基于SPEI的1960—2018年赣江流域干旱特征

刘喆玥 ， 韩会明 ， 赖 亮 ， 杨立苑 ， 胡丽丽

1. 江西省气象信息中心， 江西 南昌 3300962. 江西省水利科学院， 江西 南昌 330029

0 引 言

干旱与降水不足有着直接关系，通常也会伴随着高温和高蒸散量，导致土壤水分低于正常水平。与洪水等灾害不同，干旱过程缓慢而且可能长时间不被察觉(Kumar et al，2018)。近年来，在全球气候变暖和人类活动加剧的背景下，流域水循环发生了变异(张日高，2011)，增加了水文灾害的频率和强度，对流域内水资源和粮食安全造成严重影响，也是制约地区经济社会发展的重要因素。

揭示干旱发生、发展和衰亡动态过程的原理和背后的规律(刘喆玥等，2020)，以便采取有效措施尽可能地减小灾害造成的损失。许多学者(Piyush et al,2016;徐娟,2017;Mohammed et al,2019)采用不同的指标对干旱特征进行分析，而由于标准化降水蒸散发指数(SPEI)具有SPI的多时间尺度和PDSI考虑了干旱程度与蒸散量之间关系的双重优点，尤其在气候变化大背景下，气温的改变对区域干旱程度影响至关重要，因此自Vicente-Serrano等(2010)于2010年开发出来以后备受广大学者的青睐(陈少丹等,2017；杨绚等,2017；郭树龙等,2018)。Kamal等(2018)采用SPEI数据分析了气候改变对巴基斯坦的干旱影响，发现温度升高使干旱区降水更少，湿润区降水更多；张丽艳等(2017)采用SPEI数据分析了京津冀地区干旱特征及其成因，发现年均SPEI呈现偏旱趋势，干旱范围的年代差异明显。此外，刘卫林等(2020)采用SPEI数据分析了鄱阳湖流域干旱时空特征，发现从1967年开始流域由干转湿；韩会明等(2020)利用SPEI数据和游程理论分析了赣江流域历史干旱特征，发现流域内干旱历时和烈度均呈减弱趋势。

文中采用SPEI作为干旱指标，分析赣江流域1960—2018年干旱时空分布规律，以期为了解气候变化对赣江流域干旱的影响，做好干旱减灾工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

赣江流域位于长江中下游南岸，是我国主要的粮食产区。赣江干流自南向北流经江西省5个主要的农业和经济城市(赣州、吉安、宜春、南昌和九江)，汇入我国最大的淡水湖泊鄱阳湖。赣江作为鄱阳湖的最大水系，直接影响湿地的变化和湖水的调蓄。赣江长约823 km，流域面积8.35×104km2，流域(113°30′—116°40′E，24°29′—29°11′N)东有武夷山脉和粤山，南有大庾岭和九连山，西有罗霄山脉。属于亚热带湿润性季风气候，气温温和，多年平均气温18 ℃左右，降水量季节差异明显，空间分布不均。

文中所用赣江流域39个气象站1960—2018年降水量和气温数据资料(图1)，来源于由江西省气象信息中心，数据缺失率小，对个别站点、个别月份缺失的数据采用临近站点插值填补，以保证数据的连续性和完整性。文中规定春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—翌年2月(张余庆等，2015)。

图1 赣江流域气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 标准化降水蒸散发指数

文中采用Thornthwaite(1948)提出的方法计算逐月潜在蒸散量PET：

(1)

(2)

式中，Ti为月平均气温,单位：℃；H为年热通指数；A为常数。

随后，计算降水量与潜在蒸散量的差值Di，使用三参数的Log-Logistic概率密度函数拟合，再求出累计概率分布，其表达式为

(3)

图2 赣江流域不同时间尺度SPEI时间变化Fig. 2 Time series of SPEI at different time scales over Ganjiang River Basin

式中，α、β、γ均为参数，可通过线性矩法估计求得。

通过对序列标准化正态分布转化，到得干旱指数(SPEI)的计算值(ISPE)：

(4)

(5)

式中，P为累计概率。当P≤0.5时，P取1-F(x)；当P>0.5时，P取1-P，ISPE添负号。此外，W为Di的概率加权矩；常数c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

