吳 歌， 符素華， 殷 兵

（1. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

0 引言

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第6次評(píng)估報(bào)告第1 工作組發(fā)布的報(bào)告進(jìn)一步明確指出，近百年全球氣候正在發(fā)生廣泛而迅速的變化，人類活動(dòng)已經(jīng)使得氣候變暖，幾乎全球陸地區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[1-2]。干旱是指一定區(qū)域在某時(shí)段內(nèi)水分供需失衡而出現(xiàn)的水分盈虧現(xiàn)象[3]。干旱可以分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱，其中氣象干旱是降水和蒸發(fā)不平衡導(dǎo)致的，進(jìn)一步發(fā)展可引起農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱及社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[4-5]。干旱受災(zāi)人數(shù)是所有自然災(zāi)害中最多的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1900—2011 年全球有超過(guò)1 100 萬(wàn)人因干旱而死亡[6-7]。我國(guó)黃土高原地處半濕潤(rùn)區(qū)向半干旱、干旱的過(guò)渡地帶，是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和敏感區(qū)，水資源嚴(yán)重短缺，降水量少、分布不均，而且多以暴雨形式出現(xiàn)，導(dǎo)致該地區(qū)干旱缺水與暴雨引發(fā)的水土流失并存[8-13]。過(guò)去數(shù)十年氣象資料分析結(jié)果顯示，隨著全球氣候變化，黃土高原整體逐漸變干旱，干旱與熱浪同時(shí)發(fā)生的頻率呈增加趨勢(shì)[14-15]。侯青青等[16]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Hurst指數(shù)預(yù)測(cè)未來(lái)黃土高原干旱發(fā)生頻率空間分布差異大，干旱次數(shù)增加將高于歷史時(shí)期，而且干旱等級(jí)升高。干旱是限制黃土高原生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵因素，目前關(guān)于黃土高原旱澇變化研究主要集中在該地區(qū)多年整體旱澇變化趨勢(shì)分析上[17]。李明等[18]基于多年降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)和MODIS/EVI 數(shù)據(jù)，探討了1961—2017 年黃土高原干旱分布特征和變化趨勢(shì)，以及氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)黃土高原干旱頻率西高東低，以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）為指標(biāo)的氣象干旱滯后于以植被狀態(tài)指數(shù)為指標(biāo)的農(nóng)業(yè)干旱。孫藝杰等[19]基于1960—2016 年黃土高原地區(qū)59 個(gè)氣象站資料，以標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)為指標(biāo)分析了不同時(shí)間尺度下干旱時(shí)空變化，研究結(jié)果也顯示近57 年黃土高原呈變旱趨勢(shì)，顯著變旱區(qū)域在山西省、寧夏回族自治區(qū)和甘肅省。但是不同水平年下黃土高原旱澇變化特征的研究還不多見(jiàn)，然而不同水平年尤其是枯水年的干旱面積及程度對(duì)黃土高原地區(qū)水資源配置有重要影響。如鮑衛(wèi)鋒等[20]以中等干旱年為研究情景，通過(guò)建立需水預(yù)測(cè)模型對(duì)延安市需水量增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行了分析，王小軍等[21]以50%、75%和95%來(lái)水情況為研究背景對(duì)榆林市需水總量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。本研究選取1980—2014 年黃土高原263 個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)為干旱指標(biāo)對(duì)不同降雨水平年的旱澇特征進(jìn)行分析，為黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理和水資源調(diào)配等提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

