張偉杰,陳曉俊,王文君,全 強(qiáng),吳英杰,尹 航,李 瑋

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

干旱災(zāi)害的影響程度居各種氣象災(zāi)害之首，全球約有120多個(gè)國(guó)家和地區(qū)受到不同程度的干旱威脅[1]。我國(guó)的局地性或區(qū)域性干旱每年都會(huì)發(fā)生，并且造成了嚴(yán)重?fù)p失[2]。特別是地處我國(guó)半干旱和干旱地區(qū)的廣大荒漠草原，由于具有年降水量低、蒸發(fā)量大以及降水、徑流年內(nèi)、年際變化大等特點(diǎn)，所以干旱發(fā)生的頻數(shù)多，覆蓋面廣且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[3]。因旱減畜、因旱致災(zāi)時(shí)有發(fā)生，不僅影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，還嚴(yán)重威脅了草原生態(tài)環(huán)境，干旱已成為影響牧區(qū)現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展和草原生態(tài)保護(hù)的重要制約因素。因此，研究干旱的程度等級(jí)和時(shí)間變化特征，對(duì)于評(píng)估干旱對(duì)荒漠草原的影響程度、厘清干旱的致災(zāi)機(jī)理和開(kāi)展旱情預(yù)測(cè)具有重要的意義[4]。

近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)草原的干旱特征進(jìn)行了研究，如薛海麗等[5]基于相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)和非參數(shù)百分法,并結(jié)合線性趨勢(shì)法等方法，分析了1955—2015年內(nèi)蒙古的多倫、錫林浩特、海拉爾和四子王旗4個(gè)草原類(lèi)型區(qū)的干旱事件特征，結(jié)果顯示4個(gè)區(qū)域均呈現(xiàn)暖干化的趨勢(shì);杜波波等[6]利用溫度植被干旱指數(shù)TVDI，反演了2002—2016年錫林郭勒草原植被生長(zhǎng)期土壤干濕狀況，得到錫林郭勒草原整體處于干旱狀態(tài)、主要以輕旱和中旱為主、重旱現(xiàn)象較少等結(jié)論。目前關(guān)于草原干旱特征的研究主要集中于草甸草原和典型草原，而對(duì)于荒漠草原的研究相對(duì)較少。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要采用帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)、降水距平指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)和地表濕潤(rùn)指數(shù)等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)干旱狀況[7]。相關(guān)研究表明，PDSI對(duì)西北地區(qū)的干旱響應(yīng)敏感性較低[8]；而地表濕潤(rùn)指數(shù)易受到夏季降水和氣溫的影響[9]；降水距平指數(shù)響應(yīng)干旱的過(guò)程較慢，在西北地區(qū)的應(yīng)用具有局限性[10]；SPEI在西北地區(qū)12個(gè)月尺度以下的干旱波動(dòng)變化與SPI一致[11]。由于SPI計(jì)算參數(shù)少、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，具有良好的計(jì)算穩(wěn)定性、多時(shí)間尺度和時(shí)空可比性等優(yōu)勢(shì)[12]，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的干旱評(píng)估和監(jiān)測(cè)中[13]。我國(guó)國(guó)家氣候中心干旱監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)也主要運(yùn)用SPI，這充分說(shuō)明了SPI在干旱評(píng)價(jià)中的適用性。

本文以?xún)?nèi)蒙古包頭市達(dá)茂草原作為典型的荒漠草原研究區(qū)，根據(jù)1961—2016年的逐月降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用4種不同時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)，分析了達(dá)茂草原近56年間的干旱狀況時(shí)間分布特征，以期為荒漠草原牧業(yè)抗旱、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1. 1 研究區(qū)概況

達(dá)茂草原地處內(nèi)陸干旱地區(qū)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市北部、大青山西北內(nèi)蒙古高原地帶，地勢(shì)南高北低，緩緩向北傾斜[14],地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°15′～111°25′、北緯41°16′～42°45′，總面積為18 177 km2。達(dá)茂草原的天然草場(chǎng)面積為1 642 640 hm2，占可利用土地總面積的92%，草原從南向北依次跨越干草原、荒漠草原和草原化荒漠3個(gè)自然植被帶，在各植被帶間零星分布著非地帶性的草甸草場(chǎng)，其中荒漠草原是主體草場(chǎng)[15]。達(dá)茂草原降水稀少、蒸發(fā)量大、水資源匱乏，屬于嚴(yán)重缺水的牧區(qū)之一，具有北方荒漠草原的顯著特點(diǎn)。

