人民勝利渠灌區(qū)氣象因素及干旱特征演變分析

張彥 李平 鄒磊 梁志杰 竇明 高蕓 齊學(xué)斌

摘 要：近年來灌區(qū)水資源短缺現(xiàn)象頻發(fā)，為定量分析人民勝利渠灌區(qū)氣候變化特征，利用數(shù)理統(tǒng)計、Mann-Kendall趨勢檢驗法、氣候傾向率和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）等方法，分析了1951—2017年灌區(qū)氣象因素及干旱特征年、季的演變規(guī)律。結(jié)果表明：灌區(qū)年平均相對濕度、降水量和水面蒸發(fā)量均呈現(xiàn)下降趨勢，年最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫均呈現(xiàn)升高趨勢，且在不同年份發(fā)生明顯突變;冬季平均相對濕度氣候傾向率最大為-1.14%/（10 a），最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫的氣候傾向率均在春季最大（分別為0.52、0.18、0.40 ℃/（10 a）），年降水量的氣候傾向率最大（-12.49 mm/（10 a）），夏季蒸發(fā)量的氣候傾向率最大（-6.91 mm/（10 a））;灌區(qū)多年平均干旱發(fā)生頻率為33.43%，約每3 a就會發(fā)生一次干旱，春季、夏季和秋季干旱發(fā)生頻率分別為56.72%、56.72%和26.87%，而冬季無干旱情況發(fā)生。

關(guān)鍵詞：氣象因素;標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù);干旱特征;演變規(guī)律;人民勝利渠灌區(qū)

中圖分類號：P338+.6;TV213.4 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.011

引用格式：張彥，李平，鄒磊，等.人民勝利渠灌區(qū)氣象因素及干旱特征演變分析[J].人民黃河，2021，43（8）：58-64.

Abstract： In recent years， the shortage of water resources in irrigation area has occurred frequently. In order to quantitatively analyze the climate change characteristics of the Peoples Victory Canal irrigation area， the evolution rules of meteorological factors and drought characteristics of the irrigation area from 1951 to 2017 were analyzed by the mathematical statistics， Mann-Kendall trend test method， climate tendency rate and standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI）. The results show that the annual average relative humidity， precipitation and evaporation of the irrigation area present the decreasing trends， and the annual minimum temperature， maximum temperature and average temperature present the increasing trends， which are obvious mutations in different years. The climate tendency rate of average relative humidity in winter is the highest， which is -1.14%/（10 a）; the climate tendency rates of minimum temperature， maximum temperature and average temperature are the highest in spring， which are 0.52， 0.18 and 0.40 ℃/（10 a） respectively; the climate tendency rate of annual precipitation is the highest， which is -12.49 mm/（10 a）; the maximum climatic tendency rate of summer evaporation is -6.91 mm/（10 a）. The frequency of annual average drought is 33.43% in the Peoples Victory Canal irrigation area， which occurs once every three years; the drought frequencies are 56.72%， 56.72% and 26.87% in spring， summer and autumn， respectively， but there is no drought in winter.

Key words： meteorological factors; standardized precipitation evapotranspiration index; drought characteristics; evolution rule; Peoples Victory Canal irrigation area

隨著全球氣候變化和人類活動的影響，灌區(qū)水資源情勢發(fā)生了較大變化，水資源短缺制約了灌區(qū)農(nóng)業(yè)高效綠色可持續(xù)發(fā)展[1-3]。灌區(qū)氣象條件是影響灌區(qū)水資源狀況的主要因素，降水減少、氣溫上升導(dǎo)致灌區(qū)水資源量減少，直接影響灌區(qū)糧食作物和經(jīng)濟作物的生長，因此開展灌區(qū)氣象因素及干旱特征分析有利于掌握灌區(qū)水資源動態(tài)變化特征，可為灌區(qū)水資源高效利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動提供相應(yīng)的決策依據(jù)。

