渭河流域多尺度干旱時(shí)空特征分析

劉蕊娟，王旭紅，趙會(huì)娟

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710127；2.北京大學(xué)深圳研究生院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 深圳 518055)

渭河流域多尺度干旱時(shí)空特征分析

劉蕊娟1，王旭紅1，趙會(huì)娟2

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710127；2.北京大學(xué)深圳研究生院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 深圳 518055)

基于渭河流域23個(gè)氣象站1959—2014年的實(shí)測(cè)資料，對(duì)比分析了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)在渭河流域的適用性，得出SPEI的穩(wěn)定性更佳。繼而采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)研究該流域干旱發(fā)生頻率與干旱強(qiáng)度，分析了近55年渭河流域不同時(shí)間尺度干旱的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：尺度越大，SPEI波動(dòng)的幅度越小。渭河流域SPEI在1991年發(fā)生突變，1991年后干旱加劇，干旱的發(fā)生存在14 a和7 a左右周期變化。年尺度干旱的發(fā)生頻率呈東高西低的分布，中度以上干旱頻率最高的地區(qū)為西吉、武功和天水周邊，頻率分別為14.28%、14.28%、12.5%；季尺度上整體的秋旱相比其它季節(jié)的干旱發(fā)生頻率高，中度以上春、秋、冬三季干旱發(fā)生的頻率天水盆地均最高，頻率分別為21.4%、19.6%和8.9%，中度以上夏季干旱發(fā)生頻率最高的是平?jīng)觯漕l率為16.1%；月尺度上干旱強(qiáng)度的分布總體上是由東向西減小，其中干旱強(qiáng)度最大的是南部佛坪地區(qū)，干旱強(qiáng)度為30%，天水和海源地區(qū)近55年發(fā)生連續(xù)干旱過(guò)程的次數(shù)最多，可達(dá)22 a，該過(guò)程中連續(xù)干旱的月數(shù)大多為3～4個(gè)月，而吳旗站存在一次長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的持續(xù)干旱過(guò)程。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)；標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)；多尺度干旱；時(shí)空變化特征；渭河流域

全球氣候變化是人類迄今為止面臨的最主要的全球環(huán)境問(wèn)題，這一挑戰(zhàn)引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1]。20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球氣候變暖導(dǎo)致的干旱等極端氣候事件的頻率和強(qiáng)度都呈顯著增加趨勢(shì)[2]。全球氣象災(zāi)害造成的損失經(jīng)計(jì)算約占各類自然災(zāi)害損失的85%，其中干旱造成的損失占?xì)庀鬄?zāi)害的50%以上[3]。由此，干旱已經(jīng)成為各國(guó)政府和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

國(guó)際上通常將干旱劃分為氣象、農(nóng)業(yè)、水文和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱，四類干旱的本質(zhì)均是由于降水不足而導(dǎo)致的水分虧缺現(xiàn)象[3]。氣象干旱表現(xiàn)在月尺度上降水量的減少；農(nóng)業(yè)干旱是以季節(jié)為尺度來(lái)衡量土壤中的水分虧缺，繼而表現(xiàn)為農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收，糧食供給失衡等；水文干旱以半年為尺度，表現(xiàn)為河流水庫(kù)的水資源減少、地下水位下降等；以上三類干旱在一定程度上則會(huì)引發(fā)社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[4-5]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于干旱的研究逐步深入，從歷史記載到定量分析、從數(shù)值統(tǒng)計(jì)到遙感監(jiān)測(cè)。針對(duì)多時(shí)間尺度的干旱評(píng)價(jià)眾多學(xué)者也提出了多種干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如Palmer干旱指數(shù)(PDSI)、Z指數(shù)、作物缺水指數(shù)(CWSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水量指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等[6-10]。通過(guò)對(duì)不同指數(shù)在不同區(qū)域的應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)(SPEI)在監(jiān)測(cè)年尺度水文干旱和季尺度農(nóng)業(yè)干旱方面的能力要優(yōu)于其它干旱指標(biāo)[11-13]。目前SPEI在中國(guó)已有一些應(yīng)用，莊少偉等[12]研究了SPEI在中國(guó)區(qū)域的應(yīng)用，表明在我國(guó)年均降水量大于200 mm的區(qū)域各種尺度SPEI均適用；李偉光等[13-14]分析了近60年中國(guó)和華南地區(qū)的干旱時(shí)空特征，得出的結(jié)果與其它干旱指標(biāo)一致；任培貴、馬瓊[15-16]等運(yùn)用SPEI指標(biāo)分析了西北地區(qū)和黃土高原地區(qū)的干旱特征，得出的結(jié)論與年鑒資料一致，說(shuō)明SPEI在西北地區(qū)也具有較好的適用性。