黃土高原（31°41′～41°16′N，100°52′～114°33′E）面積為64 萬(wàn)km2，大陸性季風(fēng)氣候，無(wú)霜期120～250 d，≥10 °C 積溫2 300～4 500 °C，日照時(shí)數(shù)1 900～3 200 h，年均溫3.6～14.3 °C，1980—2014 年平均降水量425 mm，年內(nèi)降水分布不均勻，每年7—9 月的降水多以暴雨形式出現(xiàn)且降水量約占全年降水量的60%[22-23]。黃土高原地形破碎，溝壑縱橫，容易發(fā)生水土流失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2010 年平均土壤侵蝕強(qiáng)度為15.2 t/（hm2·a）[24]。國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心收集到黃土高原及周邊263 個(gè)雨量站點(diǎn)日降雨量資料，其中187 個(gè)站點(diǎn)資料序列為1980—2014 年，76 個(gè)站點(diǎn)資料序列為1980—2019 年。263 個(gè)站點(diǎn)1980—2014 年數(shù)據(jù)序列用于分析黃土高原整個(gè)區(qū)域的豐、平、枯水年旱澇狀況，1980—2019 年資料序列用于驗(yàn)證長(zhǎng)、短數(shù)據(jù)序列的結(jié)果差異。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）作為干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)參數(shù)少、計(jì)算簡(jiǎn)單，時(shí)間尺度靈活，對(duì)不同地點(diǎn)和時(shí)空尺度極端事件的描述具有可比性[25-28]。目前SPI 已經(jīng)在伊朗、意大利、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家干旱監(jiān)測(cè)中被使用，在我國(guó)黃土高原干旱評(píng)價(jià)研究中也被廣泛采用[8,14-15,29-32]。SPI 是世界氣象組織（WMO）推薦使用的氣象干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)[33]。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)法是假設(shè)某時(shí)段內(nèi)降水量服從gamma 分布，經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理消除降水時(shí)空分布差異，最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布確定干旱等級(jí)。SPI 的正值、負(fù)值可用來(lái)分別指示雨澇和干旱的發(fā)生和發(fā)展[33]。SPI 具體計(jì)算公式可參考文獻(xiàn)[34]。采用R 語(yǔ)言提供的SPIE 程序包（http://sac.csic.es/spei）計(jì)算黃土高原263 個(gè)站點(diǎn)的SPI 值，然后采用普通克里金插值方法得到整個(gè)區(qū)域的SPI 值[30]。SPI 旱澇等級(jí)根據(jù)MCKEE T 等[35]的劃分標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GBT 20 481—2006）確定（表1）。

表1 SPI 等級(jí)劃分Tab. 1 SPI classification

年時(shí)間尺度為12 個(gè)月的SPI 值可表征河水徑流、水庫(kù)和地下水水位變化[33,36-37]。月時(shí)間尺度的SPI 值可以衡量短期內(nèi)因降水引起的氣象干旱，多用于監(jiān)測(cè)土壤水分變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。本文計(jì)算了時(shí)間尺度為12、8、7、6 和3 個(gè)月的SPI 值，分別記為SPI-12、SPI-8、SPI-7、SPI-6 和SPI-3。用豐水年、平水年、枯水年第12 個(gè)月的SPI-12 指示各水平年旱澇時(shí)空分布。用5 月底的SPI-3、9 月底的SPI-4 和11 月底的SPI-5 分別表示春季（3—5 月）、汛期（6—9 月）和秋季（9—11 月）的旱澇時(shí)空分布。用6 月底SPI-6、7 月底SPI-7 和8 月底SPI-8 來(lái)分析春季干旱隨汛期降水的緩解情況。

1.2.2 水平年劃分

根據(jù)收集到的黃土高原及周邊263 個(gè)站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)，采用普通克里金插值得到1980—2014 年黃土高原年平均降雨量序列，然后根據(jù)Person-Ⅲ型曲線把75%、50%和25%年降水量對(duì)應(yīng)的年份分別確定為豐水年、平水年和枯水年，其相應(yīng)的典型年分別為1996 年、1981 年和2001 年，年降水量分別為462.9、421.9 和390.7 mm[38]。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水平年旱澇年際變化特征

