基于SPI的遼陽春夏干旱特征及周期研究

趙琳琳

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

干旱是由于持續(xù)降雨量小或持續(xù)無降雨，造成降水少且低于正常水平，水資源量不足以滿足人類生存、生產(chǎn)等需求，作物生長缺水減產(chǎn)或致死、生活用水受限、影響工業(yè)生產(chǎn)、甚至可能帶來社會(huì)安全問題，從而發(fā)生旱災(zāi)[1- 3]。旱災(zāi)作為全球廣泛分布、發(fā)生頻率高、從古至今人類均面臨的自然災(zāi)害之一，已然成為全球重點(diǎn)關(guān)注問題。通過對干旱、旱災(zāi)、抗旱的認(rèn)識(shí)及方略的反思，干旱與人類活動(dòng)是彼此間互動(dòng)反饋[4- 6]，對干旱、旱災(zāi)應(yīng)該從被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，認(rèn)識(shí)、分析、預(yù)防干旱，從而有效開展抗旱減災(zāi)活動(dòng)，減少人民群眾傷亡及經(jīng)濟(jì)損失、保障社會(huì)安定等。因此，研究干旱情勢動(dòng)態(tài)，分析干旱發(fā)生規(guī)律及時(shí)空特征具有重要意義。為了更有效地評估干旱現(xiàn)象，世界氣象組織建議采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI[7- 8]，能夠較好地反映干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，使得用同一干旱指標(biāo)反映不同時(shí)間尺度和區(qū)域的干旱狀況成為可能。

遼陽市地處下遼河平原地帶，大陸性季風(fēng)氣候，降水時(shí)空分布不均。近年來受降水較少、全球氣溫升高的影響，水資源短缺，水環(huán)境問題加劇，農(nóng)業(yè)需水不足，干旱問題日益突出。本文采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)表征遼陽地區(qū)干旱情況，并采用小波分析識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)序列的年際震蕩特征，分析干旱情勢發(fā)生規(guī)律。

1 材料與方法

選用遼陽地區(qū)1951—2015年14站月降水系列數(shù)據(jù)，采用一個(gè)水文年春、夏季為分析時(shí)段。14處站點(diǎn)分別為前煙臺(tái)、邢家窩棚、唐馬寨、湯河水庫、葠窩水庫、商家臺(tái)、隆昌、遼陽站、梨庇峪、黃臘坨、黃堡、花紅溝門、郝家店、二道河子。并采用相關(guān)分析法對缺測數(shù)據(jù)的站點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)，構(gòu)建本次研究所需的水文序列。采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、小波分析進(jìn)行計(jì)算分析。

(1)SPI：是一種適用于不同尺度表征降水量出現(xiàn)概率的指標(biāo)，采用Γ分布概率進(jìn)行降水量描述，將偏態(tài)概率分布轉(zhuǎn)換為正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率評估干旱狀態(tài)，主要計(jì)算公式為：

(1)

式中，S—概率密度正負(fù)系數(shù)；γ，β—Γ函數(shù)的尺度參數(shù)、形狀參數(shù)；c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

(2)小波分析：是一種基于Fourier變換，即通過三角函數(shù)展示信號，來解釋信號時(shí)域成分的分析方法[9- 11]，通過小波函數(shù)變換分析時(shí)間系列的周期振蕩特征。基本小波為平方可積函數(shù)t，t∈L2

圖1 春季干旱過程線圖

圖2 夏季干旱過程線圖

(R)，對t伸縮和平移得一簇函數(shù)[12- 14]，即連續(xù)小波t，再計(jì)算小波變換系數(shù)和小波方差[15]，公式為：

(2)

(3)

(4)

式中，a、b—時(shí)間平移、尺度伸縮因子，小波變換系數(shù)受a、b變化而變化；繪制的等值線圖，a、b分別為縱軸、橫軸。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱頻次及干旱特征趨勢變化

計(jì)算遼陽地區(qū)春季、夏季SPI指數(shù)，繪制1970—2015年春季、夏季干旱動(dòng)態(tài)過程曲線，如圖1—2所示，并繪制代際間春季、夏季平均降水量，如圖3所示。從圖1可知，1970、1993、2004年春季重旱，1989年春季中旱，2001—2002年連續(xù)2年春季中旱，有8年發(fā)生輕度干旱，發(fā)生年份為1978、1980、1984、1992、2011、2014及1996—1997年連續(xù)2年。且根據(jù)趨勢分析，結(jié)合圖3，不同代際間春季波動(dòng)變幅小，遼陽地區(qū)春季降水較穩(wěn)定。從圖2可知，1977—1981年連續(xù)5年發(fā)生不同程度干旱，其中1978—1979年連續(xù)2年重旱，此外2009、2014年發(fā)生重旱，發(fā)生夏季中旱有5年，分別為1972、1989、1992、2000、2007年，發(fā)生夏季輕旱有8年，分別為1974、1977、1988、1997、2003、2015、1980—1981年連續(xù)2年。且2014—2015年連續(xù)2年干旱。根據(jù)圖2—3知，夏季干旱程度波動(dòng)較春季劇烈，且代際間波動(dòng)變幅明顯， SPI指數(shù)總體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。綜合圖1—2知，1978、1980、1989、1992、1997、2014年6年春旱夏旱同時(shí)發(fā)生。春季和夏季是農(nóng)作物生產(chǎn)的關(guān)鍵季節(jié)，干旱發(fā)生對農(nóng)作物生長及其產(chǎn)量影響較大，特別是春夏連續(xù)干旱，發(fā)生時(shí)需對農(nóng)作物進(jìn)行人工地表、地下調(diào)配灌溉補(bǔ)給作物生長用水。

