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        基于SPI的近53 a寧夏干旱時空演變特征研究

        2014-09-13 10:06:36劉普幸曹立國雍國正
        水土保持通報 2014年1期
        關鍵詞:春旱寧夏回族自治區(qū)季節(jié)

        王 允, 劉普幸, 曹立國, 高 原, 雍國正

        (1.西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 甘肅 蘭州 730070;2.南京大學 海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210046)

        近年來,中緯度地區(qū)氣候暖干化是全球氣候變化最顯著的特征,它帶來的主要問題之一是全球范圍的干旱問題日趨嚴重[1]。干旱對社會生活和經濟發(fā)展的影響之大、范圍之廣、持續(xù)之久、危害之深,超出了其他任何自然災害[2]。中國每年因旱災造成糧食減產和經濟損失約占因氣象災害造成經濟總損失的50%,這決定了干旱問題研究的復雜性、艱巨性和必要性[3-4]。氣候干旱問題早在1930年就受到關注[5]。然而,對氣候干旱問題的系統(tǒng)研究卻始于1980年中期以后,并取得了較好的成果。干旱評估指標是研究干旱氣候的基礎,也是衡量干旱程度的關鍵環(huán)節(jié),因此,確定一個客觀、合理的干旱指標就顯得更為重要。為了對干旱程度進行量化表達,國內外許多學者采用不同干旱指標進行了研究。Palmer[6]將前期降水、水分供給和水分需求結合在水文計算系統(tǒng)中,提出了基于水平衡的干旱指數(PD-SI)。Kite等[7]假設某段時間內的降水量服從Person Ⅲ分布,通過對降水量正態(tài)化后轉化為以Z為變量的標準正態(tài)分布,再劃分旱澇等級,即為Z指數。McKee[8]提出了基于降水量的標準化降水指標,該指標能較好地反映不同時間尺度和區(qū)域的干旱程度。徐爾灝[9]在假定年降水量服從正態(tài)分布的基礎上,提出用降水量的標準差來劃分旱澇等級。劉昌明等[10]采用降水距平指標識別和分析了海河流域的水旱災害情況。袁文平等[11]認為SPI在計算過程中沒有涉及到降水空間參數,降低了指數計算時的時空差異,因此SPI比Z指數更優(yōu)越,更穩(wěn)定。

        寧夏回族自治區(qū)遠離海洋,深居內陸,80%以上的面積屬于干旱和半干旱地區(qū),降水的空間分布很不均勻,干旱災害發(fā)生的頻次占總災害頻次的1/2以上,為各項災害之首[12]。針對寧夏回族自治區(qū)干旱監(jiān)測及干旱指標已有大量研究,由于標準化降水指數具有計算簡單,時間尺度靈活消除了降水的時空差異,在反應干旱時空變化方面優(yōu)于其他指標,已被廣泛應用于區(qū)域干旱分析與監(jiān)測。 因此,本文擬基于SPI在干旱分析中的優(yōu)勢,根據寧夏近53 a降水觀測資料,采用SPI分析寧夏回族自治區(qū)干旱的時空分布特征,以期為干旱災害的監(jiān)測、評估提供支持,進而為減輕該區(qū)域干旱災害損失、合理利用水資源提供科學依據。

        1 研究區(qū)概況

        寧夏回族自治區(qū)位于黃河上游地區(qū),地理坐標為35°14′—39°23′N,104°17′—107°39′E,東鄰陜西省,西部、北部接內蒙古自治區(qū),南部與甘肅省相連,80%以上的面積屬于干旱和半干旱地區(qū)。寧夏回族自治區(qū)深居大陸腹地,位于中國季風區(qū)的西緣,冬季受蒙古高壓控制,正當冷空氣南下要沖,夏季處于東南季風西行的末梢,形成較典型的大陸性氣候。年均溫4~9 ℃,年降水量183.4~677 mm,由南向北遞減,降水量多集中在6—9月,無霜期150~195 d,蒸發(fā)強烈,風大沙多。植被類型以荒漠草原、疏林草原、溫性針葉林和闊葉林為主。土壤類型主要包括黑壚土、灰鈣土及灰漠土、灰褐土、人為土—灌淤土等。

