姚順秋 閆曉惠

(1.大連市莊河水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116400；2.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

1 概 述

干旱是指因降水不足，土壤、氣候干燥的現(xiàn)象。嚴(yán)重的干旱會(huì)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)造成嚴(yán)重的影響，是我國(guó)歷史上出現(xiàn)最為頻繁、影響最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]。隨著人口的不斷增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增強(qiáng)、全球氣候變化的加劇，干旱的出現(xiàn)頻率、持續(xù)時(shí)間與災(zāi)害強(qiáng)度在許多地區(qū)出現(xiàn)了非常明顯的變化，不但使各地的水資源壓力不斷增加，同時(shí)也造成了水資源長(zhǎng)期規(guī)劃與管理上的難題[2-3]。因此，對(duì)各地的干旱演變特性進(jìn)行研究十分必要。

干旱的演變特性可以通過(guò)旱澇指標(biāo)來(lái)進(jìn)行研究。目前，常用的旱澇指標(biāo)包括SRI干旱指標(biāo)[4]、Palmer干旱指數(shù)[5]、Z指數(shù)[6]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI：The Standardized Precipitation Index)等。其中，SPI主要是采用一個(gè)特定的分布概率(一般為Gamma函數(shù))來(lái)描述某一個(gè)區(qū)域的降水量變化情況，它的重要優(yōu)勢(shì)是計(jì)算簡(jiǎn)單、能靈敏地識(shí)別干旱的變化情況，且可以用于不同氣候區(qū)之間旱澇情況的比較。近來(lái)年，SPI指數(shù)得到了國(guó)內(nèi)外水利相關(guān)工作者的廣泛認(rèn)可，許多學(xué)者已經(jīng)基于SPI對(duì)不同國(guó)家與區(qū)域的干旱分布與演變特征進(jìn)行了研究，為各地的水資源開(kāi)發(fā)與利用、防旱減災(zāi)工作提供了重要的參考[7-9]。

莊河市是遼南地區(qū)的重要水源地，近幾年的淡水總量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且各類(lèi)用水量隨著人口的增加、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷攀升，水資源壓力不斷加大。此外，受全球氣候變化影響，近年來(lái)莊河地區(qū)的旱澇災(zāi)害等極端天氣事件頻發(fā)，因此，對(duì)莊河市的干旱演變特性進(jìn)行研究是十分必要的。本文采用莊河市1984年1月1日至2018年12月31日的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算了1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月共4個(gè)不同時(shí)間尺度下的SPI，并基于SPI對(duì)該地區(qū)近35年的年際與季節(jié)干旱演變特征進(jìn)行了分析，為該地區(qū)的抗旱減災(zāi)、水資源管理、產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化、人口承載力評(píng)估工作提供依據(jù)。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

莊河市位于遼寧省東南部，黃海北岸，地處北溫帶，為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。氣候溫和，四季分明，歷年平均日照時(shí)數(shù)為2415.6h，歷年平均降水量為757.4mm，其中7月和8月降水量占全年降水量的56%。莊河地區(qū)是遼南地區(qū)重要的水源地，人均用水量約為424m3，萬(wàn)元GDP用水量約為44m3，農(nóng)田灌溉畝均用水量約為337m3。該地區(qū)年均淡水總量約為13.49億m3，但近幾年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，水資源壓力不斷上升。受全球氣候變化影響，近年來(lái)莊河地區(qū)的旱澇災(zāi)害等極端天氣事件頻發(fā)，逐漸成為該地區(qū)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素，因此有必要對(duì)該地區(qū)的干旱演變特征進(jìn)行研究。

SPI計(jì)算的數(shù)據(jù)為莊河站1984年1月1日至2018年12月31日的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。該日值數(shù)據(jù)集是由各省上報(bào)的文件根據(jù)《全國(guó)地面氣候資料(1961—1990)統(tǒng)計(jì)方法》及《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行整編統(tǒng)計(jì)而得的。在該數(shù)據(jù)集的整編統(tǒng)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)對(duì)原始數(shù)據(jù)文件經(jīng)過(guò)較嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查，因此數(shù)據(jù)的空間代表性與精確度滿(mǎn)足基本的科學(xué)分析要求。數(shù)據(jù)總量為12753組，其中降水天數(shù)(降水量大于0mm)為2766天。降水量不為0的數(shù)據(jù)序列中的平均值、最大值和最小值分別為9.3mm、196.0mm和0.1mm；中間值為2.8mm;標(biāo)準(zhǔn)差、方差和變異系數(shù)分別為17.5mm、307.7mm2和1.9；峰態(tài)系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)分別為25.3和4.1。

圖1 莊河市近35年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)

2.2 SPI計(jì)算方法

SPI計(jì)算采用Gamma函數(shù)擬合歷史降水?dāng)?shù)據(jù)，其公式為[8]

(1)

式中：x為某個(gè)時(shí)段的降水量；α與β分別為形狀和尺度參數(shù);Γ(α)為Gamma函數(shù)；g(x)為概率密度函數(shù)；e為自然指數(shù)。

分別采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)對(duì)α與β進(jìn)行估算，其公式分別為

