冼卓雁，武傳號，黃國如, 2

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州，510640)

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基于SPEI的北江飛來峽流域干旱時空演變特征分析*

冼卓雁1，武傳號1，黃國如1, 2

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州，510640)

氣候變暖導致干旱事件頻發(fā)，利用1969-2011年北江飛來峽流域24個雨量站和4個氣象站月降雨及氣溫數(shù)據(jù)，計算標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，采用Mann-Kendall趨勢分析等方法分析了該地區(qū)多時間尺度的干旱時空變化特征。研究結(jié)果表明，SPEI能較好地反映出流域內(nèi)干濕變化特征。在過去的43年中，流域內(nèi)干旱事件頻次總體上呈上升趨勢，且極端干旱事件有所增加，從空間分布看，流域上游和下游出口斷面附近呈現(xiàn)出較為顯著的干旱趨勢，隨著時間尺度增加，干旱趨勢愈發(fā)顯著，趨勢穩(wěn)定性也有所增強。

干旱；標準化降水蒸散指數(shù)；飛來峽流域；時空特征；趨勢穩(wěn)定性

干旱是影響農(nóng)作物生長、阻礙社會經(jīng)濟發(fā)展最嚴重的自然災害之一，水文氣象變化、社會經(jīng)濟因素差異以及不同地區(qū)對水的需求不同，使得干旱難以精準評定。干旱指數(shù)是評估干旱影響并區(qū)別不同干旱期的重要參數(shù)，反映內(nèi)容包括干旱強度、持續(xù)時間、嚴重程度及空間范圍[1]。目前，國內(nèi)外干旱研究領(lǐng)域使用最為廣泛的為帕默爾干旱指數(shù)PDSI和標準化降水指數(shù)SPI。PDSI由美國人Palmer[2]于1965年首次提出，該指數(shù)基于土壤水分平衡原理，綜合考慮前期降水和水分供需，半個多世紀以來得到了廣泛驗證和進一步發(fā)展，由于PDSI計算過程復雜且需要資料較多，參數(shù)的空間區(qū)域性較強，難以大范圍推廣使用[3]。SPI由Mckee等[4]于1993年提出，該指數(shù)緊扣降水量這個干旱主要影響因子，不涉及具體的干旱機理，其時空適應性較強，多時間尺度特性可反映不同方面的水資源狀況。但SPI忽略了蒸發(fā)對干旱的影響，在全球變暖大背景下，SPI局限性愈發(fā)不可忽略。

Vicente-Serrano等[5]以SPI為基礎(chǔ)，于2010年提出了標準化降水蒸散指數(shù)SPEI，以降水與蒸發(fā)的差值作為輸入，采用 log-logistic概率分布函數(shù)來描述其變化，再經(jīng)正態(tài)標準化得到SPEI值。SPEI考慮了地表蒸散發(fā)作用，計算簡單，具有多時間尺度分析特性，可用于干旱監(jiān)測和識別。Vicente-Serrano等[6]基于SPEI建立了1901-2006年全球干旱趨勢的數(shù)據(jù)集，并分析了與SPDI監(jiān)測結(jié)果的相關(guān)關(guān)系。López-Moreno等[7]研究西班牙埃布羅河流域不同時間尺度的SPEI的響應特征，討論了不同蓄水區(qū)與時間尺度的相關(guān)性。Potop等[8]計算1901-2010年間捷克共和國低洼地區(qū)的SPEI和SPI，發(fā)現(xiàn)兩個指數(shù)對不同持續(xù)時間的干旱事件具有不同的敏感度。莊少偉等[9]選取中國不同等級降水區(qū)的代表站點，將累積水分虧缺量的經(jīng)驗概率分布與log-logistic概率分布進行對比，分析SPEI在中國的適用性。李偉光等[10-11]以SPEI為基礎(chǔ)，對全國范圍和華南地區(qū)的干旱長期趨勢和突變情況進行分析。