1. 2 數(shù)據(jù)來(lái)源

以達(dá)茂草原上32個(gè)氣象站提供的1961—2016年共56年的逐月降水資料作為計(jì)算SPI的基礎(chǔ)資料，研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)的分布Fig.1 Location of meteorological stations in study area

1. 3 研究方法

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI)由美國(guó)的McKee等在評(píng)估科羅拉多州旱情時(shí)提出，具有計(jì)算簡(jiǎn)單且能滿(mǎn)足多時(shí)間尺度分析的優(yōu)點(diǎn)。

該方法假設(shè)某時(shí)段降水量為隨機(jī)變量x，則其Γ分布的概率密度函數(shù)為

式中：β、γ分別為尺度和形狀參數(shù)，且β>0、γ>0；Γ(γ)為gamma函數(shù)。

于是，給定時(shí)間尺度的累積概率可計(jì)算如下：

實(shí)測(cè)降水量可能為零，降水量為0時(shí)的事件概率由下式估計(jì)：

P(x=0)=m/n

式中:m為降水量為0的樣本數(shù);n為總樣本數(shù)。

對(duì)Γ分布概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將求得的概率值代入標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布函數(shù)，則有：

對(duì)上式進(jìn)行近似求解，可得：

上式中的Z值即為標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI值，按照SPI值劃分的干旱等級(jí)見(jiàn)表1[16]。

表1 按照SPI值劃分的干旱等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 多時(shí)間尺度SPI變化分析

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI能夠有效地反映研究區(qū)域的干旱程度和持續(xù)時(shí)間。對(duì)于復(fù)雜的干旱過(guò)程來(lái)說(shuō)，往往需要通過(guò)不同時(shí)間尺度的水分變化來(lái)評(píng)價(jià)與分析干旱的程度和影響。本文以研究區(qū)域內(nèi)32個(gè)站點(diǎn)的SPI平均值來(lái)代表該研究區(qū)域，采用月尺度、季節(jié)尺度、半年尺度和年尺度進(jìn)行時(shí)間序列分析。

2.1.1 月尺度時(shí)間序列特征分析

以SPI1來(lái)表示月時(shí)間尺度，分析了研究區(qū)域月時(shí)間尺度的干旱情況，得到1961—2016年達(dá)茂草原月尺度SPI1值變化圖，見(jiàn)圖2。

圖2 1961—2016年達(dá)茂草原月尺度SPI1值變化圖Fig.2 SPI1 value in Damao grassland at monthly scale during 1961—2016

由圖2可見(jiàn)，達(dá)茂草原各月間SPI1值變化較大，這主要是由于1個(gè)月時(shí)間尺度的SPI1值在計(jì)算過(guò)程中未考慮前期降水的影響，各月降水隨機(jī)性很強(qiáng)，而且時(shí)間持續(xù)性弱，然而逐月SPI1值對(duì)降水量的敏感性較高，干旱變化受短時(shí)間降水的影響較大，所以導(dǎo)致各月間SPI1值的波動(dòng)明顯，并且以一年為周期呈現(xiàn)出周期性變化；2015年8月是相對(duì)最旱月份，SPI1值為-2.68；此外，出現(xiàn)特旱(SPI1值≤-2.0)的年份有1962年10月、1965年9月、1966年9月、1970年7月、1987年7月、2002年10月、2007年8月、2009年10月、2011年3月、2013年4月和2015年8月。

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，達(dá)茂草原1個(gè)月時(shí)間尺度的特旱在春、夏季和秋季均有可能出現(xiàn)，但主要出現(xiàn)在夏季和秋季；1961—2016年間達(dá)茂草原無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱和特旱5種干旱等級(jí)事件發(fā)生的頻次分別為459次、110次、72次、20次、11次，在相應(yīng)的干旱等級(jí)事件中對(duì)應(yīng)的百分比分別為68.3%、16.4%、10.7%、3.0%、1.6%。

2.1.2 季節(jié)尺度時(shí)間序列特征分析

圖3 1961—2016年達(dá)茂草原季節(jié)尺度SPI3值變化圖Fig.3 SPI3 value in Damao grassland at seasonal scale during 1961—2016

