長江流域1961~2015年不同等級干旱時空變化分析

張午朝 高冰 馬育軍

摘要：分析長江流域歷史時期的干旱時空變化特征，對于目前和未來的干旱應對具有重要參考價值。采用12月尺度標準化降水指數（SPI_12）對長江流域134個氣象站1961～2015年逐日降水數據進行統計分析，探究了流域內不同等級干旱的時間變化特征和空間分布格局。結果表明：長江流域每年發生干旱的平均次數和站點數均沒有明顯變化趨勢，但特旱發生次數和站點數均呈升高趨勢;流域內各站點發生干旱的頻率主要介于30%～35%之間，四川盆地、云南省北部、貴州省北部發生干旱的頻率大多呈增加趨勢，其他地區干旱發生頻率以降低趨勢為主。上述結果表明，長江流域不同等級干旱呈現不一致的時間變化特征，發生特旱的風險呈增加趨勢，不同區域的干旱變化趨勢也存在顯著差異，因此需要分區制定針對性的應對措施。

關鍵詞：干旱; 標準化降水指數; 時空變化特征; 長江流域

中圖法分類號：P33文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.010

干旱作為一種自然災害，按照受災人數進行排序，在所有自然災害中位列第一[1]，長江流域是我國干旱災害的主要發生地之一[2]。研究發現，歷史上長江流域干旱（5級）災害多發地帶有兩個，一個呈東北-西南走向分布于長江三角洲、長江中下游、洞庭湖南部至湘西南和黔東北一線，另一個呈東北-西南走向位于漢江上游、三峽地區至云貴高原一線;而偏旱（4級）災害的多發區主要位于四川盆地、江南南部和下游干流[3]。目前對長江流域干旱的研究包括基于不同指數的分析及趨勢性檢驗[4-6]、基于遙感的旱情監測[7]、利用模型模擬空間格局[8]或預測未來變化[9-11]等。

標準化降水指數（Standard Precipitation Index，SPI）是以長期降水記錄為依據進行的計算，可以用于任何地區的干旱評估。這種長期記錄符合概率偏態分布，并可轉化為正態分布，以便使某地區一段時期內的平均SPI為零[12]。SPI目前已被廣泛應用于不同方面的干旱研究，包括干旱頻率分析、干旱空間分布、干旱預測以及氣候影響評估等[1，13]。張利利等基于不同尺度SPI分析了石羊河流域的干旱持續時間、強度、空間格局等，指出尺度越小，SPI對于一次降水的反映越明顯，12月尺度SPI可以清楚地反映長期旱澇變化特征[14]。

干旱等級是衡量干旱嚴重程度的重要指標之一，不同等級干旱帶來的損失差別巨大，分等級研究干旱的時空變化規律十分必要。目前有關長江流域干旱特征的研究很多，但關于不同等級干旱時空變化特征等方面研究較少，因此本文根據長江流域134個氣象站1961～2015年的逐日降水數據，采用12月尺度的標準化降水指數表征干旱程度，按SPI干旱標準進行等級劃分，在此基礎上分析不同等級干旱的時空變化特征，包括發生次數和站點數的變化趨勢、干旱的空間分布等，以期全面地揭示長江流域多年干旱變化特征。

1研究區概況

長江流域是世界第三大流域，總面積達到180萬km?屬亞熱帶季風氣候區，同時受到西南季風和東南季風的影響[15]。流域多年平均降雨量1 067 mm，由東南向西北遞減，中下游高于上游。雨帶每年3～4月自東南向西北移動，中下游的雨季早于上游，江南早于江北[16]。受太陽輻射、大氣環流、青藏高原等綜合影響，長江流域空氣溫度呈現東高西低、南高北低的分布趨勢，江源地區是全流域氣溫最低的地區[17]，而四川盆地、云貴高原和金沙江河谷等地則形成高溫封閉中心[18]。

2研究方法

本文采用的降水量為長江流域134個氣象站1961年1月1日至2015年12月31日的逐日觀測數據，來自于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/），其中67個氣象站位于宜昌站以上的上游流域，47個氣象站位于宜昌站至湖口站之間的中游流域，20個氣象站位于湖口站以下的下游流域（圖1）。

