基于SPEI的豫北地区干旱演变特征分析.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；黑龙江大学横向课题项目（）作者简介：晋超杰（），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向为农业水土工程 通信作者：姜宁（），女，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，研究方向为农业水土资源优化利用与管理：【节水灌溉】基于 的豫北地区干旱演变特征分析晋超杰，姜 宁，孟凡香，田肖冉，施 巧（黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨）摘 要：为给豫北地区的抗旱减灾与加强水资源规划提供参考，分析该地区气象干旱时空演变特征。基于 年豫北地区 个气象站点逐月气象数据，计算标准化降水蒸散指数（），结合线性回归、突变检验、反距离权重插值（）、小波分析等方法进行豫北地区干旱时空演变特征分析。结果表明：年豫北地区不同时间尺度所有干旱事件以轻度和中度干旱为主，重度与极端干旱次之。在不同时间尺度干旱指数的变化程度差异性显著，干旱与湿润交替出现，有逐渐湿润趋势；时空上，不同尺度各站点干旱频率为。豫北地区以 为一个干湿变化周期，春、秋季节干旱集中在豫北地区中部，而夏、冬季节在豫北地区东部与西部。豫北地区干旱情况有减弱趋势，主要以轻度与中度干旱为主，季节干旱频率分布差异显著。关键词：标准化降水蒸散指数（）；突变检验；反权重插值（）；豫北地区中图分类号：文献标志码：引用格式：晋超杰，姜宁，孟凡香，等基于 的豫北地区干旱演变特征分析人民黄河，（）：，（，）：，（），（），：（）；（）；引言联合国政府间气候变化专门委员会（）第六次评估报告指出在过去的一个世纪里，全球气温平均上升，与第五次报告的 相比提高了。这意味着气候变化已成为当今及未来全球尤其是干旱和半干旱地区农业生产面临的严峻问题和重大挑战。因此，研究干旱的发生规律和变化特征，对于各地区适应气候变化以及防灾减灾决策具有重要意义。干旱是指水分异常缺少造成长时间的收支与供求不平衡现象，一般分为气象、水文、农业与社会经济干旱。其中，气象干旱是水文、农业与社会经济干旱第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，的源头，对气象干旱的研究显得尤为重要。干旱指数是定量分析干旱的基础。不同地区的气候、水文、地下水条件的不同，及干旱原因的复杂性，使我们很难用一个干旱指数来描述不同地区和不同特点的干旱状况。目前，常用的干旱指标有 帕默尔干旱指数、标准化降水指数、标准化降水蒸散指数、综合指数等。等在 年提出的 干旱指数考虑了降水与蒸发的影响，该指数多时间尺度计算简单且有空间横向或纵向比较等优点，有较强的适用性。曹永强等运用 对辽宁省气象干旱进行了分析，结果表明干旱事件交替出现，总体向湿润化方向发展，以及空间上 分布区域性明显。梁守真等研究表明黄河流域气温与 相关性较弱，与降水有更好相关性。陈淑红等研究表明虽近几十年来泾河流域总体较干旱，但年际及春夏干旱趋势有所减轻。任建成等运用 研究表明山东省的气温上升趋势显著，降水变化趋势不显著，干湿状态变化交替出现且具有明显的周期性。王芝兰等研究表明，在西北地区具有良好的适用性，且高温对干旱的影响不可轻视。近年来，被大多学者应用于干旱相关研究，同时针对计算 中的蒸散模型 与 方法被广泛应用于国内干旱研究且二者计算结果相近，根据黄婷婷等在黄河流域、路金强等在河南省的研究中基于 方法计算 验证其在豫北地区（暖温带）同样有良好的适用性。