不同时间尺度SPEI能够反映降水和气温在不同时期的变化，分别用1个月(月尺度)、3个月(季尺度)、6个月(半年尺度)的SPEI(SPEI-1、SPEI-3、SPEI-6)来描述短期变化，用12个月(年尺度)的SPEI(SPEI-12)反映长期变化(张岳军等，2014)，其中5月、8月、11月和翌年2月的SPEI-3值分别表征春、夏、秋、冬四季干旱，12月SPEI-12值表征年干旱(曹永强等，2021)。

SPEI等级的划分标准(表1)，参考国家标准GB/T20481—2017《气象干旱等级标准》(国家质量监督检验检疫总局，2017)确定。

表1 SPEI对应的干旱等级

1.2.2 其他方法

除以上方法外，文中分别采用Mann-Kendall(M-K)检验、小波分析、主成分分析方法进行突变、变化周期和空间分布分析。

2 结果与讨论

2.1 SPEI多尺度分析及其适用性

分析赣江流域不同时间尺度SPEI变化(图2)发现，SPEI-1在0值上下波动频繁且剧烈，由于短期内温度的变化差异较小，而降水量的多寡差异较为明显，这直接导致SPEI-1变化频繁。1960—2018年出现严重及以上干旱(SPEI-1值≤-1.5)占总月份的7.34%，值得注意的是这些严重及极端干旱事件全部发生在7—10月，表明3—6月雨季结束之后副热带高压的影响导致降水量明显减少从而引发短时间极端干旱事件。SPEI-3的震荡幅度和频率相较SPEI-1有所衰减，其很好地识别出了干旱主要集中的两个时期1962—1967年和1986—1991年，这也与刘静楠等(2012)的赣江流域干旱研究结论基本一致。对于赣江流域随时间变化的SPEI-6，其发生的严重及以上干旱明显减少为3次，分别为1964、1978、2003年，这也是历时干旱较为严重的3次。SPEI-6相比于SPEI-1和SPEI-3，其频率有所降低，但其表征的干旱持续时间变长，这也说明了随着时间尺度的延长，前期累计降水量和气温的影响也相应增强。SPEI-12能够很好地反映地区的旱涝交替变化特征，根据其变化特点可以将赣江流域干旱事件划分为两个时期：一是2003年以前，赣江流域大部分时间都处于相对湿润期，此期间大约每隔8 a发生一次较为严重的干旱事件，干旱事件虽时有发生，但总的偏涝频数明显多于偏旱，旱涝交替现象不明显；二是2003—2018年，从2003年开始流域内旱涝交替迅速加快，旱涝事件明显增多。综观4种尺度的SPEI趋势线都呈现出上升趋势，表明了赣江流域有偏涝的倾向，由于倾斜率相对较小，所以这种偏涝倾向不明显。

根据以往对赣江流域的研究和历史真实情况(陈昌春,2013；刘静楠等,2012；张余庆等,2015；韩会明等,2020)，1960—2018年流域内发生重大洪涝灾害年份有1962、1973、1977、1983、1998、2010年，重大干旱灾害年份有1963、1971、1978、1986、1991、2003、2009、2011年。由于尺度的不同，对干旱识别能力也有差别，但图2中SPEI变化曲线都有所呈现，如4种尺度对2003年的干旱都有很好的描述，SPEI-3对1978年的旱灾识别要强于SPEI-12，在1998年长江流域发生了大范围的洪涝灾害，从年尺度上看并不明显，这是由于上半年洪涝灾害结束后，7月开始出现严重干旱事件，而这一特点被SPEI-6很好地捕捉。总之，SPEI能够有效地识别赣江流域各种情况下的旱涝状态。

2.2 突变检验

利用M-K检验对赣江流域1960—2018年SPEI-12序列进行突变检验(图3)。结果表明，SPEI-12的UF线浮动较大，1962—1967年迅速减小，逼近0.05显著性水平线，随后又快速升高，并在之后的1976、1984、2002年达到3个小峰值，趋势均不显著，进入到21世纪后，SPEI-12在2002年之后迅速减小。

图3 赣江流域SPEI-12的M-K突变检验

2.3 周期变化

利用小波分析对四季和年干旱周期进行分析，给出了小波实部和小波方差(图4a—e)。分析发现，春季干旱变化的主周期为16 a，5—8 a的小周期震荡明显，并贯穿整个时期，25—33 a的振荡在20世纪90年代之前其强度要高于90年代之后。与春季相比，夏季干旱变化具有显著差异，大尺度周期震荡较强；主周期为33 a，并伴有多个小周期。秋季干旱变化主要为2个强震荡周期，18—23 a强震荡在20世纪90年代之后周期逐渐增大，逐渐演变为23—27 a；第一主周期为21 a。冬季干旱变化的30—35 a震荡在1960—1985年较强，次后较弱；10—15 a震荡在1975年之后变强；4—7 a震荡持续整个时期，并在20世纪70年代表现较弱；第一主周期为4 a。年干旱变化的15—20 a震荡在20世纪90年代之前为强震荡，在90年代之后消失；25—30 a震荡从1985年开始周期增大；4—7 a震荡在80年代较弱；第一主周期为31 a。

