長江流域1961~2015年不同等級干旱時(shí)空變化分析

張午朝 高冰 馬育軍

摘要：分析長江流域歷史時(shí)期的干旱時(shí)空變化特征，對于目前和未來的干旱應(yīng)對具有重要參考價(jià)值。采用12月尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI_12）對長江流域134個(gè)氣象站1961～2015年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究了流域內(nèi)不同等級干旱的時(shí)間變化特征和空間分布格局。結(jié)果表明：長江流域每年發(fā)生干旱的平均次數(shù)和站點(diǎn)數(shù)均沒有明顯變化趨勢，但特旱發(fā)生次數(shù)和站點(diǎn)數(shù)均呈升高趨勢;流域內(nèi)各站點(diǎn)發(fā)生干旱的頻率主要介于30%～35%之間，四川盆地、云南省北部、貴州省北部發(fā)生干旱的頻率大多呈增加趨勢，其他地區(qū)干旱發(fā)生頻率以降低趨勢為主。上述結(jié)果表明，長江流域不同等級干旱呈現(xiàn)不一致的時(shí)間變化特征，發(fā)生特旱的風(fēng)險(xiǎn)呈增加趨勢，不同區(qū)域的干旱變化趨勢也存在顯著差異，因此需要分區(qū)制定針對性的應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：干旱; 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù); 時(shí)空變化特征; 長江流域

中圖法分類號：P33文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.010

干旱作為一種自然災(zāi)害，按照受災(zāi)人數(shù)進(jìn)行排序，在所有自然災(zāi)害中位列第一[1]，長江流域是我國干旱災(zāi)害的主要發(fā)生地之一[2]。研究發(fā)現(xiàn)，歷史上長江流域干旱（5級）災(zāi)害多發(fā)地帶有兩個(gè)，一個(gè)呈東北-西南走向分布于長江三角洲、長江中下游、洞庭湖南部至湘西南和黔東北一線，另一個(gè)呈東北-西南走向位于漢江上游、三峽地區(qū)至云貴高原一線;而偏旱（4級）災(zāi)害的多發(fā)區(qū)主要位于四川盆地、江南南部和下游干流[3]。目前對長江流域干旱的研究包括基于不同指數(shù)的分析及趨勢性檢驗(yàn)[4-6]、基于遙感的旱情監(jiān)測[7]、利用模型模擬空間格局[8]或預(yù)測未來變化[9-11]等。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standard Precipitation Index，SPI）是以長期降水記錄為依據(jù)進(jìn)行的計(jì)算，可以用于任何地區(qū)的干旱評估。這種長期記錄符合概率偏態(tài)分布，并可轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布，以便使某地區(qū)一段時(shí)期內(nèi)的平均SPI為零[12]。SPI目前已被廣泛應(yīng)用于不同方面的干旱研究，包括干旱頻率分析、干旱空間分布、干旱預(yù)測以及氣候影響評估等[1，13]。張利利等基于不同尺度SPI分析了石羊河流域的干旱持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、空間格局等，指出尺度越小，SPI對于一次降水的反映越明顯，12月尺度SPI可以清楚地反映長期旱澇變化特征[14]。

干旱等級是衡量干旱嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)之一，不同等級干旱帶來的損失差別巨大，分等級研究干旱的時(shí)空變化規(guī)律十分必要。目前有關(guān)長江流域干旱特征的研究很多，但關(guān)于不同等級干旱時(shí)空變化特征等方面研究較少，因此本文根據(jù)長江流域134個(gè)氣象站1961～2015年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，采用12月尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)表征干旱程度，按SPI干旱標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級劃分，在此基礎(chǔ)上分析不同等級干旱的時(shí)空變化特征，包括發(fā)生次數(shù)和站點(diǎn)數(shù)的變化趨勢、干旱的空間分布等，以期全面地揭示長江流域多年干旱變化特征。

