三江平原氣象水文干旱演變特征

鄭越馨, 吳燕鋒, 潘小寧, 齊 鵬, 戴長雷, 章光新

(1.黑龍江大學 水利電力學院, 哈爾濱 150080; 2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所,長春 130102; 3.中國科學院大學, 北京 100049; 4.吉林省水文水資源局松原分局, 吉林 吉林 138000)

干旱通常是因長期無降水或降水偏少而造成水分收支或供求失衡形成的水分虧缺，是全球范圍內頻繁發生且復雜的自然災害，給社會經濟和人民生活帶來了嚴重影響[1-2]。由于研究領域的不同，對干旱的定義也不同，干旱可分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱4種類型[3]。氣象干旱通常是指降水量與蒸發量的不平衡時間較長而出現的水分短缺現象，是常見的氣象災害類型，且居各氣象災害之首[4-5]。水文干旱是指徑流沒有達到標準值或含水層水位下降的現象。Shokoohi等[6]認為對水文干旱進行嚴格的監測、合理的分析是對流域水資源合理管理與高效利用的基礎。目前學者們普遍研究氣象干旱或水文干旱特征，但在三江平原地區綜合氣象干旱指數與水文干旱指數的研究較少[7]?；跉庀蟾珊抵笖蹬c水文干旱指數，深入分析干旱時空演變特征，可以反映干旱的準確性，從而有效地刻畫干旱[8]，為流域水資源綜合管理和干旱應對提供參考。因此，綜合氣象干旱和水文干旱探究流域尺度的干旱演變特征很有必要，具有重要的理論和現實意義。

三江平原是我國重要的糧食主產區和濕地集中分布區，其抗旱能力弱，干旱對其社會經濟，特別是農業生產影響巨大，還會造成水資源短缺、濕地面積萎縮、地下水位下降等諸多生態和環境方面的嚴重后果[9-10]。由于流域修建水庫、濕地排水、農業墾殖和灌溉等強烈人類活動的影響，流域水文要素發生顯著改變，對濕地生態環境產生不利影響。對水文干旱進行研究不僅是填補干旱研究理論的需要，更是滿足三江平原地區社會經濟活動、農業生產實踐和生態文明建設的要求。因此，探究三江平原干旱的時空演變特征，對保障國家糧食安全和生態安全具有重大戰略意義。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

三江平原(45°01′—48°27′56″N，130°13′—135°05′26″E)位于黑龍江省東部，北起黑龍江、南抵興凱湖、西鄰小興安嶺、東至烏蘇里江，為黑龍江、松花江、烏蘇里江的沖積平原，總面積10.9萬km2(圖1)。行政區有21個市(縣)包括雞西市、七臺河市和佳木斯市等。氣候屬于溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，1月平均氣溫低于-18℃，7月平均氣溫21～22℃；年降水量500～600 mm，降水季節分配不均，主要集中于夏秋兩季[11-12]。四季分明，春季氣候干燥且風力較大，夏季高溫多雨，秋季多風但溫差較大，冬季嚴寒干燥。

1.2 數據來源

氣象數據為三江平原6個氣象站近50 a逐日降水、氣溫、相對濕度、風速和日照時數等數據，數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)。這些氣象數據經過中國氣象局嚴格質量控制，其實有率和正確率在99%以上，滿足研究的精度要求。6個國家級氣象站分別為：依蘭站、佳木斯站、雞西站、富錦站、寶清站、虎林站(圖1)。鑒于撓力河是三江平原最大的流域，典型的沼澤性河和重要的農業分布區，因此選擇該流域開展水文干旱研究。水文數據來源于4個水文站：撓力河流域支流控制站—保安水文站、撓力河上游寶清水文站、中游支流—紅旗嶺水文站和下游菜咀子水文站近50 a逐月徑流數據(圖1)。以上徑流序列能反映出控制流域徑流變化情況，具有很好的代表性，數據資料較完整，可靠性高。