河南省位于南北气候过渡带，降水区域分布不均，受季风影响，降水年际、年内变化较大，一年中干旱时间很长。豫北地区是受干旱影响的重要地区，也是河南省重要的农副产品产区之一。随着时代的发展，干旱已成为制约豫北地区经济发展的一大瓶颈。为应对干旱并促进抗旱资源的高效利用，本文对 年豫北地区气象干旱变化特征进行分析，以期为管理层提供决策依据，也为制定防旱抗灾工作的必要性和现实性措施提供一定的数据参考。材料与方法 研究区概况豫北包括河南省北部的安阳、新乡、焦作、濮阳、鹤壁和济源 个市。西临太行山，与山西省长治市、晋城市接壤；北临漳河，与河北省接壤；南、东临黄河，与洛阳、郑州、开封三市接壤。豫北地区是重要的工业基地且经济发展较好，总面积为 ；人口数为 万人；属于暖温带大陆性季风气候区，四季分明，年平均气温 左右；年均降水量为 ，夏、秋两季降水较多（占全年降水量的）。数据来源与处理选取 个均匀分布在豫北地区的气象站点作为数据样本点，具体包括：安阳市（安阳市区、滑县、内黄县、林州市）个站点，鹤壁市（鹤壁市区、浚县、淇县）个站点，新乡市（新乡市区、原阳县、延津县、封丘县、卫辉市、辉县市、长垣市）个站点，焦作市（焦作市区、武陟县、温县、沁阳市）个站点，濮阳市（濮阳市区、清丰县、南乐县、范县）个站点与济源市 个站点（见图）。年各气象站点逐月气象数据（月降水量、平均气温、最低气温、最高气温）来源于“国家青藏高原科学数据中心”及国家地球系统科学数据中心；数据来自地理空间数据云，该数据为 分辨率数字高程产品。图 豫北地区及气象站点分布 研究方法 指数 在 基础上提出，是对降水量与潜在蒸散量的差值序列累计概率值进行正态分布后的指数，；综合考虑了温度、湿度、降水、蒸散等气象因素，并从多时空尺度稳定地评价干旱时空特征。在温度的基础上考虑了热量与日照时数的影响，这种计算蒸散量的方法适用于各种气候环境。在气候变暖背景下采用考虑降水、气温与经纬度的 方法计算蒸散量，具体方法如下。）逐月计算潜在蒸发量：（）（）式中：为依据经纬度计算的修正系数；为月平均气温；为年总加热指数；为由 决定的系数，。）逐月计算降水量和潜在蒸发量之间的差值：（）式中：为月降水量。）采用 概率分布对数据序列进行函数拟合和正态标准化处理，超过某个 值的概率为，人 民 黄 河 年第 期概率加权距 为 （）于是：（）（）（）式中：、为系数，。本文中的时间尺度为、，分别对应月尺度、季尺度、年尺度；季节的划分标准包括 月为春季、月为夏季、月为秋季、月次年 月为冬季。干旱等级根据气象干旱等级（）进行划分，见表。表 依 指数的干旱等级的划分标准干旱等级 值无旱轻度干旱中度干旱重度干旱极端干旱 趋势性分析与 突变性检验趋势性分析为线性回归方程分析法解释气候变化的趋势性特征。使用 的（）检验本质上是一种非参数检验，突变检验是在时间序列随机独立的假定下，分别计算顺序和逆序时间序列的秩序列，得到统计量 和。长时间序列的突变年份是根据这两条曲线在置信范围内的交点来确定的，以此确定豫北地区干旱时间变化突变点。干旱频率干旱发生频率用来描述豫北地区干旱发生的频繁程度。统计豫北地区气象站点 年不同时间尺度 出现的次数为，计算占（总年数 ）的比重。在空间分析时利用 软件进行反权重插值（），绘制豫北地区干旱发生频率分布图。（）式中：为干旱发生频率。小波分析小波分析能够清楚地揭示研究时间序列中的变化周期，反映该研究区不同时间尺度的演变趋势，是一种较好的周期计算工具。