關(guān)于氣象因素變化和干旱特征的研究較多，如王冰等[4]利用綜合氣象干旱指數(shù)和M-K檢驗分析了河南省引黃灌區(qū)不同時段降水量的變化趨勢及干旱時空變化特征，劉曉璐等[5]、唐僥等[6]分別利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)和植被指數(shù)探討了河南省氣象干旱特征及農(nóng)業(yè)干旱的相關(guān)性，張阿龍等[7]探討了1963—2017年不同高原內(nèi)陸河流域氣溫、降水、徑流突變與生態(tài)演變規(guī)律，韓蘭英等[8]構(gòu)建了災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)-綜合損失率評估模型并分析了甘肅省干旱和低溫災(zāi)害的時空變化特征。為了更加準(zhǔn)確高效地分析區(qū)域干旱特征，Vicente-Serrano等[9]提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI），它既結(jié)合了帕默爾干旱指數(shù)對蒸散的響應(yīng)，又結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)空間一致性、多時間尺度的優(yōu)點;鄒磊等[10]、張樂園等[11]和王衛(wèi)光等[12]分別利用SPEI分析了渭河流域、中亞地區(qū)和海河流域的干旱分布特征及變化規(guī)律;曹闖等[13]構(gòu)建了聯(lián)合干旱指數(shù)并分析了黃河流域干旱時空演變特性及歷時—烈度聯(lián)合特征分布規(guī)律。本文基于1951—2017年人民勝利渠灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計、Mann-Kendall趨勢檢驗法、氣候傾向率和SPEI等方法，揭示了該灌區(qū)氣象因素及其干旱的年、季演變規(guī)律，定量分析年、季干旱發(fā)生頻率，以期為該灌區(qū)水資源高效利用、干旱風(fēng)險評估和災(zāi)害防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

人民勝利渠灌區(qū)位于河南省黃河北岸，為典型的井渠結(jié)合引黃灌區(qū)，包括新鄉(xiāng)市、安陽市、焦作市的8個縣（市、區(qū)），總面積為1 486.84 km2[14]。灌區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水量年內(nèi)分布不均，年際變化較大，多年平均降水量為578 mm、水面蒸發(fā)量為1 048 mm[15]。

本研究所用數(shù)據(jù)主要為人民勝利渠灌區(qū)及附近氣象站（封丘、朱付村、官山、輝縣、汲縣、獲嘉、合河、大賓、大車集、新鄉(xiāng)）的1951—2017年逐月相對濕度、氣溫、降水量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，主要來源于河南省人民勝利渠管理局和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。

1.2 研究方法

（1）Mann-Kendall趨勢檢驗（M-K檢驗）法。M-K檢驗法是一種基于秩的非參數(shù)檢驗方法，能夠檢驗線性或非線性的趨勢，在氣象因素趨勢分析中得到了廣泛應(yīng)用[16]。標(biāo)準(zhǔn)化檢驗統(tǒng)計值ZMK表示時間序列數(shù)據(jù)變化趨勢，ZMK>0表示時間序列數(shù)據(jù)隨時間的推移呈增大趨勢，ZMK<0表示時間序列數(shù)據(jù)隨時間的推移呈減小趨勢。當(dāng)|ZMK|>Z1-α/2時，拒絕零假設(shè)，認(rèn)為時間序列數(shù)據(jù)具有顯著趨勢性。Z1-α/2值由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表查得，當(dāng)取顯著性水平α=5%時，其對應(yīng)的Z1-α/2值為1.96[17]。

（2）氣候傾向率。氣候傾向率被廣泛用于水文氣象要素變化趨勢分析中，以氣象因素的時間序列t為自變量、氣象要素趨勢估計量y為因變量，構(gòu)建線性回歸方程y=at+b，定義a×10為氣候傾向率，a的正負(fù)決定氣候要素增加或減少的變化趨勢，同時利用5 a滑動平均分析法處理氣象因素，描述氣象因素的長期變化趨勢[18]。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)法。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）是在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）的基礎(chǔ)上，考慮季節(jié)和蒸散發(fā)作用而提出的氣象干旱指標(biāo)。該方法將降水量與潛在蒸散發(fā)量的差值作為水分盈虧代替SPI計算中的降水量，并考慮地表蒸散對干旱的影響，進而對全球氣溫上升導(dǎo)致的干旱化反應(yīng)更加敏感，其計算步驟參照文獻[9，11]。本文選擇同時考慮降水量和平均氣溫的SPEI作為指標(biāo)，分別以3個月和12個月為時間尺度，通過計算人民勝利渠灌區(qū)不同時間尺度的SPEI序列，研究其干旱特征演變規(guī)律。SPEI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1[19-20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因素年、季統(tǒng)計特征值

