三峽庫區(qū)氣象干旱演變特征及致災(zāi)因子危險性評價

鄭金濤,彭 濤,2,3,董曉華,2,3,劉 冀,2,3,常文娟,2,3,林青霞,2,3,王佳寶

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌443002;2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430072;3.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程教育中心,湖北 宜昌 443002)

近年來，由于全球各種極端氣象災(zāi)害事件的頻發(fā)和氣候變化的直接影響，干旱逐漸成為對人類影響最大的自然災(zāi)害之一[1]，對人類經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境狀況等都造成了巨大影響[2]。我國北方大部和南方部分地區(qū)頻繁發(fā)生的干旱以及由于干旱缺水所造成的社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境損失巨大，對我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。據(jù)統(tǒng)計，平均每年我國旱災(zāi)受災(zāi)面積占比高達(dá)55%，在各類自然災(zāi)害中所占比例最大，干旱區(qū)域的擴展在近30 a里表現(xiàn)為由北向南、由西向東的趨勢[4]。因此，研究區(qū)域氣象干旱的演變特征及致災(zāi)因子危險性，對于區(qū)域干旱預(yù)警和防旱減災(zāi)具有重要意義。

干旱現(xiàn)象是指某一地區(qū)水分條件較當(dāng)?shù)刈匀徽Ｇ闆r持續(xù)性偏少的一種自然現(xiàn)象[5]，主要分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱[6]，其中氣象干旱評估是農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱的監(jiān)測和預(yù)警的基礎(chǔ)[7]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同地域的不同氣象干旱開展了許多深入研究，提出了綜合氣象干旱指數(shù)[8]、帕爾默干旱烈度指數(shù)(PDSI)[9]、降水距平百分率指數(shù)(Pa)、GEV干旱指數(shù)[10]、SAPI 指數(shù)[11]、降水平均等待時間指數(shù)(AWTP)[12]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[13]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[14]等氣象干旱指數(shù)。鄒旭愷等[15]采用綜合氣象干旱指數(shù)CI對過去60 a我國及十大江河流域的干旱變化趨勢進行了分析統(tǒng)計；張永等[16]對61 a來我國西北地區(qū)的季節(jié)均值和年均值利用帕爾默干旱指數(shù)進行了分析；Vicente-Serrano等采用SPEI對全球變暖和全球干旱氣候進行分析，發(fā)現(xiàn)SPEI是一種對全球變暖敏感程度較高的干旱指數(shù)；對以上干旱指數(shù)的比較表明，SPI指數(shù)計算方便、能有效地消除降水時空分布差異，可以反映不同時期各個地區(qū)的旱澇狀況[17]。

三峽庫區(qū)作為重要的生態(tài)廊道，對推進長江流域的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用。庫區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，受降水及地形地貌等因素的影響，干旱已經(jīng)成為三峽庫區(qū)最常見、影響最廣的氣象災(zāi)害[18]。目前，國內(nèi)學(xué)者對于三峽庫區(qū)的干旱變化特征作了許多研究。如何永坤等[19]應(yīng)用干旱動態(tài)評估指數(shù)，分析了三峽庫區(qū)春旱、夏旱和伏旱的變化，并預(yù)測三峽工程建成后庫區(qū)的干旱程度將有所降低；張強等[20]分析了三峽庫區(qū)2006年夏季的氣候特征，同時根據(jù)降水資料詳細(xì)剖析了高溫和干旱的主要成因；葉殿秀等[18]利用三峽庫區(qū)1961—2006年逐日降水量等資料，分析得出庫區(qū)年平均干旱日數(shù)緩慢增長；劉曉冉等[21]依據(jù)三峽庫區(qū)近58 a的降水?dāng)?shù)據(jù)，采用Z指數(shù)對三峽庫區(qū)夏季干旱和洪水的變化進行了分析。但上述研究側(cè)重單一干旱特征變量分析庫區(qū)的氣象干旱時間變化規(guī)律，忽視了干旱多變量空間演變的屬性特征，且對氣象干旱因子致災(zāi)危險性評價研究甚少?；诖?，本文選用SPI指數(shù)、采用干旱強度、站次比和干旱頻率等指標(biāo)研究三峽庫區(qū)氣象干旱多變量的時空分布特征，并對三峽庫區(qū)季尺度干旱致災(zāi)因子危險性空間格局進行評價，為三峽庫區(qū)干旱評估和可持續(xù)水資源管理提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)位于長江上游，涉及因三峽水庫修建而被淹沒的湖北省秭歸縣、興山縣、夷陵區(qū)、巴東縣以及重慶市巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、云陽縣、開縣、萬州區(qū)、忠縣、涪陵區(qū)、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)、江津區(qū)和重慶核心城區(qū)等，總面積約為5.8萬km2。庫區(qū)年降水量1 000～1 400 mm，降水主要集中在4—9月，年平均氣溫17～19℃。研究表明，三峽水庫蓄水后庫區(qū)年降水量并沒有發(fā)生顯著變化[22]。三峽庫區(qū)的主要地貌特征為東南地勢高，西北地勢低，高差較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)資料全部來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(https:∥www.nmic.cn/)提供的湖北省、四川省和重慶市共54個氣象站的降水資料，從中選取三峽庫區(qū)及周邊地區(qū)18個氣象站1960—2015年的逐日平均降水資料，其中缺測的2個站點的部分月份采用線性回歸插補進行處理，即將其他相鄰站點歷年相同月份的數(shù)據(jù)做時間序列回歸處理，以保證數(shù)據(jù)的完整性。

