基于SPEI的錫林河流域氣象干旱風險分析

張 璐, 朱仲元, 王慧敏, 王 飛, 張 鵬

(內蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018)

干旱是一個發(fā)展較慢但持續(xù)時間較長的極端氣候事件[1]。干旱從古至今都是人類面臨的主要自然災害，隨著人類的社會經(jīng)濟發(fā)展，水資源短缺日益嚴重，干旱已經(jīng)成為全球關注的熱點問題。在內蒙古的典型草原區(qū)，干旱是主要的自然災害，也是導致草原退化的重要因素。干旱風險分析有助于揭示干旱變化趨勢，對干旱進行準確定量。世界氣象組織承認的干旱類型是氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱等，其中氣象干旱被認為是導致其他各類干旱發(fā)生的主要原因，因此探明氣象干旱的發(fā)生規(guī)律，對合理有效地監(jiān)測和預警各類干旱有極大的幫助[2]。近年來，研究學者們普遍使用干旱指數(shù)定量評價干旱程度，常用的干旱指數(shù)有：標準化降水指數(shù)(SPI)[3]、氣象綜合指數(shù)(PDSI)[4]、SPEI[5]等，其中SPEI在考慮降雨條件影響的同時，也考慮了溫度波動對干旱的影響，這樣比單純考慮降水的標準化降水指數(shù)、降水距平指數(shù)等對干旱的反映具有更強的實際意義[6]。張煦庭等[7]以SPEI作為氣象干旱表征指數(shù)，對內蒙古自治區(qū)1960—2015年干旱時空分布特征進行了研究；楊思遙等[8]基于SPEI分析了華北地區(qū)植被對干旱的多尺度響應。我國是一個干旱頻發(fā)的國家，特定的季風氣候和自然地理條件決定了我國干旱和旱災發(fā)生的嚴重性，SPEI的出現(xiàn)和使用對研究干旱事件具有科學意義。

1 研究區(qū)概況

錫林河，蒙語稱錫林郭勒，屬錫林郭勒草原上一條內陸河，河水起源于赤峰市克什克騰旗境內，繞錫林浩特市而過。本文研究區(qū)為錫林河流域，經(jīng)緯度范圍為115°18′—117°08′E，43°02′—44°57′N，控制流域面積達14 788 km2，地勢南高北低，平均海拔為988.6 m，屬中溫帶半干旱大陸性氣候。由于錫林河流域具有獨特的地理環(huán)境，該地區(qū)水資源的主要來源為大氣降水和冰雪融化。錫林河流域晝夜溫差大，蒸發(fā)量大，流域年降水量在121.1～511.7 mm，無霜期110 d，動物資源多樣，草原類型齊全。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選用1982—2018年錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站氣溫、降水等數(shù)據(jù)資料均來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。本文通過計算錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站點不同時間尺度的SPEI，以年、季、月作為研究尺度，利用反距離權重插值法分析錫林河流域37 a來的干旱變化特征以及干旱發(fā)生頻率和干旱強度的時空分布特征。根據(jù)錫林河流域當?shù)貧夂蛱卣鳎瑢⒓竟?jié)定義為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，當年的1—2月和上一年的12月為冬季。

2.2 研究方法

2.2.1 標準化降水蒸散指數(shù) SPEI計算方法原理是用降水量與蒸散量的差值偏離平均狀態(tài)的程度來表征某地區(qū)的干旱[9]。本文采用Thornthwaite方法計算各站各月潛在蒸散量，進而計算氣候水分平衡(BAL)，即逐月降水與蒸散的差值。

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Di為降水量與蒸散量的差(mm)；Pi為降水量(mm)；PETi為潛在蒸散量(mm)。

對Di數(shù)據(jù)序列進行正態(tài)化。由于原始數(shù)據(jù)序列Di中可能存在負值，所以SPEI指數(shù)采用了3個參數(shù)的log-logistic概率分布。Log-logistic概率分布的累積函數(shù)為：

(2)

式中：參數(shù)α,β,γ分別采用線性矩的方法擬合獲得。

(3)

(4)