(2)

(3)

其中，

(4)

式中：n為降雨數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)數(shù)；A為形狀參數(shù)中間變量。

根據(jù)以上公式，可用累計(jì)分布函數(shù)表示降水分布，其公式為

(5)

由于Gamma函數(shù)不包含x=0的情況，但降水分布可能包含0值，因此，適用于擬合降水?dāng)?shù)據(jù)的累計(jì)分布函數(shù)可以表示為

H(x)=q+(1-q)G(x)

(6)

式中：q為值為0的概率。

最后，將累計(jì)分布函數(shù)H(x)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布從而得到SPI值。可以根據(jù)SPI指數(shù)值將干旱事件劃分為5個(gè)等級(jí)：無(wú)旱(SPI≥-0.5)、輕旱(-1.0≤SPI<-0.5)、中旱(-1.5≤SPI<-1.0)、重旱(-2.0≤SPI<-1.5)、特旱(SPI<-2.0)。

3 研究結(jié)果

3.1 不同時(shí)間尺度的SPI計(jì)算值

SPI可以采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而不同的時(shí)間步長(zhǎng)可以反映不同時(shí)間尺度上的干旱演變特征。短時(shí)間步長(zhǎng)的結(jié)果可以自動(dòng)識(shí)別短期的旱澇情況，但在計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間尺度的SPI時(shí)未對(duì)這個(gè)無(wú)旱時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行扣除，主要基于以下兩點(diǎn)考慮：?受全球氣候變化影響，旱情的時(shí)間分布可能發(fā)生變化，如果直接不考慮這個(gè)時(shí)段，可能偏向于不安全；?我國(guó)的許多地區(qū)均積極采用水庫(kù)、塘壩、蓄水池等攔蓄水工程對(duì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，汛期的旱澇情況對(duì)其他時(shí)段的旱澇程度也有所影響。分別采用1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月共4個(gè)不同時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。當(dāng)時(shí)間尺度較小時(shí)(如1個(gè)月)，SPI數(shù)據(jù)序列的波動(dòng)較為頻繁，說(shuō)明該時(shí)間尺度可以敏感地識(shí)別短期的旱澇狀況。當(dāng)時(shí)間尺度增大時(shí)，數(shù)據(jù)序列的變化逐漸變得平緩，說(shuō)明在較大的時(shí)間尺度下，計(jì)算結(jié)果受短期降水變化的影響較小，大時(shí)間尺度下的SPI無(wú)法識(shí)別短期的洪澇變化，但可以更為清晰地顯示長(zhǎng)期的演變規(guī)律。

3.2 基于SPI的干旱年際演變特征

12個(gè)月尺度下的SPI序列可以較好地反映干旱的年際變化情況，因此，選用該尺度下的SPI分析該研究區(qū)域的干旱年際演變特征。為更為清晰地呈現(xiàn)其年際變化規(guī)律，將圖2(d)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，得到逐年的平均SPI，結(jié)果見(jiàn)圖3實(shí)線(xiàn)。由圖3可知，在2000年之前，SPI的正負(fù)值大約每?jī)傻饺昙催M(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，且絕對(duì)值均較小，說(shuō)明此前該地區(qū)的降水較為均勻，未出現(xiàn)強(qiáng)度大、時(shí)間久的旱災(zāi)或澇災(zāi)。但是，自2000年以來(lái)，SPI的絕對(duì)值明顯增大，如2000年的SPI為-1.6，而2013年則高達(dá)1.8，這說(shuō)明該地區(qū)的旱情與澇情正變得日益嚴(yán)重。此外，在2000前后，該地區(qū)SPI的正負(fù)分布也變得更不均勻，例如在1997—2004年共8年時(shí)間里均為負(fù)值，說(shuō)明旱情持續(xù)時(shí)間有所增長(zhǎng)。

圖2 不同時(shí)間尺度下的SPI演變特征

圖3 年均SPI值與演變趨勢(shì)分析

為進(jìn)一步分析更長(zhǎng)尺度下的干旱演變特征，作線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)與5年滑動(dòng)平均線(xiàn)，見(jiàn)圖3中的點(diǎn)虛線(xiàn)與虛線(xiàn)。根據(jù)5年滑動(dòng)平均結(jié)果可以非常明顯地看出，該地區(qū)的SPI在2000年之前分布較為均勻，且絕對(duì)值較小。而在2000年前后，滑動(dòng)平均線(xiàn)的波峰與波谷以及正值與負(fù)值的時(shí)間區(qū)間都明顯增大，再次說(shuō)明該地區(qū)自2000年前后旱澇災(zāi)害的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降，說(shuō)明莊河地區(qū)的旱澇狀況在整體上呈現(xiàn)出偏旱的趨勢(shì)，水資源壓力不斷攀升。其線(xiàn)性趨勢(shì)擬合方程的線(xiàn)性趨勢(shì)是-0.0096，因此，從長(zhǎng)期趨勢(shì)看，莊河地區(qū)的SPI的年均下降值約為0.0096。