1.3 研究方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI指數(shù)) 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)結(jié)構(gòu)簡單[23]，在降水時空分布不同的情況下可以相互進行比較，由于降水是偏態(tài)分布[24]，所以可采用指數(shù)中的Г分布來計算相應(yīng)時段內(nèi)降水量的累計概率分布，計算公式如下：

(1)

(2)

當(dāng)G(x)>0.5時，G(x)=1.0-G(x)，S=1；G(x)≤0.5時，S=-1。其中G(x)是降水分布概率；X為降水量值；S為概率密度正負(fù)系數(shù)，G(x)由以下公式計算：

(3)

式中：β，γ分別為Γ分布函數(shù)的形狀和尺度參數(shù)；c0=2.515 517；c1=0.802 853；c2=0.010 328；d1=1.432 788；d2=0.189 269；d3=0.001 308。SPI指數(shù)對應(yīng)的干旱等級劃分見表1[25]。

表1 基于SPI指數(shù)的干旱等級劃分

1.3.2 游程理論 游程理論是一種對時間序列進行分析的統(tǒng)計方法[26]，常用于干旱事件的識別。首先計算出SPI值，然后使用游程理論將干旱歷時(一次干旱事件所持續(xù)的時間)和干旱強度(在干旱事件過程中SPI的累計值的相反數(shù))這兩個特征變量分離。設(shè)定X0，X1和X2(X表示SPI值)為判斷干旱事件的3個截取水平，利用如下過程對干旱事件進行識別[27]：

(1) 如果某月的SPI值小于X1(取-0.5，為發(fā)生輕微干旱時的SPI值)時，則此月初步判定為干旱；

(2) 如果某次干旱事件的歷時為1個月，當(dāng)其SPI值大于X2(取-0.3，為1個或多個時段判斷干旱事件發(fā)生最大值)，則可以認(rèn)為此月未發(fā)生干旱，劃分為非干旱事件；

(3) 如果某2次干旱事件發(fā)生的時間間隔為1個月，且間隔月的SPI值小于X0(取0)，可以將這2次發(fā)生的干旱事件綜合為1次事件。

1.3.3 干旱評估指標(biāo) (1) 干旱頻率(Pi)。在研究某個區(qū)域內(nèi)某站點在某年份內(nèi)發(fā)生干旱的頻繁程度，通常采用干旱頻率進行計算評價，計算公式為[28]：

(4)

式中：i表示不同測站代號；n表示此站發(fā)生干旱的年數(shù)；N表示資料序列總年數(shù)。

(2) 干旱強度(Sij)。如果對某區(qū)域內(nèi)干旱嚴(yán)重程度進行評價，可以用某單站某時段內(nèi)的SPI絕對值，即干旱強度來代表。干旱強度越小，代表此地干旱情況不明顯。計算公式為[29]：

(5)

式中：i為不同測站代號；j為某年份；m為發(fā)生干旱的站數(shù)。

(3) 干旱站次比(Pij)。在某區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生的站數(shù)與全部測站數(shù)的比叫做干旱站次比，表示干旱影響的程度和嚴(yán)重性，計算公式為：