        2 資料與方法

        2.1 資料來源

        選取寧夏回族自治區(qū)9個氣象站1959年1月1日到2012年2月29日的日平均降水資料,資料來源于國家氣象信息中心。

        2.2 研究方法

        在降水分析中,采用Gamma函數擬合降雨時間序列,然后再經標準化求得SPI,具體原理及計算方法如下。

        當0

        (1)

        (2)

        當0.5

        (3)

        (4)

        式中:H(x)——與Γ函數相關的降水分布概率;t——時間。其余參數取值:c0=2.515 517,c1=0.802 853,c2=0.010 328,d1=1.432 788,d2=0.189 269,d3=0.001 308。

        本文利用研究區(qū)內9個氣象站點的日降雨量數據計算出月降水數據,作為輸入參數,分別進行3個月,12個月尺度的SPI值的運算(結果分別記為季節(jié)SPI,年SPI),然后根據干旱等級標準進行統(tǒng)一劃分,即-0.5

        2.3 干旱評估指標

        為了更好地反映較大范圍內的區(qū)域干旱發(fā)生程度,在這里引入干旱發(fā)生站次比和干旱強度。同時,本文將輕旱(含輕旱以上)發(fā)生的年份均記為輕旱,中旱(含中旱以上)發(fā)生的年份均記為中旱,以此類推,方便了分析比較。

        2.3.1 干旱發(fā)生站次比(Pj)Pj是用某一區(qū)域內干旱發(fā)生站數多少占全部站數的比例來評價干旱影響范圍的大小,可用式(5)表示:

        Pj=m/M×100%

        (5)

        式中:M——某區(qū)域內氣象臺站數;m——發(fā)生干旱的臺站數。

        2.3.2 干旱強度(Sij)Sij用來評價干旱嚴重程度,單站的某時段內的干旱強度一般可由SPI值反映,SPI絕對值越大,表示干旱越嚴重。某區(qū)域內多年的干旱程度可用式(6)表示:

        (6)

        式中:m——該區(qū)域內發(fā)生干旱站數; SPIi——發(fā)生干旱時的SPI的絕對值。

        2.3.3 變化趨勢率(xi) 變化趨勢率,即氣候傾向率,一般以歷年氣候要素變化過程的擬合直線的斜率的10倍作為氣候傾向率,表征多年氣象數據序列變化傾向度。在統(tǒng)計上,用xi表示樣本量為n的某一氣候變量,用ti表示xi所對應的時間,建立xi與ti之間的一元線性回歸方程:

        (7)

        式中:a——回歸常數;b——回歸系數。a和b可以用最小二乘法進行估計。以b的10倍作為氣候要素傾向率。

        3 結果與分析

        3.1 SPI的年和季節(jié)變化特征

        近53 a來,寧夏回族自治區(qū)年SPI表現(xiàn)出在波動中呈持續(xù)降低的趨勢,其變化傾向率為-0.131/10 a,表明氣候朝著更加干旱的方向發(fā)展,其中重旱發(fā)生在1980和2005年,特旱發(fā)生在1982年(圖1)。從年代際變化來看,除1970s和1980s干旱程度有所緩解外,其他年代均有所加重,尤以2001—2011年加重幅度最大,變化傾向率為-0.73/10 a(表1)。

        圖1 寧夏回族自治區(qū)SPI值的年際和年代際變化特征

        表1寧夏回族自治區(qū)季節(jié)和年代SPI趨勢系數

        SPI春季夏季秋季冬季1959—1970年1970s1980s1990s2001—2011年趨勢系數-0.10-0.09-0.110.13-0.510.841.31-0.69-0.73

