基于SPEI的若爾蓋濕地干濕時(shí)空演變特征分析

羅登澤, 靳曉言, 強(qiáng)皓凡, 梁 川

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610065; 2.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610066)

水分盈虧對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響重大，而水分虧缺引起的干旱現(xiàn)象，是目前全球最為嚴(yán)重的氣象水文災(zāi)害之一[1]。在全球變暖的趨勢(shì)下，區(qū)域氣候的干濕狀況將發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇干旱進(jìn)程[2]。我國(guó)干旱具有普遍性、連續(xù)性、季節(jié)性、地域性等特征，其不僅直接影響我國(guó)的糧食安全，還進(jìn)一步影響水循環(huán)及其伴生水環(huán)境、水生態(tài)和水沙過(guò)程[3]。近年來(lái)，我國(guó)西南地區(qū)近年干旱頻發(fā)，如2003年西南伏秋旱、2005年云南春旱、2006年川渝伏旱、2009年西南秋冬春連旱等[4-6]，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。定量分析干濕的時(shí)空演變特征對(duì)區(qū)域抗旱減災(zāi)意義重大[7]。

目前，描述干旱現(xiàn)象主要通過(guò)干旱指數(shù)進(jìn)行。常用的干旱指數(shù)有Palmer干旱指數(shù)(PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)以及相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)M等[8]。其中，Vicente-Serrano等[9]于2010年提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)同時(shí)考慮了溫度與降水對(duì)干旱的影響，并繼承了SPI多時(shí)間尺度的應(yīng)用性，在我國(guó)年均降水量大于200 mm的地區(qū)有良好適用性[10]，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。如張艷芳等[11]利用SPEI討論了黃河源區(qū)干旱時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)源區(qū)近10 a來(lái)干旱程度減弱，呈暖濕化趨勢(shì)。王東等[6]應(yīng)用SPEI對(duì)西南地區(qū)干旱時(shí)空特征進(jìn)行研究，指出西南地區(qū)近53 a來(lái)呈干旱化趨勢(shì)。王麗茜等[12]基于SPEI對(duì)長(zhǎng)江上游干旱變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江上游東部地區(qū)干旱趨勢(shì)嚴(yán)重，而西北地區(qū)趨濕。

若爾蓋濕地地處青藏高原東北部，是世界上面積最大的高原濕地，其主導(dǎo)功能是水源涵養(yǎng)，兼具徑流調(diào)節(jié)、生態(tài)多樣性保護(hù)、沙化控制、調(diào)節(jié)局部小氣候、環(huán)境自凈及固碳等輔助生態(tài)功能[13]。若爾蓋濕地位于長(zhǎng)江、黃河上游源區(qū)，素有黃河“蓄水池”之稱，其興衰對(duì)長(zhǎng)江、黃河的水源涵養(yǎng)、生態(tài)保護(hù)至關(guān)重要[14]。隨著近年來(lái)全球變暖與人為活動(dòng)的影響，濕地面積不斷減小，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化及黃河上游徑流量持續(xù)減小[15]。因此，研究分析該區(qū)域干濕時(shí)空演變特征意義重大。目前專門針對(duì)若爾蓋濕地干濕演變的研究較少，且以往的研究方法忽略了干旱發(fā)生的隨機(jī)性、模糊性和穩(wěn)定性，缺乏對(duì)干旱不確定性的度量。云模型考慮了定性概念的隨機(jī)性與模糊性，并實(shí)現(xiàn)了與定量值的相互轉(zhuǎn)換，為干濕時(shí)空演變特征提供了新的研究方法[16-17]。為此，本文基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、云模型、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)等方法分析若爾蓋濕地干濕時(shí)空演變特征，以期為江河源區(qū)干旱進(jìn)程變化及濕地生態(tài)維護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與資料

若爾蓋濕地(32°20′—34°00′N，101°36′—103°30′E)地處青藏高原東緣(圖1)，是我國(guó)特有的沼澤分布區(qū)，還是全球面積最大的高原濕地，生態(tài)研究意義重大。該區(qū)域?qū)俅箨懶愿咴瓪夂颍錆駶?rùn)，霜凍期長(zhǎng)，日溫差大，平均海拔3 500 m，年均降水量600～800 mm，年平均氣溫1℃左右[18]。

