孔 剛，張善亮,王 璐，黃生志,白玨瑩

(1.北京市水影響評(píng)價(jià)中心，北京 100161；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310014；3.北京中水科工程集團(tuán)有限公司，北京 100048；4.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

干旱是由于長時(shí)間降水的缺乏而導(dǎo)致的水資源供需不平衡、水分短缺的自然現(xiàn)象，因其具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和反復(fù)性等特征[1-2]，干旱發(fā)生頻率高，造成危害程度深，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)乃至社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展[3-4]。黃土高原是中國氣候敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，近幾十年來，在全球氣候變暖和人類活動(dòng)(退耕還林、農(nóng)田灌溉及城市建設(shè)等)共同作用下，該地區(qū)氣候要素的年際和季節(jié)差異較大，使得干旱發(fā)生的頻率、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間增加，該地區(qū)面臨著高風(fēng)險(xiǎn)的極端干旱，對(duì)植被生長活動(dòng)造成了巨大挑戰(zhàn)[5-6]。榆林市位于黃土高原北部，作為中國重要能源戰(zhàn)略后備基地，區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，近年來干旱發(fā)生頻率也呈顯著增加趨勢(shì)，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境修復(fù)。因此，研究榆林市不同等級(jí)干旱的趨勢(shì)及時(shí)空分布，對(duì)于保障該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

干旱發(fā)生主要是由長時(shí)間降水量虧缺導(dǎo)致[7]，持續(xù)的干旱引起土壤含水量下降，從而影響作物生育期供需水量不平衡，阻礙作物正常生長發(fā)育[8]。為進(jìn)一步量化干旱，國內(nèi)外學(xué)者常采用影響干旱的氣象和水文要素建立不同的干旱指數(shù)來研究干旱，通過對(duì)干旱強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率、影響危害等進(jìn)行時(shí)間演變和空間分布比較，從而達(dá)到度量、對(duì)比和綜合的研究目的。干旱指數(shù)作為量化地區(qū)干旱特征(如頻次、持續(xù)時(shí)間、烈度及空間范圍等)的重要變量，是旱情監(jiān)測有效工具，在區(qū)域干旱反演、干旱評(píng)價(jià)和資源環(huán)境研究領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用[9]。目前，有超過150多種干旱指數(shù)被應(yīng)用于表征不同類型的干旱[10],例如，帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[11]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[12]、地表水供給指數(shù)(SWSI)[13]和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SRI)[14]等。其中， SPI由于具有計(jì)算簡便、空間可比性強(qiáng)及具有多時(shí)間尺度等優(yōu)點(diǎn)[16]，近年來得到廣泛使用，是被世界氣象組織(WMO)推薦使用的干旱指數(shù)[15]。肖名忠等[17]基于6個(gè)月時(shí)間尺度的SPI分析了珠江流域干旱時(shí)間變化特征并基于此研究了該流域干旱風(fēng)險(xiǎn)；郭佳香等[18]基于SPI和HI分析了淮河上中游流域干旱時(shí)空演變規(guī)律和干旱特征的敏感性；孫智輝等[19]采用SPI分析了黃土高原地區(qū)最近40 a的干旱特征。以往研究多針對(duì)于特定區(qū)域的干旱，而關(guān)于不同等級(jí)干旱演變規(guī)律探究較少，干旱等級(jí)作為表征干旱嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)，不同程度的干旱對(duì)區(qū)域帶來的損失差異顯著，因此識(shí)別不同等級(jí)干旱特征十分重要；此外，使用高分辨率的網(wǎng)格數(shù)據(jù)集來分析干旱時(shí)空演變特征的研究較少，有必要在高精度視角下分析干旱的時(shí)空特征來提高干旱監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

