基于SPI指數(shù)的白洋淀流域干旱演變特征分析

劉叢偉, 胡珊珊, 張 濤, 楊 展

(1.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院 水資源安全北京實驗室, 北京 100048; 2.自然資源部 國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心, 北京 100048)

干旱是世界上最主要的自然災(zāi)害之一，其發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣[1]，可造成水資源短缺、糧食減產(chǎn)與土地退化等一系列問題[2]。IPCC的特別報告指出，全球氣溫與工業(yè)化前相比約高出1℃，氣候變暖將加劇全球干旱災(zāi)害的發(fā)生頻率[3-4]。據(jù)統(tǒng)計，我國在2012—2016年由旱災(zāi)所造成的經(jīng)濟損失高達2 889.7億元，約占全部氣象災(zāi)害所造成損失的15.6%。20世紀50年代以來，白洋淀受自然因素和人類活動的影響，濕地面積萎縮，干淀事件頻繁發(fā)生，嚴重制約了流域的社會經(jīng)濟發(fā)展[5]。白洋淀流域是我國重要的淡水產(chǎn)品生產(chǎn)基地，也是海河流域大清河水系中重要的蓄水樞紐，承擔(dān)著緩洪、治澇和蓄水灌溉的重要任務(wù)[6]。此外，白洋淀流域位于雄安新區(qū)上游，是其重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障。隨著雄安新區(qū)的建設(shè)，流域的人口和產(chǎn)業(yè)必將發(fā)生跨越式增長，因此，及時準確地開展干旱時空分布和演變規(guī)律研究，有助于科學(xué)有效地實施防旱減災(zāi)措施，保障新區(qū)的建設(shè)發(fā)展。

干旱指數(shù)是干旱監(jiān)測的基礎(chǔ)[7]，國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多的干旱指數(shù)對干旱特征進行量化研究，主要包括：綜合氣象干旱指數(shù)(CI)[8]、帕爾默干旱烈度指數(shù)(PDSI)[9]、降水距平百分率指數(shù)(Pa)[10]、廣義極值干旱指數(shù)(GEV)[11]、標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[12]、標準化降水指數(shù)(SPI)等[13]。其中，基于降水資料的SPI指數(shù)計算簡單，穩(wěn)定性好，具有多時間尺度和時空可比性等優(yōu)勢，在國內(nèi)外的干旱監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[14]。Hayes等[15]基于SPI指數(shù)對美國南部平原和西南部進行了研究，其監(jiān)測干旱的結(jié)果優(yōu)于PDSI指數(shù)；Ogunjo[16]采用SPI指數(shù)分析了尼日利亞不同尺度下的干旱特征和干旱演變規(guī)律；眾多研究證明了SPI指數(shù)在干旱監(jiān)測方面具有良好的適用性和可靠性。

盡管對白洋淀流域所屬海河流域的干旱相關(guān)研究很多，但有關(guān)白洋淀流域的研究較少，且多以站點數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)。本文基于0.1°分辨率的格點降水?dāng)?shù)據(jù)，采用SPI指數(shù)分析白洋淀流域在年和季節(jié)尺度下干旱的時空分布特征和變化趨勢，研究結(jié)果一方面可為流域抗旱減災(zāi)和雄安新區(qū)生態(tài)保護提供理論依據(jù)，另一方面可對白洋淀流域干旱研究空白進行補足。

1 研究區(qū)概況

白洋淀流域位于海河流域中部，地跨晉、冀、京3省市(113°39′—116°20′E，38°23′—40°09′N)，流域面積約3.0×104km2，海拔高差約2 500 m。流域地勢整體為西北高、東南低，包括大清河山區(qū)和淀西平原兩部分，其中西北部山區(qū)面積16 536 km2，占53%，東南部平原面積14 700 km2，占47%。白洋淀流域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，平原區(qū)年平均氣溫12.7℃，山區(qū)7.4℃。流域多年平均降水量563.9 mm，80%的降水量集中在7—9月這3個月的汛期內(nèi)。受地形的影響，降水量空間差異較大，其中太行山迎風(fēng)坡前降雨較大，平原和背風(fēng)坡較小，流域內(nèi)不同地區(qū)年降水量最大值是最小值的3倍[17]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)包括降水格點數(shù)據(jù)和干旱災(zāi)害歷史記錄資料。其中計算SPI指數(shù)所用的數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.tpdc.ac.cn/)發(fā)布的中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集[18]的月值數(shù)據(jù)，包括1979—2018年研究區(qū)所在的379個格網(wǎng)的降水?dāng)?shù)據(jù)，時間分辨率為3 h，水平空間分辨率為0.1°[19]。干旱災(zāi)害歷史記錄資料來源于《中國氣象干旱大典(河北卷)》和《中國氣象災(zāi)害年鑒》，用于驗證歷史階段的干旱特征。