圖1若爾蓋濕地及其周邊氣象站分布

本文氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，由于研究區(qū)站點(diǎn)較少，選取若爾蓋濕地及其周邊地區(qū)共19個(gè)氣象站1961—2016年逐日氣象資料，包括降水量(P)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、平均氣溫(Tmean)、相對(duì)濕度(RH)，10 m風(fēng)速(U10)、大氣壓強(qiáng)(p)和日照時(shí)數(shù)(n)。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)計(jì)算 SPEI指數(shù)通過(guò)計(jì)算降水量與蒸散量的差值，比較其與平均狀態(tài)的離散程度并以此來(lái)反映某地區(qū)的干旱狀態(tài)[12]，具體計(jì)算步驟如下：

(1) 計(jì)算研究區(qū)域的潛在蒸散量(PET)。本文采用FAO-56推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算潛在蒸散量。P-M公式計(jì)算的潛在蒸散量考慮了溫度、風(fēng)速、氣壓和相對(duì)濕度等要素，與干旱區(qū)或濕潤(rùn)區(qū)的實(shí)際參考作物蒸散量均較為符合[19]，其計(jì)算公式如下[20]：

(1)

式中：Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；γ為干濕計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；U2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；Rn為凈輻射(MJ/m)；G為土壤熱通量(MJ/m2)；T為平均氣溫(℃)；es為飽和水氣壓(kPa)；ea為實(shí)際水氣壓(kPa)。除凈輻射Rn應(yīng)進(jìn)行地區(qū)校正外，各變量根據(jù)FAO方法計(jì)算[21]。本文采用Yin等[20]輻射矯正的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算Rn。

(2) 計(jì)算逐月降水量與蒸散量的差值：

Dj=Pj-PETj

(2)

式中：Dj為某月水分盈虧情況；Pj為某月降水量；PETj為某月潛在蒸散量。

(3)

(4)

式中：F(x)為概率分布函數(shù)；參數(shù)α，β，γ依次為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)，通過(guò)線性矩法擬合得到。

(5)

(6)

式中：C0=2.515517；C1=0.802853；C2=0.010328；D1=1.432788；D2=0.189269；D3=0.001308。當(dāng)p>0.5時(shí)，將p替代為1-p并且SPEI取負(fù)值。

SPEI具有多時(shí)間尺度(可取1月、3月、6月、9月、12月、24月等)特征，文中主要分析12個(gè)月時(shí)間尺度下的SPEI指數(shù)。參考《氣象干旱等級(jí)》[22]及劉珂[2]、莊少偉[10]等對(duì)SPEI干濕等級(jí)的劃分，將干旱劃分為7個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 SPEI指數(shù)干旱等級(jí)劃分

1.2.2 云模型 設(shè)U是一個(gè)精確數(shù)值量表示的論域，C為U上的定性概念，對(duì)于任一論域中的元素x，存在一個(gè)有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)u(x)∈[0,1]，稱為x對(duì)C的隸屬度，則x在U上分布稱為云，每個(gè)x稱為一個(gè)云滴，即對(duì)定性概念的定量描述。采用期望Ex、熵En和超熵He來(lái)描述云模型的數(shù)字特征。其中,期望Ex表示定性概念平均值的大小；熵En表示定性概念的不確定度，即對(duì)應(yīng)云滴相對(duì)于平均值的離散程度；超熵He是熵En的熵，反映了熵的穩(wěn)定程度，即云滴的凝聚性，亦即云層的厚度[17]。采用逆向云發(fā)生器計(jì)算Ex，En和He，實(shí)現(xiàn)定量數(shù)值到定性概念的轉(zhuǎn)化[23]。

1.2.3 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法(簡(jiǎn)稱M-K法)是廣泛應(yīng)用于水文和氣象隨機(jī)序列趨勢(shì)分析的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，無(wú)需樣本服從特定分布，且不受少數(shù)異常值的干擾[7]。本文采用M-K法分析若爾蓋濕地年尺度SPEI變化趨勢(shì)及顯著性水平。

1.2.4 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解是分析氣候時(shí)空演變特征時(shí)常用的方法。其原理是以矩陣的形式表示研究地區(qū)各站點(diǎn)不同時(shí)序氣候要素的觀測(cè)資料(m為該地區(qū)觀測(cè)站，n觀測(cè)時(shí)序):