结果与分析 不同时间尺度 变化趋势 值大小可以反映干旱等级及干旱事件的严重性，变化趋势反映干旱演变趋势。图 为豫北地区 年不同时间尺度下 时间序列的波动情况。）从月尺度的 见图（）可以看出，短时图 豫北地区 年不同时间尺度的 变化情况间的强降水对土地的水分收支影响剧烈，的波动频率较大。在月尺度 变化趋势平缓，倾向率为，干旱趋势不明显。轻度、中度、重度、极端干旱在 年豫北地区的所有干旱事件中占比分别为、，从而看出 年以轻度、中度干旱为主。）从季尺度的 见图 （）可以看出，年干旱整体呈上升趋势，倾向率为。年波动幅度逐渐增大，相应干旱严重程度加剧，最严重的一次在 年；在 年波动呈现出平缓，其他极端干旱事件发生于 年、年、年，其中轻度、中度、重度、极端干旱占所有干旱事件百分比分别为、。）从年尺度的 见图（）可以看出，豫北干旱整体趋势明显呈上升趋势，倾向率为。人 民 黄 河 年第 期 曲线的趋势在 年呈现出下降趋势，年呈现出上升趋势，轻度、中度、重度干旱占所有干旱事件百分比为、。豫北地区 年干旱事件以中度、重度干旱为主，年出现的干旱事件以轻度干旱为主，没有极端干旱事件发生。通过上述分析可知，豫北地区 年干旱呈增加趋势，且波动周期与干旱历时随时间尺度延长而增加，倾向率从高至低，依次为年尺度、季尺度、月尺度。季节性与年际间 的突变性检验利用 突变性检验对豫北地区年尺度的 的突变情况进行分析。从图（）可以看出，年尺度以 的速率呈上升趋势。年 与 出现 个交点，并且 值正负交替出现，说明这段时间干旱状态不稳定。年 与 出现 个交点，并且 值正负的反复出现表示了干旱与湿润交替出现的规律。图 豫北地区 年不同时间尺度 突变检验曲线 为了进一步分析豫北地区四季 变化趋势，绘制了季尺度 突变检验曲线。春季见图（）以 的速率呈下降趋势，夏季见图（）、秋季见图（）和冬季见图（）分别以、和 的速率呈上升趋势。春季在 年仅有 的 为负值，其中 年达到显著湿润，说明这段时间春季偏湿润状态；年 与 共出现 个交点，并且 曲线在 以下，说明春季干旱情况多变且呈干旱化。夏季 正负交替出现，与 曲线出现 个交点分布在 年，年、年为突变年说明夏季从湿润到干旱的变化；两条曲线共出现 个交点分布在 年，表明这段时间夏季干湿状态不稳定；在 年出现 个交点，年和 年突变表明豫北地区夏季干湿反复的变化过程。秋季 和 曲线出现 个交点，年 与 曲线出现 个交点，在 年交点处豫北从湿润转为干旱，年达到极端干旱状态，年后干旱状态减弱；年出现 个交点；秋季 个交点中有 个分布在 年，说明这段时间秋季干旱与湿润状态不稳定。冬季 年 负值居多，这段时间豫北呈偏干旱状态，其中 年达到极端干旱状态；在 年 与 曲线出现 个交点，说明豫北冬季干湿状态不稳定，但总体来说在 年后有偏湿润化趋势。干旱空间分布特征根据计算得出的月尺度 值以及年尺度 值计算季节发生干旱的频率和年尺度发生干旱频率，运用反权重插值法制作干旱频率时空分布图。年豫北地区不同干旱事件的发生频率空间分布如图 所示。由图（）可见豫北年尺度干旱频率为 ，平均为。干旱频发集中在豫北东部（台前县、范县、清丰县、南乐县人 民 黄 河 年第 期及濮阳市区等干旱频率达到）和偏西部（焦作市区和温县干旱频率达），豫北南部与济源市干旱发生频率较低（为）。由图（）可知春季干旱发生频率为，其中整个豫北地区重度与极端干旱发生频率为。豫北地区的中间部位安阳市区干旱频率达到，汤阴县、鹤壁市区、淇县、卫辉市、长垣市发生干旱频率较高（为），林州市干旱发生频率最低（为）。