丹江口庫區多時間尺度旱澇變化特征研究

裴志方　張佈霞　韓迎春　吳彬

摘要：利用丹江口庫區1961年-2019年21個氣象站點數據計算了多個時間尺度的標準化降水蒸散指數，探究了庫區旱澇時空變化特征，以期為庫區生態環境建設與管理提供科學依據。結果表明：時間尺度越小，庫區旱澇發生越頻繁，反之越穩定，庫區干旱發生頻率高于洪澇頻率，而庫區未來呈偏濕趨勢；除1個月時間尺度外，其余時間尺度庫區干旱與洪澇頻率空間分布特征相反，而庫區旱澇變化趨勢空間分布較為一致；庫區多時間尺度旱澇周期交替現象一致，主要時間尺度以28年-32年、6年、14年為主，未來幾年庫區呈偏澇趨勢，應加強相應的生態環境保護措施。

關鍵詞：旱澇；標準化降水蒸散指數；多時間尺度；丹江口庫區

中圖分類號：X524 文獻標志碼：B

前言

隨著全球氣候變化顯著，極端氣候事件頻發，人類面臨的氣象災害風險逐漸增大，生存環境受到嚴重威脅。旱澇災害因影響范圍廣，破壞性強，是當前最嚴重的氣象災害。此外，旱澇問題十分復雜，且對生態環境的影響極具破壞性。因此，研究旱澇災害的時空特征以及演變規律，對于區域生態環境建設以及防災減災政策的制定具有重要意義。丹江口庫區是南水北調中線工程核心水源區，在緩解中國北方水資源短缺問題方面發揮了重要作用。庫區屬大陸性半濕潤季風氣候，水熱資源豐富，但降水時空分布不均，極易發生旱澇災害，嚴重影響著當地農業生產以及生態環境建設，因此，加強庫區旱澇演變規律研究顯得尤為迫切。針對庫區旱澇，學者們進行過相關的研究，但均未深入探討時空演變規律及未來發展趨勢，因而開展此項研究很有必要。此研究基于標準化降水蒸散指數（Standard-ized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）從多個時間尺度對丹江口庫區旱澇的時空變化特征進行分析，揭示其旱澇的演變規律，為庫區旱澇減災工作以及生態環境建設與管理提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

丹江口水庫地處鄂西北與豫西南交界處，位于漢江中上游，是南水北調中線工程的水源地。庫區屬典型的亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫為11℃～16.0℃，多年平均降水量為700-1100mm，降水季節分配不均，主要集中在6-9月。庫區地勢復雜，呈西北高東南低的地勢，西北部以低海拔中小起伏山地為主，東南部以丘陵和平原為主。

1.2 數據來源

此研究獲取了丹江口庫區及其周邊21個氣象站點1961年-2019年的逐日觀測數據，包括氣溫、降水、氣壓、相對濕度、風速、日照等，來源于中國氣象數據共享服務網（http：//data.cma.cn/）。為保證數據的完整性和連續性，針對部分存在缺測的數據，在數據處理過程中對其進行了線性插補。此外，此研究中涉及的行政區劃、DEM等基礎數據均來自中國科學院資源與環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn/）。

1.3 研究方法

此研究利用Pennian-Monteith公式計算了丹江口庫區及周邊各站點的潛在蒸散量，接著，又分別計算了各站點1、3、6、12個月尺度的SPEI值，參考前人研究，對SPEI指數進行旱澇等級劃分。在分析過程中，主要采用了氣候傾向率、Sen+Mann-Kendall分析法、Morlet小波分析法、IDW空間插值法等方法對庫區旱澇時空變化特征進行分析。

