基于SPEI的南水北調(diào)中線水源區(qū)干旱時(shí)空特征

石衛(wèi) 雷靜 馬立亞 余江游

摘要：利用多種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)南水北調(diào)中線水源區(qū)降水和氣溫序列進(jìn)行趨勢(shì)診斷，識(shí)別了不同氣象站點(diǎn)序列的時(shí)空變化趨勢(shì);以標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）為干旱指標(biāo)，建立考慮降水和氣溫共同對(duì)干旱過(guò)程影響的評(píng)價(jià)模型，研究分析了水源區(qū)不同時(shí)間尺度和分期（汛期、非汛期和全年期）干旱過(guò)程動(dòng)態(tài)變化特征。分析表明：降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)，氣溫總體呈現(xiàn)顯著性上升趨勢(shì);短時(shí)間尺度SPEI對(duì)降水和氣溫變化更加敏感，隨著時(shí)間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;非汛期和全年期水源區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率增大，不同氣象站點(diǎn)3個(gè)不同時(shí)期發(fā)生特旱或重旱的年份與歷史發(fā)生干旱的資料相一致;干旱嚴(yán)重程度從上游到下游逐漸衰減，整個(gè)漢江上游和西北部地區(qū)干旱發(fā)生頻次略高于下游和南部地區(qū);對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（SPI）計(jì)算結(jié)果，SPEI指數(shù)較SPI指數(shù)補(bǔ)充考慮了降水和氣溫對(duì)干旱過(guò)程的綜合影響，可作為SPI指數(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充分析手段，可應(yīng)用于描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時(shí)間尺度的干旱特征。

關(guān) 鍵 詞：干旱指數(shù); 趨勢(shì)診斷; 水源區(qū); 南水北調(diào)中線; 漢江

近年來(lái)，北方干旱缺水問(wèn)題已成為可持續(xù)發(fā)展的制約因素[1-3]。南水北調(diào)中線工程為緩解北方地區(qū)水資源短缺問(wèn)題起到了關(guān)鍵的作用[4-5]。全球氣候變暖，干旱事件持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[6]。干旱發(fā)生會(huì)減少區(qū)域可用水量，并給當(dāng)?shù)厮Y源管理帶來(lái)挑戰(zhàn)[7-8]。2010年10月至2011年6月，丹江口、鄖西、竹山降水偏少七成以上，造成全市800余條中小河流斷流，100座小水庫(kù)、8 000多口塘堰干涸，丹江口水庫(kù)水位比死水位低4.3 m。持續(xù)的干旱狀態(tài)對(duì)漢江下游區(qū)域生活、生產(chǎn)用水和灌溉供水帶來(lái)巨大的限制。因此，研究水源區(qū)不同時(shí)間尺度干旱特征將為跨流域調(diào)水工程水資源調(diào)度提供決策支撐。

20世紀(jì)以來(lái)，許多學(xué)者從干旱過(guò)程量化、監(jiān)測(cè)分析等角度提出了一些評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-10]。目前，帕默爾干旱指標(biāo)（Palmer drought severity index，PDSI）[11]和標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（Standardized precipitation index，SPI）[12]是應(yīng)用最為廣泛的兩個(gè)干旱指標(biāo)。PDSI基于水量平衡的干濕指標(biāo)，由于計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜、所需觀測(cè)資料要求較高，且具有固定的時(shí)間尺度和自回歸特征，使其在使用過(guò)程中受到一定的限制;SPI指標(biāo)雖然能夠描述不同時(shí)間尺度的特點(diǎn)，但是缺乏兼顧氣溫變化加劇干旱過(guò)程的重要因素[13]。綜合考慮降水和氣溫對(duì)干旱過(guò)程影響，Vicenteserrano等人[14]研究提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），兼具了多時(shí)間尺度和考慮蒸發(fā)變化特征，為研究分析區(qū)域干旱化過(guò)程及趨勢(shì)提供了有利的工具。