圖1長江流域氣象站點分布Fig.1Distribution of weather stations in the Yangtze River Basin

降水量的偏態分布可以用Gamma分布進行擬合，計算SPI時需要將這種Gamma概率密度函數進行正態標準化處理，然后利用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級[19]。進一步將累積概率轉化為標準化正態隨機變量Z，Z的平均值為0，方差為1[20]，也就是本文所要使用的SPI。從理論上講，SPI表示的是隨機變量Z的值，或者說是某一事件高于或低于平均值的標準偏差，但是當涉及不同長度記錄時，Gamma分布的形狀參數和范圍參數會發生變化。當SPI計算長期尺度（超過24個月）擬合分布時，可能會由于數據長度的限制發生偏離，而短時間尺度降水量分布會發生傾斜，并且擬合Gamma分布也存在局限性[20]，因此本文選用12月時間長度計算SPI指數。

根據國家標準《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2006），以SPI為依據的干旱等級劃分如表1所示，不同等級干旱對農業和生態環境的影響程度存在顯著差異。

3結果分析

3.1干旱時間變化特征

根據不同等級干旱發生次數的Mann-Kendall（M-K）趨勢檢測（表2），1961～2015年長江流域各站點年平均干旱總次數的Z統計值為0.798，沒有超過95%置信區間的臨界值1.96，因此每年發生干旱的總次數沒有明顯的增加或降低趨勢。根據統計，年平均干旱總次數為3.77次，發生干旱最多的是1979年（6.58次）、最少的是2015年（1.45次，圖2）。從年代際看，長江流域20世紀60年代、70年代、80年代、90年代、21世紀前10 a和2010～2015年發生干旱的總次數分別為30.29，39.67，34.65，35.91，42.51，20.51次，總體呈現20世紀70年代明顯增加，80～90年代有所減少，進入21世紀再次增加。另外，干旱發生次數具有一定的波動性，21世紀以來2個干旱次數低谷之間的時間跨度變長。

雖然1961～2015年長江流域每年發生干旱的總次數沒有明顯變化，但是根據M-K趨勢檢測結果可以發現：特旱發生次數的Z值為2.305，超過了95%置信區間的臨界值，表明特旱發生次數呈現明顯增加趨勢（表2）。不同等級干旱之間的對比顯示，1961～2015年平均每年發生輕旱、中旱、重旱和特旱的次數分別為1.82，1.15，0.55，0.24次，總體而言干旱等級越高，相應等級干旱的發生次數越少。然而2012年重旱和特旱發生次數分別為0.71，0.84次，2013年重旱和特旱發生次數分別為0.31，0.34次，都出現了特旱次數超過重旱次數的情況。從年代際不同等級干旱的發生次數看，輕旱次數自20世紀60年代到90年代呈現減少趨勢，而21世紀以來，隨著干旱總次數的增多，輕旱次數也有所增多;中旱次數在20世紀60年代到80年代有所減少，80年代以后呈現增多趨勢;重旱和特旱發生次數自20世紀80年代以后呈現一定上升趨勢。

M-K趨勢檢測結果顯示（見表3）：長江流域1961～2015年發生干旱的總站點數和輕旱、中旱、重旱的發生站點數均沒有通過90%置信區間的顯著性檢測，發生特旱的站點數通過了90%置信區間的檢測，但沒有通過95%置信區間的檢測，表明雖然每年發生干旱的站點數沒有明顯變化，但是發生特旱的站點數呈現增多趨勢。

長江流域1961～2015年每年平均發生干旱的站點數為92.52個，其中2007年最多（120個），其次是1979年（119個，圖3）。從不同等級干旱看，1979，2011，2012年發生特旱的站點數超過發生重旱的站點數，其中2012年有32個站點發生特旱，數量甚至超過了輕旱，是不同等級干旱發生站點數最多的。

3.2干旱空間分布格局

1961～2015年長江流域各站點總干旱發生頻率大多介于30%～35%之間，較高的站點有廣元、萬源、石門、宜春、玉山，干旱發生頻率均在35%以上，其中石門站最高，達到38.12%（圖4）。從不同等級干旱的發生情況看，長江流域輕旱發生頻率介于10%～20%之間的站點居多，中旱發生頻率集中在5%～15%，重旱發生頻率介于2.2%～7.3%之間，特旱發生頻率介于0.3%～4.9%之間。發生特旱頻率較高的站點有木里、敘永、黔西、安順、滁縣，但這幾個站點并不是干旱頻發的站點，發生總干旱的頻率均不到30%，低于所有站點的平均值，但是發生一次特旱的損失卻遠遠大于普通干旱。另外，重旱發生頻率較高的站點有康定、樂山、元謀、老河口、畢節等，這些地方屬于總干旱頻率不高，但重旱發生次數較多的區域，說明雖然不常發生干旱，但是一旦發生往往都達到重旱及以上程度。中旱和輕旱主要發生在長江中下游地區。

