典型干旱指數在干旱內陸河流域的適用性分析

陳 麗,徐長春*,孫 琪,羅映雪,楚 智,張晉霞

(1.新疆大學 資源與環境科學學院,新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830046;3.四川省眉山市仁壽縣自然資源和規劃局,四川 眉山 620500)

干旱是全球范圍內發生較為頻繁、分布范圍較廣、影響面積較大且比較復雜的一種自然現象,當干旱發展成旱災時,會給人民生活和社會經濟帶來嚴重影響[1-2]。隨著氣候變化與人類活動的影響加劇,干旱現象日趨嚴重,已成為影響人類社會最為嚴重的自然災害之一[3]。因此,干旱已成為當今社會各界共同關注的熱點。

開都-孔雀河流域是我國西北干旱區對氣候變化響應的敏感區域之一,該流域近些年的水資源問題日益突出,已嚴重制約了當地社會的持續健康發展[4]。水文干旱能對農業、工業、生產生活等社會經濟產生直接影響,研究水文干旱不僅可以豐富干旱相關理論體系,也是滿足流域農業生產實踐、社會經濟活動以及生態文明建設對水資源的現實需求[5]。干旱指數是研究和評價干旱事件的基礎,也是衡量干旱程度的關鍵指標。在目前的干旱研究中,通常選取的氣象干旱指數有干燥度指數(AI)[6]、標準化降水指數(SPI)[7]、溫度降水均一化指標(TPI)[8]、標準化降水蒸散發指數(SPEI)[9],水文干旱指標則主要有徑流距平百分比(Ra)[10]、水文干濕指數(di)[11]、標準化徑流指數(SRI)[12]等。其中,TPI、SPEI、Ra、di和SRI已得到了廣泛應用[13-14]。由于干旱的復雜性和影響的廣泛性,某一干旱指標很難達到時空上的普適性,因而干旱指標大都建立在特定的時空范圍內,在特定的區域選擇較優的干旱指標來更好地反映區域的干旱程度,在水資源較為匱乏的干旱區顯得尤為重要。

干旱受自然節律、人類活動等因素的影響,從流域治理和水資源管理方面來看,水文干旱與氣象干旱更具有綜合性的特點[15]。本文在以往研究的基礎上,利用1979～2016年開孔河流域的氣象和水文資料,選取和計算了5種廣泛應用的干旱指數TPI、SPEI、Ra、di和SRI,通過對比這5種干旱指數的評價結果,結合指數所對應的干旱等級及各干旱等級的發生頻率與開孔河流域實際干旱情況的對比,判斷了所選取的干旱指數在開孔河流域干旱事件中的適用性,并分析了流域氣象干旱與水文干旱之間的關系,以及不同時間尺度下不同類型干旱發生的特點,以期為開孔河流域干旱事件的定量研究提供合理的指標依據,為干旱區流域農業生產、水資源合理利用與可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

開孔河流域位于中國西北內陸的新疆巴音郭楞蒙古自治州境內,主要由開都河、孔雀河和博斯騰湖三部分構成。該區地勢西北高，東南低,北部有天山,南部為青藏高原,屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。該流域的氣候特點為干旱少雨、降水集中在夏季、蒸發旺盛、晝夜溫差大等。

1.2 數據來源與數據處理

1.2.1 氣象資料 選取1979～2016年開孔河流域內氣象站點的逐日氣象觀測資料,包括平均溫度、最高溫度、最低溫度和降水量,數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)。月值氣象數據由日值數據計算獲得。

1.2.2 徑流資料 整理1979～2016年大山口站的地表徑流資料,數據來源于新疆維吾爾自治區水文局,該資料完整,具有良好的代表性,能反映出開孔河流域徑流的變化情況。該數據主要用于計算Ra和SRI,有較高的可靠性。

1.2.3 旱情資料 收集1979～2016年開孔河流域的旱災資料,主要來源于《中國氣象災害大典·新疆卷》、新疆統計年鑒和塔里木河流域《水資源公報》。

1.3 研究方法

1.3.1 溫度降水均一化指標(TPI) 溫度降水均一化指標考慮了溫度和降水的影響,其計算公式如下:

1.3.2 標準降水蒸散發指數(SPEI) Vicente-Serrano等在標準化降水指數(Standard Precipitation Index, SPI)的基礎上提出了標準化降水蒸散發指數(Standard Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI),目前在許多國家和地區已經得到了很多的應用[16-17]。該指數首先采用Thomthwaite方法計算潛在蒸散發;其次,計算降水與蒸散量的差值,得出不同時間尺度的累積序列;然后用log-logistic概率密度函數分布對序列進行擬合,再對數據序列進行標準化。SPEI的計算程序軟件來自西班牙CSIC機構(http://digital.csic.es/)。

1.3.3 徑流距平百分比(Ra) 徑流距平百分比是比較簡單的一種評價水文干旱的指標,它反映一段時間內河道的徑流量與同期多年平均河道徑流量之間的關系,其計算公式為:

1.3.4 水文干濕指數(di) 水文干濕指數的計算公式如下:

上式中:di為水文干濕指數；Ep為逐月潛在蒸散發；P為逐月降水量；Rs為逐月地表徑流。

1.3.5 標準化徑流干旱指數(SRI) 本文選取邏輯斯特分布、正態分布、伽馬分布和威布爾分布這4種理論分布函數,在計算觀測值的經驗累積頻率后,用理論分布概率進行擬合,檢驗開孔河流域逐月徑流量數據對應的較優分布類型。根據較優分布,計算某一時間段內的SRI。SRI的具體計算方法如下:

在一定時段內徑流量x的累積概率F(x)的計算公式如下:

對伽馬分布概率進行正態標準化計算:

上式中:當F>0.5時,S=1;當F≤0.5時,S=-1。其中,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。SRI-1、SRI-12、SRI-48分別表示1個月、12個月以及48個月時間尺度的標準化徑流指數。

1.4 干旱等級的劃分

參考國家標準《氣象干旱等級》中的劃分標準,根據有關文獻及新疆短期氣候預測的有關規定來劃分干旱等級[18-22],各指數的干旱等級劃分標準見表1。

表1 干旱指數等級的劃分標準

2 結果與分析

2.1 年尺度各干旱指數對干旱頻次的反映評價

根據上述5種干旱指數計算的開孔河流域不同類型干旱頻次和頻率見表2,從表2可以看出,TPI評價的干旱程度較重,干旱頻率為100%,其中特旱年出現頻次最高,輕旱年出現頻次最低,而實際氣象干旱并沒有出現特旱,且有無旱年的存在;SPEI評價的輕旱次數偏多,重旱次數偏少,而中旱次數與實際一致；Ra評價的輕旱和中旱次數偏多,對重旱沒有反應;di評價的特旱和重旱次數偏多,輕旱次數偏少;SRI評價的輕旱和中旱出現頻次與實際情況一致。開孔河流域在所選取時段內出現干旱的頻率較高,實際氣象干旱頻率為63.33%,實際水文干旱頻率為43.75%,這與受全球氣候變暖影響而干旱極端事件日益增多的現象一致。

表2 不同干旱指數評價的開孔河流域各干旱類型出現頻次及頻率

由上述分析可知：TPI評價的干旱程度重于SPEI； Ra和di評價的干旱程度重于SRI； SPEI相對客觀地反映了開孔河流域的氣象干旱情況； SRI相對客觀地反映了開孔河流域的水文干旱情況。

2.2 年尺度下各干旱指數對干旱等級的反映評價

自1970年以來,開孔河流域主要旱災發生在1979～1981、1984～1987、1989～1991、1993～1995、1997～1998、2000～2002、2005、2012～2015年[23～24],以TPI、SPEI作為氣象干旱指數,Ra、di和SRI作為水文干旱指數,評價開孔河流域干旱年份的對比結果見表3。與實際情況相比,TPI評價結果反映的干旱程度較重,在開孔河流域的適用性不如SPEI。

對于水文干旱,SRI的評價結果與實際情況基本一致，結果2000、2005、2012、2013和2015年為輕旱,2001～2002年為中旱,評價結果較為準確。Ra評價的干旱程度偏輕,對干旱年份評價的輕旱和無旱偏多。由于受蒸散發資料的限制,di的評價從2000年開始,在評價結果中2000～2002年的連旱被誤評為無旱。從表3可以看出,在旱災年5種指數評價的干旱程度與實際情況的對應程度不盡相同。在干旱典型年的校驗中,SPEI和SRI指數評價的干旱年分布與實際情況較為一致。

表3 不同干旱指數對開孔河流域主要干旱年干旱等級的評價結果對比

對表3中用不同評價方法得到的不同干旱等級的評價結果進行歸類，得到圖1a,并與實際氣象干旱情況(圖中縮寫為MD)及實際水文干旱情況(圖中縮寫為HD)進行對比。從圖1a可以看出：開孔河流域氣象干旱指數的適用程度表現為SPEI>TPI;水文干旱指數的適用程度表現為SRI>Ra>di。

為了進一步明確SRI水文干旱指數在開孔河流域的適用性,在圖1b和圖1c中分別對比了不同時間尺度下的SRI與Ra、di的干旱頻率分布。從圖1b可以看出,Ra評價的無旱和輕旱頻率相對較高,對重旱沒有反應,對旱情評價程度相對較輕。從圖1c可以看出,水文干濕指數di評價的輕旱和特旱頻率相對較高,而評價的輕旱、中旱和重旱頻率相對較低。在實際生產生活中,在干旱評價結果偏重的年份,會加大預防和抗擊干旱的力度,造成資源的浪費;在評價結果偏輕的年份,會使抗擊旱災力度不夠,不能及時采取措施應對災害帶來的破壞。綜上比較,SRI及對應的等級劃分更適合評價開孔河流域的水文干旱情況,可為開孔河流域應對水文干旱提供理論依據。