渭河是黃河最大的支流，該流域大部分位于陜西省境內(nèi)，集中了陜西省61%的人口、56%的耕地，72%的灌溉面積、68%的糧食產(chǎn)量和80%以上的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值，在陜西乃至西部經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中都具有十分重要的戰(zhàn)略地位[17-18]。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，渭河流域水資源短缺，水質(zhì)污染和水土流失嚴(yán)重[18]。渭河流域生態(tài)環(huán)境的惡化與旱澇災(zāi)害的頻發(fā)成為眾多學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)。諸多學(xué)者依據(jù)各種干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了渭河流域的干旱演變[19-24]，但對(duì)于多尺度干旱的空間分布研究還有待深入，因此本文運(yùn)用不同尺度的SPI和SPEI對(duì)比分析其適用性，最終選取SPEI研究該流域的氣象、農(nóng)業(yè)和水文干旱演變特征，以期為該流域防旱抗旱提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

渭河流域位于中國(guó)西北部(圖1)，是黃河的第一大支流，流經(jīng)甘肅、陜西和寧夏三省。自然區(qū)劃上其北部為黃土高原，南部為秦嶺山脈，流經(jīng)隴東黃土高原、天水盆地、寶雞峽谷進(jìn)入關(guān)中平原，流域面積134 800 km2。該流域?qū)儆诖箨懶詺夂颍彩堑湫偷母珊蛋敫珊祬^(qū)，地處我國(guó)西北地區(qū)東部生態(tài)脆弱帶[17，25]，自然災(zāi)害多發(fā)，其中旱災(zāi)發(fā)生頻繁，且程度最重，危害最大，成為制約該地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)，尤其是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。

圖1 渭河流域位置與氣象站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取了了渭河流域及周邊地區(qū)共23個(gè)氣象站點(diǎn)1959—2014年逐月的降水和氣溫資料，主要來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.gov.cn/)，天水站數(shù)據(jù)來(lái)自甘肅省氣象局，西安站、寶雞站2005和2006年缺測(cè)數(shù)據(jù)均來(lái)自陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒。主要利用均值替代方法對(duì)吳旗站和洛川站個(gè)別缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)處理，經(jīng)過(guò)訂正后的各臺(tái)站氣象資料連續(xù)。本文的研究以年、季、月為尺度，季節(jié)的劃分:3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至翌年2月為冬季。

2.2 研究方法

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI) 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)認(rèn)為降水量服從Γ分布，通過(guò)Γ分布概率密度函數(shù)求累計(jì)概率，再將累積的概率標(biāo)準(zhǔn)化。計(jì)算過(guò)程中因?yàn)椴簧婕安煌赜虻目臻g參數(shù)，因此在多區(qū)域適用。具體計(jì)算步驟和劃分等級(jí)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9,26-27]，SPI的干旱等級(jí)劃分如表1所示。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)(SPEI) 標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù)(SPEI)是以月降水量、月均溫及氣象站點(diǎn)的緯度作為輸入值，采用Vicente-Serrano所述的Thornthwaite方法計(jì)算潛在蒸散發(fā)(PET)，繼而計(jì)算月降水量與潛在蒸散發(fā)量的差值，再通過(guò)差值的分布概率密度函數(shù)(log-logistic函數(shù))求累計(jì)概率，最后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布 來(lái)表征該區(qū)域不同時(shí)間尺度的旱澇狀況，其詳細(xì)步驟可參見(jiàn)文獻(xiàn)[12-16]。根據(jù)《氣象干旱等級(jí)》規(guī)范[28]，將SPEI的干旱等級(jí)劃分如表1所示。

