三峽庫區氣象干旱演變特征及致災因子危險性評價

鄭金濤,彭 濤,2,3,董曉華,2,3,劉 冀,2,3,常文娟,2,3,林青霞,2,3,王佳寶

(1.三峽大學 水利與環境學院,湖北 宜昌443002;2.水資源安全保障湖北省協同創新中心,武漢 430072;3.三峽庫區生態環境教育部工程教育中心,湖北 宜昌 443002)

近年來，由于全球各種極端氣象災害事件的頻發和氣候變化的直接影響，干旱逐漸成為對人類影響最大的自然災害之一[1]，對人類經濟社會發展和生態環境狀況等都造成了巨大影響[2]。我國北方大部和南方部分地區頻繁發生的干旱以及由于干旱缺水所造成的社會、經濟和生態環境損失巨大，對我國經濟社會的可持續發展產生嚴重影響[3]。據統計，平均每年我國旱災受災面積占比高達55%，在各類自然災害中所占比例最大，干旱區域的擴展在近30 a里表現為由北向南、由西向東的趨勢[4]。因此，研究區域氣象干旱的演變特征及致災因子危險性，對于區域干旱預警和防旱減災具有重要意義。

干旱現象是指某一地區水分條件較當地自然正常情況持續性偏少的一種自然現象[5]，主要分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱[6]，其中氣象干旱評估是農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱的監測和預警的基礎[7]。近年來，國內外學者對不同地域的不同氣象干旱開展了許多深入研究，提出了綜合氣象干旱指數[8]、帕爾默干旱烈度指數(PDSI)[9]、降水距平百分率指數(Pa)、GEV干旱指數[10]、SAPI 指數[11]、降水平均等待時間指數(AWTP)[12]、標準化降水蒸散發指數(SPEI)[13]、標準化降水指數(SPI)[14]等氣象干旱指數。鄒旭愷等[15]采用綜合氣象干旱指數CI對過去60 a我國及十大江河流域的干旱變化趨勢進行了分析統計；張永等[16]對61 a來我國西北地區的季節均值和年均值利用帕爾默干旱指數進行了分析；Vicente-Serrano等采用SPEI對全球變暖和全球干旱氣候進行分析，發現SPEI是一種對全球變暖敏感程度較高的干旱指數；對以上干旱指數的比較表明，SPI指數計算方便、能有效地消除降水時空分布差異，可以反映不同時期各個地區的旱澇狀況[17]。

三峽庫區作為重要的生態廊道，對推進長江流域的經濟社會可持續發展具有不可替代的作用。庫區屬亞熱帶季風氣候，受降水及地形地貌等因素的影響，干旱已經成為三峽庫區最常見、影響最廣的氣象災害[18]。目前，國內學者對于三峽庫區的干旱變化特征作了許多研究。如何永坤等[19]應用干旱動態評估指數，分析了三峽庫區春旱、夏旱和伏旱的變化，并預測三峽工程建成后庫區的干旱程度將有所降低；張強等[20]分析了三峽庫區2006年夏季的氣候特征，同時根據降水資料詳細剖析了高溫和干旱的主要成因；葉殿秀等[18]利用三峽庫區1961—2006年逐日降水量等資料，分析得出庫區年平均干旱日數緩慢增長；劉曉冉等[21]依據三峽庫區近58 a的降水數據，采用Z指數對三峽庫區夏季干旱和洪水的變化進行了分析。但上述研究側重單一干旱特征變量分析庫區的氣象干旱時間變化規律，忽視了干旱多變量空間演變的屬性特征，且對氣象干旱因子致災危險性評價研究甚少。基于此，本文選用SPI指數、采用干旱強度、站次比和干旱頻率等指標研究三峽庫區氣象干旱多變量的時空分布特征，并對三峽庫區季尺度干旱致災因子危險性空間格局進行評價，為三峽庫區干旱評估和可持續水資源管理提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

三峽庫區位于長江上游，涉及因三峽水庫修建而被淹沒的湖北省秭歸縣、興山縣、夷陵區、巴東縣以及重慶市巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開縣、萬州區、忠縣、涪陵區、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區、渝北區、巴南區、江津區和重慶核心城區等，總面積約為5.8萬km2。庫區年降水量1 000～1 400 mm，降水主要集中在4—9月，年平均氣溫17～19℃。研究表明，三峽水庫蓄水后庫區年降水量并沒有發生顯著變化[22]。三峽庫區的主要地貌特征為東南地勢高，西北地勢低，高差較大。