由图（）可知夏季干旱发生频率为，沁阳市、温县、长垣市干旱发生频率最高（为），而武陟县、淇县、鹤壁市区、内黄县干旱发生频率最低（为）；整个豫北地区夏季的极端干旱频率为。由图（）可知秋季发生干旱频率为，鹤壁市区、卫辉市、辉县市发生干旱频率最高（为），其以轻度与中度干旱为主，极端干旱的发生频率在 左右；范县和台前县的干旱发生频率较低（为 ），同时秋季极端干旱频率为。由图 （）可知冬季发生干旱的频率为，其中济源、沁阳、焦作、范县等地区干旱发生频率较高（为 左右），安阳市区干旱发生频率为；整个豫北冬季重度与极端干旱发生概率为左右。图 年豫北地区年、季尺度干旱频率空间分布 综合来看，豫北地区 年干旱发生频率季节之间存在显著差异，整体干旱发生频率为秋季夏季 冬季 春季。不同尺度各站点干旱频率为，春秋季节干旱发生频率集中在豫北地区中部的安阳市与鹤壁市等地区，并且秋季干旱面积较大；而夏季、冬季干旱发生频率在豫北地区东部与西部济源市、焦作市与濮阳市等地较高。小波分析为分析豫北地区干旱周期的变化特征，对年尺度 值进行 小波分析，得出小波系数实部和小波方差图（见图）。由小波系数实部图见图（）看出，豫北地区气候演变过程在不同时间尺度上呈现出较为明显的干湿变化，近 中，豫北在 时间尺度上出现 次干湿震荡，且干湿演变周期性特征比较稳定。由小波方差图见图（）看出，豫北地区年尺度 在 时间尺度上出现 个明显峰值与 个小峰值，分别对应 时间尺度与 时间尺度，其中 时间尺度为豫北地区干旱变化主周期、时间尺度为豫北地区干旱变化次周期。由小波分析可知，豫北地区每 经过一个明显干湿变化、经过一个较小干湿变化。图 小波系数实部与小波方差人 民 黄 河 年第 期 讨论本文在研究中存在一些不足之处：）气象数据的时间序列不够长，不能充分反映豫北地区干旱的时空变化 趋 势，且 周 期 性 变 化 不 够 明 显。）采 用 方法计算蒸散量，只考虑了降水量、气温与经纬度等因素，未深入研究蒸散发与湿度、风速等其他气象因素的相关性，今后可采用 方法计算蒸散量。）影响干旱的因素很多，干旱过程较为复杂，今后研究还需要考虑植被对干旱响应、干旱持续时间、干旱影响范围与干旱强度等方面对干旱的影响进行全面分析。结论以豫北地区 个均匀分布的气象站点月降水量与气温数据资料为依据，计算干旱指数，并通过趋势分析、检验、干旱频率（反权重法）和小波分析等方法分析 年豫北地区时空演变特征。具体结论如下：）时间上，年干旱指数 随时间变化显著，月尺度与季尺度的波动频率较大、对降水量与气温等因素的敏感性突出，而年尺度干旱指数相对稳定，反映了气象干旱的年际变化特征。同时，月尺度 有较小上升趋势，季、年尺度 呈显著上升趋势，说明豫北地区干旱有减轻趋势。另外由 突变检验可知，年、季尺度 与 曲线出现多个交点说明了豫北地区干旱情况不稳定。）空间上，豫北地区的干旱发生频率区域分布存在差 异，各 市 整 体 的 干 旱 发 生 频 率 为 。春、秋季干旱频率较高发生在中部地区安阳市与鹤壁市等，而夏、冬季干旱频率较高发生在东部与西部地区济源、焦作与濮阳等；干旱强度多轻度与中度干旱，而重度与极端干旱发生频率较低，年尺度干旱频率空间上与夏、冬季干旱频率分布相似。）小波分析时间周期性显示，豫北地区干旱发生时间呈 一个明显干湿变化周期与 一个较小干湿变化周期。