沙潁河流域季節性干旱的時空分布特征

郭金萍，郭薇

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

干旱的發生會給社會、經濟和生態造成巨大損失。干旱變化特征分析是流域水資源規劃和管理的基礎[1]。干旱指標被廣泛用于表征復雜的干旱現象，常用的干旱指數有Palmer干旱指數(PDSI)、降水量距平百分率(Pa)、標準化降水指數(SPI)、標準化降水蒸散指數(SPEI)等。其中，PDSI綜合考慮了降水和潛在蒸發量，是使用最廣泛的氣象干旱指數，但主要不足是時間尺度單一、參數區域性強[2]；降水量距平百分率雖比較直觀，但反映的旱澇程度比較弱[3]；SPI僅需降水數據，計算簡單且可用于監測不同時間尺度，然而未考慮溫度和蒸散等的影響，對溫度變化引起的干旱現象反應不敏感[4]；SPEI是Vicente-Serrano等[5]于2010年在標準化降水指數的基礎上提出的，該指數同時考慮了降水與蒸發，尤其適用于氣候變暖背景下的干旱特征分析，并且具有時空性，在許多地區的應用檢驗中都得到了很好的驗證[6-8]。

沙潁河全長626 km，流域面積39 880 km2，流域內人口眾多，人類活動劇烈，是河南省糧食主產區重要的灌溉用水來源。沙潁河流域自西向東由山區丘陵向平原地帶過渡，屬溫帶大陸性季風氣候，西部山區丘陵地帶多年平均氣溫較東部平原地區低，降水量由東南向西北逐漸遞減，且多集中在6—9月。受地形和氣候條件影響，沙潁河流域季節性干旱時常發生，嚴重制約流域內農業生產和社會經濟的發展。近年來，有學者對沙潁河流域的降水特性[9]、降水量時空分布特征[10]及水文干旱演變情況[11]進行分析，豐富了人們對流域內氣候變化及降水分布的認識，但缺乏針對氣象干旱的專門研究。氣象干旱是水文、農業和社會經濟干旱最基本的起因，研究氣象干旱對流域內水資源的合理分配、農業生產和社會經濟發展具有重要意義。為此，選用SPEI作為干旱等級的劃分指標，采用Mann-Kendall法和Morlet小波分析探討沙潁河流域內季節性干旱的時空變化特征。

1 材料與方法

1.1 研究資料

本文選用的氣象數據為流域內17個氣象站1961—2010年的月降水和月氣溫數據，來自中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)，沙潁河流域內氣象站點分布見圖1。

圖1 沙潁河流域氣象站點的分布

1.2 研究方法

1.2.1 標準化降水蒸散指數

SPEI是對降水量與潛在蒸散量的差值序列的累積概率進行正態標準化后的指數。對數據序列進行標準化處理，更能反映不同時空的旱澇情況[6]。

3個月時間尺度的SPEI可以很好地反映季節的干旱狀況，本文基于此分析流域季節干旱變化特征。依據氣象劃分季節標準，春季為每年的3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。干旱等級劃分標準[12]如下：SPEI>-0.5，無旱；-1

1.2.2 Mann-Kendall檢驗

非參數的Mann-Kendall(M-K)檢驗法對樣本序列分布沒有特殊要求，人為干擾少，計算簡單，廣泛用于氣象、水文變量的趨勢檢驗[13]。本文利用M-K檢驗法分析沙潁河流域季節SPEI指數的時間變化趨勢，Z為正值表示序列呈上升趨勢，Z為負值表示序列呈下降趨勢，且|Z|≥1.645、1.96和2.58時，分別表示通過了90%、95%和99%的顯著性檢驗，即上升或下降趨勢顯著。

1.2.3 干旱頻率

干旱頻率Pi可用來評價某站有資料年份內干旱發生的頻繁程度。本文中干旱指發生輕旱及輕旱以上的干旱事件。

1.2.4 Morlet小波分析

小波變換是分析非平穩信號的可靠工具[14]。鑒于水文中大多數氣候要素的時間序列在統計中表現出周期性，因此常用小波變換來揭示時間序列變化的周期性。Morlet小波是常用的小波函數之一，它能識別一個時間序列中的主要周期性和時頻級數，給出時間序列變化的振幅和相位信息，且具有多時間尺度的特點[15]，適用于沙潁河流域干旱演變過程中周期性變化特征的分析。

