榆林市不同等級干旱特征時(shí)空演變分析

孔 剛，張善亮,王 璐，黃生志,白玨瑩

(1.北京市水影響評價(jià)中心，北京 100161；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310014；3.北京中水科工程集團(tuán)有限公司，北京 100048；4.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

干旱是由于長時(shí)間降水的缺乏而導(dǎo)致的水資源供需不平衡、水分短缺的自然現(xiàn)象，因其具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和反復(fù)性等特征[1-2]，干旱發(fā)生頻率高，造成危害程度深，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)乃至社會的可持續(xù)性發(fā)展[3-4]。黃土高原是中國氣候敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，近幾十年來，在全球氣候變暖和人類活動(dòng)(退耕還林、農(nóng)田灌溉及城市建設(shè)等)共同作用下，該地區(qū)氣候要素的年際和季節(jié)差異較大，使得干旱發(fā)生的頻率、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間增加，該地區(qū)面臨著高風(fēng)險(xiǎn)的極端干旱，對植被生長活動(dòng)造成了巨大挑戰(zhàn)[5-6]。榆林市位于黃土高原北部，作為中國重要能源戰(zhàn)略后備基地，區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，近年來干旱發(fā)生頻率也呈顯著增加趨勢，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境修復(fù)。因此，研究榆林市不同等級干旱的趨勢及時(shí)空分布，對于保障該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

干旱發(fā)生主要是由長時(shí)間降水量虧缺導(dǎo)致[7]，持續(xù)的干旱引起土壤含水量下降，從而影響作物生育期供需水量不平衡，阻礙作物正常生長發(fā)育[8]。為進(jìn)一步量化干旱，國內(nèi)外學(xué)者常采用影響干旱的氣象和水文要素建立不同的干旱指數(shù)來研究干旱，通過對干旱強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率、影響危害等進(jìn)行時(shí)間演變和空間分布比較，從而達(dá)到度量、對比和綜合的研究目的。干旱指數(shù)作為量化地區(qū)干旱特征(如頻次、持續(xù)時(shí)間、烈度及空間范圍等)的重要變量，是旱情監(jiān)測有效工具，在區(qū)域干旱反演、干旱評價(jià)和資源環(huán)境研究領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用[9]。目前，有超過150多種干旱指數(shù)被應(yīng)用于表征不同類型的干旱[10],例如，帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[11]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[12]、地表水供給指數(shù)(SWSI)[13]和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SRI)[14]等。其中， SPI由于具有計(jì)算簡便、空間可比性強(qiáng)及具有多時(shí)間尺度等優(yōu)點(diǎn)[16]，近年來得到廣泛使用，是被世界氣象組織(WMO)推薦使用的干旱指數(shù)[15]。肖名忠等[17]基于6個(gè)月時(shí)間尺度的SPI分析了珠江流域干旱時(shí)間變化特征并基于此研究了該流域干旱風(fēng)險(xiǎn)；郭佳香等[18]基于SPI和HI分析了淮河上中游流域干旱時(shí)空演變規(guī)律和干旱特征的敏感性；孫智輝等[19]采用SPI分析了黃土高原地區(qū)最近40 a的干旱特征。以往研究多針對于特定區(qū)域的干旱，而關(guān)于不同等級干旱演變規(guī)律探究較少，干旱等級作為表征干旱嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)，不同程度的干旱對區(qū)域帶來的損失差異顯著，因此識別不同等級干旱特征十分重要；此外，使用高分辨率的網(wǎng)格數(shù)據(jù)集來分析干旱時(shí)空演變特征的研究較少，有必要在高精度視角下分析干旱的時(shí)空特征來提高干旱監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

