基于SPEI的南水北調中線水源區干旱時空特征

石衛 雷靜 馬立亞 余江游

摘要：利用多種統計方法對南水北調中線水源區降水和氣溫序列進行趨勢診斷，識別了不同氣象站點序列的時空變化趨勢;以標準化降水蒸散指數（SPEI）為干旱指標，建立考慮降水和氣溫共同對干旱過程影響的評價模型，研究分析了水源區不同時間尺度和分期（汛期、非汛期和全年期）干旱過程動態變化特征。分析表明：降水量呈現不顯著的下降趨勢，氣溫總體呈現顯著性上升趨勢;短時間尺度SPEI對降水和氣溫變化更加敏感，隨著時間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;非汛期和全年期水源區發生嚴重干旱的概率增大，不同氣象站點3個不同時期發生特旱或重旱的年份與歷史發生干旱的資料相一致;干旱嚴重程度從上游到下游逐漸衰減，整個漢江上游和西北部地區干旱發生頻次略高于下游和南部地區;對比標準化降水指標（SPI）計算結果，SPEI指數較SPI指數補充考慮了降水和氣溫對干旱過程的綜合影響，可作為SPI指數的一個重要補充分析手段，可應用于描述南水北調中線水源區不同時間尺度的干旱特征。

關 鍵 詞：干旱指數; 趨勢診斷; 水源區; 南水北調中線; 漢江

近年來，北方干旱缺水問題已成為可持續發展的制約因素[1-3]。南水北調中線工程為緩解北方地區水資源短缺問題起到了關鍵的作用[4-5]。全球氣候變暖，干旱事件持續時間、發生頻率呈現增加的趨勢[6]。干旱發生會減少區域可用水量，并給當地水資源管理帶來挑戰[7-8]。2010年10月至2011年6月，丹江口、鄖西、竹山降水偏少七成以上，造成全市800余條中小河流斷流，100座小水庫、8 000多口塘堰干涸，丹江口水庫水位比死水位低4.3 m。持續的干旱狀態對漢江下游區域生活、生產用水和灌溉供水帶來巨大的限制。因此，研究水源區不同時間尺度干旱特征將為跨流域調水工程水資源調度提供決策支撐。

20世紀以來，許多學者從干旱過程量化、監測分析等角度提出了一些評價指標[9-10]。目前，帕默爾干旱指標（Palmer drought severity index，PDSI）[11]和標準化降水指標（Standardized precipitation index，SPI）[12]是應用最為廣泛的兩個干旱指標。PDSI基于水量平衡的干濕指標，由于計算過程相對復雜、所需觀測資料要求較高，且具有固定的時間尺度和自回歸特征，使其在使用過程中受到一定的限制;SPI指標雖然能夠描述不同時間尺度的特點，但是缺乏兼顧氣溫變化加劇干旱過程的重要因素[13]。綜合考慮降水和氣溫對干旱過程影響，Vicenteserrano等人[14]研究提出了標準化降水蒸散指數（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），兼具了多時間尺度和考慮蒸發變化特征，為研究分析區域干旱化過程及趨勢提供了有利的工具。

受到人類活動的影響，徑流資料很難反映流域的天然特性，然而對徑流資料還原計算相對復雜，而且誤差較大，很難滿足水文系列樣本的三性要求，因此干旱特征分析采用降水資料來進行分析計算。本研究利用多種統計方法對客觀表征南水北調中線水源區干旱狀況的兩個重要因子降水和氣溫進行趨勢診斷，識別其趨勢變化。應用綜合考慮降水和氣溫影響的干旱指數SPEI描述南水北調中線水源區不同時間尺度干旱特征，為水源區調水和漢江中下游供水提供理論參考。

1 研究區域概況和資料

南水北調工程確定從漢江的丹江口水庫調水，重點解決北京、天津、河南、河北4個省及沿線城市的生活和生產用水，并兼顧沿線地區的生態環境和農業用水。截至2017年9月25日，已累計向北方送水超過100億m3，沿線京津豫冀4省市5 310萬人喝上長江水，工程綜合效益同步顯現。丹江口水庫以上流域為漢江上游，是南水北調中線工程的水源地，流域面積為9.52萬km2，約占全流域面積的60%。水源區年降水量為600～1 250 mm之間，年平均溫度15℃～17℃。研究區域地理位置如圖1所示。

