiān)測；趙平偉等[9]在滇西南地區(qū)干旱演變研究中對SPEI和SPI的應(yīng)用效果進行了對比，結(jié)果顯示SPEI對氣候變化背景下的區(qū)域干旱監(jiān)測效果較為理想。

鐘鋒等[10]利用參考作物蒸散量(ET0)與降水量(P)的比值表示干旱指數(shù)(AI指數(shù))對黑河流域干旱的時空變化特征進行了分析，結(jié)果表明黑河流域干旱表現(xiàn)出明顯的南北差異。此外，黑河流域受到多種氣候影響，該地區(qū)氣溫、降水在時間上表現(xiàn)出顯著的季節(jié)特征，有必要對該地區(qū)不同季節(jié)干旱演變特征進行詳細分析。因此，本研究利用SPEI指數(shù)定量表征干旱，基于M-K趨勢檢驗、小波分析及GIS技術(shù)分析黑河流域近43年春、夏、秋、冬四季干旱時間變化趨勢、周期特征以及干旱頻率空間分布特征，全面分析氣候變化下黑河流域干旱時空變化特征，為流域水資源合理開發(fā)利用和科學(xué)抗旱提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

黑河流域是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，位于河西走廊中部，地處歐亞大陸中心，流域范圍介于97°50′～102°00′E、37°50′～42°40′N，涉及青海、甘肅和內(nèi)蒙古三省。黑河干流發(fā)源于祁連山中段北麓，全長821 km，流域面積約14.29×104km2。出山口鶯落峽以上為上游，是主要產(chǎn)流區(qū)，河道長303 km，氣候陰濕寒冷，年降水量350 mm；鶯落峽至正義峽為中游，流程185 km，地勢平坦，光熱資源充足，但干旱嚴重，年降水量140 mm，而多年平均氣溫在6～8℃，年蒸發(fā)能力達到1 410 mm；正義峽以下為下游。氣候主要受西風(fēng)帶環(huán)流以及極地冷氣團影響。降水稀少，蒸發(fā)強烈。年降水量僅有47 mm，多年平均氣溫在8～10℃，年蒸發(fā)量達到2 250 mm，氣候非常干燥，且太陽輻射強烈。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 黑河流域位置及站點分布圖

2.2 數(shù)據(jù)資料

本研究利用黑河流域內(nèi)11個和流域外8個氣象站點(圖1)的月降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)等資料計算SPEI，其中民樂、臨澤、肅南、門源4個氣象站點數(shù)據(jù)來自甘肅省氣象局，其余15個氣象站數(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/data/)，資料時間序列為1967-2009共43 a。為保證結(jié)果的可比性和可靠性，上、中、下游分別選擇2個典型站進行干旱時間特征分析，選取19個站數(shù)據(jù)進行空間插值分析干旱空間分布特征。一年四季按照氣象季節(jié)劃分，即春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月-次年2月。

2.3 研究方法

2.3.1 SPEI指數(shù) 本研究選用標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)研究氣象干旱，SPEI的原理是利用降水量與蒸散量之間的差異程度來代表區(qū)域干旱狀況[11]。首先，計算降水量和潛在蒸發(fā)量之間的差值，然后對差值序列進行擬合求得累積概率密度函數(shù)，最后將其轉(zhuǎn)化為標準正態(tài)分布求得SPEI值。其中，潛在蒸散量PET使用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)推薦的同時考慮了能量平衡和水汽擴散的Penman-Monteith公式計算[12]。具體計算步驟及干旱分級標準(表1)見參考文獻[13]。

表1 標準化降水蒸散指數(shù)SPEI干旱等級劃分

2.3.2 Man-Kendall檢驗法 M-K檢驗法不要求樣本服從特定的分布，也不受少數(shù)異常值干擾，且計算方法較為簡單。目前，干旱研究中常采用M-K檢驗法來分析研究區(qū)干旱變化趨勢[14]。

在M-K趨勢檢驗中，假定x1,x2,…,xn為一組時間序列的變量，n為該變量時間序列的樣本個數(shù)，檢驗的統(tǒng)計量S按照下式計算：

(1)

(2)

式中:S為正態(tài)分布，均值為0；xj、xk分別為j、k年變量的實測值。

標準的正態(tài)分布統(tǒng)計量通過下式計算：

(3)

其中方差Var按下式計算：

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(4)

