王衛(wèi)光,黃 茵，邢萬秋，魏 佳

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著氣候變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，干旱逐漸成為對(duì)人類社會(huì)造成巨大損失的自然災(zāi)害之一[1-2]。在全球變暖的影響下，干旱頻率和強(qiáng)度均顯著增大，極端和嚴(yán)重干旱災(zāi)害自20世紀(jì)90年代后日益嚴(yán)重[3]。20世紀(jì)70年代后期以來，我國華北和東北地區(qū)的持續(xù)干旱不僅困擾我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4-5]。由于干旱導(dǎo)致的大規(guī)模損失，針對(duì)干旱演變及其成因的研究在水文學(xué)科中的地位日益上升。

目前在干旱評(píng)估、干旱監(jiān)測(cè)及其量化研究方面，眾多學(xué)者提出了多種干旱指數(shù)，這些指數(shù)大體上分為兩類，一類是僅基于降水的單一指數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)[6]；另一類是基于降水以及其他氣象要素(如水量平衡)的綜合指數(shù)，如帕默爾指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)[7]。由于SPI僅基于降水變異性大大高于氣溫和潛在蒸散發(fā)等變量的假設(shè)，沒有考慮水分的支出，在全球變暖的氣候情景下適用性不廣；PDSI的局限性在于其參數(shù)對(duì)不同區(qū)域的敏感性較高，且計(jì)算方案中土壤濕度的取值在觀測(cè)資料缺乏地區(qū)存在較大的不確定性，這在一定程度上限制了PDSI在區(qū)域干濕變化研究中的應(yīng)用?？紤]到以上兩大類干旱指數(shù)的弊端，2010年Vicente-Serrano等[8]提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)，SPEI既考慮了水量平衡，并且具有多尺度、計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在干旱評(píng)估研究中具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，便于在資料較少的情況下，對(duì)地區(qū)干濕變化進(jìn)行分析，可根據(jù)SPEI不同尺度對(duì)不同需水情況的干旱進(jìn)行分析[8-10]。

海河流域(34°N～43°N、112°E～120°E)地處溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候帶[11]，由于氣候及流域地形因素影響，該流域具有降水量區(qū)域性差異大、年際變化率大、潛在蒸散發(fā)量大等半干旱氣候特征。近年來，海河流域旱澇災(zāi)害頻發(fā)，已嚴(yán)重影響了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，該地區(qū)的干旱演變問題也引起了廣泛關(guān)注。本文利用海河流域氣象資料計(jì)算1961—2017年的SPEI，分析海河流域的干旱演變特征和發(fā)生規(guī)律，并通過典型干旱趨勢(shì)時(shí)期的500 hPa等位勢(shì)高度場(chǎng)變化探討大氣環(huán)流變化對(duì)海河流域干旱變化的作用。

1 研究數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心(http://cdc.nmic.cn/)提供的地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，包含逐日降水、最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、光照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、氣壓等數(shù)據(jù)。本文共選取海河流域內(nèi)部31個(gè)氣象站(圖1)1961—2017年的氣象數(shù)據(jù)，缺失值采用相鄰日期的數(shù)據(jù)插值得到。

大氣環(huán)流分析采用來自美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)再分析數(shù)據(jù)集的500 hPa等位勢(shì)高度格點(diǎn)數(shù)據(jù)，精度為 2.5°×2.5°。

圖1 海河流域地形及氣象站點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 SPEI

SPEI以SPI為基礎(chǔ)，以降水與潛在蒸散發(fā)的差值作為輸入量，采用Log-Logistic分布擬合其經(jīng)驗(yàn)頻率，將累計(jì)概率值序列進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到。SPEI考慮了除降水外的其他氣象要素，具有多時(shí)間尺度的特征，可以考慮不同類型的干旱。如1月尺度SPEI(SPEI-1)可反映月尺度上的旱澇發(fā)生情況；3月尺度SPEI(SPEI-3)可反映季節(jié)的干濕情況，更長時(shí)間尺度的SPEI可反映干濕情況的持續(xù)狀況，春夏秋冬四季干旱情況分別由5月、8月、11月和次年2月的SPEI-3表示；年尺度干旱情況由每年12月的12月尺度SPEI(SPEI-12)表示。計(jì)算SPEI的過程中，首先計(jì)算逐月潛在蒸散量，本文采用國際糧農(nóng)組織(FAO)建議的Penman-Monteith公式[12]進(jìn)行日潛在蒸散量ETp的計(jì)算：

