黃土高原不同水平年旱澇時空分布特征

吳 歌， 符素華， 殷 兵

（1. 中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2. 中國科學院大學，北京 100049； 3. 北京師范大學地理科學學部，北京 100875；4. 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

0 引言

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第6次評估報告第1 工作組發布的報告進一步明確指出，近百年全球氣候正在發生廣泛而迅速的變化，人類活動已經使得氣候變暖，幾乎全球陸地區域農業生態干旱監測結果都呈現增加趨勢[1-2]。干旱是指一定區域在某時段內水分供需失衡而出現的水分盈虧現象[3]。干旱可以分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱，其中氣象干旱是降水和蒸發不平衡導致的，進一步發展可引起農業干旱、水文干旱及社會經濟干旱[4-5]。干旱受災人數是所有自然災害中最多的，據統計，1900—2011 年全球有超過1 100 萬人因干旱而死亡[6-7]。我國黃土高原地處半濕潤區向半干旱、干旱的過渡地帶，是生態環境脆弱區和敏感區，水資源嚴重短缺，降水量少、分布不均，而且多以暴雨形式出現，導致該地區干旱缺水與暴雨引發的水土流失并存[8-13]。過去數十年氣象資料分析結果顯示，隨著全球氣候變化，黃土高原整體逐漸變干旱，干旱與熱浪同時發生的頻率呈增加趨勢[14-15]。侯青青等[16]利用神經網絡和Hurst指數預測未來黃土高原干旱發生頻率空間分布差異大，干旱次數增加將高于歷史時期，而且干旱等級升高。干旱是限制黃土高原生態恢復的關鍵因素，目前關于黃土高原旱澇變化研究主要集中在該地區多年整體旱澇變化趨勢分析上[17]。李明等[18]基于多年降水格點數據和MODIS/EVI 數據，探討了1961—2017 年黃土高原干旱分布特征和變化趨勢，以及氣象干旱和農業干旱相關關系，研究發現黃土高原干旱頻率西高東低，以標準化降水指數（SPI）為指標的氣象干旱滯后于以植被狀態指數為指標的農業干旱。孫藝杰等[19]基于1960—2016 年黃土高原地區59 個氣象站資料，以標準化蒸散發指數為指標分析了不同時間尺度下干旱時空變化，研究結果也顯示近57 年黃土高原呈變旱趨勢，顯著變旱區域在山西省、寧夏回族自治區和甘肅省。但是不同水平年下黃土高原旱澇變化特征的研究還不多見，然而不同水平年尤其是枯水年的干旱面積及程度對黃土高原地區水資源配置有重要影響。如鮑衛鋒等[20]以中等干旱年為研究情景，通過建立需水預測模型對延安市需水量增長態勢進行了分析，王小軍等[21]以50%、75%和95%來水情況為研究背景對榆林市需水總量進行了預測。本研究選取1980—2014 年黃土高原263 個氣象站點數據，以標準化降水指數為干旱指標對不同降雨水平年的旱澇特征進行分析，為黃土高原地區農業用水管理和水資源調配等提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域與數據來源

黃土高原（31°41′～41°16′N，100°52′～114°33′E）面積為64 萬km2，大陸性季風氣候，無霜期120～250 d，≥10 °C 積溫2 300～4 500 °C，日照時數1 900～3 200 h，年均溫3.6～14.3 °C，1980—2014 年平均降水量425 mm，年內降水分布不均勻，每年7—9 月的降水多以暴雨形式出現且降水量約占全年降水量的60%[22-23]。黃土高原地形破碎，溝壑縱橫，容易發生水土流失，據統計，2000—2010 年平均土壤侵蝕強度為15.2 t/（hm2·a）[24]。國家氣象科學數據中心收集到黃土高原及周邊263 個雨量站點日降雨量資料，其中187 個站點資料序列為1980—2014 年，76 個站點資料序列為1980—2019 年。263 個站點1980—2014 年數據序列用于分析黃土高原整個區域的豐、平、枯水年旱澇狀況，1980—2019 年資料序列用于驗證長、短數據序列的結果差異。

