黑河流域1967-2009年氣象干旱時空變化特征

昝大為

(甘肅省水文水資源局， 甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

IPCC于2007年發布的第四次評估報告表明[1]，干旱在全球的影響范圍將更加廣泛，已經成為世界各國共同關注的焦點，在氣候變化和社會經濟迅猛發展的背景下，水資源短缺問題會更加嚴重，干旱發生概率也呈逐漸增加趨勢。目前國內外干旱研究中常用的干旱指數很多，如水分虧缺指數、標準化降水指數(SPI)[2]、帕默爾干旱指數(PDSI)[3]、標準化降水蒸散指數(SPEI)[4]等。雖然，SPI具有計算簡便、空間可比性等優點，但忽略了氣溫和蒸發量對干旱發生的影響，在氣候變暖條件下研究干旱問題具有局限性[5]，PDSI在綜合考慮降水量、潛在蒸散量等因素基礎上進行計算，但存在時間尺度單一、不具有空間可比性等缺點[6]。而SPEI同時考慮降水和溫度因素，融合了PDSI和SPI的優點，考慮溫度對干旱的影響并能夠表現干旱的多尺度特性，有助于準確識別干旱特性[7]。Yang等[8]利用SPEI研究海河流域干旱時空分布特征，結果表明SPEI在氣候變化的背景下可以較好地進行干旱監測；趙平偉等[9]在滇西南地區干旱演變研究中對SPEI和SPI的應用效果進行了對比，結果顯示SPEI對氣候變化背景下的區域干旱監測效果較為理想。

鐘鋒等[10]利用參考作物蒸散量(ET0)與降水量(P)的比值表示干旱指數(AI指數)對黑河流域干旱的時空變化特征進行了分析，結果表明黑河流域干旱表現出明顯的南北差異。此外，黑河流域受到多種氣候影響，該地區氣溫、降水在時間上表現出顯著的季節特征，有必要對該地區不同季節干旱演變特征進行詳細分析。因此，本研究利用SPEI指數定量表征干旱，基于M-K趨勢檢驗、小波分析及GIS技術分析黑河流域近43年春、夏、秋、冬四季干旱時間變化趨勢、周期特征以及干旱頻率空間分布特征，全面分析氣候變化下黑河流域干旱時空變化特征，為流域水資源合理開發利用和科學抗旱提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

黑河流域是我國西北地區第二大內陸河，位于河西走廊中部，地處歐亞大陸中心，流域范圍介于97°50′～102°00′E、37°50′～42°40′N，涉及青海、甘肅和內蒙古三省。黑河干流發源于祁連山中段北麓，全長821 km，流域面積約14.29×104km2。出山口鶯落峽以上為上游，是主要產流區，河道長303 km，氣候陰濕寒冷，年降水量350 mm；鶯落峽至正義峽為中游，流程185 km，地勢平坦，光熱資源充足，但干旱嚴重，年降水量140 mm，而多年平均氣溫在6～8℃，年蒸發能力達到1 410 mm；正義峽以下為下游。氣候主要受西風帶環流以及極地冷氣團影響。降水稀少，蒸發強烈。年降水量僅有47 mm，多年平均氣溫在8～10℃，年蒸發量達到2 250 mm，氣候非常干燥，且太陽輻射強烈。研究區概況見圖1。

圖1 黑河流域位置及站點分布圖

2.2 數據資料

本研究利用黑河流域內11個和流域外8個氣象站點(圖1)的月降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速和日照時數等資料計算SPEI，其中民樂、臨澤、肅南、門源4個氣象站點數據來自甘肅省氣象局，其余15個氣象站數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/data/)，資料時間序列為1967-2009共43 a。為保證結果的可比性和可靠性，上、中、下游分別選擇2個典型站進行干旱時間特征分析，選取19個站數據進行空間插值分析干旱空間分布特征。一年四季按照氣象季節劃分，即春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月-次年2月。

2.3 研究方法

2.3.1 SPEI指數 本研究選用標準化降水蒸散指數(SPEI)研究氣象干旱，SPEI的原理是利用降水量與蒸散量之間的差異程度來代表區域干旱狀況[11]。首先，計算降水量和潛在蒸發量之間的差值，然后對差值序列進行擬合求得累積概率密度函數，最后將其轉化為標準正態分布求得SPEI值。其中，潛在蒸散量PET使用聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)推薦的同時考慮了能量平衡和水汽擴散的Penman-Monteith公式計算[12]。具體計算步驟及干旱分級標準(表1)見參考文獻[13]。