受到人類活動(dòng)的影響，徑流資料很難反映流域的天然特性，然而對(duì)徑流資料還原計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，而且誤差較大，很難滿足水文系列樣本的三性要求，因此干旱特征分析采用降水資料來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算。本研究利用多種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)客觀表征南水北調(diào)中線水源區(qū)干旱狀況的兩個(gè)重要因子降水和氣溫進(jìn)行趨勢(shì)診斷，識(shí)別其趨勢(shì)變化。應(yīng)用綜合考慮降水和氣溫影響的干旱指數(shù)SPEI描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時(shí)間尺度干旱特征，為水源區(qū)調(diào)水和漢江中下游供水提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況和資料

南水北調(diào)工程確定從漢江的丹江口水庫(kù)調(diào)水，重點(diǎn)解決北京、天津、河南、河北4個(gè)省及沿線城市的生活和生產(chǎn)用水，并兼顧沿線地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水。截至2017年9月25日，已累計(jì)向北方送水超過(guò)100億m3，沿線京津豫冀4省市5 310萬(wàn)人喝上長(zhǎng)江水，工程綜合效益同步顯現(xiàn)。丹江口水庫(kù)以上流域?yàn)闈h江上游，是南水北調(diào)中線工程的水源地，流域面積為9.52萬(wàn)km2，約占全流域面積的60%。水源區(qū)年降水量為600～1 250 mm之間，年平均溫度15℃～17℃。研究區(qū)域地理位置如圖1所示。

本次研究使用的1960～2014年逐日歷史降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（下載網(wǎng)址：http：//cdc.cma.gov.cn/）。水源區(qū)氣象站點(diǎn)選取了欒川、略陽(yáng)、漢中等12個(gè)分布較均勻的代表站（見(jiàn)圖1）。結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）工具，采用泰森多邊形法計(jì)算水源區(qū)各水文區(qū)不同時(shí)間尺度的平均降雨量和平均氣溫，為趨勢(shì)診斷和干旱特征研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)診斷

本次研究對(duì)于降雨和氣溫長(zhǎng)序列趨勢(shì)診斷采用線性回歸[15]、Spearman秩檢驗(yàn)[16]和Kendall秩和檢驗(yàn)[17]3種常用方法。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）

結(jié)合降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，新的干旱指數(shù)SPEI集合了PDSI對(duì)蒸發(fā)變化的敏感性和SPI描述干旱的多尺度特征，能夠表征干旱化以及溫度干旱過(guò)程的影響。基于不同時(shí)間尺度的降水量與計(jì)算的潛在蒸散發(fā)量（PET）差值，通過(guò)簡(jiǎn)單的水量平衡計(jì)算得到SPEI。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量和氣溫時(shí)空趨勢(shì)分析

采用線性回歸法（LR）、Spearman秩檢驗(yàn)（SP）和Kendall秩和檢驗(yàn)（MK）3種方法對(duì)水源區(qū)12個(gè)氣象站1960～2014年降水和氣溫序列進(jìn)行趨勢(shì)診斷。如表1所示，流域內(nèi)年降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著;除尚州和石泉站外，年氣溫呈現(xiàn)顯著性（P < 0.05）上升趨勢(shì)。降水和氣溫序列的線性趨勢(shì)和滑動(dòng)平均分析如圖2所示。從降雨和氣溫空間分布來(lái)看，漢江流域南部降雨明顯較西北部大，尤其是陜西的尚州、略陽(yáng)和鎮(zhèn)安站;安康、老河口站氣溫較其它站要高，佛坪和欒川站氣溫較低。

3.2 基于SPEI的干旱時(shí)空特征分析

3.2.1 不同時(shí)間尺度干旱特征分析

根據(jù)已有相關(guān)研究[14，19-20]，基于SPEI的干旱化過(guò)程分析，干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

