馬小燕, 朱曉雯, 趙金濤, 趙 娜, 石 云

(寧夏大學(xué), 銀川 750021)

干旱作為一種自然現(xiàn)象，是破壞農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的主要因素，具有影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、出現(xiàn)頻率高等特點(diǎn)[1]。水分長(zhǎng)期不足是干旱形成和發(fā)展的主要原因，多時(shí)間尺度變化是其主要特征。根據(jù)不同的時(shí)間尺度，可將干旱劃分為農(nóng)業(yè)干旱、氣象干旱、水文干旱等[2-6]。為方便對(duì)干旱程度進(jìn)行量化，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在氣象干旱領(lǐng)域提出了多種干旱指數(shù)，如相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等[7-8]，其中，帕默爾干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)對(duì)9～12個(gè)月尺度的干旱響應(yīng)較好[9-10]，但在干旱持續(xù)時(shí)間的表征方面不夠完備[11]，由Mckee等[12]提出的標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)具有多時(shí)間尺度分析能力[13]，模型簡(jiǎn)單、時(shí)空適用性強(qiáng)。但未考慮到溫度對(duì)干旱程度的影響[14]。蒸散發(fā)量和降水量共同作用影響干旱形成和發(fā)展，是干旱氣候形成的兩個(gè)最主要驅(qū)動(dòng)因子[15-16]。在全球增溫的氣候背景下[17]，僅分析降水量變化已不足以說(shuō)明區(qū)域干旱程度和范圍。由Vicente-Serrano等[15,18]提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，不僅同時(shí)保留了PDSI指數(shù)與SPI指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在多時(shí)間尺度上，同時(shí)考慮了潛在蒸散量和降水量?jī)蓚€(gè)因素的影響[13]，在全球干旱研究中得到了廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)SPEI的應(yīng)用僅限于部分地區(qū)的適用性分析[19-20]，針對(duì)多尺度下寧夏沿黃城市帶近年來(lái)干旱趨勢(shì)、變化范圍和幅度等問(wèn)題研究較少，分析寧夏沿黃城市帶干旱變化對(duì)區(qū)域農(nóng)作物種植以及水資源協(xié)調(diào)以緩解干旱提供理論依據(jù)[21]。

針對(duì)不同流域[22-23]和自然區(qū)域[24-25]干旱驅(qū)動(dòng)因素及時(shí)空分布特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究。Wang Fei等[26]基于SPEI指數(shù)分析1961—2015年黃河流域干旱特征發(fā)現(xiàn)區(qū)域干旱趨勢(shì)明顯增加；Xiao等[27]發(fā)現(xiàn)各氣候因子對(duì)珠江流域降水天數(shù)和降水強(qiáng)度的影響具有季節(jié)差異，且彼此之間存在制約和協(xié)同關(guān)系；李運(yùn)剛等[28]對(duì)1961—2012年紅河流域干旱驅(qū)動(dòng)因素及時(shí)空分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)1961—2012年紅河流域干旱程度呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，各季節(jié)干旱發(fā)生頻次空間差異較大。Sergio等[29]基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)分析了1952—1999年西班牙東北部半干旱地區(qū)冬季干旱的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)西班牙東北部半干旱地區(qū)冬季逐漸由暖濕轉(zhuǎn)換為暖干氣象特征；陳亞寧等[30]基于PDSI指數(shù)，分析了整個(gè)中國(guó)西北干旱區(qū)空間模態(tài)與大氣環(huán)流因子的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)極端氣候/水文事件呈逐年增加趨勢(shì)，新疆有變暖趨勢(shì)，而河西走廊則有變干趨勢(shì)；李明等[31]基于SPEI指數(shù)探討東北地區(qū)干旱的空間變化趨勢(shì)，并將其劃分為5個(gè)干旱亞區(qū)；王允等[32]基于SPI的近53 a寧夏干旱時(shí)空演變特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)寧夏在年和季節(jié)兩個(gè)尺度表現(xiàn)為由北向南干旱的加重幅度逐漸增大，尤以南部山區(qū)對(duì)區(qū)域干旱變化的響應(yīng)最為敏感。

