郭 夢， 張奇瑩， 錢 會， 徐盼盼， 陳 垚

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院， 陜西 西安 710064； 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

近年來，全球氣溫明顯升高，IPCC第五次評估報告指出全球氣候變暖己成為事實[1]。在過去的100多年，全球升溫0.85℃，陸地的增溫速率明顯高于海洋[2]，氣候變暖使得各地干旱問題日趨嚴重，干旱已成為全球影響最嚴重的災害之一。干旱有著發(fā)生面積廣、持續(xù)時間長、影響范圍大的特點[3]，據(jù)統(tǒng)計，世界上超過 120 個國家在不同程度上存在干旱問題，而我國70%的氣象災害中，近一半為干旱災害，局地或區(qū)域性的干旱災害時常發(fā)生，每年因干旱造成的損失可達9.1×1010元[4-6]。干旱問題近年來成為學者研究的熱點問題，目前學者們大多用干旱指數(shù)描述區(qū)域干旱程度，相繼提出了帕默爾干旱指數(shù)PDSI(Palmer, 1965)、標準化降水指數(shù)SPI(McKee等,1993)和標準化降水蒸散指數(shù)SPEI(Vicente-Serrano等, 2010)等指標，其中PDSI指數(shù)和SPI指數(shù)運用較廣泛，但PDSI指數(shù)、SPI指數(shù)都各有其缺陷，如PDSI指數(shù)在干旱等級的界定上主觀性較強[7]，SPI僅考慮降水因素而忽略了溫度等因素對其本身的影響[8]，而SPEI指數(shù)融合了PDSI和SPI的優(yōu)點，不僅保留了PDSI考慮蒸散量對溫度敏感的優(yōu)點，又可表現(xiàn)出SPI的多尺度特征且計算結果較為可靠，因此被廣泛應用于世界各地的干旱研究中。

SPEI指數(shù)中計算參考作物蒸散量主要有兩種方法，一種是僅考慮溫度因素的 Thornthwaite模型，另一種是考慮眾多因素的Penman-Monteith方法。采用Thornthwaite方法計算參考作物蒸散量僅需月平均氣溫及緯度資料，該方法因輸入?yún)?shù)少、對數(shù)據(jù)要求低且計算相對簡單而使得應用較為廣泛，如蔡思揚等[9]應用SPEI分析東北地區(qū)干旱特征，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)干旱發(fā)生范圍隨時間尺度增加而逐漸擴大，且東北三省在春、夏季和秋季均有干旱事件發(fā)生；熊光潔等[10]利用SPEI指標研究了中國西南地區(qū)12個月尺度、6個月尺度和3個月尺度的干旱變化特征，結果表明西南地區(qū)12個月尺度的干旱變化較為復雜，12個月尺度干旱頻率呈現(xiàn)上升趨勢的區(qū)域較多，6個月尺度的干旱頻率在全區(qū)顯著增加，3個月尺度的干旱頻率在秋冬季顯著增加；任啟偉等[11]應用SPEI識別位于東南部的廣東省干旱發(fā)生情況，結果表明3個月和6個月時間尺度的SPEI較準確地識別出了廣東省春旱、秋旱以及冬春連旱的年份。

由于Vicente-Serrano的研究區(qū)域中未包含干旱區(qū)，Thornthwaite方法僅在濕潤地區(qū)蒸散量的計算中適用性較好，并不適用于我國廣大的干旱半干旱地區(qū)，而采用 FAO Penman-Monteith法計算參考作物騰發(fā)量彌補了傳統(tǒng)Thornthwaite法在我國干旱半干旱區(qū)干旱評估能力較差的缺點，更適用于我國干旱半干旱地區(qū)的干旱評估[12]。如徐晗[13]基于Penman-Monteith法計算了位于西北地區(qū)的陜西省SPEI指數(shù)，并結合《陜西省干旱統(tǒng)計年鑒》記錄的實際情況進行驗證，證實了基于Penman-Monteith法的SPEI指數(shù)適用性更好；郭旭新等[14]基于Hargreaves、Thornthwaite和Penman-Monteith蒸散模型計算了陜北黃土丘陵區(qū)不同時間尺度的SPEI指數(shù)，結果發(fā)現(xiàn)基于Penman-Monteith法的SPEI指數(shù)能夠準確反映陜北黃土丘陵區(qū)干旱事件，而基于Hargreaves和Thornthwaite的SPEI值偏低；軒俊偉等[15]基于Penman-Monteith模型計算了 近50 年來新疆12個月時間尺度的SPEI序列， 結果表明該方法在新疆適用性較好，該地區(qū)自 1987年由干旱期轉為濕潤期，但近10年又出現(xiàn)顯著的變干趨勢，預示著新疆有可能會重新進入干旱期。此外，由于干旱半干旱地區(qū)無降水月份偏多，而參考作物騰發(fā)量多為0，在計算短時間尺度的水分虧缺量時使得SPEI值偏大，無法表征干旱半干旱地區(qū)的實際干旱程度，降低了SPEI在干旱半干旱區(qū)域小尺度分析的適用性[16]。莊少偉等[17]等研究發(fā)現(xiàn)，短時間尺度的SPEI在干旱區(qū)適用性較差，只有大于12個月的大尺度SPEI適用較好；趙靜等[12]也發(fā)現(xiàn)對于典型干旱年的識別能力，12個月尺度的SPEI較強， 而短尺度的SPEI較弱。綜上所述，本文采用適用于干旱半干旱地區(qū)的Penman-Monteith法計算參考作物蒸散量，并借鑒前人的研究結果，以尺度較長的12個月尺度為指標來計算陜西省標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)。

