基于SPEI的潮白河流域氣象干旱時(shí)空特征分析

門(mén)寶輝， 蔡斌， 田巍

(1.華北電力大學(xué) 水利與水電工程學(xué)院，北京 102206； 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

干旱災(zāi)害具有發(fā)生頻率高、影響范圍廣以及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為我國(guó)最常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重?fù)p失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)，由于干旱災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占?xì)庀鬄?zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失的50%[1]。隨著全球變暖加劇，區(qū)域極端天氣頻發(fā)，我國(guó)干旱發(fā)生區(qū)域在不斷擴(kuò)大，干旱程度越來(lái)越嚴(yán)重。有學(xué)者研究表明，近幾十年，我國(guó)華北和西南地區(qū)干旱頻發(fā)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重影響[2]。由于干旱形成的機(jī)理復(fù)雜，影響范圍廣泛，涉及氣象、水文、農(nóng)業(yè)和社會(huì)的各個(gè)方面，準(zhǔn)確地識(shí)別和預(yù)測(cè)干旱面臨著很大的挑戰(zhàn)[3]。正確認(rèn)識(shí)和掌握干旱的時(shí)空分布特征，對(duì)干旱研究具有重要的意義[4]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)干旱的時(shí)空分布、干旱頻率和周期以及預(yù)測(cè)方面做了大量的研究。一方面主要是分析和預(yù)測(cè)區(qū)域降水量等氣象要素的時(shí)空演變特征，分析區(qū)域干旱的風(fēng)險(xiǎn)性[5-6]；另一方面是基于氣象要素計(jì)算的各種干旱指數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI)、帕默爾干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index,PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)(Standardized Evapotranspiration Index,SPEI)、Z指數(shù)。不同干旱指數(shù)有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，比如帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)考慮土壤水分和蒸散發(fā)對(duì)干旱發(fā)生的影響，物理意義明確，但并不具有多尺度描述的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于干旱具有季節(jié)性特點(diǎn)的地區(qū)，其實(shí)用性則欠缺[7]；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)計(jì)算簡(jiǎn)單，能夠表征多尺度干旱，且能適應(yīng)不同氣候特征[8]，由于該指數(shù)只考慮了降水這一要素，忽略了對(duì)干旱發(fā)生有著重要影響的氣溫等其他要素，所以對(duì)干旱情況描述難免有一定的局限性[9]。標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)(SPEI)是在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)上發(fā)展而來(lái)的，該指數(shù)考慮了降水和潛在蒸散發(fā)對(duì)干旱的影響，不僅具有多尺度表征干旱的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)物理意義也很明確，在國(guó)內(nèi)外被大量學(xué)者用于干旱評(píng)估和分析[10-11]。目前，計(jì)算SPEI中潛在蒸散發(fā)的公式主要包括Thornthwaite公式[12]和彭曼公式[13]，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中已經(jīng)有大量學(xué)者證明彭曼公式更加具有優(yōu)勢(shì)[14-15]。選擇合適的干旱指數(shù)對(duì)表征區(qū)域干旱具有重要意義。許多學(xué)者研究了不同干旱指數(shù)在華北地區(qū)和海河流域地區(qū)的適用性[16-18]。針對(duì)不同指數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，考慮使用數(shù)據(jù)情況，文中選擇標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)作為干旱指數(shù)來(lái)描述潮白河流域的干旱情況。