表1 SPI和SPEI干旱等級(jí)劃分與發(fā)生累積概率

2.2.3 干旱評(píng)估方法 本文選用旱澇發(fā)生頻率和強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)評(píng)估干旱[27，29]

(1) 干旱頻率Pi：Pi可按不同程度干旱發(fā)生的年數(shù)計(jì)算相應(yīng)程序干旱頻率，計(jì)算公式為：

Pi=(n/N)×100%

(1)

式中，n為某站點(diǎn)發(fā)生干旱的年數(shù)；N為降水資料年數(shù)；i為某站點(diǎn)。

(2) 干旱強(qiáng)度：當(dāng)SPEI 1的數(shù)值連續(xù)3個(gè)月在輕度干旱以上，則發(fā)生一次連續(xù)干旱過(guò)程。干旱過(guò)程中各月的SPEI 1平均值為這次干旱過(guò)程的SPEI值，然后再根據(jù)各站點(diǎn)所有干旱過(guò)程累計(jì)概率求取平均值，則得到干旱過(guò)程的強(qiáng)度。平均值越小，干旱強(qiáng)度越強(qiáng)。本文的干旱等級(jí)和累計(jì)概率按照表1的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分[16，29-30]。

3 結(jié)果與分析

3.1 SPI和SPEI的對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)《陜西省救災(zāi)年鑒》和陜西省地情網(wǎng)對(duì)旱情的統(tǒng)計(jì)資料，驗(yàn)證SPI和SPEI在渭河流域的適用性。根據(jù)記載，陜西省渭北和渭河流域關(guān)中地區(qū)歷史上的干旱災(zāi)害頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)40年中有23次旱災(zāi)，并且將關(guān)中中部劃分為重伏旱區(qū)。1959—1962年，西安、渭南、咸陽(yáng)和安康四地旱象嚴(yán)重，整個(gè)陜西省受災(zāi)面積達(dá)145.58 hm2。1994—1995年關(guān)中24個(gè)縣(市)降水較歷年偏少5—7成。

因此本文以渭河流域關(guān)中段的西安站為代表站，根據(jù)SPI和SPEI的月和年尺度的數(shù)值來(lái)表現(xiàn)干旱等級(jí)。由圖2可知SPI和SPEI在月尺度(SPI 1/SPEI 1)與年尺度(SPI 12/SPEI 12)上變化有所不同。月尺度上，雖然SPI 1和SPEI 1的波動(dòng)都相對(duì)較強(qiáng)，但在特殊年份的典型月份，如1987年9月和1994年5月以及2002年7月SPI 1的值都小于SPEI，SPI 1所反映的干旱等級(jí)高于SPEI 1，雖然兩者都考慮了累積效應(yīng)，但是SPI 1的個(gè)別值和前后月份的值差距較大，波動(dòng)明顯，說(shuō)明其只考慮降水而忽略溫度和蒸散所得出的結(jié)果對(duì)干旱的反應(yīng)過(guò)強(qiáng)。年尺度上SPI 12和SPEI 12兩者具有很好的一致性，但是以2013年SPI 12和SPEI 12的值為例，統(tǒng)計(jì)后年平均的SPEI 12反映的干旱級(jí)別要重于SPI 12，2013年平均的SPEI 12反映的干旱等級(jí)為中度干旱，而SPI為正常等級(jí)。根據(jù)西安市氣象臺(tái)2013年3月發(fā)布的干旱黃色預(yù)警記載，西安市農(nóng)田土壤相對(duì)濕度達(dá)到中度干旱等級(jí)，4月旱情將持續(xù)發(fā)展。而圖2統(tǒng)計(jì)的結(jié)果SPEI 12在3月和4月為中度干旱等級(jí)，SPI 12在3月和4月為輕度干旱等級(jí)。因此，SPEI 1/SPEI 12對(duì)干旱的評(píng)估更加準(zhǔn)確，并且對(duì)于不同尺度的響應(yīng)也更加符合實(shí)際。