(7)

將變量Xm×n看作是k個(gè)空間特征向量和對(duì)應(yīng)時(shí)間權(quán)重系數(shù)的線性組合:

Xm×n=Vm×k·Tk×n

(8)

式中:T為時(shí)間系數(shù)；V為空間特征向量，又稱空間模態(tài)。這一過(guò)程將變量場(chǎng)的主要信息集中由幾個(gè)典型特征向量表現(xiàn)出來(lái)[24]。本文對(duì)年尺度SPEI指數(shù)的年均變量場(chǎng)進(jìn)行EOF分解，提取并分析典型特征向量，以此研究若爾蓋濕地干濕時(shí)空變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕時(shí)間分布特征的云模型分析

云模型能有效地描述干濕變化狀況，且能把干旱量化，并對(duì)其不均勻性的穩(wěn)定程度進(jìn)行定量分析[17]。根據(jù)1961-2016年若爾蓋濕地各站點(diǎn)年及季度氣象資料計(jì)算各站點(diǎn)SPEI，對(duì)各站點(diǎn)不同時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)取算術(shù)平均值，作為該研究區(qū)相應(yīng)時(shí)間尺度的面SPEI指數(shù)。以每年年、春、夏、秋、冬不同時(shí)間尺度的面SPEI指數(shù)作為樣本點(diǎn)，選取逆向云發(fā)生器算法計(jì)算不同時(shí)間尺度SPEI隸屬云的數(shù)字特征(表2)，然后根據(jù)正向云發(fā)生器算法計(jì)算云滴得到年SPEI隸屬云圖(圖2)。

表2 若爾蓋濕地SPEI時(shí)間分布隸屬云的數(shù)字特征值

圖2若爾蓋濕地年尺度SPEI指數(shù)時(shí)間分布隸屬云

云模型中，Ex越小，SPEI平均值亦越小，干旱程度越重；En越大，SPEI相對(duì)于平均值越分散，即干旱程度波動(dòng)越大；He越大，干旱程度的不均勻性越不穩(wěn)定。由圖2、表2可知，近56 a來(lái)若爾蓋濕地SPEI均值為0.008，說(shuō)明全年來(lái)看若爾蓋濕地處于正常水平，不表現(xiàn)為明顯干旱或濕潤(rùn)；熵值(En)為1.078，結(jié)合隸屬云圖可知，云滴分布較為分散，表明SPEI分布不均勻程度較大；超熵值(He)為0.336，結(jié)合隸屬云圖，同一SPEI值對(duì)應(yīng)多個(gè)云滴，云層厚度較大，表明干濕變化不均勻程度的穩(wěn)定性較差。由表2可知，季節(jié)尺度上，Ex在春、冬兩季為負(fù)值，且春季(-1.306)小于冬季(-0.769)，說(shuō)明若爾蓋濕地在春、冬兩季存在明顯干旱情況，且春季更為嚴(yán)重，多年平均水平表現(xiàn)為中度干旱；冬季的En，He為最小值，說(shuō)明冬季干旱發(fā)生集中，且干旱趨勢(shì)化穩(wěn)定；春季的En，He值大于冬季，但小于夏季和秋季，表明春季干旱較為集中，干旱不均勻性較為穩(wěn)定；夏、秋兩季Ex為正值，說(shuō)明夏季和秋季不干旱，秋季較夏季干濕變化更為分散，且變化的不均勻性更加穩(wěn)定。

2.2 SPEI的年際變化特征及M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

從SPEI指數(shù)年際變化趨勢(shì)(圖3A)可以看出，若爾蓋濕地SPEI變化區(qū)間為-2.417～1.950，存在較多干旱或濕潤(rùn)年。年SPEI以-0.142/10 a傾向率呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，表明濕地呈干旱化趨勢(shì)；其中SPEI最小值出現(xiàn)在2002年，為-2.417，屬極端干旱，且研究時(shí)段內(nèi)有1 a發(fā)生重度干旱，10 a發(fā)生輕度干旱。進(jìn)一步根據(jù)累計(jì)距平曲線可知，近56 a來(lái)，濕地年SPEI總體大致呈“高—低—高—低”變化趨勢(shì)，即“偏濕—偏干—偏濕—偏干”的階段變化特征，4個(gè)階段分別為1961—1968年、1969—1974年、1975—1994年、1995—2016年，各階段平均年SPEI為0.869，-0.860，0.270，-0.306。1995年后，SPEI頻繁出現(xiàn)負(fù)值，干旱發(fā)生情況明顯增多，這與王東等[6]的研究結(jié)果一致。自2010年開(kāi)始，年SPEI變化趨于平緩，濕地?zé)o明顯干旱或濕潤(rùn)年。