表1 標準化降水蒸散指數SPEI干旱等級劃分

2.3.2 Man-Kendall檢驗法 M-K檢驗法不要求樣本服從特定的分布，也不受少數異常值干擾，且計算方法較為簡單。目前，干旱研究中常采用M-K檢驗法來分析研究區干旱變化趨勢[14]。

在M-K趨勢檢驗中，假定x1,x2,…,xn為一組時間序列的變量，n為該變量時間序列的樣本個數，檢驗的統計量S按照下式計算：

(1)

(2)

式中:S為正態分布，均值為0；xj、xk分別為j、k年變量的實測值。

標準的正態分布統計量通過下式計算：

(3)

其中方差Var按下式計算：

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(4)

在特定的α置信區間，若出現|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設，即在α置信區間，時間序列上升或下降趨勢顯著。如統計量Z大于0，則為上升趨勢；反之，則呈現下降趨勢。|Z|≥1.28(1.64、2.32)時，則表示通過了信度90%(95%、99%)的顯著性檢驗。

2.3.3 小波分析 在判斷各序列的主要周期時，本文采用小波方差檢驗，計算公式如下：

(5)

式中：Wf(a)為小波方差；a為尺度因子；b為平移因子；Wf(a,b)為小波系數。

根據小波方差圖中峰值處對應的尺度來確定該序列的主要時間尺度，即主周期[15]。

2.3.4 干旱頻率 干旱頻率用來表示研究區內干旱發生的頻繁程度，即研究時段內發生干旱的年數占總年數的百分比[16]。

(6)

式中:P為干旱頻率；n為研究時段發生干旱的年數；N為研究時段總年數。

3 結果與分析

3.1 氣象干旱時間特征

3.1.1 季節變化特征SPEI具有多時間尺度特征，本文以3個月時間尺度為例，討論SPEI季節變化特征。由于黑河流域氣象站點分布不均，故上、中、下游各選取2個代表站點進行分析。上游選取野牛溝和托勒站，中游選取張掖和高臺站，下游選取鼎新和額濟納旗站。1967-2009年各代表站四季SPEI值逐年變化情況如圖2所示。

從圖2可以看出，中下游張掖、高臺、鼎新和額濟納旗4個氣象站SPEI序列的變化傾向率在春季分別為-0.038/10a、-0.004/10a、-0.177/10a和-0.031/10a，夏季分別為-0.110/10a、-0.204/10a、-0.136/10a和-0.236/10a，秋季分別為0.043/10a、0.088/10a、-0.030/10a和-0.109/10a，冬季分別為0.273/10a、0.415/10a、0.096/10a和0.352/10a。同時，上中游4站SPEI序列的振蕩趨勢均是在春季保持較高的一致性，而下游2站SPEI序列的振蕩趨勢則是在秋季較為接近。

黑河流域代表站SPEI序列的M-K趨勢檢驗結果(表2)表明，SPEI序列在野牛溝站的春、秋、冬季，托勒站的夏秋季，張掖站、高臺站和額濟納旗站的冬季均呈現上升趨勢，且通過顯著性檢驗，即干旱呈現顯著下降趨勢；而在高臺站和額濟納旗站的夏季以及鼎新站的春季呈現出顯著下降趨勢，即干旱呈現顯著增加趨勢。整體上看，M-K趨勢檢驗結果與傾向率結果基本保持一致，中、上游干旱指數呈增大趨勢，而下游干旱指數呈減小趨勢，即中、上游旱情在減緩，下游干旱情況在加重。

3.1.2 年代際變化特征 以20世紀70s、80s、90s以及21c00s分別表示1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2009年4個年代際，進而研究干旱年代際變化特征。黑河流域代表性站點不同季節的干旱頻率特征如圖3所示。

圖2 1967-2009年黑河上游(野牛溝、托勒)、中游(張掖、高臺)和下游(鼎新、額濟納旗)SPEI四季逐年變化過程

季節野牛溝托勒張掖高臺鼎新額濟納旗春季1.601?-0.115-0.387 0.052-1.308? 0.534夏季0.848 1.852??-0.597-1.476?-0.952-1.622?秋季1.350? 1.664?? 0.094 0.597-0.429-1.015冬季1.538?-0.052 1.999?? 3.600??? 0.220 2.648???

