基于SPEI的宁夏沿黄城市带干旱特征及驱动性分析

马小燕, 朱晓雯, 赵金涛, 赵 娜, 石 云

(宁夏大学, 银川 750021)

干旱作为一种自然现象，是破坏农业、经济和生态的主要因素，具有影响范围广、持续时间长、出现频率高等特点[1]。水分长期不足是干旱形成和发展的主要原因，多时间尺度变化是其主要特征。根据不同的时间尺度，可将干旱划分为农业干旱、气象干旱、水文干旱等[2-6]。为方便对干旱程度进行量化，国内外众多学者在气象干旱领域提出了多种干旱指数，如相对湿润指数、帕默尔干旱指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)等[7-8]，其中，帕默尔干旱指数(Palmer Drought Severity Index，PDSI)对9～12个月尺度的干旱响应较好[9-10]，但在干旱持续时间的表征方面不够完备[11]，由Mckee等[12]提出的标准化干旱指数(Standardized Precipitation Index，SPI)具有多时间尺度分析能力[13]，模型简单、时空适用性强。但未考虑到温度对干旱程度的影响[14]。蒸散发量和降水量共同作用影响干旱形成和发展，是干旱气候形成的两个最主要驱动因子[15-16]。在全球增温的气候背景下[17]，仅分析降水量变化已不足以说明区域干旱程度和范围。由Vicente-Serrano等[15,18]提出的标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，不仅同时保留了PDSI指数与SPI指数的优点，在多时间尺度上，同时考虑了潜在蒸散量和降水量两个因素的影响[13]，在全球干旱研究中得到了广泛应用。目前，国内对SPEI的应用仅限于部分地区的适用性分析[19-20]，针对多尺度下宁夏沿黄城市带近年来干旱趋势、变化范围和幅度等问题研究较少，分析宁夏沿黄城市带干旱变化对区域农作物种植以及水资源协调以缓解干旱提供理论依据[21]。

针对不同流域[22-23]和自然区域[24-25]干旱驱动因素及时空分布特征，国内外学者展开了大量研究。Wang Fei等[26]基于SPEI指数分析1961—2015年黄河流域干旱特征发现区域干旱趋势明显增加；Xiao等[27]发现各气候因子对珠江流域降水天数和降水强度的影响具有季节差异，且彼此之间存在制约和协同关系；李运刚等[28]对1961—2012年红河流域干旱驱动因素及时空分布进行研究，发现1961—2012年红河流域干旱程度呈现增强趋势，各季节干旱发生频次空间差异较大。Sergio等[29]基于标准化降水指数分析了1952—1999年西班牙东北部半干旱地区冬季干旱的时空变化特征，发现西班牙东北部半干旱地区冬季逐渐由暖湿转换为暖干气象特征；陈亚宁等[30]基于PDSI指数，分析了整个中国西北干旱区空间模态与大气环流因子的相关性，发现研究区极端气候/水文事件呈逐年增加趋势，新疆有变暖趋势，而河西走廊则有变干趋势；李明等[31]基于SPEI指数探讨东北地区干旱的空间变化趋势，并将其划分为5个干旱亚区；王允等[32]基于SPI的近53 a宁夏干旱时空演变特征进行研究，发现宁夏在年和季节两个尺度表现为由北向南干旱的加重幅度逐渐增大，尤以南部山区对区域干旱变化的响应最为敏感。

宁夏沿黄城市带位于黄河流域中上游，属干旱半干旱地区，是气候变化的敏感区，生态环境极其脆弱[33]，蒸发量远大于降雨量，水资源时空分布不均，近年来对宁夏干旱特征研究多以宁夏中部干旱带为主，宁夏沿黄城市带干旱特征及驱动性分析较少。鉴于此，本文以干旱的多时间尺度特征为出发点，基于SPEI指数探究宁夏沿黄城市带的干旱时空分布特征及影响因素，采用Mann-Kendall突变检测法、滑动t检验和Pettitt突变检验，对干旱指数进行突变检测，利用冗余分析法定量分析宁夏沿黄城市带干旱驱动因素，探究区域干旱程度和影响范围以及干旱形成的原因，为研究区生态环境保护和指导农业生产等方面提供参考，以达到提高水资源利用率、优化水资源配置和合理利用水资源的目的。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宁夏沿黄城市带(36°54′30″—39°23′23″N，104°17′7″—106°58′13″E)位于青藏高原、黄土高原和蒙古高原交汇地带，气候类型复杂。以石嘴山市、中卫市以及银川市全市、吴忠市中利通区和青铜峡市为主干，涉及大武口区、平罗县、惠农区、贺兰县、兴庆区、金凤区、西夏区、永宁县、利通区、灵武市、青铜峡市、中宁县、沙坡头区17个县(市、区)，区域国土面积5.59万km2。黄河干流自宁夏中卫县南长滩翠柳沟流入，至石嘴山市惠农区头道坎麻黄沟流出，黄河流域宁夏段397 km，面积5万km2，年日照时长达2 600～3 000 h，温差较大[34]，水量主要来自地表水、大气降水、地下水。地形南高北低，年均降水量介于167.2～618.3 mm，且四季分布不均，多集中在夏季，冬季有少量降雪，年均蒸发量1 312～2 204 mm，蒸发量远大于降雨量，水资源时空分布不均，集中了宁夏90%以上的水资源[35]，人均用水量仅为129 m3，不足全国的1/16。宁夏沿黄城市带是典型的农牧交错带，生态环境脆弱，对水资源的反应十分敏感；流域内设有工业园区，工业用水效率低，重复利用率达到60%，高于全国平均水平，资源性缺水问题较突出，是我国干旱缺水严重地区之一。