(1)

式中：Rn為地表凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；t為平均氣溫，℃；u2為2 m處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實(shí)際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃。

根據(jù)逐日潛在蒸散量累加計(jì)算逐月潛在蒸散量，并計(jì)算得出逐月降水量與潛在蒸散發(fā)的差值Di：

Di=Pi-ETpi

(2)

式中：Pi為月降水量，mm；ETpi為月潛在蒸散發(fā)量，mm。

采用Log-Logistic分布對(duì)Di進(jìn)行擬合，然后對(duì)其累積概率值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，最終可得到不同時(shí)間尺度的SPEI。根據(jù)Vicente-Serrano提出SPEI時(shí)定義的干濕等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分流域干濕等級(jí)[8]。

2.2 趨勢(shì)及突變分析

對(duì)海河流域1961—2017年SPEI時(shí)間序列采用Man-Kendall(M-K)無參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行趨勢(shì)分析。M-K檢驗(yàn)適用于水文、氣象數(shù)據(jù)且計(jì)算簡(jiǎn)便，通常用于檢驗(yàn)序列的趨勢(shì)性[13]，假設(shè)時(shí)間序列數(shù)據(jù){Xt}(t=1，2，…，n)是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本，定義統(tǒng)計(jì)量S為

(3)

式中sign()為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于0時(shí)，分別為-1、0或1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)量S的取值范圍計(jì)算趨勢(shì)Z值，計(jì)算公式為

(4)

當(dāng)|Z|≥Z0.05=1.96時(shí)，表明該序列趨勢(shì)顯著，置信度為95%；當(dāng)|Z|≥Z0.10=1.64時(shí)，表明該序列趨勢(shì)較為顯著，置信度為90%；Z為其余值時(shí)表示該序列趨勢(shì)不顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 多尺度SPEI時(shí)間序列變化

海河流域1961—2017年SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12時(shí)間序列如圖2所示，短時(shí)間尺度下，SPEI波動(dòng)頻繁，表示流域短時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)干濕頻繁交替特征，且無明顯趨勢(shì)；隨著時(shí)間尺度增大，SPEI波動(dòng)明顯減小，且干旱歷時(shí)增加。短時(shí)間尺度中，SPEI對(duì)降水、氣溫及日照時(shí)長等氣象因子的變化反應(yīng)都較為敏感[14]，且強(qiáng)降水將導(dǎo)致較大水分收支差值波動(dòng)，因此呈現(xiàn)出頻繁的干濕交替變化，而時(shí)間尺度增長后，短時(shí)段內(nèi)的強(qiáng)降水無法決定流域的干濕程度，此時(shí)SPEI能夠更好反映累積降水與潛在蒸散發(fā)差值變化，體現(xiàn)出流域干旱的長期演變特征。

綜合SPEI-1、SPEI-3及SPEI-12時(shí)間序列，海河流域在1963—1965年經(jīng)歷了強(qiáng)度最大的濕潤和干旱事件，分別在1976年、1990年、1995年和2003年左右發(fā)生了較長時(shí)間的濕潤事件，在1980年和2000年左右發(fā)生了歷時(shí)極長的干旱事件。SPEI-12

(a) SPEI-1

(b) SPEI-3

(c) SPEI-12

時(shí)間序列中，干旱在20世紀(jì)80年代后發(fā)生頻次明顯增多且分布較為集中，1980年4月至1985年4月連續(xù)60個(gè)月，SPEI-12均為負(fù)值，其中22次輕微干旱，2次中度干旱，1次特別干旱；1999年5月至2003年6月連續(xù)50個(gè)月，SPEI-12均為負(fù)值，其中27次輕微干旱，7次中度干旱，與前一時(shí)段長歷時(shí)干旱相比，此次干旱中未出現(xiàn)重度干旱，但中度干旱與輕度干旱的頻次明顯增加。

3.2 長尺度干旱的時(shí)空分布特征

1961—2017年海河流域年際干旱情況如圖3所示，共有10年發(fā)生干旱(SPEI小于-0.5)，其中6年為輕度干旱，均發(fā)生于1980年后；另4年為中度干旱，其中3次發(fā)生于1965—1973年。10年干旱中有70%發(fā)生于1980年后，但強(qiáng)度基本低于1980年前發(fā)生的干旱。海河流域1961—2017年水量收支缺失呈上升趨勢(shì)，流域內(nèi)干旱強(qiáng)度均呈減小趨勢(shì)，干旱頻率呈增長趨勢(shì)。