豐水年時(shí)黃土高原以澇為主，輕澇至中澇面積占總面積的40.9%，其中輕澇占37.0%、中澇占3.9%，輕澇發(fā)生于黃土高原西北邊緣、中西部、南部邊緣及東部邊緣，中澇發(fā)生于山西省東南部。輕旱至中旱面積占總面積的5.7%，其中輕旱、中旱面積分別占總面積的5.5%和0.2%，主要分布在西部的青海省和西南部的甘肅省南部。平水年時(shí)旱澇影響面積較接近，輕澇至中澇面積比例之和為19.3%，其中輕澇和中澇面積比例為15.5%和3.8%，主要發(fā)生在黃土高原南部的甘肅省和陜西省。輕旱占總面積的12.7%，主要發(fā)生在黃土高原西部的甘肅省和東部的山西省東南部。枯水年以干旱為主，輕旱至重旱面積比例之和為44.4%，其中輕旱、中旱和重旱占總面積比例分別為26.7%、14.7%和3.0%，主要分布于黃土高原西部甘肅省和青海省部分區(qū)域、東部山西省的大部分區(qū)域，以及東南部陜西省和河南省的局部區(qū)域，東部山西省大部分區(qū)域干旱較嚴(yán)重。局部區(qū)域出現(xiàn)輕澇至中澇，面積比例之和為17.9%，其中輕澇面積比例為17.6%，主要分布于黃土高原西北部?jī)?nèi)蒙古自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)的局部區(qū)域。

這些結(jié)果表明，黃土高原豐、平和枯水年均有不同程度的干旱和雨澇發(fā)生，干旱面積占比依次增強(qiáng)，雨澇面積占比依次減弱，不同水平年的旱澇空間分布存在明顯差異。

2.2 不同水平年旱澇年內(nèi)變化特征

2.2.1 豐水年

豐水年年內(nèi)黃土高原春季以輕旱和中旱為主，輕旱、中旱面積占總面積的比例分別為56.2%和12.1%，輕旱主要分布在黃土高原的大部分區(qū)域，中旱主要分布在高原東北部山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的局部區(qū)域。隨著雨季到來(lái)，黃土高原春旱逐漸緩解。6 月底的SPI-6 是通過(guò)比較平水年1—6 月降雨與歷史同期（1980—2014 年）降雨量得到的，6 月底僅內(nèi)蒙古自治區(qū)和山西省的北部還存在干旱。到8 月底時(shí)，局部區(qū)域（山西省中部）出現(xiàn)了雨澇。汛期黃土高原以澇為主，輕澇、中澇和重澇面積占總面積的比例分別為42.8%、12.1%和0.6%，主要分布于黃土高原中部、西北部和東南部，其中寧夏回族自治區(qū)、山西省境內(nèi)出現(xiàn)中澇至重澇。秋季黃土高原旱澇面積接近，輕旱至中旱面積占總面積的20.0%，分布于黃土高原西部的青海省、甘肅省的東南和山西省的中部，輕澇占總面積的17.6%，分布于山西省和陜西省的南部、河南省的西部和內(nèi)蒙古自治區(qū)的北部。

2.2.2 平水年

平水年內(nèi)黃土高原春季干旱較嚴(yán)重，輕旱至特旱面積占高原總面積的77.5%，其中輕旱、中旱、重旱和特旱分別占42.9%、25.6%、7.2%和1.8%，輕旱主要分布在黃土高原中部陜西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)大部分區(qū)域，以及西部青海省和甘肅省局部區(qū)域，中旱至特旱分布于黃土高原西南部甘肅省局部區(qū)域，東部山西省大部分區(qū)域和河南省在黃土高原內(nèi)的全部區(qū)域，東部的山西省干旱最嚴(yán)重。6 月雨季開(kāi)始后，干旱開(kāi)始緩解，到6 月底仍存在大面積的干旱區(qū)域，輕旱至特旱的面積占全區(qū)面積的62.9%。汛期雨澇面積占區(qū)域總面積的55.8%，其中輕澇、中澇、重澇面積分別占31.0%、19.6%和5.2%，主要分布在高原中南部甘肅省和陜西省局部區(qū)域。秋季高原以旱為主，輕旱至特旱面積占高原總面積的40.3%，高原中東部山西省北部和陜西省北部干旱較嚴(yán)重。