1.2 數據分析方法

1.2.1 標準化降水指數

采用標準化降水指數（SPI）作為干旱評價指標。標準化降水指數參數少、計算簡單，時間尺度靈活，對不同地點和時空尺度極端事件的描述具有可比性[25-28]。目前SPI 已經在伊朗、意大利、美國等多個國家干旱監測中被使用，在我國黃土高原干旱評價研究中也被廣泛采用[8,14-15,29-32]。SPI 是世界氣象組織（WMO）推薦使用的氣象干旱監測指標[33]。

標準化降水指數法是假設某時段內降水量服從gamma 分布，經正態標準化處理消除降水時空分布差異，最后根據標準化降水累積頻率分布確定干旱等級。SPI 的正值、負值可用來分別指示雨澇和干旱的發生和發展[33]。SPI 具體計算公式可參考文獻[34]。采用R 語言提供的SPIE 程序包（http://sac.csic.es/spei）計算黃土高原263 個站點的SPI 值，然后采用普通克里金插值方法得到整個區域的SPI 值[30]。SPI 旱澇等級根據MCKEE T 等[35]的劃分標準和我國氣象干旱等級標準（GBT 20 481—2006）確定（表1）。

表1 SPI 等級劃分Tab. 1 SPI classification

年時間尺度為12 個月的SPI 值可表征河水徑流、水庫和地下水水位變化[33,36-37]。月時間尺度的SPI 值可以衡量短期內因降水引起的氣象干旱，多用于監測土壤水分變化對農業生產的影響。本文計算了時間尺度為12、8、7、6 和3 個月的SPI 值，分別記為SPI-12、SPI-8、SPI-7、SPI-6 和SPI-3。用豐水年、平水年、枯水年第12 個月的SPI-12 指示各水平年旱澇時空分布。用5 月底的SPI-3、9 月底的SPI-4 和11 月底的SPI-5 分別表示春季（3—5 月）、汛期（6—9 月）和秋季（9—11 月）的旱澇時空分布。用6 月底SPI-6、7 月底SPI-7 和8 月底SPI-8 來分析春季干旱隨汛期降水的緩解情況。

1.2.2 水平年劃分

根據收集到的黃土高原及周邊263 個站點降水數據，采用普通克里金插值得到1980—2014 年黃土高原年平均降雨量序列，然后根據Person-Ⅲ型曲線把75%、50%和25%年降水量對應的年份分別確定為豐水年、平水年和枯水年，其相應的典型年分別為1996 年、1981 年和2001 年，年降水量分別為462.9、421.9 和390.7 mm[38]。

2 結果分析

2.1 不同水平年旱澇年際變化特征

豐水年時黃土高原以澇為主，輕澇至中澇面積占總面積的40.9%，其中輕澇占37.0%、中澇占3.9%，輕澇發生于黃土高原西北邊緣、中西部、南部邊緣及東部邊緣，中澇發生于山西省東南部。輕旱至中旱面積占總面積的5.7%，其中輕旱、中旱面積分別占總面積的5.5%和0.2%，主要分布在西部的青海省和西南部的甘肅省南部。平水年時旱澇影響面積較接近，輕澇至中澇面積比例之和為19.3%，其中輕澇和中澇面積比例為15.5%和3.8%，主要發生在黃土高原南部的甘肅省和陜西省。輕旱占總面積的12.7%，主要發生在黃土高原西部的甘肅省和東部的山西省東南部。枯水年以干旱為主，輕旱至重旱面積比例之和為44.4%，其中輕旱、中旱和重旱占總面積比例分別為26.7%、14.7%和3.0%，主要分布于黃土高原西部甘肅省和青海省部分區域、東部山西省的大部分區域，以及東南部陜西省和河南省的局部區域，東部山西省大部分區域干旱較嚴重。局部區域出現輕澇至中澇，面積比例之和為17.9%，其中輕澇面積比例為17.6%，主要分布于黃土高原西北部內蒙古自治區和寧夏回族自治區的局部區域。

