基于SPEI的西南喀斯特核心分布區干旱時空格局分析

王永鋒, 和彩霞, 靖娟利

(桂林理工大學 a.測繪地理信息學院; b.廣西空間信息與測繪重點實驗室, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

干旱是全球最嚴重的自然災害之一, 危及人類生存環境, 已成為科學界普遍關注的重要問題[1]。在全球氣候變化背景下, 我國西南喀斯特地區干旱事件發生的強度和頻率均呈上升態勢, 對當地經濟發展和生產生活產生了重大影響[2]。西南喀斯特核心分布區, 生態環境十分脆弱, 由于其特殊的地質生態環境背景, 干旱頻繁發生。2005年云南出現了嚴重春旱, 2009—2010年云南、貴州和廣西秋冬春三季連旱, 2011年云南、貴州春旱等[3-5]。其中, 以2009—2010年的秋冬春連旱最為嚴重, 持續時間近8個月, 受旱面積達0.8×107hm2(約1.2億畝), 導致大量農作物歉收或絕收, 致使2 500萬人生活用水困難, 造成了巨大經濟損失[4]。因此, 研究西南喀斯特核心分布區干旱時空格局, 對指導政府防災減災具有重要的意義。

目前, 常用干旱指數來研究干旱特征。廣泛使用的干旱指數有Palmer干旱指數、標準化降水指數(standardized precipitation index, SPI)、標準化降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI)等, 其中SPI因計算過程僅需降水量數據, 具有多尺度特征, 適用于區域干旱監測。然而, 在全球氣候變暖的背景下, 干旱的形成及演變已不僅與降水量有關, 溫度的升高也已成為加劇干旱的重要影響因子之一[6]。因此, Vicente-Serrano等[7]在SPI的基礎上提出了SPEI, 該指數能兼顧Palmer干旱指數對潛在蒸散變化的靈敏性和SPI的多尺度特征優勢, 在區域干旱監測與評估中得到廣泛應用。以往研究表明, 西南地區年際和季節均呈干旱化趨勢[8-10], 在年際和季節尺度上表現出2～4年的顯著周期[11]; 西南地區干旱事件的強度和持續天數呈增加趨勢, 極端干旱事件強度和持續天數呈小幅減少趨勢, 總體呈干旱化趨勢[2]; 貴州省呈干旱化趨勢, 且干旱頻率和強度呈現不同程度的增加[12]; 廣西干旱在空間上分為桂東北地區、桂西北地區和桂南地區3個典型區域, 各區域干旱的時空變化和頻率分布差異顯著[13]。

以上研究成果對揭示西南喀斯特核心分布區干旱時空演變特征具有重要參考價值。然而, 現有研究時段主要集中在2015年以前, 重點研究干旱的時空演變特征, 運用經驗正交函數(empirical orthogonal function, EOF)分解分析干旱空間格局的研究不多見。鑒于此, 本文基于西南喀斯特核心分布區1902—2018年的SPEI數據集, 分析干旱的時空變化規律和時空模態特征, 以期揭示研究區近100多年干旱的時空格局, 為干旱預警及生態系統安全提供科學依據。

1 研究區概況

西南喀斯特核心分布區位于97.07°—112.45°E、20.72°—29.40°N, 行政區包括云南、貴州、廣西三省區(圖1), 屬于全球三大喀斯特集中分布區之一, 生態環境十分脆弱。研究區西鄰青藏高原, 地勢西北高東南低, 地表崎嶇, 巖溶地貌類型復雜多樣。該區地處熱帶、亞熱帶季風氣候區, 降水量季節和區域差異明顯, 多年平均氣溫和降水量大致從東南向西北遞減。區內碳酸巖大面積出露, 地表土壤瘠薄, 石漠化問題突出。區內水系發育, 屬于黃河、長江、珠江等水系源頭, 是我國重要的生態屏障。

圖1 研究區格點SPEI空間分布

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

采用的月尺度SPEI數據集(V2.6)來源于氣候研究委員會(Climate Research Unit),時間跨度為1902—2018年,空間上覆蓋全球, 空間分辨率0.5°×0.5°,以*.nc格式存儲。SPEI值的大小可以反映區域干濕程度, 其值越大表示越濕潤, 越小則表示越干旱。參照《氣象干旱等級》(GB/T 20481—2017), 將SPEI值劃分為以下等級: 極端濕潤(SPEI>2.0)、嚴重濕潤(1.5

