丹江口庫(kù)區(qū)多時(shí)間尺度旱澇變化特征研究

裴志方　張佈霞　韓迎春　吳彬

摘要：利用丹江口庫(kù)區(qū)1961年-2019年21個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算了多個(gè)時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)，探究了庫(kù)區(qū)旱澇時(shí)空變化特征，以期為庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與管理提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：時(shí)間尺度越小，庫(kù)區(qū)旱澇發(fā)生越頻繁，反之越穩(wěn)定，庫(kù)區(qū)干旱發(fā)生頻率高于洪澇頻率，而庫(kù)區(qū)未來(lái)呈偏濕趨勢(shì)；除1個(gè)月時(shí)間尺度外，其余時(shí)間尺度庫(kù)區(qū)干旱與洪澇頻率空間分布特征相反，而庫(kù)區(qū)旱澇變化趨勢(shì)空間分布較為一致；庫(kù)區(qū)多時(shí)間尺度旱澇周期交替現(xiàn)象一致，主要時(shí)間尺度以28年-32年、6年、14年為主，未來(lái)幾年庫(kù)區(qū)呈偏澇趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：旱澇；標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)；多時(shí)間尺度；丹江口庫(kù)區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著全球氣候變化顯著，極端氣候事件頻發(fā)，人類(lèi)面臨的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，生存環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。旱澇災(zāi)害因影響范圍廣，破壞性強(qiáng)，是當(dāng)前最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害。此外，旱澇問(wèn)題十分復(fù)雜，且對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響極具破壞性。因此，研究旱澇災(zāi)害的時(shí)空特征以及演變規(guī)律，對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及防災(zāi)減災(zāi)政策的制定具有重要意義。丹江口庫(kù)區(qū)是南水北調(diào)中線(xiàn)工程核心水源區(qū)，在緩解中國(guó)北方水資源短缺問(wèn)題方面發(fā)揮了重要作用。庫(kù)區(qū)屬大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，水熱資源豐富，但降水時(shí)空分布不均，極易發(fā)生旱澇災(zāi)害，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)，因此，加強(qiáng)庫(kù)區(qū)旱澇演變規(guī)律研究顯得尤為迫切。針對(duì)庫(kù)區(qū)旱澇，學(xué)者們進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，但均未深入探討時(shí)空演變規(guī)律及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，因而開(kāi)展此項(xiàng)研究很有必要。此研究基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standard-ized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）從多個(gè)時(shí)間尺度對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)旱澇的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，揭示其旱澇的演變規(guī)律，為庫(kù)區(qū)旱澇減災(zāi)工作以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

丹江口水庫(kù)地處鄂西北與豫西南交界處，位于漢江中上游，是南水北調(diào)中線(xiàn)工程的水源地。庫(kù)區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為11℃～16.0℃，多年平均降水量為700-1100mm，降水季節(jié)分配不均，主要集中在6-9月。庫(kù)區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，呈西北高東南低的地勢(shì)，西北部以低海拔中小起伏山地為主，東南部以丘陵和平原為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

此研究獲取了丹江口庫(kù)區(qū)及其周邊21個(gè)氣象站點(diǎn)1961年-2019年的逐日觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照等，來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。為保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性，針對(duì)部分存在缺測(cè)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了線(xiàn)性插補(bǔ)。此外，此研究中涉及的行政區(qū)劃、DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）。

1.3 研究方法

此研究利用Pennian-Monteith公式計(jì)算了丹江口庫(kù)區(qū)及周邊各站點(diǎn)的潛在蒸散量，接著，又分別計(jì)算了各站點(diǎn)1、3、6、12個(gè)月尺度的SPEI值，參考前人研究，對(duì)SPEI指數(shù)進(jìn)行旱澇等級(jí)劃分。在分析過(guò)程中，主要采用了氣候傾向率、Sen+Mann-Kendall分析法、Morlet小波分析法、IDW空間插值法等方法對(duì)庫(kù)區(qū)旱澇時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 丹江口庫(kù)區(qū)旱澇時(shí)間變化特征

從時(shí)間序列上看（如圖1所示），研究期間，不同時(shí)間尺度SPEI值存在顯著差異，時(shí)間尺度越小，旱澇發(fā)生越頻繁，反之，旱澇特征越穩(wěn)定。1個(gè)月時(shí)間尺度上，旱澇交替頻繁，幾乎每年都會(huì)發(fā)生旱澇，且季節(jié)分布不均，而3個(gè)月時(shí)間尺度旱澇交替頻繁度降低，出現(xiàn)一些季節(jié)性的旱澇特征。6個(gè)月時(shí)間尺度上，旱澇季節(jié)性特征明顯，而12個(gè)月時(shí)間尺度上，旱澇特征較穩(wěn)定。由于SPEI值對(duì)降水和氣溫敏感，短時(shí)間尺度下丹江口庫(kù)區(qū)旱澇頻率頻繁，但總體來(lái)看，多時(shí)間尺度下丹江口庫(kù)區(qū)旱澇頻率較為一致，而干旱發(fā)生頻率高于洪澇頻率。