榆林市屬溫帶半干旱大陸性氣候，日照時(shí)間長，降雨年內(nèi)分布極度不均，長時(shí)間的降水虧損易引發(fā)干旱，連續(xù)的干旱極易威脅到榆林市社會(huì)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境等的可持續(xù)發(fā)展?；诖?，以榆林市為研究對(duì)象，采用月尺度的降水和土壤濕度數(shù)據(jù)計(jì)算2種標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)，通過游程理論識(shí)別干旱歷時(shí)和烈度等特征，研究高精度視角下榆林市不同等級(jí)干旱的時(shí)空演變特征；并比較2種干旱指數(shù)所識(shí)別干旱特征的差異。研究結(jié)果有助于針對(duì)性地應(yīng)對(duì)干旱，開展精準(zhǔn)、有效的抗旱措施，同時(shí)對(duì)榆林市水資源的管理有著重要的意義。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

榆林市位于陜西省最北部，地處黃土高原北部及毛烏素沙地南緣，東臨黃河與山西省相望，西連寧夏和甘肅，南與延安市接壤，北鄰內(nèi)蒙古。地理位置處于107.25°～111.25°E，36.75°～39.75°N，總面積4.3萬km2，約占陜西省21%，管轄著一市二區(qū)九縣，研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為8.4℃，年平均降水量為397.1 mm，在空間上從東南向西北遞減，年內(nèi)分配極度不均，降水量主要集中在6—9月，研究區(qū)所處地理位置和行政區(qū)劃分布見圖1。截至2019年末，全市常住人口342.42萬人，城鎮(zhèn)化率59.54%。

圖1 榆林市地理位置及行政區(qū)劃示意

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究在全球陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS)收集了1980—2014年榆林市空間分辨率為0.25°×0.25°的逐月降水和土壤濕度數(shù)據(jù)(https://search.earthdata.nasa.gov/)。GLDAS是全球高分辨率的陸地建模系統(tǒng)，由美國國家航空航天局(NASA)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)聯(lián)合研發(fā)的，利用先進(jìn)的地表建模技術(shù)和數(shù)據(jù)同化技術(shù)提取衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面觀測數(shù)據(jù)以生成最佳的地表狀態(tài)和通量場[20]。與其他同類型數(shù)據(jù)相比，GLDAS產(chǎn)品數(shù)據(jù)具有時(shí)間跨度長和空間分辨率高的特點(diǎn)，對(duì)比分析GLDAS和中國氣象共享網(wǎng)降水資料，結(jié)果表明，該產(chǎn)品數(shù)據(jù)在榆林市有較好的適用性[21-22]。

2 研究方法

2.1 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)

本研究選取標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standard Precipitation Index，SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)(Standard Soil Moisture Index，SSMI)為干旱指標(biāo)。Mckee等[23]為評(píng)估美國干旱狀況提出了干旱指數(shù)SPI，該指數(shù)適用于不同時(shí)間尺度和不同區(qū)域干旱的計(jì)算[5,16]。SPI假設(shè)降水時(shí)間序列服從伽馬分布，計(jì)算某時(shí)段降水的累積概率分布，然后將偏態(tài)分布的降水轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布計(jì)算SPI，最后采用標(biāo)準(zhǔn)化的累積概率分布確定干旱等級(jí)。SSMI與SPI計(jì)算原理相同，先采用伽馬分布擬合SM數(shù)據(jù)，最后將累積分布函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化得到，具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[24]。SPI以及SSMI干旱等級(jí)劃分見表1。

表1 SPI/SSMI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 游程理論

根據(jù)SPI和SSMI，采用Yevjevich提出的游程理論對(duì)榆林市干旱特征變量中的干旱歷時(shí)和干旱烈度進(jìn)行識(shí)別[25]。干旱事件識(shí)別前，首先確定發(fā)生干旱的閾值，本文依據(jù)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)確定，如設(shè)SPI0(SSMI0)=-0.5，當(dāng)SPI(SSMI)≤SPI0(SSMI0)時(shí)，表現(xiàn)出干旱特征。令SPI和SSMI連續(xù)小于設(shè)定閾值所持續(xù)的時(shí)間為干旱歷時(shí)D，該次干旱事件中閾值與干旱指數(shù)所圍成的面積為干旱烈度S，干旱事件識(shí)別示意見圖2。此外，在本研究中計(jì)算了干旱面積百分比來評(píng)估區(qū)域干旱綜合旱情，其中干旱面積百分比為干旱的網(wǎng)格與全區(qū)總網(wǎng)格之比[26]。