1研究區(qū)概況

長江流域是世界第三大流域，總面積達(dá)到180萬km?屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，同時(shí)受到西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的影響[15]。流域多年平均降雨量1 067 mm，由東南向西北遞減，中下游高于上游。雨帶每年3～4月自東南向西北移動(dòng)，中下游的雨季早于上游，江南早于江北[16]。受太陽輻射、大氣環(huán)流、青藏高原等綜合影響，長江流域空氣溫度呈現(xiàn)東高西低、南高北低的分布趨勢，江源地區(qū)是全流域氣溫最低的地區(qū)[17]，而四川盆地、云貴高原和金沙江河谷等地則形成高溫封閉中心[18]。

2研究方法

本文采用的降水量為長江流域134個(gè)氣象站1961年1月1日至2015年12月31日的逐日觀測數(shù)據(jù)，來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），其中67個(gè)氣象站位于宜昌站以上的上游流域，47個(gè)氣象站位于宜昌站至湖口站之間的中游流域，20個(gè)氣象站位于湖口站以下的下游流域（圖1）。

圖1長江流域氣象站點(diǎn)分布Fig.1Distribution of weather stations in the Yangtze River Basin

降水量的偏態(tài)分布可以用Gamma分布進(jìn)行擬合，計(jì)算SPI時(shí)需要將這種Gamma概率密度函數(shù)進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后利用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分干旱等級[19]。進(jìn)一步將累積概率轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)隨機(jī)變量Z，Z的平均值為0，方差為1[20]，也就是本文所要使用的SPI。從理論上講，SPI表示的是隨機(jī)變量Z的值，或者說是某一事件高于或低于平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，但是當(dāng)涉及不同長度記錄時(shí)，Gamma分布的形狀參數(shù)和范圍參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)SPI計(jì)算長期尺度（超過24個(gè)月）擬合分布時(shí)，可能會(huì)由于數(shù)據(jù)長度的限制發(fā)生偏離，而短時(shí)間尺度降水量分布會(huì)發(fā)生傾斜，并且擬合Gamma分布也存在局限性[20]，因此本文選用12月時(shí)間長度計(jì)算SPI指數(shù)。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2006），以SPI為依據(jù)的干旱等級劃分如表1所示，不同等級干旱對農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的影響程度存在顯著差異。

3結(jié)果分析

3.1干旱時(shí)間變化特征

根據(jù)不同等級干旱發(fā)生次數(shù)的Mann-Kendall（M-K）趨勢檢測（表2），1961～2015年長江流域各站點(diǎn)年平均干旱總次數(shù)的Z統(tǒng)計(jì)值為0.798，沒有超過95%置信區(qū)間的臨界值1.96，因此每年發(fā)生干旱的總次數(shù)沒有明顯的增加或降低趨勢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，年平均干旱總次數(shù)為3.77次，發(fā)生干旱最多的是1979年（6.58次）、最少的是2015年（1.45次，圖2）。從年代際看，長江流域20世紀(jì)60年代、70年代、80年代、90年代、21世紀(jì)前10 a和2010～2015年發(fā)生干旱的總次數(shù)分別為30.29，39.67，34.65，35.91，42.51，20.51次，總體呈現(xiàn)20世紀(jì)70年代明顯增加，80～90年代有所減少，進(jìn)入21世紀(jì)再次增加。另外，干旱發(fā)生次數(shù)具有一定的波動(dòng)性，21世紀(jì)以來2個(gè)干旱次數(shù)低谷之間的時(shí)間跨度變長。