寧夏沿黃城市帶位于黃河流域中上游，屬干旱半干旱地區(qū)，是氣候變化的敏感區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[33]，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，水資源時(shí)空分布不均，近年來(lái)對(duì)寧夏干旱特征研究多以寧夏中部干旱帶為主，寧夏沿黃城市帶干旱特征及驅(qū)動(dòng)性分析較少。鑒于此，本文以干旱的多時(shí)間尺度特征為出發(fā)點(diǎn)，基于SPEI指數(shù)探究寧夏沿黃城市帶的干旱時(shí)空分布特征及影響因素，采用Mann-Kendall突變檢測(cè)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Pettitt突變檢驗(yàn)，對(duì)干旱指數(shù)進(jìn)行突變檢測(cè)，利用冗余分析法定量分析寧夏沿黃城市帶干旱驅(qū)動(dòng)因素，探究區(qū)域干旱程度和影響范圍以及干旱形成的原因，為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面提供參考，以達(dá)到提高水資源利用率、優(yōu)化水資源配置和合理利用水資源的目的。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

寧夏沿黃城市帶(36°54′30″—39°23′23″N，104°17′7″—106°58′13″E)位于青藏高原、黃土高原和蒙古高原交匯地帶，氣候類(lèi)型復(fù)雜。以石嘴山市、中衛(wèi)市以及銀川市全市、吳忠市中利通區(qū)和青銅峽市為主干，涉及大武口區(qū)、平羅縣、惠農(nóng)區(qū)、賀蘭縣、興慶區(qū)、金鳳區(qū)、西夏區(qū)、永寧縣、利通區(qū)、靈武市、青銅峽市、中寧縣、沙坡頭區(qū)17個(gè)縣(市、區(qū))，區(qū)域國(guó)土面積5.59萬(wàn)km2。黃河干流自寧夏中衛(wèi)縣南長(zhǎng)灘翠柳溝流入，至石嘴山市惠農(nóng)區(qū)頭道坎麻黃溝流出，黃河流域?qū)幭亩?97 km，面積5萬(wàn)km2，年日照時(shí)長(zhǎng)達(dá)2 600～3 000 h，溫差較大[34]，水量主要來(lái)自地表水、大氣降水、地下水。地形南高北低，年均降水量介于167.2～618.3 mm，且四季分布不均，多集中在夏季，冬季有少量降雪，年均蒸發(fā)量1 312～2 204 mm，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，水資源時(shí)空分布不均，集中了寧夏90%以上的水資源[35]，人均用水量?jī)H為129 m3，不足全國(guó)的1/16。寧夏沿黃城市帶是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)水資源的反應(yīng)十分敏感；流域內(nèi)設(shè)有工業(yè)園區(qū)，工業(yè)用水效率低，重復(fù)利用率達(dá)到60%，高于全國(guó)平均水平，資源性缺水問(wèn)題較突出，是我國(guó)干旱缺水嚴(yán)重地區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用寧夏沿黃城市帶1995—2015年惠農(nóng)區(qū)、吳忠市、銀川市、平羅縣、中衛(wèi)市、中寧縣6個(gè)氣象站點(diǎn)和2個(gè)輻射站點(diǎn)的逐日數(shù)據(jù)(中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http:∥data.cma.cn)，包括日照時(shí)間、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均溫度以及地表凈輻射數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上的完整性，采用偏最小二乘回歸插值法對(duì)研究區(qū)氣象觀測(cè)資料中缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延展[36]，研究區(qū)各氣象站點(diǎn)信息及分區(qū)見(jiàn)圖1，文中各參量的空間化方法采用反距離權(quán)重法進(jìn)行插值用反距離權(quán)重法進(jìn)行插值[37]。

圖1 研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分區(qū)圖

2 研究方法

2.1 潛在蒸散發(fā)量

應(yīng)用Penman-Monteith模型(P-M模型)計(jì)算寧夏沿黃城市帶1995—2015年的月ET0和年ET0，計(jì)算過(guò)程如下[38]：

(1)

式中：ET0表示潛在蒸散量(mm/d)；Rn表示地表凈輻射〔MJ/(m2·d)〕；G表示土壤熱通量(MJ/m2·d)(在逐日計(jì)算公式中,G約等于0)；T表示2 m高度處平均氣溫(℃)；U表示2 m高度處風(fēng)速(m/s)；es表示飽和水汽壓(kPa)；ea表示實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ表示飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線(xiàn)斜率(kPa/℃)；V表示干濕表常數(shù)(kPa/℃)。其中：

V=0.665×10-5P

(2)

