張調(diào)風(fēng)，張 勃，* ，王有恒，2，劉秀麗，3，安美玲，張建香

(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070;2.西北區(qū)域氣候中心，蘭州 730020;3.忻州師范學(xué)院地理系，忻州 034000)

干旱是由于階段性降水減少導(dǎo)致水資源短缺造成的現(xiàn)象［1-2］。近年來，隨著全球氣候的變暖，在中國北方干旱、半干旱地區(qū)干旱加重的同時，南方和東部多雨區(qū)干旱也在擴展和加重，頻繁發(fā)生的旱災(zāi)已成為非常突出的環(huán)境問題［3］。石羊河屬河西走廊內(nèi)陸河流域之一，處于黃土、青藏、蒙新三大高原的交匯過渡帶，是生態(tài)和環(huán)境變化敏感的區(qū)域之一［4-5］。特殊的地理條件和氣候特征決定了石羊河流域是一個干旱頻繁發(fā)生的地區(qū)［6］，下游民勤湖區(qū)北部地區(qū)已出現(xiàn)“羅布泊”景象［7］。該流域氣候近幾十年出現(xiàn)了顯著變暖趨勢，且其增溫速率明顯大于全球增幅，并可能進一步變暖，同時，石羊河流域氣溫升高幅度大于降水上升幅度，而氣溫升高會加快水分循環(huán)，加強下墊面和水體的蒸發(fā)，有利于干旱趨勢發(fā)展［8-10］。為此，及時深入探討石羊河流域干旱發(fā)生特征及其變異規(guī)律，可以減少干旱給人類和生態(tài)環(huán)境帶來的影響，也可以為該流域水資源管理、防止植被退化、土地荒漠化提供一定的參考意義。干旱指數(shù)是監(jiān)測、預(yù)警、評估干旱的關(guān)鍵參數(shù)?！稓庀蟾珊档燃墶穱覙藴手幸?guī)定了相對濕潤指數(shù)(moisture index，MI)、標準化降水指數(shù)(stantand precipitation index，SPI)和帕默爾干旱指數(shù)(palmer drought severity index，PDSI)等單項氣象干旱指數(shù)和綜合氣象干旱指數(shù)(composite index，CI)［11］。前人引用單項指標做了大量有意義的工作［12-13］，但近幾年一些學(xué)者引用CI指數(shù)對全國及江蘇省、河南省、遼寧省和安徽省等局部地區(qū)的干旱特征進行研究［14-19］，結(jié)果表明綜合氣象干旱指數(shù)(CI)的優(yōu)勢與單純利用降水量的干旱指數(shù)比較具有較大的優(yōu)越性。本文將引入綜合氣象干旱指數(shù)(CI)作為評估干旱的指標，揭示1962—2010年石羊河流域干旱覆蓋范圍、干旱頻率和不同等級干旱強度持續(xù)時間等方面的時空特征和變化趨勢。研究結(jié)果對及時調(diào)整區(qū)域農(nóng)業(yè)等人工管理生態(tài)系統(tǒng)管理方式和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域(圖1)位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，東以烏鞘嶺、毛毛山、老虎山與黃河流域為界，西以大黃山-馬營灘與黑河為界，介于 36°29'—39°27'N，101°41'—104°16'E 之間，流域面積 4.16 ×104km2。流域行政區(qū)劃包括武威市的古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣全部及天?？h部分地區(qū)，金昌市以及張掖市肅南裕固族自治縣［4，20］。主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河等河流組成。該流域地勢南高北低，南部為祁連山褶皺，中部為走廊凹陷，北部為阿拉善臺地及北山斷塊，屬大陸性溫帶干旱氣候，干旱少雨、太陽輻射強、日照充足、溫差大、蒸發(fā)強烈、降水少，空氣干燥。流域上游年均氣溫低于6℃，年降水量400—600mm，年蒸發(fā)量700—1200mm;中游年均氣溫低于6—8℃，年降水量 150—300mm，年蒸發(fā)量 1300—2000mm;下游年均氣溫高于 8℃，年降水量小于150mm，年蒸發(fā)量2000—2600mm。由于氣候變暖、地表能量的傳輸和水汽交換速率發(fā)生顯著變化，造成地表能量和水分的收支嚴重平衡，使干旱和土地沙漠化更加嚴重［21］。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 資料來源

