基于SPEI渭北黃土臺塬區(qū)干旱時空演變特征

劉 宇, 李雯晴, 劉 招, 余玉聰, 尤烽驊, 楊 舟

(1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 西安710054; 2.長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室, 西安 710054; 3.長安大學(xué) 水與發(fā)展研究院, 西安 710054)

在全球氣候變化的背景下，洪澇、高溫、干旱等極端氣候災(zāi)害事件頻繁發(fā)生，遠(yuǎn)高于同期多年平均氣候災(zāi)害發(fā)生頻率[1]。政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)于2013年發(fā)布的第五次評估報告中指出[2]，干旱在世界范圍內(nèi)不僅影響范圍呈增大趨勢，而且發(fā)生頻率呈增加趨勢，對區(qū)域水文生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響[3]。干旱是自然界最為普遍的災(zāi)害，具有發(fā)展慢、范圍廣、發(fā)生頻率高和持續(xù)時間長等特點[4]，據(jù)推算，全球因干旱所造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)超其他自然災(zāi)害，每年約為60～80億美元[5]。2010年中國西南地區(qū)遭受了嚴(yán)重干旱，春季干旱顯著降低了總初級生產(chǎn)力(GPP)和植被指數(shù)，這一影響直到8月才完全消除，干旱使該地區(qū)2010年GPP和凈初級生產(chǎn)力(NPP)分別減少了65,46 TgC/a[6]。相關(guān)統(tǒng)計表明，全球因氣象災(zāi)害所死亡的人數(shù)占自然災(zāi)害死亡人數(shù)的61%，在中國平均每年發(fā)生的旱災(zāi)所占自然災(zāi)害的比例最大，占受災(zāi)總面積的55%,1950—2008年中國年均受旱面積為21.57萬km2，成災(zāi)面積為9.56萬km2，因干旱所造成的糧食損失為158億kg[7]。因此，明晰干旱時空變化特征對水文生態(tài)建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者采用不同評價方法對干旱進(jìn)行了研究分析。李紅梅等[8]研究了不同干旱指數(shù)在青海高原干旱監(jiān)測的適用性，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)(SPI)對干旱監(jiān)測效果最好，K指數(shù)次之，PA指數(shù)和MCI指數(shù)最差;茅海祥等對[9]帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)干旱指數(shù)與降水Z指數(shù)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明PDSI干旱指數(shù)更適合貴州省干旱分析。鑒于SPI指數(shù)、PDSI指數(shù)良好的適用性，得到較為廣泛的應(yīng)用，但SPI指數(shù)、PDSI指數(shù)存在一定的缺陷，如SPI指數(shù)未考慮潛在蒸散量對干旱的影響，PDSI指數(shù)在干旱等級劃分上具有較強(qiáng)的主觀性[10]。為了更加精確地對干旱進(jìn)行監(jiān)測分析，Vicente-Serrano等在2010年提出了融合SPI和PDSI指數(shù)優(yōu)點的SPEI指數(shù)，SPEI指數(shù)不僅表現(xiàn)出SPI指數(shù)的多時間尺度特征，又保留了PDSI指數(shù)對潛在蒸散量較為敏感的優(yōu)點，因此在世界各地干旱研究中得到了廣泛應(yīng)用。

黃土塬地區(qū)是我國典型生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，區(qū)域氣候干旱，水資源短缺，地形破碎、植被退化、土壤質(zhì)地疏松，不斷加劇的土壤侵蝕和水土流失，使得水資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出，嚴(yán)重制約著區(qū)域水文生態(tài)建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展[11]。但目前大多數(shù)針對的干旱研究主要集中在黃土高原，對更為特殊的黃土塬干旱研究相對較少，針對黃土塬地區(qū)多時間尺度干旱空間時空分布特征的研究更少。鑒于此，本研究選用有塬周溝谷深切，塬面侵蝕較輕，溝蝕強(qiáng)烈特色的渭北黃土臺塬區(qū)作為研究對象[12]，并選用空間分布較為均勻，能夠準(zhǔn)確、真實地反映渭北黃土臺塬區(qū)干旱演變規(guī)律的10個氣象站，通過計算不同時間尺度SPEI指數(shù)，分析渭北黃土臺塬區(qū)多時間尺度干旱時空變化特征，以期為渭北黃土臺塬區(qū)水資源高效利用、水文生態(tài)建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

