气候变化条件下黄河流域的旱涝特征

2020-12-14张瑞涵

西安理工大学学报 2020年3期

张瑞涵，高涵

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065；2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048)

近百年来，全球变暖对水文循环过程的影响逐渐加强，极端天气事件呈现出广发和频发的态势，其最直接的后果是引起一系列的自然灾害。干旱和洪涝是中国最主要的气象灾害之一[1]，尤其是2020年汛期以来，南方多地发生洪涝灾害，严重影响国民经济发展和农业生产。因此如何准确预估、提前应对流域未来的旱涝灾害是我们亟待解决的问题。

标准化降水指数(SPI)作为一种常用的旱涝指数[2-3]，由于其在计算过程中消除了降水的时空分布差异，在各个区域和各个时段都能有效反应旱涝状况，并具有良好的稳定计算特性[4]，而被广泛使用。

为此，本文以我国黄河流域为研究对象，采用SPI指数探究气候变化条件下流域未来的旱涝特征，以期为准确预估、提前应对旱涝事件提供支持。

1 研究区域及数据来源

本文选取黄河流域82个气象站点1966—2019年的逐日降水量为计算资料，其中部分气象站点的日值数据出现缺测现象，采用趋势预测法对其进行插补。数据主要来源于中国气象数据共享网。各气象站点分布状况见图1。

图1 研究区域气象水文站点分布图Fig.1 Distribution of meteorological and hydrological stations in the study area

2 研究方法

2.1 标准化降水指数

标准化降水指数(SPI)是实测降水量相对于降水概率分布函数的偏差。本次SPI指标选取时间尺度为3个月。目前常采用Gamma分布函数描述某时间尺度的累积降水量，对降水量进行正态标准化处理后，进而依据标准化降水累积频率划分不同干旱等级。假设某一时间尺度累积降水量是x，则其概率密度形式：

(1)

(2)

式中：Γ为Gamma函数；α、β分别为形状和度参数。

可以采用极大似然法得到α、β的估计值，即：

(3)

(4)

确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量x0，可求出随机变量x小于事件x0的概率为：

(5)

则累积概率分布为：

H(x)=p+(1-p)P(x

(6)

式中：p=m/n，其中m为降水系列中降水量为0的项数。对累积概率分布函数进行标准正态化处理，就可以反求出对应的SPI值。

结合McKee等[5]提出的干旱等级分类方法和中国气象干旱等级分类标准，依照SPI值可将干旱的严重程度分为9个等级，结果见表1。

表1 基于SPI的干旱(湿润)等级划分标准Tab.1 SPI based drought (humid) grades

2.2 旱涝特征值

本论文选用旱涝频率、旱涝站次比、旱涝覆盖面积率以及旱涝强度表征研究区域的旱涝特征。

2.2.1旱涝频率

旱涝频率是用于评价区域旱涝事件发生的频繁程度。计算公式为：

(7)

式中：n为发生干旱(湿润)事件的月数；N为黄河流域的降水资料的总月数；P为旱涝频率。

2.2.2旱涝站次比

旱涝站次比是用于评价旱涝事件的影响范围，为区域内发生干旱(湿润)的站点数占全部站点数比例。计算公式为：

(8)

式中：i代表年份；m为发生干旱(湿润)的站点数；M为黄河流域气象站点数；P(i)为i年的旱涝站次比。

当P≥70%，为全域性干旱(湿润)；当50%≤P<70%时，为区域性干旱(湿润)；当30%≤P<50%及10%≤P<30%时，为部分区域性和局域性干旱(湿润)；当P<10%时，无明显性干旱(湿润)。

2.2.3旱涝覆盖面积率

旱涝覆盖面积率也是用于评价旱涝事件的影响范围，但该指标侧重考虑旱涝事件的面积占比，计算公式为：

(9)

式中：Sd为干旱覆盖面积率；S1为干旱(湿润)区域所占面积，可采用Thiessen多边形法计算得到；S2为流域总面积。

2.2.4旱涝强度

旱涝强度用于反映旱涝事件的严重程度，计算公式为：

(10)

