苑希民,張家銘,滕振敏
(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072;2.廣西崇左市左江治旱工程管理中心,廣西 崇左 532200)
全球氣候變化在當(dāng)今已經(jīng)是不爭的事實。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在其第五次評估報告中指出,受全球地表氣溫上升影響,全球降水量分布愈加不均衡,極端降水天氣增多,強度增大[1]。多發(fā)的干旱、暴雨天氣在對氣候變化響應(yīng)敏感的地區(qū)尤為嚴(yán)重[2]。
近年來,許多學(xué)者針對這一現(xiàn)象,面向不同地區(qū),采取了不同的分析方法展開了研究,取得了一定成果。劉宇峰等[3]采用夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)(DFAI)法對山西省夏季旱澇急轉(zhuǎn)事案件的時空演變特征進行了分析;李爍陽等[4]采用Z指數(shù)法和EOF集對分析法對湖北省降水變化顯著性、周期性及空間分布變化進行了研究;易彬等[5]采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)研究了長江流域旱澇演變規(guī)律;苑希民等[6]構(gòu)建暴雨內(nèi)澇精細化水動力模型對石家莊市的內(nèi)澇風(fēng)險進行了模擬計算;張麗花等[7]建立了旱澇演變馬爾科夫模型,對山西省旱澇災(zāi)害演變規(guī)律和趨勢進行了分析;Das等[8]運用Copula函數(shù)對印度喜馬拉雅地區(qū)旱澇特征進行了分析;戚藍等[9]建立了城市雨、洪、潮多元耦合精細化洪澇分析數(shù)值模型,對三亞市洪澇風(fēng)險與規(guī)避進行了研究;吳芳蓉等[10]采用NCEP/NCAR再分析資料分析了我國南方夏季降水異常變化的規(guī)律;Kron等[11]對歐洲極端天氣進行了統(tǒng)計并提出風(fēng)險調(diào)控方案;陳云等[12]采用Z指數(shù)法確定旱澇等級,分析了珠江流域旱澇時空演變規(guī)律。
雖然國內(nèi)外對于不同地區(qū)的旱澇特征、極端天氣的演變規(guī)律及其影響開展了大量的研究;但是對于廣西西南部旱澇演變過程分析較為缺乏,為彌補這一研究的空白,結(jié)合廣西馱英水庫及灌區(qū)工程綜合信息管理系統(tǒng)水資源精細化配置建設(shè)的需要,本文在前人研究的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地分析了廣西馱英灌區(qū)長期降水與旱澇演變的規(guī)律。在分析降水演變特征的基礎(chǔ)上,采用SPI指數(shù)對廣西馱英灌區(qū)1983年~2018年的旱澇演變特征進行分析,并結(jié)合趨勢分析和Morlet小波分析方法對旱澇演變趨勢與周期進行討論。
馱英灌區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)珠江流域西江水系左江支流,涉及廣西崇左市下轄的江州、扶綏、寧明等3個縣(區(qū)),位于東經(jīng)107°35′~107°56′,北緯22°01′~22°40′,分布在左江右岸,總面積為2 151 km2。灌區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年內(nèi)四季分明,春季低溫陰雨,雨日較多;夏季高溫濕熱,暴雨頻繁集中;秋季降雨漸少,氣溫適宜;冬季無嚴(yán)寒,氣溫較高,雨量稀少,常年不見霜雪。灌區(qū)所在的崇左、寧明、扶綏等地是廣西三大少雨區(qū)之一的左江旱片,年降雨量約為1 200 mm;雨量年內(nèi)分配不均,一般集中在5月~10月,約占全年降雨量的80%~85%,尤其是6月~8月,降雨量更為集中,占年降雨量的50%~60%。2014年當(dāng)?shù)乜側(cè)丝?6.41萬人,耕地67 133.3 hm2,地區(qū)生產(chǎn)總值120億元[13]。