這些結果表明，黃土高原豐、平和枯水年均有不同程度的干旱和雨澇發生，干旱面積占比依次增強，雨澇面積占比依次減弱，不同水平年的旱澇空間分布存在明顯差異。

2.2 不同水平年旱澇年內變化特征

2.2.1 豐水年

豐水年年內黃土高原春季以輕旱和中旱為主，輕旱、中旱面積占總面積的比例分別為56.2%和12.1%，輕旱主要分布在黃土高原的大部分區域，中旱主要分布在高原東北部山西省和內蒙古自治區的局部區域。隨著雨季到來，黃土高原春旱逐漸緩解。6 月底的SPI-6 是通過比較平水年1—6 月降雨與歷史同期（1980—2014 年）降雨量得到的，6 月底僅內蒙古自治區和山西省的北部還存在干旱。到8 月底時，局部區域（山西省中部）出現了雨澇。汛期黃土高原以澇為主，輕澇、中澇和重澇面積占總面積的比例分別為42.8%、12.1%和0.6%，主要分布于黃土高原中部、西北部和東南部，其中寧夏回族自治區、山西省境內出現中澇至重澇。秋季黃土高原旱澇面積接近，輕旱至中旱面積占總面積的20.0%，分布于黃土高原西部的青海省、甘肅省的東南和山西省的中部，輕澇占總面積的17.6%，分布于山西省和陜西省的南部、河南省的西部和內蒙古自治區的北部。

2.2.2 平水年

平水年內黃土高原春季干旱較嚴重，輕旱至特旱面積占高原總面積的77.5%，其中輕旱、中旱、重旱和特旱分別占42.9%、25.6%、7.2%和1.8%，輕旱主要分布在黃土高原中部陜西省和內蒙古自治區大部分區域，以及西部青海省和甘肅省局部區域，中旱至特旱分布于黃土高原西南部甘肅省局部區域，東部山西省大部分區域和河南省在黃土高原內的全部區域，東部的山西省干旱最嚴重。6 月雨季開始后，干旱開始緩解，到6 月底仍存在大面積的干旱區域，輕旱至特旱的面積占全區面積的62.9%。汛期雨澇面積占區域總面積的55.8%，其中輕澇、中澇、重澇面積分別占31.0%、19.6%和5.2%，主要分布在高原中南部甘肅省和陜西省局部區域。秋季高原以旱為主，輕旱至特旱面積占高原總面積的40.3%，高原中東部山西省北部和陜西省北部干旱較嚴重。

2.2.3 枯水年

黃土高原枯水年春季輕旱至特旱面積占總面積的74.5%，輕旱、中旱、重旱和特旱面積占總面積的比例分別為18.4%、32.4%、12.3%和11.4%，干旱主要分布在除高原西北部之外的大部分區域，其中東南部山西省和河南省干旱最嚴重。汛期降水對區域干旱的減緩較弱，到6 月底、7 月底和8 月底干旱區域的面積比依次為87.8%、73.4%和67.9%，干旱面積雖然逐漸減小，但是與豐水年和平水年相比干旱比例依然很高，干旱分布在除黃土高原西北部外的大部分區域，其中東北部和東南部干旱等級較高。枯水年汛期黃土高原的東南部和東北部依然出現干旱，雨澇主要分布在中北部陜西省、內蒙古自治區和寧夏回族自治區的局部區域。秋季黃土高原以澇為主，輕澇至重澇占總面積的62.1%，其中輕澇占32.6%、中澇占28.8%、重澇占0.7%，主要分布在中北部陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區和內蒙古自治區的大部分區域。從上述分析可以看出枯水年黃土高原春旱嚴重，分布面積廣，部分區域（主要在河南省、山西省北部和南部區域、陜西省東南部區域）出現春夏連旱，秋季以澇為主，春旱和秋澇分布的空間位置幾乎不重合，即春旱主要分布在西部、南部和東部邊緣，秋澇則分布于中北部。

從上述分析可看出，豐、平、枯水年春季都比較干旱，豐水年春旱面積最小、以輕旱為主，平水年和枯水年春旱面積最大，且枯水年比平水年干旱等級高。6月進入雨季后干旱有所緩解，豐水年7 月底已經由旱轉澇，平水年7 月旱、澇面積相當，8 月才由旱轉澇，枯水年的雨季沒有有效緩解春旱，而且秋澇最明顯。

