泾河流域干旱特征时空变化研究

张洪波, 顾磊, 辛琛, 俞奇骏

(1.长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054; 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 710054; 3.陕西省江河水库管理局,陕西 西安 710018)

X(i)=Z(i)/31.64+0.747 2X(i-1)。



泾河流域干旱特征时空变化研究

张洪波, 顾磊, 辛琛, 俞奇骏

(1.长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054; 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 710054; 3.陕西省江河水库管理局,陕西 西安 710018)

以泾河流域SWAT水文模型模拟得到的各子流域降雨量、潜在蒸发量以及土壤特征值为基础,建立修正的帕默尔旱度模式，并将流域划分为平凉片区、庆阳片区以及咸阳片区3个子区,对各子区内干旱情势的年际变化、季节变化以及持续性特征进行了对比评估。研究发现:平凉片区、咸阳片区较庆阳片区更趋干旱,存在潜在灾害风险。从季节上看,秋旱在3子区中发生频次最高,且多为重旱；春旱多频发于庆阳片区与平凉片区,且以轻旱为主；冬旱以咸阳片区发生频次最为频繁,亦多表现为轻旱。连旱在平凉片区发生频次最高,但程度偏轻,持续时间偏短;在庆阳地区情况类似；咸阳地区连旱发生频次少,但程度严峻,持续时间长。3个片区均有变“湿”趋势,以咸阳片区最为明显。总体说来,流域内旱情在20世纪70年代、90年代时偏重,在80年代以及2000年后相对偏轻。旱情有自西南至东北变缓的趋势,其中南部易发持续性重旱,西北部频发间断性轻旱。

干旱;时空变化;分布特征;帕默尔旱度模式;泾河流域

干旱是在一段时期内因降水量明显减少、蒸发量加大或融雪水量不足而导致的水资源短缺现象,亦或在时间段内实际降水量少于期望降水量而导致的现象[1]。根据研究侧重领域的不同,学者习惯将其分为气象干旱、水文干旱、农业干旱以及社会经济干旱四大类。四类干旱事件交叉发生,随发生程度以及影响范围的不同而对社会经济的发展造成不同程度的影响与损失,称为旱灾。世界各地每年都有不同程度的干旱发生。我国是受干旱灾害影响较为严重的国家之一,且随着社会经济的发展和对水资源需求的增加,受干旱灾害影响的程度日益严重。我国北方的甘肃省自建国以来其境内发生轻旱等级以上旱灾有24次,重旱及以上共计7次[2]。陕西省境内因旱灾对农业生产造成的危害程度约占总气象灾害的50%[3]。可见,干旱灾害不仅威胁着我国北方的自然生态系统,且已成为制约区域农业生产、威胁粮食安全乃至阻碍社会经济可持续发展的重要因素。

近年来,国内外学者开展了大量有关干旱事件的纵深性研究,涉及干旱规律、干旱情势评估、干旱监测预报以及干旱系统管理等多个方面[4-8],历经了不同的发展阶段。而干旱指标的甄选与分析贯穿始末,其中帕默尔旱度模式(Palmer Drought Severity Index, 简称PDSI)凭借其对水分亏缺量和持续时间对干旱影响的表征,被认可度较高,且在干旱时空规律、干旱监测与预警等方面应用广泛。

PDSI于1965年被W. C. Palmer[9]提出,主要用于衡量土壤水补给亏缺量大小。经过50 a的发展,PDSI现已成为美国半官方性的干旱指标,广泛应用于纽约、科罗拉多、爱达荷、犹他等州的干旱监测系统。PDSI在国内的发展始于1985年,安顺清等[10]以济南、郑州两个气象站资料为基础对帕默尔旱度模式进行了修正,建立了我国的气象旱度模式,并将其应用于我国140个气象站点的PDSI计算中。在对比历史旱情资料后,证明了修正的帕默尔旱度模式在我国旱情评估中的适用性。