由于左江旱片地處十萬大山的背風(fēng)面,多年平均降雨量不足1 300 mm,遠低于全區(qū)多年平均降雨量(1 530 mm),且降雨量年際差異大、年內(nèi)分布不均,導(dǎo)致干旱災(zāi)害頻發(fā)[14-15]。據(jù)資料統(tǒng)計[16],自1950年以來,左江旱片發(fā)生了9年次一般干旱、11年次大旱、7年次特大干旱,合計有27年發(fā)生了干旱,充分體現(xiàn)了左江地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生頻繁且嚴(yán)重。因此,選擇廣西馱英灌區(qū)進行旱澇分析,總結(jié)當(dāng)?shù)睾禎程卣?,以全面了解廣西西南地區(qū)旱澇的發(fā)生以及發(fā)展規(guī)律。
馱英灌區(qū)內(nèi)分布著客蘭水庫1座大型水庫,派關(guān)水庫等3座中型水庫以及百合水庫等36座小型水庫。選取廣西壯族自治區(qū)水利工程管理局《大中型水庫水文資料》提供的灌區(qū)內(nèi)客蘭、那江、派關(guān)3座大中型水庫以及灌區(qū)東側(cè)那板水庫、灌區(qū)西側(cè)安農(nóng)水庫1983年~2018年36年的逐月降水量數(shù)據(jù)。研究區(qū)域與水庫站點分布如圖1所示。
圖1 研究區(qū)域與水庫分布
1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)
標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)由McKee等在1993年提出[17],是在降水分析和旱澇監(jiān)測中常見的分析方法,已被廣泛應(yīng)用于氣象旱澇監(jiān)測中[18-23]。計算降水量的Γ分布概率,進行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理,用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布進行干旱等級的劃分。具體計算步驟如下。
假設(shè)某時段降水量為隨機變量x,則其Γ分布的概率密度函數(shù)為
(1)
式中,β、γ分別為尺度和形狀參數(shù),β>0,γ>0,可用極大似然估計法求得。確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后,對于某一年的降水量x0,可求出隨機變量x小于x0事件的概率
(2)
利用數(shù)值積分可計算時間概率近似估計值。當(dāng)降水量為0時,可按F(x=0)=m/n估計。其中,m為降水量為0的樣本數(shù);n為總樣本數(shù)。再對Γ分布概率做正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理,將求得的概率值代入標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布函數(shù)。即
(3)
近似求解得的Z值就是相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)。
利用SPI分析廣西馱英灌區(qū)旱澇特征,分別計算了時間尺度為1月、3月、6月、12月的SPI值。其中,SPI1為月尺度的SPI值;SPI3為季尺度的SPI值;SPI6為半年尺度的SPI值;SPI12為年尺度的SPI值,分別反映短期、中期、中長期、長期的降水狀況[24]。根據(jù)國家規(guī)范GB/T 20481—2017《氣象干旱等級》基于SPI的旱澇等級劃分[25],最終確定的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)旱澇分級見表1。