1.2 数据来源

采用宁夏沿黄城市带1995—2015年惠农区、吴忠市、银川市、平罗县、中卫市、中宁县6个气象站点和2个辐射站点的逐日数据(中国气象数据网http:∥data.cma.cn)，包括日照时间、相对湿度、平均风速、平均温度以及地表净辐射数据。为保证数据在时间序列上的完整性，采用偏最小二乘回归插值法对研究区气象观测资料中缺测数据进行插补延展[36]，研究区各气象站点信息及分区见图1，文中各参量的空间化方法采用反距离权重法进行插值用反距离权重法进行插值[37]。

图1 研究区及气象站点分区图

2 研究方法

2.1 潜在蒸散发量

应用Penman-Monteith模型(P-M模型)计算宁夏沿黄城市带1995—2015年的月ET0和年ET0，计算过程如下[38]：

(1)

式中：ET0表示潜在蒸散量(mm/d)；Rn表示地表净辐射〔MJ/(m2·d)〕；G表示土壤热通量(MJ/m2·d)(在逐日计算公式中,G约等于0)；T表示2 m高度处平均气温(℃)；U表示2 m高度处风速(m/s)；es表示饱和水汽压(kPa)；ea表示实际水汽压(kPa)；Δ表示饱和水汽压与温度关系曲线斜率(kPa/℃)；V表示干湿表常数(kPa/℃)。其中：

V=0.665×10-5P

(2)

式中：P表示大气压(kPa)。

2.2 SPEI(标准降雨蒸散指数)

Vicente-Serrano等[15]在SPI指数的基础上，基于降水和潜在蒸散发的差值所表示的水量平衡方程进行计算[39]：

第一步，计算逐月降水量与潜在蒸散发量的差额:

Dm=Pm-ET0

(3)

式中:m为月数;Pm为逐月降水量(mm);ET0为潜在蒸散发量(mm)。

第二步，根据不同的时间尺度，对Dm进行聚集和归一化:

(4)

第三步，使用log-logistics概率分布函数拟合Dm序列[40]，得到累积概率密度函数F(D)：

(5)

式中:参数α，β，γ分别表示通过线性矩方法估计的尺度、形状和位置参数。

(6)

(7)

γ=w1-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(8)

式中:Γ为阶乘函数；w1，w2，w3为原始数据序列Di的概率加权矩。计算方法如下:

(9)

式中:N为参与计算的月份数。

第四步，对累积概率密度进行正态标准化:

(10)

(11)

式中:c1=2.515517,c2=0.802853,c3=0.010328,t1=1.432788,t2=0.189269,t3=0.001308[41];Q为大于某个确定的Dm值的概率,Q≤0.5时,Q=1-f(D);Q>0.5时,Q=1-Q。

2.3 干旱等级划分标准

干旱具有多时间尺度特征，不同时间尺度可以反映不同类型的干旱，如12个月时间尺度主要突出水文干旱、6个月时间尺度主要突出农业生态干旱、3个月时间尺度主要突出气象干旱[16,42]。因此，本研究选取1，3，12个月的时间尺度，来计算每月、每季度以及每年的SPEI，来分析区域干旱特征。国际上通用的基于SPEI指数的干旱等级划分标准见表1。通过干旱等级划分标准表可以确定区域在不同时间尺度发生干旱变化的程度[16]。