目前，我國(guó)干旱發(fā)生的范圍逐漸擴(kuò)大，除了北方干旱半干旱區(qū)干旱災(zāi)害頻發(fā)，南方濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)也深受干旱的影響[19]。近年來(lái)，我國(guó)受干旱影響時(shí)間最長(zhǎng)和干旱發(fā)生頻率最高的地區(qū)是華北和西南地區(qū)，并且這些地區(qū)的干旱情況有著進(jìn)一步加劇的趨勢(shì)[20]?！端禐?zāi)害公報(bào)》顯示，潮白河流域地區(qū)干旱發(fā)生頻繁。現(xiàn)有研究主要是對(duì)海河流域或者華北地區(qū)等大范圍地區(qū)的干旱事件進(jìn)行分析，針對(duì)潮白河這樣面積較小的流域的研究很少。潮白河流域雖然面積不大，但流域內(nèi)的白河和潮河是密云水庫(kù)的直接水源保障。研究潮白河流域降水、潛在蒸散發(fā)以及干旱事件的趨勢(shì)變化和空間分布對(duì)于密云水庫(kù)的水量蓄積和外來(lái)水源的補(bǔ)給和分配具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用降水產(chǎn)品來(lái)克服面積較小的流域氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)不足的缺點(diǎn)，詳細(xì)分析潮白河流域1979—2018年近40年的降水和潛在蒸散發(fā)的趨勢(shì)變化和空間分布，識(shí)別出流域內(nèi)干旱風(fēng)險(xiǎn)較大的地區(qū)；采用標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)分析流域內(nèi)的干旱事件，同時(shí)將分析結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，判斷干旱指數(shù)(SPEI)的適用性，詳細(xì)分析不同時(shí)間段該流域的干旱程度和干旱的空間分布，明確干旱演變和發(fā)生的集中區(qū)域，為該流域內(nèi)的干旱治理和干旱預(yù)警提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

潮白河流域位于海河流域北部，地跨115°25′E～117°35′E、40°20′N(xiāo)～41°37′N(xiāo)，如圖1所示。境內(nèi)有潮河、白河兩大河流，兩河的控制流域面積分別為4 854.5、9 006.5 km2。整個(gè)潮白河流域?yàn)槊茉扑畮?kù)的集水區(qū)，潮河和白河在密云區(qū)境內(nèi)流入密云水庫(kù)。潮白河流域內(nèi)地勢(shì)起伏不大，多為低山、中山和丘陵，土地類(lèi)型多為林地、草地和耕地，森林覆蓋率較高。潮白河流域地處半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨時(shí)空變化大，且主要集中在夏季，主要降雨月份為6—9月。

圖1 潮白河流域位置概況

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn)的中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集[21]，該數(shù)據(jù)集包括近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻射、地面向下長(zhǎng)波輻射和地面降水率共7個(gè)要素。該數(shù)據(jù)集是以國(guó)際上現(xiàn)有的Princeton再分析資料、GLDAS資料、GEWEX-SRB輻射資料以及TRMM降水資料為背景場(chǎng)，融合了中國(guó)氣象局常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)制作而成。原始資料為氣象局觀測(cè)數(shù)據(jù)、再分析資料和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。去除非物理范圍的值，所缺數(shù)據(jù)采用ANU-Spline統(tǒng)計(jì)插值得到。插值精度介于氣象局觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)精度之間，高于國(guó)際上已有再分析數(shù)據(jù)的精度[22]。

2.2 研究方法

2.2.1 時(shí)間序列平穩(wěn)性檢驗(yàn)

經(jīng)典的時(shí)間序列分析是以序列的平穩(wěn)性假設(shè)為基礎(chǔ)的，因此，平穩(wěn)性檢驗(yàn)是時(shí)間序列分析的重要前提。以單位根檢驗(yàn)法為代表的非參數(shù)檢驗(yàn)法被廣泛用于時(shí)間序列的平穩(wěn)性分析中。本文采用統(tǒng)計(jì)軟件Eviews對(duì)序列進(jìn)行ADF平穩(wěn)性檢驗(yàn)，具體過(guò)程參考文獻(xiàn)[23-24]。

2.2.2 潛在蒸散發(fā)計(jì)算方法

采用1998年FAO修正后的Penman-Monteith公式計(jì)算逐日的潛在蒸散發(fā)量，公式如下：

(1)

式中：PETi為潛在蒸散發(fā)量，mm/d；Δ為飽和水汽壓斜率，kPa/℃；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，γ為干濕常數(shù)，kPa/℃；T為地表2 m處的平均溫度，℃；u2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)確定方法

標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)是由VICENTE-SERRANO Sergio M[25]在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)的基礎(chǔ)上提出的基于水量平衡原理的氣象干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)，主要通過(guò)計(jì)算凈降水量偏離平均狀態(tài)的程度來(lái)描述干旱強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)不只考慮降水因素，還綜合考慮了氣溫和蒸散因素，不僅擁有PDSI對(duì)蒸散發(fā)的敏感性，也具有SPI的長(zhǎng)序列尺度表征和計(jì)算簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。其計(jì)算方法如下，首先計(jì)算凈降水量：

