石衛(wèi) 雷靜 馬立亞 余江游

摘要：利用多種統(tǒng)計(jì)方法對南水北調(diào)中線水源區(qū)降水和氣溫序列進(jìn)行趨勢診斷，識別了不同氣象站點(diǎn)序列的時空變化趨勢;以標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）為干旱指標(biāo)，建立考慮降水和氣溫共同對干旱過程影響的評價模型，研究分析了水源區(qū)不同時間尺度和分期（汛期、非汛期和全年期）干旱過程動態(tài)變化特征。分析表明：降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢，氣溫總體呈現(xiàn)顯著性上升趨勢;短時間尺度SPEI對降水和氣溫變化更加敏感，隨著時間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;非汛期和全年期水源區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率增大，不同氣象站點(diǎn)3個不同時期發(fā)生特旱或重旱的年份與歷史發(fā)生干旱的資料相一致;干旱嚴(yán)重程度從上游到下游逐漸衰減，整個漢江上游和西北部地區(qū)干旱發(fā)生頻次略高于下游和南部地區(qū);對比標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（SPI）計(jì)算結(jié)果，SPEI指數(shù)較SPI指數(shù)補(bǔ)充考慮了降水和氣溫對干旱過程的綜合影響，可作為SPI指數(shù)的一個重要補(bǔ)充分析手段，可應(yīng)用于描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時間尺度的干旱特征。

關(guān) 鍵 詞：干旱指數(shù); 趨勢診斷; 水源區(qū); 南水北調(diào)中線; 漢江

近年來，北方干旱缺水問題已成為可持續(xù)發(fā)展的制約因素[1-3]。南水北調(diào)中線工程為緩解北方地區(qū)水資源短缺問題起到了關(guān)鍵的作用[4-5]。全球氣候變暖，干旱事件持續(xù)時間、發(fā)生頻率呈現(xiàn)增加的趨勢[6]。干旱發(fā)生會減少區(qū)域可用水量，并給當(dāng)?shù)厮Y源管理帶來挑戰(zhàn)[7-8]。2010年10月至2011年6月，丹江口、鄖西、竹山降水偏少七成以上，造成全市800余條中小河流斷流，100座小水庫、8 000多口塘堰干涸，丹江口水庫水位比死水位低4.3 m。持續(xù)的干旱狀態(tài)對漢江下游區(qū)域生活、生產(chǎn)用水和灌溉供水帶來巨大的限制。因此，研究水源區(qū)不同時間尺度干旱特征將為跨流域調(diào)水工程水資源調(diào)度提供決策支撐。

20世紀(jì)以來，許多學(xué)者從干旱過程量化、監(jiān)測分析等角度提出了一些評價指標(biāo)[9-10]。目前，帕默爾干旱指標(biāo)（Palmer drought severity index，PDSI）[11]和標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（Standardized precipitation index，SPI）[12]是應(yīng)用最為廣泛的兩個干旱指標(biāo)。PDSI基于水量平衡的干濕指標(biāo)，由于計(jì)算過程相對復(fù)雜、所需觀測資料要求較高，且具有固定的時間尺度和自回歸特征，使其在使用過程中受到一定的限制;SPI指標(biāo)雖然能夠描述不同時間尺度的特點(diǎn)，但是缺乏兼顧氣溫變化加劇干旱過程的重要因素[13]。綜合考慮降水和氣溫對干旱過程影響，Vicenteserrano等人[14]研究提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），兼具了多時間尺度和考慮蒸發(fā)變化特征，為研究分析區(qū)域干旱化過程及趨勢提供了有利的工具。

受到人類活動的影響，徑流資料很難反映流域的天然特性，然而對徑流資料還原計(jì)算相對復(fù)雜，而且誤差較大，很難滿足水文系列樣本的三性要求，因此干旱特征分析采用降水資料來進(jìn)行分析計(jì)算。本研究利用多種統(tǒng)計(jì)方法對客觀表征南水北調(diào)中線水源區(qū)干旱狀況的兩個重要因子降水和氣溫進(jìn)行趨勢診斷，識別其趨勢變化。應(yīng)用綜合考慮降水和氣溫影響的干旱指數(shù)SPEI描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時間尺度干旱特征，為水源區(qū)調(diào)水和漢江中下游供水提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況和資料