圖1 三江平原地理位置及氣象、水文站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 標準化降水蒸散指數 Vicente-Serrano等[13]提出了標準化降水蒸散指數(Standard Precipitation Evapo-transpiration Index,SPEI)，該指數既考慮了地表水分的收支變化，又考慮到不同時間尺度下不同地區的溫度、蒸散等影響因子，具有很強的適用性。SPEI是對降水量與潛在蒸散量累積概率之后進行正態標準化后的指數[14-15]。本研究基于逐日的氣象數據，首先利用Penman-Monteith公式計算了潛在蒸散發[16-17]；然后計算了3個月尺度的SPEI(SPEI-3)和12個月尺度的SPEI(SPEI-12)，分別表征季節性干旱(春季、夏季、秋季和冬季)和年尺度的干旱。參考Vicente-Serrano等[13]的研究，基于SPEI值將氣象干旱劃分為5個等級，其中，干旱等級為特旱時SPEI≤-2，-2-0.5時為無旱。

1.3.2 徑流干旱指數 徑流干旱指數(Streamflow Drought Index，SDI)是由Shukla等[18]于2008年提出的水文干旱指數，該指數采用Γ分布概率來描述徑流量的變化，SDI以觀測徑流數據為基礎，不僅可以計算不同時間尺度的水文干旱情況，還能很好地反映因季節變化從而導致干旱事件變化的問題[19]?；赟DI指數將水文干旱劃分為5個等級，SDI≥0為無旱；-1.0≤SDI<0為輕旱，-1.5≤SDI<-1為中旱，-2≤SDI<-1.5為重旱；SDI<-2為特旱。

1.3.3 干旱評價方法

(1) 干旱頻次(Pi)。表示干旱發生的次數與相應等級的干旱發生頻次之比，計算公式為：

Pi=(n/N)×100%

(1)

式中：n為站點i發生干旱的次數(月數)；N為數據時間序列總月數。

(2) 干旱覆蓋范圍(Pj)。表示研究區內干旱發生的站數與站點總數之比，計算公式為：

Pj=(m/M)×100%

(2)

式中：m為發生干旱的站點數；M為研究區氣象站點數之和；j為不同年份。

(3) 干旱強度和干旱持續時間。采用游程理論[20]得出干旱強度和干旱持續時間，取0作為游程的截斷水平，當SPEI≤0時表示發生了一次干旱事件，游程長度表征干旱持續時間，干旱強度是指干旱程度與干旱持續時間的比值。

2 結果與分析

2.1 氣象干旱時間變化特征

2.1.1 SPEI-3和SPEI-12變化特征 近50 a三江平原SPEI-3指數變化區間為-2.38～2.24(圖2A)，變化傾向率為0.001/10 a，1961—2010年SPEI-3呈微弱的遞增趨勢，即總體干旱化的趨勢有所減緩。其中，幾次干旱持續時間長且強度較大，如1970年2月—1971年4月(持續時間為15個月，干旱強度為12.55)。因此，過去50 a，三江平原季節性干旱略有減弱，但減弱趨勢不明顯，且季節性干旱仍然較為頻發。SPEI-12指數變化區間為-1.66～1.34，1961—2010年SPEI-12呈微弱的減少趨勢，即總體呈干旱化的趨勢特征(圖2B)。三江平原干旱有明顯的時段性，1970—1980年和2000—2010年氣象干旱較為頻繁，幾乎每年都有干旱發生，其中，幾次干旱持續時間長且強度較大，如1975年8月—1981年4月(持續時間為65個月，干旱強度為6.43)，2001年6月—2004年4月(持續時間為34個月，干旱強度為8.25)。

圖2 1961-2010年三江平原地區SPEI-3和SPEI-12變化特征

2.1.2 SPEI季節變化特征 1961—2010年三江平原春季和冬季SPEI均呈緩慢上升趨勢，夏季和秋季呈緩慢下降趨勢(圖3)。春季SPEI變化傾向率為0.159/10 a，SPEI小于0和大于0的年份分別共有22，28 a，其中，1992年和2003年春季SPEI值為-1.57，-1.58，旱澇等級為重旱(圖3A)；夏季，SPEI變化傾向率為0.039/10 a，SPEI小于0和大于0的年份均為25 a，其中，1982年SPEI值為-1.73，旱澇等級為重旱(圖3B)；秋季，SPEI變化傾向率為0.162/10 a，SPEI小于0和大于0的年份分別共有27 a和23 a，其中，1977年和2007年秋季SPEI值均為-1.43，旱澇等級為中旱(圖3C)；冬季，SPEI變化傾向率為0.098/10 a，SPEI小于0和大于0的年份分別共有28，22 a，其中，1997年冬季為中旱，SPEI值分別為-1.04(圖3D)。以上分析表明，春季濕潤化速度最快，1982年、1992年和2003年重干旱年的發生主要是由該年春旱和夏旱影響，1997年和2007年的中旱主要是受該年的秋旱所致。