雖然1961～2015年長江流域每年發(fā)生干旱的總次數(shù)沒有明顯變化，但是根據(jù)M-K趨勢檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：特旱發(fā)生次數(shù)的Z值為2.305，超過了95%置信區(qū)間的臨界值，表明特旱發(fā)生次數(shù)呈現(xiàn)明顯增加趨勢（表2）。不同等級干旱之間的對比顯示，1961～2015年平均每年發(fā)生輕旱、中旱、重旱和特旱的次數(shù)分別為1.82，1.15，0.55，0.24次，總體而言干旱等級越高，相應(yīng)等級干旱的發(fā)生次數(shù)越少。然而2012年重旱和特旱發(fā)生次數(shù)分別為0.71，0.84次，2013年重旱和特旱發(fā)生次數(shù)分別為0.31，0.34次，都出現(xiàn)了特旱次數(shù)超過重旱次數(shù)的情況。從年代際不同等級干旱的發(fā)生次數(shù)看，輕旱次數(shù)自20世紀(jì)60年代到90年代呈現(xiàn)減少趨勢，而21世紀(jì)以來，隨著干旱總次數(shù)的增多，輕旱次數(shù)也有所增多;中旱次數(shù)在20世紀(jì)60年代到80年代有所減少，80年代以后呈現(xiàn)增多趨勢;重旱和特旱發(fā)生次數(shù)自20世紀(jì)80年代以后呈現(xiàn)一定上升趨勢。

M-K趨勢檢測結(jié)果顯示（見表3）：長江流域1961～2015年發(fā)生干旱的總站點(diǎn)數(shù)和輕旱、中旱、重旱的發(fā)生站點(diǎn)數(shù)均沒有通過90%置信區(qū)間的顯著性檢測，發(fā)生特旱的站點(diǎn)數(shù)通過了90%置信區(qū)間的檢測，但沒有通過95%置信區(qū)間的檢測，表明雖然每年發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)沒有明顯變化，但是發(fā)生特旱的站點(diǎn)數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢。

長江流域1961～2015年每年平均發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)為92.52個(gè)，其中2007年最多（120個(gè)），其次是1979年（119個(gè)，圖3）。從不同等級干旱看，1979，2011，2012年發(fā)生特旱的站點(diǎn)數(shù)超過發(fā)生重旱的站點(diǎn)數(shù)，其中2012年有32個(gè)站點(diǎn)發(fā)生特旱，數(shù)量甚至超過了輕旱，是不同等級干旱發(fā)生站點(diǎn)數(shù)最多的。

3.2干旱空間分布格局

1961～2015年長江流域各站點(diǎn)總干旱發(fā)生頻率大多介于30%～35%之間，較高的站點(diǎn)有廣元、萬源、石門、宜春、玉山，干旱發(fā)生頻率均在35%以上，其中石門站最高，達(dá)到38.12%（圖4）。從不同等級干旱的發(fā)生情況看，長江流域輕旱發(fā)生頻率介于10%～20%之間的站點(diǎn)居多，中旱發(fā)生頻率集中在5%～15%，重旱發(fā)生頻率介于2.2%～7.3%之間，特旱發(fā)生頻率介于0.3%～4.9%之間。發(fā)生特旱頻率較高的站點(diǎn)有木里、敘永、黔西、安順、滁縣，但這幾個(gè)站點(diǎn)并不是干旱頻發(fā)的站點(diǎn)，發(fā)生總干旱的頻率均不到30%，低于所有站點(diǎn)的平均值，但是發(fā)生一次特旱的損失卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通干旱。另外，重旱發(fā)生頻率較高的站點(diǎn)有康定、樂山、元謀、老河口、畢節(jié)等，這些地方屬于總干旱頻率不高，但重旱發(fā)生次數(shù)較多的區(qū)域，說明雖然不常發(fā)生干旱，但是一旦發(fā)生往往都達(dá)到重旱及以上程度。中旱和輕旱主要發(fā)生在長江中下游地區(qū)。

長江流域1961～2015年干旱發(fā)生頻率升高的區(qū)域主要集中在長江上游的四川盆地以及云南和貴州北部地區(qū)，長江源頭、川西高原和長江中下游的干旱發(fā)生頻率總體呈減少趨勢（圖5）。

4結(jié)論與討論

1961～2015年，長江流域每年發(fā)生干旱的總次數(shù)沒有明顯的變化趨勢，這與許繼軍等研究指出的1950～2000年長江流域年降水量變化趨勢不顯著的結(jié)果類似[5]。從不同等級干旱看，長江流域1961～2015年特旱發(fā)生次數(shù)通過了95%置信區(qū)間的M-K趨勢檢驗(yàn)，呈現(xiàn)顯著增多趨勢，1979，2011，2012年是發(fā)生特旱次數(shù)最多的3 a。長江流域每年發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)也沒有明顯變化，但發(fā)生特旱的站點(diǎn)數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢，1979，2011，2012年也是特旱發(fā)生站點(diǎn)數(shù)最多的3 a。

