撫河流域干旱時(shí)空分布特征及其與ENSO的相關(guān)性

朱圣男, 劉衛(wèi)林, 萬一帆, 黃一鵬, 吳 濱, 劉麗娜, 楊船洋

(1.南昌工程學(xué)院 江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330099; 2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 南京 210098)

干旱是普遍發(fā)生的一種氣象災(zāi)害，是指因區(qū)域水分收支或供求不平衡而形成的水分短缺現(xiàn)象，是造成嚴(yán)重?fù)p失的氣象災(zāi)害之一[1]。IPCC報(bào)告[2]指出：未來隨著全球地表氣溫升高明顯，而導(dǎo)致進(jìn)一步變暖，使旱災(zāi)等極端氣候事件呈增加趨勢(shì)。作為江西省商品糧基地之一的贛撫平原，干旱減小其糧食產(chǎn)量將直接影響全省的糧食安全問題。鄱陽湖流域干旱事件發(fā)生頻率不斷增加，1992—1993年、1996—1997年經(jīng)歷了罕見的干旱。隨著全球氣候變化，極端天氣事件更是頻繁發(fā)生，流域的干旱程度不斷加劇，嚴(yán)重地影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活及生態(tài)安全。因此研究1960—2005年河流域干旱變化的規(guī)律，為流域干旱預(yù)警、江西省糧食安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供指導(dǎo)。目前廣泛使用的干旱指數(shù)有帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、Z指數(shù)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)等[3]。本文使用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standard Precipitation Index，SPI)計(jì)算撫河流域干旱情況，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)由McKEE等在評(píng)估美國科羅拉多干旱狀況時(shí)提出的，它是表征某時(shí)段降雨量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)之一[4]。該指數(shù)具有不同時(shí)間尺度、計(jì)算簡便快捷[5]，適用于旱澇監(jiān)測(cè)評(píng)估，能夠較為準(zhǔn)確地反映干旱趨勢(shì)[6]。洪興駿等[7]以SPI指數(shù)為工具，驗(yàn)證了SPI指數(shù)在鄱陽湖流域干旱評(píng)估的適用性；趙茹欣等[8]基于SPI指數(shù)對(duì)黑龍江省1959—2014年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱分析，研究表明SPI指數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際干旱事件有一定的吻合性。

已有學(xué)者意識(shí)到全球海洋溫度的變化或者大尺度氣候因子[如受厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(El Nino-Southern Oscillation，ENSO)、北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation，NAO)、太平洋濤動(dòng)(Pacific Decadal Oscillation，PDO)等]在年際尺度上對(duì)干旱形成的作用可能有重要影響[9-10]。厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(ENSO)是海洋和大氣相互作用后失去平衡而產(chǎn)生的一種氣候現(xiàn)象，往往會(huì)改變大氣環(huán)流，導(dǎo)致全球氣候發(fā)生異常，這是全球氣候變化的強(qiáng)烈信號(hào)[11]。但鮮有學(xué)者將SPI指數(shù)與厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(ENSO)相結(jié)合應(yīng)用在鄱陽湖流域，也缺乏對(duì)大尺度氣候因子與鄱陽湖流域干濕關(guān)系的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。本文將SPI指數(shù)應(yīng)用在撫河流域，探討撫河流域氣象干旱與ENSO的相關(guān)關(guān)系，以期更好地服務(wù)于江西省的干旱監(jiān)測(cè)、水資源管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 研究區(qū)概況

撫河流域位于江西省東部，地處115°36′—117°10′E，26°30′—28°50′N，是鄱陽湖流域第二大河流，流域面積16 493 km2。主河源出于贛、閩邊界武夷山西麓廣昌縣，撫河上游段為盱江，主要包括南豐、廣昌等地區(qū)；南城至廖家灣為中游；撫河下游在撫州市以下河段。流域內(nèi)地形東南高，西北低。研究區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，氣候溫和、雨量充沛，多年平均年降水量1 732 mm，降水時(shí)空分配不均，東南部降水量多于西北部，多年平均氣溫17.8℃，多年平均年水面蒸發(fā)量894 mm[12]。撫河流域沿線分布著重要的城鎮(zhèn)，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境用水量較大。廖坊灌區(qū)、金臨渠灌區(qū)和贛撫平原灌區(qū)等這些灌區(qū)涉及的農(nóng)田多，缺水造成的影響大。撫河流域已多次發(fā)生干旱缺水問題，流域水量供需矛盾突出，旱災(zāi)導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)，已成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要影響因素。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選用撫河流域9個(gè)雨量站點(diǎn)(圖1)1960—2005年月平均降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http：∥cdc.cma.gov.cn/home.do)和江西省氣象局。本文分別以月、季、6個(gè)月和年為時(shí)間尺度計(jì)算SPI，季節(jié)的定義為：3—5月(春季)，6—8月(夏季)，9—11月(秋季)和12—次年2月(冬季)[13]。同時(shí)選用了熱帶太平洋表面溫度距平(SSTA)作為表征厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(ENSO)的指標(biāo)，該數(shù)據(jù)來自美國地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室(NOAA-ESRL)提供的Nio 3.4區(qū)的1960—2005年逐月SSTA值[14]。