飛來峽流域地處北江中上游，北江流域與西江匯合后流經(jīng)佛山、廣州、江門、珠海等城市，為珠三角的經(jīng)濟發(fā)展和人民生產(chǎn)生活提供了重要保障，流域內(nèi)干旱將會干擾樞紐的發(fā)電、航運、生態(tài)等功能的正常發(fā)揮，勢必對下游珠江三角洲的經(jīng)濟社會發(fā)展造成一定的負面影響。在已有的研究成果中，大多是針對整個廣東省或華南地區(qū)進行研究，或是以傳統(tǒng)干旱指數(shù)為基礎(chǔ)[12-14]。本文采用更加合理的SPEI作為干旱等級劃分指標，綜合描述北江飛來峽流域的干旱時空演變特征，為飛來峽流域的綜合干旱監(jiān)測、減少旱澇災害損失提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域及資料情況

飛來峽流域位于我國南方，是北江流域重要組成部分，北江是珠江流域第二大水系，是廣東省最重要的河流之一。飛來峽流域的控制集雨面積為34 097 km2，占北江流域面積的73%。流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候，夏季以東南風和偏南風為主，冬季則為北風和偏北風，年均降水量超過1 700 mm，年內(nèi)降水分布不均，主要集中在4-9月。多年平均氣溫約為21 ℃，年內(nèi)氣溫在10～30 ℃之間變化，夏季最高溫超過30 ℃。

流域出口斷面為飛來峽水利樞紐，該樞紐坐落在北江干流清遠市飛來峽鎮(zhèn)，以防洪為主，兼顧航運和發(fā)電。飛來峽流域?qū)Ρ苯蛷V東省的社會、人文、環(huán)境意義重大，一旦發(fā)生持續(xù)惡劣的干旱事件，除了對流域內(nèi)生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境具有不良影響外，對飛來峽水利樞紐的正常運作和下游珠江三角洲地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展也會造成一定影響。

本文以飛來峽流域為研究對象，研究資料主要包括流域內(nèi)24個雨量站點的月降雨以及佛岡、連縣、南雄和韶關(guān)等4個氣象站點的月氣溫數(shù)據(jù)，時間序列長度均為43年(1969-2011年)，站點的位置分布如圖1所示。

圖1 流域內(nèi)雨量站點和氣象站點分布

2 研究方法

2.1 標準化降水蒸散指數(shù)

根據(jù)研究區(qū)域43年數(shù)據(jù)資料計算不同時間尺度的SPEI，尺度為1、3、6、12個月的計算結(jié)果分別用SPEI1、SPEI3、SPEI6、SPEI12表示，具體計算過程如下[5]。

(1)使用改進的Thornthwaite方法計算月潛在蒸發(fā)量PE。

(1)

式中：Ti為月平均氣溫；I為年熱量指數(shù)；m為與I相關(guān)的參數(shù)；K為緯度和月份校正系數(shù)。

(2)

(3)

式中：當月水分虧缺量D=P-PE。

(4)

式中：參數(shù)α、β和γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)，采用線性矩法擬合得到。

(5)

式中：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

目前SPEI對干旱程度的等級劃分沒有統(tǒng)一標準，綜合比較了多種等級劃分方法[13-16]，本文采用的SPEI干濕等級分類如表1所示。

2.2 趨勢分析

Mann-Kendall法為國內(nèi)外學者廣泛應用的非參數(shù)檢驗方法[17-19]，檢驗統(tǒng)計量|Z|值越大表示增加或減少的趨勢越明顯，如果|Z|大于或等于1.64、1.96和2.57，分別表示序列通過了置信度為90%、95%和99%的顯著性趨勢檢驗。Z為正值表示趨向濕潤，負值表示趨向干旱，且定義如下：①|(zhì)Z|≤1.64為無明顯趨勢；② 1.64<|Z|≤1.96為微弱趨勢；③1.96<|Z|≤2.57為顯著趨勢；④|Z|>2.57為非常顯著趨勢。

一般情況下，針對某一固定時間序列進行趨勢檢驗，但可能由于所選序列時段不同導致趨勢結(jié)果發(fā)生變化，難以判斷時間序列真實變化趨勢，為體現(xiàn)時段不同對序列趨勢檢測結(jié)果的影響，即判別序列變化趨勢是否穩(wěn)定，本文計算極端指數(shù)趨勢變化的穩(wěn)定性[20]：