3.3 基于SPI指數(shù)的干旱季節(jié)演變特征

3個(gè)月尺度下的SPI序列可以較好地反映干旱的季節(jié)變化情況，因此，選用該尺度下的SPI分析研究區(qū)域的干旱季節(jié)演變特征。為更清楚地研究各個(gè)季節(jié)的干旱變化特征，將干旱按季節(jié)劃分為春旱、夏旱、秋旱和冬旱，它們對(duì)應(yīng)的月份分別為3—5月、6—8月、9—11月、12—次年2月。將圖2(b)中的數(shù)據(jù)按照月份進(jìn)行匯總，得到各個(gè)年份的季節(jié)平均SPI，結(jié)果見(jiàn)圖4。計(jì)算春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的平均SPI，結(jié)果分別為-0.0026、-0.0011、0.0004、-0.0083，可見(jiàn)，除秋季外，莊河地區(qū)的各個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)偏旱狀態(tài)，不過(guò)，平均SPI的絕對(duì)值均較小，說(shuō)明該地區(qū)的多年平均旱情并不嚴(yán)重。

分別作各個(gè)季節(jié)SPI的5年滑動(dòng)平均線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4中的虛線(xiàn)。各季節(jié)的SPI演變特征均與整體的年際演變特征保持基本的一致性，即在2000年以前SPI的時(shí)間變化曲線(xiàn)較為平緩，但在2000年以后，波動(dòng)幅度有所增強(qiáng)。分別作各個(gè)季節(jié)SPI的線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4中點(diǎn)虛線(xiàn)?？梢?jiàn)，從長(zhǎng)期演變規(guī)律來(lái)看，莊河地區(qū)春季與冬季的SPI呈上升趨勢(shì)，而夏季與秋季的SPI呈下降趨勢(shì)。為進(jìn)一步量化其變化趨勢(shì)，分別計(jì)算各個(gè)線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)的斜率，春、夏、秋、冬各季節(jié)的傾向率分別為0.020、-0.018、-0.006和0.013，可見(jiàn)，在近35年中莊河地區(qū)的夏旱狀況呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)，其年均SPI降低量為0.018，應(yīng)為該地區(qū)抗旱工作的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。

圖4 各季節(jié)SPI的演變特征

干旱的季節(jié)與等級(jí)分布特征見(jiàn)圖5。由圖5可知，莊河地區(qū)在近35年中出現(xiàn)秋旱的頻率最高，占比31%，而夏旱的頻率較低，占比23%。在春旱方面，莊河市在近35年中發(fā)生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比14%和12%，未發(fā)生季節(jié)性的重旱；在夏旱方面，發(fā)生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比6%和14%，有3%的季度出現(xiàn)重度干旱；在秋旱方面，發(fā)生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比17%和11%，有3%的季度出現(xiàn)重度干旱；在冬旱方面，發(fā)生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比17%和6%，有3%的季度出現(xiàn)重度干旱。各季度均未出現(xiàn)季節(jié)性的特級(jí)干旱。

圖5 干旱的季節(jié)與等級(jí)分布特征

根據(jù)以上結(jié)果可知，莊河地區(qū)的旱情整體呈現(xiàn)不利趨勢(shì)，而每個(gè)季節(jié)的變化規(guī)律不盡相同，總體是春旱與冬旱傾向于改善，但夏旱與秋旱傾向于惡化。目前，莊河地區(qū)已經(jīng)建立了比較完善的水資源調(diào)度系統(tǒng)，未來(lái)可以根據(jù)新的變化趨勢(shì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從而提高該地區(qū)的水資源管理能力，助力其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。當(dāng)然，雖然SPI法目在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的認(rèn)可，但任何一個(gè)旱澇指標(biāo)都不可避免地有其局限性。SPI法只是從降水的單一角度來(lái)分析干旱演變情況，而實(shí)際的干旱狀況同時(shí)還受作物蒸發(fā)騰發(fā)量、地表徑流等因素的影響。因此，SPI主要應(yīng)用于干旱的快速識(shí)別與演變趨勢(shì)分析，對(duì)于更為精細(xì)的旱情分析，還需要應(yīng)用考慮了全水文氣象過(guò)程的、更為精細(xì)復(fù)雜的方法來(lái)進(jìn)行分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用莊河市近35年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算了1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月共4個(gè)不同時(shí)間尺度下的SPI，并基于SPI計(jì)算結(jié)果對(duì)該地區(qū)干旱的年際與季節(jié)演變特征進(jìn)行了分析研究。根據(jù)研究結(jié)果可知，莊河地區(qū)的整體水資源壓力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)且各季節(jié)的變化趨勢(shì)不同。因此，應(yīng)該繼續(xù)推進(jìn)灌渠、調(diào)水與蓄水等基本水利建設(shè)，從而增強(qiáng)該地區(qū)的水資源管理能力。同時(shí)，應(yīng)該根據(jù)水資源變化趨勢(shì)合理地調(diào)配產(chǎn)業(yè)布局、推廣節(jié)水灌溉技術(shù)、優(yōu)化旱情預(yù)警與灌溉排水技術(shù)，從而節(jié)省水資源并提高其有效利用率。