式中：S为旱涝强度；j为年份；i为站点；m为发生干旱(湿润)的站点数；SPIij为j年i站发生干旱(湿润)的SPI值。

当0.5≤S<1.0，为轻度干旱(湿润)；1.0≤S<1.5时，为中度干旱(湿润)；当S≥1.5，为重度干旱(湿润)。

3 结果与分析

3.1 黄河流域未来气候变化情景下的降水预估

3.1.1未来气候情景的降水预估

选择全球气候模式提供的第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)中北京气候中心气候系统模式数据(BCC-CSM1.1)，通过降尺度处理，预估黄河流域2011—2055年的降水数据。

目前气候系统模式提供了4种典型排放情景，即RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5。其中RCP8.5排放情景是指：在不实施有效气候变化减缓措施的情况下，人类活动导致温度气体浓度达到的最高情景，在一定程度上代表人类未来可能面临的最恶劣气候状态[6]。在该情景下，到21世纪末全球平均温度升幅约为3.7 ℃[7]。其中中国地区将增温1.3 ℃到5.0 ℃，接近全球平均水平，同时极端天气发生的频次和强度均有所增加[8]。因此，本文将预估RCP8.5情景下中国地区—黄河流域2011—2055年的降水数据，旨在揭示最恶劣气候状态下黄河流域的旱涝特征。

依据黄河流域82个气象站点1966—2019年的降水资料，选用2011—2019年数据对该气候模式降水预估结果进行验证，结果见图2。

由图2可知，黄河流域气候模式预估的降水量与实测降水量较为吻合。为了进一步说明结果，采用相对误差Er对所选取气候模式下RCP8.5排放情景的适用性进行评价，其计算公式如下：

图2 黄河流域降水量预估值与实测值对比Fig.2 Comparisons of the estimated and measured precipitation in the Yellow River Basin

Er=(Pj-P0)/P0×100%

(11)

式中：Pj为预估降水量的平均值，P0为实测降水量的平均值。

当Er>0时，预估值偏大；当Er=0时，预估值与实测值完全吻合；Er<0时，预估值偏小。若|Er|<0.1，预估精度达到标准。结果显示，相对误差|Er|为0.01，预估降水量的准确性较高，CMIP5气候模式下RCP8.5排放情景具有较好的适用性。

3.1.2未来降水量的变化情况

以1966—2010年的降水量作为基准期，探究黄河流域未来(2011—2055年)降水量的变化情况。

由图3可知，黄河流域各月降水量基本上呈现增加趋势，其中6月份的变化幅度最大，9月份最小，1月份和5月份降水变化幅度出现负值，降水量减少；四季中春季降水量增加最少，夏季降水量增加最多。总的来说，黄河流域多数月份降水增加且增幅较大，个别月份降水量减小。上述研究成果和康丽莉等[9]的结论相近，且变化趋势相同，进一步证明黄河流域未来降水量的预估较为准确。

图3 黄河流域未来降水量相对于基准期的变化幅度Fig.3 Range of precipitation in the Yellow River Basin relative to the base period

图4为黄河流域未来降水量的空间分布情况。未来时期，黄河流域降水量呈现从东南向西北方向递减的趋势，且与流域历史时期的降水空间分布规律相同，高值区主要分布在东部地区，低值区分布在内蒙古河套平原部分地区以及宁夏银川一带，未来流域降水量介于146～748 mm之间。

图4 黄河流域未来降水量的空间分布特征Fig.4 Spatial distribution of precipitation in the Yellow River Basin

3.2 基于SPI的黄河流域旱涝特征

3.2.1时间演变特征

根据SPI原理以及预估的未来降水量，计算黄河流域2011—2055年的SPI值，结果见图5。由图5可知，黄河流域SPI指数呈现波动状态，有略微增加趋势，说明黄河流域2011—2055年的干湿状况基本维持在同一水平。SPI指数在2013—2017年、2026—2040年以及2049—2050年均小于-0.5，表征该时期流域较为干旱；SPI指数在2018—2025年、2043—2048年均大于-0.5，表征该时期流域较为湿润。