圖3 代際間降水變化圖

統(tǒng)計(jì)不同年份各站干旱發(fā)生情況，繪制站次比變化曲線如圖4—5所示。從圖4可知，遼陽發(fā)生

圖4 春季干旱占次比圖

圖5 夏季干旱占次比圖

全面性春旱有7年，分別為1970、1978、1980、1990、1993、2002、2004年，其中1970、1990、1994年重度干旱覆蓋率達(dá)80%以上。1990—2015年干旱發(fā)生較頻繁，且重旱覆蓋率高。2005年以后干旱發(fā)生少，且覆蓋率小，但局部干旱情況較嚴(yán)重，2014年春旱局部連續(xù)無雨日超過50d，2007、2011年局部連續(xù)無雨日超過40d。從圖5可知，發(fā)生夏季全面性干旱有10a，分別為1972、1979、1981、1989、1992、1997、2000、2007、2009、2014年，且其中70%年份夏季重旱覆蓋率超60%，2014年局部夏旱連續(xù)無雨日達(dá)33d，2007年局部干旱連續(xù)無雨日29d，2009年局部干旱連續(xù)無雨日27d。遼陽地區(qū)春旱夏旱覆蓋率均呈現(xiàn)減弱趨勢，且春季重旱覆蓋率呈減弱趨勢。

2.2 周期成分識(shí)別

從小波實(shí)部系數(shù)等值線圖如圖6—7所示可知，在約10a時(shí)間尺度上，小波信號震蕩較明顯，小波實(shí)部系數(shù)虛實(shí)周期變換較清晰，春旱、夏旱SPI系列顯示了6組完整的小波實(shí)部虛實(shí)交替周期過程。夏旱小波實(shí)部變換圖中還顯示出約25a時(shí)間尺度的信號震蕩，表現(xiàn)出約25a的周期性，1960—2010年顯示2次完整的虛實(shí)更替周期過程，其中20世紀(jì)70年代總體為干旱狀態(tài)，且較2000年左右的干旱程度大。在約50a尺度上，也見有小波實(shí)部系數(shù)虛實(shí)變換。1960—2010年間春旱小波實(shí)部系數(shù)為先實(shí)后虛，而1960—2010年間夏旱小波實(shí)部系數(shù)為先虛后實(shí)，在約50a尺度上春旱夏旱表現(xiàn)出相反的特征。

圖6 春旱小波實(shí)部系數(shù)等值線圖

圖7 夏旱小波實(shí)部系數(shù)等值線圖

圖8 春旱小波方差曲線圖

圖9 夏旱小波方差曲線圖

小波方差曲線圖如圖8—9所示進(jìn)一步識(shí)別春旱、夏旱的周期性。小波方差密度曲線上升下降，峰值拐點(diǎn)則為周期成分，曲線變化愈急劇，周期成分愈明顯。春旱方差密度有2次急劇變化過程，峰值分別為約12a時(shí)間尺度和約50a時(shí)間尺度，且50a時(shí)間尺度信號周期震蕩更顯著。圖9中夏旱小波方差密度曲線有3個(gè)峰值存在，最明顯峰值位置為約11a，說明約11a時(shí)間尺度的信號周期震蕩最顯著，此外在約27、45a時(shí)間尺度亦有方差密度曲線的升降拐點(diǎn)。因此，春季干旱特征為約10～12a及約50a周期相互作用，夏季干旱特征中有約10～11、25～27、45～50a時(shí)間尺度的周期成分。

結(jié)合小波系數(shù)實(shí)部等值線及小波方差密度曲線，遼陽地區(qū)春旱存在約10～12a、約50a周期相互嵌套的周期變化，約50a的周期震蕩較強(qiáng)烈；遼陽地區(qū)夏旱存在3個(gè)時(shí)間尺度的周期成分，約45～50a尺度的SPI周期震蕩中隱匿約25～27a尺度的周期震蕩，約25～27a尺度的周期震蕩中隱藏約10～11a尺度的周期震蕩，其中約10～11a周期震蕩強(qiáng)烈且穩(wěn)定，貫穿整個(gè)夏旱研究時(shí)段。

3 結(jié)語

遼陽地區(qū)春旱、夏旱年際間連旱概率均較小，且年內(nèi)春旱、夏旱同時(shí)發(fā)生少。夏旱呈逐漸增強(qiáng)趨勢，且夏季嚴(yán)重干旱和極端干旱更易發(fā)生，需要注意夏季干旱的預(yù)警預(yù)報(bào)。春、夏旱覆蓋率均呈現(xiàn)減弱趨勢，春季重旱覆蓋率呈減弱趨勢。春季干旱波有約10～12a、約50a的周期性，夏季干旱有約10～11a、約25～27a、約45～50a的周期震蕩，不同周期振相互嵌套體現(xiàn)遼陽地區(qū)春旱夏旱狀態(tài)變化。春夏干旱的研究分析對干旱預(yù)報(bào)、抗旱調(diào)度減災(zāi)具有指導(dǎo)意義。