式中：P表示大氣壓(kPa)。

2.2 SPEI(標(biāo)準(zhǔn)降雨蒸散指數(shù))

Vicente-Serrano等[15]在SPI指數(shù)的基礎(chǔ)上，基于降水和潛在蒸散發(fā)的差值所表示的水量平衡方程進(jìn)行計(jì)算[39]：

第一步，計(jì)算逐月降水量與潛在蒸散發(fā)量的差額:

Dm=Pm-ET0

(3)

式中:m為月數(shù);Pm為逐月降水量(mm);ET0為潛在蒸散發(fā)量(mm)。

第二步，根據(jù)不同的時(shí)間尺度，對(duì)Dm進(jìn)行聚集和歸一化:

(4)

第三步，使用log-logistics概率分布函數(shù)擬合Dm序列[40]，得到累積概率密度函數(shù)F(D)：

(5)

式中:參數(shù)α，β，γ分別表示通過(guò)線(xiàn)性矩方法估計(jì)的尺度、形狀和位置參數(shù)。

(6)

(7)

γ=w1-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(8)

式中:Γ為階乘函數(shù)；w1，w2，w3為原始數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩。計(jì)算方法如下:

(9)

式中:N為參與計(jì)算的月份數(shù)。

第四步，對(duì)累積概率密度進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化:

(10)

(11)

式中:c1=2.515517,c2=0.802853,c3=0.010328,t1=1.432788,t2=0.189269,t3=0.001308[41];Q為大于某個(gè)確定的Dm值的概率,Q≤0.5時(shí),Q=1-f(D);Q>0.5時(shí),Q=1-Q。

2.3 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

干旱具有多時(shí)間尺度特征，不同時(shí)間尺度可以反映不同類(lèi)型的干旱，如12個(gè)月時(shí)間尺度主要突出水文干旱、6個(gè)月時(shí)間尺度主要突出農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱、3個(gè)月時(shí)間尺度主要突出氣象干旱[16,42]。因此，本研究選取1，3，12個(gè)月的時(shí)間尺度，來(lái)計(jì)算每月、每季度以及每年的SPEI，來(lái)分析區(qū)域干旱特征。國(guó)際上通用的基于SPEI指數(shù)的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。通過(guò)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表可以確定區(qū)域在不同時(shí)間尺度發(fā)生干旱變化的程度[16]。

表1 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 SPEI指數(shù)季節(jié)變化特征

3.1.1 時(shí)間變化特征 寧夏沿黃城市帶SPEI在3個(gè)月尺度上發(fā)生強(qiáng)烈的正負(fù)波動(dòng)，表明研究區(qū)在季節(jié)尺度上發(fā)生顯著的干濕變化。干旱發(fā)生的季節(jié)性包括單季旱和連季旱兩種類(lèi)型，分析圖2可以看出：研究區(qū)單季旱發(fā)生頻繁，以春季和秋季發(fā)生為主，其中春旱發(fā)生的頻率為38.09%，春季輕旱的發(fā)生頻率為56%、中旱的發(fā)生頻率為5.6%、特大干旱的發(fā)生頻率為1.3%；秋旱發(fā)生的頻率為50.3%，秋季輕旱的發(fā)生頻率為33.33%、特大干旱的發(fā)生頻率為4.76%。從1995—2015年研究區(qū)季節(jié)變化特征看，春、秋、冬3個(gè)季節(jié)整體呈上升趨勢(shì)，春季以0.91/10 a速率上升，上升趨勢(shì)與年際變化趨勢(shì)較為相似，在1995—1998年波動(dòng)較大，從2000年和2005年之后表現(xiàn)為明顯變旱趨勢(shì)；秋冬季上升速率分別為0.45/10 a和0.05/10 a，在1995—2000年基本呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，秋季在2001—2009年進(jìn)入全面干旱時(shí)期，2008年以后干旱情況有所好轉(zhuǎn)；冬季SPEI-3指數(shù)在高、低位之間震蕩變化，干旱/半干旱交替分布，2004—2007年期間以及2011年為輕度干旱時(shí)期，而在2008年之后干旱情況逐漸好轉(zhuǎn)；夏季則呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，上升速率為0.01/10 a，夏季干濕波動(dòng)幅度較小，2008年和2009年基本處于正常狀態(tài)，2011—2014年呈輕度濕潤(rùn)狀態(tài)，之后表現(xiàn)為變旱趨勢(shì)。