注：*、**和***分別表示檢驗結果通過90%、95%和99%的顯著性檢驗。

春季，上游從70s到21c00s，干旱發生頻率呈現減小-增大-減小的趨勢。中游70s到80s，張掖站干旱發生頻率增大，而高臺站無旱頻率沒有變化，但輕旱發生頻率減小，有部分轉化為了中旱和重旱，說明中游在此階段干旱程度加重；80s到90s，中游干旱發生頻率均減小，且沒有中旱發生，而90s到21c00s干旱頻率變化特征與70s到80s保持一致。下游鼎新站從70s到21c00s，干旱發生頻率呈現增大-減小-增大的趨勢，而額濟納旗站干旱頻率變化特征與鼎新站正好相反。

夏季，70s到80s，上游野牛溝站干旱發生頻率減小，托勒站無旱頻率沒有變化，但輕旱發生頻率增加；80s到90s，上游干旱發生頻率增加，且野牛溝站的中旱、重旱發生頻率和托勒站的重旱、特旱發生頻率均增大；90s到21c00s，干旱發生頻率均減小。從70s到80s，中游張掖站干旱發生頻率減小，但有特旱發生；80s到90s，干旱發生頻率增加，而高臺站在這2個時段內干旱發生頻率特征與張掖站相反；90s和21c00s，兩站的干旱發生頻率變化特征呈增加趨勢。下游2站的干旱頻率特征與春季變化情況相似，70s到80s，鼎新站干旱發生頻率減小，但有特旱發生，而額濟納旗站干旱發生頻率增加且有重旱發生；80s到21c00s，兩站干旱發生頻率均呈先降低再增加的趨勢。

秋季，70s到21c00s，上游和中游4站的干旱發生頻率變化特征整體上一致，均呈現出增加-增加-減小的趨勢，其中，70s到80s，野牛溝站中旱發生頻率增大，托勒站輕旱發生頻率增幅較大，張掖站有重旱發生，高臺站中旱發生頻繁；80s到90s，野牛溝站輕旱發生頻率大幅增加，托勒站有重旱和特旱發生；在21c00s，托勒站沒有發生干旱。下游鼎新站和額濟納旗站，70s到80s的干旱發生頻率均增加，80s鼎新站以中旱為主，而額濟納旗站以輕旱為主；80s到90s，鼎新站干旱發生頻率增加，而額濟納旗站減小但有重旱發生；90s到21c00s，鼎新站干旱發生頻率開始減小，而額濟納旗開始增加且重旱時有發生。

冬季，70s到21c00s，上游2站干旱發生頻率相對較低且整體上保持相對穩定，其中野牛溝站90s的干旱發生頻率比其他3個年代稍高，托勒站在21c00s呈現出相對較高的輕旱頻率。中游張掖站在4個年代的干旱發生頻率相對穩定，而高臺站干旱發生頻率呈現持續減小趨勢，特別是在21c00s沒有干旱發生。70s到80s，下游2站干旱發生頻率均呈減小趨勢；80s到和90s，鼎新站干旱發生頻率增加，額濟納旗站干旱發生頻率基本不變，但中旱發生頻率有所增大；而90s到21c00s，兩站的干旱發生頻率均呈現減小趨勢。

3.1.3 周期特征 利用小波函數對黑河流域6個代表站四季的SPEI序列進行多時間尺度周期分析，由于篇幅有限，以野牛溝站為例進行詳細分析。野牛溝站SPEI序列四季小波方差圖見圖4。

分析圖4可知，在春季有3個比較明顯的主峰，分別對應著20、16、6 a的周期，說明這3個主周期控制著春季SPEI指數在時域內的變化特征。同理，夏季有32、5、2 a的主周期，秋季有32、3、6 a的主周期，冬季有3、5、11 a的主周期。

