基于SPEI渭北黃土臺塬區干旱時空演變特征

劉 宇, 李雯晴, 劉 招, 余玉聰, 尤烽驊, 楊 舟

(1.長安大學 水利與環境學院, 西安710054; 2.長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 西安 710054; 3.長安大學 水與發展研究院, 西安 710054)

在全球氣候變化的背景下，洪澇、高溫、干旱等極端氣候災害事件頻繁發生，遠高于同期多年平均氣候災害發生頻率[1]。政府間氣候變化專業委員會(IPCC)于2013年發布的第五次評估報告中指出[2]，干旱在世界范圍內不僅影響范圍呈增大趨勢，而且發生頻率呈增加趨勢，對區域水文生態環境和社會經濟可持續發展造成了嚴重影響[3]。干旱是自然界最為普遍的災害，具有發展慢、范圍廣、發生頻率高和持續時間長等特點[4]，據推算，全球因干旱所造成的經濟損失遠超其他自然災害，每年約為60～80億美元[5]。2010年中國西南地區遭受了嚴重干旱，春季干旱顯著降低了總初級生產力(GPP)和植被指數，這一影響直到8月才完全消除，干旱使該地區2010年GPP和凈初級生產力(NPP)分別減少了65,46 TgC/a[6]。相關統計表明，全球因氣象災害所死亡的人數占自然災害死亡人數的61%，在中國平均每年發生的旱災所占自然災害的比例最大，占受災總面積的55%,1950—2008年中國年均受旱面積為21.57萬km2，成災面積為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建設和社會經濟發展具有至關重要的意義。

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

黃土塬地區是我國典型生態環境脆弱區，區域氣候干旱，水資源短缺，地形破碎、植被退化、土壤質地疏松，不斷加劇的土壤侵蝕和水土流失，使得水資源、生態環境和經濟發展的矛盾日益突出，嚴重制約著區域水文生態建設和社會經濟發展[11]。但目前大多數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，溝蝕強烈特色的渭北黃土臺塬區作為研究對象[12]，并選用空間分布較為均勻，能夠準確、真實地反映渭北黃土臺塬區干旱演變規律的10個氣象站，通過計算不同時間尺度SPEI指數，分析渭北黃土臺塬區多時間尺度干旱時空變化特征，以期為渭北黃土臺塬區水資源高效利用、水文生態建設和社會經濟可持續發展提供科學支撐。

1 研究區概況及數據來源

以關中平原渭河以北黃土臺塬區作為研究對象(簡稱渭北黃土臺塬區)，研究區域西起寶雞縣、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，包含35個縣區。研究區域年降水量在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;區內多年平均蒸發量約為1 100 mm，處于北溫帶和亞熱帶，整體屬大陸季風性氣候。選取黃土臺塬區空間分布較為均勻，能夠準確、真實地反映臺塬區干旱變化規律的長武、武功、咸陽等10個氣象站點(圖1)，所用降水、溫度等數據來源于中國氣象數據共享服務中心(http:∥cdc.nmic.cn/)。

圖1 研究區域位置、DEM及氣象站點分布示意圖

2 研究方法

2.1 標準化降水蒸散指數

標準化降水蒸散指數(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)是在標準化降水指數(SPI)基礎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。通過3個參數log-logistic概率分布函數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，具體計算過程參考文獻[13]。其中，潛在蒸發蒸騰(PET)指在水量充足的條件下的蒸騰量與蒸發量，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為潛在蒸發蒸騰量;H為年熱量指數;Ti為月平均溫度。

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

表1 基于SPEI的干旱等級劃分標準

為更合理地反映渭北黃土臺塬區年及四季干旱變化特征，本文對渭北黃土臺塬區不同時間尺度SPEI指數進行研究分析(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，反映月尺度上干旱演變規律;SPEI-3主要受季節降水、溫度的影響，反映四季干旱演變規律;SPEI-6波動幅度較SPEI-1,SPEI-3長，反映干濕季演變規律。長時間尺度中，由于短時間的強降水無法決定區域的干濕程度，此時SPEI-12變化相對穩定，能較好地體現干旱年際演變特征[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律的SPEI-3和SPEI-12指數。

