黄河流域干旱时空变化特征及其气候要素敏感性分析*

刘 勤，严昌荣，何文清

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081)

黄河流域干旱时空变化特征及其气候要素敏感性分析*

刘 勤，严昌荣**，何文清

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081)

利用黄河流域102个气象站点1961-2013年气象数据，选用相对湿润度指数作为干旱指标，探讨年尺度和季节尺度干旱的时空分布特征，并尝试利用偏导数方法计算分析相对湿润度指数的气候要素敏感性及其与气候要素间的相关关系。结果表明：黄河流域上游旱情比中游和下游地区偏重，春夏秋冬各季分别处于中旱、轻旱、中旱和特旱状态，全年尺度处于特旱程度，季节和全年尺度的相对湿润度指数均呈现从西北到东南递增的变化趋势，春季、秋季和全年尺度特旱区域主要分布在陕西、山西、宁夏北部以及内蒙古地区，而气象干旱减缓的站点主要分布在黄河流域上游地区，干旱增强的站点主要分布在黄河流域东南部。相对湿润度指数对太阳辐射和相对湿度呈正向敏感，对温度和风速呈负向敏感。上游和中游地区夏季相对湿润度指数最敏感要素分别为太阳辐射和平均温度，全流域春季、秋季、冬季和全年尺度对相对湿度最敏感。全流域春季和夏季与相对湿润度指数相关性最强的要素均为相对湿度，上游和下游地区秋季的主控要素为太阳辐射，上游、中游和下游地区冬季则分别与温度、风速和风速相关性最强。全年尺度上，上游、中游和下游地区相对湿润度指数变化的主控要素则为太阳辐射、相对湿度和相对湿度。

相对湿润度指数；气象干旱；敏感要素；主控要素；气候变化；黄河流域

IPCC第五次评估报告[1]指出，1880-2012年全球地表平均温度升高了约 0.85℃，1913年以来中国地表平均温度上升了0.91℃。气候变暖引起的蒸散量可能增加和降水减少将导致干旱强度和发生频率急剧增加[2-4]，中国北方主要农业区和农牧交错地带干旱面积均有扩张的变化趋势[5-6]，王春乙[7]研究指出，中国平均每年旱灾的受灾面积高达2200万hm2，占各种灾害受灾面积的40%以上，粮食损失约120亿kg。未来40a中国气候总体上呈暖干化的变化趋势，北方地区将经历最干旱的时期，极端干旱的频率和历时将达最大[8-9]，干旱仍是未来几十年中国要面临的主要气象灾害。

黄河流域气候大致可分为干旱、半干旱和半湿润气候类型，总体上表现为西部干旱，东部湿润，是中国主要的气候敏感区之一，水资源变化特征和干旱状况备受关注[10]。史建国等[11-12]研究显示，黄河流域潜在蒸散量总体上由西南向东北逐渐递增，水分亏缺量则由北向南逐步递减；祝青林等[13]研究发现，1971-2000黄河流域总降水量呈下降趋势，空间上表现为北半部以增加为主，南半部以减少为主；邱新法等[14]通过对黄河流域 1961-2000年20cm口径蒸发皿数据分析发现，蒸发皿蒸发量的下降主要在夏季和春季。关于干旱变化特征的研究，王志伟等[5]对中国北方地区1951-2000年的干湿状况分析指出，主要农业区干旱面积呈扩大趋势，徐建文等[15]研究表明，近30a黄淮海平原除苗期外冬小麦其它生育阶段干旱由北向南逐渐减轻，在播种-出苗期研究区南部有干旱加重的趋势，而北部有干旱减弱的趋势，出苗-拔节期干旱最严重。由此可见，过去对中国北方地区干旱方面的研究主要侧重分析干旱的整体变化趋势和作物生长季，但对季节性干旱变化特征的研究较少，而且干旱变化特征的敏感要素和主控要素尚不明确。利用气象资料计算得到的相对湿润度指数综合考虑了降水和下垫面的蒸发情况，适用于不同时间尺度的干旱监测和评估[16-18]，关于参考作物蒸散量的气候影响因素，采用偏导数的方法开展了大量的敏感性研究[19-23]。因此，本文拟选用相对湿润度指数作为干旱指标，分析1961-2013年黄河流域各季和年尺度干旱的时空分布特征，并尝试分析干旱特征的气候敏感要素，探讨该地区干旱对气候变化的响应，以期为黄河流域农业生产、生态工程合理布局和防旱避灾提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 区域概况