圖2 干旱事件識(shí)別示意

2.3 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)(MK檢驗(yàn))是由Mann與Kendall提出的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法。由于此方法適用性廣、不受異常值干擾，因而在水文領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4]。本研究采用MK法對(duì)干旱指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。對(duì)于隨機(jī)變量x1,x2,…,xn(n為系列長度)，統(tǒng)計(jì)所有對(duì)偶值(xi,xj,j>i)中的xi

(1)

式中：

(2)

(3)

(4)

給定顯著性水平α，其雙尾檢驗(yàn)臨界值為Uα/2，當(dāng)|U|Uα/2)時(shí)，表明沒有顯著趨勢(shì)(具有顯著趨勢(shì))；如U>0(U<0)，表明系列具有顯著上升(下降)趨勢(shì)。

3 結(jié)果分析

3.1 干旱的時(shí)間分布特征

3.1.1榆林市干旱面積百分比

由圖3可知，1981—2014年榆林市3個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI3的干旱持續(xù)時(shí)間多在一年以內(nèi)，出現(xiàn)跨年干旱較少；從圖3a可以明顯看出，干旱面積比在3—8月出現(xiàn)紅色較多，表明春夏季節(jié)干旱面積大于秋冬季節(jié)；此外，基于SPI3的干旱面積比在1997年6—12月、2001年3—9月、2005年3—12月等多個(gè)時(shí)段內(nèi)紅色重復(fù)出現(xiàn)，表明大部分地區(qū)都?xì)v經(jīng)了長時(shí)間的降水虧損。同時(shí)從3個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化濕度指數(shù)SSMI3的干旱面積比圖中明顯看出在多個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了跨年干旱，如1985年10月至1988年6月、1991年9月至1992年7月及2005年7月至2009年8月等，其干旱面積百分比超過了50%，表明榆林市部分區(qū)域土壤濕度在跨年干旱的時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的虧損；對(duì)比SPI3與SSMI3的結(jié)果可知，SSMI3識(shí)別出的干旱月份持續(xù)時(shí)間較長，且與SPI3識(shí)別出的干旱月份相比有著時(shí)間上的推遲，如2013年SSMI3的干旱面積比在3、4月為0，但同時(shí)期SPI3干旱面積百分比大約為90%，即出現(xiàn)降水虧損基本上早于土壤濕度虧損。

a)基于SPI3

3.1.2干旱指數(shù)SPI、SSMI各月趨勢(shì)

采用MK法對(duì)干旱指數(shù)SPI和SSMI進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果見圖4、5。由圖4可知，榆林市1月和12月SPI3的趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U值普遍大于0，2、9、10、11月全地區(qū)U值大于0，其中1月和11月西北地區(qū)、2月東部地區(qū)的SPI3通過了顯著性水平為0.05的趨勢(shì)檢驗(yàn)，呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；3—8月全地區(qū)的U值小于0，即SPI3呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？傮w而言，榆林市各區(qū)縣SPI3在春夏季節(jié)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，秋冬季節(jié)具有上升趨勢(shì)。由圖5可知，基于SSMI3趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，1—4、11—12月期間網(wǎng)絡(luò)U值基本在0值以上，1—4月的U值在空間上呈由東南向西北遞增的趨勢(shì)，其中1—2、11—12月榆林西北部地區(qū)的SSMI3通過了顯著性水平為0.05的趨勢(shì)檢驗(yàn)，呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；6—10月的U值基本小于0，其中8—9月南部地區(qū)U值小于-1.96，表明SSMI3具有顯著下降趨勢(shì)。