考虑到干旱问题的空间异质性,很多学者针对不同区域及旱情资料对帕默尔旱度模式进行了进一步修正与适用性检验。如刘巍巍等[11]增加了修正站点,选用彭曼公式代替Thornthwaite法计算潜在蒸发量,统计了我国北方139个气象站点的PDSI,进一步验证了修正帕默尔旱度模式在评估旱涝情况时的适用性。杨小利等[12]以甘肃中东部为研究区域,建立了修正的帕默尔旱度模式,并计算了该区域20个气象站的PDSI,验证了PDSI在该区域的适用性。对比归纳发现,此类研究主要以PDSI适用性研究为目的,重点在于帕默尔旱度模式修正和区域适用条件的探讨上。

除此之外,PDSI的优越性检验也是目前干旱领域的研究热点。很多学者将PDSI与其他干旱指标进行对比分析,评估不同指标在干旱评估上的差异与共性,探讨各指标对于表征干旱情势的敏感性,以期通过横向对比展现PDSI的准确性和可靠性。如唐红玉等[13]将PDSI与Z指数在西北干旱监测中的应用做了对比分析,发现PDSI对于西北地区干旱事件的反映更为真实客观,较之Z指数更有优越性。韩海涛等[14]将我国常用的降水距平百分率、标准化降水指数以及PDSI进行了比较分析,指出PDSI考虑了前期降水、水分供给、水分需求、实际蒸散量等诸多影响因素,反映了干旱强度和干旱的起止时刻,指标表征能力更强,在单站以及区域干旱评估中均能获得较好的效果。综合归纳不难看出，PDSI考虑涉旱因素比较全面,适用于不同时空尺度下的对比分析与研究,是目前最为成功的单项干旱指标。

很多学者将PDSI应用于不同的研究领域,也取得了非常有价值的研究成果。如张永等[15]基于PDSI数据库,通过结合REOF旋转经验正交函数分析法,分析了我国西北地区气候的干湿变化特征,并以季尺度为例分析了区域内不同子分区不同季节的干湿变化趋势,为我国西北地区的干旱区划提供了技术参考。卢洪健等[16]通过建立修正的帕默尔旱度模式,结合Mann-Kendall检验法、EOF分析法等对我国华北平原的干旱特征进行了时域与空间上的解析,探讨了华北平原干旱的空间分布格局以及时域变化特性,为华北地区农业发展与粮食安全提供了基础数据。叶敏等[17]以中国帕默尔干旱指数数据库为基础,运用趋势分析、EOF等方法对我国旱涝时空演化特征进行了解析,评估了我国不同区域变干或变湿的趋势,发现我国自20世纪80年代以来夏季旱涝灾害更为频发,且强度有所增加。刘蕊蕊等[18]通过计算三江源地区的PDSI值,评价了源区干旱的时空变化特征,并进一步通过Morlet小波变换分析了其多时间尺度特征,为深入认识源区干旱演变规律奠定了基础。张振伟等[2]以帕默尔干旱指数为基础,通过结合Mann-Kendall非参数检验等方法对甘肃省干旱的时空变化特征进行了分析,发现了甘肃旱情“两头重、中间轻”的特点。

泾河流域是西北半干旱区干旱事件的高发区,且灾害极为严重,给当地的社会发展带来了深远的影响。据史料记载,在明代的277 a间就发生了约110次旱灾,平均每2.52 a即发生1次[19]。改革开放后,随着社会经济的快速发展,人类活动愈发剧烈,使得流域内下垫面改变巨大,产汇流模式和河流水文情势均遭受极大扰动[20],同时受气候条件变化的影响,流域内气象因素如降水、温度、蒸发等[21-22]均有所改变。在变化环境下,以往的干旱格局是否会持续,干旱情势将会产生何种新的变化,有哪些新的特点,诸如此类问题均有待研究。故本文以PDSI为基本工具,结合泾河流域SWAT水文模型,建立泾河流域修正的帕默尔旱度模式,并以庆阳片区(东北部)、平凉片区(西北部)、咸阳片区(南部)为统计分析对象,对3个片区的旱情趋势变化、季节演变特征以及持续性特征进行空间对比研究,以期为泾河流域乃至西北地区的干旱研究及应急抗旱规划提供参考。