本次研究使用的1960～2014年逐日歷史降水數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（下載網址：http：//cdc.cma.gov.cn/）。水源區氣象站點選取了欒川、略陽、漢中等12個分布較均勻的代表站（見圖1）。結合地理信息系統（GIS）工具，采用泰森多邊形法計算水源區各水文區不同時間尺度的平均降雨量和平均氣溫，為趨勢診斷和干旱特征研究提供數據基礎。

2 研究方法

2.1 趨勢診斷

本次研究對于降雨和氣溫長序列趨勢診斷采用線性回歸[15]、Spearman秩檢驗[16]和Kendall秩和檢驗[17]3種常用方法。

2.2 標準化降水蒸散指數（SPEI）

結合降水和氣溫數據，新的干旱指數SPEI集合了PDSI對蒸發變化的敏感性和SPI描述干旱的多尺度特征，能夠表征干旱化以及溫度干旱過程的影響。基于不同時間尺度的降水量與計算的潛在蒸散發量（PET）差值，通過簡單的水量平衡計算得到SPEI。

3 結果分析

3.1 降水量和氣溫時空趨勢分析

采用線性回歸法（LR）、Spearman秩檢驗（SP）和Kendall秩和檢驗（MK）3種方法對水源區12個氣象站1960～2014年降水和氣溫序列進行趨勢診斷。如表1所示，流域內年降水量呈現下降趨勢，但趨勢不顯著;除尚州和石泉站外，年氣溫呈現顯著性（P < 0.05）上升趨勢。降水和氣溫序列的線性趨勢和滑動平均分析如圖2所示。從降雨和氣溫空間分布來看，漢江流域南部降雨明顯較西北部大，尤其是陜西的尚州、略陽和鎮安站;安康、老河口站氣溫較其它站要高，佛坪和欒川站氣溫較低。

3.2 基于SPEI的干旱時空特征分析

3.2.1 不同時間尺度干旱特征分析

根據已有相關研究[14，19-20]，基于SPEI的干旱化過程分析，干旱等級劃分標準見表2。

本次研究選擇1，3，6，12，18，24個月不同的時間尺度計算SPEI（對應的各時間尺度分別用SPEI-1，SPEI-3，SPEI-6，SPEI-12，SPEI-18和SPEI-24表示），分析水源區干旱過程動態變化特征。如圖3所示，隨著時間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;時間尺度越小，SPEI值正負波動越大，對降水和氣溫變化更加敏感。對于土壤干濕過程通常通過持續的降雨或者干旱少雨使其發生變化，因此干旱監測是一個長期的過程。

水源區1960～2014年多年平均降水量為823 mm，其中汛期（5～10月）和非汛期（11月至次年4月）降水量分別為671 mm和152 mm，分別占81.5%和18.5%。結合水源區干旱發生特征，本研究進一步選取汛期、非汛期和全年期3個時期的干旱過程、干旱程度以及各級干旱出現頻次。如圖4所示，汛期SPEI有微弱的上升趨勢，說明汛期干旱程度隨時間變化不大;非汛期和全年期SPEI呈現顯著的減小趨勢，說明非汛期和全年期發生嚴重干旱的概率越來越大，非汛期表現更為明顯。統計3個時期發生中旱、重旱、特旱的頻次如表3所示，發現全年期嚴重干旱發生在1994～1996年和1999年，1997年發生特旱;汛期嚴重干旱發生在1964年和1966年，1997年發生特旱;非汛期嚴重干旱發生在1998～1999年，2010年發生特旱。