為進(jìn)一步分析若爾蓋濕地SPEI的年際變化特征，采用Mann-Kendall法對(duì)其進(jìn)行趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)和突變分析，見(jiàn)圖3B。年SPEI除1964年與1967年左右呈上升趨勢(shì)外，其余年份均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明濕地近年來(lái)年際干旱呈加重趨勢(shì)。在0.05顯著性臨界線內(nèi)，UF，UB曲線于1969年、1975年、1978年、1980年、1985年、1988年、1992年相交，交點(diǎn)之后UF線未通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)，為進(jìn)一步確認(rèn)突變點(diǎn)是否可信，對(duì)年SPEI進(jìn)行Pettitt檢驗(yàn)，結(jié)果顯示各點(diǎn)均未達(dá)到0.05顯著性水平，表明在1961—2016年期間，濕地年尺度SPEI指數(shù)無(wú)顯著突變點(diǎn)。

2.3 SPEI空間分布特征的云模型分析

根據(jù)1961—2016年各站點(diǎn)年及季度的氣象資料計(jì)算各站點(diǎn)的SPEI并求得各站點(diǎn)算術(shù)平均值，以各站點(diǎn)不同時(shí)間尺度SPEI多年平均值為樣本點(diǎn)，分析空間尺度上的干濕演變特征，得到空間隸屬云的數(shù)字特征(表3)和隸屬云圖(圖4)。

圖4反映了若爾蓋濕地年尺度SPEI云模型數(shù)字特征，其中熵值(En)為0.880，小于時(shí)間分布的1.078，說(shuō)明了濕地各站點(diǎn)多年SPEI反映的干濕變化比時(shí)間分布更為集中；超熵值(He)為0.230，也小于時(shí)間分布的超熵值0.336，說(shuō)明濕地SPEI空間分布的不均勻程度變化比時(shí)間分布小，氣候的干濕變化更加穩(wěn)定。比較圖2與圖4，相對(duì)于時(shí)間分布，空間分布的隸屬云圖云層厚度更小，云滴也更加集中。由表3可知，季節(jié)尺度上，春、夏、秋三季空間分布的En均小于時(shí)間分布，即SPEI空間分布比時(shí)間分布的離散程度小；夏、秋兩季的He均小于時(shí)間分布，表明空間分布的不均勻穩(wěn)定程度較時(shí)間分布更大；秋季的En，He為四季中的最小值，說(shuō)明其離散程度小，且不均勻程度的穩(wěn)定性最大。

圖3 若爾蓋濕地SPEI值年際變化和M-K突變檢驗(yàn)曲線

圖4若爾蓋濕地年尺度SPEI空間分布的隸屬云

2.4 SPEI空間分布特征的EOF分析

為進(jìn)一步分析若爾蓋濕地干濕變化的空間分布特征，對(duì)19個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2016年的SPEI距平矩陣進(jìn)行EOF分解，得到代表濕地干旱空間分布類型的相互正交特征向量。特征向量的方差貢獻(xiàn)率越大，其代表的旱澇空間分布形式越典型。每一模態(tài)的極大值所在區(qū)域即為濕地干濕變化最為敏感的地區(qū)。而時(shí)間系數(shù)反映了各時(shí)序在該種干濕空間分布形式下權(quán)重的大小；時(shí)間系數(shù)的絕對(duì)值越大，該年分布形式越典型[25]。濕地EOF分解結(jié)果表明，特征值最大的前3個(gè)特征向量累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)67.37%，已能反映濕地干濕變化的主要空間分布特征。其后的特征向量方差貢獻(xiàn)率均較小，對(duì)應(yīng)的旱澇分布形式不典型，因此取前3個(gè)特征向量進(jìn)行分析。