γ=ω0-α·Γ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(5)

式中：Γ為階乘函數(shù)；ω0,ω1,ω2為原始數(shù)據(jù)序列Di的概率加權矩。計算方法如下:

(6)

(7)

式中：N為參與計算的月份數(shù)。

然后對累積概率密度進行標準化:

P=1-F(x)

(8)

當累積概率P≤0.5時：

(9)

(10)

式中：c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。

當P>0.5時，以1-P表示P。

(11)

SPEI具有多時間尺度的特征。其中，1個月時間尺度的干旱指數(shù)可以比較清楚地反映旱澇的細微性變化，3個月時間尺度可以清晰地反映季節(jié)的干旱狀況[10-11]。故本文計算1，3，6，12個月4個尺度的SPEI值，用SPEI1，SPEI3，SPEI6，SPEI12表示。

2.2.2 干旱強度 《氣象干旱等級》中關于氣象干旱發(fā)生強度的詮釋為：所有天或月的綜合氣象干旱指數(shù)值在干旱過程內為輕度以上的干旱等級之和[12]。

(12)

式中：j為年份；i為不同站號；m為發(fā)生干旱的站數(shù)；|SPEIi|為j年i站發(fā)生干旱時SPEI的絕對值。其值越小，干旱程度越強[13]。當連續(xù)3個月的SPEI月尺度數(shù)值為輕度干旱以上時，則確定為發(fā)生一次連續(xù)干旱過程[14]。

2.2.3 干旱頻率 用于評價某站在某時段干旱發(fā)生的頻繁程度[15]。

Fi=(n/N)×100%

(13)

式中：n為該站實際發(fā)生干旱的年數(shù)。

根據(jù)中國氣象局制定的氣象干旱等級劃分標準[16]，將SPEI劃分為5個等級，分別為無旱、輕微干旱、中等干旱、嚴重干旱和極端干旱(表1)。

表1 SPEI干旱等級劃分

3 結果與分析

3.1 降水和氣溫的時間變化趨勢分析

錫林河流域多年降水量變化年際差異較大，整體呈現(xiàn)較大的增長趨勢，趨勢線斜率為0.438(圖1A)。多年平均降水量為270 mm，2012年降水量為37 a中最大值，為511.7 mm，多年降水量年際變化較有規(guī)律性，呈現(xiàn)多年平穩(wěn)增長趨勢。2005年的降水量為37 a中最小值，僅為121.1 mm，直到2009年降水量出現(xiàn)增長的趨勢。37 a間錫林河流域氣溫整體呈現(xiàn)較小的增長趨勢，趨勢線斜率為0.039，多年平均氣溫為3.16℃，1986年年平均氣溫低至1.21℃，2014年年平均氣溫高至4.66℃(圖1B)。

圖1 1982-2018年降水量和氣溫變化趨勢

3.2 不同時間尺度SPEI對比分析

利用1982—2018年的降水、平均氣溫、平均風速等數(shù)據(jù)計算得到不同時間尺度SPEI(圖2)。不同時間尺度的SPEI值隨時間變化存在明顯不同，時間尺度越小，SPEI沿著0值上下劇烈波動，反映了單月降水對干旱程度的影響。如SPEI1波動頻率較快，反映了各月部分氣象要素對干旱的影響；SPEI3和SPEI6波動周期較長，體現(xiàn)了錫林河流域季節(jié)性的干旱變化；SPEI12各年值相對集中，較為清晰地反映了錫林河流域多年干旱變化趨勢，尤其在1989年、2006年附近的年份明顯產(chǎn)生了較為嚴重的干旱。整體上來看，不同時間尺度的SPEI值呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢。