2.2 研究方法

2.2.1 SPI計(jì)算 通常認(rèn)為在一段時(shí)間內(nèi)某一區(qū)域降水量若比多年平均值較少，或低于一定程度，則可認(rèn)為在這段時(shí)間該地出現(xiàn)了干旱事件。不同時(shí)間和地點(diǎn)降水量變化量很大，其分布是偏態(tài)分布，不可以直接用降水量計(jì)算。所以，SPI的原理是利用Γ分布概率描述降水量的變化情況，再通過查閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的變量值，即求得SPI值[15]，根據(jù)干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，將干旱等級(jí)劃分為5類。見表1。

圖1 撫河流域氣象站點(diǎn)分布

2.2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)是一種被國際氣象組織(WMO)推薦用來進(jìn)行時(shí)間序列分析的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，在水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)中有很大的適用性，具有計(jì)算方便的特點(diǎn)，推理過程可參考相關(guān)文獻(xiàn)[17]。

2.2.3 干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算 文中利用干旱頻率來分析撫河流域干旱特征,干旱頻率(Pi)是指某站點(diǎn)在時(shí)間序列內(nèi)的發(fā)生干旱頻率的程度，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：N為某站點(diǎn)有氣象數(shù)據(jù)資料的年數(shù)；n為該站點(diǎn)發(fā)生干旱的總年數(shù)。

表1 干旱等級(jí)劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 撫河流域多尺度干旱特征

從圖2可以看出，不同時(shí)間尺度的SPI1，SPI3，SPI6和SPI12值隨時(shí)間變化的波動(dòng)存在著明顯的差異變化，時(shí)間尺度越小，突變?cè)斤@著，SPI值也會(huì)發(fā)生較大的變化。1960—2005年，SPI值在1個(gè)月時(shí)間尺度在1960年、1973年、1999年和2001年發(fā)生了重度干旱，其他時(shí)間流域內(nèi)旱澇事件交替發(fā)生。SPI值在3個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月時(shí)間尺度下，旱情變化不明顯，SPI3在1963年、1971年發(fā)生大旱，其他時(shí)間干旱時(shí)有發(fā)生，主要以輕旱為主，進(jìn)入21世紀(jì)以后，由SPI變化曲線可以看出在不同時(shí)間尺度都呈現(xiàn)干濕交替變化。

圖2 撫河流域1960-2005年不同時(shí)間尺度SPI分布

3.2 撫河流域干旱空間變化特征

為了進(jìn)一步分析撫河流域干旱變化趨勢(shì)的空間特征，運(yùn)用了M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)1960—2005年撫河流域各氣象站季節(jié)尺度和年尺度SPI的變化趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，分析并繪制了Z值空間分布圖(圖3)?？梢缘玫剑核募靖珊第厔?shì)存在較大差異，春季大致呈現(xiàn)出南升北降的規(guī)律，南部地區(qū)呈濕潤化趨勢(shì)，北部呈干旱化態(tài)勢(shì)，其中金溪、南城干旱化明顯，夏季撫河流域呈微弱濕潤化趨勢(shì)，僅金溪、宜黃Z值略微下降。秋季的變化趨勢(shì)與春季整體相同，整體呈濕潤化態(tài)勢(shì)冬季南豐、南城濕潤化趨勢(shì)顯著(p<0.05),崇仁和廣昌有變干趨勢(shì)，其他地區(qū)干濕交替，整體變化不大，年尺度上，僅有東鄉(xiāng)呈顯著性濕潤(p<0.05)，其他地區(qū)則輕微濕潤。