陜西作為典型的生態(tài)脆弱區(qū)[18]，對于氣候的變化十分敏感，研究該區(qū)域在全球氣候變暖背景下的干旱特征及其演變趨勢就顯得尤為重要，本文將SPEI指數(shù)應用于陜西省干旱的時空特征研究中，確定陜西省干旱現(xiàn)狀，為全省干旱防治、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和制定應對政策提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

陜西省位于我國中西部地區(qū)，在105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N間，省內(nèi)山地、高原、平原交錯，南北狹長，根據(jù)地理氣候可由北向南分為陜北、關中和陜南三大區(qū)域。受大陸性季風氣候的影響，全省的年平均降水量呈現(xiàn)明顯的南多北少趨勢，多年平均降水量為 666.9mm；年平均氣溫呈現(xiàn)明顯的南低北高趨勢，多年平均氣溫 5.9～15.7℃，極端氣溫相差懸殊。

3 資料與方法

3.1 資料來源

選取中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的1956-2016年陜西省18個氣象觀測站的逐月觀測資料，分別位于陜北(榆林、吳旗、橫山、綏德、延安、洛川)、關中(長武、銅川、武功、西安、寶雞、華山)和陜南(漢中、略陽、佛坪、商州、鎮(zhèn)安、安康)，各臺站均勻分布于全省各地區(qū)，對陜西省氣候變化具有很好的區(qū)域代表性。觀測資料主要有氣溫、降水量、濕度等，少數(shù)站點部分年份氣象資料缺失，建立相鄰站點月降水量相關關系進行插補處理。陜西省氣象站點分布圖見圖1。

3.2 研究方法

3.2.1 標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI) 標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是指對降水量與參考作物蒸散量差值序列的累積概率值進行正態(tài)標準化，通過在SPI干旱指數(shù)的基礎上引入?yún)⒖甲魑镎羯⒘康贸觥Ｔ撝笖?shù)基于降水、氣溫、濕度等資料計算蒸散量，用降水量和蒸散量之間的差值與其平均狀態(tài)的偏離程度來揭示區(qū)域的干旱特征[13]。陜西全年蒸散量較大，而該方法考慮到了多種氣象因子對蒸散量的影響，更適用于全省的干旱評估。SPEI干旱程度劃分見表1。

表1 基于SPEI的干旱等級劃分標準

3.2.2 其他方法 計算出SPEI標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)后，結合線性回歸、滑動平均、M-K突變檢驗以及滑動T檢驗來分析全省的SPEI變化趨勢[19]；用干旱頻率來評價全省發(fā)生干旱的頻繁程度；用干旱站次比來表示干旱影響范圍的大小[13]；用Morlet小波分析研究全省SPEI的變化周期[20]。

4 結果與分析

4.1 干旱的時間特征分析

4.1.1SPEI變化趨勢 計算陜西省1956-2016年的標準化降水蒸散指數(shù)，并利用線性回歸、5年滑動平均分析其變化趨勢，繪制變化趨勢圖見圖2。

從圖2可以看出，陜西省61 aSPEI指數(shù)年代間差異較大，線性趨勢以0.001/a的速度減少，未通過α=0.05的顯著性檢驗，說明下降趨勢不顯著，但總體呈現(xiàn)干旱化趨勢。SPEI指數(shù)值顯示全省在1956-2016年中整體并未出現(xiàn)中旱及以上的的干旱災害。全省18個氣象站點的年SPEI指數(shù)多年平均值為0.17，61 a中SPEI值較小的3個年份分別為1964、1985以及1988年，最小值出現(xiàn)在1964年，說明全省在1964年干旱程度最大；SPEI值較大的3個年份分別為1959、1977以及1997年，最大值出現(xiàn)在1997年，說明全省在1997年無旱程度最大，且1997年與1964年SPEI值的極值差為2.7， 1997年偏離臨界線(SPEI=-0.5)的程度要大于1964年。陜西省干旱變化在20世紀較21世紀明顯，20世紀90年代以前，全省的SPEI數(shù)值處于波動狀態(tài)，從90年代到21世紀開始，除1997年外基本呈現(xiàn)由無旱向干旱轉變態(tài)勢。5 a滑動平均曲線也表明，陜西省標準化降水蒸散指數(shù)是在波動中逐漸下降的，其中1960-1977年、1981-1990年呈上升趨勢，其余時段均呈下降趨勢，且1990年以后下降趨勢較為穩(wěn)定，表明全省自20世紀90年代后開始慢慢向干旱化發(fā)展。

