基于SPEI的錫林河流域氣象干旱風險分析

張 璐, 朱仲元, 王慧敏, 王 飛, 張 鵬

(內蒙古農業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018)

干旱是一個發(fā)展較慢但持續(xù)時間較長的極端氣候事件[1]。干旱從古至今都是人類面臨的主要自然災害，隨著人類的社會經濟發(fā)展，水資源短缺日益嚴重，干旱已經成為全球關注的熱點問題。在內蒙古的典型草原區(qū)，干旱是主要的自然災害，也是導致草原退化的重要因素。干旱風險分析有助于揭示干旱變化趨勢，對干旱進行準確定量。世界氣象組織承認的干旱類型是氣象干旱、水文干旱和農業(yè)干旱等，其中氣象干旱被認為是導致其他各類干旱發(fā)生的主要原因，因此探明氣象干旱的發(fā)生規(guī)律，對合理有效地監(jiān)測和預警各類干旱有極大的幫助[2]。近年來，研究學者們普遍使用干旱指數定量評價干旱程度，常用的干旱指數有：標準化降水指數(SPI)[3]、氣象綜合指數(PDSI)[4]、SPEI[5]等，其中SPEI在考慮降雨條件影響的同時，也考慮了溫度波動對干旱的影響，這樣比單純考慮降水的標準化降水指數、降水距平指數等對干旱的反映具有更強的實際意義[6]。張煦庭等[7]以SPEI作為氣象干旱表征指數，對內蒙古自治區(qū)1960—2015年干旱時空分布特征進行了研究；楊思遙等[8]基于SPEI分析了華北地區(qū)植被對干旱的多尺度響應。我國是一個干旱頻發(fā)的國家，特定的季風氣候和自然地理條件決定了我國干旱和旱災發(fā)生的嚴重性，SPEI的出現和使用對研究干旱事件具有科學意義。

1 研究區(qū)概況

錫林河，蒙語稱錫林郭勒，屬錫林郭勒草原上一條內陸河，河水起源于赤峰市克什克騰旗境內，繞錫林浩特市而過。本文研究區(qū)為錫林河流域，經緯度范圍為115°18′—117°08′E，43°02′—44°57′N，控制流域面積達14 788 km2，地勢南高北低，平均海拔為988.6 m，屬中溫帶半干旱大陸性氣候。由于錫林河流域具有獨特的地理環(huán)境，該地區(qū)水資源的主要來源為大氣降水和冰雪融化。錫林河流域晝夜溫差大，蒸發(fā)量大，流域年降水量在121.1～511.7 mm，無霜期110 d，動物資源多樣，草原類型齊全。

2 數據與方法

2.1 數據來源

選用1982—2018年錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站氣溫、降水等數據資料均來源于中國氣象數據共享服網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。本文通過計算錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站點不同時間尺度的SPEI，以年、季、月作為研究尺度，利用反距離權重插值法分析錫林河流域37 a來的干旱變化特征以及干旱發(fā)生頻率和干旱強度的時空分布特征。根據錫林河流域當地氣候特征，將季節(jié)定義為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，當年的1—2月和上一年的12月為冬季。

2.2 研究方法

2.2.1 標準化降水蒸散指數 SPEI計算方法原理是用降水量與蒸散量的差值偏離平均狀態(tài)的程度來表征某地區(qū)的干旱[9]。本文采用Thornthwaite方法計算各站各月潛在蒸散量，進而計算氣候水分平衡(BAL)，即逐月降水與蒸散的差值。

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Di為降水量與蒸散量的差(mm)；Pi為降水量(mm)；PETi為潛在蒸散量(mm)。

對Di數據序列進行正態(tài)化。由于原始數據序列Di中可能存在負值，所以SPEI指數采用了3個參數的log-logistic概率分布。Log-logistic概率分布的累積函數為：

(2)

式中：參數α,β,γ分別采用線性矩的方法擬合獲得。

(3)