2.2.3 枯水年

黃土高原枯水年春季輕旱至特旱面積占總面積的74.5%，輕旱、中旱、重旱和特旱面積占總面積的比例分別為18.4%、32.4%、12.3%和11.4%，干旱主要分布在除高原西北部之外的大部分區(qū)域，其中東南部山西省和河南省干旱最嚴(yán)重。汛期降水對(duì)區(qū)域干旱的減緩較弱，到6 月底、7 月底和8 月底干旱區(qū)域的面積比依次為87.8%、73.4%和67.9%，干旱面積雖然逐漸減小，但是與豐水年和平水年相比干旱比例依然很高，干旱分布在除黃土高原西北部外的大部分區(qū)域，其中東北部和東南部干旱等級(jí)較高?？菟暄雌邳S土高原的東南部和東北部依然出現(xiàn)干旱，雨澇主要分布在中北部陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)的局部區(qū)域。秋季黃土高原以澇為主，輕澇至重澇占總面積的62.1%，其中輕澇占32.6%、中澇占28.8%、重澇占0.7%，主要分布在中北部陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)的大部分區(qū)域。從上述分析可以看出枯水年黃土高原春旱嚴(yán)重，分布面積廣，部分區(qū)域（主要在河南省、山西省北部和南部區(qū)域、陜西省東南部區(qū)域）出現(xiàn)春夏連旱，秋季以澇為主，春旱和秋澇分布的空間位置幾乎不重合，即春旱主要分布在西部、南部和東部邊緣，秋澇則分布于中北部。

從上述分析可看出，豐、平、枯水年春季都比較干旱，豐水年春旱面積最小、以輕旱為主，平水年和枯水年春旱面積最大，且枯水年比平水年干旱等級(jí)高。6月進(jìn)入雨季后干旱有所緩解，豐水年7 月底已經(jīng)由旱轉(zhuǎn)澇，平水年7 月旱、澇面積相當(dāng)，8 月才由旱轉(zhuǎn)澇，枯水年的雨季沒(méi)有有效緩解春旱，而且秋澇最明顯。

3 討論

我國(guó)西北地區(qū)對(duì)全球氣候變暖響應(yīng)敏感[39]。氣候變化可能會(huì)改變水資源空間配置、增加極端雨澇和干旱發(fā)生頻率，西北地區(qū)水資源供給壓力增大[40]。從豐、平、枯水年的角度分析黃土高原旱澇時(shí)空變化特征，可以為未來(lái)黃土高原農(nóng)業(yè)供水管理、小型水利工程配置和水資源管理提供決策依據(jù)。