南水北調(diào)工程確定從漢江的丹江口水庫調(diào)水，重點(diǎn)解決北京、天津、河南、河北4個省及沿線城市的生活和生產(chǎn)用水，并兼顧沿線地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水。截至2017年9月25日，已累計(jì)向北方送水超過100億m3，沿線京津豫冀4省市5 310萬人喝上長江水，工程綜合效益同步顯現(xiàn)。丹江口水庫以上流域?yàn)闈h江上游，是南水北調(diào)中線工程的水源地，流域面積為9.52萬km2，約占全流域面積的60%。水源區(qū)年降水量為600～1 250 mm之間，年平均溫度15℃～17℃。研究區(qū)域地理位置如圖1所示。

本次研究使用的1960～2014年逐日歷史降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（下載網(wǎng)址：http：//cdc.cma.gov.cn/）。水源區(qū)氣象站點(diǎn)選取了欒川、略陽、漢中等12個分布較均勻的代表站（見圖1）。結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）工具，采用泰森多邊形法計(jì)算水源區(qū)各水文區(qū)不同時間尺度的平均降雨量和平均氣溫，為趨勢診斷和干旱特征研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 趨勢診斷

本次研究對于降雨和氣溫長序列趨勢診斷采用線性回歸[15]、Spearman秩檢驗(yàn)[16]和Kendall秩和檢驗(yàn)[17]3種常用方法。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）

結(jié)合降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，新的干旱指數(shù)SPEI集合了PDSI對蒸發(fā)變化的敏感性和SPI描述干旱的多尺度特征，能夠表征干旱化以及溫度干旱過程的影響。基于不同時間尺度的降水量與計(jì)算的潛在蒸散發(fā)量（PET）差值，通過簡單的水量平衡計(jì)算得到SPEI。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量和氣溫時空趨勢分析

采用線性回歸法（LR）、Spearman秩檢驗(yàn)（SP）和Kendall秩和檢驗(yàn)（MK）3種方法對水源區(qū)12個氣象站1960～2014年降水和氣溫序列進(jìn)行趨勢診斷。如表1所示，流域內(nèi)年降水量呈現(xiàn)下降趨勢，但趨勢不顯著;除尚州和石泉站外，年氣溫呈現(xiàn)顯著性（P < 0.05）上升趨勢。降水和氣溫序列的線性趨勢和滑動平均分析如圖2所示。從降雨和氣溫空間分布來看，漢江流域南部降雨明顯較西北部大，尤其是陜西的尚州、略陽和鎮(zhèn)安站;安康、老河口站氣溫較其它站要高，佛坪和欒川站氣溫較低。

3.2 基于SPEI的干旱時空特征分析

3.2.1 不同時間尺度干旱特征分析

根據(jù)已有相關(guān)研究[14，19-20]，基于SPEI的干旱化過程分析，干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

本次研究選擇1，3，6，12，18，24個月不同的時間尺度計(jì)算SPEI（對應(yīng)的各時間尺度分別用SPEI-1，SPEI-3，SPEI-6，SPEI-12，SPEI-18和SPEI-24表示），分析水源區(qū)干旱過程動態(tài)變化特征。如圖3所示，隨著時間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;時間尺度越小，SPEI值正負(fù)波動越大，對降水和氣溫變化更加敏感。對于土壤干濕過程通常通過持續(xù)的降雨或者干旱少雨使其發(fā)生變化，因此干旱監(jiān)測是一個長期的過程。

水源區(qū)1960～2014年多年平均降水量為823 mm，其中汛期（5～10月）和非汛期（11月至次年4月）降水量分別為671 mm和152 mm，分別占81.5%和18.5%。結(jié)合水源區(qū)干旱發(fā)生特征，本研究進(jìn)一步選取汛期、非汛期和全年期3個時期的干旱過程、干旱程度以及各級干旱出現(xiàn)頻次。如圖4所示，汛期SPEI有微弱的上升趨勢，說明汛期干旱程度隨時間變化不大;非汛期和全年期SPEI呈現(xiàn)顯著的減小趨勢，說明非汛期和全年期發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率越來越大，非汛期表現(xiàn)更為明顯。統(tǒng)計(jì)3個時期發(fā)生中旱、重旱、特旱的頻次如表3所示，發(fā)現(xiàn)全年期嚴(yán)重干旱發(fā)生在1994～1996年和1999年，1997年發(fā)生特旱;汛期嚴(yán)重干旱發(fā)生在1964年和1966年，1997年發(fā)生特旱;非汛期嚴(yán)重干旱發(fā)生在1998～1999年，2010年發(fā)生特旱。

