黃河源區歷史時期干濕變化特征分析

谷鑫鑫 司劍華 盧素錦 桂子菊 謝得娟 趙梓祺 李樹森 李紅梅 尤其明

摘要：依據黃河源區9個氣象站點1961—2017年降水資料，以標準化降水指數（SPI）作為干旱指標，計算多時間尺度下的SPI指數，對黃河源區歷史時期的時空干濕變化特征進行分析。結果表明：21世紀初之前黃河源區干濕交替，變化幅度較大，21世紀后濕潤強度有增加的趨勢且在1961—2017年近57年里總體上是向澇（濕潤化）的趨勢發展;季尺度下黃河源區出現洪澇災害的概率比旱災的大，其中夏季出現中澇的概率較大，約達50%，而秋季則較容易出現輕旱和輕澇，概率均高達45%以上;黃河源區南部地區發生重旱及以上旱災的頻率較低，發生重澇及以上強度濕潤化的頻率較大;東北部地區較易發生重旱、中旱、輕澇、重澇;西部地區發生特旱特澇的頻率相對較高。研究黃河源區歷史時期干濕變化特征分析，為黃河源區防汛抗旱提供科學依據。

關鍵詞：黃河源區;干濕;標準化降水指數;多尺度

中圖分類號： S161.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0307-06

隨著全球氣候變暖，各地受到不同程度不同種類的干旱和洪澇災害，位于青藏高原腹地的三江源區也不例外。三江源區被稱為“中華水塔”，位于青藏高原腹地（89°24′～102°23′E，31°39′～36°16′N），是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發源地，總面積達36.3萬km2，海拔3 335～6 565 m[1]。三江源區具有生態儲水、供水、氣候調節等非常重要的生態功能，在我國乃至亞洲的水環境安全方面發揮著至關重要的作用[2]。但受全球氣候變化的影響，三江源區的氣象、水文環境都發生了明顯的變化[3]。近年來，三江源區降水量和降水天數呈減少趨勢，蒸發量增加，干旱化趨勢明顯，對植被生長起重要作用的夏季降水量呈明顯減少的趨勢。

干旱是一種對環境危害很大的自然災害，不同地區有著不同的地理狀況和氣候特點，對干旱的定義也不同，要定量化地研究干旱，離不開干旱指數。選擇適當的指標來預測、評估旱情的發生、發展和變化情況，就可以為水資源持續合理利用提供科學依據[4]。

目前，國內外常用且評價效果較為理想的干旱指數有降水距平百分率、帕默爾干旱指數（PDSI）[5]、地表水分供應指數（SWSI）[6]、標準化降水指數（SPI）[7-8]、Z-Score指數和標準化降水蒸散指數（SPEI）[9]。其中，McKee等提出的標準化降水指數（SPI）[7]不僅在計算過程中消除了降水的時空分布差異，在各區域和各時段都能有效地反映旱澇狀況，而且對干旱情況反應靈敏，滿足不同水資源狀況分析的要求，具有計算簡單、指標不涉及具體的干旱機理、適應性較強等優點，應用廣泛[7]。研究者用SPI指數方法針對青藏高原地區也做了不少研究。史律梅等利用甘南州及周邊地區33個氣象臺站1965—2013年的降水和溫度數據，比較分析了降水距平指數（Pa）、標準化降水指數（SPI）和標準化降水蒸散指數（SPEI）對高寒草地干旱響應的有效性[10-11];李紅梅等利用青海東部農業區5個地區1961—2005年降水資料和實際干旱受災面積資料，分析了降水距平百分率（Pa）、SPI指數、Z指數、K指數4個干旱指標在這些地區的適用性，結果顯示這些指數在氣象干旱預測預報及評估中具有實際應用價值[12]。

三江源區、黃河源區的研究主要集中在氣溫、降水等方面，而對于黃河源區干濕變化特征的研究寥寥無幾，因此無法對發生的干旱、洪澇災害提供正確的應對措施。本研究以黃河源區9個地面氣象站為研究對象，通過各站點歷年（1961—2017年）的降水量資料，使用SPI可執行程序計算SPI值，對所計算的SPI值用Excel和ArcGIS處理，并分析得到黃河源區歷史時期干濕變化的時空特征。為黃河源區未來的防汛抗旱提供科學依據。