参考文献：姜大膀，王晓欣对 第六次评估报告中有关干旱变化的解读大气科学学报，（）：顾颖，倪深海，戴星，等中国干旱特征变化规律及抗旱情势北京：中国水利水电出版社，：施晔，梁忠民，易知之区域综合干旱随机评价模型及其应用水电能源科学，（）：，（）：王姝，李金建，秦宁生基于历史帕默尔干旱指数（）数据集重建的长江源区过去 径流量中国沙漠，（）：于家瑞，艾萍，袁定波，等基于 的黑龙江省干旱时空特征分析干旱区地理，（）：，：周丽，谢舒蕾，吴彬基于 和强度分析方法的四川冬春季干旱事件变化特征自然灾害学报，（）：，：，（）：曹永强，李可欣，任博，等基于 的辽宁省气象干旱特征及驱动因素分析水利水电科技进展，（）：梁守真，隋学艳，王猛，等基于 的黄河流域多时间尺度干湿变化分析水土保持研究，（）：陈淑红，刘宇，刘招，等基于 指数泾河流域近 年干旱时空演变特征水土保持学报，（）：，任建成，王峰，卢晓宁基于 的山东省干旱时空变化特征及趋势分析灌溉排水学报，（）：王芝兰，奚立宗，李耀辉，等中国西北地区东部近 年干旱事件特征分析 气象学报，（）：王芝兰，李耀辉，王素萍，等 年中国西北地区东部多时间尺度干旱特征中国沙漠，（）：黄婷婷，林青霞，吴志勇，等黄河流域干旱时空特征及其与 的关联性分析人民黄河，（）：路金强，甘容，杨峰，等基于 指数的河南省干旱特征及与环流指数的相关性分析中国农村水利水电，（）：赵静，张继权，严登华，等基于格网 的豫北地区干旱灾害风险区划灾害学，（）：李峥嵘，彭涛，林青霞，等三峡水库影响下长江中下游水文干旱演变及对气象干旱的响应 湖泊科学，（）：人 民 黄 河 年第 期 周丹，张勃，沈彦俊潜在蒸散量估算方法对干旱侦测指数计算 的 影 响 中 国 农 业 气 象，（）：尹世燕，毛方杰，周国模，等中国亚热带干旱多尺度时空格局及演变趋势水土保持研究，（）：范磊，吕爱锋，张文翔青海省干旱时空特征及与大气环流响应关系 干旱区资源与环境，（）：张强，邹旭恺，肖风劲，等气象干旱等级：北京：中国标准出版社，：薛华柱，李阳阳，董国涛基于 指数分析河西走廊气象干旱时空变化特征中国农业气象，（）：张余庆，项瑛，陈昌春，等赣江流域旱涝时空变化特征研究气象科学，（）：周俊菊，冯炜，向鹃，等基于 指数的近 甘肃省干旱特征分析气象科学，（）：【责任编辑 简 群】（上接第 页）曹新垲，杨琦，郝春博厌氧污泥降解萘动力学与生物多样性研究环境科学，（）：龚雪，王继华，关健飞，等再生水灌溉对土壤化学性质及可培养微生物的影响环境科学，（）：王彩霞，王毅波，刘鹏远，等渤海三湾表层水域细菌群落结构多样性及其环境因子分析微生物学通报，（）：李玉华，许其功，赵越，等松花湖水体中不同空间分布的细菌群落结构分析农业环境科学学报，（）：陈兆进，丁传雨，朱静亚，等丹江口水库枯水期浮游细菌群落组成及影响因素研究中国环境科学，（）：，（）：，（）：【责任编辑 吕艳梅】（上接第 页）程金花，秦越，张洪江，等华北土石山区模拟降雨下土壤溅蚀研究农业机械学报，（）：吕威，李淑芹，李法虎，等聚丙烯酰胺对凹凸型坡土壤侵蚀影响的室内试验农业工程学报，（）：马仁明，蔡崇法，李朝霞，等前期土壤含水率对红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响农业工程学报，（）：褚峰，张宏刚，邵生俊，等人工合成类废布料纤维纱加筋黄土力学变形性质及抗溅蚀特性试验研究岩土力学，（增刊）：覃超，郑粉莉，刘沛峰，等玉米秸秆汁土壤改良剂对黄绵土抗侵蚀能力的影响土壤学报，（）：汪明霞，程林，王卫东黄土高原水土植被系统土壤侵蚀模型研究人民黄河，（）：邵臻，张富，陈瑾，等西部黄土丘陵区不同草地土壤侵蚀对侵蚀性降雨的响应水土保持通报，（）：刘柏玲，蔡强国，史志华，等黄土土质对溅蚀特征的影响水土保持研究，（）：周春梅，王宇，吕雷，等雨滴溅蚀下压实黄土变形破坏规律研究水文地质工程地质，（）：，【责任编辑 张智民】人 民 黄 河 年第 期