(6)

式中：c為用于確定趨勢穩(wěn)定性的指標；M為站點個數(shù)，本文針對單個站點進行穩(wěn)定性分析，故M=1；K為全序列中滑動30個值的子序列總數(shù)，如全序列長度為516，則K=487；Np為通過置信度為90%的顯著性檢驗的子序列個數(shù)。

本文對趨勢穩(wěn)定性的判別條件定義如下：①c≤25%時，序列為不穩(wěn)定趨勢變化；②25%65%時，序列為強穩(wěn)定的趨勢變化。

3 結(jié)果分析

3.1 SPEI多尺度序列分析

SPEI時間尺度是前期影響時長的表達，尺度為1、3、6、12時，表示考慮前期影響期為1個月、3個月、6個月、12個月。SPEI1和SPEI3分別受每月和季節(jié)降水氣溫變化影響，前期累積影響時段較小，可反映短時段內(nèi)土壤水分變化情況，在農(nóng)業(yè)灌溉方面具有一定的優(yōu)勢；相對長尺度的SPEI6和SPEI12可反映下層土壤水、地下徑流量和水庫蓄水情況。時間尺度越大，受降水氣溫影響時間越長。在給定時間尺度上計算水分虧缺量累積概率，分析不同尺度SPEI值，可綜合評價研究區(qū)域旱澇情況。對24個站點各時間尺度的SPEI進行算術(shù)平均計算，分析飛來峽流域整體干旱情況，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，短尺度下，SPEI1和SPEI3對短期內(nèi)降水和氣溫的變化反應較為敏感，波動性較大，充分反映出流域短期內(nèi)干濕頻繁交替特征。隨著時間尺度增加，SPEI6和SPEI12對降水和氣溫的響應減緩，變化波動性降低，能夠很好地反映前期降水和氣溫變化對干濕程度的累積影響，體現(xiàn)出旱澇的長期變化特征。長尺度的SPEI值波動減少，主要是因為前期影響時長增加后，短時間內(nèi)的降水氣溫變化不能徹底改變區(qū)域干濕程度。

據(jù)統(tǒng)計分析，1990年代以來，華南地區(qū)進入干旱災害頻發(fā)期，2003年降水量嚴重偏少，在此影響下2004年汛期少雨，旱情進一步嚴重，發(fā)生建國以來少有的干旱事件[21-22]。流域SPEI指數(shù)也有相應體現(xiàn)，2003-2004年的24個SPEI1值中有13個為輕度干旱以上級別，除了2003年7月達到了嚴重干旱級別，2003年2月和2004年9月達到中度干旱級別，其余的10個月均為輕度干旱級別。

圖2 1969-2011年間飛來峽流域內(nèi)1、3、6和12個月時間尺度的SPEI動態(tài)特征

而SPEI3值則全為負值，其中有16個月達到輕度干旱以上級別，特大、嚴重、中度、輕度干旱的月份分別為0個、1個、6個、9個，反映了該時段內(nèi)全區(qū)域偏干的特征。SPEI6顯示2003年1月-2004年9月受前期降水及氣溫影響，保持了一個較久的旱期，2004年10月開始轉(zhuǎn)為正常偏濕潤狀態(tài)，輕度干旱以上級別的月份增加至20個，特大、嚴重、中度、輕度干旱的月份個數(shù)分別為0個、2個、7個、11個。SPEI12顯示出穩(wěn)定的干旱特征，多個月份達到了輕度干旱級別，其中特大、嚴重、中度、輕度干旱的月份個數(shù)分別為0個、1個、13個、3個。以上分析表明，隨著時間尺度增加，干旱程度有所提高，充分反映了前期水分虧缺的累積影響。