在特定的α置信區(qū)間，若出現(xiàn)|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設(shè)，即在α置信區(qū)間，時間序列上升或下降趨勢顯著。如統(tǒng)計量Z大于0，則為上升趨勢；反之，則呈現(xiàn)下降趨勢。|Z|≥1.28(1.64、2.32)時，則表示通過了信度90%(95%、99%)的顯著性檢驗。

2.3.3 小波分析 在判斷各序列的主要周期時，本文采用小波方差檢驗，計算公式如下：

(5)

式中：Wf(a)為小波方差；a為尺度因子；b為平移因子；Wf(a,b)為小波系數(shù)。

根據(jù)小波方差圖中峰值處對應(yīng)的尺度來確定該序列的主要時間尺度，即主周期[15]。

2.3.4 干旱頻率 干旱頻率用來表示研究區(qū)內(nèi)干旱發(fā)生的頻繁程度，即研究時段內(nèi)發(fā)生干旱的年數(shù)占總年數(shù)的百分比[16]。

(6)

式中:P為干旱頻率；n為研究時段發(fā)生干旱的年數(shù)；N為研究時段總年數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象干旱時間特征

3.1.1 季節(jié)變化特征SPEI具有多時間尺度特征，本文以3個月時間尺度為例，討論SPEI季節(jié)變化特征。由于黑河流域氣象站點分布不均，故上、中、下游各選取2個代表站點進行分析。上游選取野牛溝和托勒站，中游選取張掖和高臺站，下游選取鼎新和額濟納旗站。1967-2009年各代表站四季SPEI值逐年變化情況如圖2所示。

從圖2可以看出，中下游張掖、高臺、鼎新和額濟納旗4個氣象站SPEI序列的變化傾向率在春季分別為-0.038/10a、-0.004/10a、-0.177/10a和-0.031/10a，夏季分別為-0.110/10a、-0.204/10a、-0.136/10a和-0.236/10a，秋季分別為0.043/10a、0.088/10a、-0.030/10a和-0.109/10a，冬季分別為0.273/10a、0.415/10a、0.096/10a和0.352/10a。同時，上中游4站SPEI序列的振蕩趨勢均是在春季保持較高的一致性，而下游2站SPEI序列的振蕩趨勢則是在秋季較為接近。

黑河流域代表站SPEI序列的M-K趨勢檢驗結(jié)果(表2)表明，SPEI序列在野牛溝站的春、秋、冬季，托勒站的夏秋季，張掖站、高臺站和額濟納旗站的冬季均呈現(xiàn)上升趨勢，且通過顯著性檢驗，即干旱呈現(xiàn)顯著下降趨勢；而在高臺站和額濟納旗站的夏季以及鼎新站的春季呈現(xiàn)出顯著下降趨勢，即干旱呈現(xiàn)顯著增加趨勢。整體上看，M-K趨勢檢驗結(jié)果與傾向率結(jié)果基本保持一致，中、上游干旱指數(shù)呈增大趨勢，而下游干旱指數(shù)呈減小趨勢，即中、上游旱情在減緩，下游干旱情況在加重。

3.1.2 年代際變化特征 以20世紀70s、80s、90s以及21c00s分別表示1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2009年4個年代際，進而研究干旱年代際變化特征。黑河流域代表性站點不同季節(jié)的干旱頻率特征如圖3所示。

圖2 1967-2009年黑河上游(野牛溝、托勒)、中游(張掖、高臺)和下游(鼎新、額濟納旗)SPEI四季逐年變化過程

季節(jié)野牛溝托勒張掖高臺鼎新額濟納旗春季1.601?-0.115-0.387 0.052-1.308? 0.534夏季0.848 1.852??-0.597-1.476?-0.952-1.622?秋季1.350? 1.664?? 0.094 0.597-0.429-1.015冬季1.538?-0.052 1.999?? 3.600??? 0.220 2.648???