表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)旱澇等級劃分
1.2.2 趨勢分析方法
進行趨勢分析時主要采用的方法包括一元線性回歸法、Spearman法和Mann-Kendall法等。
(1)一元線性回歸法。線性回歸法主要用于描述因變量y與自變量x之間的線性關(guān)系。一元線性回歸法是分析若干數(shù)據(jù)點集(xi,yi)(i=1,2,…,n)間的關(guān)系,擬定變量x、y之間的線性回歸方程。其基本公式為
yi=Axi+B(i=1,2,…,n)
(4)
用相關(guān)系數(shù)r來判斷回歸方程擬合程度的好壞,其計算公式為
(5)
相關(guān)系數(shù)|r|越接近0,說明兩個變量之間的相關(guān)性越差;相關(guān)系數(shù)|r|越接近1,說明兩個變量之間的相關(guān)性越強。
(2)Spearman法。它是一種基于秩相關(guān)的檢驗方法,該方法通過分析時間序列的相關(guān)性以檢驗時間序列是否具有趨勢。該方法適用于單因素小樣本的相關(guān)檢驗,精確度較高。Spearman秩相關(guān)系數(shù)
(6)
式中,N為時間周期;di=xi-yi;xi為周期1到周期N按SPI數(shù)值s從小到大排列的序號;yi為按時間排列的序號,若yi為正值表示SPI數(shù)值呈上升趨勢,反之為下降趨勢。將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進行比較,若|rs|>Wp,表明變化趨勢有顯著意義,反之則表明變化趨勢沒有顯著意義。
(3)Mann-Kendall趨勢分析法。由于使用Mann-Kendall法進行趨勢檢驗時受異常值干擾小,對數(shù)據(jù)序列要求較低,故自20世紀(jì)50年代以來被廣泛運用于水文數(shù)據(jù)的趨勢檢驗[26]。
其計算原理為:
假設(shè)1,時間序列(x1,x2,…,xn)是n個獨立隨機變量同分布樣本;假設(shè)2,對所有i (7) 當(dāng)樣本數(shù)n>10時,S服從正態(tài)分布,均值為0,系列方差 var=n(n-1)(2n+5)/18 (8) 雙邊趨勢檢驗量 (9) 對于給定置信水平α,若|U|≥U1-α/2則不接受假設(shè)1,即時間序列數(shù)據(jù)上升或下降趨勢顯著;反之,則不顯著,U>0表示上升趨勢,U<0表示下降趨勢。 1.2.3 Morlet小波分析法 Morlet小波分析由法國學(xué)者Morlet提出,由高斯函數(shù)演變得來。這一方法信號穩(wěn)定,局部性強,被廣泛應(yīng)用于水文預(yù)報、氣象時間序列變化分析以及水文多時間尺度模擬等[27]。其計算原理如下[28]: 對任意f(t)∈L2(R),小波變換為 (10) (11) 式中,k=1,2,…,n;Δt為時間間隔;Wf(a,b)隨參數(shù)a和b的變化而變化,通過Wf(a,b)的變化來反映時域和頻率的分辨率變化,從而做出Wf(a,b)的二維等值線圖,完成對不同時間尺度的分析。 小波方差表示a尺度下周期波動的能量大小,其公式為 (12) 小波方差圖可反映小波方差隨伸縮尺度a變化的過程,可用于確定信號中存在的主要時間尺度,即主周期。 廣西馱英灌區(qū)多年平均降雨量為1 108 mm,圖2和圖3顯示了灌區(qū)1983年~2018年的年降雨量和累計距平的變化。由降水量圖可知,年降水量變化波動幅度較大,年降水量最高值為1 806 mm,出現(xiàn)在2008年;最低值為671 mm,出現(xiàn)在1989年,年際差異較大。年降水量的M-K趨勢檢驗統(tǒng)計值為0.516,呈增長趨勢,但未通過5%顯著性水平檢驗,表明趨勢不顯著。由降水累計距平圖可知,降水量具有明顯的階段性特征,20世紀(jì)80年代至90年代中期呈現(xiàn)先升后降的變化過程;90年代后期在平均值附近波動;21世紀(jì)初期除2001年和2008年降水量出現(xiàn)激增,其余年份均呈下降趨勢;2010年之后才開始逐漸呈上升趨勢。 