基于SPI指數的白洋淀流域干旱演變特征分析

劉叢偉, 胡珊珊, 張 濤, 楊 展

(1.首都師范大學 資源環境與旅游學院 水資源安全北京實驗室, 北京 100048; 2.自然資源部 國土衛星遙感應用中心, 北京 100048)

干旱是世界上最主要的自然災害之一，其發生頻率高、持續時間長、影響范圍廣[1]，可造成水資源短缺、糧食減產與土地退化等一系列問題[2]。IPCC的特別報告指出，全球氣溫與工業化前相比約高出1℃，氣候變暖將加劇全球干旱災害的發生頻率[3-4]。據統計，我國在2012—2016年由旱災所造成的經濟損失高達2 889.7億元，約占全部氣象災害所造成損失的15.6%。20世紀50年代以來，白洋淀受自然因素和人類活動的影響，濕地面積萎縮，干淀事件頻繁發生，嚴重制約了流域的社會經濟發展[5]。白洋淀流域是我國重要的淡水產品生產基地，也是海河流域大清河水系中重要的蓄水樞紐，承擔著緩洪、治澇和蓄水灌溉的重要任務[6]。此外，白洋淀流域位于雄安新區上游，是其重要的水源涵養區和生態屏障。隨著雄安新區的建設，流域的人口和產業必將發生跨越式增長，因此，及時準確地開展干旱時空分布和演變規律研究，有助于科學有效地實施防旱減災措施，保障新區的建設發展。

干旱指數是干旱監測的基礎[7]，國內外學者提出了眾多的干旱指數對干旱特征進行量化研究，主要包括：綜合氣象干旱指數(CI)[8]、帕爾默干旱烈度指數(PDSI)[9]、降水距平百分率指數(Pa)[10]、廣義極值干旱指數(GEV)[11]、標準化降水蒸散發指數(SPEI)[12]、標準化降水指數(SPI)等[13]。其中，基于降水資料的SPI指數計算簡單，穩定性好，具有多時間尺度和時空可比性等優勢，在國內外的干旱監測中得到廣泛應用[14]。Hayes等[15]基于SPI指數對美國南部平原和西南部進行了研究，其監測干旱的結果優于PDSI指數；Ogunjo[16]采用SPI指數分析了尼日利亞不同尺度下的干旱特征和干旱演變規律；眾多研究證明了SPI指數在干旱監測方面具有良好的適用性和可靠性。

盡管對白洋淀流域所屬海河流域的干旱相關研究很多，但有關白洋淀流域的研究較少，且多以站點數據作為研究基礎。本文基于0.1°分辨率的格點降水數據，采用SPI指數分析白洋淀流域在年和季節尺度下干旱的時空分布特征和變化趨勢，研究結果一方面可為流域抗旱減災和雄安新區生態保護提供理論依據，另一方面可對白洋淀流域干旱研究空白進行補足。

1 研究區概況

白洋淀流域位于海河流域中部，地跨晉、冀、京3省市(113°39′—116°20′E，38°23′—40°09′N)，流域面積約3.0×104km2，海拔高差約2 500 m。流域地勢整體為西北高、東南低，包括大清河山區和淀西平原兩部分，其中西北部山區面積16 536 km2，占53%，東南部平原面積14 700 km2，占47%。白洋淀流域屬暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，平原區年平均氣溫12.7℃，山區7.4℃。流域多年平均降水量563.9 mm，80%的降水量集中在7—9月這3個月的汛期內。受地形的影響，降水量空間差異較大，其中太行山迎風坡前降雨較大，平原和背風坡較小，流域內不同地區年降水量最大值是最小值的3倍[17]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究所用數據包括降水格點數據和干旱災害歷史記錄資料。其中計算SPI指數所用的數據來源于國家青藏高原科學數據中心(http:∥data.tpdc.ac.cn/)發布的中國區域地面氣象要素驅動數據集[18]的月值數據，包括1979—2018年研究區所在的379個格網的降水數據，時間分辨率為3 h，水平空間分辨率為0.1°[19]。干旱災害歷史記錄資料來源于《中國氣象干旱大典(河北卷)》和《中國氣象災害年鑒》，用于驗證歷史階段的干旱特征。

2.2 研究方法

(1) SPI指數計算原理。SPI指數是由美國學者Mckee等[13]提出，可以對不同時間尺度的區域干旱進行定量化的表征[20]。SPI指標考慮了降水服從偏態分布的事實，對降水進行了正態標準化處理，具體計算見參考文獻[21—22]。

根據SPI的正態分布曲線，參照國家氣候中心的劃分標準劃分旱澇等級，確定相應的SPI界限值：SPI值為0～0.5為無旱或正常，0.5～1為輕微干旱，1～1.5為中等干旱，1.5～2為重度干旱，≥2為極端干旱[23]。

