撫河流域干旱時空分布特征及其與ENSO的相關性

朱圣男, 劉衛林, 萬一帆, 黃一鵬, 吳 濱, 劉麗娜, 楊船洋

(1.南昌工程學院 江西省水文水資源與水環境重點實驗室, 南昌 330099; 2.河海大學 水文水資源學院, 南京 210098)

干旱是普遍發生的一種氣象災害，是指因區域水分收支或供求不平衡而形成的水分短缺現象，是造成嚴重損失的氣象災害之一[1]。IPCC報告[2]指出：未來隨著全球地表氣溫升高明顯，而導致進一步變暖，使旱災等極端氣候事件呈增加趨勢。作為江西省商品糧基地之一的贛撫平原，干旱減小其糧食產量將直接影響全省的糧食安全問題。鄱陽湖流域干旱事件發生頻率不斷增加，1992—1993年、1996—1997年經歷了罕見的干旱。隨著全球氣候變化，極端天氣事件更是頻繁發生，流域的干旱程度不斷加劇，嚴重地影響當地居民的生產生活及生態安全。因此研究1960—2005年河流域干旱變化的規律，為流域干旱預警、江西省糧食安全、經濟社會發展提供指導。目前廣泛使用的干旱指數有帕默爾干旱指數(PDSI)、Z指數、綜合氣象干旱指數(CI)等[3]。本文使用標準化降水指數(Standard Precipitation Index，SPI)計算撫河流域干旱情況，標準化降水指數(SPI)由McKEE等在評估美國科羅拉多干旱狀況時提出的，它是表征某時段降雨量出現概率多少的指標之一[4]。該指數具有不同時間尺度、計算簡便快捷[5]，適用于旱澇監測評估，能夠較為準確地反映干旱趨勢[6]。洪興駿等[7]以SPI指數為工具，驗證了SPI指數在鄱陽湖流域干旱評估的適用性；趙茹欣等[8]基于SPI指數對黑龍江省1959—2014年的氣象數據進行干旱分析，研究表明SPI指數計算結果與實際干旱事件有一定的吻合性。

已有學者意識到全球海洋溫度的變化或者大尺度氣候因子[如受厄爾尼諾—南方濤動(El Nino-Southern Oscillation，ENSO)、北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation，NAO)、太平洋濤動(Pacific Decadal Oscillation，PDO)等]在年際尺度上對干旱形成的作用可能有重要影響[9-10]。厄爾尼諾—南方濤動(ENSO)是海洋和大氣相互作用后失去平衡而產生的一種氣候現象，往往會改變大氣環流，導致全球氣候發生異常，這是全球氣候變化的強烈信號[11]。但鮮有學者將SPI指數與厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)相結合應用在鄱陽湖流域，也缺乏對大尺度氣候因子與鄱陽湖流域干濕關系的系統認識。本文將SPI指數應用在撫河流域，探討撫河流域氣象干旱與ENSO的相關關系，以期更好地服務于江西省的干旱監測、水資源管理和農業生產。

1 研究區概況

撫河流域位于江西省東部，地處115°36′—117°10′E，26°30′—28°50′N，是鄱陽湖流域第二大河流，流域面積16 493 km2。主河源出于贛、閩邊界武夷山西麓廣昌縣，撫河上游段為盱江，主要包括南豐、廣昌等地區；南城至廖家灣為中游；撫河下游在撫州市以下河段。流域內地形東南高，西北低。研究區域屬亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和、雨量充沛，多年平均年降水量1 732 mm，降水時空分配不均，東南部降水量多于西北部，多年平均氣溫17.8℃，多年平均年水面蒸發量894 mm[12]。撫河流域沿線分布著重要的城鎮，經濟相對發達，居民生活、工農業生產、生態環境用水量較大。廖坊灌區、金臨渠灌區和贛撫平原灌區等這些灌區涉及的農田多，缺水造成的影響大。撫河流域已多次發生干旱缺水問題，流域水量供需矛盾突出，旱災導致的糧食減產，已成為區域經濟發展的重要影響因素。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文選用撫河流域9個雨量站點(圖1)1960—2005年月平均降水數據，數據來自氣象數據共享網(http：∥cdc.cma.gov.cn/home.do)和江西省氣象局。本文分別以月、季、6個月和年為時間尺度計算SPI，季節的定義為：3—5月(春季)，6—8月(夏季)，9—11月(秋季)和12—次年2月(冬季)[13]。同時選用了熱帶太平洋表面溫度距平(SSTA)作為表征厄爾尼諾—南方濤動(ENSO)的指標，該數據來自美國地球系統研究實驗室(NOAA-ESRL)提供的Nio 3.4區的1960—2005年逐月SSTA值[14]。