以關(guān)中平原渭河以北黃土臺塬區(qū)作為研究對象(簡稱渭北黃土臺塬區(qū))，研究區(qū)域西起寶雞縣、隴縣，東至韓城市、宜川縣，南與渭河北面平原相連，北接黃土高原丘陵溝壑區(qū)，包含35個縣區(qū)。研究區(qū)域年降水量在300～900 mm，多年平均降雨量為576 mm，時空分布不均，雨熱同季，干旱威脅大;區(qū)內(nèi)多年平均蒸發(fā)量約為1 100 mm，處于北溫帶和亞熱帶，整體屬大陸季風(fēng)性氣候。選取黃土臺塬區(qū)空間分布較為均勻，能夠準(zhǔn)確、真實地反映臺塬區(qū)干旱變化規(guī)律的長武、武功、咸陽等10個氣象站點(圖1)，所用降水、溫度等數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心(http:∥cdc.nmic.cn/)。

圖1 研究區(qū)域位置、DEM及氣象站點分布示意圖

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)是在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)基礎(chǔ)上引入了潛在蒸散量對干旱的影響，用來刻畫氣象干旱的指標(biāo)。通過3個參數(shù)log-logistic概率分布函數(shù)來計算不同時段降水量與潛在蒸散量差值，得到不同時間尺度的SPEI指數(shù)，具體計算過程參考文獻(xiàn)[13]。其中，潛在蒸發(fā)蒸騰(PET)指在水量充足的條件下的蒸騰量與蒸發(fā)量，目前常用Thornthwaite,Hargreaves或Penman-Monteith方程計算PET，本文采用Vicente-Serrano推薦的Thornthwaite方法計算PET，公式如下:

(1)

(2)

式中:PET為潛在蒸發(fā)蒸騰量;H為年熱量指數(shù);Ti為月平均溫度。

SPEI指數(shù)具有多時間尺度特征，能夠反映不同時間尺度降水、氣溫等對區(qū)域干旱綜合影響，可用干旱狀況的監(jiān)測。依據(jù)國家氣候中心2006年發(fā)布的《氣象干旱等級》[14]，對SPEI指標(biāo)進(jìn)行干旱等級劃分(表1)。

表1 基于SPEI的干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

為更合理地反映渭北黃土臺塬區(qū)年及四季干旱變化特征，本文對渭北黃土臺塬區(qū)不同時間尺度SPEI指數(shù)進(jìn)行研究分析(圖2)。短時間尺度中，SPEI-1在1969—2016年波動幅度最大，主要與月氣溫、水分變化有關(guān)，反映月尺度上干旱演變規(guī)律;SPEI-3主要受季節(jié)降水、溫度的影響，反映四季干旱演變規(guī)律;SPEI-6波動幅度較SPEI-1,SPEI-3長，反映干濕季演變規(guī)律。長時間尺度中，由于短時間的強(qiáng)降水無法決定區(qū)域的干濕程度，此時SPEI-12變化相對穩(wěn)定，能較好地體現(xiàn)干旱年際演變特征[15]。因此，本文重點分析能夠反映季尺度和年尺度干旱演變規(guī)律的SPEI-3和SPEI-12指數(shù)。

圖2 1969-2016年不同時間尺度SPEI變化

2.2 其他方法

基于1969—2016年不同時間尺度的SPEI序列，分析了渭北黃土臺塬區(qū)干旱時空演變特征。采用線性回歸、10 a滑動平均法[16]分析年及四季SPEI指數(shù)的變化趨勢;采用Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K法)、滑動T檢驗及累積距平法[17]分析干旱突變發(fā)生年份;采用Morlet連續(xù)復(fù)小波分析[18]研究干旱變化周期;采用R/S分析法[19]預(yù)測未來干旱變化趨勢;采用數(shù)理統(tǒng)計和反距離加權(quán)法研究分析干旱頻率時空變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 SPEI指數(shù)變化特征

從年際變化看(圖3)，渭北黃土臺塬區(qū)1969—2016年平均SPEI-12指數(shù)呈現(xiàn)明顯的波動震蕩，整體以0.012 1/a速率減少，說明渭北黃土臺塬區(qū)干旱有增強(qiáng)趨勢。年平均SPEI-12指數(shù)有明顯波動特征，在1990年、2002年和2012年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，呈“上升—下降—上升—下降”的波動趨勢。渭北黃土臺塬區(qū)1969—2016年干旱期主要集中在1994—2002年和2013—2016年，其中1995年和2016年干旱強(qiáng)度較大，年均SPEI-12指數(shù)分別為-1.23(中度干旱)、-0.89(輕度干旱);相對濕潤期主要集中在1974—1990年，年平均SPEI-12值數(shù)在1984年、1976年和1983年相對較大，分別為1.65,1.43,1.09?？偟膩碚f，48 a來渭北黃土臺塬區(qū)干旱有增強(qiáng)趨勢，且具有明顯的波動特征，1974—1990年為相對濕潤期，1994—2002年為干旱期。