為進一步說明干旱變化趨勢，利用干旱站次比來描述陜西省61 a干旱的影響范圍變化，干旱站次比越大則影響范圍越大。陜西省1956-2016年干旱影響范圍變化趨勢見圖3，從圖3看出，全省干旱影響范圍在0～72%之間變化，年際差異大，干旱影響范圍在1964年出現(xiàn)最高值(72%)，在1997和2004年出現(xiàn)最低值(0)，干旱影響范圍較大的年份(1964、1985和2003年)與SPEI計算的干旱年份結果基本一致，表明隨干旱程度增大，干旱影響范圍也相應擴大。此外，對1956-2016年陜西省干旱站次比，以每10 a取一次平均值來分析其變化趨勢。結果表明，全省干旱影響范圍的10 a平均值在61 a間呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的變化趨勢，自1986年起連續(xù)上升，上升速率為6.11/10a，相關系數(shù)達0.98，表明自1986年全省干旱影響范圍呈現(xiàn)顯著擴大趨勢。

4.1.2 突變特征 采用M-K突變檢驗結合滑動T檢驗來分析各時段的突變情況，兩種方法均采用95%的置信水平(圖4、5)。

從圖4可以看出，1956-1976年、1980-1993年以及2008-2016年UF曲線小于0，呈下降趨勢，且在1960-1968年間UF曲線超過了0.05顯著性水平線，說明此時間段內(nèi)全省SPEI指數(shù)下降趨勢顯著；1976-1980年、1993-2008年UF曲線大于0，呈上升趨勢，但曲線未超過α=0.05顯著性水平線，說明上升趨勢不顯著，可見全省SPEI指數(shù)總體上呈現(xiàn)在波動中下降的干旱化趨勢。此外，M-K檢驗的UF、UB曲線有多個交點，結合滑動T檢驗(圖5)，取滑動步長為10，自由度為18，SPEI序列在1980年出現(xiàn)顯著減小的變異點，最終確定1980年為陜西省SPEI干旱指數(shù)的突變年。

圖1 陜西省氣象站點分布圖

圖2陜西省1956-2016年SPEI指數(shù)及滑動平均變化趨勢 圖3陜西省1956-2016年干旱影響范圍變化趨勢

圖4陜西省1956-2016年SPEI序列M-K曲線 圖5陜西省1956-2016年SPEI序列滑動T檢驗曲線

4.2 干旱的空間特征分析

4.2.1 陜西省各站點不同程度干旱發(fā)生頻率分析 為進一步分析陜西省各個地區(qū)的干旱狀況，繪制各個站點不同程度干旱頻率變化圖，見圖6。

圖6表明，陜西省各個站點61 a發(fā)生干旱的頻率為中旱>輕旱>特旱>重旱，重旱所占比例最低，各站點發(fā)生重旱的比例均未超過10%，在以榆林、橫山、綏德、吳起、延安和洛川為代表的陜北一帶發(fā)生頻率相對較高，最大值發(fā)生在延安站(7%)；中旱所占比例最高，在陜南一帶發(fā)生頻率相對最高，最大值發(fā)生在漢中站(31%)，其中，有15個站點發(fā)生中旱的頻率超過了50%，所占比例最大的為榆林站和洛川站，均超過了80%。其次，由圖6中看出，陜北地區(qū)干旱以特旱、中旱、重旱為主，而輕旱頻率較低，說明陜北地區(qū)干旱一旦發(fā)生等級都較高。

4.2.2 陜西省不同程度干旱頻率空間分布特征 全省各個等級的干旱頻率空間分布圖(圖7)表明，陜西省61 a來年干旱發(fā)生頻率地區(qū)差異較大且分布不平衡，干旱程度從無旱-特旱均存在。其中，特旱主要分布在陜北中部、關中西部以及陜南西部，高值中心位于武功地區(qū)，發(fā)生頻率達11%(圖7(a))；重旱分布較集中，主要在陜北一帶，以延安站最高，陜南和關中地區(qū)重旱發(fā)生頻率較低(圖7(b))；中旱分布范圍較其他幾種干旱大，主要分布在陜北南部、關中及陜南西部，以略陽、漢中發(fā)生頻率最高，分別為30%和31%，而關中除西安站外其余各站均有不同程度的中旱發(fā)生(圖7(c))；輕旱主要分布在關中東部及陜南，關中的高值中心位于華山(13%)，陜南的高值中心位于略陽(13%)，陜北西部有輕微輕旱發(fā)生(圖7(d))。由此可見，位于西北地區(qū)的陜西省常年因降水稀少而蒸散量相對較大導致干旱頻發(fā)。