1 研究区SWAT模型

1.1 区域概况

泾河流域位于我国西北黄土高原地区中部,处于六盘山和子午岭之间,是黄河流域十大水系之一,控制面积为45 421 km2。泾河作为渭河的最大支流,发源于宁夏回族自治区泾源县关山东麓,由西北向东南流经平凉、庆阳、咸阳等地市,于陕西省高陵县泾渭堡附近注入渭河,全长455 km。流域内经济水平相对较低,且发展极不平衡。其主要工业结构仍属于重工业范畴的资源导向型结构,轻工业和第三产业并不发达,对水资源需求极大。流域内畜牧业虽较为发达,但经营方式落后,靠天吃饭的现象仍较为普遍。由于泾河流域地处干旱高发区,灾害事件频发,经济发展受其制约较为严重。因此,研究泾河流域的干旱空间分布规律以及变化环境下的新趋势十分必要。

1.2 SWAT模型、分区与数据

本研究选取武功、西安、宝鸡、铜川、长武、平凉、西峰镇、西吉、固原、海源、环县、吴旗、同心、泾河、定边、耀县、凤翔共17个气象站1961—2013年逐日气象数据建立气象数据库;以中国科学院南京土壤研究所提供的1∶106土壤图为基础建立土壤数据库;以中国西部环境与生态科学数据中心提供的土地利用类型图为基础建立土地利用数据库;以泾河干流出口站—张家山水文站1987—1995年逐日实测流量资料进行模型校准与验证(校准期为1987—1992年;验证期为1993—1995年)。在模型校准期,相对误差E与相关系数R2分别为15.8%和0.91;在模型验证期,相对误差E与相关系数R2分别为1.6%和0.81,可见该模型在研究区内适用性较好。

以SWAT模型划分的sub1—sub27子流域作为基本的计算单元，如图1所示；同时结合行政区划,将流域分为3个片区作为空间尺度的分析单元,即流域东北部甘肃省庆阳片区(黄色区域)、流域西北部甘肃省平凉片区(粉红区域)以及流域南部陕西省咸阳片区(绿色区域)。

各子流域的PDSI主要基于各子流域的降水、土壤参数及潜在蒸发量,通过计算获得。各子流域的降水量和潜在蒸发量由SWAT水文模型获得。同时，根据模型内土壤数据库获取各子流域内土壤类型及其持水能力等参数。

图1 泾河流域概况图

2 研究方法

2.1 PDSI定义

PDSI是一个综合考虑土壤水补给亏缺、水量平衡方程中供需水要素以及区域缺雨状况的气象干旱指标。它可有效地反映出非正常干旱和湿润天气状况,并监测其对土壤含水量的影响,应用极为广泛。

综合来看,PDSI主要具有3个方面的优势:①为决策者提供某地区近期天气状况是否出现异常信息;②允许当前状况与历史条件进行对比;③可反映过去发生干旱的时空分布情况。表1列出了PDSI等级划分结果。

表1 PDSI干湿等级

2.2 计算过程

PDSI的计算过程大体可分为两部分,即帕默尔旱度模式的建立与干旱、湿润程度的计算。其中帕默尔旱度模式的建立主要包含以下6个环节[23-24]:

1)水文账统计。主要包含两部分:①各变量的实际值计算;②各变量的可能值计算。假定土壤模型为上、下两层。通过计算可获得各子流域的实际蒸散量、失水量、径流量、补水量，与之对应的可能失水量、可能径流量、可能补水量,以及与之相关的上、下层土壤含水量和水分变化量。具体水量平衡方程如图2所示。图中:P为降水量;PET为可能蒸散量(由彭曼公式计算获取);WHCu为上层土壤持水能力;WHCl为下层土壤持水能力;ET为实际蒸发量;AMu为前期上层土壤含水量;AMl为前期下层土壤含水量;R为实际补水量;Ru为上层土壤实际补水量;Rl为下层土壤实际补水量;F为实际径流量;Lu为上层土壤实际损失水量;Ll为下层土壤实际损失水量;L为实际损失水量之和。各变量的单位均为mm。

2)各气候系数以及气候适宜值计算。

3)水分过剩与短缺值d、修正前气候特征值k、水分距平指数z的计算。

4)建立研究区帕默尔旱度公式:

X(i)=Z(i)/31.64+0.747 2X(i-1)。

(1)

5)对各子流域各月气候的特征值k进行修正。

6)确定干期(湿期)后,通过递归法计算各子流域的最终PDSI值。

研究区PDSI计算过程及相关参数如图3所示。

图2 水文账实际值计算示意图

图3 泾河流域帕默尔旱度模式建立流程

2.3 适用性验证

在得到各子流域的PDSI长序列后,以各子流域的控制面积为基础,通过加权平均分别获取庆阳片区、平凉片区以及咸阳片区的PDSI值计算结果。为验证PDSI确实与实际干旱事件紧密相关,并有效表征区域内的干旱情势,本文根据咸阳关中地区春、夏、秋、冬四季旱情的历史资料[25]进行对比验证,结果如图4所示。

由图4中的四季对比结果不难看出,PDSI与干旱事件的频度存在较为明显的负相关关系,即在PDSI处于低值区时,通常对应有历史旱情发生,且在夏、秋季存在PDSI值越低,事件越密集的变化特点。从PDSI值的时域变化上看,春旱、夏旱发生较为频繁,秋旱、冬旱发生频率相对较低；且自2006年后,咸阳片区干旱情势有缓解趋势,这与历史干旱的发生频次变化基本是相符的。此外,PDSI值在秋季波动最大;春、夏季次之;冬季波动相对较小,这与咸阳地区的实际也较为相符[25]。因此,对比结果表明PDSI可有效地表征检验区域的实际干旱变化,适用于泾河流域的干旱评估。

图4 咸阳片区PDSI值计算结果与实际干旱事件对比图

3 结果与讨论

为了有效地反映泾河流域内干旱的空间格局变化,从子流域尺度、片区尺度以及全流域尺度分别进行分析,实现空间层次的深度解读。而时域上,则主要以月尺度、季节尺度以及年尺度为基础,实现多尺度的时间分析。同时,还尝试将各空间尺度与时间尺度有机结合,以期对研究区内干旱事件的时空耦合特征进行探索。

3.1 各子流域PDSI的空间分布特征

基于SWAT模型得到泾河流域各子流域1961—2013年的PDSI的多年平均值,如图5所示。图中红色柱子代表年均值为负数,气候偏干;绿色柱子代表年均值为正数,气候偏湿,纵坐标取值范围均为0～1。

由图5可知,就多年平均情况而言,不同子流域的综合干旱情势并不相同。流域中部地区如sub13—sub14、sub17、sub19、sub20—sub24子流域情况较好,PDSI多年均值大于-0.1,sub24子流域多年均值甚至大于0,这表明此类区域相对其他区域而言发生干旱的概率偏低一些,频次也更少,整体呈现“偏湿”。而流域北部如sub1—sub12、sub15,流域南部如sub25—sub27等子流域PDSI多年均值均小于-0.2,尤其是sub27子流域的PDSI多年均值接近-1,表明此类区域发生干旱的概率偏高,发生频次多,区域整体“偏干”。究其原因发现,sub25—sub27子流域的土地利用类型中耕地占据绝对主导地位,区域潜在蒸发明显高于其他地区。此外,纵观全区发现，农耕地所占比例从南至北递减,从西至东递减,尤其是sub24子流域内以林地为主,耕地相对较少,这解释了图5中所示的流域内多年干旱情势由南至北、由西至东趋好的原因。

图5 研究区各子流域PDSI多年平均值

3.2 PDSI年际变化特征

泾河流域以及3个片区PDSI的年际变化过程如图6所示。就全流域而言,通过Mann-Kendall检验法[26]可知,全区有“变湿”的趋势,变化坡度为0.024,但其统计量Z值仅为1.20,小于临界值1.96,故其“变湿”趋势并不显著。而时域上的统计结果表明,流域年尺度的干旱主要以轻微干旱为主,发生频率约为19%;发生严重干旱或极端干旱情况较少,发生频率约为4%。