图4 赣江流域干旱春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)、年(e)小波分析结果Fig. 4 Wavelet analysis of drought in spring (a), summer(b), autumn (c), winter (d) and annual drought (e) over Ganjiang River Basin

2.4 空间特征

2.4.1 干旱年空间分布特征

计算赣江流域39个气象站点的SPEI-12，统计不同等级干旱发生的频率，利用Arcgis10.2软件中的反距离权重法进行干旱频率的空间插值，得到四种不同等级的干旱频率空间分布情况(图5)。分析发现，赣江流域内干旱发生的频率从轻旱至特旱递减，轻旱多发地区主要集中在流域中游的吉安地区，如遂川、永丰县轻旱发生的频率均超过20%，萍乡市莲花县轻旱发生的频率最低(5.1%)。中旱年高频地区主要分布在赣江流域的西部和南部周边，其中永新和安远县发生频率最高(18.6%)，流域中东部地区中旱发生的频率在4%左右。赣江流域内重旱年发生频率空间上存在较大差异，重旱主要发生在流域的北部和东部地区，瑞金市重旱发生的频率高达11.9%，而吉安县并未发生过重旱。特旱年高频地区明显集中在赣江流域中部地区，其中吉安、泰和、永丰、吉水等县特旱发生频率均为5.1%。

图5 1960—2018年赣江流域轻旱(a)、中旱(b)、重旱(c)、特旱(d)年发生频率空间分布Fig. 5 Spatial distribution of frequency in drought years for (a) light drought, (b) moderate drought, (c) severe drought, (d) extreme drought over Ganjiang River Basin during 1960-2018

2.4.2 干旱年的主成分分析

为了解赣江流域SPEI的时空分布特征，对1960—2018年39个站点的SPEI-12进行主成分分析，提取特征值大于1的4个特征值，前4个特征值的累计贡献率为86.12%，4个主成分特征根贡献率依次为66.67%、12.67%、4.42%、2.35%，前3个特征值的累计贡献率已达83.76%，因此以下主要对前3个主成分进行特征分析。

分析图6发现，第一主成分所对应的空间系数均为正值且都大于0.6，表明赣江流域干旱的空间分布具有较好一致性，空间系数较高的区域集中在赣江流域中东部，普遍超过0.85，高值中心点位于吉安、吉水、永丰、乐安县附近，这些地区空间系数均超过0.9。第二主成分反映了赣江流域干旱的纵向差异，干旱的空间系数大约以27°N为界，呈现“南正北负”特征，具体表现为北部平原地区和南部丘陵山地地区的干湿状况相反，北部偏湿则南部偏干，反之亦然。赣江流域典型“南干北湿”年份为1969、1977、1989、1999、2014年，“北干南湿”年份为1985、2001年。第三主成分主要反映了赣江流域中部与南部、北部之间的差异性，中部为负、南北为正，负值的中心点位于流域中西部地区的井冈山市和永新县等地，北部的正值普遍高于南部，表明不同干旱年份的赣江流域中部与北部的差异要大于中部与南部的差异。

图6 1960—2018年赣江流域SPEI-12第一(a)、第二(b)、第三(c)主成分空间系数分布

3 结 论

基于赣江流域39气象站1960—2018年逐月气温与降水数据，采用SPEI分析赣江流域1960—2018年干旱时空分布规律，得到如下结论：

1) 不同尺度SPEI都呈微弱的上升趋势，干旱有所缓解，进入21世纪后旱涝交替频繁。不同事件尺度的SPEI能够很好地描述赣江流域不同时期旱涝情况，具有较好的适用性。

2) 赣江流域中部轻旱和特旱发生频率要高于其他地区，中旱高发区主要为流域的南部和西部区域，重旱高发区主要为流域的东部和北部区域。

3) 赣江流域干旱的空间分布具有较好的一致性，旱涝变化整体保持一致，存在南部与北部旱涝状态相反的纵向差异，且中部与南部、北部旱涝存在空间差异。