(4)

γ=ω0-α·Γ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(5)

式中：Γ為階乘函數；ω0,ω1,ω2為原始數據序列Di的概率加權矩。計算方法如下:

(6)

(7)

式中：N為參與計算的月份數。

然后對累積概率密度進行標準化:

P=1-F(x)

(8)

當累積概率P≤0.5時：

(9)

(10)

式中：c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。

當P>0.5時，以1-P表示P。

(11)

SPEI具有多時間尺度的特征。其中，1個月時間尺度的干旱指數可以比較清楚地反映旱澇的細微性變化，3個月時間尺度可以清晰地反映季節(jié)的干旱狀況[10-11]。故本文計算1，3，6，12個月4個尺度的SPEI值，用SPEI1，SPEI3，SPEI6，SPEI12表示。

2.2.2 干旱強度 《氣象干旱等級》中關于氣象干旱發(fā)生強度的詮釋為：所有天或月的綜合氣象干旱指數值在干旱過程內為輕度以上的干旱等級之和[12]。

(12)

式中：j為年份；i為不同站號；m為發(fā)生干旱的站數；|SPEIi|為j年i站發(fā)生干旱時SPEI的絕對值。其值越小，干旱程度越強[13]。當連續(xù)3個月的SPEI月尺度數值為輕度干旱以上時，則確定為發(fā)生一次連續(xù)干旱過程[14]。

2.2.3 干旱頻率 用于評價某站在某時段干旱發(fā)生的頻繁程度[15]。

Fi=(n/N)×100%

(13)

式中：n為該站實際發(fā)生干旱的年數。

根據中國氣象局制定的氣象干旱等級劃分標準[16]，將SPEI劃分為5個等級，分別為無旱、輕微干旱、中等干旱、嚴重干旱和極端干旱(表1)。

表1 SPEI干旱等級劃分

3 結果與分析

3.1 降水和氣溫的時間變化趨勢分析

錫林河流域多年降水量變化年際差異較大，整體呈現較大的增長趨勢，趨勢線斜率為0.438(圖1A)。多年平均降水量為270 mm，2012年降水量為37 a中最大值，為511.7 mm，多年降水量年際變化較有規(guī)律性，呈現多年平穩(wěn)增長趨勢。2005年的降水量為37 a中最小值，僅為121.1 mm，直到2009年降水量出現增長的趨勢。37 a間錫林河流域氣溫整體呈現較小的增長趨勢，趨勢線斜率為0.039，多年平均氣溫為3.16℃，1986年年平均氣溫低至1.21℃，2014年年平均氣溫高至4.66℃(圖1B)。

圖1 1982-2018年降水量和氣溫變化趨勢

3.2 不同時間尺度SPEI對比分析

利用1982—2018年的降水、平均氣溫、平均風速等數據計算得到不同時間尺度SPEI(圖2)。不同時間尺度的SPEI值隨時間變化存在明顯不同，時間尺度越小，SPEI沿著0值上下劇烈波動，反映了單月降水對干旱程度的影響。如SPEI1波動頻率較快，反映了各月部分氣象要素對干旱的影響；SPEI3和SPEI6波動周期較長，體現了錫林河流域季節(jié)性的干旱變化；SPEI12各年值相對集中，較為清晰地反映了錫林河流域多年干旱變化趨勢，尤其在1989年、2006年附近的年份明顯產生了較為嚴重的干旱。整體上來看，不同時間尺度的SPEI值呈現出明顯增大的趨勢。