圖2 渭河流域西安站1959—2013年SPI和SPEI月尺度(SPI 1/SPEI 1)和年尺度(SPI 12/SPEI 12)比較

3.2 基于SPEI的渭河流域干旱時(shí)間特征

3.2.1 SPEI表征的不同時(shí)間尺度特征 渭河流域不同時(shí)間尺度的SPEI波動(dòng)規(guī)律明顯不同(圖3)，月尺度(SPEI 1)的波動(dòng)最強(qiáng)，隨著時(shí)間尺度的增大，季尺度(SPEI 3)和年尺度(SPEI 12)的波動(dòng)起伏減緩。SPEI 1由于每月降水和溫度的變化，能更準(zhǔn)確地反映氣象干旱和濕潤(rùn)情況；SPEI 3受到季節(jié)降水和溫度的變化，能反映土壤中的水分虧缺；SPEI 12則反映出長(zhǎng)期的水文旱情。根據(jù)年尺度(SPEI 12)每年的旱澇指數(shù)可以得出2000年的SPEI 12的值最小，呈輕度干旱等級(jí)。以2000年的各尺度SPEI 1/SPEI 3/SPEI 12值為例，通過(guò)統(tǒng)計(jì)SPEI 3可以得出春季旱情最強(qiáng)，其值為-1.329，屬于中度干旱。月尺度SPEI 1則可以看出2000年的7月份的旱情最嚴(yán)重，SPEI 1值為-1.648，這和SPEI 12各月份的值中7月份的SPEI 12值最小(-1.834)相吻合。說(shuō)明不同尺度SPEI反映不同類型的干旱。對(duì)于尺度的選擇要根據(jù)干旱類型的研究來(lái)定奪。

圖3 1959—2014年渭河流域不同時(shí)間尺度歷年SPEI值

3.2.2 年尺度干旱突變檢驗(yàn) 對(duì)渭河流域1959—2014年的SPEI 12進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，UF值在1972年之前都是大于0的，表明該SPEI序列呈上升趨勢(shì);UF值在1991年之后都是小于0的，表明該SPEI序列呈下降趨勢(shì)，尤其是1997年之后UF曲線超出了置信區(qū)間，說(shuō)明其下降趨勢(shì)顯著。在置信范圍內(nèi)UF曲線和UB曲線相交于1991年，說(shuō)明其突變始于1991年；突變前SPEI的均值為0.286，突變后SPEI的均值為-0.373，間接說(shuō)明自1991年后渭河流域的干旱加劇。

圖4 渭河流域1959—2014年平均SPEI指數(shù)的M-K突變檢驗(yàn)

3.2.3 年尺度干旱周期特征 為了進(jìn)一步研究渭河流域干旱的周期特征，本文對(duì)渭河流域1959—2014年的SPEI值進(jìn)行了小波分析，選用了水文氣象常用的Morlet連續(xù)復(fù)小波變換，如圖5(左)的小波實(shí)部等值線圖，藍(lán)色表示負(fù)值，紅色表示正值，在流域旱澇演變過(guò)程中，明顯存在著6—8 a和10—16 a的周期，在10—16 a的時(shí)間尺度上出現(xiàn)6次明顯的旱澇交替；6—8 a的尺度上有明顯的3次旱澇交替。又結(jié)合圖5(右)小波方差圖得知在7 a、11 a和14 a時(shí)間尺度上震蕩明顯，最終表明14 a、11 a和7 a分別為第一主周期和第二、三周期。根據(jù)小波實(shí)部圖可以看出2014年虛線未完全閉合，值為正，屬于濕潤(rùn)區(qū)間，說(shuō)明目前正處在相對(duì)濕潤(rùn)的時(shí)期，接下來(lái)的一個(gè)周期內(nèi)，則向負(fù)值過(guò)渡，是變干旱的趨勢(shì)。