不同時間尺度下的SPI值具有不同的物理意義，其中SPI3反映了短期土壤的水分盈虧，與農業干旱關系密切；SPI12能較清楚地反映長時期的旱澇變化規律。故此，本文選用SPI3和SPI12分別表征季節尺度和年尺度的干旱變化特征。

(2) 干旱頻率。干旱頻率Pi指某格點i有資料年份內發生干旱的年份占比[24]，計算公式如下：

(1)

式中:N為某站有氣象資料的年數；n為該站發生干旱的總年數。

(3) 干旱面積比。干旱面積比Sd指發生干旱的格點數在流域總格點數中的占比，計算公式如下：

(2)

式中:S1為干旱格點數；S2為流域總格點數。

(4) Mann-Kendall非參數性檢驗。在時間序列趨勢分析中，Mann-Kendall非參數性檢驗法是一種已廣泛使用的非參數檢驗方法[25]。通過對檢驗的統計變量進行標準化得到統計量Z，若Z>0，則序列呈上升趨勢；若Z<0，則序列呈下降趨勢。本文中所描述的顯著性檢驗均為|Z|≥1.96，表示序列通過了95%的顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 白洋淀流域干旱頻次分布特征

根據干旱等級劃分標準，將計算得到的SPI值劃分為年尺度和季節尺度，并歸納不同等級的干旱頻次。從圖1可以看出，研究區域發生輕旱的頻次最高，中旱次之，其次為重旱，發生頻次最少的為特旱。在年尺度上，干旱年份共有12 a，占全部年份的30%，1981年、1984年、1997年和2001年達到重旱。春季干旱年份共有16 a，占全部年份的40%，1996年與2013年達到重旱；夏季干旱年份共有15 a，占全部年份的37.5%，1997年達到重旱；秋季干旱年份共有13 a，占全部年份的32.5%，2006年與2018年達到特旱；冬季干旱份共有14 a，占全部年份的35.9%，1999年與2012年達到特旱?？傮w來看，春季和夏季干旱頻次較高，冬季和秋季干旱頻次較低，但是特旱集中分布在秋季和冬季。

圖1 年尺度和季節尺度干旱頻次分布

3.2 白洋淀流域干旱時間變化特征

圖2為1979—2018年白洋淀流域年尺度和季節尺度干旱指數變化曲線，由圖可知流域年、秋季和冬季干旱指數呈波動上升趨勢，線性傾向率分別為0.05/10 a，0.32/10 a，0.16/10 a；流域春季和夏季干旱指數呈下降趨勢，線性傾向率均為-0.06/10 a。采用M-K法對其進行顯著性檢驗，年、春季和夏季均未通過顯著性檢驗，秋季和冬季通過顯著性檢驗，結果表明1979—2018年白洋淀流域年尺度呈微弱的濕潤趨勢，春季和夏季呈弱變干趨勢，秋季和冬季呈較為明顯的濕潤趨勢。

圖2 1979-2018年白洋淀流域年尺度與季節尺度的干旱指數變化

圖3為白洋淀流域年尺度和季節尺度干旱面積變化圖。從圖中數據進一步分析可知，1979—2018年白洋淀流域年尺度干旱面積比的均值為31.2%，春、夏、秋、冬4個季節的干旱面積比均值分別為35.5%，31.9%，32.4%，31.4%，表明干旱面積在整個流域占比較高，春季流域發生干旱的面積最大，其他季節干旱發生面積相差較小。采用M-K法對其進行顯著性檢驗，年尺度干旱面積呈不顯著減少趨勢，春旱和夏旱的面積呈不顯著增加趨勢，冬旱面積呈不顯著減少趨勢，秋旱的面積呈顯著減少趨勢。

圖3 白洋淀流域年尺度和季節尺度干旱面積變化

3.3 白洋淀流域干旱空間分布特征

白洋淀流域年尺度干旱頻率空間分布見圖4，年尺度下不同等級干旱發生頻率在空間上差異較大。白洋淀流域輕旱發生頻率在2.5%～25%，大清河北部山區、淀區平原南部和東南邊緣都是輕旱的高發區域；中旱發生頻率在0～22.5%，流域東北部山區向平原區過渡的丘陵區和平原區是高發地帶；重旱發生頻率在0～12.5%，大清河山區北部是發生頻率較高的地區；特旱發生頻率在0～2.5%，在大清河山區的西部和淀區平原南部偶有發生?？傮w來看，下游平原區發生輕旱和中旱的頻率高于上游山區，但上游山區發生重旱和特旱的頻率更高。