長江流域各站點(diǎn)發(fā)生干旱的頻率主要介于30%～35%之間，并且中旱和輕旱大多分布于中下游地區(qū)。王瑛等提出長江流域中小型旱災(zāi)發(fā)生頻率最高的區(qū)域集中在三峽地區(qū)以及中下游的漢江、湘江、資江等支流流域[21]，與本文結(jié)果類似。長江流域重旱、特旱發(fā)生頻率相對較高的站點(diǎn)并不是總體干旱發(fā)生頻率高的站點(diǎn)，這些地方雖然不常發(fā)生干旱，但一旦發(fā)生干旱，級別往往達(dá)到重旱及以上程度。賀晉云等研究發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)極端干旱增多的地區(qū)主要分布在西南季風(fēng)迎風(fēng)坡和四川盆地西南等地勢高的區(qū)域，推測其原因?yàn)榻?0 a西南季風(fēng)減弱導(dǎo)致該地區(qū)降水減少和極端干旱發(fā)生頻率增加[22]。劉元波等對鄱陽湖區(qū)2000～2010年的極端干旱成因進(jìn)行了分析，指出流域水分收支虧缺是鄱陽湖區(qū)發(fā)生極端干旱的原因之一，其中降水虧缺是基本致旱因素，蒸散量增加是輔助作用[23]。因此，降水減少應(yīng)當(dāng)是長江流域重旱和特旱發(fā)生頻率增多的主要原因。

從干旱發(fā)生頻率的變化看，長江上游四川盆地、云南省北部、貴州省北部呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，其他地區(qū)主要表現(xiàn)為下降趨勢。許繼軍等提出20世紀(jì)90年代以來長江流域尤其是中下游降水量增加，然而四川盆地和漢江上游降水量下降[5]。李軍等人根據(jù)REOF時(shí)空分解劃分干濕特征區(qū)域后同樣發(fā)現(xiàn)，西南大部分地區(qū)都有變干趨勢，包含云南高原東部區(qū)、云南高原西部區(qū)、四川盆地西部區(qū)和貴州高原南部區(qū)等地，其中云南高原東部區(qū)變干趨勢顯著，而漢中盆地區(qū)和東部山地區(qū)有變濕潤趨勢但并不顯著[24]。

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引用本文：張午朝，高冰，馬育軍.長江流域1961～2015年不同等級干旱時(shí)空變化分析[J].人民長江，2019，50（2）：53-57.

Temporal and spatial variation characteristics of different drought grades ?from 1961 to 2015 in Yangtze River Basin

ZHANG Wuzhao1，2， GAO Bing?2， MA Yujun1，3

（1.School of Natural Resources， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China;3.School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract： Analyzing temporal and spatial variation characteristics of droughts in ?historical period in the Yangtze River Basin has important reference significance for the present and future drought fighting. In this paper， 12-month standard precipitation index （SPI_12） was used to analyze the daily precipitation data of 134 weather stations in the Yangtze River Basin from 1961 to 2015 to explore the temporal variation trends and spatial distribution patterns of different drought grades in the watershed. The results showed that： there was no obvious change in the average annual drought frequency and the site number in the Yangtze River Basin， but the frequency of extreme drought and the site number increased. The drought frequency in the whole watershed was mainly between 30% and 35%， showing increasing tendency in Sichuan Basin， northern Yunnan Province and northern Guizhou Province， and a downward tendency in other areas. The above results indicate that temporal characteristics of different drought grades are inconsistent in the Yangtze River Basin， and the risk of extreme drought is increasing. The drought trends in different regions are also significant different， therefore zoning is essential to develop targeted countermeasures.

Key words：drought; standard precipitation index; temporal and spatial variation characteristics; Yangtze River Basin