3.3 渭河流域干旱的空間分布特征

3.3.1 年、季尺度干旱發(fā)生頻率 根據(jù)干旱頻率的計(jì)算得出在渭河流域近60年各地區(qū)干旱發(fā)生的頻率(圖6)有所不同。在渭河上游甘肅段天水和平?jīng)龅貐^(qū)干旱頻率較低，自西南向東北頻率增強(qiáng)。支流北洛河上游的吳旗和延安周邊地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高，分別為30.4%和32.1%。渭河流域中游關(guān)中段的長(zhǎng)武年干旱發(fā)生頻率較高為30.4%，銅川和西安附近干旱頻率相較于長(zhǎng)武較低，年干旱的發(fā)生頻率分別為27.3%和29.1%，關(guān)中地區(qū)周邊的華山和佛坪是整個(gè)流域年干旱發(fā)生頻率最高的地區(qū)，在近56年中佛坪和華山附近分別發(fā)生了21個(gè)和19個(gè)年頭的干旱，干旱頻率分別可達(dá)37.5%和33.9%。但是總體而言，渭河流域干流關(guān)中段比其它地區(qū)發(fā)生干旱的頻率要高，上游天水盆地附近干旱發(fā)生頻率最低。其支流北洛河和涇河區(qū)域的年干旱發(fā)生頻率要高于干流。

春旱(圖7A)主要發(fā)生在陜西關(guān)中地區(qū)的西部和中部，并且以關(guān)中地區(qū)為核心呈環(huán)狀的頻率高-低-高的局勢(shì)，其中隴東黃土高原的春旱相比陜西黃土高原的干旱發(fā)生頻率較低。春季干旱頻率最大值出現(xiàn)在寶雞附近，達(dá)33.9%，隴東黃土高原西峰和平?jīng)龈浇拇汉殿l率約為23%～26%，天水地區(qū)發(fā)生春旱的頻率最低，約為23%。夏季發(fā)生干旱的頻率(圖7B)在整個(gè)流域較春季高，并且大部分地區(qū)夏旱發(fā)生頻率顯著，尤以渭河上游岷縣附近和天水地區(qū)最高，頻率可達(dá)30%～32.1%；除此以外在關(guān)中平原北部的長(zhǎng)武、關(guān)中西部的華山和黃土高原的環(huán)縣附近頻率較高，其頻率可達(dá)30.4%；寧夏南部和甘肅華家?guī)X附近地區(qū)夏季干旱發(fā)生的頻率最低。秋旱的發(fā)生的頻率(圖7C)在渭河流域并不高，只有在渭河流域東北部延安地區(qū)頻率能達(dá)到35%；在渭河流域的西北部，甘肅華家?guī)X附近地區(qū)秋旱的頻率也相對(duì)較高，可以達(dá)到33.9%；其余大部分地區(qū)秋旱發(fā)生的頻率都分布在27%～31%，關(guān)中地區(qū)秋旱的頻率相對(duì)其它地區(qū)較低。冬旱發(fā)生的頻率(圖7D)尤以關(guān)中地區(qū)最為嚴(yán)重，武功地區(qū)的冬旱發(fā)生頻率約為25%～27%，陜西黃土高原的吳旗附近頻率最低為17.9%，其它區(qū)域冬旱發(fā)生的頻率為21%～23%。

3.3.2 中度以上干旱發(fā)生頻率 年尺度方面中度以上干旱發(fā)生頻率(圖8)較高的地區(qū)分布在渭河流域西部和南部，尤其以寧夏南部和關(guān)中地區(qū)中部的中度以上干旱發(fā)生頻率最高，其中西吉和武功周邊的年尺度中度以上干旱頻率最高可達(dá)14.28%；關(guān)中地區(qū)北部即黃土高原南部地區(qū)年尺度中度以上干旱反而較低，長(zhǎng)武和銅川周邊干旱的發(fā)生頻率低至3.5%～5.5%，整個(gè)黃土高原地區(qū)除了隴東黃土高原的西峰以外地區(qū)，年尺度的干旱發(fā)生頻率都相對(duì)較低，大多介于9%～10%，西峰地區(qū)干旱的發(fā)生頻率可達(dá)12.5%。這與總體各個(gè)等級(jí)干旱的發(fā)生頻率相較而言存在極大的差異，總的4個(gè)干旱等級(jí)上渭河流域上游的天水盆地是干旱發(fā)生頻率較低的地區(qū)(圖6)，但是就中度以上干旱的發(fā)生頻率而言，天水盆地附近卻是中度和極端干旱發(fā)生的典型區(qū)域，說(shuō)明天水地區(qū)的干旱雖發(fā)生頻率低，但是強(qiáng)度大，等級(jí)高，旱情嚴(yán)重。