        寧夏回族自治區(qū)季節(jié)SPI變化傾向率分別為春季-0.1/10 a,夏季-0.08/10 a,秋季-0.11/10 a和冬季0.12/10 a,表明除冬季干旱情況有所緩解外,春、夏、秋季干旱存在不同程度的加重,且以春秋季的變化對該區(qū)干旱的貢獻最大,與寧夏回族自治區(qū)季節(jié)降水在春、夏、秋季減少,冬季增加的降水變化規(guī)律一致[13]。尤其春季正是冬小麥返青、拔節(jié)、抽穗和玉米等大秋作物播種、出苗及牧草生長的關鍵時期,一旦出現(xiàn)干旱,將嚴重影響農業(yè)生產。

        3.2 干旱等級變化特征

        依據干旱等級劃分標準可以看出,近53 a來研究區(qū)發(fā)生干旱的平均SPI值為-1.1,表明寧夏回族自治區(qū)處在中等干旱水平(表2)。從年代際來看,1959—1970年和1990s該區(qū)干旱等級為輕旱,其SPI值分別為-0.9和-0.8;1970s和2001—2011年為中旱,其SPI值分別為-1.2和-1.1;1980s的SPI值為-1.5,達到重旱水平,這與20世紀80年代全球氣候突然變暖的結論相一致[14]。

        表2 寧夏回族自治區(qū)年及年代的SPI值和干旱等級

        3.3 干旱發(fā)生范圍與強度的變化特征

        干旱站次比(Pj)是指用某一區(qū)域內干旱發(fā)生站數多少占全部站數的比例來評價干旱影響范圍大小的指標。當Pj≥50%時,即研究區(qū)域內有1/2以上的站發(fā)生干旱,為全區(qū)域性干旱;當站次比在33%~50%時為區(qū)域性干旱;當站次比在25%~33%時為部分區(qū)域性干旱;當站次比在10%~25%時為局地干旱;當站次比小于10%時可認為無明顯干旱發(fā)生。通過年和季節(jié)SPI值進一步計算出站次比,得出研究區(qū)輕、中、重旱發(fā)生的特征。結果表明,近53 a來,寧夏回族自治區(qū)輕旱、中旱發(fā)生的范圍在波動中呈減小趨勢,其變化傾向率分別為-3.375/10 a,-1.026/10 a,而重旱卻呈增加趨勢,變化率為1.828/10 a(圖2)。在1959—2011年,該區(qū)共發(fā)生36 a干旱,輕、中、重旱的干旱站次比歷史極大值均出現(xiàn)在1982年,其值分別為100%,88.9%,55.6%,這與1980s全球變暖的變化是一致的。

        圖2 1959-2011年寧夏回族自治區(qū)干旱發(fā)生站次比歷年變化特征

        近53 a來,寧夏回族自治區(qū)發(fā)生輕旱、中旱、重旱平均站次比分別為44.4%,30.3%和23.1%(表3)。輕旱以1970s最大,中、重旱以1980s最大,站次比分別為57.4%,50%,37%。

        輕旱站次比的年代際變化表明,1970s以前為正距平,距平值分別為4.5%和13%,此后均為負距平,距平值分別為-1.5%,-1.5%,6.1%。

        中、重旱站次比的年代際變化表明,1959—1970年距平值為-10.3%和-12%;1970s和1980s均為正距平,中旱距平值為9.7%和19.7%,重旱為2.8%和13.9%;1990s以來均為負距平,中旱值為-10.3%和-3.3%,重旱值為-12%和-0.9%。