注：Z值越大，灰色圓圈越大，形狀大小表示通過了不同的顯著性檢驗(yàn)。

3.3 撫河流域干旱空間分布特征

3.3.1 干旱頻率分布 季尺度上，春旱主要分布在撫河流域西北和東南地區(qū)(圖4A)，干旱頻率最大值出現(xiàn)在崇仁，達(dá)30.4%以上。夏季干旱發(fā)生頻率更高，各地區(qū)之間相差較大(圖4B)，干旱頻率發(fā)生最大值為南豐與黎川，分別為37.0%，34.8%，金溪、南城和廣昌發(fā)生頻率最低，均為26.09%，其他地區(qū)為28.26%～30.43%。秋季干旱主要發(fā)生在撫河流域東北部(圖4C)，生頻率最大為撫州和金溪，均為32.61%。冬旱(圖4D)發(fā)生頻率約為30.67%，發(fā)生頻率最大和最小，東鄉(xiāng)和南豐，分別為32.61%，28.26%。

從圖4E可以看出，年尺度干旱(SPI12)發(fā)生頻率為29.95%，地區(qū)的差異較小，發(fā)生頻率最小的為宜黃，頻率為28.44%，最大為南豐、南城和崇仁，發(fā)生頻率為30.61%，上述地區(qū)以外基本都在30%；月尺度干旱發(fā)生頻率最大的為廣昌，頻率為34.79%，東鄉(xiāng)為所有地區(qū)頻率最小，為21.74%，其他地區(qū)為23.91%～32.61%(圖4F)。

3.3.2 撫河流域中旱及以上干旱頻率分布 春季中旱及其以上干旱發(fā)生頻率最低的為撫州，僅6.52%，發(fā)生頻率最高的為宜黃，達(dá)13.04%,其他地區(qū)干旱頻率穩(wěn)定在8.70%～10.87%，各地區(qū)差異顯著(圖4G)。夏季中旱以及以上干旱各地區(qū)差異相比春季小，發(fā)生頻率最大的地區(qū)為南豐，達(dá)17.39%，夏季平均發(fā)生頻率為13.53%,金溪、崇仁和東鄉(xiāng)發(fā)生頻率最小，為10.87%，主要集中在撫河流域東北部(圖4H)。秋季中度及以上干旱發(fā)生頻率最高的為宜黃，達(dá)19.57%，最低為南豐，發(fā)生頻率僅為8.70%。其他地區(qū)發(fā)生頻率為10.87%～15.22%(圖4I)。冬季中旱以上發(fā)生頻率最高的地區(qū)為南豐和黎川，為13.04%，最低為金溪和廣昌，為6.52%。地區(qū)差異明顯(圖4J)。

年尺度上，中度及以上干旱發(fā)生頻率最高值為15.22%，發(fā)生在南豐，最小發(fā)生在宜黃，發(fā)生頻率為6.52%，其他地區(qū)穩(wěn)定在8.70%～13.04%，地區(qū)差異明顯(圖4K)；月尺度上，發(fā)生中度及以上干頻率最大和最小的地區(qū)為宜黃和南豐，分別為19.60%，8.60%，月尺度下的平均發(fā)生頻率為11.92%，地區(qū)差異較大(圖4L)。

3.4 ENSO對(duì)撫河流域干旱的影響

北太平洋海溫和大氣環(huán)流變化異常對(duì)氣候有著重要的作用，趙永平等[18]發(fā)現(xiàn)ENSO通過影響東亞季風(fēng)環(huán)流和太平洋副熱帶高壓，對(duì)東亞和中國從沿海到內(nèi)陸地區(qū)都產(chǎn)生了影響。許多研究表明海表溫度指數(shù)和干濕變化關(guān)系最大，因此分析SSTA和SPI的相關(guān)性、ENSO事件和對(duì)撫河流域干旱的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 撫河流域1960-2005年各站點(diǎn)干旱(左)和中度及以上干旱(右)發(fā)生頻率