3.3 短、中期SPEI變化分析

本文將1982—2018年整個時期分為4個時段，對應的時間段為1982—1988年、1989—1998年、1999—2008年和2009—2018年(圖3)。對不同時段的SPEI值按月份進行處理，各月SPEI值為時段內該月多年平均值，由于SPEI12季節(jié)性變化不明顯，故本文只分析SPEI1，SPEI3，SPEI6。SPEI1從1982—1988年時段到1989—1998年時段年均SPEI1有增大趨勢，如1982—1988年12月平均SPEI1為-0.67，而1989—1998年12月平均SPEI1減小到-0.01；1989年—1998年—1999年—2008年，SPEI1出現(xiàn)了減小趨勢，5月、7月平均SPEI1分別為-0.07，-0.18，而1999—2008年5月、7月平均SPEI1減小到-0.52，-0.46。減小趨勢最大出現(xiàn)在晚春和初夏。此外，SPEI1從2009—2018年整體呈現(xiàn)增大趨勢，表明近幾年旱情較以往有所緩解。尤其從SPEI3，SPEI6來看1982—2018年SPEI有明顯的波動，1982—1988年干旱出現(xiàn)在冬季和早春；1989—1998年旱情逐漸得到緩解；1999—2018干旱集中發(fā)生于晚春、夏季和早冬，2009—2018年SPEI整體大幅增長。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與近幾年來氣溫、降水等氣象要素有明顯相關性。

3.4 不同時間尺度干旱發(fā)生頻率分析

本文統(tǒng)計了1982—2018年4個時間段不同程度干旱發(fā)生的頻率(表2)。在頻率統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)：SPEI1和SPEI3未出現(xiàn)特旱值，但SPEI6值在1988年出現(xiàn)4次(3月、4月、5月、7月)特旱值；1999年出現(xiàn)2次(10月、11月)特旱值；2005年出現(xiàn)2次(8月、9月)特旱值。SPEI12在1988年出現(xiàn)4次(7月、9月、10月、11月)特旱值，且都在中旱及以上；2005年出現(xiàn)3次(9月、10月、12月)特旱值；2006年出現(xiàn)3次(1月、2月、3月)特旱值。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，特、重旱的發(fā)生頻率在逐年減小，輕、中旱有波動起伏的不確定性，在干旱預防中，應該注意長時間連續(xù)的輕、中旱的發(fā)生。不同程度干旱發(fā)生頻率年際差異較大，近10 a來，不同程度干旱發(fā)生頻率有顯著的減小趨勢，主要因為受到氣象因素的影響。從整體上來看，不同程度干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)下降趨勢，表明該地區(qū)生態(tài)環(huán)境有調節(jié)和緩解干旱的可能。

圖2 1982-2018年不同時間尺度SPEI變化

表2 不同時間尺度SPEI的不同程度干旱發(fā)生頻率 %

3.5 干旱事件的空間變化特征

3.5.1 干旱發(fā)生頻率分布特征 本文根據(jù)錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站逐月SPEI值及不同級別的SPEI干旱指數(shù)，統(tǒng)計了1982—2018年各站年、季、月尺度的輕度以上干旱發(fā)生頻率，采用反距離權重插值法進行插值分析，得到錫林河流域不同時段干旱發(fā)生頻率的空間分布。研究發(fā)現(xiàn)：錫林河上游輕度以上的干旱出現(xiàn)次數(shù)總體呈現(xiàn)西多東少的特點(圖4A)，這與當?shù)亟邓蜌鉁氐淖兓?guī)律有很大的關系，西部的干旱發(fā)生頻率為51.28%～53.21%，東部的干旱發(fā)生頻率為49.35%～51.28%，年干旱發(fā)生頻率具有區(qū)域的趨勢性。春季的旱情主要出現(xiàn)在錫林河流域的中部地區(qū)(圖4B)，干旱發(fā)生頻率差異較大，干旱發(fā)生面積較大，中部干旱發(fā)生頻率為11.30%～13.51%，周邊干旱發(fā)生頻率為9.08%～11.30%。錫林河流域地處寒旱區(qū)，具有獨特地理氣候環(huán)境，該地區(qū)水資源的主要來源是夏季降雨和春季融雪[17]，春旱與春季融雪徑流有很大的關系。夏旱主要有可能發(fā)生在錫林河流域南部以及西部邊緣地區(qū)(圖4C)，干旱發(fā)生頻率為12.34%～12.95%，東北部干旱發(fā)生頻率較小，為11.72%～12.34%，干旱發(fā)生頻率具有分界性，這與當?shù)叵募窘邓袠O大關系。秋季干旱頻率由夏季的東北少西南多逐漸向錫林河流域中部移動(圖4D)，秋旱主要發(fā)生在錫林河流域北部和西部的部分地區(qū)，為11.86%～12.91%，錫林河流域中部干旱發(fā)生頻率最少，低至10.81%～11.86%。冬季干旱發(fā)生頻率普遍較大(圖4E)，干旱發(fā)生頻率為9.36%～10.81%，只有北部部分地區(qū)干旱發(fā)生頻率較小，為7.91%～9.36%。月尺度的干旱發(fā)生頻率與春季的干旱發(fā)生頻率出現(xiàn)了明顯的反差現(xiàn)象(圖4F)，且干旱發(fā)生頻率差異較大，錫林河流域中部干旱發(fā)生頻率較低，為18.92%～23.94%，錫林河流域周邊干旱發(fā)生頻率較高，為23.94%～28.95%。

