基于SPEI的若尔盖湿地干湿时空演变特征分析

2019-03-25罗登泽靳晓言强皓凡

水土保持研究 2019年2期

罗登泽, 靳晓言, 强皓凡, 梁川

(1.四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065; 2.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室, 成都 610066)

水分盈亏对陆地生态系统影响重大，而水分亏缺引起的干旱现象，是目前全球最为严重的气象水文灾害之一[1]。在全球变暖的趋势下，区域气候的干湿状况将发生变化，进一步加剧干旱进程[2]。我国干旱具有普遍性、连续性、季节性、地域性等特征，其不仅直接影响我国的粮食安全，还进一步影响水循环及其伴生水环境、水生态和水沙过程[3]。近年来，我国西南地区近年干旱频发，如2003年西南伏秋旱、2005年云南春旱、2006年川渝伏旱、2009年西南秋冬春连旱等[4-6]，对当地生态环境、经济发展造成了严重影响。定量分析干湿的时空演变特征对区域抗旱减灾意义重大[7]。

目前，描述干旱现象主要通过干旱指数进行。常用的干旱指数有Palmer干旱指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)、综合气象干旱指数(CI)以及相对湿润度指数M等[8]。其中，Vicente-Serrano等[9]于2010年提出的标准化降水蒸散指数(SPEI)同时考虑了温度与降水对干旱的影响，并继承了SPI多时间尺度的应用性，在我国年均降水量大于200 mm的地区有良好适用性[10]，近年来得到广泛应用。如张艳芳等[11]利用SPEI讨论了黄河源区干旱时空变化特征，发现源区近10 a来干旱程度减弱，呈暖湿化趋势。王东等[6]应用SPEI对西南地区干旱时空特征进行研究，指出西南地区近53 a来呈干旱化趋势。王丽茜等[12]基于SPEI对长江上游干旱变化趋势进行研究，发现长江上游东部地区干旱趋势严重，而西北地区趋湿。

若尔盖湿地地处青藏高原东北部，是世界上面积最大的高原湿地，其主导功能是水源涵养，兼具径流调节、生态多样性保护、沙化控制、调节局部小气候、环境自净及固碳等辅助生态功能[13]。若尔盖湿地位于长江、黄河上游源区，素有黄河“蓄水池”之称，其兴衰对长江、黄河的水源涵养、生态保护至关重要[14]。随着近年来全球变暖与人为活动的影响，湿地面积不断减小，导致生态环境不断恶化及黄河上游径流量持续减小[15]。因此，研究分析该区域干湿时空演变特征意义重大。目前专门针对若尔盖湿地干湿演变的研究较少，且以往的研究方法忽略了干旱发生的随机性、模糊性和稳定性，缺乏对干旱不确定性的度量。云模型考虑了定性概念的随机性与模糊性，并实现了与定量值的相互转换，为干湿时空演变特征提供了新的研究方法[16-17]。为此，本文基于标准化降水蒸散指数(SPEI)，采用Mann-Kendall检验法、云模型、经验正交函数(empirical orthogonal function，EOF)等方法分析若尔盖湿地干湿时空演变特征，以期为江河源区干旱进程变化及湿地生态维护提供依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况与资料

若尔盖湿地(32°20′—34°00′N，101°36′—103°30′E)地处青藏高原东缘(图1)，是我国特有的沼泽分布区，还是全球面积最大的高原湿地，生态研究意义重大。该区域属大陆性高原气候，寒冷湿润，霜冻期长，日温差大，平均海拔3 500 m，年均降水量600～800 mm，年平均气温1℃左右[18]。

图1若尔盖湿地及其周边气象站分布

本文气象数据由中国气象数据共享服务网提供(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，由于研究区站点较少，选取若尔盖湿地及其周边地区共19个气象站1961—2016年逐日气象资料，包括降水量(P)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、平均气温(Tmean)、相对湿度(RH)，10 m风速(U10)、大气压强(p)和日照时数(n)。