人民勝利渠灌區(qū)氣象因素年、季統(tǒng)計特征值見表2，由表2可知：夏季的相對濕度、最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、降水量和水面蒸發(fā)量均最大;春季的相對濕度最小，其他氣象因素冬季的最小。雖然人民勝利渠灌區(qū)年、季最高氣溫和最低氣溫的差別較大，但其最高氣溫與最低氣溫的差值相差不大，均為10 ℃左右;年平均水面蒸發(fā)量與年平均降水量的差值最大（470 mm），其次為春季差值（234.6 mm），夏季、秋季和冬季的差值相對較小。

2.2 相對濕度變化趨勢分析

人民勝利渠灌區(qū)年平均相對濕度變化趨勢及其統(tǒng)計結(jié)果分別見圖1和表3?？芍?，年、夏季和秋季平均相對濕度呈明顯的減小趨勢，而春季和冬季的減小趨勢不明顯;年、春季和秋季的平均相對濕度在1964年最大（分別為76.60%、77.36%和82.91%），最小值分別出現(xiàn)在2008年、2016年和1956年（分別為58.88%、58.88%和60.20%）;夏季平均相對濕度1973年最大（79.48%），2009年最?。?2.28%）;冬季平均相對濕度1951年最大（75.78%），1999年最?。?7.97%）。

1951—2000年的年平均相對濕度的距平值大部分為正值，其最大值出現(xiàn)在1964年，而2001年之后年平均相對濕度距平值全部為負(fù)值。從5 a滑動平均曲線分析，年平均相對濕度總體呈波動下降趨勢，1992年之前有短暫的明顯上下波動，1993年之后下降趨勢更為顯著。

M-K趨勢突變分析表明，灌區(qū)年、春季、夏季、秋季和冬季平均相對濕度分別在2007年、2012年、2014年、2005年和2005年出現(xiàn)明顯突變，春季和夏季突變前后差值（分別為8.81%和7.32%）均大于年突變前后差值，秋季和冬季突變前后差值（分別為4.84%和5.21%）均小于年突變前后差值。年、春季和冬季平均相對濕度的氣候傾向率較大，分別為-0.86%/（10 a）、-1.11%/（10 a）、-1.14%/（10 a）;夏季和秋季平均相對濕度的氣候傾向率相對較小，分別為-0.50%/（10 a）、-0.65%/（10 a）。

2.3 氣溫變化趨勢分析

根據(jù)人民勝利渠灌區(qū)氣溫變化趨勢（見圖2～圖4）及其統(tǒng)計結(jié)果（見表3）可知，年、季最低氣溫和平均氣溫呈明顯的上升趨勢，而最高氣溫的上升趨勢不明顯。年平均最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫的最大值分別出現(xiàn)在2016年、2017年和2017年，分別為11.71、21.53、16.18 ℃;年平均最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫的最小值分別出現(xiàn)在1969年、1964年和1951年，分別為8.24、18.43、13.27 ℃。1951—1996年的年平均最低氣溫的距平值大部分為負(fù)值，其最低值出現(xiàn)在1964年，而1997年之后年平均最低氣溫距平值全部為正值。從5 a滑動平均曲線可知，年平均最低氣溫總體呈波動上升趨勢，且在1993年以后上升趨勢更為顯著。1951—2017年的年平均最高氣溫距平值及5 a滑動平均曲線呈波動狀態(tài)，但波動不明顯。1951—1993年的年平均氣溫距平值大部分為負(fù)值，1994年之后的年平均氣溫距平值大部分為正值。從5 a滑動平均曲線可知，年平均氣溫總體呈波動上升趨勢，且在1994年以后上升趨勢更為顯著。

M-K趨勢突變分析表明，年、春季、夏季、秋季和冬季平均最低氣溫分別在2000年、2000年、2006年、2001年和1990年出現(xiàn)明顯突變，春季突變前后差值為2.34 ℃，大于年突變前后差值（1.69 ℃）;夏季、秋季和冬季突變前后差值分別為1.33、1.56、1.59 ℃，均小于年突變前后差值;年、春季、夏季、秋季和冬季平均最低氣溫的氣候傾向率相對較大，分別為0.37、0.52、0.21、0.36、0.43 ℃/（10 a）。年、春季、秋季和冬季平均最高氣溫分別在2014年、2012年、2000年和1992年出現(xiàn)明顯突變，夏季未出現(xiàn)明顯突變年份;春季突變前后差值為1.52 ℃，大于年突變前后差值（1.01 ℃）;秋季和冬季突變前后差值分別為0.40、0.71 ℃，均小于年突變前后差值;年、春季、夏季、秋季和冬季平均最高氣溫的氣候傾向率均較小，分別為0.09、0.18、-0.01、0.04、0.17 ℃/（10 a）。年、春季、夏季、秋季和冬季平均氣溫分別在1998年、1998年、2010年、2005年和1991年出現(xiàn)明顯突變，春季和冬季突變前后差值分別為1.76、1.32 ℃，均大于年突變前后差值（1.11 ℃）;夏季和秋季突變前后差值分別為1.09、1.03 ℃，均小于年突變前后差值;年、春季、秋季和冬季平均氣溫的氣候傾向率相對較大，分別為0.26、0.40、0.21、0.33 ℃/（10 a）;夏季平均氣溫的氣候傾向率較小，為0.12 ℃/（10 a）。