2.2 研究方法

2.2.1 SPI計算 通常認為在一段時間內某一區域降水量若比多年平均值較少，或低于一定程度，則可認為在這段時間該地出現了干旱事件。不同時間和地點降水量變化量很大，其分布是偏態分布，不可以直接用降水量計算。所以，SPI的原理是利用Γ分布概率描述降水量的變化情況，再通過查閱標準正態分布的變量值，即求得SPI值[15]，根據干旱等級標準[16]，將干旱等級劃分為5類。見表1。

圖1 撫河流域氣象站點分布

2.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗法 Mann-Kendall趨勢檢驗是一種被國際氣象組織(WMO)推薦用來進行時間序列分析的非參數檢驗方法，在水文、氣象等非正態分布的數據中有很大的適用性，具有計算方便的特點，推理過程可參考相關文獻[17]。

2.2.3 干旱評價指標計算 文中利用干旱頻率來分析撫河流域干旱特征,干旱頻率(Pi)是指某站點在時間序列內的發生干旱頻率的程度，計算公式如下：

(1)

式中：N為某站點有氣象數據資料的年數；n為該站點發生干旱的總年數。

表1 干旱等級劃分

3 結果與分析

3.1 撫河流域多尺度干旱特征

從圖2可以看出，不同時間尺度的SPI1，SPI3，SPI6和SPI12值隨時間變化的波動存在著明顯的差異變化，時間尺度越小，突變越顯著，SPI值也會發生較大的變化。1960—2005年，SPI值在1個月時間尺度在1960年、1973年、1999年和2001年發生了重度干旱，其他時間流域內旱澇事件交替發生。SPI值在3個月、6個月、12個月時間尺度下，旱情變化不明顯，SPI3在1963年、1971年發生大旱，其他時間干旱時有發生，主要以輕旱為主，進入21世紀以后，由SPI變化曲線可以看出在不同時間尺度都呈現干濕交替變化。

圖2 撫河流域1960-2005年不同時間尺度SPI分布

3.2 撫河流域干旱空間變化特征

為了進一步分析撫河流域干旱變化趨勢的空間特征，運用了M-K趨勢檢驗方法對1960—2005年撫河流域各氣象站季節尺度和年尺度SPI的變化趨勢進行計算和統計，分析并繪制了Z值空間分布圖(圖3)。可以得到：四季干旱趨勢存在較大差異，春季大致呈現出南升北降的規律，南部地區呈濕潤化趨勢，北部呈干旱化態勢，其中金溪、南城干旱化明顯，夏季撫河流域呈微弱濕潤化趨勢，僅金溪、宜黃Z值略微下降。秋季的變化趨勢與春季整體相同，整體呈濕潤化態勢冬季南豐、南城濕潤化趨勢顯著(p<0.05),崇仁和廣昌有變干趨勢，其他地區干濕交替，整體變化不大，年尺度上，僅有東鄉呈顯著性濕潤(p<0.05)，其他地區則輕微濕潤。

注：Z值越大，灰色圓圈越大，形狀大小表示通過了不同的顯著性檢驗。

3.3 撫河流域干旱空間分布特征

3.3.1 干旱頻率分布 季尺度上，春旱主要分布在撫河流域西北和東南地區(圖4A)，干旱頻率最大值出現在崇仁，達30.4%以上。夏季干旱發生頻率更高，各地區之間相差較大(圖4B)，干旱頻率發生最大值為南豐與黎川，分別為37.0%，34.8%，金溪、南城和廣昌發生頻率最低，均為26.09%，其他地區為28.26%～30.43%。秋季干旱主要發生在撫河流域東北部(圖4C)，生頻率最大為撫州和金溪，均為32.61%。冬旱(圖4D)發生頻率約為30.67%，發生頻率最大和最小，東鄉和南豐，分別為32.61%，28.26%。

從圖4E可以看出，年尺度干旱(SPI12)發生頻率為29.95%，地區的差異較小，發生頻率最小的為宜黃，頻率為28.44%，最大為南豐、南城和崇仁，發生頻率為30.61%，上述地區以外基本都在30%；月尺度干旱發生頻率最大的為廣昌，頻率為34.79%，東鄉為所有地區頻率最小，為21.74%，其他地區為23.91%～32.61%(圖4F)。