细观各片区PDSI的变化可知,平凉片区、庆阳片区以及咸阳片区PDSI都呈波动增大趋势,干旱情势随时间推移而逐渐得到缓解。Mann-Kendall检验结果显示,平凉片区PDSI的检验统计量Z值为0.76,变化坡度为0.012,变化趋势不显著,PDSI多年均值为-0.11,表明该子区总体偏干,但有变湿的趋势。庆阳片区PDSI的变化趋势同样不显著,检验统计量Z值仅为0.54,变化坡度为0.009,PDSI多年均值为-0.08,这表明该区总体干旱情势虽无显著的趋势变化,但较平凉片区略好。咸阳片区PDSI的变化趋势仍不显著,但变化幅度较之甘肃省平凉、庆阳片区大,变化坡度为0.05,PDSI多年均值为 -0.23,表明该区是3个片区中干旱发生最为频繁的区域,整体旱情较为严峻,但这种情况正在好转,区域有变湿的趋势。

从各子片区发生不同等级干旱的频率看,咸阳片区旱情最为严重,发生干旱次数最多、最为频繁,且发生的干旱大部分程度较为严重,发生严重干旱以及极端干旱的频率和超过了20%,是中等干旱频次的2倍,应重点关注并加强研究。而流域北部位于甘肃省境内的庆阳片区、平凉片区旱情略好。其中,庆阳片区是3个片区中情势最好的区域,未发生过极端干旱,且发生中等及更为严重的干旱的总频次不到发生轻微干旱的频次的1/2。而平凉片发生的干旱也以轻微干旱为主,其发生频次约等于发生中等干旱、严重干旱的频次和。

图6 PDSI的年际变化

3.3 基于PDSI的季节干旱特征

为进一步研究区域干旱的时间分布特性,本文对3个片区在各季节发生的主要干旱类型、各类型干旱的强弱程度以及连旱类型进行了分析。各片区春、夏、秋、冬季节PDSI的年际变化过程如图7所示。

1)平凉片区。经整理发现,在该区中秋季干旱发生次数最多、频率最高,干旱比例约为47.2%;其次为春季,发生频率约为43.4%;夏季、冬季旱情相对轻缓,发生干旱频率分别为37.7%、34.0%。此外,就各季发生干旱的强弱程度而言,秋季发生极端干旱的概率最大,约接近总秋旱频次的1/2;此外轻微干旱也是该季的另一大主要干旱类型;中等干旱、严重干旱相对较少发生。春季虽发生干旱也相对频繁,但与秋季不同,其发生程度较轻,以轻微干旱为主,其所占比例超过该季总干旱频次的1/2;严重干旱几乎不发生,极端干旱在统计时段内未有发生。夏季、冬季发生干旱总频次相近,但其严重程度有所区别。夏季干旱以轻微干旱为主,但中等干旱、严重干旱发生概率亦较大,其所占比例均约占该季总干旱频次的1/4;且极端干旱发生频率也不容忽视。而冬季干旱中轻微干旱和中等干旱占据绝对主导地位,严重干旱、极端干旱在统计时段内仅发生了1次。

2)庆阳片区。就该区而言,春、夏、秋季干旱情势相对严重,冬季干旱情势最弱。秋季发生干旱频率最高,约为45.3%。其中,发生极端干旱概率最大,约为17.0%;其次为中等干旱发生频率,约15.1%;轻微干旱、严重干旱发生概率相对较小,分别为7.5%、5.7%。春季干旱发生概率虽位居第二,但程度相对较轻,以轻微干旱为主,此类干旱概率超过总干旱概率的1/2;严重干旱、极端干旱总共发生过1次,概率极小。夏季干旱发生频率虽略低于春季,但其以中等干旱和严重干旱为主要干旱,此二者干旱发生频次和接近该季总干旱频次的2/3。冬季发生干旱的概率较低,同时,干旱程度也以轻微干旱为主,其频次超过其余干旱类型的频次和。