3.3 短、中期SPEI變化分析

本文將1982—2018年整個時期分為4個時段，對應的時間段為1982—1988年、1989—1998年、1999—2008年和2009—2018年(圖3)。對不同時段的SPEI值按月份進行處理，各月SPEI值為時段內該月多年平均值，由于SPEI12季節(jié)性變化不明顯，故本文只分析SPEI1，SPEI3，SPEI6。SPEI1從1982—1988年時段到1989—1998年時段年均SPEI1有增大趨勢，如1982—1988年12月平均SPEI1為-0.67，而1989—1998年12月平均SPEI1減小到-0.01；1989年—1998年—1999年—2008年，SPEI1出現了減小趨勢，5月、7月平均SPEI1分別為-0.07，-0.18，而1999—2008年5月、7月平均SPEI1減小到-0.52，-0.46。減小趨勢最大出現在晚春和初夏。此外，SPEI1從2009—2018年整體呈現增大趨勢，表明近幾年旱情較以往有所緩解。尤其從SPEI3，SPEI6來看1982—2018年SPEI有明顯的波動，1982—1988年干旱出現在冬季和早春；1989—1998年旱情逐漸得到緩解；1999—2018干旱集中發(fā)生于晚春、夏季和早冬，2009—2018年SPEI整體大幅增長。這種現象的出現與近幾年來氣溫、降水等氣象要素有明顯相關性。

3.4 不同時間尺度干旱發(fā)生頻率分析

本文統(tǒng)計了1982—2018年4個時間段不同程度干旱發(fā)生的頻率(表2)。在頻率統(tǒng)計過程中發(fā)現：SPEI1和SPEI3未出現特旱值，但SPEI6值在1988年出現4次(3月、4月、5月、7月)特旱值；1999年出現2次(10月、11月)特旱值；2005年出現2次(8月、9月)特旱值。SPEI12在1988年出現4次(7月、9月、10月、11月)特旱值，且都在中旱及以上；2005年出現3次(9月、10月、12月)特旱值；2006年出現3次(1月、2月、3月)特旱值。據統(tǒng)計數據來看，特、重旱的發(fā)生頻率在逐年減小，輕、中旱有波動起伏的不確定性，在干旱預防中，應該注意長時間連續(xù)的輕、中旱的發(fā)生。不同程度干旱發(fā)生頻率年際差異較大，近10 a來，不同程度干旱發(fā)生頻率有顯著的減小趨勢，主要因為受到氣象因素的影響。從整體上來看，不同程度干旱發(fā)生頻率呈現下降趨勢，表明該地區(qū)生態(tài)環(huán)境有調節(jié)和緩解干旱的可能。

圖2 1982-2018年不同時間尺度SPEI變化

表2 不同時間尺度SPEI的不同程度干旱發(fā)生頻率 %

3.5 干旱事件的空間變化特征

3.5.1 干旱發(fā)生頻率分布特征 本文根據錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站逐月SPEI值及不同級別的SPEI干旱指數，統(tǒng)計了1982—2018年各站年、季、月尺度的輕度以上干旱發(fā)生頻率，采用反距離權重插值法進行插值分析，得到錫林河流域不同時段干旱發(fā)生頻率的空間分布。研究發(fā)現：錫林河上游輕度以上的干旱出現次數總體呈現西多東少的特點(圖4A)，這與當地降水和氣溫的變化規(guī)律有很大的關系，西部的干旱發(fā)生頻率為51.28%～53.21%，東部的干旱發(fā)生頻率為49.35%～51.28%，年干旱發(fā)生頻率具有區(qū)域的趨勢性。春季的旱情主要出現在錫林河流域的中部地區(qū)(圖4B)，干旱發(fā)生頻率差異較大，干旱發(fā)生面積較大，中部干旱發(fā)生頻率為11.30%～13.51%，周邊干旱發(fā)生頻率為9.08%～11.30%。錫林河流域地處寒旱區(qū)，具有獨特地理氣候環(huán)境，該地區(qū)水資源的主要來源是夏季降雨和春季融雪[17]，春旱與春季融雪徑流有很大的關系。夏旱主要有可能發(fā)生在錫林河流域南部以及西部邊緣地區(qū)(圖4C)，干旱發(fā)生頻率為12.34%～12.95%，東北部干旱發(fā)生頻率較小，為11.72%～12.34%，干旱發(fā)生頻率具有分界性，這與當地夏季降水有極大關系。秋季干旱頻率由夏季的東北少西南多逐漸向錫林河流域中部移動(圖4D)，秋旱主要發(fā)生在錫林河流域北部和西部的部分地區(qū)，為11.86%～12.91%，錫林河流域中部干旱發(fā)生頻率最少，低至10.81%～11.86%。冬季干旱發(fā)生頻率普遍較大(圖4E)，干旱發(fā)生頻率為9.36%～10.81%，只有北部部分地區(qū)干旱發(fā)生頻率較小，為7.91%～9.36%。月尺度的干旱發(fā)生頻率與春季的干旱發(fā)生頻率出現了明顯的反差現象(圖4F)，且干旱發(fā)生頻率差異較大，錫林河流域中部干旱發(fā)生頻率較低，為18.92%～23.94%，錫林河流域周邊干旱發(fā)生頻率較高，為23.94%～28.95%。