3.3.2 撫河流域中旱及以上干旱頻率分布 春季中旱及其以上干旱發生頻率最低的為撫州，僅6.52%，發生頻率最高的為宜黃，達13.04%,其他地區干旱頻率穩定在8.70%～10.87%，各地區差異顯著(圖4G)。夏季中旱以及以上干旱各地區差異相比春季小，發生頻率最大的地區為南豐，達17.39%，夏季平均發生頻率為13.53%,金溪、崇仁和東鄉發生頻率最小，為10.87%，主要集中在撫河流域東北部(圖4H)。秋季中度及以上干旱發生頻率最高的為宜黃，達19.57%，最低為南豐，發生頻率僅為8.70%。其他地區發生頻率為10.87%～15.22%(圖4I)。冬季中旱以上發生頻率最高的地區為南豐和黎川，為13.04%，最低為金溪和廣昌，為6.52%。地區差異明顯(圖4J)。

年尺度上，中度及以上干旱發生頻率最高值為15.22%，發生在南豐，最小發生在宜黃，發生頻率為6.52%，其他地區穩定在8.70%～13.04%，地區差異明顯(圖4K)；月尺度上，發生中度及以上干頻率最大和最小的地區為宜黃和南豐，分別為19.60%，8.60%，月尺度下的平均發生頻率為11.92%，地區差異較大(圖4L)。

3.4 ENSO對撫河流域干旱的影響

北太平洋海溫和大氣環流變化異常對氣候有著重要的作用，趙永平等[18]發現ENSO通過影響東亞季風環流和太平洋副熱帶高壓，對東亞和中國從沿海到內陸地區都產生了影響。許多研究表明海表溫度指數和干濕變化關系最大，因此分析SSTA和SPI的相關性、ENSO事件和對撫河流域干旱的對應關系，具有現實意義。

圖4 撫河流域1960-2005年各站點干旱(左)和中度及以上干旱(右)發生頻率

3.4.1 SSTA與SPI值的相關性分析 通過選用相同時間尺度的SSTA指數和撫河流域各站點四季SPI值進行皮爾森相關系數分析，由圖5可以看出，撫河流域春季SPI與SSTA指數之間均呈正相關關系(圖5A)，其中東鄉、廣昌正相關關系顯著(p<0.05)，相關系數分別為0.303，0.361，除上述地區外，研究區內其他站點均未通過顯著性水平檢驗，流域內東南部的春季SPI與SSTA指數之間相關性顯著。撫河流域夏季SPI與SSTA指數除南豐和廣昌呈正相關外，其他地區均呈負相關關系，且整體相關性小，所有站點均為通過顯著性水平檢驗(圖5B)。秋季(圖5C)以東鄉—撫州—宜黃—廣昌為分界線，分成東西兩部分，分界線以東相關性均大于以西地區，所有地區均呈現正相關關系，但相關性水平不高，均未通過顯著性水平檢驗，相關系數最高的兩個地區為金溪、黎川，分別為0.249，0.231。冬季SPI與SSTA指數之間整體呈正相關(圖5D)，顯著性水平整體較低，最高地區為宜黃，相關系數為0.135。同夏、秋季一樣，冬季所有地區也均未通過顯著性水平檢驗，四季平均相關系數為0.259，-0.066，0.186，0.095，總體而言，撫河流域春季SPI與SSTA指數相關性最為顯著，秋季次之，夏季的相關性最弱。

圖5 SSTA值與四季SPI的相關性分析

3.4.2 ENSO冷暖事件 由于ENSO事件通對中國境內的氣候產生不同程度的影響，因此，對1960—2005年ENSO暖冷事件對撫河流域月尺度SPI值進行統計[19](表2)，ENSO冷暖事件對應月份來源于NOAA-ESRL提供的相關資料,SPI值為歷年月份的每月均值。研究表明：在ENSO暖、冷事件發生時，對應SPI的月均值為0.177，-0.161；冷暖事件發生時，SPI月均值為-0.008，ENSO非冷暖事件時，SPI月均值為0.080。由于SPI數值越大，越“濕潤”，反之“干旱”[20]。ENSO冷暖事件時，SPI月均值小于非ENSO冷暖事件時的SPI月均值，說明ENSO冷暖事件變化對撫河流域干旱有一定影響。

表2 1960-2005年ENSO冷暖事件及對應撫河流域標準化降水指數(SPI)

3.4.3 ENSO事件強度與SPI影響因子關系分析 李小燕等將ENSO暖冷事件強度的等級主要劃分為極強和強、中等、弱和極弱3個等級,其中未受ENSO事件影響年份的強度用0表示[21]，ENSO暖冷事件強度分別用3，2，1和-3，-2，-1表示[22]。據此對1960—2005年來ENSO發生強度進行統計，將撫河流域1960—2005年降水量距平和ENSO發生強度進行6次多項式擬合，得到了兩者的變化趨勢[23](圖7)，從圖中可以看出，ENSO事件對撫河流域降水的影響較大，在1960—2005年期間，隨著ENSO事件強度的變化，降水量也隨之變化，大體有相同的趨勢變化。ENSO暖事件年份發生干旱的可能性大于冷事件年份。