(6)

式中：j為不同年份；m為某年發(fā)生干旱的站點數(shù)；M為站點總數(shù)。

1.3.4 Mann-Kendall檢驗法 Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K檢驗)是一種廣泛應(yīng)用于水文氣象要素時間序列趨勢分析的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。在M-K趨勢檢驗中，當(dāng)|Z|大于等于1.96，2.32時，說明分別通過了95%和99%信度檢驗。Z值大于0表示上升趨勢，小于0表示下降趨勢。若在M-K檢驗中所繪制的UF和UB曲線有交點，且交點同時位于在臨界線內(nèi)，則交點的時刻為突變開始的時間[30]。

1.3.5 干旱致災(zāi)因子危險性評價 干旱災(zāi)害致災(zāi)因子危險性評價是通過干旱強度和干旱頻率綜合評價一個地區(qū)的干旱災(zāi)害的危險性等級，用干旱災(zāi)害致災(zāi)危險性指數(shù)R來表示，計算公式如下[31]：

Ri=Pi×Si

(7)

式中：i表示站點編號；P表示干旱頻率；S表示干旱強度。計算得出的干旱災(zāi)害致災(zāi)危險性指數(shù)還需要進行歸一化處理。計算公式如下：

Di=(Ri-Rmin)/(Rmax-Rmin)

(8)

式中：i表示站點編號；D表示干旱災(zāi)害致災(zāi)危險性指數(shù)歸一化值；Rmax表示干旱災(zāi)害致災(zāi)危險性指數(shù)序列最大值；Rmin表示干旱災(zāi)害致災(zāi)危險性指數(shù)序列最小值，等級劃分表見表2[32]。

表2 干旱災(zāi)害致災(zāi)危險性指數(shù)等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽庫區(qū)氣象干旱時間變化特征

2.1.1 SPI指數(shù)變化趨勢及突變特征 由圖1得知，1960—2015年三峽庫區(qū)年尺度的SPI值呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率為0.049/10 a；SPI值上下震蕩劇烈，但總體表現(xiàn)為平緩下降趨勢，有逐漸干旱化的趨勢。從年尺度的SPI值來看，氣象干旱主要發(fā)生在1960—1967年、1975—1979年、1993—1997年、2000—2007年和2008—2014年，其中以2006年旱情最為嚴(yán)重(重旱)，SPI值達(dá)-1.624。1986—2015年，SPI值波動起伏明顯，說明極端洪澇和干旱事件發(fā)生頻繁且強度相對較大。M-K檢驗的UF曲線結(jié)果顯示，近56 a來三峽庫區(qū)的SPI指數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，在1964年超過了0.05檢驗線，其余年份均在0.05顯著性水平檢驗線以內(nèi)，UF，UB相交在1989年，說明1989年為突變年份。

圖1 1960-2015年三峽庫區(qū)SPI指數(shù)的年際變化及M-K突變檢驗

2.1.2 干旱強度和站次比的變化趨勢 由圖2可知，三峽庫區(qū)56 a來各季節(jié)站次比都呈現(xiàn)逐年上升趨勢，但上升趨勢較緩慢，整體變化較穩(wěn)定；干旱強度春、冬兩季呈現(xiàn)下降趨勢，夏、秋兩季呈現(xiàn)上升趨勢。值得注意的是，秋季干旱強度與干旱站次比增加較為明顯，皆為四季最高值。

圖2 1960-2015年三峽庫區(qū)各季節(jié)干旱站次比和干旱強度變化趨勢

春季，三峽庫區(qū)干旱站次比為0%～88.89%，最大值發(fā)生在1965年。干旱站次比總體呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，平均增長率為0.013/10 a，共有7 a全域無干旱事件發(fā)生；自1990年后干旱站次比在50%以上的區(qū)域性干旱事件頻繁發(fā)生，說明近30 a來春季干旱區(qū)域較大；干旱強度波動與站次比波動相似度較高，干旱強度變化趨勢率為0.025/10 a，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發(fā)生年份占14.29%，輕微干旱年份占44.64%，中度干旱年份占33.93%，重度干旱占7.13%。