根據各氣象站SPEI序列小波周期分析結果，流域上、中、下游6個代表氣象站SPEI的主周期列于表3。第1主周期到第3主周期在SPEI序列中所起的作用逐漸減弱。

黑河流域SPEI序列的周期特征主要表現出16～22和32～33 a的年代際振蕩周期及2～5和6～11 a的年際振蕩周期，各周期的主次順序因氣象站而異，且同一個氣象站在四季的周期特征也有所差別。其中，黑河流域上游主要存在32～33 a的長周期和16 a左右的中周期以及3年左右的短周期，中游以16～20 a中周期和4 a左右的短周期為主，下游主要以33 a的長周期和21 a的中周期以及4 a左右的短周期為主。

表3 黑河流域6個氣象站SPEI序列的主周期分析 a

3.2 干旱頻率空間分布特征

黑河流域四季氣象干旱頻率空間分布特征見圖5。由圖5可知，春季輕中旱發生頻率在18.6%～34.9%之間，輕中旱的高頻區集中在上游肅南、中游山丹以及下游鼎新地區，而祁連、民樂和酒泉輕中旱發生頻率較低。

圖3 黑河流域各代表站點不同季節干旱發生頻率年代際比較

重特旱發生的頻率集中在4.6%～9.3%之間，比輕中旱發生頻率低很多，且主要分布在中游酒泉，從流域上游到下游呈現逐漸升高趨勢。

夏季輕中旱發生頻率在18.6%～32.5%之間，除上游肅南、祁連和下游額濟納旗地區處于低頻區，其余均處于高頻區，即輕中旱發生的頻率較高。重特旱發生頻率較低，在4.6%～9.3%之間，主要集中在下游額濟納旗地區。

秋季輕中旱發生頻率在26.8%～41.8%之間，上游的民樂、祁連和中游的張掖、山丹地區輕中旱發生頻率較低，中上游其他區域輕中旱發生頻率均較高，而下游大部分區域處于輕中旱發生的低頻區。重特旱發生的頻率在0～7.0%之間，其中中游酒泉地區重特旱發生頻率接近0。

冬季輕中旱發生頻率在20.9%～44.2%之間，重特旱發生頻率集中在0～9.3%之間，兩者的空間分布特征都很明顯。輕中旱發生頻率從上游到下游表現為依次升高，而重特旱集中在黑河流域的上游和中游地區。

綜上所述，黑河流域四個季節輕中旱發生頻率都比重特旱發生的頻率大得多，且春、夏和秋季的輕中旱發生高頻區集中在中上游，冬季集中在下游；而四季的重特旱發生相對高頻區空間分布特征與輕中旱正好相反。同時，秋季和冬季輕中旱發生頻率比春季和夏季發生頻率稍大，而四季的重特旱發生頻率差別不大。

圖4 野牛溝站SPEI序列四季小波方差

圖5 黑河流域四季氣象干旱頻率空間分布特征

4 結 論

本文基于黑河流域內外19個氣象站1967-2009年共43 a月氣象數據，計算了季節尺度的SPEI序列值，運用M-K、小波分析、IDW插值等方法重點分析了黑河流域春、夏、秋、冬四個季節氣象干旱時間變化趨勢、周期特征及干旱頻率空間分布特征，得到以下主要結論：

(1)SPEI序列在上游野牛溝站的春、秋、冬季，托勒站的夏季和秋季，中游張掖站、高臺站和下游額濟納旗站的冬季均呈現上升趨勢，且通過顯著性檢驗，而在高臺站和額濟納旗站的夏季以及鼎新站的春季呈現出顯著下降趨勢。整體上看，中、上游干旱指數呈增大趨勢，即中、上游旱情在減緩，而下游干旱指數呈減小趨勢，即下游干旱情況在加重。

(2)黑河流域無旱頻率最大，且從上游到下游整體呈增加趨勢。

(3)黑河流域SPEI序列的周期特征復雜，不同站點在不同季節的周期變化差異較大，主要存在16～22和32～33 a的年代際周期及2～5和6～11 a的年際周期特征。

(4)干旱頻率空間分布上，黑河流域四個季節輕中旱發生的頻率都比重特旱發生的頻率大得多，且春、夏和秋季的輕中旱發生的高頻區集中在中上游，冬季集中在下游；而四季的重特旱發生的高頻區空間分布特征與輕中旱正好相反。同時，秋、冬季輕中旱發生頻率比春、夏季發生頻率稍大，而四季的重特旱發生頻率差別不大。