黄河流域包括青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南和山东 9个省（自治区）的370多个县市（图 1），地形地貌差别很大，流域内气候大致可分为干旱、半干旱和半湿润气候类型，总体上表现为西部干旱，东部湿润；全流域多年平均降水量466mm，多年平均蒸发量700～1800mm；流域内年平均气温区域分异大，上游地区年平均气温-4.0～9.3℃，中游地区 9.4～14.6℃，下游地区14.2℃[24]。按照黄河水利委员会对黄河流域的划分标准[23]，从河源到内蒙古的河口镇为上游，选择代表站点53个；河口镇到郑州附近的桃花峪为中游，选择代表站点37个；桃花峪以下为下游，选择代表站点12个。各区代表站点分布见图1。

图1 黄河流域气象站点分布Fig.1 The location of meteorological stations in the Yellow River Basin（YRB）

1.2 数据来源

从黄河流域及其周边筛选102个具有1961-2013年完整观测序列的气象站点作为分析对象，各站近53a逐日降水量（mm）、平均温度（℃）、最低温度（℃）、最高温度（℃）、相对湿度（%）、日照时数（h）和风速（m·s-1）等逐日气候资料由中国气象局提供。对于气象数据的缺失，温度（平均、最高、最低温度）缺测值利用5日滑动平均法进行插补，降水量缺测值利用附近气象站点的降水量进行线性插补[25]。

1.3 研究方法

选择相对湿润度指数作为干旱指标研究黄河流域各季和全年尺度的干旱变化特征，相对湿润度指数（M）是中国气象局2005年《干旱监测和影响评价业务规定》中推荐的干旱指标之一，是降水与蒸散量之差与蒸散量的比值，可以用于旬以上尺度的干旱监测和评估[15，26-27]，计算式为

式中，P为某研究时段降水量（mm），ET0为该时段潜在蒸散量（mm）。

利用 Penman-Monteith公式[28]对参考作物蒸散量进行计算。

国家标准《气象干旱等级》中提出了干旱分级指标[29]，但是国家标准未对干旱分级应用的时间尺度进一步说明。在实际应用中如季节、全年尺度以及作物生长季不同时间尺度干旱等级划分参照不可能用同一个分级指标，且不同研究区的降水与蒸散量的比值差异很大，因此需要对不同时间尺度的干旱分级进行订正。本研究参考国家标准中降水距平百分率指标及前人的研究成果[18，30]，对黄河流域各季和全年尺度的湿润度指数分级进行订正，结果见表1。

表1 相对湿润度气象干旱等级划分标准Table 1 The meteorological drought classification of relative moist index（M）

旱站次比（Pj）：某一区域内干旱发生站数占全部站数的百分比，用于评价干旱影响范围的大小及其严重程度，具体计算公式参考文献[18,31]。本文的干旱站次比是发生轻旱以上的站数占全部站数的百分比。

依据前人的研究结果[32-35]，求解潜在蒸散量对气候要素敏感性的方法为

式中，SVi为敏感系数，Vi为第i个变量的日值，即太阳总辐射、相对湿度、温度和风速。敏感系数绝对值越大说明潜在蒸散量对气候因素的敏感性越大。依据式（1）和（2），可推导出相对湿润度指数对气候要素的敏感性计算方法，即

文中表征的黄河流域上游、中游和下游各季，全年相对湿润度指数、相对湿润度指数敏感系数以及与气候要素的相关系数，皆为上游 53个气象站点、中游37个气象站点和下游12个气象站点的平均值。