3.4.1 SSTA與SPI值的相關(guān)性分析 通過選用相同時(shí)間尺度的SSTA指數(shù)和撫河流域各站點(diǎn)四季SPI值進(jìn)行皮爾森相關(guān)系數(shù)分析，由圖5可以看出，撫河流域春季SPI與SSTA指數(shù)之間均呈正相關(guān)關(guān)系(圖5A)，其中東鄉(xiāng)、廣昌正相關(guān)關(guān)系顯著(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.303，0.361，除上述地區(qū)外，研究區(qū)內(nèi)其他站點(diǎn)均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，流域內(nèi)東南部的春季SPI與SSTA指數(shù)之間相關(guān)性顯著。撫河流域夏季SPI與SSTA指數(shù)除南豐和廣昌呈正相關(guān)外，其他地區(qū)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且整體相關(guān)性小，所有站點(diǎn)均為通過顯著性水平檢驗(yàn)(圖5B)。秋季(圖5C)以東鄉(xiāng)—撫州—宜黃—廣昌為分界線，分成東西兩部分，分界線以東相關(guān)性均大于以西地區(qū)，所有地區(qū)均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性水平不高，均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)最高的兩個(gè)地區(qū)為金溪、黎川，分別為0.249，0.231。冬季SPI與SSTA指數(shù)之間整體呈正相關(guān)(圖5D)，顯著性水平整體較低，最高地區(qū)為宜黃，相關(guān)系數(shù)為0.135。同夏、秋季一樣，冬季所有地區(qū)也均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，四季平均相關(guān)系數(shù)為0.259，-0.066，0.186，0.095，總體而言，撫河流域春季SPI與SSTA指數(shù)相關(guān)性最為顯著，秋季次之，夏季的相關(guān)性最弱。

圖5 SSTA值與四季SPI的相關(guān)性分析

3.4.2 ENSO冷暖事件 由于ENSO事件通對(duì)中國境內(nèi)的氣候產(chǎn)生不同程度的影響，因此，對(duì)1960—2005年ENSO暖冷事件對(duì)撫河流域月尺度SPI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[19](表2)，ENSO冷暖事件對(duì)應(yīng)月份來源于NOAA-ESRL提供的相關(guān)資料,SPI值為歷年月份的每月均值。研究表明：在ENSO暖、冷事件發(fā)生時(shí)，對(duì)應(yīng)SPI的月均值為0.177，-0.161；冷暖事件發(fā)生時(shí)，SPI月均值為-0.008，ENSO非冷暖事件時(shí)，SPI月均值為0.080。由于SPI數(shù)值越大，越“濕潤”，反之“干旱”[20]。ENSO冷暖事件時(shí)，SPI月均值小于非ENSO冷暖事件時(shí)的SPI月均值，說明ENSO冷暖事件變化對(duì)撫河流域干旱有一定影響。

表2 1960-2005年ENSO冷暖事件及對(duì)應(yīng)撫河流域標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)

3.4.3 ENSO事件強(qiáng)度與SPI影響因子關(guān)系分析 李小燕等將ENSO暖冷事件強(qiáng)度的等級(jí)主要?jiǎng)澐譃闃O強(qiáng)和強(qiáng)、中等、弱和極弱3個(gè)等級(jí),其中未受ENSO事件影響年份的強(qiáng)度用0表示[21]，ENSO暖冷事件強(qiáng)度分別用3，2，1和-3，-2，-1表示[22]。據(jù)此對(duì)1960—2005年來ENSO發(fā)生強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將撫河流域1960—2005年降水量距平和ENSO發(fā)生強(qiáng)度進(jìn)行6次多項(xiàng)式擬合，得到了兩者的變化趨勢(shì)[23](圖7)，從圖中可以看出，ENSO事件對(duì)撫河流域降水的影響較大，在1960—2005年期間，隨著ENSO事件強(qiáng)度的變化，降水量也隨之變化，大體有相同的趨勢(shì)變化。ENSO暖事件年份發(fā)生干旱的可能性大于冷事件年份。

3.4.4 ENSO事件強(qiáng)度與撫河流域SPI的關(guān)系分析 由圖7B可得，整個(gè)研究時(shí)期內(nèi)撫河流域年SPI值得線性變化趨勢(shì)不明顯，從SPI值5項(xiàng)多項(xiàng)式擬合看出，在1960—1980年，撫河流域發(fā)生了4次中旱與輕旱，干旱事件發(fā)生頻率較大，在20世紀(jì)80年代以后，發(fā)生了2次中旱與輕旱，頻率較之前減小。總體來說，1960—2005年撫河流域SPI數(shù)值加大，干旱災(zāi)害發(fā)生的頻率逐漸降低。

結(jié)合表2和圖7B，撫河流域年SPI值和ENSO事件強(qiáng)度的相關(guān)分析得出，兩者之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.083，α=0.05)。在發(fā)生ENSO暖事件時(shí)，SPI值相對(duì)較大，而在ENSO冷事件時(shí)，SPI值相對(duì)較小，在1960—2005年里，撫河流域的干旱事件主要發(fā)生在ENSO事件年的當(dāng)年、上(下)一年，在發(fā)生的6個(gè)輕旱以上事件年份里均發(fā)生了ENSO暖事件，可見ENSO事件對(duì)流域干旱災(zāi)害影響顯著，即ENSO暖事件強(qiáng)度越大，越有可能發(fā)生嚴(yán)重的干旱事件。