3)咸阳片区。总体而言,该片区四季干旱情势均较严重,且以秋季最重。秋季干旱发生频率约为50.9%,其中极端干旱为主导干旱,发生频次最多,约占该季总干旱频次的1/2;轻微干旱发生也相对频繁,其发生频次约占该季总干旱频次的1/4。冬季干旱发生的频率约为45.3%,在四季中位列第二。从强度上看,秋季干旱情势偏好,以轻微干旱、中等干旱为主,二者累计发生频次约占总干旱频次的3/4;严重干旱、极端干旱在该季的发生概率相对较小。春季情况同冬季的类似,发生干旱概率约为43.4%,轻微干旱为其主要类型,发生频次占总干旱频次的1/2;严重干旱和极端干旱发生概率相对较低,二类干旱的频次和约占该季总干旱频次的1/3。夏季干旱发生频率最低,约为41.5%,但旱情相对偏重,以极端干旱为主要干旱类型,发生频次约占该季总干旱频次的1/2,为轻微干旱发生频次的2倍。

不同季节的干旱对农作物生长发育的影响不同,而季节连旱的发生会加剧旱情,累积影响,对区域内的农业生产造成巨大的损失。如作物生殖期缺水会致使“卡脖”、“晒花”等现象。而连旱的发生,会因气温高、光照强、水分蒸发强烈而致使损失尤为严重。

为使抗旱应对策略的制定更科学、有针对性,本文对3个片区各季连旱的特征也进行了统计分析,具体结果见表2。由表2可知,咸阳片区在3个片区中发生各季连旱频次最高。该片区夏秋连旱、秋冬连旱相对频繁,略高于冬春连旱和春夏连旱;3季连旱中,以春夏秋连旱的发生频率相对较高。庆阳片区、平凉片区明显次于咸阳片区,且均以两季连旱为主。其中,平凉片区冬春连旱相对频繁,而庆阳片区则以春夏连旱、夏秋连旱为主。

图7 PDSI的季节变化

表2 子片区连旱特征统计

3.4 干旱事件的持续特征

本文将连续3个月或以上PDSI值小于-1的一次过程定义为持续性干旱事件。若该次干旱事件内出现PDSI值小于-4,则定义为严重持续性干旱事件。图8给出了3个片区在统计时段内发生持续性干旱事件的时间。图9显示了3个片区在不同年代内发生持续性干旱事件的频次统计结果。

1)平凉片区。平凉片区在研究时段内共计发生持续性干旱事件45次,其中程度较为严重的有20次。持续时间从年初至年末,程度最为严重的是1971年。根据不同年代持续性干旱以及严重持续性干旱事件发生频率的统计结果,发现平凉片区旱情的持续性特征呈波动减缓趋势,20世纪70年代与90年代处于峰值区,而在80年代以及2000年后则有所趋弱。整个时域内,20世纪70年代是平凉片区干旱最为频发、旱情最为严重的时期。

2)庆阳片区。庆阳片区在研究时段内共计发生持续性干旱事件41次,其中程度较为严重的有20次。全年干旱且程度严重的有2次,分别发生在1971年与1972年。此后,1974年从2月至12月持续干旱了11个月,旱情也极为严重。

全年持续10个月的干旱共计发生2次,分别在2000年与2009年。从持续性干旱的年代际统计结果看,连旱事件在20世纪80年代以及2000年后发生次数相对较少,而在20世纪70年代最为严重。20世纪90年代虽发生连旱事件的频次较少,但程度均较为严重,在时域内发生严重连旱事件的频次最高。从总的趋势看,庆阳片区的持续性旱情有一定程度减缓,全区有不显著的变“湿”趋势。

3)咸阳片区。咸阳片区在研究时段内共计发生持续性干旱事件38次,其中程度较为严重的有25次。从年初至年末连旱12个月的干旱共计4次,分别发生在1962年、1970年、1977年和2013年;而连旱10个月的事件共计发生了2次,分别在2000年和2002年。该区虽发生连旱的总频次最少,但严重连旱的频次最高。根据年代际统计结果,该区的持续性干旱的走势与平凉片区基本一致,不同的是咸阳片区在2000年后发生严重连旱的频次仍处于高位,不容忽视。总体看来,该区干旱具有持续时间长且程度重的特点,旱情随时间也呈不显著的减缓趋势。