表1 干旱等级划分标准

3 结果与分析

3.1 SPEI指数季节变化特征

3.1.1 时间变化特征 宁夏沿黄城市带SPEI在3个月尺度上发生强烈的正负波动，表明研究区在季节尺度上发生显著的干湿变化。干旱发生的季节性包括单季旱和连季旱两种类型，分析图2可以看出：研究区单季旱发生频繁，以春季和秋季发生为主，其中春旱发生的频率为38.09%，春季轻旱的发生频率为56%、中旱的发生频率为5.6%、特大干旱的发生频率为1.3%；秋旱发生的频率为50.3%，秋季轻旱的发生频率为33.33%、特大干旱的发生频率为4.76%。从1995—2015年研究区季节变化特征看，春、秋、冬3个季节整体呈上升趋势，春季以0.91/10 a速率上升，上升趋势与年际变化趋势较为相似，在1995—1998年波动较大，从2000年和2005年之后表现为明显变旱趋势；秋冬季上升速率分别为0.45/10 a和0.05/10 a，在1995—2000年基本呈现先下降后上升趋势，秋季在2001—2009年进入全面干旱时期，2008年以后干旱情况有所好转；冬季SPEI-3指数在高、低位之间震荡变化，干旱/半干旱交替分布，2004—2007年期间以及2011年为轻度干旱时期，而在2008年之后干旱情况逐渐好转；夏季则呈现缓慢上升趋势，上升速率为0.01/10 a，夏季干湿波动幅度较小，2008年和2009年基本处于正常状态，2011—2014年呈轻度湿润状态，之后表现为变旱趋势。

图2 1995-2015年宁夏沿黄城市带SPEI-3指数季节变化特征

3.1.2 空间趋势变化 研究以SPEI-3指数为例对宁夏沿黄城市带不同等级干旱空间分布特征进行分析(图3)，可以看出研究区各季节SPEI-3指数空间分布差异明显，自北向南整体呈现由高到低的趋势，其中，平罗县干旱发生频率最高(16.50%)，金凤区发生频率最低(2.31%)。春季SPEI-3指数由北到南呈现“低—中—高”分布特征，其中沙坡头区、中宁县、青铜峡市西南部SPEI-3指数有下降趋势(0.001/10 a～0.055/10 a)，下降趋势占51.62%，平罗以西区域有中度干旱，利通区有逐渐变湿趋势；夏季SPEI-3指数的趋势系数介于0.006/10 a～0.746/10 a，由北到南呈现“低—高—中—高”分布特征，干旱主要分布在平罗县且有加重趋势，青铜峡市、利通区和灵武市相较于春季有变干的趋势，沙坡头区、中宁县干旱发生趋势增加(-0.125/10 a～0.394/10 a)。

由春季到秋季干旱强度和范围都有所增加，几乎遍布整个研究区，由北到南整体呈现为“低—高—低”的分布特征。中度干旱出现在平罗县西部和利通区中南部0，沙坡头区和中宁县有逐渐变干趋势，利通区干旱趋势系数逐渐减小，意味着利通区具有干旱化趋势。冬季，研究区以北干旱加重，与秋季相比，干旱趋势减弱，趋势系数介于-0.265/10 a～0.463/10 a，金凤区、西夏区以西、兴庆区以东干旱加剧，平罗县干旱情况有所缓和，利通区有明显变湿趋势，除利通区外，宁夏沿黄城市带在冬季整体呈现为冷干气候，符合当地气候特点。整体来看，宁夏沿黄城市带四季呈现干旱回归正常的气象表现，干旱主要集中在北部地区。

图3 1995-2015年宁夏沿黄城市带SPEI-3指数季节变化趋势

3.2 SPEI指数年际变化特征

3.2.1 时间变化特征 宁夏沿黄城市带1995—2015年SPEI-12指数呈现明显的正负波动(图4)，整体以0.013/10 a速率呈上升趋势，变化幅度微弱，表明宁夏沿黄城市带气候有变湿趋势。干旱发生具有随机性和频繁性，在1996年、2002年和2007年SPEI-12指数出现明显转折，呈现“下降—上升—下降—上升”的趋势。1995—2015年宁夏沿黄城市带主要干旱时期集中在1997—2001年和2003—2006年，随着气温增高，降水量随年际变化出现震荡，干旱指数降低，其中1997年出现重度干旱，1998年和2005年出现中度干旱，SPEI-12指数分别达到-1.19，-0.87和-0.79。宁夏沿黄城市带在1995年和2002年达到了湿润状态，分别为1.08，0.91；在2007—2014年，呈现明显的年代际震荡，波动范围0.049～0.607。整体来看，21年来宁夏沿黄城市带呈现由湿润逐渐干旱再至2006年之后干旱减轻的趋势，随着温度跃升，潜在蒸散发量加剧，而降水量逐渐降低，导致较明显的暖干化趋势。