圖3 海河流域1961—2017年年際SPEI與年際Di

對(duì)流域內(nèi)31個(gè)氣象站點(diǎn)的SPEI-12序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，將趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果在空間上進(jìn)行反距離權(quán)重插值，得到的空間柵格數(shù)據(jù)如圖4所示(圖中M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值為負(fù)值表示SPEI值有減小趨勢(shì)，干旱程度加重；正值表示SPEI值有增大趨勢(shì)，濕潤程度增加)。流域內(nèi)57.4%的地區(qū)呈現(xiàn)顯著干旱加重趨勢(shì)(通過置信度為90%的顯著性檢驗(yàn))，主要分布于流域西南、東部地區(qū)以及流域北部。流域內(nèi)19.0%的區(qū)域呈現(xiàn)較為顯著干旱減弱趨勢(shì)(通過置信度為90%的顯著性檢驗(yàn))，位于流域南部平原及流域北部的個(gè)別地區(qū)。綜上，1961—2017年流域大部分地區(qū)呈現(xiàn)干旱加重趨勢(shì)，以流域西南部地區(qū)和東北平原地區(qū)最為明顯，流域內(nèi)干旱減弱的區(qū)域較少，集中于南部。

圖4 海河流域1961—2017年SPEI-12趨勢(shì)空間分布

3.3 短尺度干旱的時(shí)空分布特征

海河流域降水具有季節(jié)性特征，且春季降水偏少，常有春旱發(fā)生[15]，為分析流域季尺度的旱澇時(shí)空演變情況，依據(jù)SPEI的多時(shí)間尺度特征采用5月、8月、11月和次年2月的SPEI-3值分別代表春、夏、秋、冬四季干旱情況，圖5為海河流域1961—2017年季節(jié)干旱變化及其線性趨勢(shì)。1961—2017年，春季和秋季SPEI呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)，且經(jīng)檢驗(yàn)流域春季、秋季SPEI的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值分別為2.94和3.23，呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，表明春季和秋季海河流域整體以濕潤化趨勢(shì)為主，但在1980年和2000年左右春季SPEI出現(xiàn)了明顯下降，2001年發(fā)生了重度干旱(SPEI值低于-1.5)。夏季SPEI呈現(xiàn)梯度為0.65%/a的線性下降趨勢(shì)，且經(jīng)檢驗(yàn)夏季SPEI的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值為-1.72，呈顯著下降趨勢(shì)，表明夏季流域整體以干旱加重趨勢(shì)為主。冬季SPEI序列未被檢驗(yàn)出顯著變化趨勢(shì)，但其線性梯度為正值，表明冬旱呈不明顯減輕的趨勢(shì)；冬季SPEI序列的振幅較小，無明顯干濕交替現(xiàn)象。春季、秋季干旱減弱以及夏季干旱的增強(qiáng)與前人的研究結(jié)果基本相同[16-17]，表明SPEI能較好地表征流域干濕變化特征。

圖5 海河流域1961—2017年季節(jié)干旱變化

從月尺度干旱變化趨勢(shì)(圖6)可看出，月干旱變化趨勢(shì)的時(shí)間分布與季節(jié)干旱趨勢(shì)相符，大部分地區(qū)SPEI下降趨勢(shì)顯著的月份主要集中在夏季7月和8月，即大陸性季風(fēng)氣候降水集中的月份[11]；流域部分地區(qū)3月SPEI呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。5月和6月流域內(nèi)75%的地區(qū)SPEI呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，該時(shí)期為春末夏初，此時(shí)段內(nèi)降水相較于初春大幅度增加，是導(dǎo)致濕潤化明顯的主要原因；此外流域1、9、10月也有部分地區(qū)SPEI呈現(xiàn)顯著增大趨勢(shì)。

圖6 海河流域1961—2017年各月干旱變化趨勢(shì)

總之，在月、季尺度下，夏季全流域呈現(xiàn)干旱加重趨勢(shì)，尤其是7、8月的干旱加重趨勢(shì)顯著；春季全流域呈現(xiàn)濕潤化趨勢(shì)，春末時(shí)期濕潤化趨勢(shì)顯著。