榆林市屬溫帶半干旱大陸性氣候，日照時(shí)間長，降雨年內(nèi)分布極度不均，長時(shí)間的降水虧損易引發(fā)干旱，連續(xù)的干旱極易威脅到榆林市社會生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境等的可持續(xù)發(fā)展。基于此，以榆林市為研究對象，采用月尺度的降水和土壤濕度數(shù)據(jù)計(jì)算2種標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)，通過游程理論識別干旱歷時(shí)和烈度等特征，研究高精度視角下榆林市不同等級干旱的時(shí)空演變特征；并比較2種干旱指數(shù)所識別干旱特征的差異。研究結(jié)果有助于針對性地應(yīng)對干旱，開展精準(zhǔn)、有效的抗旱措施，同時(shí)對榆林市水資源的管理有著重要的意義。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

榆林市位于陜西省最北部，地處黃土高原北部及毛烏素沙地南緣，東臨黃河與山西省相望，西連寧夏和甘肅，南與延安市接壤，北鄰內(nèi)蒙古。地理位置處于107.25°～111.25°E，36.75°～39.75°N，總面積4.3萬km2，約占陜西省21%，管轄著一市二區(qū)九縣，研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為8.4℃，年平均降水量為397.1 mm，在空間上從東南向西北遞減，年內(nèi)分配極度不均，降水量主要集中在6—9月，研究區(qū)所處地理位置和行政區(qū)劃分布見圖1。截至2019年末，全市常住人口342.42萬人，城鎮(zhèn)化率59.54%。

圖1 榆林市地理位置及行政區(qū)劃示意

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究在全球陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS)收集了1980—2014年榆林市空間分辨率為0.25°×0.25°的逐月降水和土壤濕度數(shù)據(jù)(https://search.earthdata.nasa.gov/)。GLDAS是全球高分辨率的陸地建模系統(tǒng)，由美國國家航空航天局(NASA)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)聯(lián)合研發(fā)的，利用先進(jìn)的地表建模技術(shù)和數(shù)據(jù)同化技術(shù)提取衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面觀測數(shù)據(jù)以生成最佳的地表狀態(tài)和通量場[20]。與其他同類型數(shù)據(jù)相比，GLDAS產(chǎn)品數(shù)據(jù)具有時(shí)間跨度長和空間分辨率高的特點(diǎn)，對比分析GLDAS和中國氣象共享網(wǎng)降水資料，結(jié)果表明，該產(chǎn)品數(shù)據(jù)在榆林市有較好的適用性[21-22]。

2 研究方法

2.1 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)

本研究選取標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standard Precipitation Index，SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)(Standard Soil Moisture Index，SSMI)為干旱指標(biāo)。Mckee等[23]為評估美國干旱狀況提出了干旱指數(shù)SPI，該指數(shù)適用于不同時(shí)間尺度和不同區(qū)域干旱的計(jì)算[5,16]。SPI假設(shè)降水時(shí)間序列服從伽馬分布，計(jì)算某時(shí)段降水的累積概率分布，然后將偏態(tài)分布的降水轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布計(jì)算SPI，最后采用標(biāo)準(zhǔn)化的累積概率分布確定干旱等級。SSMI與SPI計(jì)算原理相同，先采用伽馬分布擬合SM數(shù)據(jù)，最后將累積分布函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化得到，具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[24]。SPI以及SSMI干旱等級劃分見表1。

表1 SPI/SSMI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 游程理論

根據(jù)SPI和SSMI，采用Yevjevich提出的游程理論對榆林市干旱特征變量中的干旱歷時(shí)和干旱烈度進(jìn)行識別[25]。干旱事件識別前，首先確定發(fā)生干旱的閾值，本文依據(jù)干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定，如設(shè)SPI0(SSMI0)=-0.5，當(dāng)SPI(SSMI)≤SPI0(SSMI0)時(shí)，表現(xiàn)出干旱特征。令SPI和SSMI連續(xù)小于設(shè)定閾值所持續(xù)的時(shí)間為干旱歷時(shí)D，該次干旱事件中閾值與干旱指數(shù)所圍成的面積為干旱烈度S，干旱事件識別示意見圖2。此外，在本研究中計(jì)算了干旱面積百分比來評估區(qū)域干旱綜合旱情，其中干旱面積百分比為干旱的網(wǎng)格與全區(qū)總網(wǎng)格之比[26]。