2 结果与分析

2.1 黄河流域年、季干旱特征及其时空变化

2.1.1 区域相对湿润度指数平均值及其变化趋势

计算黄河流域上游、中游和下游气象站点相对湿润度指数各季均值和全年均值及其变化趋势的统计结果（表 2）。总体上看，黄河流域上游相对湿润度指数各季和全年均值均低于中游和下游，也即上游干旱情况比中游和下游偏重，春夏秋冬各季分别处于中旱、轻旱、中旱和特旱程度，全年尺度处于特旱程度。仅上游的春季和冬季、中游和下游的冬季相对湿润度指数呈极显著增加趋势（P＜0.01），也即干旱趋势极显著减弱。

表2 黄河流域四季和全年相对湿润度指数平均值及其倾向率（1961-2013年）Table 2 Annual variation tendency and statistics of relative humidity index in four seasons and entire year in YRB in 1961-2013

2.1.2 干旱分布及站点相对湿润度指数变化趋势

从黄河流域各季和全年干旱空间分布（图2）可以看出，各季节和全年尺度的相对湿润度指数均呈现从西北到东南递增的变化趋势，说明从西北到东南干旱情况减缓。春季特旱区域主要分布在陕西、山西和宁夏北部以及内蒙古地区，而气象干旱减缓的站点主要分布在黄河流域上游地区，干旱增强的站点主要分布在黄河流域东南部。夏季主要以中旱和轻旱为主，主要分布在宁夏北端和内蒙古地区，干旱增强的站点主要分布在中游地区。秋季特旱区域主要分布在宁夏北端和内蒙古地区，干旱减缓的站点分布在黄河流域上游地区，而干旱增强的站点分布在陕西和山西地区。冬季黄河流域基本均表现为重旱和特旱特征，而且干旱减轻程度较大的站点分布在下游地区。与春季干旱特点类似，全年尺度特旱区域主要分布在陕西、山西和宁夏北部以及内蒙古地区，干旱减轻的气象站点主要分布在上游和下游地区，干旱增强的站点分布在东西走向的中部地带。

2.1.3 分析期区域内干旱发生情况分析

计算黄河流域 4个季节和全年尺度轻度以上干旱站次比平均值和变化趋势，由表 3可见，上、中和下游地区冬季干旱站次比最高，其次为春季，夏季干旱站次比最低。就各季和全年尺度而言，均表现为上游地区干旱站次比最高，其次为下游地区，中游地区最低。近53a来黄河流域上游地区春季和冬季轻旱以上干旱站次比呈显著减少的变化趋势（P＜0.05），减幅分别为0.57和0.28个百分点·10a-1，下游地区冬季干旱站次比也呈显著减少的变化趋势（P＜0.05），减幅为2.18个百分点·10a-1，中游地区各季干旱站次比变化均不显著。

图2 黄河流域四季和全年干旱情况及其相对湿润度指数变化趋势(10a-1)的空间分布(1961-2013年)Fig.2 The spatial pattern in relative humidity index and its variation trend(10y-1) in four seasons and entire year in YRB in 1961-2013

表3 黄河流域四季和全年轻度以上干旱站次比的平均值和变化倾向率（1961-2013年）Table 3 Mean and change tendency rate of annual and seasonal drought stations proportions in YRB (1961-2013)

2.2 黄河流域相对湿润度指数的气候敏感性

对黄河流域各季和全年尺度相对湿润度指数的4个常规气象要素敏感性进行分析发现（表 4），相对湿润度指数对太阳辐射和相对湿度呈正向敏感，对温度和风速呈负向敏感。在季节和全年尺度上，上游、中游和下游地区相对湿润度指数分别是夏季、夏季和秋季的太阳辐射敏感系数最大，分别为0.29、0.82和0.65，相对湿度敏感系数在秋季、秋季和冬季最大，风速敏感系数在夏季、秋季和秋季最大，而温度均在夏季敏感性最强，分别为-0.21、-0.93和-0.70。上游和中游地区夏季相对湿润度指数最敏感要素分别为太阳辐射量和平均温度，敏感系数为 0.29和-0.93，其中对平均温度的敏感性呈显著增强的变化趋势（P＜0.05），敏感系数为-0.04，而且春季、秋季、冬季和全年尺度上相对湿润度指数均对相对湿度最敏感，其中上游地区春季、冬季和全年以及中游地区冬季和全年对相对湿度敏感性呈显著增强的变化趋势。下游地区各季和全年尺度上相对湿润度指数最敏感要素均为相对湿度，但仅冬季和全年相对湿度敏感系数呈显著增强的变化趋势（P＜0.05）。