2.3 不同月時間尺度下開孔河流域氣象干旱的演變

將開孔河流域在不同月時間尺度(1、3、6、12、24、48個月)下的氣象干旱指數SPEI值進行等級分類,統計37年間(1979～2015年)各干旱等級出現的頻率,結果見表4。由表4可知：對于氣象干旱而言,開孔河流域發生無旱事件的頻率在1個月至48個月時間尺度下隨時間尺度的增大而逐漸降低；開孔河流域出現輕旱的頻率均值為13.51%,輕旱頻率在3個月時間尺度下最低,在24個月時間尺度下最高；對于中旱和重旱,其頻率均值分別為5.14%和1.99%；開孔河流域特旱發生的頻率均值不足1%,在6個月和12個月時間尺度下的特旱頻率均為0%；開孔河流域的氣象干旱以輕旱、中旱為主,48個月時間尺度下的SPEI評價的干旱程度較重。

a：不同干旱等級評價結果與實際干旱情況對比。b：不同時間尺度下的SRI與Ra評價結果對比。

表4 開孔河流域在不同時間尺度下不同類型氣象干旱的發生頻率 %

2.4 不同月時間尺度下開孔河流域水文干旱的演變

將大山口不同月時間尺度(1、3、6、12、24、48個月)下的SRI值進行等級分類,統計38年間(1979～2016年)各干旱等級出現的頻率,結果見表5。由表5可知：對于水文干旱而言,在1個月至12個月時間尺度下大山口站發生無旱事件的頻率隨時間尺度的增大而逐漸增加,但在24個月至48個月時間尺度下該站發生無旱事件的頻率隨時間尺度的減小而略微增加；大山口站出現輕旱的頻率基本在19%左右,但當時間尺度為24個月時,輕旱頻率增加至26.56%；對于中旱和重旱,其頻率均值分別為11.33%和4.65%；大山口站特旱發生的頻率較小,在1%左右。本文在不同月時間尺度下SRI輕旱和中旱的頻率結果與孫鵬等[25]的研究結果“開都河的水文干旱以輕旱、中旱為主”一致。

表5 開孔河流域在不同時間尺度下不同類型水文干旱的發生頻率 %

2.5 氣象干旱與水文干旱的關系

圖2展示了在不同時間尺度下氣象干旱指數SPEI與水文干旱指數SRI隨時間的變化趨勢及兩者間的相關性。由圖2a可以看出,在1個月時間尺度下的SPEI與SRI隨時間的變化趨勢有部分吻合,但有很多不一致的部分。在圖2b中,在12個月時間尺度下的SPEI與SRI的波峰波谷對應較好,在時間序列74(即1985年2月)、時間序列138(即1990年6月)、時間序列220(即1997年4月)、時間序列332(即2006年8月)和時間序列408(即2012年12月)等處均為波谷,在時間序列38(即1982年2月)、時間序列124(即1989年4月)、時間序列172(即1993年4月)和時間序列257(即2000年5月)等處均為波峰。結合圖2c可知,在24個月時間尺度下的SPEI與SRI在時間序列173(即1993年5月)、時間序列234(即1998年6月)處的波峰一致,在時間序列17(即1980年5月)、時間序列67(即1984年7月)處的波谷一致。從圖2d中可以明顯地看出,SPEI與SRI的相關性隨時間尺度的增大而先增加后略有降低,兩者間的相關系數從1個月時間尺度下的0.18增加到48個月時間尺度下的0.46,且都通過了99%的顯著性檢驗,在12個月時間尺度下相關系數達到最大值0.48。由此可知,開孔河流域氣象干旱與水文干旱的相關性并不是不變的,表明該流域的水文干旱受到多種因素的影響,自然氣候變化和人為干涉增加了該流域氣象干旱向水文干旱的非線性傳導。

a:1個月時間尺度下SPEI與SRI 的變化趨勢。b：12個月時間尺度下SPEI與SRI的變化趨勢。

3 結論與討論

5種干旱指數的評價結果存在很大差異。相比于TPI, SPEI反映的氣象干旱情況與實際情況更為接近,開孔河流域氣象干旱指數的適用性評價結果為SPEI>TPI。Ra反映的水文干旱程度較輕,di評價的水文干旱程度偏重,SRI較為客觀地反映了歷史水文干旱情況,開孔河流域水文干旱指數的適用性評價結果為SRI>Ra>di。

開孔河流域不同干旱等級出現的頻率受時間尺度大小變化的影響較小,從氣象干旱方面來看,無旱發生頻率約為79%,發生干旱事件的頻率約為21%。從水文干旱方面來看,無旱發生頻率約為64%,發生干旱事件的頻率約為36%；在干旱事件中輕旱、中旱的發生頻率占80%以上。

根據各干旱指數的評價結果,對于氣象干旱而言,SPEI評價的干旱結果較好;對于水文干旱而言,SRI對干旱的評價結果更加與實際情況一致。在不同時間尺度下SPEI與SRI間的相關性不同,隨著時間尺度的增大,兩者間的相關系數先增加后略降低,在12個月時間尺度下達到最大。

干旱指數較多,本文選取的干旱指數類別有限,今后需豐富干旱指數的計算方法,綜合考慮氣溫、降水、蒸散發、徑流、下墊面變化和人類活動等多種因素,以得到更加完善的水文干旱指標。