資料來源國家氣象信息中心(http://www.nmic.gov.cn/)石羊河流域烏鞘嶺、古浪、武威和民勤5個氣象站點1962—2010年逐日常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，包括日降水(mm)、日平均氣溫(℃)、10m處風(fēng)速(m/s)、日照時數(shù)(h)和相對濕度(%)等資料。文中所用空間化方法采用ArcGIS9.3中空間分析模塊的Kring插值法實現(xiàn)了CI柵格數(shù)據(jù)的干旱區(qū)域面積提取和統(tǒng)計，空間分辨率為3cm×3cm，Kring法基于對空間分布的數(shù)據(jù)線性最優(yōu)、無偏內(nèi)插估計，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛、插值結(jié)果較為準確的插值方法之一［22］。

1.3 研究方法

1.3.1 綜合氣象干旱指數(shù)計算方法

綜合氣象干旱指數(shù)的計算方法參考《氣象干旱等級》國家標準(GB/T 20481—2006)中的規(guī)定，計算公式為:

式中，a為近30d標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上等級Z30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z30的值，平均取0.4;b為近90 d標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上等級Z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z90的值，平均取0.4;c為近30d相對濕潤指數(shù)，由達輕旱以上等級M30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小M30的值，取0.8;Z30、Z90分別為近30d和近90d的標準化降水指數(shù)SPI值;M30為近30d的相對濕潤度指數(shù)MI［13］。

標準化降水指數(shù)SPI的計算如下:

在McKee［23］等提出的標準化降水指數(shù)SPI計算中，假設(shè)某一時段的降水量x服從γ分布，其Γ分布的概率密度函數(shù)為:

式中，α為形狀參數(shù)，β為尺度參數(shù)，Γ(α)是gamma函數(shù)，將其計算得到累積概率密度函數(shù)G(x)，通過下式對G(x)進行轉(zhuǎn)化:

式中，q是降水序列中0值出現(xiàn)的頻率。并通過高斯函數(shù)將H(x)標準化后得到最終的SPI值，α、β的估計方法參照文獻14。

相對濕潤指數(shù)MI的計算如下:

式中，∑ETo為近30 d潛在蒸散發(fā)(mm)，∑P為近30 d降水量(mm)。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的基于Penman-Monteith公式的參考蒸散發(fā)計算方法可以近似為潛在蒸散發(fā)的估計，如下式:

式中，ETo為參考蒸散發(fā)量(mm/d);Rs、G分別為凈輻射和土壤熱通量(MJ·m－2·d－1));γ、Δ分別為干濕常數(shù)與飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);U2為2 m處風(fēng)速(m/s);VPs和VP為飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)。計算過程用到的各項參數(shù)計算均采用前人推薦標準［24］。

利用(1)式滾動計算出逐日的綜合氣象干旱指數(shù)CI，跟蹤干旱發(fā)生過程［13］。根據(jù)氣象干旱等級(表1)對CI值劃分后進行干旱分析評估。

表1 綜合氣象干旱指數(shù)(CI)的干旱等級劃分Table 1 Levels of the compound index of meteorological drought(CI)

根據(jù)CI值可以判斷干旱過程及開始和結(jié)束日期，其中CIC10表示連續(xù)10d CI值，CIF1表示第一個CI值，CIP10表示前10d CI值，CIL1表示最后一個CI值。具體見表2。干旱過程開始到結(jié)束期間的時間為干旱持續(xù)時間。當(dāng)某一時段內(nèi)至少出現(xiàn)1次干旱過程，并且累積干旱持續(xù)時間超過所評價時段的1/4時，則認為該時段發(fā)生干旱事件，其干旱強度由時段內(nèi)CI值為輕旱以上的干旱等級之和確定［13］。本文分別以年和季節(jié)作為研究時段，季節(jié)定義為1、2月和上年的12月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

表2 干旱過程判斷標準Table 2 Standards of the drought processes

1.3.2 干旱發(fā)生頻率和覆蓋百分率計算

利用公式(7)計算干旱發(fā)生頻率

式中，n為實際有干旱事件發(fā)生的日數(shù)，N為資料年代序列數(shù)，1961—2010年共50 a數(shù)據(jù)，但由于CI指數(shù)的計算是向后滾動的，帶入資料計算所得的CI值是從1962年開始，所以N取49。干旱覆蓋百分率=每年有干旱事件發(fā)生的站點數(shù)量/總站點數(shù)［21］，并將覆蓋百分率超過90%以上的干旱定義為大范圍干旱。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱的時間變化特征

春季，多年平均干旱覆蓋范圍為47.8%。近50年發(fā)生大范圍干旱的年份有9a，分別為1965、1966、1971、1973、1976、1999、2001、2002、2009年。研究區(qū)干旱以20世紀70年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率為71%，60年代次之，平均干旱覆蓋百分率為55%，80年代、90年代和2000年以來的平均干旱覆蓋百分率分別為34%、35%和45%，干旱還是較為嚴重(圖2)。