2.3 黄河流域气候因子变化特征及其与相对湿润度指数的相关分析

尽管气候敏感系数有助于识别不同气候因子变化对相对湿润度指数影响的重要性，但由于不同气候因子自身变化特征不同，要区分过去53a相对湿润度指数的变化主要由哪个气候因子引起，仍需要进一步研究。研究区上、中和下游近53a气候因子变化特征及其与相对湿润度指数相关分析结果表明（表5、表6），除夏季外，黄河流域全年和各季平均气温均呈显著增加趋势，其中冬季平均气温增幅最大，上、中和下游地区增温速率分别为0.52、0.44和0.30℃·10a-1（P＜0.01），夏季变化趋势不显著，全年平均气温增速在0.16～0.29℃·10a-1（P＜0.01）。整个区域内，太阳总辐射的变化趋势不一致，上游地区仅夏季太阳总辐射极显著减少（P＜0.01），其它季节变化不明显；而中、下游地区各季的太阳总辐射均表现出显著的减少趋势（P＜0.05），其中夏季减速最大，分别达到72.5和42.5MJ·m-2·a-1（P＜0.01）。从全年尺度看，上游减幅最小，为-16.8MJ·m-2·a-1（P＜0.05），其次为下游，中游减幅最大，为-129.6MJ·m-2·a-1（P＜0.01），约为上游的7.7倍。对相对湿度来说，上游仅春季和冬季呈显著增加趋势，增速分别为4.70和1.89个百分点·a-1（P＜0.01），中游和下游也仅冬季呈显著增加趋势，其余季节变化不显著。年尺度和各季风速均呈显著减弱趋势，上游和中游均在春季减幅最大，为-0.12m·s-1·a-1（P＜0.01），下游风速在冬季减幅最大，为-0.16m·s-1·a-1（P＜0.01），而全年尺度下游风速减幅最大，为-0.12m·s-1·a-1（P＜0.01）。

对气候要素进行标准化处理[36]，并与相对湿润度指数进行相关分析，由表6可见，黄河流域上游和下游平均气温与相对湿润度指数的相关性均表现为冬季最强，相关系数均通过了0.01水平的显著性检验；上、中和下游太阳辐射量与相对湿润度指数的相关性则分别在秋季、春季和秋季最强，相关系数均通过0.01水平的显著性检验；而相对湿度的相关系数分别在秋季、夏季和春季最高，与风速的相关性均在冬季最强。季节尺度上，黄河流域上游地区相对湿润度指数的驱动要素分别为相对湿度、相对湿度、太阳辐射和气温，相关系数分别为 0.68、0.71、-0.82和 0.98，均通过0.01水平的显著性检验，中游地区春季、夏季和秋季相对湿润度指数均与相对湿度相关性最强，冬季与风速相关性最强，下游地区春夏秋冬各季与相对湿润度指数相关性最强的要素分别为相对湿度、相对湿度、太阳辐射量和风速。全年尺度上，上游、中游和下游地区相对湿润度指数分别与太阳辐射、相对湿度和相对湿度相关性最强。

表5 1961-2013年黄河流域年、季气候要素的变化倾向率Table 5 Climatic tendency rate of seasonal and annual climatic variables in YRB in 1961-2013

表6 1961-2013年黄河流域相对湿润度指数与气候要素的相关系数Table 6 Correlation coefficient between the annual/seasonal relative humidity index and climatic factors in YRB in 1961-2013

3 结论与讨论

（1）黄河流域上游地区旱情比中游和下游地区偏重，各季节分别处于中旱、轻旱、中旱和特旱状态，全年尺度处于特旱程度，而且上游在春季和冬季、中游和下游在冬季干旱趋势减弱。各季节和全年尺度的相对湿润度指数均呈从西北到东南递增的变化趋势，说明从西北到东南干旱情况减缓。春季、秋季和全年尺度特旱区域主要分布在陕西、山西和宁夏北部以及内蒙古地区，气象干旱减缓的站点主要分布在黄河流域上游地区，干旱增强的站点主要分布在黄河流域东南部。上、中和下游地区冬季干旱站次比最高，其次是春季，而且季节和全年尺度，均表现为上游地区干旱站次比最高，其次是下游地区，中游地区最低。