1.2 數據來源

本文所用數據資料全部來自中國氣象科學數據共享服務網(https:∥www.nmic.cn/)提供的湖北省、四川省和重慶市共54個氣象站的降水資料，從中選取三峽庫區及周邊地區18個氣象站1960—2015年的逐日平均降水資料，其中缺測的2個站點的部分月份采用線性回歸插補進行處理，即將其他相鄰站點歷年相同月份的數據做時間序列回歸處理，以保證數據的完整性。

1.3 研究方法

1.3.1 標準化降水指數(SPI指數) 標準化降水指數(SPI)結構簡單[23]，在降水時空分布不同的情況下可以相互進行比較，由于降水是偏態分布[24]，所以可采用指數中的Г分布來計算相應時段內降水量的累計概率分布，計算公式如下：

(1)

(2)

當G(x)>0.5時，G(x)=1.0-G(x)，S=1；G(x)≤0.5時，S=-1。其中G(x)是降水分布概率；X為降水量值；S為概率密度正負系數，G(x)由以下公式計算：

(3)

式中：β，γ分別為Γ分布函數的形狀和尺度參數；c0=2.515 517；c1=0.802 853；c2=0.010 328；d1=1.432 788；d2=0.189 269；d3=0.001 308。SPI指數對應的干旱等級劃分見表1[25]。

表1 基于SPI指數的干旱等級劃分

1.3.2 游程理論 游程理論是一種對時間序列進行分析的統計方法[26]，常用于干旱事件的識別。首先計算出SPI值，然后使用游程理論將干旱歷時(一次干旱事件所持續的時間)和干旱強度(在干旱事件過程中SPI的累計值的相反數)這兩個特征變量分離。設定X0，X1和X2(X表示SPI值)為判斷干旱事件的3個截取水平，利用如下過程對干旱事件進行識別[27]：

(1) 如果某月的SPI值小于X1(取-0.5，為發生輕微干旱時的SPI值)時，則此月初步判定為干旱；

(2) 如果某次干旱事件的歷時為1個月，當其SPI值大于X2(取-0.3，為1個或多個時段判斷干旱事件發生最大值)，則可以認為此月未發生干旱，劃分為非干旱事件；

(3) 如果某2次干旱事件發生的時間間隔為1個月，且間隔月的SPI值小于X0(取0)，可以將這2次發生的干旱事件綜合為1次事件。

1.3.3 干旱評估指標 (1) 干旱頻率(Pi)。在研究某個區域內某站點在某年份內發生干旱的頻繁程度，通常采用干旱頻率進行計算評價，計算公式為[28]：

(4)

式中：i表示不同測站代號；n表示此站發生干旱的年數；N表示資料序列總年數。

(2) 干旱強度(Sij)。如果對某區域內干旱嚴重程度進行評價，可以用某單站某時段內的SPI絕對值，即干旱強度來代表。干旱強度越小，代表此地干旱情況不明顯。計算公式為[29]：

(5)

式中：i為不同測站代號；j為某年份；m為發生干旱的站數。

(3) 干旱站次比(Pij)。在某區域內干旱發生的站數與全部測站數的比叫做干旱站次比，表示干旱影響的程度和嚴重性，計算公式為：

(6)

式中：j為不同年份；m為某年發生干旱的站點數；M為站點總數。

1.3.4 Mann-Kendall檢驗法 Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K檢驗)是一種廣泛應用于水文氣象要素時間序列趨勢分析的非參數統計檢驗方法。在M-K趨勢檢驗中，當|Z|大于等于1.96，2.32時，說明分別通過了95%和99%信度檢驗。Z值大于0表示上升趨勢，小于0表示下降趨勢。若在M-K檢驗中所繪制的UF和UB曲線有交點，且交點同時位于在臨界線內，則交點的時刻為突變開始的時間[30]。

1.3.5 干旱致災因子危險性評價 干旱災害致災因子危險性評價是通過干旱強度和干旱頻率綜合評價一個地區的干旱災害的危險性等級，用干旱災害致災危險性指數R來表示，計算公式如下[31]：

Ri=Pi×Si

(7)

式中：i表示站點編號；P表示干旱頻率；S表示干旱強度。計算得出的干旱災害致災危險性指數還需要進行歸一化處理。計算公式如下：

Di=(Ri-Rmin)/(Rmax-Rmin)

(8)

式中：i表示站點編號；D表示干旱災害致災危險性指數歸一化值；Rmax表示干旱災害致災危險性指數序列最大值；Rmin表示干旱災害致災危險性指數序列最小值，等級劃分表見表2[32]。