圖2 1995-2015年寧夏沿黃城市帶SPEI-3指數(shù)季節(jié)變化特征

3.1.2 空間趨勢(shì)變化 研究以SPEI-3指數(shù)為例對(duì)寧夏沿黃城市帶不同等級(jí)干旱空間分布特征進(jìn)行分析(圖3)，可以看出研究區(qū)各季節(jié)SPEI-3指數(shù)空間分布差異明顯，自北向南整體呈現(xiàn)由高到低的趨勢(shì)，其中，平羅縣干旱發(fā)生頻率最高(16.50%)，金鳳區(qū)發(fā)生頻率最低(2.31%)。春季SPEI-3指數(shù)由北到南呈現(xiàn)“低—中—高”分布特征，其中沙坡頭區(qū)、中寧縣、青銅峽市西南部SPEI-3指數(shù)有下降趨勢(shì)(0.001/10 a～0.055/10 a)，下降趨勢(shì)占51.62%，平羅以西區(qū)域有中度干旱，利通區(qū)有逐漸變濕趨勢(shì)；夏季SPEI-3指數(shù)的趨勢(shì)系數(shù)介于0.006/10 a～0.746/10 a，由北到南呈現(xiàn)“低—高—中—高”分布特征，干旱主要分布在平羅縣且有加重趨勢(shì)，青銅峽市、利通區(qū)和靈武市相較于春季有變干的趨勢(shì)，沙坡頭區(qū)、中寧縣干旱發(fā)生趨勢(shì)增加(-0.125/10 a～0.394/10 a)。

由春季到秋季干旱強(qiáng)度和范圍都有所增加，幾乎遍布整個(gè)研究區(qū)，由北到南整體呈現(xiàn)為“低—高—低”的分布特征。中度干旱出現(xiàn)在平羅縣西部和利通區(qū)中南部0，沙坡頭區(qū)和中寧縣有逐漸變干趨勢(shì)，利通區(qū)干旱趨勢(shì)系數(shù)逐漸減小，意味著利通區(qū)具有干旱化趨勢(shì)。冬季，研究區(qū)以北干旱加重，與秋季相比，干旱趨勢(shì)減弱，趨勢(shì)系數(shù)介于-0.265/10 a～0.463/10 a，金鳳區(qū)、西夏區(qū)以西、興慶區(qū)以東干旱加劇，平羅縣干旱情況有所緩和，利通區(qū)有明顯變濕趨勢(shì)，除利通區(qū)外，寧夏沿黃城市帶在冬季整體呈現(xiàn)為冷干氣候，符合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)。整體來(lái)看，寧夏沿黃城市帶四季呈現(xiàn)干旱回歸正常的氣象表現(xiàn)，干旱主要集中在北部地區(qū)。

圖3 1995-2015年寧夏沿黃城市帶SPEI-3指數(shù)季節(jié)變化趨勢(shì)

3.2 SPEI指數(shù)年際變化特征

3.2.1 時(shí)間變化特征 寧夏沿黃城市帶1995—2015年SPEI-12指數(shù)呈現(xiàn)明顯的正負(fù)波動(dòng)(圖4)，整體以0.013/10 a速率呈上升趨勢(shì)，變化幅度微弱，表明寧夏沿黃城市帶氣候有變濕趨勢(shì)。干旱發(fā)生具有隨機(jī)性和頻繁性，在1996年、2002年和2007年SPEI-12指數(shù)出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)“下降—上升—下降—上升”的趨勢(shì)。1995—2015年寧夏沿黃城市帶主要干旱時(shí)期集中在1997—2001年和2003—2006年，隨著氣溫增高，降水量隨年際變化出現(xiàn)震蕩，干旱指數(shù)降低，其中1997年出現(xiàn)重度干旱，1998年和2005年出現(xiàn)中度干旱，SPEI-12指數(shù)分別達(dá)到-1.19，-0.87和-0.79。寧夏沿黃城市帶在1995年和2002年達(dá)到了濕潤(rùn)狀態(tài)，分別為1.08，0.91；在2007—2014年，呈現(xiàn)明顯的年代際震蕩，波動(dòng)范圍0.049～0.607。整體來(lái)看，21年來(lái)寧夏沿黃城市帶呈現(xiàn)由濕潤(rùn)逐漸干旱再至2006年之后干旱減輕的趨勢(shì)，隨著溫度躍升，潛在蒸散發(fā)量加劇，而降水量逐漸降低，導(dǎo)致較明顯的暖干化趨勢(shì)。