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall突變檢驗 運用Mann-Kendall(MK)突變檢驗方法研究西南喀斯特核心分布區多尺度氣象干旱時間序列是否存在突變點, 具體計算方法參考文獻[14]。統計量UFk和UBk(k=n,n-1, …, 1)是按照干旱時間序列的順序和逆序分別計算的統計量序列, 若UFk和UBk的值大于0, 表明序列呈上升趨勢, 反之呈下降趨勢。在給定顯著水平α=0.05, 則U0.05=±1.96, 若UFk和UBk超過臨界直線時, 表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間出現交點, 則交點即為時間序列的突變點。

2.2.2 趨勢分析 用Sen-Median趨勢分析方法研究西南喀斯特核心分布區多尺度氣象干旱的長期變化趨勢, 并通過MK方法對干旱時間序列變化趨勢的顯著性進行檢驗, 具體計算公式為[15-16]

(1)

式中:β為逐像元SPEI的變化趨勢;i、j為時間序列;xi和xj分別為i和j時間的像元SPEI值。當β>0時, 表明該像元SPEI呈上升趨勢;β<0, 表明該像元SPEI呈下降趨勢。變化趨勢的顯著性用MK檢驗統計量Z值來判斷, 在給定α顯著性水平下, 如果|Z|≥Z(1-α/2), 表示研究序列在α顯著水平上存在顯著變化。當|Z|>1.65、1.96和2.58時, 表示趨勢分別通過了90%、95%和99%的顯著性檢驗。

2.2.3 經驗正交函數分解 經驗正交函數(EOF)分解是氣候變量場時空結構分解的主要方法。EOF分解的原理[17]是將某氣候變量場的觀測資料以矩陣形式表示為

(2)

式中: 將Xm×n看作是p個空間特征向量和對應的時間權重系數的線性組合,Xm×n=Vm×pTp×n, 其中,m是格網點,n是時間序列長度,T為時間系數,V為空間特征向量, 通過該過程將變量場的主要信息集中由幾個典型特征向量表現出來。本文對西南喀斯特核心分布區多尺度SPEI進行EOF分解, 根據方差貢獻的大小提取主要空間模態及其對應的時間系數, 并通過North準則對空間模態的顯著性進行檢驗[18], 揭示干旱的時空格局。

3 結果分析

3.1 干旱時間變化特征

從圖2可見, 1902—2018年西南喀斯特核心分布區旱澇交替比較頻繁, 變化速率為-0.033/10 a, 整體呈不顯著干旱化趨勢(P>0.05)。其中, 1930年以前主要為濕潤期, 1930—2003年干旱和濕潤交替出現, 2003年以后主要為干旱期。1918年SPEI值為1.88, 達到嚴重濕潤; 2009和2011年SPEI值分別為-1.69和-1.86, 達到嚴重干旱。從MK突變檢驗結果可知, 雖然UF和UB有多個交叉點, 但UF曲線未曾超過0.05顯著性水平線。1902—1936年UF曲線大于0, 其他時段以小于0為主, 表明1936年以前較濕潤, 之后呈干旱化趨勢, 但變化趨勢不顯著。

圖2 SPEI年際變化趨勢及突變檢驗

西南喀斯特核心分布區季節SPEI均呈下降趨勢(圖3), 其中SPEI在春夏冬三季均呈不顯著下降趨勢(P>0.1),春夏兩季的變化速率為-0.014/10 a,而冬季變化速率僅為-0.004/10 a;秋季SPEI呈顯著下降趨勢(P<0.05), 變化速率為-0.045/10 a, 表明研究區1902—2018年秋季干旱化趨勢顯著。統計分析表明, 春季嚴重干旱的年份有3年, 1958年最為典型, 嚴重濕潤級別以上的年份有1918和1990年; 夏季嚴重干旱的年份也有3年, 2011年最為典型, 嚴重濕潤的年份僅有1924年; 秋季在1936和2009年嚴重干旱, 1965年嚴重濕潤; 冬季達到嚴重干旱的年份包括2009和2010年, 達到嚴重濕潤的年份有5年, 1983年最為典型, 達到極端濕潤。

圖3 SPEI季節變化趨勢

從圖4可以看出, 四季UF和UB均有交點出現, 但變化趨勢有一定差異性。春季, 1934—1948年和2010年以后UF曲線以小于0為主, 但未超過0.05顯著性水平線, 表明研究區干旱化趨勢不顯著。夏季, 1918—1932年UF曲線大于1.96, 表明這個時段研究區濕潤化趨勢顯著; 1987—1997年和2006年以后SPEI以小于0為主, 但干旱化趨勢不顯著。秋季, UF和UB在1934年出現交點, 突變點后UF曲線多次超過0.05顯著性水平線, 在2003年以后干旱化趨勢顯著。冬季, UF和UB曲線未超過0.05顯著性水平線, 無突變點。