圖3 1969-2016年SPEI-12年際變化特征

從季節(jié)變化看(圖4)，春、夏、秋、冬四季均呈下降趨勢，下降速率分別為0.023 4/a,0.007 7/a,0.004 7/a和0.007 3/a，其中春季SPEI-3指數(shù)呈“上升—下降—上升—下降”的波動趨勢，在2000年之后有變干旱趨勢，干旱期集中在2000—2013年;夏季SPEI-3指數(shù)波動幅度較小，無干旱年份集中在1978—1993年、1995年、1997年較為干旱;秋季SPEI-3指數(shù)在1986—1999年以小于-0.5為主即以干旱為主，2000年以后干旱情況有所好轉(zhuǎn);冬季SPEI-3指數(shù)波動幅度較小，多無干旱，濕潤期主要集中在1971—1978年和2000—2012年。

圖4 1969-2016年SPEI-3季節(jié)變化特征

3.2 干旱頻率時空變化特征

3.2.1 干旱頻率時間變化特征 根據(jù)SPEI指數(shù)評估等級，選用SPEI-12對48 a來渭北黃土臺塬區(qū)干旱事件發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到不同年代干旱發(fā)生頻率和不同季節(jié)干旱發(fā)生頻數(shù)(圖5)。由圖5A可知，渭北黃土臺塬區(qū)1969—2016年無干旱和干旱發(fā)生頻率分別為69.38%和30.62%，其中，干旱主要以輕度干旱為主(18.23%)，中等干旱發(fā)生頻率次之(9.20%)，極端干旱最少(1.06%)。1980s干旱發(fā)生頻率最小(12.50%)，且無嚴(yán)重干旱和極端干旱發(fā)生;1990s嚴(yán)重干旱和極端干旱發(fā)生頻率均最大分別為5.83%和5.00%;2000s干旱發(fā)生頻率最大(42.5%)是干旱發(fā)生最少年代(1980s)的3.4倍。

由圖5B可知，四季干旱頻次整體上無較大差異，春季和冬季發(fā)生的干旱頻次最多，均為46次;其次為夏季(41次);秋季最少(40次)。從不同干旱等級在四季內(nèi)的分布情況可知，輕度干旱發(fā)生頻次最多，中等干旱次之，極端干旱最少。此外，冬季發(fā)生輕度干旱和極端干旱次數(shù)均最多分別為30次和3次，夏季是發(fā)生嚴(yán)重干旱最多的季節(jié)(6次)，秋季是發(fā)生中等干旱次數(shù)最多的季節(jié)(16次)。

圖5 1969-2016年渭北黃土臺塬區(qū)不同年際干旱發(fā)生頻率及不同季節(jié)干旱發(fā)生頻數(shù)

3.2.2 干旱頻率空間變化特征 本研究以年尺度為例對渭北黃土臺塬區(qū)不同等級干旱空間分布特征進(jìn)行分析(圖6)。由圖6可知，不同等級干旱發(fā)生頻率空間分布上有較大的差異。輕度干旱發(fā)生頻率自西向東呈“高—低—高—低”的分布規(guī)律，其中，隴縣輕度干旱發(fā)生頻率最高(19.12%)，武功發(fā)生頻率最低(11.33%);中等干旱發(fā)生頻率自西向東呈“逐漸增高”的分布規(guī)律;嚴(yán)重干旱發(fā)生頻率自西向東呈“逐漸降低”的分布規(guī)律;研究區(qū)域內(nèi)極端干旱發(fā)生頻率小于3%，發(fā)生頻率相對較高的主要集中在永壽、咸陽、耀縣，均位于研究區(qū)域中部，呈“中間高兩邊低”的分布規(guī)律，且東部略高于西部。

圖6 渭北黃土臺塬區(qū)各等級干旱頻率空間分布

3.3 干旱突變分析

渭北黃土臺塬區(qū)年平均SPEI-12指數(shù)年際變化M-K檢驗曲線(圖7A)。UF曲線顯示年平均SPEI-12指數(shù)經(jīng)歷了下降上升和下降的趨勢，其中UF值在1969—1994年(除1973年、1974年)為正值，表明SPEI-12指數(shù)在此期間總體呈上升趨勢，該時期為相對濕潤期;1994年之后，UF值均小于0，尤其2002年UF值(-2.21)超出=0.05的置信區(qū)間，說明SPEI-12指數(shù)呈顯著的下降趨勢，該時期為相對干旱期。在=0.05的置信區(qū)間內(nèi)，UF和UB曲線相交于1991年、2010年、2012年，為精準(zhǔn)確定突變年份，對SPEI-12指數(shù)進(jìn)行滑動T檢驗(圖7B)，由圖7B可知，在1991年、2010年、2012年3年中，僅1991年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區(qū)間，即在1991年存在顯著突變，也表明了渭北黃土臺塬區(qū)年際干旱自1991年開始加劇。