圖3 不同時間尺度各時段SPEI均值變化

3.5.2 干旱強度空間分布特征 本文計算了1982—2018年錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站逐月SPEI值及不同級別的SPEI干旱指數，統(tǒng)計了1982—2018年各站年、季、月尺度的輕度以上干旱強度。

年干旱強度由西北到東南呈現高—低—高的趨勢(圖5A)，表明干旱嚴重區(qū)出現在錫林河流域中部，為15.64～12.95。春季干旱嚴重區(qū)出現在錫林河流域的四周(圖5B)，為5.83～4.86。夏季錫林河流域的干旱強度普遍較小(圖5C)，該錫林河流域夏季干旱較為嚴重，僅有錫林河流域北部部分地區(qū)干旱嚴重程度較低，為6.40～5.96。秋季干旱強度分布圖與春季干旱強度分布圖有明顯的反差(圖5D)，秋季錫林河流域中部出現嚴重的干旱現象，干旱強度為4.85～3.90。冬季干旱強度有增加的趨勢(圖5E)，干旱的分布范圍有減小的趨勢，僅有東南部地區(qū)干旱強度較小，為4.86～3.90。月尺度的干旱強度分布與春季的干旱強度分布較為相似(圖5F)，錫林河流域四周干旱嚴重程度高于錫林河流域中部，可見，月尺度的干旱強度分布主要受到春季干旱強度的影響。

圖4 不同時間尺度錫林河流域干旱發(fā)生頻率的時空分布

圖5 錫林河流域不同時間尺度干旱強度分布

4 結 論

(1) 本文計算了錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站點1982—2018年不同時間尺度的SPEI。1989年、2006年附近年份明顯產生了較為嚴重的干旱，不同時間尺度的SPEI整體均有增大的趨勢，表明錫林河流域干旱情況有所緩解。SPEI短、中期的干旱分析表明，特、重旱的發(fā)生頻率在逐年減小，輕、中旱有波動起伏的不確定性，在干旱預警中，應該注意長時間連續(xù)的輕、中旱的發(fā)生，且存在發(fā)生季節(jié)性集中干旱的可能。

(2) 年尺度的干旱頻率表現為西多東少的特點，干旱強度從西北到東南表現為弱—嚴重—弱的特點；春季干旱多發(fā)地位于錫林河流域中部，而四周卻是干旱嚴重區(qū)域；夏季干旱多發(fā)生于錫林河流域西南角，而這期間錫林河流域有可能發(fā)生大部分嚴重干旱；秋季干旱在西、南部區(qū)域頻率最高，而干旱最嚴重的區(qū)域在中部；冬季錫林河流域大部分干旱發(fā)生的頻率較高，干旱嚴重區(qū)在錫林河流域南部?？傮w而言，錫林河流域西部與南部是干旱頻發(fā)且嚴重地區(qū)。