沙颍河流域季节性干旱的时空分布特征

2019-06-24郭金萍郭薇

浙江农业科学 2019年6期

郭金萍，郭薇

(华北水利水电大学，河南郑州 450046)

干旱的发生会给社会、经济和生态造成巨大损失。干旱变化特征分析是流域水资源规划和管理的基础[1]。干旱指标被广泛用于表征复杂的干旱现象，常用的干旱指数有Palmer干旱指数(PDSI)、降水量距平百分率(Pa)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)等。其中，PDSI综合考虑了降水和潜在蒸发量，是使用最广泛的气象干旱指数，但主要不足是时间尺度单一、参数区域性强[2]；降水量距平百分率虽比较直观，但反映的旱涝程度比较弱[3]；SPI仅需降水数据，计算简单且可用于监测不同时间尺度，然而未考虑温度和蒸散等的影响，对温度变化引起的干旱现象反应不敏感[4]；SPEI是Vicente-Serrano等[5]于2010年在标准化降水指数的基础上提出的，该指数同时考虑了降水与蒸发，尤其适用于气候变暖背景下的干旱特征分析，并且具有时空性，在许多地区的应用检验中都得到了很好的验证[6-8]。

沙颍河全长626 km，流域面积39 880 km2，流域内人口众多，人类活动剧烈，是河南省粮食主产区重要的灌溉用水来源。沙颍河流域自西向东由山区丘陵向平原地带过渡，属温带大陆性季风气候，西部山区丘陵地带多年平均气温较东部平原地区低，降水量由东南向西北逐渐递减，且多集中在6—9月。受地形和气候条件影响，沙颍河流域季节性干旱时常发生，严重制约流域内农业生产和社会经济的发展。近年来，有学者对沙颍河流域的降水特性[9]、降水量时空分布特征[10]及水文干旱演变情况[11]进行分析，丰富了人们对流域内气候变化及降水分布的认识，但缺乏针对气象干旱的专门研究。气象干旱是水文、农业和社会经济干旱最基本的起因，研究气象干旱对流域内水资源的合理分配、农业生产和社会经济发展具有重要意义。为此，选用SPEI作为干旱等级的划分指标，采用Mann-Kendall法和Morlet小波分析探讨沙颍河流域内季节性干旱的时空变化特征。

1 材料与方法

1.1 研究资料

本文选用的气象数据为流域内17个气象站1961—2010年的月降水和月气温数据，来自中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)，沙颍河流域内气象站点分布见图1。

图1 沙颍河流域气象站点的分布

1.2 研究方法

1.2.1 标准化降水蒸散指数

SPEI是对降水量与潜在蒸散量的差值序列的累积概率进行正态标准化后的指数。对数据序列进行标准化处理，更能反映不同时空的旱涝情况[6]。

3个月时间尺度的SPEI可以很好地反映季节的干旱状况，本文基于此分析流域季节干旱变化特征。依据气象划分季节标准，春季为每年的3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月。干旱等级划分标准[12]如下：SPEI>-0.5，无旱；-1

1.2.2 Mann-Kendall检验

非参数的Mann-Kendall(M-K)检验法对样本序列分布没有特殊要求，人为干扰少，计算简单，广泛用于气象、水文变量的趋势检验[13]。本文利用M-K检验法分析沙颍河流域季节SPEI指数的时间变化趋势，Z为正值表示序列呈上升趋势，Z为负值表示序列呈下降趋势，且|Z|≥1.645、1.96和2.58时，分别表示通过了90%、95%和99%的显著性检验，即上升或下降趋势显著。

1.2.3 干旱频率

干旱频率Pi可用来评价某站有资料年份内干旱发生的频繁程度。本文中干旱指发生轻旱及轻旱以上的干旱事件。

1.2.4 Morlet小波分析

小波变换是分析非平稳信号的可靠工具[14]。鉴于水文中大多数气候要素的时间序列在统计中表现出周期性，因此常用小波变换来揭示时间序列变化的周期性。Morlet小波是常用的小波函数之一，它能识别一个时间序列中的主要周期性和时频级数，给出时间序列变化的振幅和相位信息，且具有多时间尺度的特点[15]，适用于沙颍河流域干旱演变过程中周期性变化特征的分析。