春季渭河流域中度以上干旱發(fā)生頻率(圖9a)9%～14.2%，渭河流域上游天水地區(qū)春季中度以上干旱的發(fā)生頻率較高，整個(gè)時(shí)間段內(nèi)天水盆地周邊中度和極端干旱發(fā)生的頻率高達(dá)21.4%，成為全域內(nèi)春季干旱級(jí)別最高、發(fā)生頻率最強(qiáng)的地區(qū)。除此以外整個(gè)渭河流域的西峰和洛川附近屬于春季中度以上干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)。整體而言，渭河流域東南部比西部和北部春季中度以上干旱的發(fā)生頻率略微要高。這與整個(gè)干旱等級(jí)春季干旱發(fā)生頻率(圖7A)相比較也有差異，最明顯的是天水和寶雞地區(qū)，天水盆地各個(gè)等級(jí)干旱的發(fā)生頻率為23.2%，但是僅春季中度以上干旱可達(dá)21.4%，說(shuō)明天水盆地附近有嚴(yán)重的春旱；關(guān)中地區(qū)西部寶雞附近各個(gè)等級(jí)干旱的發(fā)生頻率為33.9%，但中度以上的干旱僅為14.5%，說(shuō)明關(guān)中地區(qū)西部春季雖然有干旱，但是干旱等級(jí)相對(duì)較低。

圖5 渭河流域1959—2014年平均SPEI指數(shù)小波實(shí)部圖(左)和小波方差(右)

圖6 渭河流域年尺度干旱發(fā)生頻率分布

夏季整個(gè)渭河流域中度以上干旱的發(fā)生頻率(圖9b)存在明顯的東西差異，西部隴東黃土高原的平?jīng)龊臀骷貐^(qū)中度以上干旱發(fā)生頻率可達(dá)16.1%，黃土高原中部吳旗地區(qū)和關(guān)中地區(qū)西部的寶雞中度以上干旱發(fā)生頻率為14.3%，其它地區(qū)頻率都較低。相比較總的4個(gè)等級(jí)夏季干旱發(fā)生的頻率(圖7B)，長(zhǎng)武、天水、西吉和華山存在明顯的差異，長(zhǎng)武、華山和天水周邊所有等級(jí)的干旱發(fā)生頻率較高，但是中度和極端干旱的發(fā)生頻率低，說(shuō)明發(fā)生夏旱的頻率高，但等級(jí)低。隴東黃土高原的平?jīng)龅貐^(qū)所有等級(jí)干旱的發(fā)生頻率達(dá)25%，相對(duì)其它地區(qū)較低，但是夏季中度和極端干旱發(fā)生頻率16.1%，是整個(gè)流域地區(qū)最高的，說(shuō)明該地區(qū)發(fā)生夏旱的頻率低，但是等級(jí)高，夏旱嚴(yán)重。

圖7 渭河流域季尺度干旱發(fā)生頻率分布

圖8 渭河流域年尺度中度以上干旱發(fā)生頻率分布

圖9 渭河流域年季尺度中度以上干旱發(fā)生頻率分布

圖10 干旱發(fā)生強(qiáng)度分布

秋季整個(gè)渭河流域中度以上干旱的發(fā)生頻率(圖9c)最高的區(qū)域分布于渭河流域甘肅段，其中天水地區(qū)中度以上干旱的發(fā)生頻率最高，可達(dá)19.6%；流域內(nèi)其它地區(qū)中度以上干旱的發(fā)生頻率為11%～16%，無(wú)明顯的差異，相較于各個(gè)干旱等級(jí)發(fā)生頻率(圖7C)，天水盆地附近是屬于干旱發(fā)生等級(jí)高但頻率較低的區(qū)域，陜西境內(nèi)黃土高原東部延安地區(qū)雖然不同等級(jí)干旱的發(fā)生頻率相對(duì)較高，但是中度以上干旱的發(fā)生頻率低，說(shuō)明該區(qū)域?qū)儆诟珊蛋l(fā)生等級(jí)低、頻率高的地域。