2.2 氣象干旱事件時間變化特征

2.2.1 氣象干旱時間覆蓋范圍變化特征 通過每個站點SPEI-12可計算分析三江平原年尺度下的干旱發生范圍。三江平原近50年來站次比在0～100%波動變化，且變化程度劇烈。三江平原干旱影響范圍總體較大，全域性干旱發生頻繁，占43.14%，局域性干旱和無明顯干旱發生較少，占總年數的7.84%，1.96%；站次比年際差異大，少有連續大范圍干旱出現。近50 a干旱站次比總體呈緩慢上升趨勢，站次比變化趨勢率為9.779/10 a，20世紀80年代干旱影響范圍最小，全域性干旱年份最少，變化傾向率為-2.081 3/10 a，在此之前，站次比呈上升趨勢，1960—1975年變化傾向率為2.292/10 a，1991—2010年站次比呈明顯上升趨勢，變化傾向率為2.73/10 a；2000年以后，干旱站次比增大最顯著，全域性干旱達8 a，無明顯干旱年數為0(表1)。

圖3 1961-2010年三江平原地區不同季節SPEI變化特征

表1 三江平原各年代不同范圍干旱年數統計

2.2.2 氣象干旱強度變化特征 SPEI-3干旱事件強度呈減小趨勢，變化傾向率為0.012/10 a。近50 a所有干旱事件強度的平均值為0.547，60%的干旱事件強度在0.2～0.6之間波動；其中，干旱強度最大的年份發生在1975年，其值為1.093，為中度干旱事件，其次是1967年，其值為0.986，為輕旱事件(圖4A)。

從1961—2010年區域干旱強度變化特征可以看出(圖4B)，SPEI-12干旱強度較大，1996年以后，干旱強度有加重的趨勢。1960—1974年和1996—2010年，干旱強度都呈增加趨勢，而在1975—1995年，干旱強度呈減少趨勢，變化傾向率為0.000 5。近50 a，三江平原干旱強度的均值為0.678，干旱強度在0.004～2.23之間波動；其中，干旱強度最大的年份發生在2009年5月，強度值為2.234，其次是2003年7月，干旱強度為2.04。

2.2.3 氣象干旱持續時間變化特征 在SPEI-3和SPEI-12中，一次干旱事件開始到結束所跨越的時間定為該次事件的名稱，不同時間尺度干旱事件持續時間變化特征存在差異。季節干旱上，干旱事件持續時間整體呈顯著的減少趨勢，變化傾向率為0.121/10 a，干旱事件持續時間的離散程度亦漸趨平緩，其中，1960s，1990s和2000s干旱事件平均持續時間分別為4.05，2.96，4.25個月，1970s最長為5.01個月，1980s最短為2.89個月(圖4C)；近50 a的干旱事件持續時間均值為3.832個月，大多數干旱事件持續時間處于1～9個月，其中，持續時間最長的是1970—1971年干旱事件，持續時間長達15個月。年尺度干旱上，干旱事件持續時間整體亦呈增加的趨勢，其中，1970s，1990s和2000s干旱事件平均持續時間分別為7.75，5，21個月，1980s最長為21.5個月，1960s最短為3.83個月，近50 a干旱事件平均持續時間為10.92個月，大多數干旱事件持續時間處于1～10個月，其中持續時間最長的是1975—1983年干旱事件，持續時間長達69個月，其次是2001—2004年、2005—2007年、2007—2009年干旱事件，其持續時間分別為35，22，25個月(圖4D)。