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]分析干旱突變發生年份;采用Morlet連續復小波分析[18]研究干旱變化周期;采用R/S分析法[19]預測未來干旱變化趨勢;采用數理統計和反距離加權法研究分析干旱頻率時空變化特征。

3 結果與分析

3.1 SPEI指數變化特征

從年際變化看(圖3)，渭北黃土臺塬區1969—2016年平均SPEI-12指數呈現明顯的波動震蕩，整體以0.012 1/a速率減少，說明渭北黃土臺塬區干旱有增強趨勢。年平均SPEI-12指數有明顯波動特征，在1990年、2002年和2012年出現轉折，呈“上升—下降—上升—下降”的波動趨勢。渭北黃土臺塬區1969—2016年干旱期主要集中在1994—2002年和2013—2016年，其中1995年和2016年干旱強度較大，年均SPEI-12指數分別為-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值數在1984年、1976年和1983年相對較大，分別為1.65,1.43,1.09。總的來說，48 a來渭北黃土臺塬區干旱有增強趨勢，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;冬季SPEI-3指數波動幅度較小，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SPEI指數評估等級，選用SPEI-12對48 a來渭北黃土臺塬區干旱事件發生頻率進行統計分析，得到不同年代干旱發生頻率和不同季節干旱發生頻數(圖5)。由圖5A可知，渭北黃土臺塬區1969—2016年無干旱和干旱發生頻率分別為69.38%和30.62%，其中，干旱主要以輕度干旱為主(18.23%)，中等干旱發生頻率次之(9.20%)，極端干旱最少(1.06%)。1980s干旱發生頻率最小(12.50%)，且無嚴重干旱和極端干旱發生;1990s嚴重干旱和極端干旱發生頻率均最大分別為5.83%和5.00%;2000s干旱發生頻率最大(42.5%)是干旱發生最少年代(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的分布情況可知，輕度干旱發生頻次最多，中等干旱次之，極端干旱最少。此外，冬季發生輕度干旱和極端干旱次數均最多分別為30次和3次，夏季是發生嚴重干旱最多的季節(6次)，秋季是發生中等干旱次數最多的季節(16次)。

圖5 1969-2016年渭北黃土臺塬區不同年際干旱發生頻率及不同季節干旱發生頻數

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不同等級干旱空間分布特征進行分析(圖6)。由圖6可知，不同等級干旱發生頻率空間分布上有較大的差異。輕度干旱發生頻率自西向東呈“高—低—高—低”的分布規律，其中，隴縣輕度干旱發生頻率最高(19.12%)，武功發生頻率最低(11.33%);中等干旱發生頻率自西向東呈“逐漸增高”的分布規律;嚴重干旱發生頻率自西向東呈“逐漸降低”的分布規律;研究區域內極端干旱發生頻率小于3%，發生頻率相對較高的主要集中在永壽、咸陽、耀縣，均位于研究區域中部，呈“中間高兩邊低”的分布規律，且東部略高于西部。

圖6 渭北黃土臺塬區各等級干旱頻率空間分布

3.3 干旱突變分析

渭北黃土臺塬區年平均SPEI-12指數年際變化M-K檢驗曲線(圖7A)。UF曲線顯示年平均SPEI-12指數經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的置信區間，說明SPEI-12指數呈顯著的下降趨勢，該時期為相對干旱期。在=0.05的置信區間內，UF和UB曲線相交于1991年、2010年、2012年，為精準確定突變年份，對SPEI-12指數進行滑動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的置信區間，即在1991年存在顯著突變，也表明了渭北黃土臺塬區年際干旱自1991年開始加劇。

圖7 1969-2016年渭北黃土臺塬區SPEI-12年際變化突變檢驗

渭北黃土臺塬區四季平均SPEI-3指數變化檢驗曲線(圖8)，由春季SPEI-3指數年際變化可知，在=0.05的置信區間內，UF和UB曲線相交于1996年，且1996年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區間，即在1996年存在顯著突變。由夏季SPEI-3指數年際變化可知，在置信區間內，UF和UB曲線相交于2010年、2014年、2015年，為精準確定突變年份，對夏季SPEI-3指數進行滑動T檢驗，僅2010年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區間，即在2010年干旱存在顯著突變。