夏季，三峽庫區(qū)干旱站次比發(fā)生范圍為0%～94.44%，最大值出現(xiàn)在2005年。干旱站次比趨向緩慢增長，平均增長率為0.004/10 a，在四季中平均增幅最小。共有9 a全域無干旱事件發(fā)生，1980—2007年全域無干旱事件發(fā)生較為集中，共發(fā)生8次；干旱站次比在50%以上的區(qū)域性干旱事件在56 a中分布較為均勻；干旱強度變化趨勢率為0.016/10 a，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。2006年干旱強度為歷年最大值。在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發(fā)生年份占16.07%，輕微干旱年份占46.43%，中度干旱年份占33.93%，重度干旱占3.57%。

秋季，三峽庫區(qū)干旱站次比發(fā)生范圍為0%～88.89%，最大值出現(xiàn)在1998年、2009年。干旱站次比呈現(xiàn)較明顯增長趨勢，平均增長率為0.05/10 a，在四季中平均增幅最大。1960—1989年全域無干旱事件發(fā)生較為集中，共發(fā)生10次；干旱站次比在50%以上的區(qū)域性干旱事件在1990年后頻繁發(fā)生；干旱強度變化趨勢率為0.084/10 a，呈現(xiàn)較為顯著上升趨勢，為四季中最高。干旱強度最大發(fā)生在1991年，在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發(fā)生年份占19.64%，輕微干旱年份占44.64%，中度干旱年份占35.72%，重度干旱占0%。

冬季，三峽庫區(qū)干旱站次比發(fā)生范圍為0%～88.89%，最大出現(xiàn)在1983年、1993年、2009年。干旱站次比趨向緩慢下降，平均下降率為0.024/10 a。共有1 a全域無干旱事件發(fā)生，為1992年；干旱站次比在50%以上的區(qū)域性干旱事件發(fā)生地區(qū)廣，發(fā)生年份均勻分布在56 a間，值得注意的是，2009—2013共五年連續(xù)發(fā)生區(qū)域性干旱事件；干旱強度變化趨勢率為0.022/10 a，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。干旱強度最大值發(fā)生在1961年；除1986—1994年波動較為明顯外，其余年份干旱強度均在平均值上下波動。在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發(fā)生年份占1.79%，輕微干旱年份占28.57%，中度干旱年份占60.71%，重度干旱占7.13%，干旱較其余三個季節(jié)更明顯。

2.2 三峽庫區(qū)氣象干旱空間演變特征

2.2.1 氣象干旱變化趨勢空間分布特征 采用M-K檢驗和克里金(Kriging)空間插值方法，對三峽庫區(qū)氣象干旱不同季節(jié)的趨勢變化及空間分布特征進行分析，見圖3。從圖3可知，春季SPI指數(shù)在三峽庫區(qū)東北部總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中奉節(jié)站周邊大部分地區(qū)表現(xiàn)為顯著下降趨勢；而西南部總體趨向不顯著上升；夏季SPI值在三峽庫區(qū)北部整體表現(xiàn)為不顯著上升趨勢，南部則呈不顯著下降趨勢；秋季SPI指數(shù)在整個區(qū)域均表現(xiàn)為下降趨勢，其中利川和奉節(jié)站、興山站附近地區(qū)呈現(xiàn)顯著下降趨勢，這說明秋季干旱化趨勢顯著；冬季SPI值在三峽庫區(qū)中部和西部大部分地區(qū)呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，但東北地區(qū)趨向不顯著上升，主要分布在巴東、興山、五峰和宜昌站附近。

圖3 1960-2015年三峽庫區(qū)不同季節(jié)氣象干旱變化趨勢M-K檢驗

2.2.2 氣象干旱頻率空間分布特征 由圖4可知，春、夏、秋呈現(xiàn)明顯相似性，都表現(xiàn)為興山、巴東站附近地區(qū)干旱頻率最小，但干旱頻率較高的空間分布有所不同。春季干旱頻率平均值為29.6%，從三峽庫區(qū)西南部向東北部逐漸減小，最高值在合川站，為35.7%；最低值在興山站，為3.6%；夏季干旱頻率平均值為29.9%，最高值位于三峽庫區(qū)西南部的合川站和中部的萬州站，干旱頻率均為37.5%，最低值位于興山站，為0%；秋季干旱頻率平均值為30.7%，最高值出現(xiàn)在利川站，干旱頻率41.1%；最低值出現(xiàn)在興山站，為10.7%；冬季干旱頻率空間分布與其它三個季節(jié)相反，干旱頻率高值區(qū)出現(xiàn)在三峽庫區(qū)東北部，最高發(fā)生在興山站，為56.4%；最低發(fā)生在長壽站，為28.6%。冬季干旱頻率平均值為33.6%，較春、夏、秋、年平均值都要高，說明三峽庫區(qū)冬季較其它季節(jié)旱情更為嚴(yán)重，且隨著春、夏、秋、冬四季的變化，干旱頻率逐漸增加。