冬季整個(gè)渭河流域中度以上干旱發(fā)生頻率(圖9d)比其它季節(jié)都要低，整個(gè)區(qū)域內(nèi)天水、華山和吳旗地區(qū)屬于中度以上干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)，其它地區(qū)中度以上干旱發(fā)生的頻率都介于3.7%～7.8%。相比較所有干旱等級(jí)其冬季干旱的發(fā)生頻率(圖7D)，關(guān)中地區(qū)中西部屬于干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)，但是該地區(qū)中度和極端干旱的發(fā)生頻率卻很低，說(shuō)明冬季該地區(qū)雖然容易發(fā)生干旱，但其干旱程度都相對(duì)較低。

3.3.3 基于月尺度的干旱發(fā)生強(qiáng)度 基于各站點(diǎn)SPEI 1數(shù)據(jù)和干旱強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)方法繪制出渭河流域干旱發(fā)生強(qiáng)度分布圖(見(jiàn)105頁(yè)圖10)，最終統(tǒng)計(jì)得出在渭河流域干旱強(qiáng)度最大的是南部佛坪地區(qū)，干旱強(qiáng)度達(dá)30%。其次干旱強(qiáng)度有明顯的東西差異，東部支流北洛河流域附近延安、吳旗等地干旱強(qiáng)度可達(dá)22%～23%，其它地區(qū)強(qiáng)度低于20%。天水和海源在近55年中發(fā)生連續(xù)干旱過(guò)程的次數(shù)最高，可達(dá)22 a。但是這兩個(gè)區(qū)域干旱過(guò)程連續(xù)的月數(shù)都是主要集中在連續(xù)3個(gè)月或者4個(gè)月，并無(wú)長(zhǎng)期的連續(xù)，反之吳旗附近存在長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的一次連續(xù)干旱過(guò)程。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)不同尺度SPI和SPEI指數(shù)對(duì)渭河流域近56 a的干旱時(shí)空分布特征的分析，得出以下結(jié)論：

(1) SPEI相比SPI對(duì)渭河流域干旱的評(píng)估更加貼合實(shí)際。根據(jù)SPEI計(jì)算，發(fā)現(xiàn)尺度越大波動(dòng)幅度越小，不同尺度的SPEI可以反映不同類型的干旱；渭河流域年平均SPEI在1991年發(fā)生突變，1991年后干旱加劇；SPEI存在14 a左右的第一主周期變化，14 a周期內(nèi)還包括11 a和7 a左右的小周期，目前正處于相對(duì)濕潤(rùn)的時(shí)期，接下來(lái)的一個(gè)周期有變干旱的趨勢(shì)。

(2) 渭河流域年尺度干旱的發(fā)生頻率呈東高西低的分布，其中天水盆地附近干旱發(fā)生頻率較低，為21.8%，渭河流域其支流北洛河和涇河附近干旱發(fā)生的頻率較高，約為30.4%；發(fā)生中度以上干旱頻率較高的地區(qū)為西吉、武功和天水周邊，分別為14.28%、14.28%和12.5%，但是天水總的各個(gè)干旱等級(jí)的發(fā)生頻率卻相比其它地區(qū)低，說(shuō)明天水干旱的發(fā)生雖然頻率低，但強(qiáng)度大，等級(jí)高，旱情嚴(yán)重。