圖2 馱英灌區(qū)年降水量 圖3 馱英灌區(qū)年降水量累計距平 在降水的年內(nèi)分配上,灌區(qū)降雨主要集中在夏季(6月~8月),占全年降水近50%;春(3月~5月)、秋(9月~11月)兩季降雨偏少,各占全年降水約20%;冬季(12月~次年2月)降雨極少,降水不足全年10%。春季降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計值為-0.249,呈不顯著的減少趨勢;夏季降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計值為0.757,呈不顯著的增長趨勢;秋季降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計值為0.075,呈微弱的增長趨勢;冬季降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計值為-0.1,呈微弱的減少趨勢。 SPI1反映月尺度的SPI變化,在0線附近上下波動最為頻繁,反映了短時間降水狀況,對于降水變化響應(yīng)最為顯著,旱澇頻率變化最快。SPI1能很好地反映旱澇的快速變化,在1983年~2018年間,有4.17%的月份屬于極端旱澇月,其中1984年9月、1994年7月的暴雨洪澇以及1996年4月、2000年6月~9月間的干旱等在圖中被顯著標(biāo)示。 SPI3總體呈現(xiàn)震蕩波動狀態(tài),能較好的反映年內(nèi)季節(jié)旱澇變化特征。1983年~2018年間,有5.39%的月份屬于極端旱澇月。其中,主要的季節(jié)性洪澇年份有1986年(4月~6月)、2001年(7月~9月)、2008年(9月~11月),季節(jié)性干旱年份有1996年(2月~7月)、2000年(7月~9月)、2003年~2004年(11月~1月),這與廣西馱英灌區(qū)的旱澇實際情況基本一致。 SPI6表示的旱澇持續(xù)時間比SPI1和SPI3有明顯的延長。1983年~2018年間,有3.43%的月份屬于極端旱澇月,典型洪澇年份1986年、1994年、2001年、2008年以及典型干旱年份1989年、1991年、2000年、2004年均在圖中有較為直觀的展示。可見,時間尺度的不同取值可能會影響旱澇的等級,且時間尺度越長,越能反映累積降水對旱澇的影響。 SPI12的變化過程體現(xiàn)了馱英灌區(qū)長時間旱澇的特征和持續(xù)時間,大致分為幾個階段:1983年~1990年,灌區(qū)由總體濕潤轉(zhuǎn)向總體干旱,轉(zhuǎn)折點發(fā)生在1987年;20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初,旱澇交替出現(xiàn),總體上洪澇年份洪澇幅度較大但持續(xù)時間短,干旱年份頻出但程度低于洪澇;在經(jīng)歷了2008年的嚴(yán)重洪澇之后,灌區(qū)總體轉(zhuǎn)向濕潤。關(guān)于長時間旱澇災(zāi)害,超過連續(xù)5個月重澇一共發(fā)生過3次,分別是1986年6月~10月(5個月)、2001年9月~2002年5月(9個月)和2008年9月~2009年7月(11個月);超過連續(xù)5個月重旱的僅在2004年9月~2005年5月發(fā)生過1次??梢?,2001年、2008年的洪澇和2004年的干旱影響均持續(xù)到了次年。這說明SPI12很好地揭示了地區(qū)長期旱澇的變化特征。 根據(jù)不同尺度的SPI變化特征分析結(jié)果可以看出,SPI1較好地反映了即期降水對旱澇的影響;SPI3和SPI6能揭示階段性旱澇的發(fā)生與持續(xù)時間;SPI12則顯著地反映了旱澇的長期變化特征。同時,馱英灌區(qū)各尺度SPI變化過程均良好地反映了當(dāng)?shù)?986年、2001年、2008年的重澇以及1989年、2000年、2004年的重旱??