對(duì)比SPI3和SSMI3的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果可以得出，SSMI3識(shí)別出的干旱下降趨勢(shì)晚于SPI3，即土壤濕度虧損晚于降水虧損；同時(shí)，兩干旱指數(shù)均在夏季呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明榆林市夏季有變干趨勢(shì)，可能會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的干旱。

a)1月 b)2月

3.2 干旱的空間分布特征

3.2.1干旱頻次的空間分布特征

本研究使用了3個(gè)月時(shí)間尺度的SPI和SSMI對(duì)榆林市各地區(qū)的干旱頻次特征進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6—9；基于SPI3，榆林西北地區(qū)(神木、榆陽、靖邊等)干旱頻次較高，其他地區(qū)相對(duì)較低，發(fā)生干旱最多的是神木市(60次)，干旱最少的是定邊西部地區(qū)(46次)；且進(jìn)一步分析了不同層級(jí)干旱發(fā)生頻次，圖7顯示輕旱次數(shù)多的地區(qū)主要位于在榆林西北地區(qū)(神木、榆陽、靖邊等)，與圖6干旱頻次分布較為相似；中旱次數(shù)較多的地區(qū)位于榆林南部地區(qū)(靖邊、清澗)，重旱頻發(fā)地區(qū)主要是榆林西南部(定邊)及北部(神木、府谷)，榆林東部邊緣則是特旱頻次較高。

而基于SSMI3，結(jié)果見圖8、9，部分地區(qū)未發(fā)生重旱和特旱，從圖8可以發(fā)現(xiàn)，榆林西北地區(qū)的榆陽和橫山兩地干旱頻發(fā)，輕旱頻次高值出現(xiàn)在神木和榆陽，中旱次數(shù)較高的地區(qū)位于榆林市的西南部，榆林市東北部和南部區(qū)域重旱頻次高，榆林市西北部區(qū)域特旱頻次高。比較各層級(jí)干旱頻次和干旱頻次分布，特旱頻次和干旱頻次分布具有一致性。

圖6 基于SPI3的干旱頻次總體分布

圖7 基于SPI3的不同等級(jí)干旱頻次分布

圖8 基于SSMI3的干旱頻次總體分布

圖9 基于SSMI3的不同等級(jí)干旱頻次分布

3.2.2干旱歷時(shí)的空間分布特征

采用游程理論計(jì)算了1980—2014年榆林市104個(gè)網(wǎng)格的干旱歷時(shí)與烈度，結(jié)果見圖10、11，基于SPI3，榆林市平均干旱歷時(shí)介于2～3月，最大值出現(xiàn)在定邊，為2.6月，府谷北部也接近最大值，最小值出現(xiàn)在西北地區(qū)；由不同等級(jí)干旱的平均歷時(shí)見圖11，榆林南部的靖邊、橫山兩地平均輕旱歷時(shí)較大，平均中旱歷時(shí)較大值位于榆林市西南部定邊縣，平均重旱歷時(shí)較大值位于府谷縣及靖邊縣南部，榆林市南部區(qū)域的平均特旱歷時(shí)較大。對(duì)比圖10與圖11發(fā)現(xiàn)平均干旱歷時(shí)高值區(qū)與平均干旱歷時(shí)較為吻合。基于SSMI3，平均干旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市西南部和北部府谷縣，從不同等級(jí)干旱平均歷時(shí)分布可以看出平均干旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市東南部，平均中旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市南部和東北部，榆林市東北部區(qū)域(府谷、神木等)平均重旱歷時(shí)較長，平均特旱歷時(shí)高值區(qū)域位于榆林市北部(府谷)。比較圖12與圖13，平均干旱歷時(shí)較大值區(qū)域與平均中旱歷時(shí)及平均重旱歷時(shí)較大值區(qū)域相一致。

圖10 基于SPI3的平均干旱歷時(shí)分布

圖11 基于SPI3的不同等級(jí)干旱歷時(shí)分布(月)

圖12 基于SSMI3的平均干旱歷時(shí)分布

圖13 基于SSMI3的不同等級(jí)干旱歷時(shí)分布(月)