干旱形成主要是由于短時段內(nèi)降水量減少、蒸發(fā)量增加而引起的土壤水分缺乏，或者長期的補給水分缺乏[23]。本文所采用的SPEI能夠清楚地反映干濕變化不同方面的影響，多尺度綜合應用可實現(xiàn)對飛來峽流域干旱的綜合監(jiān)測評價。

3.2 干旱頻次變化

為分析流域干旱事件在各年代的頻次變化情況，取1969-2011年43年的SPEI值，根據(jù)表1統(tǒng)計不同年代間飛來峽流域的干旱事件發(fā)生頻次，如表2所示。

表1 SPEI干旱等級分類

表2 飛來峽流域不同年代干旱事件頻次

飛來峽流域4個時間尺度的SPEI均顯示21世紀初的干旱事件頻次最多，其次為1980年代。年代干旱累計頻次在22%～40%范圍內(nèi)波動上升，增加幅度較大，長時間尺度的增幅更大。影響累計頻次增加的主要因子隨著時間尺度增加，由輕度干旱向嚴重干旱發(fā)展，1個月尺度的累計頻次變化主要是輕度干旱頻次變化，3個月尺度的主要是中度干旱和輕度干旱的變化，6個月和12個月尺度的主要是中度干旱和嚴重干旱的變化。

特大干旱往往給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活造成巨大影響，定義輕度干旱以上為干旱事件，統(tǒng)計特大干旱占所有干旱事件的比例變化情況，如表3所示。

表3 1969-2011年特大干旱占干旱事件比例變化

由表3可以看出，4個尺度的特大干旱比例不超過4%，1個月和3個月尺度的特旱比例趨勢變化不顯著，6個月和12個月尺度特旱比例的M-K趨勢檢驗值通過了置信度為90%的顯著性檢驗，增加趨勢顯著，也就是說飛來峽流域特大干旱所占比例顯著增加。

3.3 趨勢變化空間分布

分析SPEI趨勢變化對于揭示飛來峽流域內(nèi)干濕變化情況具有重要參考價值，本文基于M-K趨勢分析法，計算了43年來24個站點的SPEI1、SPEI3、SPEI6、SPEI12的趨勢變化特征，不同尺度的SPEI趨勢變化的空間分布情況如圖3所示。

M-K檢驗結(jié)果顯示整個飛來峽流域的SPEI1整體上呈由東北向西南遞減且無濕潤趨勢，流域下游多個站點呈現(xiàn)顯著下降趨勢，靠近流域出口斷面的高道和紅橋雨量站的SPEI1通過了置信度為99%的顯著性檢驗，呈現(xiàn)非常顯著的干旱趨勢，也就是說飛來峽下游土壤含水量顯著減少。

SPEI3的趨勢變化與SPEI1類似，24個站點均無上升趨勢，流域中部地區(qū)無明顯變化，上游和下游多個站點的SPEI3顯示出不同程度的下降趨勢，其中下游靠近流域出口斷面的站點表現(xiàn)出較為顯著的干旱趨勢，由此可以看出受前期降水氣溫變化影響，流域上游和下游季尺度的干旱程度有所增加。

隨著時間尺度增加，飛來峽流域整體上顯示出更加明顯穩(wěn)定的趨勢。SPEI6在流域上部和出口斷面附近表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢，它主要反映深層土壤水和地下徑流的干濕狀況，其空間趨勢變化特征體現(xiàn)出流域內(nèi)受補給不足的影響，上游和出口斷面的干旱加劇。

圖3 飛來峽流域不同尺度SPEI指數(shù)的變化趨勢空間分布圖

較之小尺度的SPEI值，SPEI12在上游與出口斷面區(qū)域的下降趨勢更顯著，包括樂昌、紅橋在內(nèi)的14個站點的下降趨勢通過了置信度水平為99%的顯著性檢驗，這說明在長時間尺度上流域上游和下游干旱程度增加趨勢非常顯著，這對飛來峽水利樞紐的水庫蓄水及周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的負面影響。