3 討論

我國西北地區對全球氣候變暖響應敏感[39]。氣候變化可能會改變水資源空間配置、增加極端雨澇和干旱發生頻率，西北地區水資源供給壓力增大[40]。從豐、平、枯水年的角度分析黃土高原旱澇時空變化特征，可以為未來黃土高原農業供水管理、小型水利工程配置和水資源管理提供決策依據。

結果顯示，在年尺度上黃土高原豐水年、平水年和枯水年均有一定范圍的干旱發生，豐、平、枯水年干旱面積依次增大。干旱主要發生在黃土高原邊緣，這與已有的關于黃土高原易旱地區研究結論基本一致，但是不同水平年易旱區位置不同，這可能與站點密度、資料年限不同有關[14,34]。黃土高原各典型水平年下均存在水資源短缺狀況，作為我國最主要的旱作雨養農業區，根據2020 年《中國水資源公報》和我國第7 次人口普查數據，黃土高原地區的山西省、陜西省、河南省、內蒙古自治區、青海省、甘肅省和寧夏回族自治區人均水資源總量僅為全國平均水平的54%，缺水是造成黃土高原作物產量低而不穩定的因素之一[41-44]。馮仰強等[45]研究結果顯示，豐水年小麥產量顯著高于平水年和枯水年。但是相比于全生育期降水總量，降水季節分布對作物產量影響更大[46]。如5 月是當地玉米苗期至7 葉期，也是小麥拔節期至抽穗期，而小麥開花期和灌漿期對干旱敏感程度較高，此時干旱會嚴重影響產量[47]。CAO Hanbing 等[48]研究發現，黃土高原冬小麥產量隨夏季休耕期和拔節期降水量增加而成比例增加。然而從年內旱澇變化結果來看，豐、平、枯水年均有不同程度的春旱，并且春旱的面積和持續的時間均隨年降水量的減少呈增加趨勢（圖1）。在枯水年的8 月底仍有大面積（67.9%）的干旱區域。農作物生長需水的關鍵季節春季和夏季是黃土高原干旱多發季節，這種水分分配對當地農業生產常常造成不利影響[49]。隨著全球氣候變化，黃土高原整體逐漸變干旱，在這種干旱環境下，黃土高原地區呈現枯水年干旱空間分布和時間持續態勢的機會也會增加[14]。“有收無收在水”，水是農業的命脈，更是黃土高原生態保護和高質量發展的關鍵，全面掌握黃土高原不同水平年的旱澇分布狀況，可以合理布局黃土高原小型蓄水工程，進行節水灌溉，保障農業用水和糧食產量[50]。

圖1 不同水平年干旱面積比例和持續時間Fig. 1 Drought area and duration in different hydrological years

本研究為了得到精度更高的旱澇空間分布結果，采用了短資料序列（1980—2014 年）數據，但根據單站短 資料序 列（1980—2014 年） 和長資 料序 列（1980—2019 年）豐、平、枯水年年降水量的統計結果（圖2）來看，二者具有很高的一致性。這表明本研究結果能代表1980 年以來黃土高原豐、平、枯水年的旱澇狀況。

圖2 不同資料序列確定的典型水平年年降水量Fig. 2 Annual rainfall determined by different data source

4 結論

（1）在不同水平年，黃土高原均有不同程度的干旱發生，只是豐水年、平水年和枯水年的干旱面積占比依次增強，雨澇面積占比依次減弱。豐水年、平水年和枯水年的干旱面積比例分別為5.7%、12.7%和44.4%，雨澇面積分別為40.9%、19.3%和17.9%。干旱空間分布存在明顯差異，豐水年干旱主要發生在青海省西部和甘肅省東南部，平水年干旱分布于甘肅省西北部、河南省東部和山西省東南部，枯水年干旱主要分布于青海省、河南省、山西省的大部分區域、甘肅省西部和陜西省南部。

（2）各水平年均有春旱發生，豐水年干旱程度輕、范圍小，進入汛期后6 月干旱開始緩解，枯水年春旱影響較大，而且汛期降雨不能有效緩解干旱，8 月干旱面積仍較大，且秋澇明顯。為了降低年內旱澇分布對作物生長用水需求的不良影響，建議發展小型灌溉、修建水利工程實現水分跨季節利用，加強應對區域性、季節性旱澇災害的能力。