        表3 寧夏回族自治區(qū)各年代干旱站次比和干旱強度及其距平值

        干旱強度(Sij)是評價干旱嚴重程度的指標,當干旱強度在0.5~1.0時為輕度干旱強度,當干旱強度在1.0~1.5時以中度干旱強度為主,當Sij≥1.5時,干旱強度為重旱強度。近53 a來,寧夏回族自治區(qū)發(fā)生干旱的強度略呈減弱趨勢,其變化傾向率為-0.045/10 a(圖3)。該區(qū)共發(fā)生36 a干旱,重旱強度為4 a,中旱強度為12 a,其他年份為輕旱,這表明研究區(qū)發(fā)生干旱時,干旱的強度多以中旱偏輕為主。1981和2005年是干旱強度最強年,干旱強度為1.7;1980和1982年是干旱強度次強年,強度分別為1.6,1.5;1970,1984, 1988,1994, 1996,2001,2010年是干旱強度最輕的年份,干旱強度均為0.6。近53 a來,寧夏回族自治區(qū)平均干旱強度為1.0。從年代際變化看,干旱強度以1970s和1980s干旱強度最強,值均為1.1。1959—1970年的平均干旱強度距平值為-0.1;1970s和1980s為正距平,距平值均為0.1;1990s為負距平,距平值為-0.1;進入21世紀后,干旱強度維持在1.0。

        綜上所述,干旱強度年變化與干旱站次比變化有較好的一致性。1982和2005年是寧夏回族自治區(qū)旱情程度最重的年份,此時正逢干旱強度的最強或次強年,干旱站次比也達到了最大或次大值,這是由于在全球氣候變暖的背景下,貝加爾湖阻高以及500 hPa正高度距平持續(xù)維持和西太平洋副高與常年相比較弱等因素所造成的[15]。

        圖3 1959-2011年寧夏回族自治區(qū)干旱強度歷年變化特征

        3.4 季節(jié)性干旱站次比和干旱強度變化特征

        為了更好地反應季節(jié)干旱變化的全貌,將干旱時間序列劃分為春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)四季,進一步計算四季干旱站次比和干旱強度的傾向率、距平值。結果表明,近53 a來寧夏回族自治區(qū)四季干旱存在明顯的季節(jié)性差異。就干旱站次比而言,除春季站次比增大外,夏、秋、冬季節(jié)均呈減小趨勢,且夏季大于冬季和秋季,其變化率分別為10.05/10 a,-5.50/10 a,-4.86/10 a,-1.96/10 a(表4)。從年際變化來看,站次比≥50%的季節(jié)干旱分別為春季13次,夏、秋、冬季14次,其中春旱站次比最大值出現(xiàn)在1979,1995和2000年,夏季在1982年,秋季在1972年,冬季在1965,1966年。

        表4 寧夏回族自治區(qū)季尺度及各年代干旱站次比和干旱強度比較

        近53 a來,寧夏回族自治區(qū)發(fā)生春、夏、秋、冬旱平均站次比分別為45.7%,42.1%,45.7%, 47.1%(表4)。春、秋旱以1980s最大,站次比分別為63.9%,55.6%;夏旱以1970s最大,站次比為57.1%;冬旱以1960s最大,為53.5%。從春旱年代際變化看,1970s以前為負距平,距平值分別為-10.5%和-13.5%,此后均為負距平,值分別為18.2%,5.7%,11.4%。夏旱年代際變化與春季相反,1970s以前為正距平,距平值分別為3.7%,15%,此后為負距平,值分別為-1.4%,-10.6%,-5.7%。秋旱1970s以前為負距平,距平值分別為-6.8%和-1.3%,此后為正距平,1980s為9.9%,1990s為3.2%,2000年之后轉為負距平,值為-8.7%。冬旱1970s以前為正距平,距平值分別為6.4%,4%,1980s為負距平,距平值為11.5%,1990s為正距平,值為0.5%,2001—2011年為負距平,值為6.4%。

