基于SPEI指數的長江中下游流域干旱時空特征分析

曹 博,張 勃,馬 彬,唐 敏,王國強,吳乾慧,賈艷青

西北師范大學地理與環境科學學院, 蘭州 730070

干旱是中國主要的氣象災害之一,近年來,在全球變暖的背景下[1],全國遭受干旱的地區在擴大,干旱造成的損失大幅增加[2- 3],且未來幾十年旱情可能呈加重趨勢[4- 5]。長江中下游流域人口密集、經濟發達,是我國重要的糧、油、棉生產基地,該區雖水資源豐富,但年內降水時間分布不均且年際變化較大,區域內季節性干旱時有發生,造成的影響不容忽視[6- 8],如2011年春旱給該區農業、人畜飲水、江河及湖泊水位、漁業生產、水運等帶來了嚴重影響[9]。而且相關研究表明,“驟發性干旱”在我國南方地區發生頻率更高[4],南方干旱會對生態系統[8,10- 11]產生嚴重的影響。

干旱指數是研究干旱的重要手段,黃晚華等利用標準化降水指數(SPI)[12]和降水距平百分率[13]對中國南方季節性干旱進行了分析,王文等[6]用Palmer指數(PDSI)對長江中下游地區干旱特征進行了研究。SPEI綜合考慮了氣溫和降水對干旱的影響,彌補了降水距平百分率和SPI未考慮氣溫對干旱影響的缺點,同時與PDSI相比,具有計算簡單、多時間尺度、多空間比較等優點[14- 16],在我國濕潤地區有很好的適用性[17-18]。馬彬等[19]基于SPEI對中國東部季風區的研究表明,氣候出現暖干化,局部地區干旱出現極端化。李亮[20]基于綜合氣象干旱指數和SPEI對長江中下游地區季節性干旱特征進行了分析,但僅僅是基于代表站點。張余慶等[15]基于SPEI分析了贛江流域旱澇演變的周期性特征。趙林等[21]用SPEI分析了湖北省年尺度干旱站次比、強度和頻率。以上研究多在大區域或省域尺度開展,流域尺度干旱變化特征的研究對于流域水資源管理和生態平衡具有重要意義[22],但是基于SPEI對長江中下游流域不同時間尺度干旱站次比、強度、頻率的綜合分析相對較少?？紤]到干旱對長江中下游流域自然生態環境及社會經濟影響的嚴重性,本文利用SPEI指數,結合干旱站次比、強度及頻率,分析長江中下游流域1961—2015年年尺度和各季節干旱時空變化特征,并對干旱和流域氣溫、降水變化及ENSO的關系進行了研究,可以進一步豐富人們對該區域干旱發生規律的認識,以期為流域水資源規劃和防災減災提供科學依據。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區概況

長江是中國最長的河流,上游和中游的分界點為湖北宜昌,中游和下游的分界點為江西湖口。長江中下游流域由中游干流區(主要分布于湖北省)、漢江流域(主要分布于陜西省、河南省及湖北省)、洞庭湖流域(主要分布于貴州省、湖南省和湖北省)、鄱陽湖流域(主要分布于江西省)、長江下游干流區(主要分布于安徽省和江蘇省)及太湖流域(主要分布于江蘇省、上海市及浙江省)組成[23](圖1)。長江中下游流域多為海拔較低的丘陵和平原,以亞熱帶季風氣候為主,東亞季風活動明顯[7]。

圖1 長江中下游流域氣象站點分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Middle and Lower Yangtze Basin

1.2 數據來源

氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn),選用長江中下游流域1961—2015年資料序列較長的129個氣象站點的逐日降水和氣溫數據,經過進一步計算得到月降水量和月平均氣溫。該數據經過了嚴格的質量控制,其中有6個站點存在數據缺測,缺測時間主要為1967和1968年的部分月份,用相鄰站點線性回歸方法對缺測數據進行插補,插補后的數據經過極值檢驗和時間一致性檢驗。湖北省的五峰站遷站海拔差異較大,故未使用該站數據,氣象站點分布情況如圖1所示。多變量ENSO指數(MEI)數據來源于http://www.esrl.noaa.gov/。Nio3.4區海洋表面溫度距平(SSTA)和南方濤動指數(SOI)數據來源于http://www.cdc.noaa.gov/。