圖2 1962—2010年四季干旱覆蓋百分率Fig.2 Annual percentages of the drought covered area for the season in 1962—2010

夏季，多年平均干旱覆蓋范圍為70%，比其它季節(jié)都大(圖2)。近50年中發(fā)生大范圍干旱的年份有22a，主要集中在1976年以前和2000年以后。研究區(qū)干旱自2000年以后最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率為84%，20世紀60年代次之，平均干旱覆蓋百分率為80%，70年代和90年代平均干旱覆蓋百分率分別為76%和66%，80年代最低，為46%。

秋季受前期夏季降水較多的影響(圖2)，干旱范圍明顯減小，多年平均干旱覆蓋范圍不足60%，有11a發(fā)生了大范圍干旱，階段性變化不顯著，各年代出現(xiàn)的年份在1—3a之間，20世紀80年代多年干旱覆蓋范圍最高，為64%，60年代和90年代多年干旱覆蓋范圍分別為58%和54%，而70年代和2000年以后多年干旱覆蓋范圍不足50%，分別為44%和40%。

冬季覆蓋范圍在各季節(jié)中最小(圖2)，多年平均覆蓋百分率為37%，其中發(fā)生大范圍干旱的年份僅有4年，分別為1965、1971、1984、1994年。20世紀80年代的多年干旱覆蓋范圍達到50%，其余年代際的值都小于50%。對石羊河流域四季干旱覆蓋百分率進行置信度水平α=0.01和α=0.05的F顯著性檢驗發(fā)現(xiàn):四季的線性變化趨勢均不顯著。

綜合四季干旱出現(xiàn)年份可以看出，大范圍干旱主要集中在20世紀的60年代和2000年以后。其中1965年出現(xiàn)了春夏秋冬四季連旱;春夏連旱的年份有1966、2001、2009年;夏秋連旱的年份有6年，為1962、1963、1972、1991、1997、2010年;1984年為秋冬連旱。20世紀80年代中后期受西北地區(qū)蒙古高壓反氣旋環(huán)流增強的影響，祁連山中段南風(fēng)分量增強，水期增加，從而降水有所增加［25］，同時，80年代石羊河流域平均徑流量增加最明顯，90年代減少最明顯［26］，對于本文研究的時段，80年代該流域干旱覆蓋范圍而有所減小，90年代以來重大旱災(zāi)災(zāi)害事件發(fā)生頻率呈現(xiàn)出快速增大趨勢。說明由于石羊河流域特殊的地理特征，干旱發(fā)生的規(guī)律主要受氣候系統(tǒng)異常變化和流域徑流量雙重影響。本文得出的夏季多旱、冬季少旱的規(guī)律與前人研究的相關(guān)結(jié)論一致［27］。1965年，流域發(fā)生持續(xù)干旱，干旱發(fā)生程度為1961年以來歷史同期所罕見，屬于異常干旱年份;入秋后降水偏少，氣溫異常偏高，整個流域受旱面積11.33×104hm2。20世紀80年代整個流域受旱面積基本上小于80×104hm2，2008—2010年整個流域受旱面積均在100×104hm2以上，為近10a中受旱面積最大的年份?？梢姡C合氣象干旱指數(shù)在一定程度上能較好地反映實際干旱受災(zāi)情況，適用于該區(qū)域氣象干旱監(jiān)測和評估工作。

2.2 干旱的空間分布特征

干旱總體上是由水資源緊缺所造成，影響因素一般變化較快，甚至屬于異?；蛲蛔?。而石羊河流域水資源短缺是由降水稀少引起的水資源短缺，屬于氣候干旱型水資源短缺［28］。降水量在時間和空間上均存在不平衡性，加之地貌類型等因素的影響，如圖3可見，近50年來石羊河流域的干旱發(fā)生的頻率在空間和季節(jié)上都有所差異。

圖3 1962—2010年干旱發(fā)生頻率分布Fig.3 Spatial distribution of drought occurrence frequencies in 1962—2010

石羊河流域的干旱頻率，春、夏季的分布較為相似，呈現(xiàn)出明顯的北高南低特征，低值中心在烏鞘嶺地區(qū)，而在北部低山丘陵區(qū)及荒漠區(qū)的民勤有一高值中心，但夏季出現(xiàn)干旱的頻率(57.15%—83.6%)遠大于春季(28.58%—69.39%)。秋季的干旱頻率高于冬季、低于夏季，發(fā)生頻率高值中心轉(zhuǎn)移到中游地區(qū)的武威一帶，干旱頻率為28.57%—65.31%。冬季發(fā)生頻率為26.53%—48.97%，比其他任何季節(jié)都低，干旱分布特征與春夏季相似，不同的是低值中心轉(zhuǎn)移到古浪地區(qū)(圖3)。