圖4 SPEI季節變化突變檢驗

3.2 干旱空間變化趨勢

從圖5可看出, 西南喀斯特核心分布區年際SPEI趨勢系數β介于-0.007 7～0.005 6, 均值為-0.003 1。SPEI呈下降趨勢的區域占比(84.2%)大于呈上升趨勢的區域(15.8%), 表現出以干旱化趨勢為主的空間分布格局。除廣西東部地區以外, 其他地區SPEI均呈不同程度的下降趨勢, 云貴高原和廣西西部喀斯特分布區干旱化趨勢尤為顯著; 其中SPEI呈顯著下降趨勢(P<0.05)的地區主要分布在云南省的昭通市、曲靖市和文山縣, 貴州省的畢節市、六盤水市和興義市以及廣西的百色市和憑祥市。SPEI呈上升趨勢的區域集中分布在廣西東部地區, 其中東北部的賀州市、鐘山縣、平樂縣和桂林市上升趨勢顯著。

圖5 SPEI年際變化趨勢及顯著性空間分布

以上分析表明, 近100多年來研究區呈干旱化趨勢, 相較于非喀斯特地區, 喀斯特地區干旱化趨勢更為顯著。

由圖6可見, 西南喀斯特核心分布區季節SPEI變化趨勢空間差異顯著。春季, 絕大部分地區SPEI呈下降趨勢(84.19%), 其中呈顯著下降趨勢(P<0.05)的區域僅占1.37%, 集中分布在云貴高原的中部和廣西的西南部地區, 表示這些地區春季干旱化趨勢顯著(圖6a)。夏季, SPEI呈上升和下降趨勢的區域占比分別為38.14%和61.86%, 其中廣西和貴州大部分地區以上升趨勢為主, 而云南和廣西西部地區以下降趨勢為主, 但絕大部分區域變化趨勢不顯著(圖6b)。秋季, SPEI呈下降趨勢的區域相較于夏季繼續向北、向東擴散, 占比達到93.47%, 其中呈極顯著下降趨勢(P<0.01)和顯著下降趨勢(P<0.05)的區域占比分別為25.37%和18.01%, 集中分布在云貴高原和廣西西北部區域, 絕大部分地區為喀斯特分布區; SPEI呈上升趨勢的區域相較于夏季縮小至廣西東部地區, 僅占6.53%(圖6c)。冬季與秋季相比, 干旱化趨勢并不顯著, SPEI呈上升趨勢的區域(42.96%)略低于呈下降趨勢的區域(57.04%), 絕大部分地區變化趨勢不顯著，其中SPEI呈顯著下降趨勢的區域僅占4.82%, 集中分布在云南的橫斷山脈地區(圖6d)。

圖6 SPEI季節變化趨勢及顯著性空間分布

以上分析表明, 近100多年來研究區四季總體均呈干旱化趨勢, 以秋季干旱化趨勢最為顯著, 喀斯特地區干旱化趨勢尤為顯著。

3.3 干旱時空模態分析

從表1可知, 西南喀斯特核心分布區年際和季節EOF分解的前3個特征值的累積方差貢獻率達到75%以上, 通過了North顯著性檢驗。因此, 前3個特征值對應的特征向量能夠較好地反映研究區近100多年來年際和季節干旱的主要空間分布特征。

表1 SPEI序列EOF分解的前3個特征向量貢獻率

3.3.1 空間分布特征 從圖7a1、a2、a3可以看出, 年尺度EOF1特征向量均為正值, 表明研究區近100多年來整體偏干或偏濕，高值區主要集中在云貴高原, 向四周呈減小趨勢, 說明云貴高原對干旱敏感。EOF2在空間上以遵義—畢節—安順—興義—文山一帶為界，呈東西反向分布特征, 空間系數呈東正西負，這說明東西干濕相反, 東部偏干則西部偏濕或東部偏濕而西部偏干；東部空間系數的高值區主要分布在廣西東北部地區, 而西部空間系數高值區主要分布在云南西部地區, 表明這些地區對干旱敏感。EOF3在空間分布上大致以貴州與廣西和云南接壤地區為邊界，呈東北—西南反向分布特征, 東北部空間系數為正、西南部空間系數為負。