图8 各子区持续性干旱事件发生时间

图9 各子区持续性干旱事件频次统计

4 结 语

基于泾河流域SWAT水文模型计算了流域内1961—2013年各子流域的逐月帕默尔干旱指数,并从干旱事件的持续性、季节性、年际变化等方面分析了泾河流域干旱的时空演变特征。形成结论如下:

1)泾河流域旱情总体较为严重,但存在不显著的变“湿”趋势。从空间上看,平凉片区及咸阳片区旱情偏重,平凉片区以干旱频次大为特点;而咸阳片区则主要表现为重旱频发。在时程分布上,全区旱情在20世纪70年代、90年代相对偏重,在80年代、2000年后相对偏轻。

2)季节性特征分析显示,平凉片区秋季、春季旱情相对严重,秋季易频发重旱,而春季易频发轻旱。庆阳片区秋季、夏季频发重旱,春季频发轻旱。咸阳片区情况略有差异,秋季旱情仍最为严重,且频发重旱,而冬春则以轻旱为主,夏季多发重旱。

3)从干旱事件的持续性特征看,平凉片区、庆阳片区持续性干旱频次较高,但持续性重旱频次较少,亦即频发但程度轻;咸阳地区持续性干旱总频次偏低,但持续性重旱频次最高,极易产生严重后果。

从以上结论不难看出,泾河流域的抗旱工作应多注意区域内秋季旱情的发展,因为其频发,且危害严重,直接关系夏粮作物产量。同时,流域西北部的平凉片区受干旱频发的影响,应加强持续性的抗旱建设,坚持防旱、抗旱两手抓;而流域南部的咸阳片区,鉴于历次干旱事件的严重程度,要提升区域的抗旱应急能力和水源保障(调度)水平,通过软硬措施协同抗旱,最大限度地减轻区域内干旱灾害带来的经济损失。

本研究从不同空间尺度以及不同时间尺度上分析了泾河流域的干旱特征,可为区域抗旱工作提供数据基础和分析依据。在研究中笔者也发现,干旱规律或者空间分布的分析虽然能够为抗旱战略的制定提供参考和支持,但在实际操作层面上仍存在问题。因此,笔者认为未来的研究方向应更贴近于抗旱实际,如何建立切实全面反映干旱事件发生、发展过程的指标体系,如何模拟不同人类决策下干旱事件的走向,如何结合气象变化制定合理、可靠的抗旱方案,如何建立决策支持的综合预警系统,这些方面都需要未来进一步探索和加强研究。

[1]郭东明,霍延昭,郭清,等.干旱管理方法研究[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

[2]张振伟,韩曦.基于PDSI的甘肃省干旱时空变化特征分析[J].人民黄河,2014,36(3):49-51.

[3]杨新.陕西旱灾特征[J].灾害学,1998,13(2):80-84.

[4]Colorado State University.An objective approach to definitions and investigations of continental hydrologic droughts[J].Journal of Hydrology,1969,7(3):353.

[5]SEN Z.Regional drought and flood frequency analysis theoretical consideration[J].Hydrology,1980,46(3):265-279.

[6]LOAICIGA H A,LEIPNIK R B.Stochastic renewal model of low-flow streamflow sequences[J].Stochastic Hydrology & Hydraulics,1996,10(1):65-85.

[7]CHUNG C H,SALAS J D.Return period and risk of droughts for dependent hydrologic processes[J].Journal of Hydrology,2000,5(3):259-268.

[8]段春青,陈晓楠,郭芳.基于信息扩散近似推理的农业干旱预测模型[J].华北水利水电学院学报,2011,32(5):39-42.

[9]PALMER W C.Meteorologic drought[R].Washington:U. S.Department of Commerce Weather Bureau,1965.

[10]安顺清,邢久星.帕默尔旱度模式的修正[J].气象科学研究院院刊,1986,1(1):75-82.

[11]刘巍巍,安顺清,刘庚山,等.帕默尔旱度模式的进一步修正[J].应用气象学报,2004,15(2):207-216.

[12]杨小利,杨兴国,马鹏里,等.PDSI在甘肃中东部地区的修正和应用[J].地球科学进展,2005,20(9):1023-1028.

[13]唐红玉,王志伟,史津梅,等.PDSI和Z指数在西北干旱监测应用中差异性分析[J].干旱地区农业研究,2009,27(5):6-11.