傮w上,當(dāng)?shù)睾禎呈录霈F(xiàn)頻率較高,不同時間尺度旱澇事件發(fā)生的平均頻率為63.48%,其中極端旱澇發(fā)生頻率約為4.17%,輕微旱澇發(fā)生頻率約為30.64%。 針對馱英灌區(qū)年際SPI和春夏秋冬四季SPI的變化,繪制馱英灌區(qū)年際和不同季節(jié)的SPI變化曲線。由圖4和圖5可知,馱英灌區(qū)年際SPI和夏秋兩季的SPI變化過程在趨勢上高度一致。這是由當(dāng)?shù)氐慕涤曛饕l(fā)生在汛期(5月~10月)所致,且夏秋兩季旱澇程度對全年旱澇影響較大。在非汛期季節(jié)中,春季SPI過程線高于0線的比例較大,表明春季以濕潤氣候為主;而冬季SPI過程線低于0線比例較大,表明冬季干旱氣候偏多。 圖4 馱英灌區(qū)年SPI變化過程 圖5 馱英灌區(qū)四季SPI變化過程 各個季節(jié)旱澇事件發(fā)生頻率如圖6所示。春季無中旱及以上的干旱狀況,總體偏向濕潤,正常的頻率高于其他三季,說明春季降水條件較為穩(wěn)定,旱澇事件少有發(fā)生;夏季較其他三季兩級分化程度更大,嚴(yán)重的洪澇和干旱事件均有出現(xiàn),且年份與典型旱澇年份相吻合(如2000年的重旱和2001年的重澇),說明灌區(qū)全年旱澇狀況受夏季影響較大,對夏季旱澇的監(jiān)測和水資源的調(diào)控至關(guān)重要;秋季延續(xù)了夏季洪澇事件高的特征,洪澇頻率達到23.5%,同時旱澇事件發(fā)生的頻率為四季最高,對秋季的旱澇情況也要密切關(guān)注;冬季干旱事件頻率最高,為26.5%,同時洪澇事件頻率最低,可見要加強冬季的水資源優(yōu)化調(diào)控。 圖6 馱英灌區(qū)旱澇季節(jié)變化特征 對灌區(qū)1983年~2018年的SPI分別采用一元線性回歸法、Spearman法和Mann-Kendall法進行趨勢分析,結(jié)果見表2。 表2 馱英灌區(qū)SPI趨勢綜合分析結(jié)果 由表2可知,除月尺度SPI1呈下降趨勢之外,SPI3、SPI6和SPI12均呈現(xiàn)增長趨勢,表明近年來馱英灌區(qū)降水總體趨勢增加,干旱情況有所緩解,總體趨向濕潤。同時表現(xiàn)出月尺度SPI1能較好地反映即期旱澇狀況,但對長期的旱澇趨勢的應(yīng)答敏感性較差。SPI6和SPI12趨勢顯著程度高于SPI1和SPI3,也表明中長時間尺度的SPI能較好地反映區(qū)域長期旱澇的演變趨勢。 不同季節(jié)方面,夏季SPI呈增長趨勢,春秋冬三季呈下降趨勢,說明馱英灌區(qū)夏季旱澇的情況對全年旱澇走勢影響十分顯著。夏冬兩季SPI趨勢顯著性強于春秋兩季,說明灌區(qū)夏季多雨多澇,冬季少雨多旱的規(guī)律在未來將會持續(xù)。Spearman法和Mann-Kendall法趨勢分析結(jié)果顯示,不同時間尺度和不同季節(jié)的SPI變化趨勢均不顯著。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測灌區(qū)未來的旱澇趨勢,采用Morlet小波分析法對灌區(qū)旱澇周期特征進行分析。 年SPI周期由主到次為6、8、14 a。6 a左右的周期基本呈豐枯交替態(tài)勢,在36年中約有8個半交替期,2016年開始的豐水期等值線未閉合;8 a左右的周期同樣呈豐枯交替態(tài)勢,在34年中約有6個交替期;14 a左右的周期在2000年之前出現(xiàn)了2個交替期的豐枯交替之后,逐漸轉(zhuǎn)變成以豐水期為主的態(tài)勢(見圖7)。綜上所述,可以推測馱英灌區(qū)未來將進入周期性豐水期。 圖7 馱英灌區(qū)年旱澇變化小波分析 春季SPI僅有6 a一個明顯主周期,36年內(nèi)約有7個豐枯交替期;2016年開始的豐水期等值線未閉合,預(yù)測灌區(qū)未來春季仍將處于一段時期的濕潤時期,且春季旱澇程度均不深(見圖8)。長時期來看,灌區(qū)春季出現(xiàn)極端旱澇的可能性不大。 