在季節尺度上，EOF1特征向量均為正值, 總體呈中間高四周低的空間分布格局, 但仍具有一定差異性；春季,EOF1高值區主要分布在云貴高原, 低值區分布在貴州東北部和廣西東南部地區; 夏季,EOF1的空間分布格局與春季類似, 但高值區向中間集中; 秋季,EOF1總體以楚雄—臨滄為界, 以東為高值分布區, 以西為低值分布區; 冬季,EOF1高低值分布區以遵義—凱里—河池—憑祥為界, 以東為高值集中分布區, 以西為低值集中分布區。EOF2在空間上總體呈東—西反向分布特征, 但四季存在差異：春秋冬三季(圖7b2、d2、e2),EOF2在空間上大致以昭通—畢節—六盤水—興義—文山為界, 空間系數數值呈東正西負, 但在冬季分界線向東南方向偏移; 夏季,EOF2空間系數呈東負西正, 分界線與其他三季基本相同，這說明在季節尺度上研究區東西干濕相反, 東部偏干則西部偏濕或東部偏濕而西部偏干。EOF3(圖7b3、c3、d3、e3)在空間分布上大致以臨滄—楚雄—昆明—曲靖—百色—河池—桂林為界呈南—北反向分布特征; 春秋冬三季空間系數呈南正北負, 而夏季空間系數呈南負北正; 且夏秋冬三季, 分界線在云南省有向北偏移趨勢。

圖7 年際和季節SPEI序列EOF前3模態空間分布

3.3.2 時間變化特征 從圖8a1、a2、a3可看出, 在年尺度上EOF1對應的時間系數PC1整體呈顯著下降趨勢(P<0.05), 變化速率為-0.636/10 a，EOF2和EOF3對應的時間系數PC2和PC3均呈不顯著上升趨勢(P>0.1), 變化速率分別為0.200/10 a和0.107/10 a，說明模態1有從“全區偏濕”的空間分布形式轉化為“全區偏干”形式的顯著趨勢, 而模態2和模態3空間分布形式變動不明顯。從圖8b1～e3可知, 季節尺度上EOF對應的時間系數PC變化趨勢具有一定差異性,PC1和PC2波動比較頻繁, 而PC3波動比較平緩; 春夏冬三季時間系數PC變化趨勢絕大部分未通過P<0.1顯著性檢驗, 僅秋季PC1和PC3變化趨勢分別通過P<0.05和P<0.1顯著性檢驗。

圖8 年際和季節SPEI序列EOF前3個模態時間系數變化特征

時間系數代表了這一區域由特征向量所表征的分布形式的時間變化特征; 系數絕對值越大, 表明這一時刻這類分布形式越典型[17]。對年際和季節尺度3種模態的時間系數進行統計, 結果如表2所示。統計結果表明, 第1模態偏旱的典型年份有32年, 偏澇的典型年份有26年, 模態1共出現58年, 占比為49.57%; 其中年尺度上7年偏旱、3年偏澇, 2009和2011年干旱最為嚴重; 春冬兩季偏旱的年份略少于偏澇的年份, 夏秋兩季偏澇年份少于偏旱年份，其中2014年春季干旱最為嚴重、2009年秋冬季和2011年夏季最為偏旱。第2模態西部偏干東部偏濕的典型年份有7年, 西部偏濕東部偏干的典型年份有10年, 屬于模態2的有17年, 占比為14.53%。第3模態北部偏濕南部偏干的典型年份有7年, 而北部偏干南部偏濕的典型年份有5年, 模態3共出現12年, 占比為10.26%。由此可見, 模態1為西南喀斯特核心分布區近100多年來干旱空間分布的主要類型。

表2 不同時間尺度SPEI EOF分解的前3個模態的典型旱澇時間統計

4 討 論

本文研究結果表明，西南喀斯特核心分布區年際和季節均呈干旱化趨勢, 秋季干旱化趨勢最為顯著。王兆禮等[19]基于SPEI對中國流域尺度干旱研究表明我國年際和季節總體呈微弱干旱化趨勢, 東北、黃土高原和西南地區均呈干旱化趨勢, 而西北地區濕潤化趨勢顯著。黃晚華等[20]基于SPI對我國南方干旱的研究指出西南地區呈干旱化趨勢, 春秋兩季干旱有加重趨勢, 而夏冬兩季干旱有減輕趨勢。本文季節干旱變化趨勢與上述研究結果不完全符合的原因可能是王兆禮等[19]研究年限為31年, 黃晚華等[20]的為58年, 而本文的研究年限為117年。此外, 黃晚華等[20]所選干旱指標為SPI, 該指數未考慮熱量因子對潛在蒸散發的貢獻, 而SPEI考慮了降水量-蒸散之間的水分平衡關系, 能較好地刻畫氣候變暖背景下區域干旱[21]。王東等[8]指出西南地區年際呈干旱化趨勢, 四季大部分區域呈干旱化趨勢, 以秋季最為突出。史曉亮等[10]研究發現西南地區整體上呈微弱干旱化趨勢, 近年來干旱化趨勢有所緩解。賈艷青等[2]指出西南地區總體呈干旱化趨勢。以上有關西南地區的研究結論與本文的結論基本相符, 部分研究結果不一致的原因主要與研究范圍、研究時段有關。