圖4 1995-2015年寧夏沿黃城市帶SPEI-12指數(shù)

3.2.2 空間變化特征 從年尺度SPEI指數(shù)變化趨勢(shì)的空間分布可知(圖5)，寧夏沿黃城市帶SPEI-12指數(shù)的下降趨勢(shì)具有全域性，自北向南呈現(xiàn)由高到底的趨勢(shì)(-0.057/10 a～0.348/10 a)，下降和上升趨勢(shì)分別占研究區(qū)總面積的82.3%和17.7%，即以干旱化趨勢(shì)為主，不同區(qū)域SPEI-12指數(shù)下降趨勢(shì)由北到南呈現(xiàn)“高—低—中—低”空間分布特征，具有明顯的空間差異，主要干旱地區(qū)分布在平羅以西、中寧縣及沙坡頭區(qū)以西部分地區(qū)，表現(xiàn)為明顯干旱化加重的趨勢(shì)，這可能與寧夏沿黃城市帶溫度和降水量?jī)蓚€(gè)因素共同作用有關(guān)。其中，平羅縣與中寧縣干旱發(fā)生頻率最高，分別為7.25%和12.36%，且平羅縣有干旱化加重的趨勢(shì)，中寧縣則有逐漸變濕的傾向；惠農(nóng)區(qū)較為濕潤(rùn)，SPEI-12值為0.47，但有逐漸干旱化的傾向；金鳳區(qū)、興慶區(qū)、永寧縣以及靈武市東北地區(qū)有輕度干旱，SEI-12值介于0.041～0.130之間；利通區(qū)氣候狀況良好且有逐漸轉(zhuǎn)換為暖濕化傾向(0.407/10 a)。整體來(lái)看，隨著溫度增加，降水量大量的減少，寧夏沿黃城市帶整體呈現(xiàn)暖干化趨勢(shì)。

3.3 干旱指數(shù)變化趨勢(shì)

采用Mann-Kendall突變檢測(cè)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Pettitt突變檢驗(yàn)，對(duì)SPEI-12進(jìn)行突變檢測(cè)，3種檢測(cè)方法交叉檢驗(yàn)?zāi)軌蛱岣咄蛔儥z測(cè)精度。當(dāng)1種結(jié)果與另外2種結(jié)果不一致時(shí)，按照少數(shù)服從多數(shù)原則確定突變時(shí)間，當(dāng)3種檢驗(yàn)結(jié)果均不一致時(shí)，取其平均值作為突變時(shí)間。

圖5 1995-2015年寧夏沿黃城市帶SPEI-12指數(shù)

結(jié)合3種突變檢測(cè)方法，對(duì)寧夏沿黃城市帶SPEI-12指數(shù)進(jìn)行突變檢測(cè)，1995—2015年寧夏沿黃城市帶年代際SPEI-12指數(shù)呈現(xiàn)起伏變化。根據(jù)M-K突變檢測(cè)結(jié)果可以看出研究區(qū)在1995—1997年和2002—2006年下降趨勢(shì)顯著且UF為負(fù)值，表明該時(shí)期為輕度干旱期；2007—2015年SPEI-12指數(shù)上升趨勢(shì)超過(guò)了顯著性水平0.05臨界線(xiàn)，在2015年以后明顯超過(guò)0.01顯著性水平，說(shuō)明寧夏沿黃城市帶由干旱變?yōu)檎５内厔?shì)顯著，在顯著水平0.05的界限內(nèi)，UF與UB曲線(xiàn)相交于2008年與2013年附近，在2008年之后UF值均大于0，表明在2008年、2013年附近發(fā)生了突變，SPEI-12指數(shù)在突變前后的平均值相差0.204，從寧夏沿黃城市帶SPEI-12指數(shù)年際變化來(lái)看，20世紀(jì)90年代至今，寧夏沿黃城市帶逐漸由干旱回歸正常的氣候水平。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Pettitt值整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明寧夏沿黃城市帶整體呈現(xiàn)暖干化趨勢(shì)，檢驗(yàn)顯示2008年為突變年。由滑動(dòng)t檢驗(yàn)可以看出，滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量在2003年和2008年超出了臨界線(xiàn)，表明寧夏沿黃城市帶SPEI-12指數(shù)的突變點(diǎn)在2003年和2008年；t值在1995—2003年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明在這期間干旱情況有所緩和；在2003—2008年出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，表明這一期間的干旱情況十分嚴(yán)峻，出現(xiàn)連年干旱的情況。結(jié)合3種突變檢測(cè)結(jié)果，確定2008年為研究區(qū)的突變年，表明研究區(qū)SPEI-12值在1995—2015年整體上呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，表明干旱情況得以緩解，黃河灌溉工程、生態(tài)恢復(fù)等措施有效地遏制了研究區(qū)內(nèi)的干旱發(fā)展。