長江流域1961～2015年干旱發生頻率升高的區域主要集中在長江上游的四川盆地以及云南和貴州北部地區，長江源頭、川西高原和長江中下游的干旱發生頻率總體呈減少趨勢（圖5）。

4結論與討論

1961～2015年，長江流域每年發生干旱的總次數沒有明顯的變化趨勢，這與許繼軍等研究指出的1950～2000年長江流域年降水量變化趨勢不顯著的結果類似[5]。從不同等級干旱看，長江流域1961～2015年特旱發生次數通過了95%置信區間的M-K趨勢檢驗，呈現顯著增多趨勢，1979，2011，2012年是發生特旱次數最多的3 a。長江流域每年發生干旱的站點數也沒有明顯變化，但發生特旱的站點數呈現增多趨勢，1979，2011，2012年也是特旱發生站點數最多的3 a。

長江流域各站點發生干旱的頻率主要介于30%～35%之間，并且中旱和輕旱大多分布于中下游地區。王瑛等提出長江流域中小型旱災發生頻率最高的區域集中在三峽地區以及中下游的漢江、湘江、資江等支流流域[21]，與本文結果類似。長江流域重旱、特旱發生頻率相對較高的站點并不是總體干旱發生頻率高的站點，這些地方雖然不常發生干旱，但一旦發生干旱，級別往往達到重旱及以上程度。賀晉云等研究發現西南地區極端干旱增多的地區主要分布在西南季風迎風坡和四川盆地西南等地勢高的區域，推測其原因為近50 a西南季風減弱導致該地區降水減少和極端干旱發生頻率增加[22]。劉元波等對鄱陽湖區2000～2010年的極端干旱成因進行了分析，指出流域水分收支虧缺是鄱陽湖區發生極端干旱的原因之一，其中降水虧缺是基本致旱因素，蒸散量增加是輔助作用[23]。因此，降水減少應當是長江流域重旱和特旱發生頻率增多的主要原因。

從干旱發生頻率的變化看，長江上游四川盆地、云南省北部、貴州省北部呈現明顯的上升趨勢，其他地區主要表現為下降趨勢。許繼軍等提出20世紀90年代以來長江流域尤其是中下游降水量增加，然而四川盆地和漢江上游降水量下降[5]。李軍等人根據REOF時空分解劃分干濕特征區域后同樣發現，西南大部分地區都有變干趨勢，包含云南高原東部區、云南高原西部區、四川盆地西部區和貴州高原南部區等地，其中云南高原東部區變干趨勢顯著，而漢中盆地區和東部山地區有變濕潤趨勢但并不顯著[24]。

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引用本文：張午朝，高冰，馬育軍.長江流域1961～2015年不同等級干旱時空變化分析[J].人民長江，2019，50（2）：53-57.

Temporal and spatial variation characteristics of different drought grades ?from 1961 to 2015 in Yangtze River Basin

ZHANG Wuzhao1，2， GAO Bing?2， MA Yujun1，3

（1.School of Natural Resources， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China;3.School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract： Analyzing temporal and spatial variation characteristics of droughts in ?historical period in the Yangtze River Basin has important reference significance for the present and future drought fighting. In this paper， 12-month standard precipitation index （SPI_12） was used to analyze the daily precipitation data of 134 weather stations in the Yangtze River Basin from 1961 to 2015 to explore the temporal variation trends and spatial distribution patterns of different drought grades in the watershed. The results showed that： there was no obvious change in the average annual drought frequency and the site number in the Yangtze River Basin， but the frequency of extreme drought and the site number increased. The drought frequency in the whole watershed was mainly between 30% and 35%， showing increasing tendency in Sichuan Basin， northern Yunnan Province and northern Guizhou Province， and a downward tendency in other areas. The above results indicate that temporal characteristics of different drought grades are inconsistent in the Yangtze River Basin， and the risk of extreme drought is increasing. The drought trends in different regions are also significant different， therefore zoning is essential to develop targeted countermeasures.

Key words：drought; standard precipitation index; temporal and spatial variation characteristics; Yangtze River Basin