3.2.2 不同站點(diǎn)干旱特征分析

計(jì)算各氣象站汛期、非汛期和全年期3個時期SPEI，發(fā)現(xiàn)汛期SPEI呈不顯著的上升趨勢，隨著時間

變化干旱程度變化不大;各站點(diǎn)非汛期和全年期SPEI呈現(xiàn)顯著的減小趨勢，說明非汛期和全年期發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率隨時間變化增大，尤其是非汛期。各氣象站點(diǎn)3個時期發(fā)生中旱及以上干旱的頻次如表4所示，發(fā)現(xiàn)不同氣象站點(diǎn)和3個不同時期發(fā)生特旱或重旱的年份與歷史干旱資料一致。如1994～1997年、2010年等均在不同站點(diǎn)發(fā)生不同程度的干旱。以漢中市歷年干旱實(shí)際情況為例，1994～1997年，漢中市連續(xù)4 a出現(xiàn)連季干旱，其中1994，1995年干旱為100 a一遇，其他2 a均達(dá)到50～60 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，造成冬春夏三季或夏秋連續(xù)兩季干旱。干旱最嚴(yán)重時，大小河道斷流，水庫2/3以上全部干涸，漢江武侯站最長斷流時間達(dá)3個月?；赟PEI的南水北調(diào)中線水源區(qū)干旱特征分析能夠?yàn)檎{(diào)水提供技術(shù)參考。

3.2.3 干旱特征空間變化分析

從干旱發(fā)生空間變化來分析，干旱發(fā)生頻次或者災(zāi)害嚴(yán)重程度上游較下游要大，靠近西北部地區(qū)較南部地區(qū)普遍要大。以1999年非汛期重大干旱為例，漢江上游的略陽站、漢中站、石泉站、安康站和老河口站非汛期SPEI指數(shù)分別為-1.974，-1.700，-1.611，-1.343和-1.174，可以看出干旱嚴(yán)重程度從上游到下游逐漸衰減。從不同氣象站點(diǎn)汛期、非汛期和全年期發(fā)生中旱、重旱、特旱的頻次表（見表4）分析知，整個漢江上游和西北部地區(qū)干旱發(fā)生頻次略高于下游和南部地區(qū)。

3.2.4 與SPI指數(shù)對比分析

同樣選擇1，3，6，12，18，24個月不同的時間尺度計(jì)算SPI（對應(yīng)的各時間尺度分別用SPI-1，SPI-3，SPI-6，SPI-12，SPI-18和SPI-24表示），如圖5所示。以SPI-3，SPI-6，SPI-12和SPI-24為例，特大干旱事件主要發(fā)生在1995～2000年以及2011年。采用SPI指數(shù)能夠像SPEI指數(shù)一樣發(fā)現(xiàn)識別出大部分干旱事件，但是SPEI指數(shù)識別的干旱事件包含2014年干旱，在SPI指數(shù)中沒有被識別出來。根據(jù)實(shí)際干旱調(diào)查資料分析發(fā)現(xiàn)，2014年漢江上游包括漢中、襄陽等城市都發(fā)生大旱。因此，初步認(rèn)為SPEI指數(shù)較SPI指數(shù)補(bǔ)充考慮了降水和氣溫對干旱過程的綜合影響，可作為表征干旱程度的又一個重要分析應(yīng)用指數(shù)，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價值，可應(yīng)用于描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時間尺度干旱特征。

4 結(jié) 論

（1） 本文利用多種統(tǒng)計(jì)技術(shù)對漢江上游研究區(qū)域多年降水和氣溫序列進(jìn)行趨勢診斷，識別了不同氣象站點(diǎn)的時空變化趨勢，即降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢，氣溫總體呈現(xiàn)顯著性上升趨勢。

（2） 選取綜合考慮降水和氣溫對干旱過程的影響新氣候干旱指數(shù)SPEI，對不同月時間尺度（1，3，6，12，18月和24月）和分期（汛期、非汛期和全年期）漢江上游區(qū)域（南水北調(diào)中線工程水源區(qū)）干旱過程動態(tài)變化特征研究分析，表明SPEI-1，SPEI-3對降水和氣溫變化更加敏感，隨著時間尺度增大，SPEI值變化更加平緩;汛期干旱程度隨時間變化不大，非汛期和全年期發(fā)生嚴(yán)重干旱的概率越來越大，非汛期表現(xiàn)更為明顯;不同氣象站點(diǎn)3個不同時期發(fā)生特旱或重旱的年份與歷史干旱資料一致。