圖6 1995-2015年寧夏沿黃城市帶SPEI-12突變檢測(cè)

3.4 驅(qū)動(dòng)因子分析

冗余分析是一種結(jié)合了主成分分析與回歸分析的排序方法，是多響應(yīng)變量回歸分析的拓展[43]，寧夏沿黃城市帶ET0，ET，SPEI值變化與各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子之間的相互關(guān)系密切，兩主軸對(duì)所選樣方的解釋率均在75%以上。由圖7可以看出，降水量、溫度、地表凈輻射是驅(qū)動(dòng)SPEI值主要環(huán)境因子，其次是水汽壓和風(fēng)速。其中，惠農(nóng)、平羅、吳忠、銀川以及中衛(wèi)5個(gè)站點(diǎn)均顯示降水量箭頭連線(xiàn)的長(zhǎng)度最長(zhǎng)，表明降水量對(duì)SPEI的貢獻(xiàn)率最高，介于54.2%～72.4%，中寧站點(diǎn)的貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到85.4%。平羅站點(diǎn)，降水量與地表凈輻射與SPEI方向一致，呈正相關(guān)關(guān)系，降水量與SPEI方向一致且?jiàn)A角較小，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性達(dá)到0.643，而水汽壓、風(fēng)速和溫度方向相反，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；其余各站點(diǎn)中，溫度與SPEI方向一致且?jiàn)A角較大，呈正相關(guān)，但相關(guān)性較弱，為0.401，其他環(huán)境因子相關(guān)性與平羅站點(diǎn)一致。驅(qū)動(dòng)ET和ET0的主要環(huán)境因子為地表凈輻射，其中，地表凈輻射對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率最大達(dá)到98.6%，且方向一致、夾角最小，呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性為0.806。在惠農(nóng)、吳忠、中衛(wèi)、中寧以及銀川5個(gè)站點(diǎn)，降水量、地表凈輻射、溫度與ET和ET0方向相同，呈正相關(guān)關(guān)系，水汽壓、風(fēng)速方向相反，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；平羅站點(diǎn)則出現(xiàn)ET和ET0方向相反長(zhǎng)度較短，呈現(xiàn)弱相關(guān)性。

4 討 論

本研究通過(guò)計(jì)算不同時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)，對(duì)寧夏沿黃城市帶干旱時(shí)空演變特征及影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)由北到南呈現(xiàn)“高—低—中—低”的空間分布特點(diǎn)，1995—2015年呈現(xiàn)“下降—上升—下降—上升”的波動(dòng)趨勢(shì)，在2008年發(fā)生顯著突變。寧夏沿黃城市帶SPEI指數(shù)年代際波動(dòng)與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，年和季降水量在研究區(qū)內(nèi)部分地區(qū)有增加趨勢(shì)，隨著全球變暖，寧夏沿黃城市帶北部平羅縣，大武口區(qū)等地潛在蒸散發(fā)顯著增加，導(dǎo)致研究區(qū)北部表現(xiàn)為不同程度的暖干化趨勢(shì)，這與關(guān)靜等[44]分析一致。

基于離散分布的測(cè)站資料，通過(guò)空間插值方法，揭示整個(gè)流域干旱特征的時(shí)空差異性，時(shí)間尺度較短，無(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)10～20年內(nèi)區(qū)域干旱程度及范圍的變化趨勢(shì)，后續(xù)需擴(kuò)大研究的時(shí)間尺度，并對(duì)研究區(qū)未來(lái)干旱特征進(jìn)行預(yù)測(cè)；黃河流域?qū)幭亩挝挥邳S土高原中部，具有黃土高原的典型特征，但研究區(qū)較小，SPEI指數(shù)空間分布宏觀特征不明顯，后續(xù)研究需擴(kuò)大研究區(qū)范圍。