以SPI3來(lái)表示季節(jié)時(shí)間尺度，分析了研究區(qū)域季節(jié)時(shí)間尺度的干旱情況，得到1961—2016年達(dá)茂草原季節(jié)尺度SPI3值變化圖，見(jiàn)圖3。季節(jié)時(shí)間尺度代表短時(shí)間內(nèi)的水分盈虧情況，可以很好地反映短期農(nóng)業(yè)和牧業(yè)干旱特征的變化。

由圖3可見(jiàn)，達(dá)茂草原SPI3值時(shí)序的分布過(guò)程與SPI1值類(lèi)似，但波動(dòng)頻率較之要小；2015年4月是相對(duì)最旱月份，SPI3值為-2.36；此外，出現(xiàn)特旱(SPI3值≤-2.0)的年份有1962年6月和10月、1965年8月—10月、1987年7月、2013年4月。

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，達(dá)茂草原季節(jié)時(shí)間尺度的特旱在春、夏季和秋季均有可能出現(xiàn)，但主要出現(xiàn)在夏季和秋季；1961—2016年間達(dá)茂草原無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱和特旱5種干旱等級(jí)事件發(fā)生的頻次分別為455次、109次、69次、32次、7次，在相應(yīng)的干旱等級(jí)事件中對(duì)應(yīng)的百分比分別為67.7%、16.2%、10.3%、4.8%、1.0%。

2.1.3 半年尺度時(shí)間序列特征分析

為了更好地了解達(dá)茂草原的干旱特征，分析了研究區(qū)域時(shí)間尺度為6個(gè)月的干旱情況，得到1961—2016年達(dá)茂草原半年尺度SPI6值變化圖，見(jiàn)圖4。

圖4 1961—2016年達(dá)茂草原半年尺度SPI6值變化圖Fig.4 SPI6 value in Damao grassland at semiannual scale during 1961—2016

由圖4可見(jiàn)，1965年9月是相對(duì)最旱月份，SPI6值為-2.44；出現(xiàn)特旱(SPI6值≤-2.0)的年份有1963年1月、1965年8月—1966年1月、1974年4月、1975年3月、2005年11月。

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，達(dá)茂草原半年時(shí)間尺度的特旱在一年四季均有可能出現(xiàn)；1961—2016年間達(dá)茂草原無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱和特旱5種干旱等級(jí)事件發(fā)生的頻次分別為453次、114次、65次、24次、11次，在相應(yīng)的干旱等級(jí)事件中對(duì)應(yīng)的百分比分別為67.9%、17.1%、9.8%、3.6%、1.6%。

2.1.4 年尺度時(shí)間序列特征分析

以SPI12來(lái)表示年時(shí)間尺度，分析了研究區(qū)域時(shí)間尺度為12個(gè)月的干旱情況，得到1961—2016年達(dá)茂草原年尺度SPI12值變化圖，見(jiàn)圖5。年時(shí)間尺度代表了長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的水分盈虧情況，可以很好地反映降水量對(duì)于土壤墑情和地下水量變化的影響，對(duì)于揭示研究區(qū)域干旱的長(zhǎng)期影響具有重要的意義。

由圖5可見(jiàn)，達(dá)茂草原1966年5月是相對(duì)最旱月份，SPI12值為-2.94；出現(xiàn)特旱(SPI12值≤-2.0)的年份有1965年9月—1966年7月；出現(xiàn)重旱(SPI12值≤-1.5)的年份有1963年2月、1966年8月—1967年3月、1965年8月、1975年7月、1987年7月—8月、2005年5月—6月;連續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的輕旱及以上干旱發(fā)生在1962年9月—1964年3月、1965年7月—1967年6月、1971年8月—1973年6月、1974年9月—1975年8月、1980年7月—1981年6月、1982年9月—1983年7月、1986年5月—1988年6月、1991年8月—1992年6月、1993年8月—1994年7月、1999年7月—12月、2000年9月—2011年8月、2005年7月—2006年8月、2009年8月2010年8月、2011年9月—2012年4月。

圖5 1961—2016年達(dá)茂草原年尺度SPI12值變化圖Fig.5 SPI12 value in Damao grassland at annual scale during 1961—2016

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，1961—2016年間達(dá)茂草原無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱和特旱5種干旱等級(jí)事件發(fā)生的頻次分別為449次、98次、79次、24次、11次，在相應(yīng)的干旱等級(jí)事件中對(duì)應(yīng)的百分比分別為67.9%、14.8%、12.0%、3.6%、1.7%。