2.2 研究方法

(1) SPI指數(shù)計算原理。SPI指數(shù)是由美國學(xué)者Mckee等[13]提出，可以對不同時間尺度的區(qū)域干旱進行定量化的表征[20]。SPI指標考慮了降水服從偏態(tài)分布的事實，對降水進行了正態(tài)標準化處理，具體計算見參考文獻[21—22]。

根據(jù)SPI的正態(tài)分布曲線，參照國家氣候中心的劃分標準劃分旱澇等級，確定相應(yīng)的SPI界限值：SPI值為0～0.5為無旱或正常，0.5～1為輕微干旱，1～1.5為中等干旱，1.5～2為重度干旱，≥2為極端干旱[23]。

不同時間尺度下的SPI值具有不同的物理意義，其中SPI3反映了短期土壤的水分盈虧，與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切；SPI12能較清楚地反映長時期的旱澇變化規(guī)律。故此，本文選用SPI3和SPI12分別表征季節(jié)尺度和年尺度的干旱變化特征。

(2) 干旱頻率。干旱頻率Pi指某格點i有資料年份內(nèi)發(fā)生干旱的年份占比[24]，計算公式如下：

(1)

式中:N為某站有氣象資料的年數(shù)；n為該站發(fā)生干旱的總年數(shù)。

(3) 干旱面積比。干旱面積比Sd指發(fā)生干旱的格點數(shù)在流域總格點數(shù)中的占比，計算公式如下：

(2)

式中:S1為干旱格點數(shù)；S2為流域總格點數(shù)。

(4) Mann-Kendall非參數(shù)性檢驗。在時間序列趨勢分析中，Mann-Kendall非參數(shù)性檢驗法是一種已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法[25]。通過對檢驗的統(tǒng)計變量進行標準化得到統(tǒng)計量Z，若Z>0，則序列呈上升趨勢；若Z<0，則序列呈下降趨勢。本文中所描述的顯著性檢驗均為|Z|≥1.96，表示序列通過了95%的顯著性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 白洋淀流域干旱頻次分布特征

根據(jù)干旱等級劃分標準，將計算得到的SPI值劃分為年尺度和季節(jié)尺度，并歸納不同等級的干旱頻次。從圖1可以看出，研究區(qū)域發(fā)生輕旱的頻次最高，中旱次之，其次為重旱，發(fā)生頻次最少的為特旱。在年尺度上，干旱年份共有12 a，占全部年份的30%，1981年、1984年、1997年和2001年達到重旱。春季干旱年份共有16 a，占全部年份的40%，1996年與2013年達到重旱；夏季干旱年份共有15 a，占全部年份的37.5%，1997年達到重旱；秋季干旱年份共有13 a，占全部年份的32.5%，2006年與2018年達到特旱；冬季干旱份共有14 a，占全部年份的35.9%，1999年與2012年達到特旱?？傮w來看，春季和夏季干旱頻次較高，冬季和秋季干旱頻次較低，但是特旱集中分布在秋季和冬季。

圖1 年尺度和季節(jié)尺度干旱頻次分布

3.2 白洋淀流域干旱時間變化特征

圖2為1979—2018年白洋淀流域年尺度和季節(jié)尺度干旱指數(shù)變化曲線，由圖可知流域年、秋季和冬季干旱指數(shù)呈波動上升趨勢，線性傾向率分別為0.05/10 a，0.32/10 a，0.16/10 a；流域春季和夏季干旱指數(shù)呈下降趨勢，線性傾向率均為-0.06/10 a。采用M-K法對其進行顯著性檢驗，年、春季和夏季均未通過顯著性檢驗，秋季和冬季通過顯著性檢驗，結(jié)果表明1979—2018年白洋淀流域年尺度呈微弱的濕潤趨勢，春季和夏季呈弱變干趨勢，秋季和冬季呈較為明顯的濕潤趨勢。