本次研究選擇1，3，6，12，18，24個(gè)月不同的時(shí)間尺度計(jì)算SPEI（對(duì)應(yīng)的各時(shí)間尺度分別用SPEI-1，SPEI-3，SPEI-6，SPEI-12，SPEI-18和SPEI-24表示），分析水源區(qū)干旱過(guò)程動(dòng)態(tài)變化特征。如圖3所示，隨著時(shí)間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;時(shí)間尺度越小，SPEI值正負(fù)波動(dòng)越大，對(duì)降水和氣溫變化更加敏感。對(duì)于土壤干濕過(guò)程通常通過(guò)持續(xù)的降雨或者干旱少雨使其發(fā)生變化，因此干旱監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。

水源區(qū)1960～2014年多年平均降水量為823 mm，其中汛期（5～10月）和非汛期（11月至次年4月）降水量分別為671 mm和152 mm，分別占81.5%和18.5%。結(jié)合水源區(qū)干旱發(fā)生特征，本研究進(jìn)一步選取汛期、非汛期和全年期3個(gè)時(shí)期的干旱過(guò)程、干旱程度以及各級(jí)干旱出現(xiàn)頻次。如圖4所示，汛期SPEI有微弱的上升趨勢(shì)，說(shuō)明汛期干旱程度隨時(shí)間變化不大;非汛期和全年期SPEI呈現(xiàn)顯著的減小趨勢(shì)，說(shuō)明非汛期和全年期發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率越來(lái)越大，非汛期表現(xiàn)更為明顯。統(tǒng)計(jì)3個(gè)時(shí)期發(fā)生中旱、重旱、特旱的頻次如表3所示，發(fā)現(xiàn)全年期嚴(yán)重干旱發(fā)生在1994～1996年和1999年，1997年發(fā)生特旱;汛期嚴(yán)重干旱發(fā)生在1964年和1966年，1997年發(fā)生特旱;非汛期嚴(yán)重干旱發(fā)生在1998～1999年，2010年發(fā)生特旱。

3.2.2 不同站點(diǎn)干旱特征分析

計(jì)算各氣象站汛期、非汛期和全年期3個(gè)時(shí)期SPEI，發(fā)現(xiàn)汛期SPEI呈不顯著的上升趨勢(shì)，隨著時(shí)間

變化干旱程度變化不大;各站點(diǎn)非汛期和全年期SPEI呈現(xiàn)顯著的減小趨勢(shì)，說(shuō)明非汛期和全年期發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率隨時(shí)間變化增大，尤其是非汛期。各氣象站點(diǎn)3個(gè)時(shí)期發(fā)生中旱及以上干旱的頻次如表4所示，發(fā)現(xiàn)不同氣象站點(diǎn)和3個(gè)不同時(shí)期發(fā)生特旱或重旱的年份與歷史干旱資料一致。如1994～1997年、2010年等均在不同站點(diǎn)發(fā)生不同程度的干旱。以漢中市歷年干旱實(shí)際情況為例，1994～1997年，漢中市連續(xù)4 a出現(xiàn)連季干旱，其中1994，1995年干旱為100 a一遇，其他2 a均達(dá)到50～60 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，造成冬春夏三季或夏秋連續(xù)兩季干旱。干旱最嚴(yán)重時(shí)，大小河道斷流，水庫(kù)2/3以上全部干涸，漢江武侯站最長(zhǎng)斷流時(shí)間達(dá)3個(gè)月。基于SPEI的南水北調(diào)中線水源區(qū)干旱特征分析能夠?yàn)檎{(diào)水提供技術(shù)參考。

3.2.3 干旱特征空間變化分析

從干旱發(fā)生空間變化來(lái)分析，干旱發(fā)生頻次或者災(zāi)害嚴(yán)重程度上游較下游要大，靠近西北部地區(qū)較南部地區(qū)普遍要大。以1999年非汛期重大干旱為例，漢江上游的略陽(yáng)站、漢中站、石泉站、安康站和老河口站非汛期SPEI指數(shù)分別為-1.974，-1.700，-1.611，-1.343和-1.174，可以看出干旱嚴(yán)重程度從上游到下游逐漸衰減。從不同氣象站點(diǎn)汛期、非汛期和全年期發(fā)生中旱、重旱、特旱的頻次表（見(jiàn)表4）分析知，整個(gè)漢江上游和西北部地區(qū)干旱發(fā)生頻次略高于下游和南部地區(qū)。