3.4 趨勢穩(wěn)定性分析

變化趨勢穩(wěn)定即波動性較小，在短期內(nèi)干濕變化不大。根據(jù)定義對4個尺度的SPEI進行穩(wěn)定等級劃分，其空間分布如圖4所示。

圖4 飛來峽流域不同尺度SPEI指數(shù)的趨勢穩(wěn)定性空間分布圖

由圖4可以看出，SPEI1和SPEI3反映流域內(nèi)土壤含水量變化趨勢的穩(wěn)定性不佳，在月尺度和季尺度上出現(xiàn)較大波動，同時流域上下游的穩(wěn)定性沒有明顯差別，空間分布較為均勻。SPEI6顯示地下徑流的干濕趨勢穩(wěn)定性存在空間差異，呈現(xiàn)出由東南向西北穩(wěn)定性遞增的分布特征。受前期水分虧缺影響，SPEI12顯示全流域24個站點均表現(xiàn)出穩(wěn)定的干濕趨勢，也就是說水庫蓄水趨勢變化較為穩(wěn)定?？偟膩碚f，隨著時間尺度增加，飛來峽流域干濕變化趨勢穩(wěn)定性有所增加，但沒有出現(xiàn)強穩(wěn)定的變化情況。

4 結(jié)論

本文利用飛來峽流域內(nèi)1969-2011年24個雨量站的逐月降水量和4個氣象站的月平均氣溫，應用標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，綜合分析了飛來峽流域干旱時空演變特征，得出以下結(jié)論。

(1)SPEI能較好地表征流域內(nèi)的干旱變化特征，短時間尺度的SPEI對短期內(nèi)干濕變化反應靈敏，長時間尺度的SPEI反映前期累積影響，可體現(xiàn)旱澇的長期變化特征。

(2)在時間上，飛來峽流域的干旱事件頻次波動上升，長時間尺度干旱事件增加更快，以中度和嚴重干旱事件的增加為主，隨著全球氣溫的持續(xù)升高，特大干旱事件所占比例總體上顯著增加，說明流域內(nèi)干旱問題突出。

(3)在空間上，流域呈現(xiàn)上游和出口斷面附近趨向干旱的特征，流域中部地區(qū)無明顯的干濕趨勢變化，長時間尺度的干旱趨勢非常顯著；短時間尺度的干濕變化趨勢穩(wěn)定性不佳，隨著時間尺度增加，穩(wěn)定程度有所增加，但未出現(xiàn)強穩(wěn)定情況。

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Analysis on Spatial and Temporal Characteristics of Drought in theFeilaixia Catchment of Beijiang River Based on SPEI

Xian Zhuoyan1, Wu Chuanhao1and Huang Guoru1, 2

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China; 2.StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Droughteventsoccurredfrequentlybecauseofclimatewarming.Basedonmonthlyprecipitationandtemperaturedatafrom28stations(24rainfallstationsand4meteorologicalstations)duringtheperiod1969-2011intheFeilaixiacatchmentoftheBeijiangRiverbasin,thestandardizedprecipitationevapotranspirationindex(SPEI)iscalculated.Themulti-scalespatialandtemporalcharacteristicsofdroughtareanalyzedusingtheMann-Kendalltrendtestmethod.TheresultsshowthattheSPEIisasuitableindextodescribethevariationofwetanddryspells.Overall,thefrequencyofdroughtandtheproportionofseveredroughtshowincreasingtrendsinthestudyarea.Asignificanttrendofdroughtisfoundintheupstreamareaanddownstreamareaneartheoutlet.Furthermore,thetrendsofdroughtbecomemoresignificantandmorestablewiththeincreaseoftimescales.

drought;standardizedprecipitationevapotranspirationindex(SPEI);Feilaixiacatchment;spatialandtemporalcharacteristics;stabilityoftrends

2014-11-07

2015-01-12

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301093, 201401048)；華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主研究課題項目(2014ZC09)

冼卓雁(1990-)，女，廣西桂平人，碩士研究生，主要從事水文水資源研究. E-mail:867325059@qq.com

黃國如(1969-)，男，江蘇南京人，教授，博士生導師，主要從事水文水資源研究. E-mail: huanggr@scut.edu.cn

X43；S423

A

1000-811X(2015)03-0198-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.036

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