圖2 1979-2018年白洋淀流域年尺度與季節(jié)尺度的干旱指數(shù)變化

圖3為白洋淀流域年尺度和季節(jié)尺度干旱面積變化圖。從圖中數(shù)據(jù)進一步分析可知，1979—2018年白洋淀流域年尺度干旱面積比的均值為31.2%，春、夏、秋、冬4個季節(jié)的干旱面積比均值分別為35.5%，31.9%，32.4%，31.4%，表明干旱面積在整個流域占比較高，春季流域發(fā)生干旱的面積最大，其他季節(jié)干旱發(fā)生面積相差較小。采用M-K法對其進行顯著性檢驗，年尺度干旱面積呈不顯著減少趨勢，春旱和夏旱的面積呈不顯著增加趨勢，冬旱面積呈不顯著減少趨勢，秋旱的面積呈顯著減少趨勢。

圖3 白洋淀流域年尺度和季節(jié)尺度干旱面積變化

3.3 白洋淀流域干旱空間分布特征

白洋淀流域年尺度干旱頻率空間分布見圖4，年尺度下不同等級干旱發(fā)生頻率在空間上差異較大。白洋淀流域輕旱發(fā)生頻率在2.5%～25%，大清河北部山區(qū)、淀區(qū)平原南部和東南邊緣都是輕旱的高發(fā)區(qū)域；中旱發(fā)生頻率在0～22.5%，流域東北部山區(qū)向平原區(qū)過渡的丘陵區(qū)和平原區(qū)是高發(fā)地帶；重旱發(fā)生頻率在0～12.5%，大清河山區(qū)北部是發(fā)生頻率較高的地區(qū)；特旱發(fā)生頻率在0～2.5%，在大清河山區(qū)的西部和淀區(qū)平原南部偶有發(fā)生?？傮w來看，下游平原區(qū)發(fā)生輕旱和中旱的頻率高于上游山區(qū)，但上游山區(qū)發(fā)生重旱和特旱的頻率更高。

圖4 白洋淀流域年尺度干旱頻率空間分布

圖5為白洋淀流域季節(jié)尺度下干旱頻率空間分布，由圖可知不同等級干旱的發(fā)生頻率空間分布呈現(xiàn)明顯的差異性。輕旱發(fā)生頻率最高可達30.8%，且在整個流域分布都較為廣泛，春冬頻發(fā)的區(qū)域范圍大于夏秋；中旱發(fā)生頻率最高可達25.6%，在不同季節(jié)的高頻分布區(qū)域具有較大差異，春季最廣泛，冬季次之，其次是夏季和秋季，較高頻率的地區(qū)位于大清河山區(qū)南部和淀區(qū)平原北部；重旱發(fā)生頻率最高為15.4%，秋季分布地區(qū)最廣泛，頻率較高的地區(qū)集中在淀區(qū)平原北部；特旱在全年發(fā)生的頻率均低于2.5%，主要出現(xiàn)在大清河山區(qū)西部和淀區(qū)平原南部。

圖5 白洋淀流域季節(jié)尺度干旱頻率空間分布

4 討 論

本文結(jié)果表明白洋淀流域1979—2018年年尺度上呈干旱緩解趨勢，季節(jié)尺度上春季和夏季呈現(xiàn)弱干旱趨勢，秋季和冬季呈現(xiàn)較為明顯的濕潤化趨勢。此前有研究表明海河流域在1980—2017年干旱呈緩解趨勢，春末濕潤化趨勢顯著，夏季呈干旱趨勢[26-27]，其結(jié)果與本文研究得到的結(jié)論基本一致。本研究檢測表明白洋淀流域在1981年、1984年、1997年和2001年出現(xiàn)了重度干旱，而《中國氣象干旱大典(河北卷)》記載顯示：1981年出現(xiàn)春旱和秋旱，降雨比常年減少40%，海灤河系600多條支流斷流；1984年河北全省地下水顯著下降，淺層地下水比1983 年下降 1.5 m；1997年出現(xiàn)全省范圍特大干旱。檢測年份和年鑒記載的干旱年份基本吻合，說明基于SPI干旱指數(shù)可以較好地反映白洋淀流域干旱年份與干旱等級。