2 結果與分析

2.1 干旱時間變化特征

沙潁河流域各季節SPEI序列值見圖2。根據《治淮匯刊(年鑒)》《阜陽地區志》中關于沙潁河流域主要干旱事件的記錄，20世紀90年代沙潁河流域干旱災害頻發，1990年秋季中旱，1992年夏季輕旱，1993—1994年春夏秋連旱，1995—1996年春季中旱，1997年夏季重旱、秋季中旱，1998年秋冬重旱，1999年夏季重旱。對比各季節的SPEI值判斷旱情等級：1990年秋季SPEI為-0.83判斷為輕旱，較實際干旱輕了一個等級；1992年夏季SPEI為-0.88判斷為輕旱，與實際干旱等級一致；1993年春夏秋SPEI值分別為0.38、-1.09和-0.66，判斷結果分別為無旱、中旱和輕旱，春季較實際旱情輕一個等級，夏季較實際旱情重一個等級，秋季與實際旱情等級一致。另外，從1994—1999年SPEI值中也能識別出干旱情況。總的來說，SPEI在描述具體干旱等級上尚顯不足，但可以識別出沙潁河流域的干旱情況，且與歷史災情記錄基本相符。

圖2 沙潁河流域1961—2010年各季節SPEI值的變化

利用M-K檢驗法計算流域和各站點不同季節SPEI的統計量Z值(表1)。

由表1可知：流域整體春季和秋季SPEI的M-K檢驗統計量均為負值，可知SPEI呈下降趨勢，流域趨向干旱，其中秋季|Z|≥1.96，表明通過了95%的顯著性檢驗，變干趨勢顯著；流域整體夏季和冬季的Z值均為正值，說明有不顯著的濕潤趨勢。

表1 流域內各站點不同季節SPEI的M-K檢驗統計量

注：*、**、***分別表示通過信度為90%、95%和99%的顯著性水平檢驗。

流域內各站點春季均有不顯著的干旱化趨勢；夏季均有濕潤化趨勢，其中郟縣、魯山、葉縣站分別通過了不同水平的顯著性檢驗，濕潤化趨勢顯著；秋季均有干旱化趨勢，除鄲城、登封、許昌、鄢陵、葉縣、禹州和周口7個站點未通過顯著性檢驗外，其他地區均通過了不同水平的顯著性檢驗；冬季除漯河、項城、新鄭、許昌、葉縣、周口和尖崗7個站點有干旱化趨勢外，其他10個站點均有濕潤化趨勢，但僅有阜陽站通過了99%水平的顯著性檢驗。總的來說，流域內大多數站點和流域整體的季節干濕變化趨勢具有一致性。

2.2 干旱頻率空間分布

在ArcGIS 10.1軟件中用反距離權重插值法對流域1961—2010年各站點不同季節的干旱頻率進行空間插值，結果見圖3。春旱發生頻率在24%～38%，流域西部和中下游地區春旱發生頻率較高，最易發生春旱的地區為阜陽和潁上，頻率高達38%；夏旱發生頻率在28%～42%，中游南部和下游地區易發生夏旱，漯河和潁上地區夏季干旱發生的頻率高達42%；秋旱發生頻率在28%～36%，上游、中游地區易發生秋旱，尖崗、許昌、兩河口地區秋旱發生頻率達36%；冬旱發生頻率在26%～37%，下游阜陽地區和上游兩河口、登封地區發生冬旱的頻率在34%～39%，中游地區也易發生冬旱，頻率在32%～37%。

2.3 周期性分析

采用Morlet小波分析法對沙潁河流域4季SPEI序列的周期性進行分析，小波系數實部等值線圖和小波方差圖分別如圖4、圖5所示，灰度深淺表示SPEI值高低變化。在不同的時間尺度上，正負相位交替變化明顯，具有2個時間尺度的周期波動特征。年際尺度上，存在4～8 a的小尺度信號。春季SPEI的小波方差在4 a和8 a的時間尺度上均出現峰值，說明春季SPEI存在4 a和8 a的周期振蕩規律，在8 a處的方差峰值最大，說明8 a為第一主周期，4 a為第二主周期。

綜合分析小波系數等值線圖和小波方差圖，可以得到其他3個季節SPEI的周期。夏季SPEI存在8 a的第一主周期，16 a和3 a分別為第二、第三主周期；秋季SPEI存在17 a的第一主周期，4 a和12 a分別為第二、第三主周期；冬季SPEI存在20 a的第一主周期和3 a的第二主周期。

3 小結

選用SPEI氣象干旱指數，采用M-K檢驗法和Morlet小波分析探討了沙潁河流域季節性干旱的時空變化特征，主要結論如下：(1)通過與沙潁河流域歷史干旱事件的對比，證明了SPEI在沙潁河流域干旱評價中的適用性。流域內大多數站點和流域整體的季節干濕變化趨勢具有一致性。(2)流域不同站點各季節干旱頻率在24%～42%，季節干旱空間分布差異較大，最易發生春旱的地區為阜陽和潁上，中游南部和下游地區易發生夏旱，上游、中游地區易發生秋旱，下游阜陽地區和上游兩河口、登封地區和中游地區易發生冬旱。(3)1961—2010年沙潁河流域氣象干旱有明顯的周期變化，春季SPEI存在4～8 a的短周期，其他3個季節SPEI均存在3～8 a的短周期、12～20 a的長周期。

圖3 沙潁河流域季節干旱頻率空間的分布

圖4 小波變換系數實部等值線

圖5 各季小波方差分析