圖8 1969-2016年渭北黃土臺塬區四季SPEI-3指數變化突變檢驗

秋季SPEI-3指數的UF和UB曲線交點較多有1986—1988年、2002年、2015年，對秋季SPEI-3指數進行滑動T檢驗，僅2002年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區間，即在2002年干旱存在顯著突變。冬季SPEI-3指數的UF和UB曲線交點有1978年、1987年、1997年等，對冬季SPEI-3指數進行滑動T檢驗，有1978年、1997年滑動T檢驗值超出=0.05的置信區間，即在1978年、1997年干旱存在顯著突變，為進一步確定更可能的突變點，對平均SPEI-3進行了累積距平分析(圖9)，結果表明冬季SPEI-3指數在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年渭北黃土臺塬區冬季SPEI-3指數累積距平

3.4 干旱周期分析

Morlet小波分析中，小波系數實部正負表示豐枯，當小波系數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指數的能量波動的分布特征，并用來繪制不同時間尺度SPEI指數演變的主要周期。

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;依據小波分析圖可知，第一主周期和第二主周期分別對應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，未能表現出來;在11 a和7 a特征時間尺度上，SPEI-12分別經歷了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;最大峰值對應著16 a時間尺度為第一主周期，21 a時間尺度對應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，大約經歷了4.5個豐—枯變化周期;在22 a特征時間尺度上研究區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 小波系數實部、方差和特征時間尺度

3.5 干旱持續性分析

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

表2 1969-2016年SPEI的Hurst指數

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究通過計算不同時間尺度的SPEI指數，對渭北黃土臺塬區干旱時空演變特征進行了研究。發現四季SPEI-3指數中，僅春季SPEI-3指數下降速率(0.023 4/a)高于年SPEI-12指數下降速率(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年發生顯著突變，與4個季節中春季發生干旱突變年份(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(0.877)與年SPEI-12的Hurst指數(0.855)最為接近。因此，可以認為春季干旱趨勢變化在年際干旱趨勢變化中起主導作用，即春季干旱演變對年干旱演變的貢獻率最大。

本文對1969—2016年渭北黃土臺塬區干旱時空變化進行研究發現，區域干旱整體呈增強趨勢，春季干旱趨勢變化與年際較為相似，隴縣和長武干旱發生頻率最高。此結論與大范圍的研究成果具有一致性，如郭夢等[20]基于SPEI指數研究了陜西省干旱變化特征，結果表明全省正在向干旱化發展;孫藝杰等[15]對黃土高原干旱特征進行研究，結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。

我國北方地區干旱化形成原因十分復雜，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張等，這都將對干旱化產生了較大的影響[21]，究竟是那種影響因素起主導作用有待研究。此外，溫度升高是造成渭北黃土臺塬區不斷向干旱化發展的主要原因之一，溫度升高可延長農作物的可生長期，并對冬季小麥安全越冬較為有利，但導致病蟲卵安全越冬，將給病蟲防治工作帶來巨大困難，關于渭北黃土臺塬區不斷向干旱化發展對區域農業生產的定量影響有待研究[22]。總的來說，在變化環境下不同影響因素對渭北黃土臺塬區干旱的貢獻率及其對農業生產的影響有待更進一步的研究。

4.2 結 論

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

(2) 年尺度上，年際干旱發生頻率有較大的差異，2000s干旱發生頻率(42.5%)是1980s的3.4倍;季尺度上，四季干旱發生頻率無較大差異，整體上符合輕旱>中旱>重旱>極旱的規律;干旱發生頻率空間分布上有較大差異，輕旱、中旱、重旱和極旱發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”的分布規律。

(3) 突變分析表明，年及四季SPEI指數均發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年發生顯著突變。

(4) 小波分析表明，年及春、夏、秋季SPEI指數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。