圖7 1969-2016年渭北黃土臺塬區(qū)SPEI-12年際變化突變檢驗

渭北黃土臺塬區(qū)四季平均SPEI-3指數(shù)變化檢驗曲線(圖8)，由春季SPEI-3指數(shù)年際變化可知，在=0.05的置信區(qū)間內(nèi)，UF和UB曲線相交于1996年，且1996年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區(qū)間，即在1996年存在顯著突變。由夏季SPEI-3指數(shù)年際變化可知，在置信區(qū)間內(nèi)，UF和UB曲線相交于2010年、2014年、2015年，為精準(zhǔn)確定突變年份，對夏季SPEI-3指數(shù)進(jìn)行滑動T檢驗，僅2010年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區(qū)間，即在2010年干旱存在顯著突變。

圖8 1969-2016年渭北黃土臺塬區(qū)四季SPEI-3指數(shù)變化突變檢驗

秋季SPEI-3指數(shù)的UF和UB曲線交點較多有1986—1988年、2002年、2015年，對秋季SPEI-3指數(shù)進(jìn)行滑動T檢驗，僅2002年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區(qū)間，即在2002年干旱存在顯著突變。冬季SPEI-3指數(shù)的UF和UB曲線交點有1978年、1987年、1997年等，對冬季SPEI-3指數(shù)進(jìn)行滑動T檢驗，有1978年、1997年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區(qū)間，即在1978年、1997年干旱存在顯著突變，為進(jìn)一步確定更可能的突變點，對平均SPEI-3進(jìn)行了累積距平分析(圖9)，結(jié)果表明冬季SPEI-3指數(shù)在1978年突變，綜合考慮冬季在1978年存在顯著干旱突變。

圖9 1969-2016年渭北黃土臺塬區(qū)冬季SPEI-3指數(shù)累積距平

3.4 干旱周期分析

Morlet小波分析中，小波系數(shù)實部正負(fù)表示豐枯，當(dāng)小波系數(shù)實部值等值線中心為正時，表示偏濕潤，反之表示偏干旱;小波方差用來反映不同時間尺度SPEI指數(shù)的能量波動的分布特征，并用來繪制不同時間尺度SPEI指數(shù)演變的主要周期。

由圖10可知，在年尺度上，明顯存在4～18 a的短周期和20 a以上的長周期;依據(jù)小波分析圖可知，第一主周期和第二主周期分別對應(yīng)11 a,7 a特征時間尺度，另外可能存在更大時間尺度的主周期，但由于時間序列較短，未能表現(xiàn)出來;在11 a和7 a特征時間尺度上，SPEI-12分別經(jīng)歷了6個和10個豐—枯變化周期，平均變化周期分別為8 a和4.8年。在季節(jié)尺度上，春、夏、秋三季的變化周期與年際相似，第一主周期和第二主周期分別為6 a和11 a,6 a和12 a,15 a和11 a，并均可能存在更大的時間尺度周期。冬季明顯存在著3～11 a的短周期和12～30 a的長周期;最大峰值對應(yīng)著16 a時間尺度為第一主周期，21 a時間尺度對應(yīng)著第二峰值為第二主周期;16 a特征時間尺度上，SPEI-3平均周期為10.7 a左右，大約經(jīng)歷了4.5個豐—枯變化周期;在22 a特征時間尺度上研究區(qū)域干旱的變化周期為13.7 a左右，大約3.5個豐—枯變化周期。

圖10 小波系數(shù)實部、方差和特征時間尺度

3.5 干旱持續(xù)性分析

對于渭北黃土臺塬區(qū)干旱未來變化趨勢的預(yù)測，采用R/S分析法(表2)。年際SPEI-12的Hurst指數(shù)為0.855>0.5，表明干旱具有持續(xù)性，即未來渭北黃土臺塬區(qū)的年際SPEI-12指數(shù)變化趨勢將維持過去下降趨勢一致，干旱化將繼續(xù)加劇。四季SPEI-3的Hurst指數(shù)均>0.5，表明未來四季的SPEI-3指數(shù)將維持原來的下降趨勢。四季變化趨勢強(qiáng)度不同，春季SPEI-3的Hurst指數(shù)最大(0.877)，持續(xù)性最強(qiáng)，表明未來春季SPEI-3指數(shù)下降的可能性高于其他季節(jié);秋季和夏季SPEI-3的Hurst指數(shù)次之分別為0.789,0.720，表明未來秋季和夏季SPEI-3指數(shù)將維持原來的下降趨勢，干旱化將加劇;冬季SPEI-3的Hurst指數(shù)最小(0.698)，表明未來冬季SPEI-3指數(shù)下降的可能性相較于其他季節(jié)最小，即未來干旱化加劇可能性最小。