1.3 研究方法

1.3.1 標準化降水蒸散指數

標準化降水蒸散指數(SPEI)是Vicente-Serrano等在標準化降水指數(SPI)的基礎上,考慮水分虧缺和累積效應兩個因素,用降水量和潛在蒸散量的差值偏離平均狀態的程度來表征干旱,其中潛在蒸散量的算法主要為Thornthwaite法和Penman-Monteith法,因為基于兩種算法的SPEI值在長江中下游流域差異較小[24],且Thornthwaite法具有計算簡便的優點,本文采用該方法計算潛在蒸散量,SPEI具體計算方法參照文獻[25]。參考相關研究[26],根據累積概率分布函數將SPEI值分為9個旱澇等級：極澇(SPEI≥2.0)、重澇(1.5≤SPEI<2.0)、中澇(1.0≤SPEI<1.5)、輕澇(0.5≤SPEI<1.0)、正常(-0.5

1.3.2干旱站次比(drought stations proportion,Pj)

用某一區域內干旱發生站數占全部站數的比例來評價干旱影響范圍的大小[12]。

Pj=m/M×100%

式中,M是研究區總氣象站數；m為發生干旱的站數；下標j為不同年份的代號。

1.3.3干旱強度(drought severity,Sij)

用于評價某時段區域干旱嚴重程度。

式中,j表示年份,i表示不同站號,m為發生干旱的站數,|SPEIi|表示j年i站發生干旱時SPEI的絕對值。

1.3.4干旱頻率(drought frequency,Fi)

用于評價某站在某時段干旱發生的頻繁程度[12]。

Fi=(n/N)×100%

式中,下標i為不同站號,N為某站有氣象資料的總年數；n為該站發生干旱的年數。

由于長江中下游流域水資源較為豐富,輕旱造成的影響相對較小,本文中的干旱站次比、強度和頻率均按中旱(含中旱及以上)等級統計。采用線性傾向估計法分析SPEI及干旱站次比與強度的年際變化趨勢[27]，顯著性檢驗為F檢驗。采用反距離加權插值法對SPEI變化趨勢和干旱頻率進行空間化處理。用偏相關分析法研究SPEI和氣溫、降水的關系[28],用相關分析對干旱和ENSO各表征因子的關系進行研究[28]。

2 結果分析

2.1 干旱時間變化特征

2.1.1 SPEI變化趨勢

由表1可知,1961—2015年長江中下游流域年尺度SPEI呈下降趨勢,傾向率為-0.020/10a。春季和秋季SPEI也均呈下降趨勢,即干旱化趨勢,傾向率分別為-0.121/10a和-0.093/10a,春季干旱化趨勢顯著(P<0.05)。夏季和冬季SPEI呈上升趨勢,即濕潤化趨勢,傾向率分別為0.077/10a和0.049/10a。

表1 1961—2015年長江中下游流域SPEI年際變化趨勢

*表示通過0.05水平的置信度檢驗

2.1.2 干旱站次比和干旱強度

為了進一步說明干旱變化趨勢,本文對1961—2015年長江中下游流域干旱站次比和強度進行了分析。年尺度干旱站次比和強度均呈增加趨勢,傾向率分別為1.065%/10a和2.15/10a,表明年尺度干旱呈加重趨勢。年干旱站次比在50%以上的年份有1966、1978和2011,1978年最高,達68.22%。年干旱強度最大的年份為1978年,達150.64,其次為2011(118.77)和1966(100.74)(圖2)。

春旱站次比為極顯著(P<0.01)的增加趨勢,傾向率為3.969%/10a,春旱強度為顯著(P<0.05)的增加趨勢,傾向率為8.785/10a。春旱站次比在50%以上的年份有2000、2001、2007和2011年,2011年最高,達87.60%。春旱強度最大的年份為2011年,達235.61,其次為2007(125.04)和2001(105.29)(圖2)。

圖2 1961—2015年長江中下游流域干旱站次比及干旱強度Fig.2 Stations proportion and severity of drought from 1961 to 2015 in the Middle and Lower Yangtze Basin