2.1.5 對(duì)比分析

綜上分析可知，達(dá)茂草原各時(shí)間尺度SPI發(fā)生干旱事件的頻次均占32%左右，且隨著時(shí)間尺度的增大，SPI的隨機(jī)性減弱、持續(xù)性加強(qiáng);SPI對(duì)降水量的敏感性隨著時(shí)間尺度的增加而降低。就1962年發(fā)生特旱事件的起始時(shí)間來(lái)說(shuō)，SPI1發(fā)生時(shí)間為1962年3月—10月，SPI3發(fā)生時(shí)間為1962年4月—12月，SPI6起始于1962年5月，結(jié)束于次年1963年3月；SPI12起始于1962年9月，結(jié)束于1964年3月。由以上數(shù)據(jù)可知，時(shí)間尺度越小，一次干旱的起始時(shí)間越早，結(jié)束時(shí)間越早，干旱的持續(xù)時(shí)間越短，而時(shí)間尺度越大，旱期的起始和結(jié)束時(shí)間均相應(yīng)延后，干旱的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。這充分說(shuō)明了不同時(shí)間尺度下的SPI對(duì)降水量的敏感程度不同。時(shí)間尺度小，一次降水對(duì)其的影響就越顯著，導(dǎo)致SPI波動(dòng)明顯；隨著時(shí)間尺度增加，一次降水對(duì)其的影響變小，只有在持續(xù)降水的情況下，SPI才會(huì)發(fā)生波動(dòng)，這說(shuō)明了前期降水變化對(duì)干旱的累積影響。因此，小尺度SPI可為干旱提供早期預(yù)警并有助于評(píng)估干旱的嚴(yán)重性，適用于氣象干旱；中尺度3個(gè)月或半年SPI更適合季節(jié)變化對(duì)干旱的影響分析，適用于農(nóng)業(yè)干旱；大尺度SPI可以很好地反映降水量對(duì)于土壤墑情和地下水量變化的影響，更適用于水文干旱。

2.2 SPI年際及季節(jié)變化特征分析

2.2.1 SPI年際變化分析

干旱的年際變化，代表土壤對(duì)長(zhǎng)序列的連續(xù)降水量的響應(yīng)情況。因此本文選用1961—2016年達(dá)茂草原年時(shí)間尺度SPI12中12月份的SPI值來(lái)表示年際干旱變化特征，并以此56個(gè)SPI值做線性趨勢(shì)分析，得到達(dá)茂草原年際SPI值變化圖，見(jiàn)圖6。

圖6 1961—2016年達(dá)茂草原年際SPI值變化圖Fig.6 Variation of annual SPI value in Damao grassland during 1961—2016

由圖6可見(jiàn)，達(dá)茂草原最旱年份發(fā)生在1965年，SPI值為-2.62，等級(jí)為特旱；發(fā)生干旱事件中的輕旱、中旱、重旱、特旱的年份數(shù)分別為10 a、6 a、2 a、1 a。從年代變化上來(lái)看，20世紀(jì)60、70、80、90年代和21世紀(jì)00、10年代后發(fā)生干旱事件的年份數(shù)分別為4 a、4 a、4 a、3 a、3 a、1 a，干旱事件發(fā)生的頻數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；在20世紀(jì)60～80年代，干旱事件通常在兩年內(nèi)連續(xù)發(fā)生，進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，干旱事件的發(fā)生趨于分散，表明干旱發(fā)生的連續(xù)性降低；除了2005年和2009年發(fā)生重旱外，整體來(lái)說(shuō)自1961年以來(lái)，達(dá)茂草原的干旱等級(jí)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；全年的SPI值變化速率為每10年上升0.045，表明達(dá)茂草原旱情逐步緩解。