3.2.4 與SPI指數(shù)對(duì)比分析

同樣選擇1，3，6，12，18，24個(gè)月不同的時(shí)間尺度計(jì)算SPI（對(duì)應(yīng)的各時(shí)間尺度分別用SPI-1，SPI-3，SPI-6，SPI-12，SPI-18和SPI-24表示），如圖5所示。以SPI-3，SPI-6，SPI-12和SPI-24為例，特大干旱事件主要發(fā)生在1995～2000年以及2011年。采用SPI指數(shù)能夠像SPEI指數(shù)一樣發(fā)現(xiàn)識(shí)別出大部分干旱事件，但是SPEI指數(shù)識(shí)別的干旱事件包含2014年干旱，在SPI指數(shù)中沒(méi)有被識(shí)別出來(lái)。根據(jù)實(shí)際干旱調(diào)查資料分析發(fā)現(xiàn)，2014年漢江上游包括漢中、襄陽(yáng)等城市都發(fā)生大旱。因此，初步認(rèn)為SPEI指數(shù)較SPI指數(shù)補(bǔ)充考慮了降水和氣溫對(duì)干旱過(guò)程的綜合影響，可作為表征干旱程度的又一個(gè)重要分析應(yīng)用指數(shù)，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可應(yīng)用于描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時(shí)間尺度干旱特征。

4 結(jié) 論

（1） 本文利用多種統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)漢江上游研究區(qū)域多年降水和氣溫序列進(jìn)行趨勢(shì)診斷，識(shí)別了不同氣象站點(diǎn)的時(shí)空變化趨勢(shì)，即降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)，氣溫總體呈現(xiàn)顯著性上升趨勢(shì)。

（2） 選取綜合考慮降水和氣溫對(duì)干旱過(guò)程的影響新氣候干旱指數(shù)SPEI，對(duì)不同月時(shí)間尺度（1，3，6，12，18月和24月）和分期（汛期、非汛期和全年期）漢江上游區(qū)域（南水北調(diào)中線工程水源區(qū)）干旱過(guò)程動(dòng)態(tài)變化特征研究分析，表明SPEI-1，SPEI-3對(duì)降水和氣溫變化更加敏感，隨著時(shí)間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;汛期干旱程度隨時(shí)間變化不大，非汛期和全年期發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率越來(lái)越大，非汛期表現(xiàn)更為明顯;不同氣象站點(diǎn)3個(gè)不同時(shí)期發(fā)生特旱或重旱的年份與歷史干旱資料一致。

（3） 通過(guò)分析不同氣象站SPEI指數(shù)空間分布特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的干旱嚴(yán)重程度從上游到下游逐漸衰減，整個(gè)漢江上游和西北部地區(qū)干旱發(fā)生頻次略高于下游和南部地區(qū);另外，以歷史發(fā)生干旱事件為依據(jù)，對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（SPI）計(jì)算結(jié)果表明， SPEI指數(shù)較SPI指數(shù)補(bǔ)充考慮了降水和氣溫對(duì)干旱過(guò)程的綜合影響，可作為SPI指數(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充分析手段，可應(yīng)用于描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時(shí)間尺度的干旱特征。

本次研究主要基于歷史實(shí)測(cè)氣象序列資料進(jìn)行干旱時(shí)空特征分析，將來(lái)可采用計(jì)算SPEI指數(shù)方法開(kāi)展氣候變化影響下的水源區(qū)和受水區(qū)未來(lái)干旱變化趨勢(shì)及特征分析，為跨流域調(diào)水和水資源配置提供理論參考。

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（編輯：劉 媛）