圖2 干旱事件識別示意

2.3 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)(MK檢驗(yàn))是由Mann與Kendall提出的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法。由于此方法適用性廣、不受異常值干擾，因而在水文領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4]。本研究采用MK法對干旱指數(shù)進(jìn)行趨勢分析。對于隨機(jī)變量x1,x2,…,xn(n為系列長度)，統(tǒng)計(jì)所有對偶值(xi,xj,j>i)中的xi

(1)

式中：

(2)

(3)

(4)

給定顯著性水平α，其雙尾檢驗(yàn)臨界值為Uα/2，當(dāng)|U|Uα/2)時(shí)，表明沒有顯著趨勢(具有顯著趨勢)；如U>0(U<0)，表明系列具有顯著上升(下降)趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 干旱的時(shí)間分布特征

3.1.1榆林市干旱面積百分比

由圖3可知，1981—2014年榆林市3個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI3的干旱持續(xù)時(shí)間多在一年以內(nèi)，出現(xiàn)跨年干旱較少；從圖3a可以明顯看出，干旱面積比在3—8月出現(xiàn)紅色較多，表明春夏季節(jié)干旱面積大于秋冬季節(jié)；此外，基于SPI3的干旱面積比在1997年6—12月、2001年3—9月、2005年3—12月等多個(gè)時(shí)段內(nèi)紅色重復(fù)出現(xiàn)，表明大部分地區(qū)都?xì)v經(jīng)了長時(shí)間的降水虧損。同時(shí)從3個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化濕度指數(shù)SSMI3的干旱面積比圖中明顯看出在多個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了跨年干旱，如1985年10月至1988年6月、1991年9月至1992年7月及2005年7月至2009年8月等，其干旱面積百分比超過了50%，表明榆林市部分區(qū)域土壤濕度在跨年干旱的時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的虧損；對比SPI3與SSMI3的結(jié)果可知，SSMI3識別出的干旱月份持續(xù)時(shí)間較長，且與SPI3識別出的干旱月份相比有著時(shí)間上的推遲，如2013年SSMI3的干旱面積比在3、4月為0，但同時(shí)期SPI3干旱面積百分比大約為90%，即出現(xiàn)降水虧損基本上早于土壤濕度虧損。

a)基于SPI3

3.1.2干旱指數(shù)SPI、SSMI各月趨勢

采用MK法對干旱指數(shù)SPI和SSMI進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，結(jié)果見圖4、5。由圖4可知，榆林市1月和12月SPI3的趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U值普遍大于0，2、9、10、11月全地區(qū)U值大于0，其中1月和11月西北地區(qū)、2月東部地區(qū)的SPI3通過了顯著性水平為0.05的趨勢檢驗(yàn)，呈現(xiàn)顯著上升趨勢；3—8月全地區(qū)的U值小于0，即SPI3呈現(xiàn)下降趨勢。總體而言，榆林市各區(qū)縣SPI3在春夏季節(jié)呈現(xiàn)下降趨勢，秋冬季節(jié)具有上升趨勢。由圖5可知，基于SSMI3趨勢檢驗(yàn)結(jié)果顯示，1—4、11—12月期間網(wǎng)絡(luò)U值基本在0值以上，1—4月的U值在空間上呈由東南向西北遞增的趨勢，其中1—2、11—12月榆林西北部地區(qū)的SSMI3通過了顯著性水平為0.05的趨勢檢驗(yàn)，呈現(xiàn)顯著上升趨勢；6—10月的U值基本小于0，其中8—9月南部地區(qū)U值小于-1.96，表明SSMI3具有顯著下降趨勢。