Di=Pi-PETi。

(2)

式中：Di為凈降水量，mm；Pi為降水量，mm；PETi為潛在蒸散發(fā)量，mm，通過(guò)Penman-Monteith公式(式(1))求得；i為計(jì)算對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度。

用三參數(shù)的log-logistic分布對(duì)凈降水量序列正態(tài)化，計(jì)算每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI值，然后對(duì)累計(jì)概率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，具體如下：

(3)

(4)

式中：C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

根據(jù)SPEI值進(jìn)行氣象干旱等級(jí)劃分，具體見(jiàn)表1。

表1 氣象干旱等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法[26]，該法能夠有效地辨別某一自然過(guò)程的變化趨勢(shì)是自然波動(dòng)還是具有確定變化的規(guī)律，目前在氣象和水文領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要被用來(lái)分析氣象、水文等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。當(dāng)計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)量UFk大于0時(shí)，表明序列有上升的趨勢(shì)，當(dāng)UFk小于0時(shí)，則序列有下降的趨勢(shì)。當(dāng)給定顯著性水平α，若統(tǒng)計(jì)量Z的絕對(duì)值|Z|≥|Z1-α/2|,表示序列變化趨勢(shì)顯著。在應(yīng)用Mann-Kendall(M-K)法進(jìn)行突變檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先對(duì)時(shí)間序列構(gòu)建秩序列Sk，再計(jì)算統(tǒng)計(jì)量UFk；將時(shí)間序列逆序，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使統(tǒng)計(jì)量UBk=-UFk，且當(dāng)截取水平k=1時(shí)，UB1=0。分析UFk和UBk曲線(xiàn)，如果兩條曲線(xiàn)出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在相應(yīng)顯著性水平線(xiàn)臨界線(xiàn)之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間便是序列突變開(kāi)始的時(shí)間。本文選取顯著性水平α=0.05，臨界線(xiàn)分別為1.96和-1.96對(duì)應(yīng)的兩條直線(xiàn)。

2.2.5 游程理論和重現(xiàn)期的獲得方法

運(yùn)用游程理論對(duì)干旱事件進(jìn)行識(shí)別，確定某個(gè)截取水平k，截取一個(gè)隨時(shí)間變化的離散系列Xt(t=1、2、…、n)，當(dāng)Xt的值在一個(gè)或多個(gè)時(shí)段連續(xù)大于截取水平時(shí)，則為正游程；反之則為負(fù)游程。馬秀峰等[27]的游程分析中對(duì)重現(xiàn)期的定義為：如果連續(xù)進(jìn)行T(x)相互獨(dú)立的重復(fù)試驗(yàn)，就可能平均出現(xiàn)1次長(zhǎng)度不小于x的游程，則T(x)就稱(chēng)為該隨機(jī)事件的游程長(zhǎng)度不小于x的重現(xiàn)期，計(jì)算公式為：

(5)

式中p為游程長(zhǎng)度遷移概率，此值用于消除非獨(dú)立因素的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 時(shí)間序列平穩(wěn)性檢驗(yàn)

ADF檢驗(yàn)的對(duì)象是用于計(jì)算的降水、潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)以及計(jì)算得到的不同尺度的標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)序列，序列平穩(wěn)性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，表2中SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6、SPEI-12分別對(duì)應(yīng)月、季、半年、年尺度下的SPEI。從表2中可知:6個(gè)變量的ADF值均小于每個(gè)變量對(duì)應(yīng)的1%、5%和10%的臨界值；遷移概率p值也表明這6個(gè)變量的平穩(wěn)性結(jié)果通過(guò)了5%的顯著性水平檢驗(yàn)。

表2 不同變量ADF檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 潮白河流域降水和潛在蒸散發(fā)年際變化