第一特征向量方差貢獻(xiàn)率為43.43%，代表了濕地干濕狀況變化的最主要特征。如圖5所示，第一特征向量均為正值，空間分布上具有很好的一致性，說(shuō)明若爾蓋濕地干濕變化在全區(qū)一致。第一特征向量高值位于若爾蓋濕地北部及中部，說(shuō)明碌曲—阿壩一線及若爾蓋、紅原等地對(duì)干濕變化的反應(yīng)最為敏感。其時(shí)間系數(shù)在波動(dòng)中呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明全區(qū)干旱化趨勢(shì)明顯。由于第一模態(tài)空間系數(shù)均為正，則時(shí)間系數(shù)為正值的年份二者乘積也為正，表示該年屬于全區(qū)偏濕型，如1965年。相反，時(shí)間系數(shù)為負(fù)表示該年屬全區(qū)偏干型，嚴(yán)重干旱年份主要出現(xiàn)在1994年后，其中2002年為全區(qū)偏干最典型年。

圖5若爾蓋濕地SPEI第一模態(tài)空間分布及第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)

第二特征向量方差貢獻(xiàn)率為15.38%，為若爾蓋濕地干濕空間分布的重要形式。

如圖6所示，第二特征向量在-0.28～0.37間變化，空間系數(shù)數(shù)值北負(fù)南正的緯向分布特征表明南、北地區(qū)干濕具有反相位變化的空間特征，即北部SPEI偏高(偏濕)時(shí)，南部SPEI偏小(偏干)，反之亦然。第二特征向量的時(shí)間系數(shù)呈上升趨勢(shì)，其中，1961-1987年，時(shí)間系數(shù)在負(fù)值區(qū)波動(dòng)，表明濕地南部相對(duì)干旱而北部相對(duì)濕潤(rùn)；1987年后時(shí)間系數(shù)在正值區(qū)波動(dòng)，說(shuō)明若濕地在1987年后北部地區(qū)由相對(duì)濕潤(rùn)轉(zhuǎn)為相對(duì)干旱，南部地區(qū)則由相對(duì)干旱轉(zhuǎn)化為相對(duì)濕潤(rùn)。

圖6若爾蓋濕地SPEI第二模態(tài)空間分布及第二模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)

第三特征向量特征貢獻(xiàn)率為8.56%，也能對(duì)若爾蓋濕地干濕空間分布做出一定解釋。由圖7所示，第三特征向量呈西高東低的分布形式，表明東、西地區(qū)具有干濕反相位變化的經(jīng)向分布空間特征。第三特征向量的時(shí)間系數(shù)呈緩慢上升趨勢(shì)，其中，東部相對(duì)干旱而西部相對(duì)濕潤(rùn)的年份主要有1965年、1979年、1989年、1997年，東部相對(duì)濕潤(rùn)而西部相對(duì)干旱的年份主要有1973年、1990年、2010年。

圖7若爾蓋濕地SPEI第三模態(tài)的空間分布及第三模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 近56 a若爾蓋濕地干濕演變大致呈“偏濕—偏干—偏濕—偏干”4個(gè)階段，以1969年、1975年、1999年為變化節(jié)點(diǎn)；年SPEI以-0.142/10 a傾向率呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，表明濕地呈干旱化趨勢(shì)，且在1995年后干旱發(fā)生的情況增多。經(jīng)M-K檢驗(yàn)，濕地SPEI無(wú)顯著突變點(diǎn)。

(2) 云模型分析表明，濕地SPEI空間分布的均勻程度比時(shí)間分布的均勻程度大，氣候的干濕變化也更加穩(wěn)定。相對(duì)于時(shí)間分布，空間分布的隸屬云圖云層厚度更小，云滴也更加集中。濕地各季節(jié)干濕變化亦呈現(xiàn)不同的強(qiáng)度、離散度和穩(wěn)定度。

(3) EOF分析得到的特征向量及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)反映了若爾蓋濕地干旱的時(shí)空演變主要特征。從SPEI-12的空間分布特征來(lái)看，受大尺度的天氣系統(tǒng)影響，第一特征向量表現(xiàn)為全區(qū)一致的干旱趨勢(shì)；南北反向差異和東西反向差異分別為第二和第三特征向量，反映了緯度、經(jīng)度對(duì)SPEI指數(shù)的影響。