1.2 研究方法

1.2.1 标准化降水蒸散指数计算 SPEI指数通过计算降水量与蒸散量的差值，比较其与平均状态的离散程度并以此来反映某地区的干旱状态[12]，具体计算步骤如下：

(1) 计算研究区域的潜在蒸散量(PET)。本文采用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量。P-M公式计算的潜在蒸散量考虑了温度、风速、气压和相对湿度等要素，与干旱区或湿润区的实际参考作物蒸散量均较为符合[19]，其计算公式如下[20]：

(1)

式中：Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃)；γ为干湿计常数(kPa/℃)；U2为2 m高处风速(m/s)；Rn为净辐射(MJ/m)；G为土壤热通量(MJ/m2)；T为平均气温(℃)；es为饱和水气压(kPa)；ea为实际水气压(kPa)。除净辐射Rn应进行地区校正外，各变量根据FAO方法计算[21]。本文采用Yin等[20]辐射矫正的经验系数计算Rn。

(2) 计算逐月降水量与蒸散量的差值：

Dj=Pj-PETj

(2)

式中：Dj为某月水分盈亏情况；Pj为某月降水量；PETj为某月潜在蒸散量。

(3)

(4)

式中：F(x)为概率分布函数；参数α，β，γ依次为尺度参数、形状参数和位置参数，通过线性矩法拟合得到。

(5)

(6)

式中：C0=2.515517；C1=0.802853；C2=0.010328；D1=1.432788；D2=0.189269；D3=0.001308。当p>0.5时，将p替代为1-p并且SPEI取负值。

SPEI具有多时间尺度(可取1月、3月、6月、9月、12月、24月等)特征，文中主要分析12个月时间尺度下的SPEI指数。参考《气象干旱等级》[22]及刘珂[2]、庄少伟[10]等对SPEI干湿等级的划分，将干旱划分为7个等级，见表1。

表1 SPEI指数干旱等级划分

1.2.2 云模型设U是一个精确数值量表示的论域，C为U上的定性概念，对于任一论域中的元素x，存在一个有稳定倾向的随机数u(x)∈[0,1]，称为x对C的隶属度，则x在U上分布称为云，每个x称为一个云滴，即对定性概念的定量描述。采用期望Ex、熵En和超熵He来描述云模型的数字特征。其中,期望Ex表示定性概念平均值的大小；熵En表示定性概念的不确定度，即对应云滴相对于平均值的离散程度；超熵He是熵En的熵，反映了熵的稳定程度，即云滴的凝聚性，亦即云层的厚度[17]。采用逆向云发生器计算Ex，En和He，实现定量数值到定性概念的转化[23]。

1.2.3 Mann-Kendall趋势检验法 Mann-Kendall趋势检验法(简称M-K法)是广泛应用于水文和气象随机序列趋势分析的非参数检验方法，无需样本服从特定分布，且不受少数异常值的干扰[7]。本文采用M-K法分析若尔盖湿地年尺度SPEI变化趋势及显著性水平。

1.2.4 经验正交函数分解经验正交函数(EOF)分解是分析气候时空演变特征时常用的方法。其原理是以矩阵的形式表示研究地区各站点不同时序气候要素的观测资料(m为该地区观测站，n观测时序):

(7)

将变量Xm×n看作是k个空间特征向量和对应时间权重系数的线性组合:

Xm×n=Vm×k·Tk×n

(8)

式中:T为时间系数；V为空间特征向量，又称空间模态。这一过程将变量场的主要信息集中由几个典型特征向量表现出来[24]。本文对年尺度SPEI指数的年均变量场进行EOF分解，提取并分析典型特征向量，以此研究若尔盖湿地干湿时空变化规律。