(a) 1961—1970年

(b) 1971—1980年

(c) 1981—1990年

(d) 1991—2000年

(e) 2001—2010年

(f) 2011—2017年

3.4 干旱趨勢(shì)環(huán)流成因

海河流域在降水量相對(duì)較多的夏季出現(xiàn)了干旱加重的趨勢(shì)，而大氣環(huán)流異常是形成氣候變化引起干濕變化的直接原因，圖7為夏季20°N～60°N、90°E～150°E范圍內(nèi)500 hPa的等位勢(shì)高度距平。在高緯度地區(qū)，1961—1980年以貝加爾湖和蒙古高原為中心的上空，500 hPa等位勢(shì)高度距平發(fā)生了負(fù)距平到正距平的變化，而1991—2017年海河流域至烏拉爾山一帶都維持正等位勢(shì)高度距平，正等位勢(shì)高度距平異的持續(xù)會(huì)導(dǎo)致高緯度和低緯度異常環(huán)流系統(tǒng)相互作用，削弱東亞夏季風(fēng)輸送的水汽，導(dǎo)致高溫?zé)o雨，降水異常偏少。等位勢(shì)高度正距平的增強(qiáng)將導(dǎo)致蒙古高壓加強(qiáng)，加強(qiáng)的高壓區(qū)將阻隔北部冷空氣團(tuán)南移，不利于海河流域夏季降水形成。除中高緯度地區(qū)蒙古高壓的影響，低緯度地區(qū)的西太平洋副熱帶高壓是對(duì)海河流域夏季降水有顯著影響的環(huán)流系統(tǒng)[18]。從圖7可看出，1961—2017年西太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)(以5 880 gpm位置及范圍為代表)具有明顯的位置西移、范圍向南擴(kuò)張且強(qiáng)度增加的特征，不利于來自印度洋及西太平洋的夏季風(fēng)水汽輸送。夏季風(fēng)是亞洲水汽輸送的主要渠道，是中國旱澇氣候的重要影響系統(tǒng)，且東亞夏季風(fēng)的水汽輸送對(duì)華北降水有顯著影響[19]，根據(jù)對(duì)圖7的分析，受高緯度地區(qū)正等位勢(shì)高度距平及低緯度西太平洋副熱帶高壓移動(dòng)和增強(qiáng)影響，夏季風(fēng)水汽輸送會(huì)有減弱現(xiàn)象，而GAO等[20]研究表明20世紀(jì)90年代以來東亞夏季風(fēng)確實(shí)有明顯減弱現(xiàn)象。對(duì)環(huán)流系統(tǒng)分析表明，高壓系統(tǒng)的增強(qiáng)和水汽輸送的減少是導(dǎo)致海河流域夏季干旱加劇的原因之一。

4 結(jié) 論

a. 多時(shí)間尺度且考慮多氣象要素的SPEI可較為真實(shí)地反應(yīng)海河流域干旱的時(shí)空變化特征。1961—2017年海河流域有輕微干旱趨勢(shì)，長歷時(shí)干旱主要集中于1980—2017年，在年際尺度上，干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)；在月、季尺度上，夏季干旱呈現(xiàn)明顯加重趨勢(shì)，其中7、8月尤為顯著，春末時(shí)期(5、6月)干旱呈現(xiàn)明顯減弱趨勢(shì)。

b. 空間變化上，對(duì)于年尺度，海河流域大部分地區(qū)以干旱化趨勢(shì)為主，極少數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)濕潤化趨勢(shì)；月尺度上，7、8月大部分地區(qū)呈現(xiàn)干旱加劇趨勢(shì)，5、6月海河流域整體呈現(xiàn)干旱減弱趨勢(shì)。流域內(nèi)57.4%的地區(qū)呈現(xiàn)干旱顯著加重趨勢(shì)，19.0%的區(qū)域呈現(xiàn)干旱較為顯著減弱趨勢(shì)。

c. 1961—2017年蒙古高壓增強(qiáng)、西太平洋副熱帶高壓西移、南擴(kuò)以及增強(qiáng)的環(huán)流特征不利于水汽輸送及降水形成，高壓系統(tǒng)增強(qiáng)導(dǎo)致來自印度洋及太平洋的水汽難以輸送至流域，導(dǎo)致降水減少，高壓系統(tǒng)的增強(qiáng)和水汽輸送的減少是該區(qū)域夏季干旱化趨勢(shì)的原因之一。