(3) 渭河流域季尺度秋季干旱發(fā)生頻率相比其它三個(gè)季節(jié)要高，為25.5%～37.5%，主要分布于陜西關(guān)中地區(qū)西部和中部；夏旱的高發(fā)區(qū)為岷縣和天水周邊，頻率分別為32.1%和30.4%；秋旱發(fā)生頻率較高區(qū)為北洛河延安周邊，頻率為37.5%；冬旱在關(guān)中平原頻率最高，頻率為27.3%～28.6%。就發(fā)生中度以上季節(jié)干旱而言，春季天水盆地周邊是發(fā)生中度以上春旱最嚴(yán)重的地區(qū)，頻率為21.4%；夏季隴東黃土高原的平?jīng)鲋卸纫陨细珊祰?yán)重，頻率為16.1%；秋季天水盆地干旱發(fā)生等級(jí)高、頻率低，中度以上干旱發(fā)生頻率為19.6%，延安周邊干旱發(fā)生的頻率高但等級(jí)低，中度以上干旱發(fā)生頻率14.3%；冬季天水周邊發(fā)生中度以上干旱頻率較高，相反關(guān)中地區(qū)中西部干旱等級(jí)低。

(4) 渭河流域干旱強(qiáng)度的分布總體上是由東向西減小，其中干旱強(qiáng)度最大的是南部佛坪地區(qū)，干旱強(qiáng)度可達(dá)30%；天水和海源地區(qū)發(fā)生連續(xù)干旱過(guò)程的次數(shù)最多，可達(dá)22次，但連續(xù)月數(shù)最長(zhǎng)的是吳旗地區(qū)，統(tǒng)計(jì)期內(nèi)存在長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的一次連續(xù)干旱過(guò)程。

本文在研究干旱發(fā)生頻率、周期、突變情況和中度以上干旱發(fā)生頻率主要是基于年尺度(SPEI 12)而言，干旱強(qiáng)度和持續(xù)干旱月數(shù)是基于月尺度(SPEI 1)，季節(jié)干旱發(fā)生頻率是基于季尺度(SPEI 3)，最終得出的結(jié)論和前人的研究結(jié)果基本一致[20-24]。本文采用的SPEI雖然考慮了降水、溫度和蒸散發(fā)，但大氣環(huán)流和下墊面特征，如風(fēng)速、地形等并未完全考慮，因此對(duì)于其成因和演變機(jī)制有待進(jìn)一步的研究。

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Analysisofspatial-temporalcharacteristicsofdroughtbymultiplescalesinWeiheRiverBasin

Liu Ruijuan1, Wang Xuhong1, Zhao Huijuan2

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentScience,NorthwestUniversity,Xi'an,Shaanxi710127,China; 2.KeyLaboratoryforEnvironmentalandUrbanSciences,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen,Guangdong518055,China)

Based on the measured data of 23 climate stations during 1959—2014 in Weihe River Basin, compared and analyzed the applicability of the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) in Weihe River Basin, obtained that stability of SPEI was more better. Afterwards using the SPEI, has researched the drought frequency and intensity, analyzed the spatial and temporal change characteristics of drought in recent 55 years by different time scale in Weihe River Basin. The results showed that: the more time scale, the smaller fluctuation of SPEI. The SPEI was mutated in 1991, hereafter the drought was become severe, and exsisted about 14 years and 7 years changing cycle in Weihe River Basin. The frequency of yearly scale drought was presented the distribution of high in east and low in west, the maximal drought frequency places above moderate drought were around Xiji, Wugong and Tianshui, the frequencies were 14.28%, 14.28% and 14.28% respectively. From the seasonal scale, the autumn drought frequency was higher than other seasons, the highest frequency of above moderate drought in spring, autumn and winter seasons was in Tianshui Basin, the frequency was 21.4%, 19.6% and 8.9% respectively. The highest frequency of above moderate drought in summer season was in Pingliang, its frequency was 16.1%. As a whole the distribution of monthly scale drought intensity was decreased from east to west, among them the biggest drought intensity was at the south Foping region, the drought intensity was 30%. In recent 55 years, the Tianshui and Haiyuan Regions were occured the maximal numbers of continuous drought process, can be reached 22 years. The month numbers as continuous drought process were mostly for 3 to 4 months, but there were one time of 9 months long continuous drought process in Wuqi station.Through the research for all kinds of drought characteristics by multiple time scales in this river basin, in order to provide guidance for drought control and resistance.

standardized precipitation index (SPI); standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI); multiple scale drought; spatial-temporal change characteristics; Weihe River Basin

1000-7601(2017)03-0099-08doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.16

2016-05-13

：2017-04-18

：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2015JM4132)

S423

： A