對比SPI3和SSMI3的趨勢檢驗(yàn)結(jié)果可以得出，SSMI3識別出的干旱下降趨勢晚于SPI3，即土壤濕度虧損晚于降水虧損；同時(shí)，兩干旱指數(shù)均在夏季呈現(xiàn)下降趨勢，表明榆林市夏季有變干趨勢，可能會發(fā)生更加嚴(yán)重的干旱。

a)1月 b)2月

3.2 干旱的空間分布特征

3.2.1干旱頻次的空間分布特征

本研究使用了3個(gè)月時(shí)間尺度的SPI和SSMI對榆林市各地區(qū)的干旱頻次特征進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6—9；基于SPI3，榆林西北地區(qū)(神木、榆陽、靖邊等)干旱頻次較高，其他地區(qū)相對較低，發(fā)生干旱最多的是神木市(60次)，干旱最少的是定邊西部地區(qū)(46次)；且進(jìn)一步分析了不同層級干旱發(fā)生頻次，圖7顯示輕旱次數(shù)多的地區(qū)主要位于在榆林西北地區(qū)(神木、榆陽、靖邊等)，與圖6干旱頻次分布較為相似；中旱次數(shù)較多的地區(qū)位于榆林南部地區(qū)(靖邊、清澗)，重旱頻發(fā)地區(qū)主要是榆林西南部(定邊)及北部(神木、府谷)，榆林東部邊緣則是特旱頻次較高。

而基于SSMI3，結(jié)果見圖8、9，部分地區(qū)未發(fā)生重旱和特旱，從圖8可以發(fā)現(xiàn)，榆林西北地區(qū)的榆陽和橫山兩地干旱頻發(fā)，輕旱頻次高值出現(xiàn)在神木和榆陽，中旱次數(shù)較高的地區(qū)位于榆林市的西南部，榆林市東北部和南部區(qū)域重旱頻次高，榆林市西北部區(qū)域特旱頻次高。比較各層級干旱頻次和干旱頻次分布，特旱頻次和干旱頻次分布具有一致性。

圖6 基于SPI3的干旱頻次總體分布

圖7 基于SPI3的不同等級干旱頻次分布

圖8 基于SSMI3的干旱頻次總體分布

圖9 基于SSMI3的不同等級干旱頻次分布

3.2.2干旱歷時(shí)的空間分布特征

采用游程理論計(jì)算了1980—2014年榆林市104個(gè)網(wǎng)格的干旱歷時(shí)與烈度，結(jié)果見圖10、11，基于SPI3，榆林市平均干旱歷時(shí)介于2～3月，最大值出現(xiàn)在定邊，為2.6月，府谷北部也接近最大值，最小值出現(xiàn)在西北地區(qū)；由不同等級干旱的平均歷時(shí)見圖11，榆林南部的靖邊、橫山兩地平均輕旱歷時(shí)較大，平均中旱歷時(shí)較大值位于榆林市西南部定邊縣，平均重旱歷時(shí)較大值位于府谷縣及靖邊縣南部，榆林市南部區(qū)域的平均特旱歷時(shí)較大。對比圖10與圖11發(fā)現(xiàn)平均干旱歷時(shí)高值區(qū)與平均干旱歷時(shí)較為吻合?；赟SMI3，平均干旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市西南部和北部府谷縣，從不同等級干旱平均歷時(shí)分布可以看出平均干旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市東南部，平均中旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市南部和東北部，榆林市東北部區(qū)域(府谷、神木等)平均重旱歷時(shí)較長，平均特旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市北部(府谷)。比較圖12與圖13，平均干旱歷時(shí)較大值區(qū)域與平均中旱歷時(shí)及平均重旱歷時(shí)較大值區(qū)域相一致。

圖10 基于SPI3的平均干旱歷時(shí)分布

圖11 基于SPI3的不同等級干旱歷時(shí)分布(月)

圖12 基于SSMI3的平均干旱歷時(shí)分布

圖13 基于SSMI3的不同等級干旱歷時(shí)分布(月)