圖7 撫河流域SPI影響因子與ENSO事件發(fā)生強(qiáng)度多項(xiàng)式擬合關(guān)系、SPI與ENSO事件發(fā)生強(qiáng)度多項(xiàng)式擬合關(guān)系

3.5 ENSO事件對(duì)干旱的滯后性

相關(guān)文獻(xiàn)表明赤道東太平洋海溫異常與流域的降水異常并非同步，二者需要一定的時(shí)間相互作用和影響[24]。即ENSO事件對(duì)于降水的影響存在一定的滯后性[25]。由于ENSO事件影響流域的干旱是一個(gè)持續(xù)性的過程，需要一定的滯后時(shí)間。表3分El Nio和La Nia兩類異常事件與之同期SSTA以及滯后1～6個(gè)月的干旱情況進(jìn)行相關(guān)分析，探討ENSO事件對(duì)撫河流域干旱的滯后性影響。

表3 ENSO事件與撫河流域同期及滯后1～6個(gè)月干旱相關(guān)分析

4 結(jié) 論

(1) 1960—2005年以來撫河流域春季呈干旱化趨勢(shì)、夏季次之，冬季有變濕趨勢(shì)。從年代際變化來看，20世紀(jì)60—70年代干旱持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大，90年代以后干旱次數(shù)程度和次數(shù)有增加的趨勢(shì)。

(2) 在空間變化上，季節(jié)干旱趨勢(shì)差異更加明顯，春季大致呈現(xiàn)出南升北降的規(guī)律，南部呈濕潤化態(tài)勢(shì)，北部呈干旱化態(tài)勢(shì)，夏季撫河流域呈微弱濕潤化趨勢(shì)，秋季的變化趨勢(shì)與春季整體相同，整體呈濕潤化態(tài)勢(shì)，冬季南豐、南城濕潤化趨勢(shì)顯著,崇仁和廣昌有變干趨勢(shì)。

(3) 各季節(jié)干旱高頻分別集中在：春季在崇仁，夏季在南豐、黎川，秋季在撫州、金溪，冬季在東鄉(xiāng)，主要都集中在流域東北部地區(qū)，年尺度干旱平均發(fā)生頻率為29.95%，最大為南豐、南城和崇仁；中旱及以上主要分布在：春季在宜黃，夏季在南豐、黎川，秋季在宜黃，冬季在南豐、黎川，中旱及以上主要發(fā)生在宜黃、南豐等地，年尺度上，中度及以上干旱發(fā)生頻率最高值為15.22%，主要發(fā)生在南豐。

(4) 撫河流域春季SPI與SSTA指數(shù)的相關(guān)性最為顯著，秋季次之，夏季的相關(guān)型最弱。ENSO事件發(fā)生強(qiáng)度與撫河流域SPI影響因子的多項(xiàng)式擬合關(guān)系表明，ENSO事件暖事件年份對(duì)研究區(qū)降水下降非常明顯，其發(fā)生干旱的可能性大于冷事件年份，ENSO事件對(duì)流域干旱災(zāi)害影響顯著，即ENSO暖事件強(qiáng)度越大，越有可能發(fā)生嚴(yán)重的干旱事件。

(5) ENSO 事件影響撫河流域的干旱是一個(gè)過程，需要一定響應(yīng)時(shí)間，干旱對(duì)El Nio事件的響應(yīng)在滯后1～2個(gè)月的響應(yīng)最為顯著，而干旱對(duì)La Nia事件的響應(yīng)在滯后3～4個(gè)月才有顯著的響應(yīng)。

(6) 文中使用了SPI指數(shù)描述流域干旱現(xiàn)象有一定的局限性，可以結(jié)合相應(yīng)的溫度資料利用SPEI指數(shù)研究撫河流域干旱情況，ENSO現(xiàn)象對(duì)撫河流域干旱的影響不容忽視，應(yīng)對(duì)ENSO事件對(duì)于預(yù)防干旱災(zāi)害大面積發(fā)生對(duì)于流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響和SSTA指數(shù)及其他ENSO大尺度氣候因子的相關(guān)系數(shù)的具體差異性有待于進(jìn)一步研究。