        就干旱強度而言,春、冬季干旱強度呈增重趨勢,而夏、秋季干旱強度表現(xiàn)出略有減輕的趨勢,春、夏、秋、冬四季其變化率分別為0.05/10 a,-0.02/10 a,-0.11/10 a,0.07/10 a。從年際變化來看,春、夏、秋、冬發(fā)生中度以上干旱分別為20,20,19,15次,其中春旱最強年在1995年,強度為2.0,夏旱最強年在1966年,強度為1.7,秋季在1986年,強度為1.6,冬季在1998年,強度為1.9。近53 a,春、夏、秋、冬旱平均強度均為1.0,以中旱強度為主。春旱以1990s最大,強度為1.2,夏旱變化不明顯,秋旱以1959—1970年和1980s最大,強度為1.1,冬旱以1990s最大,強度為1.1。1959—1970年為正距平,距平值0.1;1970—1980s為負距平,距平值為-0.1;1990s和2001—2011年為正距平,距平值分別為0.2和0.1,表明自1990s以來春旱強度有明顯增強的趨勢。夏旱強度在1990s期間略有降低,距平值為-0.1,其他年代無明顯變化。 從秋季來看,1959—1970年和1980s為正距平,距平值均為0.1;2000—2011年為負距平,值為-0.2;1970s和1980s干旱強度無明顯變化。冬季在1959—1970年為負距平,距平值為-0.1,1990s為正距平,值為0.1,1970s,1980s和2001—2011年冬旱強度無變化。

        總之,春旱發(fā)生干旱站次比有所增多,夏旱、秋季和冬旱站次比有所減少;干旱強度除夏旱、秋旱略減輕外,其他季節(jié)干旱強度呈增重,特別是春旱強度加大。春季是農作物的返青季節(jié),此時干旱范圍擴大,強度加重,對該區(qū)農業(yè)生產活動產生重大影響,尤其是在發(fā)生在1995年和2000年的特大春旱,主要是由于春季處于相對少雨時期所造成的[16],與重旱災年幾乎都出現(xiàn)在寧夏回族自治區(qū)發(fā)生全域性春旱年份的結論相一致[17],也與寧夏回族自治區(qū)農業(yè)的實際旱情和旱災[18]相符合,進一步表明我們采用的干旱指標是科學合理的。

        3.5 跨季節(jié)干旱變化特征

        從干旱發(fā)生的時間來看,可以把寧夏回族自治區(qū)干旱分為春、夏、秋、冬及各個季節(jié)的連旱等類型。由表5可知,兩季連旱事件中,以春—夏和夏—秋連旱事件發(fā)生最多,其頻數分別為27,26;秋—冬和冬—春連旱事件發(fā)生相對較少,其頻數分別為21,20。在跨三季以上的連旱事件中,三季連旱事件有9例,四季連旱3例,五季連旱的有4例,六季連旱的有5例,剩下1例是從1978年冬季至1982年冬季的跨年的連旱,這與子軒[18]統(tǒng)計的寧夏回族自治區(qū)在1979年發(fā)生重大干旱、1980—1981年發(fā)生輕旱、1982年發(fā)生特大干旱這一結論存在較好的一致性。對該區(qū)影響最大的季節(jié)連旱應屬春夏秋連旱(或連續(xù)干旱2~3 a),受旱嚴重的地區(qū)干旱持續(xù)300 d以上。每年的3—10月是寧夏回族自治區(qū)農作物生長發(fā)育和產量形成的關鍵時期,而此時春旱、夏旱和秋旱卻頻頻出現(xiàn),并常造成持續(xù)性干旱和季節(jié)連旱,波及范圍少則一個地市,多則遍布整個研究區(qū)[19]。特別是在1980s以后,跨3季以上旱災更加頻繁地出現(xiàn),中部區(qū)在2004—2006年發(fā)生了有氣象記錄以來的特大持續(xù)性干旱[20]。