夏旱站次比和強度均呈現減小趨勢,傾向率分別為-2.145%/10a和-4.479/10a,表明夏旱呈減弱趨勢。夏旱站次比在50%以上的年份為1978年,達61.24%。夏旱強度最大的年份為1978年,達137.12,其次為1972(104.21)和2013(90.57)(圖2)。

秋旱站次比和強度均呈增加趨勢,傾向率分別為2.934%/10a和6.004/10,表明秋旱呈加重趨勢。秋旱站次比在50%以上的年份有1979、1998和2007,1998和2007年均達到63.57%。秋旱強度最大的年份為1998年,達149.64,其次為2007(121.76)和1979(104.37)(圖2)。

冬旱站次比和強度均呈下降趨勢,傾向率分別為-1.365%/10a和-1.939/10a,表明冬旱呈減輕趨勢。冬旱站次比在50%以上的年份有1962、1967和1998,1998年最大,達91.47%。冬旱強度最大的年份為1998年,達230.54,其次為1962(158.71)和1967(111.47)。年和各季節干旱站次比和強度的變化趨勢與干濕變化趨勢相對應,由干旱站次比與強度確定的重旱年與相關文獻的記錄相吻合[3,7,20](圖2)。

2.2 干旱空間變化特征

2.2.1 SPEI變化趨勢

圖3是1961—2015年長江中下游流域年尺度及各季節SPEI變化趨勢的空間分布圖。1961—2015年,長江中下游流域年尺度SPEI呈上升、不變和下降趨勢的站點分別占總站點數的44.96%、1.55%和53.49%。區域西部的洞庭湖流域、中游干流區及漢江流域SPEI主要為下降趨勢,傾向率集中在-0.1/10a—0之間；東部的鄱陽湖流域、下游干流區及太湖流域SPEI主要為上升趨勢,傾向率集中在0—0.1/10a之間。

圖3 1961—2015年長江中下游流域SPEI變化趨勢空間分布Fig.3 Spatial variation of SPEI from 1961—2015 in the Middle and Lower Yangtze Basin

96.90%的站點春季SPEI呈下降趨勢,表明春季長江中下游流域整體以干旱化趨勢為主,SPEI下降幅度空間差異明顯,在鄱陽湖流域東南部較小,向外圍逐漸增加。26.36%的站點春季SPEI呈顯著(P<0.05)下降趨勢,主要位于太湖流域、下游干流區東部、洞庭湖流域中西部及漢江流域,SPEI變化傾向率多小于-0.15/10a。

82.95%的站點夏季SPEI呈上升趨勢,表明夏季以濕潤化趨勢為主。SPEI上升幅度空間差異明顯,上升幅度最高的區域在太湖流域,在0.15/10a以上,其次為下游干流區、鄱陽湖流域東部及漢江流域中部,在0.1/10a—0.15/10a之間。10.08%的站點夏季SPEI顯著(P<0.05)上升,在太湖流域分布集中。

92.25%的站點秋季SPEI呈下降趨勢,表明秋季以干旱化趨勢為主。SPEI下降幅度在鄱陽湖流域中部和北部及洞庭湖流域北部較低,向南北兩側逐漸升高,在漢江流域東部、下游干流區東部及太湖流域下降幅度較大,低于-0.15/10a。13.95%的站點秋季SPEI呈顯著(P<0.05)下降趨勢,主要分布于太湖流域、下游干流區東部及漢江流域東部。

分別有72.87%和27.13%的站點冬季SPEI呈上升和下降趨勢,表明以濕潤化趨勢為主。呈下降趨勢的站點集中分布于洞庭湖流域中西部及漢江流域,其他區域以上升趨勢為主。11.63%的站點SPEI上升趨勢顯著,主要分布于太湖流域和下游干流區,上升幅度多大于0.15/10a。值得注意的是,太湖流域大部分站點在春季和秋季呈顯著(P<0.05)的干旱化趨勢,而在夏季和冬季呈顯著(P<0.05)的濕潤化趨勢。洞庭湖流域中西部和漢江流域在春、秋、冬和年尺度均以干旱化趨勢為主。