注：*、**和***分別表示檢驗結(jié)果通過90%、95%和99%的顯著性檢驗。

春季，上游從70s到21c00s，干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)減小-增大-減小的趨勢。中游70s到80s，張掖站干旱發(fā)生頻率增大，而高臺站無旱頻率沒有變化，但輕旱發(fā)生頻率減小，有部分轉(zhuǎn)化為了中旱和重旱，說明中游在此階段干旱程度加重；80s到90s，中游干旱發(fā)生頻率均減小，且沒有中旱發(fā)生，而90s到21c00s干旱頻率變化特征與70s到80s保持一致。下游鼎新站從70s到21c00s，干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)增大-減小-增大的趨勢，而額濟納旗站干旱頻率變化特征與鼎新站正好相反。

夏季，70s到80s，上游野牛溝站干旱發(fā)生頻率減小，托勒站無旱頻率沒有變化，但輕旱發(fā)生頻率增加；80s到90s，上游干旱發(fā)生頻率增加，且野牛溝站的中旱、重旱發(fā)生頻率和托勒站的重旱、特旱發(fā)生頻率均增大；90s到21c00s，干旱發(fā)生頻率均減小。從70s到80s，中游張掖站干旱發(fā)生頻率減小，但有特旱發(fā)生；80s到90s，干旱發(fā)生頻率增加，而高臺站在這2個時段內(nèi)干旱發(fā)生頻率特征與張掖站相反；90s和21c00s，兩站的干旱發(fā)生頻率變化特征呈增加趨勢。下游2站的干旱頻率特征與春季變化情況相似，70s到80s，鼎新站干旱發(fā)生頻率減小，但有特旱發(fā)生，而額濟納旗站干旱發(fā)生頻率增加且有重旱發(fā)生；80s到21c00s，兩站干旱發(fā)生頻率均呈先降低再增加的趨勢。

秋季，70s到21c00s，上游和中游4站的干旱發(fā)生頻率變化特征整體上一致，均呈現(xiàn)出增加-增加-減小的趨勢，其中，70s到80s，野牛溝站中旱發(fā)生頻率增大，托勒站輕旱發(fā)生頻率增幅較大，張掖站有重旱發(fā)生，高臺站中旱發(fā)生頻繁；80s到90s，野牛溝站輕旱發(fā)生頻率大幅增加，托勒站有重旱和特旱發(fā)生；在21c00s，托勒站沒有發(fā)生干旱。下游鼎新站和額濟納旗站，70s到80s的干旱發(fā)生頻率均增加，80s鼎新站以中旱為主，而額濟納旗站以輕旱為主；80s到90s，鼎新站干旱發(fā)生頻率增加，而額濟納旗站減小但有重旱發(fā)生；90s到21c00s，鼎新站干旱發(fā)生頻率開始減小，而額濟納旗開始增加且重旱時有發(fā)生。

冬季，70s到21c00s，上游2站干旱發(fā)生頻率相對較低且整體上保持相對穩(wěn)定，其中野牛溝站90s的干旱發(fā)生頻率比其他3個年代稍高，托勒站在21c00s呈現(xiàn)出相對較高的輕旱頻率。中游張掖站在4個年代的干旱發(fā)生頻率相對穩(wěn)定，而高臺站干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢，特別是在21c00s沒有干旱發(fā)生。70s到80s，下游2站干旱發(fā)生頻率均呈減小趨勢；80s到和90s，鼎新站干旱發(fā)生頻率增加，額濟納旗站干旱發(fā)生頻率基本不變，但中旱發(fā)生頻率有所增大；而90s到21c00s，兩站的干旱發(fā)生頻率均呈現(xiàn)減小趨勢。

3.1.3 周期特征 利用小波函數(shù)對黑河流域6個代表站四季的SPEI序列進行多時間尺度周期分析，由于篇幅有限，以野牛溝站為例進行詳細分析。野牛溝站SPEI序列四季小波方差圖見圖4。

分析圖4可知，在春季有3個比較明顯的主峰，分別對應(yīng)著20、16、6 a的周期，說明這3個主周期控制著春季SPEI指數(shù)在時域內(nèi)的變化特征。同理，夏季有32、5、2 a的主周期，秋季有32、3、6 a的主周期，冬季有3、5、11 a的主周期。

根據(jù)各氣象站SPEI序列小波周期分析結(jié)果，流域上、中、下游6個代表氣象站SPEI的主周期列于表3。第1主周期到第3主周期在SPEI序列中所起的作用逐漸減弱。

黑河流域SPEI序列的周期特征主要表現(xiàn)出16～22和32～33 a的年代際振蕩周期及2～5和6～11 a的年際振蕩周期，各周期的主次順序因氣象站而異，且同一個氣象站在四季的周期特征也有所差別。其中，黑河流域上游主要存在32～33 a的長周期和16 a左右的中周期以及3年左右的短周期，中游以16～20 a中周期和4 a左右的短周期為主，下游主要以33 a的長周期和21 a的中周期以及4 a左右的短周期為主。