图4 1995-2015年宁夏沿黄城市带SPEI-12指数

3.2.2 空间变化特征 从年尺度SPEI指数变化趋势的空间分布可知(图5)，宁夏沿黄城市带SPEI-12指数的下降趋势具有全域性，自北向南呈现由高到底的趋势(-0.057/10 a～0.348/10 a)，下降和上升趋势分别占研究区总面积的82.3%和17.7%，即以干旱化趋势为主，不同区域SPEI-12指数下降趋势由北到南呈现“高—低—中—低”空间分布特征，具有明显的空间差异，主要干旱地区分布在平罗以西、中宁县及沙坡头区以西部分地区，表现为明显干旱化加重的趋势，这可能与宁夏沿黄城市带温度和降水量两个因素共同作用有关。其中，平罗县与中宁县干旱发生频率最高，分别为7.25%和12.36%，且平罗县有干旱化加重的趋势，中宁县则有逐渐变湿的倾向；惠农区较为湿润，SPEI-12值为0.47，但有逐渐干旱化的倾向；金凤区、兴庆区、永宁县以及灵武市东北地区有轻度干旱，SEI-12值介于0.041～0.130之间；利通区气候状况良好且有逐渐转换为暖湿化倾向(0.407/10 a)。整体来看，随着温度增加，降水量大量的减少，宁夏沿黄城市带整体呈现暖干化趋势。

3.3 干旱指数变化趋势

采用Mann-Kendall突变检测法、滑动t检验和Pettitt突变检验，对SPEI-12进行突变检测，3种检测方法交叉检验能够提高突变检测精度。当1种结果与另外2种结果不一致时，按照少数服从多数原则确定突变时间，当3种检验结果均不一致时，取其平均值作为突变时间。

图5 1995-2015年宁夏沿黄城市带SPEI-12指数

结合3种突变检测方法，对宁夏沿黄城市带SPEI-12指数进行突变检测，1995—2015年宁夏沿黄城市带年代际SPEI-12指数呈现起伏变化。根据M-K突变检测结果可以看出研究区在1995—1997年和2002—2006年下降趋势显著且UF为负值，表明该时期为轻度干旱期；2007—2015年SPEI-12指数上升趋势超过了显著性水平0.05临界线，在2015年以后明显超过0.01显著性水平，说明宁夏沿黄城市带由干旱变为正常的趋势显著，在显著水平0.05的界限内，UF与UB曲线相交于2008年与2013年附近，在2008年之后UF值均大于0，表明在2008年、2013年附近发生了突变，SPEI-12指数在突变前后的平均值相差0.204，从宁夏沿黄城市带SPEI-12指数年际变化来看，20世纪90年代至今，宁夏沿黄城市带逐渐由干旱回归正常的气候水平。检验结果显示，Pettitt值整体呈现下降趋势，表明宁夏沿黄城市带整体呈现暖干化趋势，检验显示2008年为突变年。由滑动t检验可以看出，滑动t统计量在2003年和2008年超出了临界线，表明宁夏沿黄城市带SPEI-12指数的突变点在2003年和2008年；t值在1995—2003年呈现上升趋势，表明在这期间干旱情况有所缓和；在2003—2008年出现明显的下降趋势，表明这一期间的干旱情况十分严峻，出现连年干旱的情况。结合3种突变检测结果，确定2008年为研究区的突变年，表明研究区SPEI-12值在1995—2015年整体上呈现逐年下降的趋势，表明干旱情况得以缓解，黄河灌溉工程、生态恢复等措施有效地遏制了研究区内的干旱发展。

图6 1995-2015年宁夏沿黄城市带SPEI-12突变检测

3.4 驱动因子分析

冗余分析是一种结合了主成分分析与回归分析的排序方法，是多响应变量回归分析的拓展[43]，宁夏沿黄城市带ET0，ET，SPEI值变化与各个驱动因子之间的相互关系密切，两主轴对所选样方的解释率均在75%以上。由图7可以看出，降水量、温度、地表净辐射是驱动SPEI值主要环境因子，其次是水汽压和风速。其中，惠农、平罗、吴忠、银川以及中卫5个站点均显示降水量箭头连线的长度最长，表明降水量对SPEI的贡献率最高，介于54.2%～72.4%，中宁站点的贡献率最高，达到85.4%。平罗站点，降水量与地表净辐射与SPEI方向一致，呈正相关关系，降水量与SPEI方向一致且夹角较小，呈显著正相关关系，相关性达到0.643，而水汽压、风速和温度方向相反，呈负相关关系；其余各站点中，温度与SPEI方向一致且夹角较大，呈正相关，但相关性较弱，为0.401，其他环境因子相关性与平罗站点一致。驱动ET和ET0的主要环境因子为地表净辐射，其中，地表净辐射对ET0的贡献率最大达到98.6%，且方向一致、夹角最小，呈显著正相关，相关性为0.806。在惠农、吴忠、中卫、中宁以及银川5个站点，降水量、地表净辐射、温度与ET和ET0方向相同，呈正相关关系，水汽压、风速方向相反，呈负相关关系；平罗站点则出现ET和ET0方向相反长度较短，呈现弱相关性。