表2 干旱災害致災危險性指數等級劃分

2 結果與分析

2.1 三峽庫區氣象干旱時間變化特征

2.1.1 SPI指數變化趨勢及突變特征 由圖1得知，1960—2015年三峽庫區年尺度的SPI值呈現下降趨勢，下降速率為0.049/10 a；SPI值上下震蕩劇烈，但總體表現為平緩下降趨勢，有逐漸干旱化的趨勢。從年尺度的SPI值來看，氣象干旱主要發生在1960—1967年、1975—1979年、1993—1997年、2000—2007年和2008—2014年，其中以2006年旱情最為嚴重(重旱)，SPI值達-1.624。1986—2015年，SPI值波動起伏明顯，說明極端洪澇和干旱事件發生頻繁且強度相對較大。M-K檢驗的UF曲線結果顯示，近56 a來三峽庫區的SPI指數總體呈現下降趨勢，在1964年超過了0.05檢驗線，其余年份均在0.05顯著性水平檢驗線以內，UF，UB相交在1989年，說明1989年為突變年份。

圖1 1960-2015年三峽庫區SPI指數的年際變化及M-K突變檢驗

2.1.2 干旱強度和站次比的變化趨勢 由圖2可知，三峽庫區56 a來各季節站次比都呈現逐年上升趨勢，但上升趨勢較緩慢，整體變化較穩定；干旱強度春、冬兩季呈現下降趨勢，夏、秋兩季呈現上升趨勢。值得注意的是，秋季干旱強度與干旱站次比增加較為明顯，皆為四季最高值。

圖2 1960-2015年三峽庫區各季節干旱站次比和干旱強度變化趨勢

春季，三峽庫區干旱站次比為0%～88.89%，最大值發生在1965年。干旱站次比總體呈現緩慢增長趨勢，平均增長率為0.013/10 a，共有7 a全域無干旱事件發生；自1990年后干旱站次比在50%以上的區域性干旱事件頻繁發生，說明近30 a來春季干旱區域較大；干旱強度波動與站次比波動相似度較高，干旱強度變化趨勢率為0.025/10 a，呈現緩慢下降趨勢。在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發生年份占14.29%，輕微干旱年份占44.64%，中度干旱年份占33.93%，重度干旱占7.13%。

夏季，三峽庫區干旱站次比發生范圍為0%～94.44%，最大值出現在2005年。干旱站次比趨向緩慢增長，平均增長率為0.004/10 a，在四季中平均增幅最小。共有9 a全域無干旱事件發生，1980—2007年全域無干旱事件發生較為集中，共發生8次；干旱站次比在50%以上的區域性干旱事件在56 a中分布較為均勻；干旱強度變化趨勢率為0.016/10 a，呈現緩慢上升趨勢。2006年干旱強度為歷年最大值。在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發生年份占16.07%，輕微干旱年份占46.43%，中度干旱年份占33.93%，重度干旱占3.57%。

秋季，三峽庫區干旱站次比發生范圍為0%～88.89%，最大值出現在1998年、2009年。干旱站次比呈現較明顯增長趨勢，平均增長率為0.05/10 a，在四季中平均增幅最大。1960—1989年全域無干旱事件發生較為集中，共發生10次；干旱站次比在50%以上的區域性干旱事件在1990年后頻繁發生；干旱強度變化趨勢率為0.084/10 a，呈現較為顯著上升趨勢，為四季中最高。干旱強度最大發生在1991年，在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發生年份占19.64%，輕微干旱年份占44.64%，中度干旱年份占35.72%，重度干旱占0%。

冬季，三峽庫區干旱站次比發生范圍為0%～88.89%，最大出現在1983年、1993年、2009年。干旱站次比趨向緩慢下降，平均下降率為0.024/10 a。共有1 a全域無干旱事件發生，為1992年；干旱站次比在50%以上的區域性干旱事件發生地區廣，發生年份均勻分布在56 a間，值得注意的是，2009—2013共五年連續發生區域性干旱事件；干旱強度變化趨勢率為0.022/10 a，呈現緩慢下降趨勢。干旱強度最大值發生在1961年；除1986—1994年波動較為明顯外，其余年份干旱強度均在平均值上下波動。在1960—2015年56 a中，不明顯干旱發生年份占1.79%，輕微干旱年份占28.57%，中度干旱年份占60.71%，重度干旱占7.13%，干旱較其余三個季節更明顯。

2.2 三峽庫區氣象干旱空間演變特征

2.2.1 氣象干旱變化趨勢空間分布特征 采用M-K檢驗和克里金(Kriging)空間插值方法，對三峽庫區氣象干旱不同季節的趨勢變化及空間分布特征進行分析，見圖3。從圖3可知，春季SPI指數在三峽庫區東北部總體呈現下降趨勢，其中奉節站周邊大部分地區表現為顯著下降趨勢；而西南部總體趨向不顯著上升；夏季SPI值在三峽庫區北部整體表現為不顯著上升趨勢，南部則呈不顯著下降趨勢；秋季SPI指數在整個區域均表現為下降趨勢，其中利川和奉節站、興山站附近地區呈現顯著下降趨勢，這說明秋季干旱化趨勢顯著；冬季SPI值在三峽庫區中部和西部大部分地區呈現不顯著下降趨勢，但東北地區趨向不顯著上升，主要分布在巴東、興山、五峰和宜昌站附近。