圖4 1960-2015年三峽庫區(qū)不同季節(jié)的干旱頻率空間分布

2.3 干旱致災(zāi)因子危險性等級的空間分布

從圖5可以看出，三峽庫區(qū)干旱危險性整體表現(xiàn)為中等和較低級別，其中春、夏季危險性等級的空間分布較為均勻，總體分別處于中等和較低等級，秋、冬季總體均處于中等級別，但部分地區(qū)具有較高和高危險性等級，存在明顯的地區(qū)差異。春季三峽庫區(qū)干旱危險性全域處于較為均勻的中危險性等級，僅在萬州、利川站附近干旱具有較低危險性等級，地區(qū)差異化不明顯；夏季三峽庫區(qū)干旱危險性全域處于均勻的較低等級，在萬州、利川、沙坪壩站附近干旱危險性級別呈中危險性等級，地區(qū)差異性為四季中最??；秋季三峽庫區(qū)干旱危險性分布較春、夏季差異化明顯，但全域大部分仍表現(xiàn)為中危險性等級，在利川、沙坪壩、江津和綦江站干旱危險性等級較低，而興山、奉節(jié)、萬州和合川站附近干旱危險性等級相對較高，其中萬州站級別最高，呈高危險性等級，其余興山、奉節(jié)和合川站則呈較高危險性等級；冬季三峽庫區(qū)干旱危險性分布總體與秋季分布相似，即三峽庫區(qū)大部分地區(qū)表現(xiàn)為中危險性等級，興山、奉節(jié)和豐都站氣象干旱危險性級別較低；巴東、五峰、萬州、沙坪壩和綦江站表現(xiàn)為較高危險性等級，江津站表現(xiàn)為高危險性等級。

圖5 1960-2015年三峽庫區(qū)各季節(jié)氣象干旱致災(zāi)危險性等級的空間分布

3 結(jié) 論

基于1960—2015年三峽庫區(qū)及周邊地區(qū)18個控制氣象站的降水資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI對三峽庫區(qū)的氣象干旱演變特征及其致災(zāi)因子危險性進行分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) 近56 a來三峽庫區(qū)年尺度的SPI值呈平緩下降趨勢，20世紀(jì)80年代后極端旱澇事件頻發(fā)，突變年份為1989年；

(2) 三峽庫區(qū)季尺度干旱變化趨勢空間分布差異性較顯著，春季三峽庫區(qū)東北部呈下降趨勢，而西南部總體趨向不顯著上升，夏季則相反；秋季全域性下降趨勢較為明顯；冬季除東北部分地區(qū)外，均呈不顯著下降趨勢；

(3) 三峽庫區(qū)各季節(jié)干旱站次比逐年緩慢上升，且隨春、夏、秋和冬季逐漸增大，但整體變化較穩(wěn)定；干旱強度春、冬季下降，夏、秋季上升，秋季干旱強度與干旱站次比增加趨勢為四季最高，干旱強度按冬、春、夏和秋季順序逐漸減??；

(4) 三峽庫區(qū)干旱頻率空間分布特征在春、夏和秋季具有相似性，即表現(xiàn)為西南地區(qū)干旱頻率較大，東北地區(qū)干旱頻率較小，冬季則相反；干旱頻率大小隨春、夏、秋和冬季逐漸增大，冬季旱情最為嚴(yán)重；

(5) 三峽庫區(qū)季尺度干旱致災(zāi)危險性的空間分布整體表現(xiàn)為中、低危險性等級，春、夏季分布較為均勻，為中、低等級；秋、冬季在局部地區(qū)存在較高和高危險性等級，總體為中危險性等級。干旱致災(zāi)危險性按秋、冬、春和夏季順序遞減。