3.2.3干旱烈度的空間分布特征

基于SPI3、SSMI3計(jì)算得到的平均干旱烈度及不同等級平均干旱烈度一般呈現(xiàn)出與平均干旱歷時(shí)相似的分布特征，即干旱事件中，干旱歷時(shí)與烈度存在較高的相關(guān)性。由圖14知，基于SPI3的平均干旱烈度介于1～2之間，榆林北部與西南部地區(qū)平均干旱烈度較大；進(jìn)一步分析不同等級干旱平均烈度，見圖15，平均輕旱烈度較大值多位于榆林市南部區(qū)域，平均中旱烈度較大值區(qū)域位于榆林市西南部，北部地區(qū)平均重旱烈度較大，南部地區(qū)平均特旱烈度較大。對比圖14與圖15，榆林市西南部區(qū)域因其平均中旱烈度大導(dǎo)致其平均干旱烈度大，而榆林市北部區(qū)域平均干旱烈度大原因在于其平均重旱烈度大?；赟SMI3，榆林市北部地區(qū)的府谷縣平均干旱烈度出現(xiàn)高值，東北部地區(qū)的輕旱、中旱、重旱及特旱平均烈度均較大，南部地區(qū)則是輕旱和中旱平均烈度較大，其南部邊緣區(qū)域平均特旱烈度大。

圖14 基于SPI3的平均干旱烈度分布

圖15 基于SPI3的不同等級干旱烈度分布

此外，使用SPI與SSMI識別出的干旱特征高值區(qū)域基本相同。當(dāng)今，干旱會對人類生活、工農(nóng)業(yè)等產(chǎn)生一定影響，而其中的重旱和特旱對生活、社會經(jīng)濟(jì)及生態(tài)健康更具威脅。因此，有關(guān)決策部門應(yīng)側(cè)重與榆林市重旱、特旱頻次高值地區(qū)，即榆林西北區(qū)域和南部區(qū)域的干旱事件。

圖16 基于SSMI3的平均干旱烈度分布

圖17 基于SSMI3的不同等級干旱烈度分布

4 結(jié)論

本文借助榆林市1980—2014年逐月降水和土壤濕度的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，得出3個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI及標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)SSMI，使用游程理論識別干旱事件，提取了不同等級干旱事件的干旱特征，同時(shí)用干旱面積百分比反應(yīng)榆林市干旱在時(shí)間上的分布，除此之外，還研究了干旱歷時(shí)、烈度和頻次在空間上的分布特點(diǎn)，主要結(jié)論如下。

a)春夏季節(jié)干旱面積大于秋冬季節(jié)，且存在降水虧損歷時(shí)超6個(gè)月以及土壤濕度虧損歷時(shí)超12個(gè)月現(xiàn)象，降水虧損基本在土壤濕度虧損之前出現(xiàn)。

b)榆林市不同季節(jié)存在不同趨勢，變濕趨勢出現(xiàn)在春冬季，變干趨勢出現(xiàn)在夏季，且在榆林南部區(qū)域(靖邊、橫山、清澗等)有著明顯變干趨勢。

c)榆林市干旱頻發(fā)高值區(qū)域和重旱、特旱頻發(fā)高值區(qū)域并不相同。重旱、特旱頻發(fā)高值地區(qū)位于榆林市南部、北部及東部邊緣；且干旱烈度和歷時(shí)存在較強(qiáng)的相關(guān)性，干旱歷時(shí)的分布特征與平均干旱烈度及不同層級平局干旱烈度的分布特征呈現(xiàn)出一致性，榆林市北部和南部區(qū)域平均重旱歷時(shí)、平均特旱歷時(shí)及其對應(yīng)的平均烈度都較大。

總體上，干旱對榆林市有著嚴(yán)重威脅，而該地區(qū)處于黃土高原實(shí)施退耕還林等生態(tài)修復(fù)措施的重點(diǎn)區(qū)域，長歷時(shí)與高烈度的干旱可能會對植被生長產(chǎn)生不利影響。