4 讨 论

本研究通过计算不同时间尺度的SPEI指数，对宁夏沿黄城市带干旱时空演变特征及影响因素进行分析，发现研究区由北到南呈现“高—低—中—低”的空间分布特点，1995—2015年呈现“下降—上升—下降—上升”的波动趋势，在2008年发生显著突变。宁夏沿黄城市带SPEI指数年代际波动与降水量呈显著正相关关系，年和季降水量在研究区内部分地区有增加趋势，随着全球变暖，宁夏沿黄城市带北部平罗县，大武口区等地潜在蒸散发显著增加，导致研究区北部表现为不同程度的暖干化趋势，这与关静等[44]分析一致。

基于离散分布的测站资料，通过空间插值方法，揭示整个流域干旱特征的时空差异性，时间尺度较短，无法预测未来10～20年内区域干旱程度及范围的变化趋势，后续需扩大研究的时间尺度，并对研究区未来干旱特征进行预测；黄河流域宁夏段位于黄土高原中部，具有黄土高原的典型特征，但研究区较小，SPEI指数空间分布宏观特征不明显，后续研究需扩大研究区范围。

论文所采用Penman-Monteith模型(P-M模型)计算宁夏沿黄城市带潜在蒸散发，其计算结果与SPEI指数有显著正相关关系，但在平罗、中卫等站点相关性较弱，甚至呈负相关关系，表明P-M模型中部分参数具有地方性和经验性，因此需对参数进行区域优化，深入不同的潜在蒸散量理论在宁夏沿黄城市带干旱检测的比较研究，提高蒸散发计算精度。

分析研究区各县(区、市)干旱指数对气象因子的敏感性发现，降水量和潜在蒸散发对SPEI指数的贡献率较高，由于宁夏沿黄城市带位于平原地区，高程变化较小，因此，在选取环境因子时，未考虑高程对区域干旱的影响。后续研究需结合测站高程资料，研究各环境因子在该研究区内与高程的关系，分析干旱指数对气象要素的敏感系数与海拔的线性关系，明确不同海拔的地形、温度、植被和土壤之间的复杂反馈机制。

图7 1995-2015年宁夏沿黄城市带冗余分析排序图

5 结 论

(1) 宁夏沿黄城市带四季呈现湿润化趋势，自北向南整体呈现由高到低分布，且主要集中在北部地区。单季旱发生频繁，以春季和秋季发生为主。春、秋、冬3个季节干旱强度和范围都有所增加，由北到南整体呈现为“低—高—低”的分布特征，冬季，研究区以北干旱加重，与秋季相比，干旱趋势减弱。

(2) 宁夏沿黄城市带1995—2015年SPEI-12指数整体以0.013/10 a速率呈上升趋势，表明宁夏沿黄城市带气候有变湿趋势。干旱发生具有随机性和频繁性，随着温度跃升，潜在蒸散发量加剧，而降水量逐渐降低，导致研究区有较明显的暖干化趋势。

(3) 研究区SPEI-12指数的下降趋势具有全域性，自北向南呈现由高到底的趋势，下降和上升趋势分别占研究区总面积的82.3%和17.7%。随着温度增加，降水量大量的减少，宁夏沿黄城市带整体呈现暖干化趋势。

(4) 综合3种突变检测结果表明研究区SPEI-12值在1995—2015年整体上呈现逐年下降的趋势，确定2008年为突变年。1995—2015年研究区由干旱状态逐渐回归正常的气象表现水平，表明黄河灌溉工程、生态恢复等措施有效的遏制了研究区内的干旱发展。

(5) 宁夏沿黄城市带ET0，ET，SPEI值变化与各个驱动因子之间的相互关系密切，两主轴对所选样方的解释率均在75%以上。降水量、温度、地表净辐射是驱动SPEI值主要环境因子，降水量对SPEI的贡献率最高，呈显著正相关关系，相关性达到0.643；水汽压、风速和温度环境因子与SPEI呈负相关关系；驱动ET和ET0的主要环境因子为地表净辐射，对ET0的贡献率最大达到98.6%，呈显著正相关，相关性为0.806。