圖3 不同時間尺度各時段SPEI均值變化

3.5.2 干旱強度空間分布特征 本文計算了1982—2018年錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站逐月SPEI值及不同級別的SPEI干旱指數(shù)，統(tǒng)計了1982—2018年各站年、季、月尺度的輕度以上干旱強度。

年干旱強度由西北到東南呈現(xiàn)高—低—高的趨勢(圖5A)，表明干旱嚴重區(qū)出現(xiàn)在錫林河流域中部，為15.64～12.95。春季干旱嚴重區(qū)出現(xiàn)在錫林河流域的四周(圖5B)，為5.83～4.86。夏季錫林河流域的干旱強度普遍較小(圖5C)，該錫林河流域夏季干旱較為嚴重，僅有錫林河流域北部部分地區(qū)干旱嚴重程度較低，為6.40～5.96。秋季干旱強度分布圖與春季干旱強度分布圖有明顯的反差(圖5D)，秋季錫林河流域中部出現(xiàn)嚴重的干旱現(xiàn)象，干旱強度為4.85～3.90。冬季干旱強度有增加的趨勢(圖5E)，干旱的分布范圍有減小的趨勢，僅有東南部地區(qū)干旱強度較小，為4.86～3.90。月尺度的干旱強度分布與春季的干旱強度分布較為相似(圖5F)，錫林河流域四周干旱嚴重程度高于錫林河流域中部，可見，月尺度的干旱強度分布主要受到春季干旱強度的影響。

圖4 不同時間尺度錫林河流域干旱發(fā)生頻率的時空分布

圖5 錫林河流域不同時間尺度干旱強度分布

4 結 論

(1) 本文計算了錫林浩特、東烏珠穆沁旗等11個氣象站點1982—2018年不同時間尺度的SPEI。1989年、2006年附近年份明顯產(chǎn)生了較為嚴重的干旱，不同時間尺度的SPEI整體均有增大的趨勢，表明錫林河流域干旱情況有所緩解。SPEI短、中期的干旱分析表明，特、重旱的發(fā)生頻率在逐年減小，輕、中旱有波動起伏的不確定性，在干旱預警中，應該注意長時間連續(xù)的輕、中旱的發(fā)生，且存在發(fā)生季節(jié)性集中干旱的可能。

(2) 年尺度的干旱頻率表現(xiàn)為西多東少的特點，干旱強度從西北到東南表現(xiàn)為弱—嚴重—弱的特點；春季干旱多發(fā)地位于錫林河流域中部，而四周卻是干旱嚴重區(qū)域；夏季干旱多發(fā)生于錫林河流域西南角，而這期間錫林河流域有可能發(fā)生大部分嚴重干旱；秋季干旱在西、南部區(qū)域頻率最高，而干旱最嚴重的區(qū)域在中部；冬季錫林河流域大部分干旱發(fā)生的頻率較高，干旱嚴重區(qū)在錫林河流域南部。總體而言，錫林河流域西部與南部是干旱頻發(fā)且嚴重地區(qū)。