論文所采用Penman-Monteith模型(P-M模型)計(jì)算寧夏沿黃城市帶潛在蒸散發(fā)，其計(jì)算結(jié)果與SPEI指數(shù)有顯著正相關(guān)關(guān)系，但在平羅、中衛(wèi)等站點(diǎn)相關(guān)性較弱，甚至呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明P-M模型中部分參數(shù)具有地方性和經(jīng)驗(yàn)性，因此需對(duì)參數(shù)進(jìn)行區(qū)域優(yōu)化，深入不同的潛在蒸散量理論在寧夏沿黃城市帶干旱檢測(cè)的比較研究，提高蒸散發(fā)計(jì)算精度。

分析研究區(qū)各縣(區(qū)、市)干旱指數(shù)對(duì)氣象因子的敏感性發(fā)現(xiàn)，降水量和潛在蒸散發(fā)對(duì)SPEI指數(shù)的貢獻(xiàn)率較高，由于寧夏沿黃城市帶位于平原地區(qū)，高程變化較小，因此，在選取環(huán)境因子時(shí)，未考慮高程對(duì)區(qū)域干旱的影響。后續(xù)研究需結(jié)合測(cè)站高程資料，研究各環(huán)境因子在該研究區(qū)內(nèi)與高程的關(guān)系，分析干旱指數(shù)對(duì)氣象要素的敏感系數(shù)與海拔的線(xiàn)性關(guān)系，明確不同海拔的地形、溫度、植被和土壤之間的復(fù)雜反饋機(jī)制。

圖7 1995-2015年寧夏沿黃城市帶冗余分析排序圖

5 結(jié) 論

(1) 寧夏沿黃城市帶四季呈現(xiàn)濕潤(rùn)化趨勢(shì)，自北向南整體呈現(xiàn)由高到低分布，且主要集中在北部地區(qū)。單季旱發(fā)生頻繁，以春季和秋季發(fā)生為主。春、秋、冬3個(gè)季節(jié)干旱強(qiáng)度和范圍都有所增加，由北到南整體呈現(xiàn)為“低—高—低”的分布特征，冬季，研究區(qū)以北干旱加重，與秋季相比，干旱趨勢(shì)減弱。

(2) 寧夏沿黃城市帶1995—2015年SPEI-12指數(shù)整體以0.013/10 a速率呈上升趨勢(shì)，表明寧夏沿黃城市帶氣候有變濕趨勢(shì)。干旱發(fā)生具有隨機(jī)性和頻繁性，隨著溫度躍升，潛在蒸散發(fā)量加劇，而降水量逐漸降低，導(dǎo)致研究區(qū)有較明顯的暖干化趨勢(shì)。

(3) 研究區(qū)SPEI-12指數(shù)的下降趨勢(shì)具有全域性，自北向南呈現(xiàn)由高到底的趨勢(shì)，下降和上升趨勢(shì)分別占研究區(qū)總面積的82.3%和17.7%。隨著溫度增加，降水量大量的減少，寧夏沿黃城市帶整體呈現(xiàn)暖干化趨勢(shì)。

(4) 綜合3種突變檢測(cè)結(jié)果表明研究區(qū)SPEI-12值在1995—2015年整體上呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，確定2008年為突變年。1995—2015年研究區(qū)由干旱狀態(tài)逐漸回歸正常的氣象表現(xiàn)水平，表明黃河灌溉工程、生態(tài)恢復(fù)等措施有效的遏制了研究區(qū)內(nèi)的干旱發(fā)展。

(5) 寧夏沿黃城市帶ET0，ET，SPEI值變化與各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子之間的相互關(guān)系密切，兩主軸對(duì)所選樣方的解釋率均在75%以上。降水量、溫度、地表凈輻射是驅(qū)動(dòng)SPEI值主要環(huán)境因子，降水量對(duì)SPEI的貢獻(xiàn)率最高，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性達(dá)到0.643；水汽壓、風(fēng)速和溫度環(huán)境因子與SPEI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；驅(qū)動(dòng)ET和ET0的主要環(huán)境因子為地表凈輻射，對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率最大達(dá)到98.6%，呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性為0.806。