2009和2011年是典型的嚴重干旱年, 其中2009年秋冬干旱、2011年夏季干旱最為典型。王素萍等[22]指出，2009年冬季至2010年春季西南大部分地區降水偏少3～8成, 云南、廣西、貴州等省(區)旱情尤為嚴重。黃榮輝等[4]研究也表明我國西南地區2009年秋季至2010年春季發生的嚴重干旱為近50年所罕見, 此次持續嚴重干旱期降水嚴重偏少40%～60%。Sun等[23]也指出2009年西南大旱是1961—2012年期間發生的最為嚴重的干旱之一, 此次大旱主要歸因于降水量偏少, 但在干旱演變過程中蒸散發也起到了決定性作用。段海霞等[5]分析表明，2011年西南地區發生不同程度的干旱, 以云南旱情最為嚴峻，截止8月底統計數據顯示此次嚴重干旱經濟損失約213億元, 云南和貴州損失嚴重, 干旱導致水資源明顯減少, 紅水河、烏江流域來水偏少8成以上, 多數水利工程干涸或接近死水位。以上分析表明, SPEI對西南喀斯特核心分布區干旱具有較好的指示作用。

西南喀斯特核心分布區干旱變化趨勢呈現出顯著的空間差異性, 喀斯特地區干旱化趨勢相較于非喀斯特地區更為顯著, 這與喀斯特地區特殊的地質環境背景密切相關。閔小瑩等[24]研究表明, 喀斯特石漠化地區復雜的人類活動和特殊的地上與地下二元水文結構以及碳酸巖豐富的節理裂隙導致了土壤水分滲漏強烈, 地表干旱缺水, 臨時性干旱嚴重。毛春艷等[25]指出，喀斯特山區地形地貌起伏大、地塊破碎, 其干旱與地形因子顯著相關。

此外, 楊金虎等[26]指出，西南地區干旱主要與大氣環流及熱帶海表溫度異常密切相關; 黃榮輝等[4]也指出西南大旱是大氣環流的嚴重異常, 導致從孟加拉灣來的水汽很難到達云貴高原, 從而引起了此地區降水長期偏少、溫度偏高。胡學平等[27]對熱帶海表溫度異常特征分析表明, 西南地區干旱受El Nino事件影響, 導致熱帶西太平洋上空對流層下層出現反氣旋環流異常, 阻礙了西南地區的水汽輸送。劉琳等[28]對西南地區旱澇演變與ENSO事件的關系研究指出, El Nino事件強度增大時西南地區的干旱事件增多。

本研究基于SPEI揭示了近100多年來西南喀斯特核心分布區干旱的時空格局, 能為研究區干旱的預警提供依據。由于干旱成因具有復雜性, 本文未對干旱的成因進行深入探討, 在后續的研究中將綜合考慮氣候、植被、地形地貌、地質背景、人類活動、大氣環流等因素對干旱的綜合影響。

5 結 論

本文基于標準化降水蒸散指數, 從年際和季節尺度揭示了近100多年來西南喀斯特核心分布區干旱時空格局, 得出以下結論:

(1)從干旱的時間演變來看, 西南喀斯特核心分布區年際SPEI總體呈不顯著下降趨勢(P>0.05); 季節SPEI均呈下降趨勢, 僅秋季干旱化趨勢顯著(P<0.05); 年尺度和季節尺度SPEI變化趨勢無顯著突變。

(2)從干旱的空間演變趨勢來看, 研究區年際SPEI總體呈下降趨勢, 云貴高原和廣西西部喀斯特分布區SPEI下降趨勢顯著(P<0.05); 季節SPEI以下降趨勢為主導, 秋季干旱化趨勢尤為顯著。

(3)從干旱時空模態分析來看, 研究區年際和季節SPEI的前3個模態分別反映了研究區干旱具有全區一致變化、東—西和南—北干濕反向的空間格局; 年尺度上第1模態對應的時間系數呈顯著下降趨勢(P<0.05); 季節尺度上不同模態對應的時間系數變化趨勢不顯著。