表3 黑河流域6個氣象站SPEI序列的主周期分析 a

3.2 干旱頻率空間分布特征

黑河流域四季氣象干旱頻率空間分布特征見圖5。由圖5可知，春季輕中旱發(fā)生頻率在18.6%～34.9%之間，輕中旱的高頻區(qū)集中在上游肅南、中游山丹以及下游鼎新地區(qū)，而祁連、民樂和酒泉輕中旱發(fā)生頻率較低。

圖3 黑河流域各代表站點不同季節(jié)干旱發(fā)生頻率年代際比較

重特旱發(fā)生的頻率集中在4.6%～9.3%之間，比輕中旱發(fā)生頻率低很多，且主要分布在中游酒泉，從流域上游到下游呈現(xiàn)逐漸升高趨勢。

夏季輕中旱發(fā)生頻率在18.6%～32.5%之間，除上游肅南、祁連和下游額濟納旗地區(qū)處于低頻區(qū)，其余均處于高頻區(qū)，即輕中旱發(fā)生的頻率較高。重特旱發(fā)生頻率較低，在4.6%～9.3%之間，主要集中在下游額濟納旗地區(qū)。

秋季輕中旱發(fā)生頻率在26.8%～41.8%之間，上游的民樂、祁連和中游的張掖、山丹地區(qū)輕中旱發(fā)生頻率較低，中上游其他區(qū)域輕中旱發(fā)生頻率均較高，而下游大部分區(qū)域處于輕中旱發(fā)生的低頻區(qū)。重特旱發(fā)生的頻率在0～7.0%之間，其中中游酒泉地區(qū)重特旱發(fā)生頻率接近0。

冬季輕中旱發(fā)生頻率在20.9%～44.2%之間，重特旱發(fā)生頻率集中在0～9.3%之間，兩者的空間分布特征都很明顯。輕中旱發(fā)生頻率從上游到下游表現(xiàn)為依次升高，而重特旱集中在黑河流域的上游和中游地區(qū)。

綜上所述，黑河流域四個季節(jié)輕中旱發(fā)生頻率都比重特旱發(fā)生的頻率大得多，且春、夏和秋季的輕中旱發(fā)生高頻區(qū)集中在中上游，冬季集中在下游；而四季的重特旱發(fā)生相對高頻區(qū)空間分布特征與輕中旱正好相反。同時，秋季和冬季輕中旱發(fā)生頻率比春季和夏季發(fā)生頻率稍大，而四季的重特旱發(fā)生頻率差別不大。

圖4 野牛溝站SPEI序列四季小波方差

圖5 黑河流域四季氣象干旱頻率空間分布特征

4 結(jié) 論

本文基于黑河流域內(nèi)外19個氣象站1967-2009年共43 a月氣象數(shù)據(jù)，計算了季節(jié)尺度的SPEI序列值，運用M-K、小波分析、IDW插值等方法重點分析了黑河流域春、夏、秋、冬四個季節(jié)氣象干旱時間變化趨勢、周期特征及干旱頻率空間分布特征，得到以下主要結(jié)論：

(1)SPEI序列在上游野牛溝站的春、秋、冬季，托勒站的夏季和秋季，中游張掖站、高臺站和下游額濟納旗站的冬季均呈現(xiàn)上升趨勢，且通過顯著性檢驗，而在高臺站和額濟納旗站的夏季以及鼎新站的春季呈現(xiàn)出顯著下降趨勢。整體上看，中、上游干旱指數(shù)呈增大趨勢，即中、上游旱情在減緩，而下游干旱指數(shù)呈減小趨勢，即下游干旱情況在加重。

(2)黑河流域無旱頻率最大，且從上游到下游整體呈增加趨勢。

(3)黑河流域SPEI序列的周期特征復(fù)雜，不同站點在不同季節(jié)的周期變化差異較大，主要存在16～22和32～33 a的年代際周期及2～5和6～11 a的年際周期特征。

(4)干旱頻率空間分布上，黑河流域四個季節(jié)輕中旱發(fā)生的頻率都比重特旱發(fā)生的頻率大得多，且春、夏和秋季的輕中旱發(fā)生的高頻區(qū)集中在中上游，冬季集中在下游；而四季的重特旱發(fā)生的高頻區(qū)空間分布特征與輕中旱正好相反。同時，秋、冬季輕中旱發(fā)生頻率比春、夏季發(fā)生頻率稍大，而四季的重特旱發(fā)生頻率差別不大。