2 结果与分析

2.1 干旱时间变化特征

沙颍河流域各季节SPEI序列值见图2。根据《治淮汇刊(年鉴)》《阜阳地区志》中关于沙颍河流域主要干旱事件的记录，20世纪90年代沙颍河流域干旱灾害频发，1990年秋季中旱，1992年夏季轻旱，1993—1994年春夏秋连旱，1995—1996年春季中旱，1997年夏季重旱、秋季中旱，1998年秋冬重旱，1999年夏季重旱。对比各季节的SPEI值判断旱情等级：1990年秋季SPEI为-0.83判断为轻旱，较实际干旱轻了一个等级；1992年夏季SPEI为-0.88判断为轻旱，与实际干旱等级一致；1993年春夏秋SPEI值分别为0.38、-1.09和-0.66，判断结果分别为无旱、中旱和轻旱，春季较实际旱情轻一个等级，夏季较实际旱情重一个等级，秋季与实际旱情等级一致。另外，从1994—1999年SPEI值中也能识别出干旱情况。总的来说，SPEI在描述具体干旱等级上尚显不足，但可以识别出沙颍河流域的干旱情况，且与历史灾情记录基本相符。

图2 沙颍河流域1961—2010年各季节SPEI值的变化

利用M-K检验法计算流域和各站点不同季节SPEI的统计量Z值(表1)。

由表1可知：流域整体春季和秋季SPEI的M-K检验统计量均为负值，可知SPEI呈下降趋势，流域趋向干旱，其中秋季|Z|≥1.96，表明通过了95%的显著性检验，变干趋势显著；流域整体夏季和冬季的Z值均为正值，说明有不显著的湿润趋势。

表1 流域内各站点不同季节SPEI的M-K检验统计量

注：*、**、***分别表示通过信度为90%、95%和99%的显著性水平检验。

流域内各站点春季均有不显著的干旱化趋势；夏季均有湿润化趋势，其中郏县、鲁山、叶县站分别通过了不同水平的显著性检验，湿润化趋势显著；秋季均有干旱化趋势，除郸城、登封、许昌、鄢陵、叶县、禹州和周口7个站点未通过显著性检验外，其他地区均通过了不同水平的显著性检验；冬季除漯河、项城、新郑、许昌、叶县、周口和尖岗7个站点有干旱化趋势外，其他10个站点均有湿润化趋势，但仅有阜阳站通过了99%水平的显著性检验。总的来说，流域内大多数站点和流域整体的季节干湿变化趋势具有一致性。

2.2 干旱频率空间分布

在ArcGIS 10.1软件中用反距离权重插值法对流域1961—2010年各站点不同季节的干旱频率进行空间插值，结果见图3。春旱发生频率在24%～38%，流域西部和中下游地区春旱发生频率较高，最易发生春旱的地区为阜阳和颍上，频率高达38%；夏旱发生频率在28%～42%，中游南部和下游地区易发生夏旱，漯河和颍上地区夏季干旱发生的频率高达42%；秋旱发生频率在28%～36%，上游、中游地区易发生秋旱，尖岗、许昌、两河口地区秋旱发生频率达36%；冬旱发生频率在26%～37%，下游阜阳地区和上游两河口、登封地区发生冬旱的频率在34%～39%，中游地区也易发生冬旱，频率在32%～37%。

2.3 周期性分析

采用Morlet小波分析法对沙颍河流域4季SPEI序列的周期性进行分析，小波系数实部等值线图和小波方差图分别如图4、图5所示，灰度深浅表示SPEI值高低变化。在不同的时间尺度上，正负相位交替变化明显，具有2个时间尺度的周期波动特征。年际尺度上，存在4～8 a的小尺度信号。春季SPEI的小波方差在4 a和8 a的时间尺度上均出现峰值，说明春季SPEI存在4 a和8 a的周期振荡规律，在8 a处的方差峰值最大，说明8 a为第一主周期，4 a为第二主周期。

综合分析小波系数等值线图和小波方差图，可以得到其他3个季节SPEI的周期。夏季SPEI存在8 a的第一主周期，16 a和3 a分别为第二、第三主周期；秋季SPEI存在17 a的第一主周期，4 a和12 a分别为第二、第三主周期；冬季SPEI存在20 a的第一主周期和3 a的第二主周期。

3 小结

选用SPEI气象干旱指数，采用M-K检验法和Morlet小波分析探讨了沙颍河流域季节性干旱的时空变化特征，主要结论如下：(1)通过与沙颍河流域历史干旱事件的对比，证明了SPEI在沙颍河流域干旱评价中的适用性。流域内大多数站点和流域整体的季节干湿变化趋势具有一致性。(2)流域不同站点各季节干旱频率在24%～42%，季节干旱空间分布差异较大，最易发生春旱的地区为阜阳和颍上，中游南部和下游地区易发生夏旱，上游、中游地区易发生秋旱，下游阜阳地区和上游两河口、登封地区和中游地区易发生冬旱。(3)1961—2010年沙颍河流域气象干旱有明显的周期变化，春季SPEI存在4～8 a的短周期，其他3个季节SPEI均存在3～8 a的短周期、12～20 a的长周期。