2.3 氣象干旱空間變化特征

如圖5所示，空間上，富錦區和虎林區，干旱較為頻發，平均干旱強度呈明顯的東北部強西南弱的特征，其中寶清縣和佳木斯市干旱強度較弱，松阿察河的干旱強度較強。三江平原干旱較為頻發，區內干旱頻次達到50%的區域占研究區的55%?；⒘謪^和富錦區平均干旱持續時間較長，都達到了11個月以上；其中，干旱持續月數在11個月以上的區域占研究區的18.46%，在10個月以上的區域占研究區的56.92%。富錦氣象站平均每次氣象干旱時間達到13.38個月，虎林氣象站和佳木斯氣象站平均每次氣象干旱時間分別為12.83，9.37個月，雞西氣象站和撓力河中游的寶清氣象站，平均每次氣象干旱時間分別為8.59，8.94個月，依蘭氣象站平均每次氣象干旱時間達到6.91個月。變化趨勢上，松花江區氣象SPEI-12以減少趨勢為主，減少區域占整個研究區的63.07%，增加趨勢占整個研究區的36.93%；其中，湯旺河區、倭肯河區、牡丹江區干旱化趨勢明顯，撓力河區干旱有緩解趨勢，但是不明顯，整體由西向東干旱趨勢逐漸減弱。

圖4 1961-2010年三江平原SPEI-3和SPEI-12干旱持續時間與干旱強度變化特征

2.4 水文干旱時空變化特征

2.4.1 水文干旱時間變化特征 保安水文站、寶清水文站、紅旗嶺水文站和菜咀子水文站SDI-12波動頻繁，總體都呈干旱化的趨勢，且極端水文干旱頻發。4個水文站都在1960s末、1974—1981年和1999—2010年發生了持續時間長且強度大的干旱。保安水文站SDI-12指數為-1.83～2.5，氣候傾向率為-0.025/10 a。1975年10月—1981年3月發生了長達66個月的水文干旱，干旱強度為67.88(圖6A)；寶清水文站SDI-12指數為-2.32～2.53，氣候傾向率為-0.021/10 a，1975年10月—1981年4月發生了長達67個月的水文干旱，干旱強度為94.89(圖6B)；紅旗嶺站SDI-12指數為-2.93～2.68，氣候傾向率為-0.016/10 a，1992年8月—2006年7月發生了長達106個月的水文干旱，干旱強度為106.63(圖6C)；菜咀子站SDI-12指數為-1.68～2.46，氣候傾向率為-0.023/10 a，菜咀子站在1999年9月—2010年4月發生了長達127個月干旱，干旱強度為102.3(圖6D)，變化趨勢上，菜咀子站水文干旱在1999年以后最為嚴重，如2000—2010年一直處于水文干旱狀態。

2.4.2 水文干旱空間演變特征 基于4個水文站的時間序列，對4個水文站不同干旱等級的干旱頻次、干旱持續時間和干旱強度統計分析，揭示撓力河流域水文干旱空間演變特征。

菜咀子站水文干旱頻次最多，水文干旱持續時間最長，水文干旱強度最大；紅旗嶺水文站總體水文干旱頻次最少，水文干旱持續時間最短且干旱強度也最小。水文干旱頻次上，菜咀子站干旱頻次為0.62，保安站干旱頻次為0.6，僅次于菜咀子站，寶清站干旱頻次為0.58，紅旗嶺站干旱頻次最少，值為0.53(圖7A)。水文干旱強度上，菜咀子站平均干旱強度為7.54，保安站次之，平均干旱強度為3.23，寶清站平均干旱強度為2.24，紅旗嶺站平均干旱強度最小，值為2.04(圖7B)。水文干旱持續時間上，菜咀子站平均水文干旱持續時間為46.87個月，其次為保安站，平均干旱持續時間為32.81個月，寶清站次之，平均干旱持續時間為22個月，紅旗嶺站最短，平均干旱持續時間為14.45個月(圖7C)。綜合分析可以看出，撓力河流域菜咀子站水文干旱頻發且嚴重，且撓力河下游地區水文干旱程度強于上游地區。