3.2.3干旱烈度的空間分布特征

基于SPI3、SSMI3計(jì)算得到的平均干旱烈度及不同等級(jí)平均干旱烈度一般呈現(xiàn)出與平均干旱歷時(shí)相似的分布特征，即干旱事件中，干旱歷時(shí)與烈度存在較高的相關(guān)性。由圖14知，基于SPI3的平均干旱烈度介于1～2之間，榆林北部與西南部地區(qū)平均干旱烈度較大；進(jìn)一步分析不同等級(jí)干旱平均烈度，見圖15，平均輕旱烈度較大值多位于榆林市南部區(qū)域，平均中旱烈度較大值區(qū)域位于榆林市西南部，北部地區(qū)平均重旱烈度較大，南部地區(qū)平均特旱烈度較大。對(duì)比圖14與圖15，榆林市西南部區(qū)域因其平均中旱烈度大導(dǎo)致其平均干旱烈度大，而榆林市北部區(qū)域平均干旱烈度大原因在于其平均重旱烈度大?；赟SMI3，榆林市北部地區(qū)的府谷縣平均干旱烈度出現(xiàn)高值，東北部地區(qū)的輕旱、中旱、重旱及特旱平均烈度均較大，南部地區(qū)則是輕旱和中旱平均烈度較大，其南部邊緣區(qū)域平均特旱烈度大。

圖14 基于SPI3的平均干旱烈度分布

圖15 基于SPI3的不同等級(jí)干旱烈度分布

此外，使用SPI與SSMI識(shí)別出的干旱特征高值區(qū)域基本相同。當(dāng)今，干旱會(huì)對(duì)人類生活、工農(nóng)業(yè)等產(chǎn)生一定影響，而其中的重旱和特旱對(duì)生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)健康更具威脅。因此，有關(guān)決策部門應(yīng)側(cè)重與榆林市重旱、特旱頻次高值地區(qū)，即榆林西北區(qū)域和南部區(qū)域的干旱事件。

圖16 基于SSMI3的平均干旱烈度分布

圖17 基于SSMI3的不同等級(jí)干旱烈度分布

4 結(jié)論

本文借助榆林市1980—2014年逐月降水和土壤濕度的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，得出3個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI及標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)SSMI，使用游程理論識(shí)別干旱事件，提取了不同等級(jí)干旱事件的干旱特征，同時(shí)用干旱面積百分比反應(yīng)榆林市干旱在時(shí)間上的分布，除此之外，還研究了干旱歷時(shí)、烈度和頻次在空間上的分布特點(diǎn)，主要結(jié)論如下。

a)春夏季節(jié)干旱面積大于秋冬季節(jié)，且存在降水虧損歷時(shí)超6個(gè)月以及土壤濕度虧損歷時(shí)超12個(gè)月現(xiàn)象，降水虧損基本在土壤濕度虧損之前出現(xiàn)。

b)榆林市不同季節(jié)存在不同趨勢(shì)，變濕趨勢(shì)出現(xiàn)在春冬季，變干趨勢(shì)出現(xiàn)在夏季，且在榆林南部區(qū)域(靖邊、橫山、清澗等)有著明顯變干趨勢(shì)。

c)榆林市干旱頻發(fā)高值區(qū)域和重旱、特旱頻發(fā)高值區(qū)域并不相同。重旱、特旱頻發(fā)高值地區(qū)位于榆林市南部、北部及東部邊緣；且干旱烈度和歷時(shí)存在較強(qiáng)的相關(guān)性，干旱歷時(shí)的分布特征與平均干旱烈度及不同層級(jí)平局干旱烈度的分布特征呈現(xiàn)出一致性，榆林市北部和南部區(qū)域平均重旱歷時(shí)、平均特旱歷時(shí)及其對(duì)應(yīng)的平均烈度都較大。

總體上，干旱對(duì)榆林市有著嚴(yán)重威脅，而該地區(qū)處于黃土高原實(shí)施退耕還林等生態(tài)修復(fù)措施的重點(diǎn)區(qū)域，長歷時(shí)與高烈度的干旱可能會(huì)對(duì)植被生長產(chǎn)生不利影響。