圖4 白洋淀流域年尺度干旱頻率空間分布

圖5為白洋淀流域季節尺度下干旱頻率空間分布，由圖可知不同等級干旱的發生頻率空間分布呈現明顯的差異性。輕旱發生頻率最高可達30.8%，且在整個流域分布都較為廣泛，春冬頻發的區域范圍大于夏秋；中旱發生頻率最高可達25.6%，在不同季節的高頻分布區域具有較大差異，春季最廣泛，冬季次之，其次是夏季和秋季，較高頻率的地區位于大清河山區南部和淀區平原北部；重旱發生頻率最高為15.4%，秋季分布地區最廣泛，頻率較高的地區集中在淀區平原北部；特旱在全年發生的頻率均低于2.5%，主要出現在大清河山區西部和淀區平原南部。

圖5 白洋淀流域季節尺度干旱頻率空間分布

4 討 論

本文結果表明白洋淀流域1979—2018年年尺度上呈干旱緩解趨勢，季節尺度上春季和夏季呈現弱干旱趨勢，秋季和冬季呈現較為明顯的濕潤化趨勢。此前有研究表明海河流域在1980—2017年干旱呈緩解趨勢，春末濕潤化趨勢顯著，夏季呈干旱趨勢[26-27]，其結果與本文研究得到的結論基本一致。本研究檢測表明白洋淀流域在1981年、1984年、1997年和2001年出現了重度干旱，而《中國氣象干旱大典(河北卷)》記載顯示：1981年出現春旱和秋旱，降雨比常年減少40%，海灤河系600多條支流斷流；1984年河北全省地下水顯著下降，淺層地下水比1983 年下降 1.5 m；1997年出現全省范圍特大干旱。檢測年份和年鑒記載的干旱年份基本吻合，說明基于SPI干旱指數可以較好地反映白洋淀流域干旱年份與干旱等級。

在季節尺度下，流域春夏季呈弱干旱趨勢，秋冬季呈明顯緩解趨勢。分析春夏季干旱原因，一方面由于研究區位于華北平原，降雨集中分布在7—8月份，春季降雨量少，在蒙古大陸性氣團的影響下，春季氣溫回升速度快，且風速較大，氣候干燥，蒸發量較大[28]。另一方面夏季研究區受蒙古高壓和西太平洋副熱帶高壓的增強及位移影響，導致水汽難以輸送至流域，降水隨之減少[29]。加之近年來暖干氣候逐漸發展，因此流域春、夏季干旱呈加重趨勢，如1986年、1989—1990年、1992—1993年、2007年均出現了春夏連旱。

干旱對于白洋淀流域具有不可忽視的負面影響，由于干旱頻繁發生，白洋淀在過去的幾十年中，曾遭遇過數次的干淀與萎縮情況，淀區的水質和水生態趨向惡化，地下水位趨于下降[30]。隨著雄安新區的建設，流域內工業和城市用水必然會增加，干旱的頻繁發生將導致地面徑流減少甚至斷流，會加劇地下水使用甚至超采，產生地下水漏斗等隱患危害流域內人民生命財產安全[31]。此外，本文研究表明白洋淀流域春夏季干旱情況趨向加重趨勢，春旱對于流域內春季農作物耕種具有不利影響，而春夏連旱此種持續的大范圍干旱將會影響工農業生產用水，進而成為流域內工農業的建設發展的重大阻礙。

盡管本文的研究結果顯示近年來白洋淀流域的氣象干旱情況呈現緩解趨勢，但諸多研究表明白洋淀流域的濕地面積仍然在快速萎縮[32]，河流徑流量顯著減少[33]，水生態狀況呈惡化趨勢[34]，地下水位為多年下降狀態[35]。這說明盡管氣象干旱沒有明確的干旱化趨勢，但是水文干旱和社會經濟干旱仍舊在持續發展。因此，在研究白洋淀流域氣象干旱的基礎上，未來將進一步開展氣象干旱向水文干旱的傳播過程研究。

5 結 論

(1) 研究區域發生輕旱的頻次最高，其次為中旱，再后為重旱，發生頻次最少的為特旱，春季和夏季干旱頻次較高，冬季和秋季干旱頻次較低，但是特旱集中分布在秋季和冬季。

(2)干旱面積在整個流域占比較高，年尺度和季節尺度干旱面積占比均值均超過30%，春季流域發生干旱的面積最大；1979—2018年白洋淀流域年尺度呈微弱的濕潤趨勢，干旱面積呈不顯著減少趨勢；春季和夏季呈弱變干趨勢，干旱面積不顯著增加；秋季和冬季呈較為明顯的濕潤趨勢，秋季干旱面積顯著減少。

(3) 不同等級的干旱發生頻率空間分布呈現明顯的差異性，大清河北部山區、淀區平原南部和東南邊緣是輕旱的高發區域，東北部山區向平原區過渡的丘陵區和平原區是中旱的高發地帶，大清河山區北部是重旱發生頻率較高的地區，特旱僅在大清河山區的西部和淀區平原南部偶有發生。