在季節(jié)尺度下，流域春夏季呈弱干旱趨勢，秋冬季呈明顯緩解趨勢。分析春夏季干旱原因，一方面由于研究區(qū)位于華北平原，降雨集中分布在7—8月份，春季降雨量少，在蒙古大陸性氣團的影響下，春季氣溫回升速度快，且風(fēng)速較大，氣候干燥，蒸發(fā)量較大[28]。另一方面夏季研究區(qū)受蒙古高壓和西太平洋副熱帶高壓的增強及位移影響，導(dǎo)致水汽難以輸送至流域，降水隨之減少[29]。加之近年來暖干氣候逐漸發(fā)展，因此流域春、夏季干旱呈加重趨勢，如1986年、1989—1990年、1992—1993年、2007年均出現(xiàn)了春夏連旱。

干旱對于白洋淀流域具有不可忽視的負面影響，由于干旱頻繁發(fā)生，白洋淀在過去的幾十年中，曾遭遇過數(shù)次的干淀與萎縮情況，淀區(qū)的水質(zhì)和水生態(tài)趨向惡化，地下水位趨于下降[30]。隨著雄安新區(qū)的建設(shè)，流域內(nèi)工業(yè)和城市用水必然會增加，干旱的頻繁發(fā)生將導(dǎo)致地面徑流減少甚至斷流，會加劇地下水使用甚至超采，產(chǎn)生地下水漏斗等隱患危害流域內(nèi)人民生命財產(chǎn)安全[31]。此外，本文研究表明白洋淀流域春夏季干旱情況趨向加重趨勢，春旱對于流域內(nèi)春季農(nóng)作物耕種具有不利影響，而春夏連旱此種持續(xù)的大范圍干旱將會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，進而成為流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的建設(shè)發(fā)展的重大阻礙。

盡管本文的研究結(jié)果顯示近年來白洋淀流域的氣象干旱情況呈現(xiàn)緩解趨勢，但諸多研究表明白洋淀流域的濕地面積仍然在快速萎縮[32]，河流徑流量顯著減少[33]，水生態(tài)狀況呈惡化趨勢[34]，地下水位為多年下降狀態(tài)[35]。這說明盡管氣象干旱沒有明確的干旱化趨勢，但是水文干旱和社會經(jīng)濟干旱仍舊在持續(xù)發(fā)展。因此，在研究白洋淀流域氣象干旱的基礎(chǔ)上，未來將進一步開展氣象干旱向水文干旱的傳播過程研究。

5 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)域發(fā)生輕旱的頻次最高，其次為中旱，再后為重旱，發(fā)生頻次最少的為特旱，春季和夏季干旱頻次較高，冬季和秋季干旱頻次較低，但是特旱集中分布在秋季和冬季。

(2)干旱面積在整個流域占比較高，年尺度和季節(jié)尺度干旱面積占比均值均超過30%，春季流域發(fā)生干旱的面積最大；1979—2018年白洋淀流域年尺度呈微弱的濕潤趨勢，干旱面積呈不顯著減少趨勢；春季和夏季呈弱變干趨勢，干旱面積不顯著增加；秋季和冬季呈較為明顯的濕潤趨勢，秋季干旱面積顯著減少。

(3) 不同等級的干旱發(fā)生頻率空間分布呈現(xiàn)明顯的差異性，大清河北部山區(qū)、淀區(qū)平原南部和東南邊緣是輕旱的高發(fā)區(qū)域，東北部山區(qū)向平原區(qū)過渡的丘陵區(qū)和平原區(qū)是中旱的高發(fā)地帶，大清河山區(qū)北部是重旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)，特旱僅在大清河山區(qū)的西部和淀區(qū)平原南部偶有發(fā)生。