        表5 寧夏回族自治區(qū)跨季節(jié)連旱次數

        3.6 干旱的空間變化特征

        利用寧夏回族自治區(qū)的9個氣象站點年SPI變化的傾向率作為參數,基于ArcGIS中的Inverse Distance Weighted插值法,分析了研究區(qū)年和季節(jié)性干旱的空間變化特征。

        寧夏回族自治區(qū)年SPI分布格局存在著明顯的空間差異,表現(xiàn)為自南向北干旱加重幅度逐漸減弱,南部的西吉加重幅度最大,中部的鹽池表現(xiàn)為低值中心,這主要是由于寧夏回族自治區(qū)降水呈自南部山區(qū)依次向中部干旱帶、北部綠洲區(qū)逐漸減少的分布規(guī)律。

        季節(jié)SPI也具有明顯的空間差異,表現(xiàn)為春旱和秋旱大致呈南重北輕的分布,夏旱呈南北重,中部輕的分布,冬旱呈北重南輕的分布。春旱表現(xiàn)出從北向南逐漸加重的趨勢,且以南部的固原和中部的同心變化幅度最為顯著,與馬國飛等[12]研究結果一致。夏旱由中部區(qū)向南部山區(qū)、北部綠洲區(qū)表現(xiàn)出增重的趨勢,其中南部的西吉縣和北部的中寧縣增幅最大,中部的同心縣和鹽池縣增幅最小,表現(xiàn)為夏旱變化的低值中心。冬季干旱總體上有所緩解,存在從北向南逐漸減輕的趨勢,尤以南部的固原市減輕最為明顯;北部綠洲區(qū)干旱程度卻略有加重,以中寧縣加重程度最大??傮w看來,寧夏回族自治區(qū)南部山區(qū)、中部區(qū)和北部綠洲區(qū)對研究區(qū)干旱變化的響應不盡相同,以南部山區(qū)對干旱變化的響應最為敏感,這與陳曉光等[13]研究得出的寧夏回族自治區(qū)降水變化均呈下降趨勢,以寧南山區(qū)相對明顯的結論一致,反映出氣候變化的區(qū)域性。

        4 結 論

        (1)近53 a來,寧夏回族自治區(qū)年SPI在波動中呈持續(xù)降低趨勢,表明氣候朝著更加干旱的方向發(fā)展,這與施雅風等[21]研究得出的寧夏回族自治區(qū)處于西北氣候變化中由暖干向暖濕轉型的未轉型區(qū)結論相一致,反映了區(qū)域氣候變化特征。從年代際變化來看,自1990s以來,寧夏回族自治區(qū)干旱程度持續(xù)加重,尤以21世紀的干旱增重幅度最大。從季節(jié)SPI變化可以看出,除冬旱程度有所緩解,其他季節(jié)干旱加劇,尤以春季對農業(yè)生產影響最大。

        (2)從SPI值與干旱等級的劃分標準來看,近53 a來,寧夏回族自治區(qū)年SPI平均值為-1.1,屬于中旱水平。從年代際來看,1980s的SPI值最小,達到重旱水平。

        (3)干旱站次比和強度的計算表明,寧夏回族自治區(qū)輕旱、中旱發(fā)生的范圍呈減弱的趨勢,重旱范圍呈增重的趨勢;干旱強度卻略有減弱的趨勢。春旱發(fā)生范圍擴大、強度增大;冬旱發(fā)生范圍減小,而強度卻略有增大;夏、秋旱發(fā)生范圍和強度都有減小的趨勢。干旱發(fā)生頻繁,季節(jié)連旱嚴重,干旱持續(xù)時間長,區(qū)域性強,對寧夏回族自治區(qū)農業(yè)生產影響極大。

        (4)ArcGIS空間插值表明,寧夏回族自治區(qū)干旱空間變化規(guī)律明顯,表現(xiàn)為自南向北呈增大趨勢,增重幅度為:南部山區(qū)>中部區(qū)>北部綠洲區(qū)。南部山區(qū)對干旱變化響應最為敏感。

        [參考文獻]

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