3.4.4 ENSO事件強度與撫河流域SPI的關系分析 由圖7B可得，整個研究時期內撫河流域年SPI值得線性變化趨勢不明顯，從SPI值5項多項式擬合看出，在1960—1980年，撫河流域發生了4次中旱與輕旱，干旱事件發生頻率較大，在20世紀80年代以后，發生了2次中旱與輕旱，頻率較之前減小。總體來說，1960—2005年撫河流域SPI數值加大，干旱災害發生的頻率逐漸降低。

結合表2和圖7B，撫河流域年SPI值和ENSO事件強度的相關分析得出，兩者之間呈顯著負相關關系(Pearson相關系數為-0.083，α=0.05)。在發生ENSO暖事件時，SPI值相對較大，而在ENSO冷事件時，SPI值相對較小，在1960—2005年里，撫河流域的干旱事件主要發生在ENSO事件年的當年、上(下)一年，在發生的6個輕旱以上事件年份里均發生了ENSO暖事件，可見ENSO事件對流域干旱災害影響顯著，即ENSO暖事件強度越大，越有可能發生嚴重的干旱事件。

圖7 撫河流域SPI影響因子與ENSO事件發生強度多項式擬合關系、SPI與ENSO事件發生強度多項式擬合關系

3.5 ENSO事件對干旱的滯后性

相關文獻表明赤道東太平洋海溫異常與流域的降水異常并非同步，二者需要一定的時間相互作用和影響[24]。即ENSO事件對于降水的影響存在一定的滯后性[25]。由于ENSO事件影響流域的干旱是一個持續性的過程，需要一定的滯后時間。表3分El Nio和La Nia兩類異常事件與之同期SSTA以及滯后1～6個月的干旱情況進行相關分析，探討ENSO事件對撫河流域干旱的滯后性影響。

表3 ENSO事件與撫河流域同期及滯后1～6個月干旱相關分析

4 結 論

(1) 1960—2005年以來撫河流域春季呈干旱化趨勢、夏季次之，冬季有變濕趨勢。從年代際變化來看，20世紀60—70年代干旱持續時間長、強度大，90年代以后干旱次數程度和次數有增加的趨勢。

(2) 在空間變化上，季節干旱趨勢差異更加明顯，春季大致呈現出南升北降的規律，南部呈濕潤化態勢，北部呈干旱化態勢，夏季撫河流域呈微弱濕潤化趨勢，秋季的變化趨勢與春季整體相同，整體呈濕潤化態勢，冬季南豐、南城濕潤化趨勢顯著,崇仁和廣昌有變干趨勢。

(3) 各季節干旱高頻分別集中在：春季在崇仁，夏季在南豐、黎川，秋季在撫州、金溪，冬季在東鄉，主要都集中在流域東北部地區，年尺度干旱平均發生頻率為29.95%，最大為南豐、南城和崇仁；中旱及以上主要分布在：春季在宜黃，夏季在南豐、黎川，秋季在宜黃，冬季在南豐、黎川，中旱及以上主要發生在宜黃、南豐等地，年尺度上，中度及以上干旱發生頻率最高值為15.22%，主要發生在南豐。

(4) 撫河流域春季SPI與SSTA指數的相關性最為顯著，秋季次之，夏季的相關型最弱。ENSO事件發生強度與撫河流域SPI影響因子的多項式擬合關系表明，ENSO事件暖事件年份對研究區降水下降非常明顯，其發生干旱的可能性大于冷事件年份，ENSO事件對流域干旱災害影響顯著，即ENSO暖事件強度越大，越有可能發生嚴重的干旱事件。

(5) ENSO 事件影響撫河流域的干旱是一個過程，需要一定響應時間，干旱對El Nio事件的響應在滯后1～2個月的響應最為顯著，而干旱對La Nia事件的響應在滯后3～4個月才有顯著的響應。

(6) 文中使用了SPI指數描述流域干旱現象有一定的局限性，可以結合相應的溫度資料利用SPEI指數研究撫河流域干旱情況，ENSO現象對撫河流域干旱的影響不容忽視，應對ENSO事件對于預防干旱災害大面積發生對于流域農業生產的影響和SSTA指數及其他ENSO大尺度氣候因子的相關系數的具體差異性有待于進一步研究。