（2）从季节和全年尺度气象要素敏感系数及其年际变化趋势看，相对湿润度指数对太阳辐射和相对湿度呈正向敏感，对温度和风速呈负向敏感。上游和中游地区夏季相对湿润度指数最敏感要素分别为太阳辐射量和平均温度，全流域春季、秋季、冬季和全年尺度对相对湿度最敏感。

（3）从各季和全年尺度相对湿润度与气候要素的相关系数来看，相对湿润度指数与风速、太阳辐射和潜在蒸散量呈显著负相关，与相对湿度和降水量呈显著正相关。全流域相对湿润度指数在春季和夏季最相关的要素均为相对湿度，上游和下游地区秋季主控要素为太阳辐射，上游、中游和下游地区冬季则分别与温度、风速和风速相关性最强。全年尺度上，上游、中游和下游地区相对湿润度指数变化的主控要素则为太阳辐射、相对湿度和相对湿度。

本研究所采用的相对湿润度指数和气象干旱等级划分标准真实客观地反应了干旱的发生强度，干旱的季节和区域分布结果与历史记载的黄河流域的发生规律和特征基本相符，其中春旱和冬旱较严重[37-39]，研究结果能够从气象干旱的角度为黄河流域生态工程合理布局和农业生产防灾减灾提供一定科学依据。对于生态区，要重点保护生态环境，加强生态管理，促进生态系统良性发展；对于农业耕作区，有必要推广可行的作物晚播、秸秆覆盖抑蒸技术、补充灌溉技术和培肥蓄水聚墒技术，增加土壤有机碳，提高降水生产力。

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Drought Variation and Its Sensitivity Coefficients to Climatic Factors in the Yellow River Basin

LIU Qin, YAN Chang-rong, HE Wen-qing
(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Science/Key Laboratory of Dryland Agriculture, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Investigation of the variation in drought and regional response to climate change is widely accepted to be very important for ecological security and agricultural production, and can provide basis information for developing appropriate measures to reduce droughts over the Yellow River Basin (YRB).In this study, the relative humidity index (M) was calculated from a data set of daily climate variables in 102 meteorological stations over the Yellow River Basin and in sequence, its sensitivity coefficients to key meteorological variables were firstly investigated using a partial derivative method.The results witnessed that the drought degree was detected to be stronger in the upper region than the middle and lower region.Moderate, slight, moderate and extra severe drought were found in spring, summer, autumn and winter respectively and extra severe drought was found in entire year.M was detected to increase from the northwest to the southeast region and the extra severe drought region was mainly located in Shaanxi, Shanxi, north Ningxia and Inner Mongolia.The meteorological stations whose relative humidity indexincreased were mainly located in the upper region, while in the southeast region of YRB.Accordingly, the M is proved to be positively sensitive to solar radiation (RS) and relative humidity (RH), while negatively sensitive to air temperature (T) and wind speed (WS).The M was most sensitive to RS and T for summer in upper and middle region respectively.Furthermore, the most sensitive variable turned to be RH for spring, autumn, winter and entire year in the whole basin.The declining of RH controlled a negative trend for M in spring and summer over the whole basin, while RS was primarily responsible for the change of M in autumn in upper and lower region respectively.However, the primarily controlling variable turned to be T, WS and WS for winter in upper, middle and lower region.As for the entire year, RS, RH and RH mainly governed M in upper, middle and lower basin respectively.

Relative humidity index; Meteorological drought; Sensitivity coefficient; Primarily controlling variable; Climate change; Yellow River Basin

2016-05-23**

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB955904）；国家自然科学基金项目（41401510）；国家“十二五”科技支撑计划（2012BAD09B01）

刘勤（1982-），助理研究员，研究方向为农业水生产力与水环境。E-mail：liuqin02@caas.cn

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.06.002

刘勤,严昌荣,何文清.黄河流域干旱时空变化特征及其气候要素敏感性分析[J].中国农业气象,2016,37(6):623-632