潮白河流域1979—2018年的多年平均降水量為482.03 mm；1996年的降水量最多，為651.04 mm；1984年的降水量最小，為353.15 mm。潮白河流域1979—2018年降水量和潛在蒸散發(fā)量變化如圖2所示。由圖2可知：1979—2018年，整個(gè)潮白河流域降水量變化曲線(xiàn)呈上升趨勢(shì)，傾向率為11.02 mm/(10年)；這40年來(lái)，潮白河流域平均潛在蒸散發(fā)量為738.68 mm，潛在蒸散發(fā)最大值出現(xiàn)在2009年，為801.67 mm，最小值出現(xiàn)在2003年，為666.65 mm；這40年來(lái)，該流域內(nèi)的潛在蒸散發(fā)量變化曲線(xiàn)呈上升趨勢(shì)，傾向率為9.95 mm/(10年)。

圖2 1979—2018年潮白河流域降水量和潛在蒸散發(fā)量的年際變化

潮白河流域降水和潛在蒸散發(fā)的趨勢(shì)空間變化如圖3所示。由圖3可知：整個(gè)潮白河流域降水變化曲線(xiàn)都呈上升的趨勢(shì)，并且由西向東上升趨勢(shì)逐漸減緩，降水的最大變化值位于潮白河流域的西南方，達(dá)到20 mm/(10年)以上，最小變化值集中在流域東部地區(qū)，降水量增加程度不明顯；流域潛在蒸散發(fā)變化曲線(xiàn)整體呈上升趨勢(shì)，并由東北向西南方向逐漸減少，最大變化值達(dá)到35 mm/(10年)、最小變化值為-17 mm/(10年)。由此可知，潮白河流域降水量和潛在蒸散發(fā)量均呈增加趨勢(shì)。雖然該流域降水量增加速率比潛在蒸散發(fā)量的大，但潛在蒸散發(fā)量一直處于較高值，所以流域干旱情況不容樂(lè)觀。結(jié)合圖3分析可知，潮白河流域的東北部地區(qū)水分缺失狀況比較嚴(yán)峻，更容易發(fā)生流域干旱事件。

圖3 潮白河流域降水和潛在蒸散發(fā)變化趨勢(shì)的空間分布

3.3 潮白河流域降水和潛在蒸散發(fā)的突變檢驗(yàn)

運(yùn)用Mann-Kendall分析法對(duì)潮白河流域的年降水和年潛在蒸散發(fā)進(jìn)行趨勢(shì)和突變分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 1979—2018年潮白河流域降水和潛在蒸散發(fā)的M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)

從圖4(a)中看出：UF統(tǒng)計(jì)量在1987年后一直在正值區(qū)域波動(dòng)，但未超過(guò)顯著性水平為0.05的臨界線(xiàn)，這表明，從1987年左右開(kāi)始，潮白河流域降水持續(xù)增長(zhǎng)，但趨勢(shì)不顯著，這與張磊等[28]得出的結(jié)論一致。在顯著性水平為0.05的臨界線(xiàn)(1.96和-1.96)內(nèi)，UF和UB統(tǒng)計(jì)量出現(xiàn)多次交點(diǎn)，但都未超過(guò)0.05臨界線(xiàn)，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)分析，流域降水變化曲線(xiàn)不存在突變點(diǎn)。

從圖4(b)中看出：潛在蒸散發(fā)的UF統(tǒng)計(jì)量呈現(xiàn)出正—負(fù)—正的變化趨勢(shì)，這表明流域潛在蒸散發(fā)有增強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)的趨勢(shì)，潛在蒸散發(fā)的UF統(tǒng)計(jì)量在1985—2012年間小于0，這表明1985—2012年間該流域的潛在蒸散發(fā)量持續(xù)減小，這與趙娜等[29]的研究結(jié)論相同。潛在蒸散發(fā)統(tǒng)計(jì)量序列在顯著性水平0.05的臨界線(xiàn)內(nèi)于2015年左右出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，由于交點(diǎn)后的數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度過(guò)短，進(jìn)行突變檢驗(yàn)的意義不大，因此認(rèn)定沒(méi)有突變點(diǎn)。由數(shù)據(jù)集計(jì)算得到的降水和潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與已有研究成果的大部分保持一致，這從側(cè)面驗(yàn)證了本文使用的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在潮白河流域具有良好的適用性。