結(jié)果顯示，在年尺度上黃土高原豐水年、平水年和枯水年均有一定范圍的干旱發(fā)生，豐、平、枯水年干旱面積依次增大。干旱主要發(fā)生在黃土高原邊緣，這與已有的關(guān)于黃土高原易旱地區(qū)研究結(jié)論基本一致，但是不同水平年易旱區(qū)位置不同，這可能與站點(diǎn)密度、資料年限不同有關(guān)[14,34]。黃土高原各典型水平年下均存在水資源短缺狀況，作為我國(guó)最主要的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，根據(jù)2020 年《中國(guó)水資源公報(bào)》和我國(guó)第7 次人口普查數(shù)據(jù)，黃土高原地區(qū)的山西省、陜西省、河南省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、青海省、甘肅省和寧夏回族自治區(qū)人均水資源總量?jī)H為全國(guó)平均水平的54%，缺水是造成黃土高原作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)定的因素之一[41-44]。馮仰強(qiáng)等[45]研究結(jié)果顯示，豐水年小麥產(chǎn)量顯著高于平水年和枯水年。但是相比于全生育期降水總量，降水季節(jié)分布對(duì)作物產(chǎn)量影響更大[46]。如5 月是當(dāng)?shù)赜衩酌缙谥? 葉期，也是小麥拔節(jié)期至抽穗期，而小麥開(kāi)花期和灌漿期對(duì)干旱敏感程度較高，此時(shí)干旱會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)量[47]。CAO Hanbing 等[48]研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原冬小麥產(chǎn)量隨夏季休耕期和拔節(jié)期降水量增加而成比例增加。然而從年內(nèi)旱澇變化結(jié)果來(lái)看，豐、平、枯水年均有不同程度的春旱，并且春旱的面積和持續(xù)的時(shí)間均隨年降水量的減少呈增加趨勢(shì)（圖1）。在枯水年的8 月底仍有大面積（67.9%）的干旱區(qū)域。農(nóng)作物生長(zhǎng)需水的關(guān)鍵季節(jié)春季和夏季是黃土高原干旱多發(fā)季節(jié)，這種水分分配對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)常常造成不利影響[49]。隨著全球氣候變化，黃土高原整體逐漸變干旱，在這種干旱環(huán)境下，黃土高原地區(qū)呈現(xiàn)枯水年干旱空間分布和時(shí)間持續(xù)態(tài)勢(shì)的機(jī)會(huì)也會(huì)增加[14]?！坝惺諢o(wú)收在水”，水是農(nóng)業(yè)的命脈，更是黃土高原生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，全面掌握黃土高原不同水平年的旱澇分布狀況，可以合理布局黃土高原小型蓄水工程，進(jìn)行節(jié)水灌溉，保障農(nóng)業(yè)用水和糧食產(chǎn)量[50]。

圖1 不同水平年干旱面積比例和持續(xù)時(shí)間Fig. 1 Drought area and duration in different hydrological years

本研究為了得到精度更高的旱澇空間分布結(jié)果，采用了短資料序列（1980—2014 年）數(shù)據(jù)，但根據(jù)單站短 資料序 列（1980—2014 年） 和長(zhǎng)資 料序 列（1980—2019 年）豐、平、枯水年年降水量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖2）來(lái)看，二者具有很高的一致性。這表明本研究結(jié)果能代表1980 年以來(lái)黃土高原豐、平、枯水年的旱澇狀況。

圖2 不同資料序列確定的典型水平年年降水量Fig. 2 Annual rainfall determined by different data source

4 結(jié)論

（1）在不同水平年，黃土高原均有不同程度的干旱發(fā)生，只是豐水年、平水年和枯水年的干旱面積占比依次增強(qiáng)，雨澇面積占比依次減弱。豐水年、平水年和枯水年的干旱面積比例分別為5.7%、12.7%和44.4%，雨澇面積分別為40.9%、19.3%和17.9%。干旱空間分布存在明顯差異，豐水年干旱主要發(fā)生在青海省西部和甘肅省東南部，平水年干旱分布于甘肅省西北部、河南省東部和山西省東南部，枯水年干旱主要分布于青海省、河南省、山西省的大部分區(qū)域、甘肅省西部和陜西省南部。

（2）各水平年均有春旱發(fā)生，豐水年干旱程度輕、范圍小，進(jìn)入汛期后6 月干旱開(kāi)始緩解，枯水年春旱影響較大，而且汛期降雨不能有效緩解干旱，8 月干旱面積仍較大，且秋澇明顯。為了降低年內(nèi)旱澇分布對(duì)作物生長(zhǎng)用水需求的不良影響，建議發(fā)展小型灌溉、修建水利工程實(shí)現(xiàn)水分跨季節(jié)利用，加強(qiáng)應(yīng)對(duì)區(qū)域性、季節(jié)性旱澇災(zāi)害的能力。