（3） 通過分析不同氣象站SPEI指數(shù)空間分布特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的干旱嚴(yán)重程度從上游到下游逐漸衰減，整個漢江上游和西北部地區(qū)干旱發(fā)生頻次略高于下游和南部地區(qū);另外，以歷史發(fā)生干旱事件為依據(jù)，對比分析標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（SPI）計(jì)算結(jié)果表明， SPEI指數(shù)較SPI指數(shù)補(bǔ)充考慮了降水和氣溫對干旱過程的綜合影響，可作為SPI指數(shù)的一個重要補(bǔ)充分析手段，可應(yīng)用于描述南水北調(diào)中線水源區(qū)不同時間尺度的干旱特征。

本次研究主要基于歷史實(shí)測氣象序列資料進(jìn)行干旱時空特征分析，將來可采用計(jì)算SPEI指數(shù)方法開展氣候變化影響下的水源區(qū)和受水區(qū)未來干旱變化趨勢及特征分析，為跨流域調(diào)水和水資源配置提供理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳志愷.持續(xù)干旱與華北水危機(jī)[J].中國水利，2002（4）：8-11.

[2] 夏軍，談戈.全球變化與水文科學(xué)新的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].資源科學(xué)，2002，24 （3）：1-7.

[3] Xia J，Zhang Y Y.Water security in north China and countermeasure to climate change and human activity[J].Physics & Chemistry of the Earth Parts A/b/c，2008，33（5）：359-363.

[4] 吳德緒，倪暉.南水北調(diào)中線工程設(shè)計(jì)與重大技術(shù)問題研究[J].人民長江，2014，45（6）：1-3.

[5] 張娜，胡石華，劉江俠，等.南水北調(diào)中線工程受水區(qū)二期需調(diào)水量預(yù)測研究[J].人民長江，2015，46（24）：21-23.

[6] Dai A.Increasing drought under global warming in observations and models[J].Nature Climate Change，2013，3（1）：52-58.

[7] Milly P C，Betancourt J，F(xiàn)alkenmark M，et al.Climate change. Stationarity is dead： whither water management[J].Science，2008，319（5863）：573-4.

[8] Long D，Scanlon B R，Longuevergne L，et al.GRACE satellite monitoring of large depletion in water storage in response to the 2011 drought in Texas[J].Geophysical Research Letters，2013，40（13）：3395-3401.

[9] Heim R R.A review of twentieth-century drought indices used in the United States[J].Bull.Amer.Meteor.Soc，2002（83）：1149–1165.

[10] Keyantash J A， Dracup J A. The quantification of drought：An evaluation of drought indices[J].Bull. Amer. Meteor.Soc，2002（83）：1167–1180.

[11] Palmer W C.Meteomrological Drought[M]. Washington DC：Depanment of Commerce Weather Bureau，1965.

[12] McKee T B，Doesken N J，Kleist J.The relationship of drought frequency and duration to time scales[C]∥Eighth conference on Applied ClimatologyAnaheim：American Meteorological Society，1993：179-184.

[13] Dai A G.Drought under gobal warming：a review[J].Wiley Interdisciplinary Reviews：Climate Change，2011，2（1）：45-65.

[14] Vicenteserrano S M，Beguería S，Lópezmoreno J I.A multiscalar drought index sensitive to global warming：the standardized precipitation evapotranspiration index[J].Journal of Climate，2010，23（7）：1696-1718.

[15] 莊常陵.相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法與方差分析一致性的討論[J].高等繼續(xù)教育學(xué)報(bào)，2003，16（4）：11-12.

[16] 潘承毅，何迎暉.數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理與方法[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1993.

[17] Kendall M G，Stuart A.The advanced theory of statistics[M]. London：Charles Griffin & Company Limited，1979：387-403.

[18] Thornthwaite C W.An approach toward a rational classification of climate[J].Geographical Review，1948（38）： 55–94.

[19] 周丹，張勃，羅靜，等.基于SPEI的華北地區(qū)近50年干旱發(fā)生強(qiáng)度的特征及成因分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2014，23（4）：192-202.

[20] 余江游，夏軍，佘敦先，等.南水北調(diào)中線工程水源區(qū)與海河受水區(qū)干旱遭遇研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2018（1）：63-68.

（編輯：劉 媛）