2.4 降水量變化趨勢分析

由人民勝利渠灌區(qū)年降水量變化趨勢（見圖5）及其統(tǒng)計結(jié)果（見表3）可知，年、季降水量總體上呈不顯著的下降趨勢。年降水量最大值和最小值分別出現(xiàn)在1963年和1997年，分別為1 168.4、241.8 mm，可見灌區(qū)年際降水量波動較大。春季、夏季、秋季和冬季降水量最大值分別出現(xiàn)在1998年、1963年、2011年和1990年，分別為214.3、902.2、312.4、58.0 mm;降水量最小值出現(xiàn)在2001年、1997年、1998年和1995年，分別為9.3、80.7、3.9、0 mm;整體上降水量大小排序為夏季>秋季>春季>冬季。1951—2017年的年降水量距平值及5 a滑動平均曲線呈小幅波動狀態(tài)，有33 a的年降水量距平值為負(fù)，有34 a的年降水量距平值為正。M-K趨勢突變分析表明，年、春季、夏季和秋季降水量分別在1971年、1987年、1965年和1973年出現(xiàn)明顯突變，冬季未出現(xiàn)明顯突變年份，春季和秋季突變前后差值分別為-8.2、15.7 mm，均小于年突變前后差值（73.3 mm）;夏季突變前后差值為90.8 mm，大于年突變前后差值。年和夏季降水量的氣候傾向率較大，分別為-12.49、-9.71 mm/（10 a）;春季和秋季降水量的氣候傾向率較小，分別為-0.21、-0.63 mm/（10 a）。

2.5 水面蒸發(fā)量變化趨勢分析

由人民勝利渠灌區(qū)年水面蒸發(fā)量變化趨勢（見圖6）及其統(tǒng)計結(jié)果（見表3）可知，年、季水面蒸發(fā)量總體上呈小幅下降趨勢。年、春季、夏季、秋季和冬季水面蒸發(fā)量最大值分別出現(xiàn)在1966年、1968年、1955年、1957年和1999年，分別為1 190.2、386.6、419.2、501.0、144.2 mm;水面蒸發(fā)量最小值出現(xiàn)在1964年、1973年、1973年、1973年和1990年，分別為919.9、199.4、271.4、65.4、73.9 mm;整體上水面蒸發(fā)量大小排序為夏季>春季>秋季>冬季。1951—2017年的年水面蒸發(fā)量距平值有34 a為負(fù)，有33 a為正。由5 a滑動平均曲線可知，年水面蒸發(fā)量有3次較大的波動，總體上呈現(xiàn)“增大—減小—增大”的趨勢，在1969年和2001年達到波峰，1991年達到波谷。M-K趨勢突變分析表明，年、春季、夏季和秋季水面蒸發(fā)量分別在1971年、2016年、1973年和1959年出現(xiàn)明顯突變，冬季未出現(xiàn)明顯突變年份，春季、夏季和秋季突變前后差值分別為-57.6、31.7、47.3 mm，均小于年突變前后差值（61.6 mm）。年、春季、夏季和秋季蒸發(fā)量氣候傾向率較大，分別為-5.75、3.00、-6.91、-3.22 mm/（10 a）。