2 结果与分析

2.1 干湿时间分布特征的云模型分析

云模型能有效地描述干湿变化状况，且能把干旱量化，并对其不均匀性的稳定程度进行定量分析[17]。根据1961-2016年若尔盖湿地各站点年及季度气象资料计算各站点SPEI，对各站点不同时间尺度的SPEI指数取算术平均值，作为该研究区相应时间尺度的面SPEI指数。以每年年、春、夏、秋、冬不同时间尺度的面SPEI指数作为样本点，选取逆向云发生器算法计算不同时间尺度SPEI隶属云的数字特征(表2)，然后根据正向云发生器算法计算云滴得到年SPEI隶属云图(图2)。

表2 若尔盖湿地SPEI时间分布隶属云的数字特征值

图2若尔盖湿地年尺度SPEI指数时间分布隶属云

云模型中，Ex越小，SPEI平均值亦越小，干旱程度越重；En越大，SPEI相对于平均值越分散，即干旱程度波动越大；He越大，干旱程度的不均匀性越不稳定。由图2、表2可知，近56 a来若尔盖湿地SPEI均值为0.008，说明全年来看若尔盖湿地处于正常水平，不表现为明显干旱或湿润；熵值(En)为1.078，结合隶属云图可知，云滴分布较为分散，表明SPEI分布不均匀程度较大；超熵值(He)为0.336，结合隶属云图，同一SPEI值对应多个云滴，云层厚度较大，表明干湿变化不均匀程度的稳定性较差。由表2可知，季节尺度上，Ex在春、冬两季为负值，且春季(-1.306)小于冬季(-0.769)，说明若尔盖湿地在春、冬两季存在明显干旱情况，且春季更为严重，多年平均水平表现为中度干旱；冬季的En，He为最小值，说明冬季干旱发生集中，且干旱趋势化稳定；春季的En，He值大于冬季，但小于夏季和秋季，表明春季干旱较为集中，干旱不均匀性较为稳定；夏、秋两季Ex为正值，说明夏季和秋季不干旱，秋季较夏季干湿变化更为分散，且变化的不均匀性更加稳定。

2.2 SPEI的年际变化特征及M-K趋势检验

从SPEI指数年际变化趋势(图3A)可以看出，若尔盖湿地SPEI变化区间为-2.417～1.950，存在较多干旱或湿润年。年SPEI以-0.142/10 a倾向率呈波动下降趋势，表明湿地呈干旱化趋势；其中SPEI最小值出现在2002年，为-2.417，属极端干旱，且研究时段内有1 a发生重度干旱，10 a发生轻度干旱。进一步根据累计距平曲线可知，近56 a来，湿地年SPEI总体大致呈“高—低—高—低”变化趋势，即“偏湿—偏干—偏湿—偏干”的阶段变化特征，4个阶段分别为1961—1968年、1969—1974年、1975—1994年、1995—2016年，各阶段平均年SPEI为0.869，-0.860，0.270，-0.306。1995年后，SPEI频繁出现负值，干旱发生情况明显增多，这与王东等[6]的研究结果一致。自2010年开始，年SPEI变化趋于平缓，湿地无明显干旱或湿润年。

为进一步分析若尔盖湿地SPEI的年际变化特征，采用Mann-Kendall法对其进行趋势显著性检验和突变分析，见图3B。年SPEI除1964年与1967年左右呈上升趋势外，其余年份均呈下降趋势，说明湿地近年来年际干旱呈加重趋势。在0.05显著性临界线内，UF，UB曲线于1969年、1975年、1978年、1980年、1985年、1988年、1992年相交，交点之后UF线未通过0.05显著性水平检验，为进一步确认突变点是否可信，对年SPEI进行Pettitt检验，结果显示各点均未达到0.05显著性水平，表明在1961—2016年期间，湿地年尺度SPEI指数无显著突变点。

2.3 SPEI空间分布特征的云模型分析

根据1961—2016年各站点年及季度的气象资料计算各站点的SPEI并求得各站点算术平均值，以各站点不同时间尺度SPEI多年平均值为样本点，分析空间尺度上的干湿演变特征，得到空间隶属云的数字特征(表3)和隶属云图(图4)。