表2 1969-2016年SPEI的Hurst指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本研究通過計算不同時間尺度的SPEI指數(shù)，對渭北黃土臺塬區(qū)干旱時空演變特征進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)四季SPEI-3指數(shù)中，僅春季SPEI-3指數(shù)下降速率(0.023 4/a)高于年SPEI-12指數(shù)下降速率(0.012 1/a)，并均呈“上升—下降—上升—下降”的波動趨勢;年際干旱在1991年發(fā)生顯著突變，與4個季節(jié)中春季發(fā)生干旱突變年份(1996年)最為接近;年主周期和春季主周期較為接近;春季SPEI-3的Hurst指數(shù)(0.877)與年SPEI-12的Hurst指數(shù)(0.855)最為接近。因此，可以認(rèn)為春季干旱趨勢變化在年際干旱趨勢變化中起主導(dǎo)作用，即春季干旱演變對年干旱演變的貢獻(xiàn)率最大。

本文對1969—2016年渭北黃土臺塬區(qū)干旱時空變化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域干旱整體呈增強(qiáng)趨勢，春季干旱趨勢變化與年際較為相似，隴縣和長武干旱發(fā)生頻率最高。此結(jié)論與大范圍的研究成果具有一致性，如郭夢等[20]基于SPEI指數(shù)研究了陜西省干旱變化特征，結(jié)果表明全省正在向干旱化發(fā)展;孫藝杰等[15]對黃土高原干旱特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明春季干旱趨勢變化與年際較為相似，說明此研究成果具有一定的合理性。

我國北方地區(qū)干旱化形成原因十分復(fù)雜，尤其是近年來氣候變化、人類活動加劇，使得氣候變暖、水資源過度利用、土地利用類型改變和城市群的擴(kuò)張等，這都將對干旱化產(chǎn)生了較大的影響[21]，究竟是那種影響因素起主導(dǎo)作用有待研究。此外，溫度升高是造成渭北黃土臺塬區(qū)不斷向干旱化發(fā)展的主要原因之一，溫度升高可延長農(nóng)作物的可生長期，并對冬季小麥安全越冬較為有利，但導(dǎo)致病蟲卵安全越冬，將給病蟲防治工作帶來巨大困難，關(guān)于渭北黃土臺塬區(qū)不斷向干旱化發(fā)展對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的定量影響有待研究[22]。總的來說，在變化環(huán)境下不同影響因素對渭北黃土臺塬區(qū)干旱的貢獻(xiàn)率及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響有待更進(jìn)一步的研究。

4.2 結(jié) 論

(1) 1969—2016年渭北黃土臺塬區(qū)年及四季SPEI指數(shù)呈減小趨勢，年SPEI-12指數(shù)整體以0.012 1/a速率減少，四季SPEI-3指數(shù)下降速率分別為0.023 4,0.007 7,0.004 7,0.007 3/a，年及四季SPEI指數(shù)的Hurst指數(shù)分均大于0.5，表明未來年及四季干旱將繼續(xù)維持增強(qiáng)趨勢。

(2) 年尺度上，年際干旱發(fā)生頻率有較大的差異，2000s干旱發(fā)生頻率(42.5%)是1980s的3.4倍;季尺度上，四季干旱發(fā)生頻率無較大差異，整體上符合輕旱>中旱>重旱>極旱的規(guī)律;干旱發(fā)生頻率空間分布上有較大差異，輕旱、中旱、重旱和極旱發(fā)生頻率分別呈自西向東呈“高—低—高—低”、“逐漸增高”、“逐漸降低”和“中間高兩邊低”的分布規(guī)律。

(3) 突變分析表明，年及四季SPEI指數(shù)均發(fā)生了由大到小的顯著突變，年際干旱自1991年開始加劇，春、夏、秋、冬四季干旱分別在1996年、2010年、2002年、1978年發(fā)生顯著突變。

(4) 小波分析表明，年及春、夏、秋季SPEI指數(shù)周期性變化特征有一定的相似性，均明顯存在著4～18 a的短周期和20 a以上的長周期，還可能存在更大尺度的周期;冬季存在著3～11 a的短周期和12～30 a的長周期。