4.3 干旱周期特征

為揭示陜西省干旱的周期規(guī)律，對SPEI干旱頻率進行Morlet小波分析。小波分析可反映陜西省SPEI指數(shù)的多尺度周期特征，采用小波變換系數(shù)和小波方差圖來確定區(qū)域干旱的主要周期以及各時間尺度的波動能量隨該尺度的分布情況[21]。小波系數(shù)實部等值線圖和其方差圖見圖8、9所示。

由圖8知，陜西省1956-2016年的SPEI指數(shù)包含了不同尺度的周期變化，全省在年際和年代際上均可看出較明顯的周期變化。在年際上存在4～7 a周期的小尺度信號，在年代際上存在15～20 a和28～32 a的大尺度信號，3個尺度正負相位周期明顯，均具有全域性且表現(xiàn)穩(wěn)定。其中，4～7 a周期的時間尺度上經(jīng)歷了18.5個干濕交替過程，震蕩中心在1971年逐漸減小，在1980年由4 a尺度又逐漸向上偏移至7 a尺度，震蕩能量由弱到強； 15～20 a周期的時間尺度上經(jīng)歷了 4.5個干濕交替過程，1997年由15 a尺度向上偏移至20 a尺度，且在2000年后震蕩能量較弱；27～32 a的時間尺度上，隨著時間的推移，震蕩周期中心時間尺度越來越大，在2006年由27 a尺度擴大至32 a尺度，經(jīng)歷了 3.5個干濕交替過程，該周期在2011年以前表現(xiàn)的較為穩(wěn)定 ，震蕩能量后期較弱。

圖6 陜西省各個站點不同程度干旱頻率

圖7 陜西省不同等級干旱頻率的空間分布

圖9 陜西省年尺度SPEI小波系數(shù)實部方差圖

由圖9知，SPEI指數(shù)小波實部方差圖中共有3個峰值，分別對應的時間尺度為5、16和30 a，表明這3個周期在陜西省61 a的干旱變化中起主要作用。 其中，第一峰值為 30 a的時間尺度，該尺度周期波動能量最強，且存在SPEI指數(shù)正負循環(huán)交替變化，對干旱的影響最強烈，30 a的時間尺度為全省干旱變化的第一主周期；5 a時間尺度對應著第二峰值，為第二主周期；第三峰值對應著16 a的時間尺度，為第三主周期，上述3個周期的波動控制著陜西省整個時間域內(nèi)干旱變化特征。

5 結 論

本文以陜西省18個氣象站點61 a的逐月氣溫、降水、濕度、日照等資料作為原始數(shù)據(jù)，計算了SPEI干旱指數(shù)，并結合滑動平均、突變檢驗和Morlet小波分析等方法對其干旱時空演變特征進行了深入分析，得到以下幾點結論：

(1)陜西省1956-2016年SPEI指數(shù)年代差異較大，總體呈在波動中下降的趨勢，線性趨勢和滑動平均值均表明全省自20世紀90年代后慢慢向干旱化發(fā)展。此外，陜西省年干旱影響范圍在0～72%之間變化，全省干旱影響范圍的10 a平均值在61 a間呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的變化趨勢。

(2)M-K突變檢驗顯示全省SPEI有多個突變點，但總體上呈現(xiàn)波動中緩慢下降的干旱化趨勢，滑動T檢驗結果表明SPEI序列在1980年出現(xiàn)顯著減小的變異點，由此確定1980年為陜西省年SPEI干旱指數(shù)的突變年。

(3)全省各站點干旱發(fā)生頻率中重旱所占比例最低，中旱所占比例最高；全省干旱發(fā)生頻率地區(qū)差異較大且分布不均衡，大范圍干旱與局部干旱均存在，其中，相較于其他幾種干旱等級，中旱分布范圍較大，主要分布在陜北南部、關中及陜南西部，重旱分布較集中，主要在陜北一帶。

(5)小波方差圖表明全省存在著3個主周期，分別為30 a左右的第一主周期，5 a左右的第二主周期和16 a左右的第三主周期。此外，全省在年代和年際上共存在3個時間尺度信號，且3個時間尺度信號均具有全域性，表現(xiàn)較為穩(wěn)定。