1 研究區概況

黃河干流唐乃亥水文站至河源之間（95°53′～103°24′E，32°09′～36°07′N）的區域統稱為黃河源區，面積約為 12.19萬km2。位于青海、甘肅及四川3省的交界地帶，共覆蓋若爾蓋、久治、瑪多等16個縣。氣候類型為高寒半干旱-半濕潤氣候，主要特征為晝夜溫度變化大且日照時間長，太陽輻射強烈。源區內高寒植被分布廣泛，主要植被類型是高寒草原和高寒草甸。受西南季風的影響和秋季降雨量多，致年均降水量在320～750.5 mm之間。但該區域連年發生干旱、雪災等自然災害極大地影響了黃河源區的生態系統服務功能以及農牧業發展[13-14]。

2 數據來源與研究方法

2.1 站點的選取

2.1.1 研究站點 選擇青海省境內的黃河源區域的9個站點作為研究對象，詳細信息見表1。

2.2 數據來源

2.2.1 1961—2013年氣象數據降水量的收集 本研究中9個站點的1961—2013年降水量的數據是從青海省氣候中心收集的。

2.2.2 2014—2017年氣象數據降水量的測定 研究中2014—2017年的氣象數據降水量由實地測量獲得，全年 365 d 人工定時觀測降水量，每天進行2次（08：00、20：00）定時觀測。降水量測量按照《地面氣象觀測規范》[15]進行，采用15184稱重式雨量計進行測量，15184稱重式雨量計能精準測量降雨量和降雪量，將雨量計固定在避風且與地面平齊的地方，采用固定圍欄高度與雨量計受水口高度相同，中央安置雨量計的方法來避免風對降水的影響，記錄保留1位小數。

2.3 研究方法

利用黃河源區9個站點的1961—2017年近57年的降水量，計算SPI。由SPI的旱澇等級標準劃分旱澇的等級，分析黃河源區的時空干濕變化特征。

2.3.1 SPI原理 把以“月”為單位的降水序列用滑動求和得到所給時間尺度的降水累計序列，將Γ分布（伽馬分布）表示的降水分布標準化得到標準化降水累計頻率分布，由它的累計概率查得相對應服從標準正態分布的變量值，即SPI值。

本研究中發現，黃河源區21世紀后濕潤化程度有增加的趨勢，且在1961—2017年近57年里總體上呈現出向濕潤化發展的趨勢。本研究結果與魏永亮等的研究結果[22-23]一致，但與趙志平等的研究結果[24]不一致，所以，蒸發散對干濕變

化特征是否影響較大還需要進一步研究。

本研究中，季尺度下的黃河源區發生輕澇的頻次比較大，發生旱災的頻次較低，與陳海莉等的研究結果[25]一致。春季易旱、夏秋季易澇與汪青春等的研究結果[26]一致，但春季發生旱的頻率與汪青春等的研究結果顯示有偏差。可能因為研究區域及年限的不同，導致了結果有所差異。近些年關于黃河源區季節性的干濕變化特征并未見到相關報道，本研究可為未來黃河源區季節性旱澇預警與防治提供依據。

研究過程中還發現，SPI指數雖然可以很好地表示黃河源區干濕變化及時空特征，但是還不夠全面，不能準確地解釋黃河源區干濕狀況變化發生的機制，關于黃河源區的干濕變化發生機制將有待于進一步研究。

本研究通過對黃河源區9個地面氣象站點1961—2017年近57年降水量數據的處理，分析了黃河源區歷史時期干濕變化特征，得出了以下結論：

（1）隨著研究SPI指數的時間尺度增加，SPI值受短期降水的影響減小，干濕變化相對穩定，持續時間增長，周期性更加明顯。在21世紀初，黃河源區的不同尺度SPI指數的波動幅度都較大，表明黃河源區近些年早期屬于干濕交替;21世紀后，干濕變化相對穩定，主要以洪澇災害為主。（2）黃河源區1961—2017年近57年在季尺度下的干濕變化特征是源區出現洪澇災害的概率比旱災的大，其中春季易發生輕旱，夏季易發生中澇，秋季易發生輕澇。（3）黃河源區的南部地區發生重旱及以上旱災的頻率較低，發生重澇及更高強度洪澇災害的頻率較大;東北部地區較容易發生重旱、中旱、輕澇、重澇;西部地區發生特旱、特澇的頻率相對較高。（4）黃河源區的干旱、洪澇災害以輕旱和輕澇為主，總體趨勢是向濕潤強度增大的方向發展。

參考文獻：

[1]陳永富，劉 華，鄒文濤，等. 三江源高寒濕地動態變化趨勢分析[J]. 林業科學，2012，48（10）：70-76.

[2]羅 磊. 青藏高原濕地退化的氣候背景分析[J]. 濕地科學，2005，3（3）：20-30.

[3]李萬壽. 20世紀黃河源頭水文水資源研究回顧與展望[J]. 青海大學學報（自然科學版），2000，18（5）：50-53.