圖8 馱英灌區(qū)春季旱澇變化小波分析 夏季SPI存在3、6~8 a和15 a等3個主周期,在周期性上與年SPI具有高度相似性(見圖9)。15 a左右的周期呈豐枯交替態(tài)勢,在36年中約有3個半交替期;2016年開始的豐水期等值線未閉合,預(yù)測灌區(qū)未來夏季仍將處于一段時期的豐水期。 圖9 馱英灌區(qū)夏季旱澇變化小波分析 秋季SPI存在5 a和9 a兩個主周期,且隨著旱澇交替變化,旱澇中心的旱澇程度增大,說明未來灌區(qū)秋季出現(xiàn)極端旱澇的可能性較大(見圖10);且2016年開始的枯水期等值線未閉合,預(yù)測灌區(qū)未來秋季將處于一段時期的枯水期。 圖10 馱英灌區(qū)秋季旱澇變化小波分析 冬季SPI存在4~6 a和9 a兩個主周期,4~6 a左右的周期基本呈豐枯交替態(tài)勢,在36年中約12個半交替期,2013年開始的豐水期等值線已閉合;9 a左右的周期同樣呈豐枯交替態(tài)勢(見圖11)。在36年中約有5個半交替期,且2013年左右出現(xiàn)的最后一個豐水期已閉合,預(yù)測灌區(qū)未來冬季將處于一段時期的枯水期。 圖11 馱英灌區(qū)冬季旱澇變化小波分析 采取SPI、M-K趨勢分析、小波分析等方法,對廣西馱英灌區(qū)1983年~2018年的旱澇演變過程、變化趨勢和周期進行了分析。結(jié)果顯示,廣西馱英灌區(qū)年降水量變化波動幅度較大,近36年年降水呈不顯著的增長趨勢。降水量具有明顯的階段性特征,20世紀(jì)80年代至90年代中期呈現(xiàn)先升后降的變化過程,經(jīng)過90年代后期的波動期之后,21世紀(jì)初期呈下降趨勢,2010年之后才開始逐漸呈上升趨勢。由于年降水主要分布在汛期,故夏秋季節(jié)的降水過程對年降水過程影響較大,且年SPI變化過程線與夏秋季節(jié)較為吻合,此外春季多濕潤,冬季多干旱。 灌區(qū)旱澇事件出現(xiàn)頻率較高,旱澇事件發(fā)生的平均頻率為63.48%。其中,極端旱澇發(fā)生頻率約為4.17%,輕微旱澇發(fā)生頻率約為30.64%。不同尺度SPI均較好地揭示了當(dāng)?shù)?986年、2001年、2008年的重澇以及1989年、2000年、2004年的重旱。年與季節(jié)SPI呈現(xiàn)4~6、8~9 a以及14~15 a左右的不同尺度的周期,預(yù)測未來灌區(qū)總體降水將偏多,其中春夏秋三季將處于豐水期,而冬季則處于枯水期。 通過不同時間尺度的SPI,可以監(jiān)測旱澇變化;但同時存在一些局限性。如短時間尺度的SPI對短期降雨更為敏感,能及時反映旱澇強度,卻缺乏對旱澇持續(xù)時間的監(jiān)測;中長時間尺度的SPI更能反映旱澇的程度和持續(xù)時間,但存在一定的滯后性,對于年內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)的揭示能力較弱。此外,SPI對于嚴(yán)重旱澇災(zāi)害的反映情況較好,但對于程度較弱的旱澇情況則未能揭示,日后可針對這一問題加以改進,為全面揭示旱澇災(zāi)害的爆發(fā),預(yù)測旱澇趨勢的變化提供重要的技術(shù)支持。 基于對馱英灌區(qū)歷史旱澇演變分析規(guī)律與趨勢預(yù)測的分析結(jié)果,為廣西馱英灌區(qū)在未來可能出現(xiàn)的極端旱災(zāi)或洪澇災(zāi)害條件下水資源的優(yōu)化配置、應(yīng)急調(diào)控提供了理論依據(jù),對于緩解廣西西南旱區(qū)極端天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活的不利影響具有重要意義。2 不同時間尺度馱英灌區(qū)旱澇演變特征分析
2.1 年降水量變化特征
2.2 不同時間尺度下SPI變化特征
2.3 SPI及旱澇頻次的季節(jié)變化特征
3 馱英灌區(qū)旱澇演變周期及趨勢預(yù)測
3.1 灌區(qū)SPI趨勢分析
3.2 灌區(qū)旱澇演變周期及趨勢預(yù)測
4 結(jié) 論