图4反映了若尔盖湿地年尺度SPEI云模型数字特征，其中熵值(En)为0.880，小于时间分布的1.078，说明了湿地各站点多年SPEI反映的干湿变化比时间分布更为集中；超熵值(He)为0.230，也小于时间分布的超熵值0.336，说明湿地SPEI空间分布的不均匀程度变化比时间分布小，气候的干湿变化更加稳定。比较图2与图4，相对于时间分布，空间分布的隶属云图云层厚度更小，云滴也更加集中。由表3可知，季节尺度上，春、夏、秋三季空间分布的En均小于时间分布，即SPEI空间分布比时间分布的离散程度小；夏、秋两季的He均小于时间分布，表明空间分布的不均匀稳定程度较时间分布更大；秋季的En，He为四季中的最小值，说明其离散程度小，且不均匀程度的稳定性最大。

图3 若尔盖湿地SPEI值年际变化和M-K突变检验曲线

图4若尔盖湿地年尺度SPEI空间分布的隶属云

2.4 SPEI空间分布特征的EOF分析

为进一步分析若尔盖湿地干湿变化的空间分布特征，对19个气象站点1961—2016年的SPEI距平矩阵进行EOF分解，得到代表湿地干旱空间分布类型的相互正交特征向量。特征向量的方差贡献率越大，其代表的旱涝空间分布形式越典型。每一模态的极大值所在区域即为湿地干湿变化最为敏感的地区。而时间系数反映了各时序在该种干湿空间分布形式下权重的大小；时间系数的绝对值越大，该年分布形式越典型[25]。湿地EOF分解结果表明，特征值最大的前3个特征向量累计方差贡献率达67.37%，已能反映湿地干湿变化的主要空间分布特征。其后的特征向量方差贡献率均较小，对应的旱涝分布形式不典型，因此取前3个特征向量进行分析。

第一特征向量方差贡献率为43.43%，代表了湿地干湿状况变化的最主要特征。如图5所示，第一特征向量均为正值，空间分布上具有很好的一致性，说明若尔盖湿地干湿变化在全区一致。第一特征向量高值位于若尔盖湿地北部及中部，说明碌曲—阿坝一线及若尔盖、红原等地对干湿变化的反应最为敏感。其时间系数在波动中呈下降趋势，说明全区干旱化趋势明显。由于第一模态空间系数均为正，则时间系数为正值的年份二者乘积也为正，表示该年属于全区偏湿型，如1965年。相反，时间系数为负表示该年属全区偏干型，严重干旱年份主要出现在1994年后，其中2002年为全区偏干最典型年。

图5若尔盖湿地SPEI第一模态空间分布及第一模态对应的时间系数

第二特征向量方差贡献率为15.38%，为若尔盖湿地干湿空间分布的重要形式。

如图6所示，第二特征向量在-0.28～0.37间变化，空间系数数值北负南正的纬向分布特征表明南、北地区干湿具有反相位变化的空间特征，即北部SPEI偏高(偏湿)时，南部SPEI偏小(偏干)，反之亦然。第二特征向量的时间系数呈上升趋势，其中，1961-1987年，时间系数在负值区波动，表明湿地南部相对干旱而北部相对湿润；1987年后时间系数在正值区波动，说明若湿地在1987年后北部地区由相对湿润转为相对干旱，南部地区则由相对干旱转化为相对湿润。

图6若尔盖湿地SPEI第二模态空间分布及第二模态对应的时间系数

第三特征向量特征贡献率为8.56%，也能对若尔盖湿地干湿空间分布做出一定解释。由图7所示，第三特征向量呈西高东低的分布形式，表明东、西地区具有干湿反相位变化的经向分布空间特征。第三特征向量的时间系数呈缓慢上升趋势，其中，东部相对干旱而西部相对湿润的年份主要有1965年、1979年、1989年、1997年，东部相对湿润而西部相对干旱的年份主要有1973年、1990年、2010年。