2.6 干旱特征變化分析

由人民勝利渠灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）趨勢分析結(jié)果（見圖7）可知，1951—2017年灌區(qū)的SPEI值在整體上呈減小趨勢，5 a滑動平均曲線表明SPEI值一直處于波動狀態(tài)。根據(jù)M-K突變檢驗，SPEI值在1976年發(fā)生了明顯突變。對于年尺度SPEI值，1997年出現(xiàn)特旱情況，在1978年、2012年和2017年出現(xiàn)重旱;對于季尺度SPEI值，春季、秋季和冬季未出現(xiàn)重旱和特旱情況，夏季出現(xiàn)特旱6次（分別為1965年、1968年、1986年、1997年、2002年和2011年），夏季出現(xiàn)重旱13次（分別為1952年、1959年、1966年、1969年、1978年、1979年、1983年、1987年、1991年、1999年、2009年、2012年和2017年）。

由灌區(qū)年、季干旱等級發(fā)生頻率（見表4）可知，人民勝利渠灌區(qū)多年平均干旱發(fā)生頻率為33.43%，約每3 a就會發(fā)生一次干旱，其中輕旱、中旱、重旱和特旱發(fā)生頻率分別為14.93%、13.43%、4.48%和1.49%。春季、夏季和秋季干旱發(fā)生頻率分別為56.72%、56.72%和26.87%，而冬季無干旱情況發(fā)生;春季發(fā)生的主要是輕旱和中旱，發(fā)生頻率分別為43.28%和13.43%;夏季主要發(fā)生的是輕旱、中旱、重旱和特旱，發(fā)生頻率分別為13.43%、14.93%、19.40%和8.96%;秋季發(fā)生的主要是輕旱和中旱，發(fā)生頻率分別為25.37%和1.49%。

3 討 論

本文的研究結(jié)果與文獻[21-22]一致，而其多年平均降水量小于河南省引黃灌區(qū)整體的多年平均降水量628.8 mm[4]，說明人民勝利渠灌區(qū)更容易發(fā)生干旱。根據(jù)上文分析可知，灌區(qū)1997年出現(xiàn)特旱情況，原因是1997年降水量最?。?41.8 mm），同時蒸發(fā)能力較大（1 134.8 mm）。灌區(qū)春季發(fā)生干旱的頻率明顯高于秋季，原因是春季降水量呈現(xiàn)減小趨勢（-0.21 mm/（10 a））而水面蒸發(fā)量呈現(xiàn)增大趨勢（3.00 mm/（10 a）），同時春季平均氣溫的氣候傾向率（0.40 ℃/（10 a））大于秋季平均氣溫的氣候傾向率（0.21 ℃/（10 a））。另外，灌區(qū)干旱不僅受到氣候因素的影響，而且受人類活動的干預(yù)作用，如降水量較少的年份，灌區(qū)利用引黃水和地下水補充灌區(qū)農(nóng)作物所需水分。因此，準(zhǔn)確了解灌區(qū)水資源及干旱情況，掌握灌區(qū)干旱發(fā)生的頻率，可為灌區(qū)水資源合理開發(fā)提供支撐。

4 結(jié) 論

（1）人民勝利渠灌區(qū)年平均相對濕度、降水量和水面蒸發(fā)量均呈下降趨勢，分別于2007年、1971年和1971年發(fā)生明顯突變;年平均最低氣溫、平均最高氣溫和平均氣溫均呈升高趨勢，分別于2000年、2014年和1998年發(fā)生明顯突變;年平均相對濕度、平均最低溫度、平均氣溫和水面蒸發(fā)量在1951—2017年波動幅度相對較大，而年平均最高溫度和降水量波動幅度相對較小。

（2）1951—2017年人民勝利渠灌區(qū)年、春季和冬季平均相對濕度的氣候傾向率較大，分別為-0.86%/（10 a）、-1.11%/（10 a）和-1.14%/（10 a）;年、春季、秋季和冬季平均氣溫的氣候傾向率較大，分別為0.26、0.40、0.21、0.33 ℃/（10 a）;年和夏季降水量的氣候傾向率較大，分別為-12.49、-9.71 mm/（10 a）;年和夏季水面蒸發(fā)量氣候傾向率較大，分別為-5.75、-6.91 mm/（10 a）。

（3）1951—2017年人民勝利渠灌區(qū)在年尺度上出現(xiàn)特旱1次、重旱3次，夏季出現(xiàn)特旱6次、重旱13次，春季、秋季和冬季未出現(xiàn)重旱和特旱情況。灌區(qū)多年平均干旱發(fā)生頻率為33.43%，春季、夏季和秋季干旱發(fā)生頻率分別為56.72%、56.72%和26.87%，而冬季無干旱情況發(fā)生。

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【責(zé)任編輯 張華興】