圖3 1960-2015年三峽庫區不同季節氣象干旱變化趨勢M-K檢驗

2.2.2 氣象干旱頻率空間分布特征 由圖4可知，春、夏、秋呈現明顯相似性，都表現為興山、巴東站附近地區干旱頻率最小，但干旱頻率較高的空間分布有所不同。春季干旱頻率平均值為29.6%，從三峽庫區西南部向東北部逐漸減小，最高值在合川站，為35.7%；最低值在興山站，為3.6%；夏季干旱頻率平均值為29.9%，最高值位于三峽庫區西南部的合川站和中部的萬州站，干旱頻率均為37.5%，最低值位于興山站，為0%；秋季干旱頻率平均值為30.7%，最高值出現在利川站，干旱頻率41.1%；最低值出現在興山站，為10.7%；冬季干旱頻率空間分布與其它三個季節相反，干旱頻率高值區出現在三峽庫區東北部，最高發生在興山站，為56.4%；最低發生在長壽站，為28.6%。冬季干旱頻率平均值為33.6%，較春、夏、秋、年平均值都要高，說明三峽庫區冬季較其它季節旱情更為嚴重，且隨著春、夏、秋、冬四季的變化，干旱頻率逐漸增加。

圖4 1960-2015年三峽庫區不同季節的干旱頻率空間分布

2.3 干旱致災因子危險性等級的空間分布

從圖5可以看出，三峽庫區干旱危險性整體表現為中等和較低級別，其中春、夏季危險性等級的空間分布較為均勻，總體分別處于中等和較低等級，秋、冬季總體均處于中等級別，但部分地區具有較高和高危險性等級，存在明顯的地區差異。春季三峽庫區干旱危險性全域處于較為均勻的中危險性等級，僅在萬州、利川站附近干旱具有較低危險性等級，地區差異化不明顯；夏季三峽庫區干旱危險性全域處于均勻的較低等級，在萬州、利川、沙坪壩站附近干旱危險性級別呈中危險性等級，地區差異性為四季中最小；秋季三峽庫區干旱危險性分布較春、夏季差異化明顯，但全域大部分仍表現為中危險性等級，在利川、沙坪壩、江津和綦江站干旱危險性等級較低，而興山、奉節、萬州和合川站附近干旱危險性等級相對較高，其中萬州站級別最高，呈高危險性等級，其余興山、奉節和合川站則呈較高危險性等級；冬季三峽庫區干旱危險性分布總體與秋季分布相似，即三峽庫區大部分地區表現為中危險性等級，興山、奉節和豐都站氣象干旱危險性級別較低；巴東、五峰、萬州、沙坪壩和綦江站表現為較高危險性等級，江津站表現為高危險性等級。

圖5 1960-2015年三峽庫區各季節氣象干旱致災危險性等級的空間分布

3 結 論

基于1960—2015年三峽庫區及周邊地區18個控制氣象站的降水資料，采用標準化降水指數SPI對三峽庫區的氣象干旱演變特征及其致災因子危險性進行分析，得到以下主要結論：

(1) 近56 a來三峽庫區年尺度的SPI值呈平緩下降趨勢，20世紀80年代后極端旱澇事件頻發，突變年份為1989年；

(2) 三峽庫區季尺度干旱變化趨勢空間分布差異性較顯著，春季三峽庫區東北部呈下降趨勢，而西南部總體趨向不顯著上升，夏季則相反；秋季全域性下降趨勢較為明顯；冬季除東北部分地區外，均呈不顯著下降趨勢；

(3) 三峽庫區各季節干旱站次比逐年緩慢上升，且隨春、夏、秋和冬季逐漸增大，但整體變化較穩定；干旱強度春、冬季下降，夏、秋季上升，秋季干旱強度與干旱站次比增加趨勢為四季最高，干旱強度按冬、春、夏和秋季順序逐漸減小；

(4) 三峽庫區干旱頻率空間分布特征在春、夏和秋季具有相似性，即表現為西南地區干旱頻率較大，東北地區干旱頻率較小，冬季則相反；干旱頻率大小隨春、夏、秋和冬季逐漸增大，冬季旱情最為嚴重；

(5) 三峽庫區季尺度干旱致災危險性的空間分布整體表現為中、低危險性等級，春、夏季分布較為均勻，為中、低等級；秋、冬季在局部地區存在較高和高危險性等級，總體為中危險性等級。干旱致災危險性按秋、冬、春和夏季順序遞減。