图5 黄河流域SPI的变化情况Fig.5 Change of SPI in the Yellow River Basin

采用旱涝站次比、旱涝覆盖面积率、旱涝强度，揭示气候变化条件下黄河流域的旱涝特征。

由图6可知，黄河流域在2011—2055年之间，多发生部分区域性和局域性干旱，其所占比例分别为49.06%和43.40%。2015年和2036年的干旱站次比均大于50%，达到区域性干旱。从干旱覆盖面积率分析，黄河流域年均覆盖面积率为14.9%，其中2015年干旱覆盖面积率达到最大，为60.7%。

图6 黄河流域未来干旱事件的覆盖面积率和站次比Fig.6 Coverage area rate and station frequency ratio of future drought events in the Yellow River Basin

由图7知，黄河流域在2011—2055年之间，多发生部分区域性和局域性湿润。2018年、2029年、2031年、2045年、2046年以及2050年的湿润站次比均大于50%，达到区域性湿润。从湿润覆盖面积率分析，黄河流域年均覆盖面积率为26.0%，其中2045年干旱覆盖面积率达到最大，为54.0%。对比图6和图7可知，黄河流域未来湿润事件的覆盖面积率多大于干旱事件，湿润事件的影响范围多大于干旱事件，未来流域遭受涝灾的可能性较大。

图7 黄河流域未来湿润事件的覆盖面积率和站次比Fig.7 Coverage area rate and station frequency ratio of future humid events in the Yellow River Basin

图8和图9为黄河流域未来的旱涝强度，由图8和图9可知，黄河流域在2011—2055年的平均干旱强度为0.99，有32年的干旱强度在1.0～1.5之间波动，达到中度干旱强度，其他年份以轻度干旱强度为主；黄河流域在2011—2055年的平均湿润强度为1.05，有22年的湿润强度在1.0～1.5之间波动，达到中度湿润强度，2020年、2052年的湿润强度均大于1.5，达到了重度湿润强度。

图8 黄河流域未来干旱事件强度Fig.8 Intensity of future drought events in the Yellow River Basin

图9 黄河流域未来湿润事件强度Fig.9 Intensity of future humid events in the Yellow River Basin

对比图8和图9可知，黄河流域在2020—2024年、2037年之后湿润事件的强度略大于干旱事件。

3.2.2空间分布特征

根据黄河流域82个气象站点的SPI值，计算流域轻旱(润)、中旱(润)、重旱(润)以及特旱(润)频率值，并绘制相应的空间分布图，结果见图10和图11。

由图10(a)～(d)可知，黄河流域轻旱事件发生频率处于14.69%～30.09%之间，绝大部分地区轻旱频率小于20.85%，内蒙古为轻旱事件的高频区；中旱事件发生频率大致在10.50%～24.63%之间，大部分地区中旱频率小于18.98%；重旱事件频率分布在5.01%～15.15%之间，其高频区主要集中在流域的南部地带，包括青海、四川、宁夏、陕西等地；特旱事件发生频率分布在2.69%～12.05%之间，高频区主要集中在黄河流域的西部以及东北部。整体而言，黄河流域未来极端干旱事件的高频率区主要集中在上、中游地带，这是由于黄河流域的上、中游地区属于干旱和半干旱气候类型区，降水量稀少，蒸发量大，易发生干旱事件。

由图11(a)～(d)可知，黄河流域轻润事件发生频率处于13.47%～27.92%之间，低频区主要集中在流域中部地带；中润事件发生频率在8.42%～25.49之间，大部分地区的中润频率小于22.08%，其高频区位于青海、甘肃、陕西、山东以及山西等地；重润事件频率分布在3.10%～18.44%之间，大部分地区重润频率小于12.31%；特润事件发生频率分布在1.72%～15.76%之间，高频区主要集中在黄河流域中、下游地带。

对比图10和图11，可以发现黄河流域未来轻旱事件和轻润事件发生的可能性均较高，中旱事件、重旱事件以及特旱事件的频率均小于对应的湿润事件频率，由此说明未来黄河流域发生极端湿润事件的频率较高，即发生洪涝灾害的可能性大于干旱灾害。