2.2.2 干旱頻率變化特征

1961—2015年和各時間段干旱頻率如圖4所示[2,21]。

圖4 1961—2015年長江中下游流域干旱頻率空間變化Fig.4 Spatial variation of drought frequency from 1961 to 2015 in the Middle and Lower Yangtze Basin

1961—2015年,長江中下游流域年尺度、春、夏、秋、冬干旱頻率分別為17.56%、16.27%、17.24%、17.56%和16.53%,年尺度干旱和秋旱頻率較高,其次為夏旱。年尺度干旱頻率在18%以上的區域主要在漢江流域、洞庭湖流域西部和東部、鄱陽湖流域西部和東部、中游干流區中部。春旱頻率在18%以上的區域主要為漢江流域中部和洞庭湖流域西部。夏旱頻率在18%以上的區域主要分布在漢江流域、中游干流區、洞庭湖流域南部和鄱陽湖流域南部。秋旱頻率在18%以上的區域主要為洞庭湖流域西北和東部、鄱陽湖流域中北部和下游干流區。冬旱發生頻率在18%以上的區域主要為漢江流域東部、中游干流區東部、鄱陽湖流域西北部、下游干流區及太湖流域南部。

不同年代干旱頻率差異顯著。年尺度干旱頻率年代際變化為減-減-增-增,在21世紀初達到最高,區域平均干旱頻率為24.40%。春旱頻率年代際變化為減-增-增-增,在21世紀初達到最高,區域平均干旱頻率為27.05%。夏旱頻率在1960s最高,年代際變化為減-減-減-增,在1990s達到最低,21世紀初有所增加。秋旱頻率年代際變化為增-減-增-減,在1990s達到最高,為27.11%,在21世紀初下降為24.22%。冬旱頻率在1960s最高,年代際變化為減-增-增-減。年尺度、春季和夏季干旱頻率從1990s到21世紀初均表現為增加趨勢,秋旱頻率雖未增加,但仍高于1960s、1970s和1980s。

2.3 干旱變化影響因素分析

2.3.1 SPEI和氣溫、降水的關系

由于各季節SPEI變化趨勢具有較好的空間一致性,從區域角度對各季節SPEI變化和氣溫、降水的關系進行分析。由表2可知,1961—2015年長江中下游流域各季節氣溫均呈增加趨勢,除了夏季,均通過了0.01的置信度檢驗,春季氣溫上升最快,為0.27℃/10a。夏季和冬季降水量均呈增加趨勢,傾向率分別為16.26 mm/10a和5.40 mm/10a,夏季降水增加顯著(P<0.05)；春季和秋季降水量呈減少趨勢,傾向率分別為-7.62mm/10a、-5.08mm/10a。整體上SPEI和氣溫呈極顯著(P<0.01)的負相關,和降水呈極顯著(P<0.01)的正相關。春季和秋季降水量的減少和氣溫的上升共同導致春、秋季呈干旱化趨勢；夏季氣溫變化不明顯、但降水量顯著增加,使夏季呈濕潤化趨勢；冬季氣溫和降水均呈增加趨勢,但冬季氣溫對SPEI的影響較小,相關性僅為-0.60,所以冬季呈濕潤化趨勢。

表2 1961—2015年長江中下游流域氣溫、降水變化及其與SPEI的偏相關性

*,**分別表示通過0.05和0.01水平的置信度檢驗

2.3.2 干旱和ENSO的關系

厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)與中國各地的干旱有密切的聯系[29],其特征值常用赤道太平洋中東部海洋表面溫度距平值(SSTA)、南方濤動指數(SOI)和多變量ENSO指數(MEI)表示。當發生厄爾尼諾事件(ENSO暖事件)時,SSTA和MEI為正值,SOI為負值；發生拉尼娜事件(ENSO冷事件)時,SSTA和MEI為負值,SOI為正值[30]。