3.2.2 不同站點干旱特征分析

計算各氣象站汛期、非汛期和全年期3個時期SPEI，發現汛期SPEI呈不顯著的上升趨勢，隨著時間

變化干旱程度變化不大;各站點非汛期和全年期SPEI呈現顯著的減小趨勢，說明非汛期和全年期發生嚴重干旱的概率隨時間變化增大，尤其是非汛期。各氣象站點3個時期發生中旱及以上干旱的頻次如表4所示，發現不同氣象站點和3個不同時期發生特旱或重旱的年份與歷史干旱資料一致。如1994～1997年、2010年等均在不同站點發生不同程度的干旱。以漢中市歷年干旱實際情況為例，1994～1997年，漢中市連續4 a出現連季干旱，其中1994，1995年干旱為100 a一遇，其他2 a均達到50～60 a一遇標準，造成冬春夏三季或夏秋連續兩季干旱。干旱最嚴重時，大小河道斷流，水庫2/3以上全部干涸，漢江武侯站最長斷流時間達3個月。基于SPEI的南水北調中線水源區干旱特征分析能夠為調水提供技術參考。

3.2.3 干旱特征空間變化分析

從干旱發生空間變化來分析，干旱發生頻次或者災害嚴重程度上游較下游要大，靠近西北部地區較南部地區普遍要大。以1999年非汛期重大干旱為例，漢江上游的略陽站、漢中站、石泉站、安康站和老河口站非汛期SPEI指數分別為-1.974，-1.700，-1.611，-1.343和-1.174，可以看出干旱嚴重程度從上游到下游逐漸衰減。從不同氣象站點汛期、非汛期和全年期發生中旱、重旱、特旱的頻次表（見表4）分析知，整個漢江上游和西北部地區干旱發生頻次略高于下游和南部地區。

3.2.4 與SPI指數對比分析

同樣選擇1，3，6，12，18，24個月不同的時間尺度計算SPI（對應的各時間尺度分別用SPI-1，SPI-3，SPI-6，SPI-12，SPI-18和SPI-24表示），如圖5所示。以SPI-3，SPI-6，SPI-12和SPI-24為例，特大干旱事件主要發生在1995～2000年以及2011年。采用SPI指數能夠像SPEI指數一樣發現識別出大部分干旱事件，但是SPEI指數識別的干旱事件包含2014年干旱，在SPI指數中沒有被識別出來。根據實際干旱調查資料分析發現，2014年漢江上游包括漢中、襄陽等城市都發生大旱。因此，初步認為SPEI指數較SPI指數補充考慮了降水和氣溫對干旱過程的綜合影響，可作為表征干旱程度的又一個重要分析應用指數，具有較好的實際應用價值，可應用于描述南水北調中線水源區不同時間尺度干旱特征。

4 結 論

（1） 本文利用多種統計技術對漢江上游研究區域多年降水和氣溫序列進行趨勢診斷，識別了不同氣象站點的時空變化趨勢，即降水量呈現不顯著的下降趨勢，氣溫總體呈現顯著性上升趨勢。

（2） 選取綜合考慮降水和氣溫對干旱過程的影響新氣候干旱指數SPEI，對不同月時間尺度（1，3，6，12，18月和24月）和分期（汛期、非汛期和全年期）漢江上游區域（南水北調中線工程水源區）干旱過程動態變化特征研究分析，表明SPEI-1，SPEI-3對降水和氣溫變化更加敏感，隨著時間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;汛期干旱程度隨時間變化不大，非汛期和全年期發生嚴重干旱的概率越來越大，非汛期表現更為明顯;不同氣象站點3個不同時期發生特旱或重旱的年份與歷史干旱資料一致。

（3） 通過分析不同氣象站SPEI指數空間分布特征，發現研究區域的干旱嚴重程度從上游到下游逐漸衰減，整個漢江上游和西北部地區干旱發生頻次略高于下游和南部地區;另外，以歷史發生干旱事件為依據，對比分析標準化降水指標（SPI）計算結果表明， SPEI指數較SPI指數補充考慮了降水和氣溫對干旱過程的綜合影響，可作為SPI指數的一個重要補充分析手段，可應用于描述南水北調中線水源區不同時間尺度的干旱特征。

本次研究主要基于歷史實測氣象序列資料進行干旱時空特征分析，將來可采用計算SPEI指數方法開展氣候變化影響下的水源區和受水區未來干旱變化趨勢及特征分析，為跨流域調水和水資源配置提供理論參考。

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（編輯：劉 媛）