2 結果與分析

2.1 丹江口庫區旱澇時間變化特征

從時間序列上看（如圖1所示），研究期間，不同時間尺度SPEI值存在顯著差異，時間尺度越小，旱澇發生越頻繁，反之，旱澇特征越穩定。1個月時間尺度上，旱澇交替頻繁，幾乎每年都會發生旱澇，且季節分布不均，而3個月時間尺度旱澇交替頻繁度降低，出現一些季節性的旱澇特征。6個月時間尺度上，旱澇季節性特征明顯，而12個月時間尺度上，旱澇特征較穩定。由于SPEI值對降水和氣溫敏感，短時間尺度下丹江口庫區旱澇頻率頻繁，但總體來看，多時間尺度下丹江口庫區旱澇頻率較為一致，而干旱發生頻率高于洪澇頻率。

從年際變化看（如圖2所示），在1個月時間尺度上，庫區SPEI值呈輕微增加趨勢，但不顯著，UF曲線與UB曲線存在一個交點，即在1970年發生旱澇突變。在3個月時間尺度上，庫區SPEI值也呈輕微增加趨勢，也不顯著，UF與UB曲線短期內存在多個交點，如1963年-1969年、2011年-2019年期間，表明旱澇交替頻繁。在6個月時間尺度上，庫區SPEI值變化趨勢不明顯，UF與UB曲線在1963年、1966年、1974年、2019年存在交點，其中1963年旱澇突變特征較為明顯。在12個月時間尺度上，庫區SPEI值呈增加趨勢，同樣不顯著，UF與UB曲線在1964年、1965年、1975年、1977年、1979年存在交點，其中在1977年之后逐漸轉為澇年。總體來看，多時間尺度下丹江口庫區未來呈偏濕趨勢，但不顯著，研究期間未見有顯著的突變年。

2.2 丹江口庫區旱澇空間變化特征

對庫區1961年-2019年旱澇發生空間頻率分布進行分析，可以看到（如圖3所示），庫區短時間尺度旱澇頻率均較低，隨著時間尺度的增加，旱澇頻率增加，除1個月時間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征一致外，其余時間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征相反。從空間變化趨勢看（如圖4所示），研究期間，庫區多個時間尺度的旱澇變化趨勢空間分布較為一致，其中淅川及西峽西部呈增加趨勢，表明這些區域未來易發生洪澇，其余區域呈減少趨勢，干旱趨勢明顯。

2.3 丹江口庫區旱澇周期性特征

利用Morlel小波對庫區多時間尺度旱澇的周期性進行分析。1個月時間尺度上（如圖5所示），庫區主要在4-8年、10-16年、24-32年時間尺度上發生旱澇周期性交替現象，從小波方差圖可以得到，主要時間尺度為28年（第一主周期）、5年（第二主周期）、14年（第三主周期），從時頻圖來看，第一、三主周期波動穩定，第二主周期波動頻繁，而其余時間尺度上，庫區旱澇周期性交替現象基本與1個月時間尺度一致。總之，多時間尺度下庫區旱澇主要時間尺度以28-32年（第一主周期）、6年（第二主周期）、14年（第三主周期）為主，未來幾年庫區呈現偏澇趨勢，應加強相應的防范措施。

3 結論

此研究從多個時間尺度對丹江口庫區1961年-2019年旱澇的時空變化特征進行分析。時間上，時間尺度越小，庫區旱澇發生越頻繁，反之越穩定，庫區干旱發生頻率高于洪澇頻率，而庫區未來呈偏濕趨勢。空間上，除1個月時間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征一致外，其余時間尺度干旱與洪澇頻率空間分布特征相反，庫區多時間尺度旱澇變化趨勢空間分布較為一致。在周期性上，多時間尺度下庫區旱澇周期交替現象基本一致，未來幾年庫區呈現偏澇趨勢。由于庫區自然環境復雜，不同地域間旱澇特征差異可能較大，而只結合站點數據可能不足以充分反映庫區的旱澇信息，此外，由于旱澇等級劃分標準可能因地域問題不夠準確，此研究只是以相對旱澇情況來進行分析。因此，下一步還需結合多源遙感等數據，全面來探討庫區的旱澇情況，以此為庫區生態環境建設與管理提供參考依據。