圖5 1961-2010年三江平原干旱頻次、強度、持續時間和變化趨勢的空間分布

2.5 氣象干旱與水文干旱對比分析

氣象干旱的主要影響因素是降水和蒸發，隨著氣象干旱的發生，土壤含水量和包氣帶水分會逐漸消耗，地表水和地下水的補給隨之減少，則會發生水文干旱。出現水文干旱時都會發生氣象干旱，但當氣象干旱強度小、歷史短時不一定會發生水文干旱(圖8)。水文干旱的發生一般會滯后于氣象干旱，且時間尺度長的SPEI和SDI水文干旱滯后現象明顯，通過分析氣象干旱和水文干旱的發生時間，發現水文干旱滯后于氣象干旱1～7個月，氣象干旱是水文干旱的主要驅動因素。1971—1976年，水文干旱少有發生，氣象干旱較弱，且持續時間短、強度??；在1976—1981年和1989—1991年，水文干旱強度遠大于氣象干旱，但水文干旱滯后于氣象干旱(圖8B)。

圖6 撓力河流域SDI-12變化特征

圖7 撓力河流域水文干旱頻次、強度和持續時間變化特征

圖8 不同時間尺度SPEI和SDI值變化比較

3 討 論

本研究基于SPEI和SDI指數探究了三江平原地區近50 a氣象和水文干旱的時空演變特征，結果表明過去50 a氣象和水文干旱頻發且總體均呈明顯的加重趨勢。氣候干旱化的趨勢主要是區域氣候暖干化所導致的，水文干旱則是氣候變化和人類活動共同作用的結果[21-22]。三江平原層沼澤濕地廣布，濕地具有重要的水文調蓄能力，如調蓄洪水和維持基流等，在維持區域生態安全和水安全等方面有重要作用[23]。但自20世紀50年代以來，人類開始對三江平原進行了過度的開發和破壞，使得濕地面積萎縮、數量較少、破碎化加劇且生態水文功能退化甚至喪失，引起了一系列的生態環境問題，表現為氣候干旱化、地下水位下降、土壤退化和動植物資源減少等[24-25]。

隨著三江平原水利工程的不斷修建和河道取水量的增加，減少了河道徑流量，直接加劇了水文干旱[26-27]。不僅如此，大規模的農業開發、城市擴展、路基建設和工業發展使三江平原下墊面性質發生了巨大變化。比如僅1980—2010年三江平原沼澤地面積和草地面積分別減少了59.1%，15.2%，而水田面積增幅達610%，農田已取代濕地而成為現在三江平原的主要景觀類型[28]。下墊面性質的變化，會影響地表水熱通量，進而改變產匯流過程，改變水循環的空間格局，加速水循環要素時空分異的復雜性和不確定性，最終導致水資源供需關系發生變化[29]。隨著三江平原地區干旱化的不斷加劇，就需要綜合水資源管理和調控，既要維持合理的濕地水文情勢，保證濕地生態安全，也要滿足農業灌溉的需要，保證農業安全。因此，一方面，有必要從農業、水庫蓄水和城市用水等方面研究人類活動對水文干旱的干擾程度，定量區分水文干旱演變的驅動因素，提高水文干旱預報和預測精度，對區域干旱應對和水資源管理提供參考。另一方面，在區域干旱加劇的情境下，基于精細的干旱預測研究，如何精細計算和預測流域水資源可利用量及需求量(社會經濟需水、生活需水、農業需水和濕地生態需水)的變化趨勢，分析流域水資源供需平衡狀況，提高水資源綜合利用率，提出流域濕地多水源優化配置與調控方案，實現多水源在社會經濟系統和濕地生態系統之間的優化配置，這需要進一步探究。

4 結 論

(1) 1970—1980年和2000—2010年氣象干旱較為頻繁，從季節上看，大部分地區春季和冬季有變濕的趨勢，而夏和秋兩季有變干的趨勢，但趨勢均不顯著。平均干旱強度呈明顯的東北部強西南弱，三江平原春旱和冬旱影響范圍逐漸減小，夏旱和秋旱影響范圍呈現擴大趨勢。

(2) 1960s末、1974—1981年和1999—2010年發生了持續時間長且強度大的水文干旱。撓力河流域菜咀子站水文干旱頻發且嚴重，且撓力河下游地區水文干旱程度強于上游地區。

(3) 水文干旱滯后于氣象干旱1～7個月。且時間尺度長的SPEI和SDI其水文干旱滯后現象明顯，氣象干旱是水文干旱的主要影響因素。