3.4 潮白河流域干旱時(shí)間分析

利用潮白河流域1979—2018年逐月的地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集，采用彭曼蒸散發(fā)公式計(jì)算得到流域的平均潛在蒸散發(fā)量，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的面平均降水量計(jì)算潮白河流域不同時(shí)間尺度的SPEI值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 1979—2018年潮白河流域不同時(shí)間尺度的SPEI值變化曲線(xiàn)

從圖5中可以看出：隨著計(jì)算尺度的增加，SPEI值的波動(dòng)逐漸變緩，干旱歷時(shí)跨度越來(lái)越大。根據(jù)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，分別統(tǒng)計(jì)各時(shí)間尺度的SPEI值條件下的不同干旱等級(jí)的發(fā)生頻率。由SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6、SPEI-12值識(shí)別出該流域干旱情況均以輕旱和中旱為主，兩種干旱事件合計(jì)占所有干旱事件的75%以上。計(jì)算更多月份的降水和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)得到特旱發(fā)生次數(shù)逐漸減少、該流域干旱情況逐步向重旱演變的結(jié)論。當(dāng)考慮短期降水量和潛在蒸散發(fā)量對(duì)干旱的影響(圖5(a)和圖5(b))時(shí)，SPEI的線(xiàn)性斜率均為負(fù)值，此時(shí)流域干旱呈加重的趨勢(shì)。當(dāng)考慮中長(zhǎng)期降水量和潛在蒸散發(fā)量對(duì)干旱的影響(圖5(c)和圖5(d))時(shí)，SPEI的線(xiàn)性斜率均為正值，潮白河流域干旱呈減輕的趨勢(shì)。王立麗指出，在用標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)分析京津冀區(qū)域干旱情況時(shí)，無(wú)論從年尺度還是季節(jié)尺度來(lái)看，干旱情況都呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的推移而逐步緩解的趨勢(shì)[30]。

3.5 基于游程理論的干旱識(shí)別和重現(xiàn)期分析

干旱事件的發(fā)生往往帶有一定的滯后性和連續(xù)性，為了進(jìn)一步識(shí)別發(fā)生的干旱事件，通過(guò)游程理論分別對(duì)不同時(shí)間尺度的SPEI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。隨著計(jì)算尺度的增加，干旱事件發(fā)生次數(shù)逐漸減小，從圖5中月尺度的92次到季尺度的55次到半年尺度的41次再到年尺度的17次；歷時(shí)逐漸從短時(shí)間如1～3個(gè)月逐步向長(zhǎng)時(shí)間跨度變化，比如年尺度的最長(zhǎng)干旱歷時(shí)能達(dá)到24個(gè)月。將識(shí)別到的不同尺度下的干旱事件與潮白河流域?qū)嶋H干旱事件進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)季節(jié)尺度干旱事件的發(fā)生次數(shù)與相關(guān)公報(bào)[31]的吻合度較高。

采用3種截取水平(-0.5、-1.0和-1.5)對(duì)季節(jié)尺度的SPEI值進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可以看出：隨著截取水平k的變小，相同干旱歷時(shí)的干旱事件的重現(xiàn)期逐漸增大；同一截取水平k下干旱歷時(shí)越長(zhǎng)，相同干旱歷時(shí)的干旱事件的重現(xiàn)期越大。整體來(lái)看，流域發(fā)生干旱歷時(shí)為1～3個(gè)月且干旱水平在輕旱以上的干旱事件的重現(xiàn)期均小于10個(gè)月，這也說(shuō)明潮白河流域干旱以輕旱為主，中旱次之，并且干旱歷時(shí)主要集中在短時(shí)間尺度上。

表3 不同截取水平下相同干旱歷時(shí)的干旱事件的重現(xiàn)期 年

通過(guò)對(duì)季節(jié)尺度的SPEI值識(shí)別的干旱事件進(jìn)行分析，將1979—2018年這40年按每10年分為4個(gè)時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)段的干旱事件發(fā)生次數(shù)、總干旱烈度和平均干旱烈度以及主要干旱事件，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：4個(gè)時(shí)段的干旱發(fā)生次數(shù)相近，潮白河流域平均干旱程度表現(xiàn)為中旱；但是1989—1998年這個(gè)時(shí)段的干旱程度為輕旱，結(jié)合圖2和圖4的趨勢(shì)分析可知，在此時(shí)段,潮白河流域降水量增加而潛在蒸散發(fā)量減少，這可能是此時(shí)段干旱緩解的原因。