2.2.2 SPI季節(jié)變化分析

干旱在不同季節(jié)有不同特征，干旱的季節(jié)變化代表了農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)作物對(duì)季節(jié)連續(xù)降水量的響應(yīng)情況。因此本文選用1961—2016年達(dá)茂草原季節(jié)時(shí)間尺度SPI3值，分別以第5月、8月、11月和2月來(lái)表示一個(gè)自然年度中春、夏、秋、冬季節(jié)的干旱變化特征，并分別以各季度的56個(gè)SPI值做線性趨勢(shì)分析，得到達(dá)茂草原季節(jié)SPI值變化圖，見(jiàn)圖7。其中，春季最旱發(fā)生在1993年，SPI值為-1.75，干旱等級(jí)為重旱，發(fā)生干旱事件中的輕旱、中旱、重旱、特旱的年份數(shù)分別為9 a、7 a、2 a、0 a；夏季最旱發(fā)生在1965年，SPI值為-2.09，干旱等級(jí)為特旱，發(fā)生干旱事件中的輕旱、中旱、重旱、特旱的年份數(shù)分別為9 a、4 a、4 a、1 a；秋季最旱發(fā)生在1974年，SPI值為-1.99，干旱等級(jí)為重旱，發(fā)生干旱事件中的輕旱、中旱、重旱、特旱的年份數(shù)分別為8 a、6 a、4 a、0 a；冬季最旱發(fā)生在1965年，SPI值為-1.73，干旱等級(jí)為重旱，發(fā)生干旱事件中的輕旱、中旱、重旱、特旱的年份數(shù)分別為7 a、6 a、4 a、0 a。

圖7 1961—2016年達(dá)茂草原季節(jié)SPI值變化Fig.7 Variation of Seasonal SPI value in Damao grassland during 1961—2016

由圖7可見(jiàn)，達(dá)茂草原不同季節(jié)在56年間發(fā)生干旱事件的頻數(shù)幾乎相當(dāng)，為18 a，且不同季節(jié)發(fā)生干旱的程度排序?yàn)橄募?秋季>冬季>春季，而夏、秋兩季更易發(fā)生高等級(jí)干旱；不同季節(jié)的SPI值變化速率存在差異，夏季為每10年下降0.062，春、秋、冬3季分別為每10年增長(zhǎng)0.062、0.115、0.210，說(shuō)明從長(zhǎng)期變化來(lái)看，達(dá)茂草原夏季干旱發(fā)生的頻數(shù)及等級(jí)呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，而春、秋、冬3季干旱發(fā)生的頻數(shù)及等級(jí)呈現(xiàn)減輕趨勢(shì)，且冬季>秋季>春季。雖然達(dá)茂草原春、秋、冬3季的旱情有所緩解，但考慮到草原牧草的生物量最大值一般出現(xiàn)在夏季的7月或8月，所以夏季干旱仍需要重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié) 論

基于達(dá)茂草原1961—2016年共56年的32個(gè)站點(diǎn)的月降雨資料，計(jì)算了年、半年、季、月不同時(shí)間尺度的SPI值，并分析了達(dá)茂草原1961—2016年56年間的干旱演變過(guò)程與趨勢(shì)特征，得出以下結(jié)論：

(1)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)能夠很好地反映達(dá)茂草原的干旱變化狀況，不同時(shí)間尺度的SPI可以反映不同的干旱狀況與趨勢(shì)。小尺度SPI可為干旱提供早期預(yù)警并有助于評(píng)估干旱的嚴(yán)重性，適用于氣象干旱；中尺度3個(gè)月或半年SPI更適合季節(jié)變化對(duì)干旱的影響分析，適用于農(nóng)業(yè)干旱；大尺度SPI可以很好地反映降水量對(duì)于土壤墑情和地下水量變化的影響，更適用于水文干旱。

(2)達(dá)茂草原各時(shí)間尺度SPI發(fā)生干旱事件的頻次均占32%左右,且隨著時(shí)間尺度的增加，SPI的隨機(jī)性減弱、持續(xù)性加強(qiáng)，SPI對(duì)降水量的敏感性隨著時(shí)間尺度的增加而降低。

(3)從年代變化上來(lái)看，達(dá)茂草原干旱事件發(fā)生的頻數(shù)、連續(xù)性和等級(jí)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，達(dá)茂草原旱情逐步緩解。

(4)達(dá)茂草原不同季節(jié)在56年間發(fā)生干旱事件的頻數(shù)幾乎相當(dāng)，不同季節(jié)發(fā)生干旱的程度排序?yàn)橄募?秋季>冬季>春季，而夏、秋兩季更易發(fā)生高等級(jí)干旱；不同季節(jié)的SPI值變化速率存在差異，說(shuō)明從長(zhǎng)期變化來(lái)看，達(dá)茂草原夏季干旱發(fā)生的頻數(shù)及等級(jí)呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，而春、秋、冬3季干旱發(fā)生的頻數(shù)及等級(jí)呈現(xiàn)減輕趨勢(shì)，且冬季>秋季>春季。