對干旱和ENSO各特征值的相關性進行統計(表3),表明冬季ENSO對次年春旱影響顯著,相對于MEI和SSTA,冬季SOI和次年春季SPEI、干旱站次比及強度相關性更高,相關性極顯著(P<0.01)。冬季SOI和次年春季SPEI呈負相關,與干旱站次比和強度呈正相關,表明冬季SOI值越大,越易發生干旱,即拉尼娜事件在冬季發生時,次年春季更易發生干旱。1961—2015年,共有14年冬季發生拉尼娜事件[31],次年春季平均干旱頻率、強度和站次比分別為24.35%、51.54和24.36%；而冬季未發生拉尼娜事件時,次年春季平均干旱頻率、強度和站次比分別為13.37%、24.50和13.50%,由此進一步說明拉尼娜事件在冬季發生時對次年春旱的影響。春季MEI及SSTA與同年夏季SPEI相關性顯著(P<0.05),但是和干旱站次比及強度并不存在顯著的關系。

3 結論與討論

3.1 主要結論

(1)區域尺度上,1961—2015年,長江中下游流域年尺度、春季和秋季均呈干旱化趨勢,春季干旱化趨勢顯著；夏季和冬季均呈濕潤化趨勢。年尺度、春季和秋季干旱站次比及強度均呈增加趨勢,春旱站次比與強度增加趨勢顯著；夏季和冬季干旱站次比和強度均呈下降趨勢。

(2)空間變化上,對于年尺度,漢江流域、中游干流區及洞庭湖流域以干旱化趨勢為主；鄱陽湖流域、下游干流區和太湖流域以濕潤化趨勢為主。對于季節尺度,春季和秋季分別有96.90%和92.25%的站點呈干旱化趨勢；夏季和冬季分別有82.95%和72.87%的站點呈濕潤化趨勢。

表3 干旱和ENSO的關系

*,**分別表示通過0.05和0.01水平的置信度檢驗。對于年尺度,前期指上一年；對于季節尺度,前期指上一個季節。SPEI:標準化降水蒸散指數,Standardized Precipitation Evapotranspiration Index; MEI:多變量ENSO指數,Multivariate ENSO Index; SOI:南方濤動指數,Southern Oscillation Index；SSTA：海洋表面溫度距平,Sea Surface Temperature Anomaly

(3)干旱頻率時空分布差異顯著,年尺度和春季干旱頻率在21世紀初均達到最高；年尺度、春季和夏季干旱頻率從20世紀90年代到21世紀初均呈增加趨勢。

(4)春、秋季干旱化趨勢與降水量的減少及氣溫的上升相關,夏、冬季降水量的增加使得夏、冬季呈濕潤化趨勢。相對于MEI和SSTA,冬季SOI和次年春旱相關性更強,相關性極顯著,冬季發生拉尼娜事件時,次年春季更易發生干旱。

3.2 討論

本文綜合分析SPEI、干旱站次比和強度的變化特征,表明長江中下游流域年尺度、春季和秋季干旱加重；夏季和冬季干旱減弱。黃晚華等[12]基于SPI對中國南方干旱的研究以及王文舉等[32]基于SPEI對湖北省的研究同樣發現,春旱和秋旱加重,夏旱和冬旱減輕。不同學者分別對中國[2]和中國東部季風區[19]的研究發現,近20年干旱事件增加；有學者[21,32]對湖北省的研究表明,2000年以后干旱加重；本研究發現,相對于之前的年代,長江中下游流域年尺度和春季干旱頻率在21世紀初均達到最高,在干旱頻率較高和干旱化趨勢顯著的區域應注重旱災的防御。本文分析的氣象干旱是其他類型干旱研究及干旱風險評估和區劃的基礎,干旱變化趨勢對于農業、生態、社會經濟等的影響仍值得探討[8,33-35]。

氣溫在干旱變化中起著重要的作用[2,16],Chen 等[5]發現,近20年中國干旱事件持續而顯著的增加主要和氣溫大幅升高、降水卻沒有較大變化有關。本研究表明,長江中下游流域春、秋季干旱化趨勢受氣溫上升和降水減少共同影響。當冬季發生拉尼娜事件時,次年春季更易發生干旱,這是由于拉尼娜事件會使西太平洋副熱帶高壓勢力減弱,暖濕氣流無法深入長江中下游流域,從而造成干旱[9,36]。本文僅從氣溫、降水及ENSO的角度對干旱變化的影響因素進行了分析,機理方面有待進一步研究。