表4 季節(jié)尺度下不同時(shí)間階段潮白河流域干旱事件特征

3.6 潮白河流域季節(jié)干旱分析

為分析流域季節(jié)干旱的演變情況，采用氣象上常用的季節(jié)分類(lèi)方法，以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—次年2月為冬季，對(duì)季節(jié)尺度的SPEI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得結(jié)果如圖6所示。運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)法對(duì)潮白河流域四季的SPEI值進(jìn)行趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)表5。

圖6 1979—2018年潮白河流域季節(jié)干旱變化情況

表5 1979—2018年潮白河流域SPEI值年內(nèi)變化及M-K檢驗(yàn)結(jié)果

前文由季節(jié)尺度的SPEI值識(shí)別的干旱情況與實(shí)際的干旱情況較為一致，所以,本文主要對(duì)季節(jié)尺度的SPEI值做詳細(xì)分析。四季中除了秋季，春、夏、冬季節(jié)的SPEI趨勢(shì)變化的Sen斜率與SPEI-3值(多年季節(jié)平均SPEI值，圖5(b))的相同，均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。由于潮白河流域年內(nèi)降水主要集中在夏、秋季節(jié)，蒸散發(fā)集中在5—9月，這可能是秋季干旱情況有所緩解的原因。

由圖6和表5可知：流域春旱序列的UF統(tǒng)計(jì)量在2009年以前整體為正值，其變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，表明這一階段流域春旱得到緩解；此后UF統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)一直下降，UF值在2013年變?yōu)樨?fù)值，UF曲線(xiàn)均未超過(guò)0.05顯著性水平線(xiàn)，表明近年來(lái)流域春季干旱加劇但不顯著；春旱序列的UF和UB統(tǒng)計(jì)量在顯著性水平線(xiàn)內(nèi)出現(xiàn)多次交點(diǎn)，序列呈頻繁波動(dòng)變化，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)分析，春旱序列可能的突變年份為2010年，但隨著計(jì)算序列長(zhǎng)度的增加，突變年份2010年也消失，所以認(rèn)為春季干旱序列不存在突變點(diǎn)；流域夏旱序列的UF統(tǒng)計(jì)量呈先上升和后下降的變化，自2001年開(kāi)始變?yōu)樨?fù)值，這表明自2001年以來(lái)，流域夏旱開(kāi)始加劇，但趨勢(shì)并不明顯；夏季干旱序列的UF統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)在臨界線(xiàn)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)分析，夏季干旱序列不存在突變年份；秋季干旱序列的UF統(tǒng)計(jì)量自1985年起呈上升趨勢(shì)，并且超過(guò)了0.05顯著性水平線(xiàn)，這表明流域秋旱情況持續(xù)得到顯著緩解；流域秋旱序列的UF統(tǒng)計(jì)量在1985年左右出現(xiàn)交點(diǎn)，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)分析，1985年不是秋季干旱序列的突變點(diǎn)；流域冬旱序列的UF統(tǒng)計(jì)量在這40年內(nèi)出現(xiàn)多次波動(dòng)變化，UF統(tǒng)計(jì)量在負(fù)值區(qū)域頻繁變化，其變化曲線(xiàn)整體呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不顯著。對(duì)于冬季干旱序列突變點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，UF和UB統(tǒng)計(jì)量在0.05顯著性水平線(xiàn)內(nèi)出現(xiàn)多次交點(diǎn)，這表明冬旱序列趨勢(shì)變化頻繁，但UF和UB統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)交點(diǎn)值都小于零，說(shuō)明該流域的冬旱情況不容樂(lè)觀。結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)分析知，冬季干旱序列不存在明顯的突變點(diǎn)。由此可知，1979—2018年，潮白河流域春、夏、冬季有持續(xù)變干的趨勢(shì)，秋季的干旱情況得到緩解，流域內(nèi)四季的干旱序列變化都不存在顯著的突變年份。