[4]劉 梅. 我國東部地區氣候變化模擬預測與典型流域水文水質響應研究[D]. 杭州：浙江大學，2015.

[5]Palmer W C. Meteorological drought[EB/OL]. [2018-01-01]https：//www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/drought/docs/palmer.pdf.

[6]Shafer B A，Dezman L E. Development of a Surface Water Supply Index （SWSI） to assess the severity of drought conditions in snowpack runoff areas[C]//Western Snow Conference .Proceedings of the 50th Annual Western Snow Conference. Colorado State University，Fort Collins，Colorado，1982：164-175.

[7]McKee T B，Doesken N J，Kleist J.The relationship of drought frequency andduration to time scales[C]//American Meteorological Society. Eighth Conference on Applied Climatology. Boston：American Meteorological Society，1993：179-184.

[8]McKee T B，Doesken N J，Kleist J. Drought monitoring with multiple time scales[C]//American Meteorological Society. Proceedings of the Ninth Conference on Applied Climatology. Boston：American Meteorological Society，1995：233-236.

[9]Sergio M，Vicente-Serrano，Beguería S，et al. A multiscalar drought index sensitive to global warming：the standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate，2010，23（7）：1696-1718.

[10]史津梅，唐紅玉，許維俊，等. 1959—2003年青海省干濕變化分析[J]. 氣候變化研究進展，2007（6）：356-361.

[11]趙新來，李文龍，Guo X L，等. Pa、SPI和SPEI干旱指數對青藏高原東部高寒草地干旱的響應比較[J]. 草業科學，2017，34（2）：273-282.

[12]李紅梅，李 林，王振宇. 氣象干旱指標在青海東部農業區的適用性研究[J]. 青海氣象，2010（2）：25-28.

[13]文 軍，藍永超，蘇中波，等. 黃河源區陸面過程觀測和模擬研究進展[J]. 地球科學進展，2011，26（6）：575-585.

[14]Logan K E，Brunsell N A，Jones A R，et al. Assessing spatiotemporal variability of drought in the U.S. central plains[J]. Journal of Arid Environments，2010，74（2）：247-255.

[15]中國氣象局. 地面氣象觀測規范[M]. 北京：氣象出版社，2003.

[16]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.氣象干旱等級：GB/T 20481—2017[S]. 北京：中國標準出版社，2006.

[17]黃晚華，楊曉光，李茂松，等. 基于標準化降水指數的中國南方季節性干旱近58年演變特征[J]. 農業工程學報，2010，26（7）：50-59.

[18]韓海濤，胡文超，陳學君，等. 三種氣象干旱指標的應用比較研究[J]. 干旱地區農業研究，2009，27（1）：237-247.

[19]張苗苗. 基于SPI的近51年晉北地區旱澇變化及干旱事件時空特征研究[J]. 干旱區資源與環境，2018，32（3）：138-144.

[20]肖麗英. 基于SPI的鄱陽湖流域多尺度旱澇變化規律的研究[J]. 南昌工程學院學報，2017，36（3）：24-27，36.

[21]羅那那，巴特爾·巴克，吳燕鋒. 基于標準化降水指數的北疆地區近52年旱澇變化特征[J]. 水土保持研究，2017，24（2）：293-299.

[22]魏永亮，韓方昕，解文璇. 三江源地區近53年降水變化特征分析[J]. 青海農林科技，2015，98（2）：45-48.

[23]史津梅，唐紅玉，許維俊，等. 1959—2003年青海省干濕變化分析[J]. 氣候變化研究進展，2007，3（6）：356-361.

[24]趙志平，關 瀟，李 果，等. 近45年來青海三江源區干濕變化的趨勢分析[J]. 干旱區資源與環境，2017，31（4）：148-153.

[25]陳海莉，周 強，劉峰貴. 青海省農業旱災時空分布規律[J]. 重慶科技學院學報（自然科學版），2008，10（5）：57-60.

[26]汪青春，白彥芳. 青海省近四十年來的旱澇變化研究[J]. 青海氣象，2000（3）：15-22.

收稿日期：2018-12-04

基金項目：國家自然科學基金地區基金（編號：31760147）;青海省科技廳項目（編號：2016-HZ-811）;青海省科技廳項目（編號：2017-ZJ-731）。

作者簡介：谷鑫鑫（1995—），女，河南周口人，碩士，主要從事森林培育研究。E-mail：1372769484@qq.com。

通信作者：司劍華，教授，主要從事森林培育研究。E-mail：sijianhua1@163.com。