[14]韩海涛,胡文超,陈学君,等.三种气象干旱指标的应用比较研究[J].干旱地区农业研究,2009,27(1):237-247.

[15]张永,陈发虎,勾晓华,等.中国西北地区季节间干湿变化的时空分布：基于PDSI数据[J].地理学报,2007,62(11):1142-1152.

[16]卢洪健,莫兴国,胡实.华北平原1960—2009年气象干旱的时空变化特征[J].自然灾害学报,2012,21(6):72-82.

[17]叶敏,钱忠华,吴永萍.中国旱涝时空分布特征[J].物理学报,2013,62(13):139203-1:139203-13.

[18]刘蕊蕊,陆宝宏,陈昱潼,等.基于PDSI指数的三江源干旱气候特征分析[J].人民黄河,2013,35(6):59-66.

[19]吕晓虎,赵景波.泾河流域明代干旱灾害与成因研究[J].干旱区资源与环境,2009,23(12):87-93.

[20]姚玉璧,肖国举,王润元,等.近50年来西北半干旱区气候变化特征[J].干旱区地理,2009,32(2):159-165.

[21]陈操操,谢高地,甄霖.泾河流域降雨量变化特征分析[J].资源科学,2007,29(2):172-177.

[22]赵姹.泾河流域气候变化及其水文响应研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2014.

[23]刘巍巍.帕默尔旱度模式的进一步修正及其应用[D].北京：中国气象科学研究院,2003.

[24]凌霄霄.基于修正PALMER旱度模式的湖北农业干旱研究[D].武汉：华中农业大学,2007.

[25]杜继稳.陕西省干旱监测预警评估与风险管理[M].北京：气象出版社，2008.

[26]左德鹏,徐宗学,程磊,等.渭河流域潜在蒸散量时空变化及其突变特征[J].资源科学,2011,33(5):975-982.

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(责任编辑:陈海涛)

Investigation on the Spatial-temporal Variation of Drought Characteristics in Jinghe River Basin

ZHANG Hongbo1,2, GU Lei1, XIN Chen3, YU Qijun1

(1.School of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710054, China; 2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education, Xi′an 710054, China; 3.Rivers and Reservoirs Administration in Shaanxi Province, Xi′an 710018, China)

On the basis of the precipitation of sub-basins, the potential evaporation and the eigenvalue of soil obtained by a SWAT hydrological model in Jinghe River basin, a revised Palmer drought mode was established, then the basin was divided into three sub-districts of Pingliang district, Qingyang district and Xianyang district.The inter-annual variations, the seasonal variations and the continuous characteristics of drought of each district were contrasted and evaluated. The research results indicate that: Pingliang district and Xianyang districtare droughtier than Qingyang district, and the two districts have a potential drought hazard; seasonally, the frequency of autumn drought is highest in three districts, and autumn drought is always serious drought, spring drought frequently occurs in Pingliang district and Qingyang district, and is mainly mild drought, winter drought frequently occurs in Xianyang district, and is mostly mild drought; the frequency of sustained drought is highest in Pingliang district with the characteristics of mild drought and short duration, Qingyang district is similar to Pingliang district.Xianyang district has a lower frequency on sustained drought, but its intensity of drought is serious, and its duration is long; all of the three districts have a wetting trend, and Xianyang district is most obvious. Overall, the intensity of drought in Jinghe River basin is grimmer in 1970s and 1990s, and the intensity of drought in 1980s and after 2000 is milder. The drought in the basin shows a weakening trend from southwest to northeast, the south area easily occurs sustained drought disaster, while the northwest area frequently occurs interrupted drought.

drought; spatial-temporalvariation; distributed characteristics; Palmer drought mode; Jinghe River basin

2015-08-19

国家自然科学基金项目(51379014);陕西省科学技术研究发展计划项目(2014KJXX-54);水利部公益性科研资助项目(201301084)。

张洪波(1979—),男,辽宁康平人,副教授,博士,主要从事水资源系统工程研究。E-mail:hbzhang@chd.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.001

TV211;S423

A

1002-5634(2016)03-0001-10