3.7 潮白河流域干旱空間分析

基于從數(shù)據(jù)產(chǎn)品提取的潮白河流域的降水、氣溫、風(fēng)速、輻射、氣壓和相對(duì)比濕的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出季節(jié)尺度的標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)值。將1979—2018年分成4個(gè)時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)格點(diǎn)的干旱烈度和干旱發(fā)生頻率，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知：

圖7 潮白河流域平均干旱烈度變化情況

圖8 潮白河流域干旱頻率變化情況

1)1979—1988年，整個(gè)潮白河流域干旱程度較輕。除了流域中部和西南部部分地區(qū)剛達(dá)到中旱等級(jí)，流域整體情況表現(xiàn)為輕旱等級(jí)，流域最小SPEI值為-1.29；從干旱發(fā)生頻率來(lái)看，流域西部和南部地區(qū)干旱發(fā)生較頻繁，西北部地區(qū)干旱發(fā)生頻率最高可達(dá)到44%。

2)1989—1998年，流域干旱情況得到控制，中旱事件零星分布在西部地區(qū)。同時(shí)流域干旱發(fā)生頻率整體較上個(gè)時(shí)段的低。結(jié)合前文分析知，這個(gè)時(shí)段流域降水增多并且潛在蒸散發(fā)減弱，使干旱情況得到了一定程度的緩解。

3)1999—2008年，流域干旱的情況加劇，全流域的干旱狀況除流域東北部地區(qū)以外基本都達(dá)到了中旱等級(jí)，發(fā)生干旱較多的地區(qū)逐漸向流域中南部地區(qū)擴(kuò)散。

4)2009—2018年，流域的干旱烈度分布較以往時(shí)間段出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。流域東北部地區(qū)干旱程度嚴(yán)重，而流域其他地區(qū)的干旱情況得到了一定的緩解，流域干旱頻率極大值中心與干旱烈度極大值中心分布較為一致，集中在流域東北部地區(qū)，同時(shí)中西部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較上個(gè)時(shí)段增加，這與前文圖3描述的潮白河流域降水和潛在蒸散發(fā)變化趨勢(shì)具有一致性。

綜上所述，潮白河流域干旱程度在4個(gè)時(shí)段呈現(xiàn)出了較嚴(yán)重—減輕—持續(xù)加劇的變化規(guī)律，但近10年干旱分布表現(xiàn)出與以往不同的變化，流域東部和東北部地區(qū)干旱加劇，西部干旱情況得到緩解，這與流域降水和潛在蒸散發(fā)空間變化相吻合。

4 結(jié)論

基于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集，提取研究區(qū)域1979—2018年這40年的氣象數(shù)據(jù)，采用彭曼公式計(jì)算流域潛在蒸散發(fā)量，結(jié)合流域降水量計(jì)算不同尺度的流域標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)值，分析1979—2018年潮白河流域氣象干旱的時(shí)空分布特征，得出以下結(jié)論：

1)潮白河流域降水量和潛在蒸散發(fā)量分別以11.02 mm/(10年)和9.95 mm/(10年)的速度增長(zhǎng)，潮白河流域降水量呈增加趨勢(shì)，且降水增加量由西向東減少，潛在蒸散發(fā)量整體呈增加趨勢(shì)，且由西向東增加，這說(shuō)明潮白河流域東部區(qū)域的干旱風(fēng)險(xiǎn)變大。

2)潮白河流域干旱狀況主要表現(xiàn)為輕旱，其次為中旱，干旱歷時(shí)為1～3個(gè)月的干旱事件占所有干旱事件的絕大部分；月、季節(jié)尺度的SPEI值變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，半年、年尺度的SPEI值變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)；從季節(jié)的干旱分布來(lái)看，春、夏、冬季有著變干的趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不顯著；秋季干旱持續(xù)得到緩解，并且通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

3)將1979—2018年分為4個(gè)時(shí)間段，潮白河流域每10年發(fā)生干旱的次數(shù)變化不大；流域干旱情況在1989—1998年得到很大改善，但此后20年，流域干旱持續(xù)加劇；在空間分布上，近10年流域的干旱頻率和干旱烈度表現(xiàn)出與前30年不同的分布特征，流域東部和北部地區(qū)干旱情況嚴(yán)峻。