從年際變化看（如圖2所示），在1個(gè)月時(shí)間尺度上，庫(kù)區(qū)SPEI值呈輕微增加趨勢(shì)，但不顯著，UF曲線(xiàn)與UB曲線(xiàn)存在一個(gè)交點(diǎn)，即在1970年發(fā)生旱澇突變。在3個(gè)月時(shí)間尺度上，庫(kù)區(qū)SPEI值也呈輕微增加趨勢(shì)，也不顯著，UF與UB曲線(xiàn)短期內(nèi)存在多個(gè)交點(diǎn)，如1963年-1969年、2011年-2019年期間，表明旱澇交替頻繁。在6個(gè)月時(shí)間尺度上，庫(kù)區(qū)SPEI值變化趨勢(shì)不明顯，UF與UB曲線(xiàn)在1963年、1966年、1974年、2019年存在交點(diǎn)，其中1963年旱澇突變特征較為明顯。在12個(gè)月時(shí)間尺度上，庫(kù)區(qū)SPEI值呈增加趨勢(shì)，同樣不顯著，UF與UB曲線(xiàn)在1964年、1965年、1975年、1977年、1979年存在交點(diǎn)，其中在1977年之后逐漸轉(zhuǎn)為澇年?？傮w來(lái)看，多時(shí)間尺度下丹江口庫(kù)區(qū)未來(lái)呈偏濕趨勢(shì)，但不顯著，研究期間未見(jiàn)有顯著的突變年。

2.2 丹江口庫(kù)區(qū)旱澇空間變化特征

對(duì)庫(kù)區(qū)1961年-2019年旱澇發(fā)生空間頻率分布進(jìn)行分析，可以看到（如圖3所示），庫(kù)區(qū)短時(shí)間尺度旱澇頻率均較低，隨著時(shí)間尺度的增加，旱澇頻率增加，除1個(gè)月時(shí)間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征一致外，其余時(shí)間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征相反。從空間變化趨勢(shì)看（如圖4所示），研究期間，庫(kù)區(qū)多個(gè)時(shí)間尺度的旱澇變化趨勢(shì)空間分布較為一致，其中淅川及西峽西部呈增加趨勢(shì)，表明這些區(qū)域未來(lái)易發(fā)生洪澇，其余區(qū)域呈減少趨勢(shì)，干旱趨勢(shì)明顯。

2.3 丹江口庫(kù)區(qū)旱澇周期性特征

利用Morlel小波對(duì)庫(kù)區(qū)多時(shí)間尺度旱澇的周期性進(jìn)行分析。1個(gè)月時(shí)間尺度上（如圖5所示），庫(kù)區(qū)主要在4-8年、10-16年、24-32年時(shí)間尺度上發(fā)生旱澇周期性交替現(xiàn)象，從小波方差圖可以得到，主要時(shí)間尺度為28年（第一主周期）、5年（第二主周期）、14年（第三主周期），從時(shí)頻圖來(lái)看，第一、三主周期波動(dòng)穩(wěn)定，第二主周期波動(dòng)頻繁，而其余時(shí)間尺度上，庫(kù)區(qū)旱澇周期性交替現(xiàn)象基本與1個(gè)月時(shí)間尺度一致?？傊?，多時(shí)間尺度下庫(kù)區(qū)旱澇主要時(shí)間尺度以28-32年（第一主周期）、6年（第二主周期）、14年（第三主周期）為主，未來(lái)幾年庫(kù)區(qū)呈現(xiàn)偏澇趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的防范措施。

3 結(jié)論

此研究從多個(gè)時(shí)間尺度對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)1961年-2019年旱澇的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。時(shí)間上，時(shí)間尺度越小，庫(kù)區(qū)旱澇發(fā)生越頻繁，反之越穩(wěn)定，庫(kù)區(qū)干旱發(fā)生頻率高于洪澇頻率，而庫(kù)區(qū)未來(lái)呈偏濕趨勢(shì)?？臻g上，除1個(gè)月時(shí)間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征一致外，其余時(shí)間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征相反，庫(kù)區(qū)多時(shí)間尺度旱澇變化趨勢(shì)空間分布較為一致。在周期性上，多時(shí)間尺度下庫(kù)區(qū)旱澇周期交替現(xiàn)象基本一致，未來(lái)幾年庫(kù)區(qū)呈現(xiàn)偏澇趨勢(shì)。由于庫(kù)區(qū)自然環(huán)境復(fù)雜，不同地域間旱澇特征差異可能較大，而只結(jié)合站點(diǎn)數(shù)據(jù)可能不足以充分反映庫(kù)區(qū)的旱澇信息，此外，由于旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)可能因地域問(wèn)題不夠準(zhǔn)確，此研究只是以相對(duì)旱澇情況來(lái)進(jìn)行分析。因此，下一步還需結(jié)合多源遙感等數(shù)據(jù)，全面來(lái)探討庫(kù)區(qū)的旱澇情況，以此為庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與管理提供參考依據(jù)。