為了更深的分析石羊河流域干旱的分布規(guī)律，統(tǒng)計了各季節(jié)中旱和重特旱出現(xiàn)的多年平均天數(shù)。由圖4可見，春季，民勤一帶發(fā)生中旱的多年平均天數(shù)最多為23d，烏鞘嶺一帶最少為7d，夏季全流域的多年平均天數(shù)較多，除過烏鞘嶺一帶為8d，其余地區(qū)的多年平均天數(shù)大于10d;秋季武威和民勤地區(qū)的天數(shù)最多為18d，烏鞘嶺一帶為7d;由圖4可見，春、秋季，上游和中游地區(qū)民勤—武威一帶多年重特旱平均天數(shù)大于10d，下游烏鞘嶺地區(qū)小于7d，夏季，民勤一帶多年平均天數(shù)高達26d，武威次之，達到22d，而永昌地區(qū)多年平均天數(shù)最少為12d。從季節(jié)上來看，夏季出現(xiàn)干旱的多年平均天數(shù)最多，重特旱天數(shù)大于中旱的天數(shù);從地域上看，從上游到下游多年各等級干旱多年平均天數(shù)依次減少。

圖4 各季節(jié)中旱、重特旱年均干旱日數(shù)分布Fig.4 Yearly average distribution of moderate drought、severe and extreme drought in different season from 1962 to 2010

根據(jù)石羊河流域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，近年流域主要作物有春小麥、玉米、棉花等，水熱條件的季節(jié)性差異使作物生長期表現(xiàn)出較強的季節(jié)性規(guī)律［29］。春季至秋季是當(dāng)?shù)刈魑锷L成熟期和麥田的收墑期，同時也是水庫、水窖的蓄水期，地面蒸發(fā)和作物蒸騰比較旺盛，作物對水分需求也相對較多，該階段發(fā)生的干旱將直接影響到作物的生長狀況和產(chǎn)量。根據(jù)對石羊河流域近50年的干旱演變形勢分析，近50年來夏季干旱覆蓋范圍和干旱頻率均處于年內(nèi)最嚴重水平。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對夏旱必須給予最充分的重視和對待。同時，也要密切注意對秋旱的實時監(jiān)測，秋旱不但影響到當(dāng)年的糧食產(chǎn)量，而且造成農(nóng)田土壤水分儲存量減少，地下水位下降，可能引起來年的春旱，而將影響到春播生產(chǎn)等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門在指導(dǎo)干旱防控時，大力研究節(jié)水型種植結(jié)構(gòu)、調(diào)虧灌溉、免耕覆蓋種植、設(shè)施農(nóng)業(yè)等適應(yīng)干暖氣候條件下的高效節(jié)水農(nóng)業(yè)調(diào)控體系［30］。另外，根據(jù)資料分析，流入民勤縣境內(nèi)水量已由20世紀50年代的4.6×108m3較少到90年代的1.5×108m3;1988年石羊河流域積雪面積為430.5km2，2005年面積減少為305.0 km2，減少了約30%左右，上中游農(nóng)業(yè)灌溉用水量、工業(yè)用水量、生活用水量等不斷增加，進而影響進入下游的徑流量［31］。鑒于上中游已有較好的灌溉條件，而下游灌溉條件相對較差且干旱較為嚴重，應(yīng)適當(dāng)加快農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的推廣和轉(zhuǎn)化，以土壤水分的調(diào)控為中心，在下游充分利用當(dāng)前灌溉設(shè)施的基礎(chǔ)上，進一步加強中、小型水庫等水利配套設(shè)施建設(shè)，做好夏季和秋季水庫儲水工作，同時，政府等相關(guān)部門應(yīng)采取相應(yīng)措施調(diào)控上中游地區(qū)對水資源的過度開采，從而實現(xiàn)石羊河水資源的可持續(xù)發(fā)展，從整體上提高流域的防旱水平。

4 結(jié)論

通過各站歷年逐日CI值的計算，揭示了石羊河流域近50年來干旱發(fā)生頻率、覆蓋范圍、以及不同等級干旱多年平均天數(shù)，研究得到以下結(jié)論:

在季節(jié)變化上，主要受到東亞季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響，夏季干旱發(fā)生頻率最高，最高值達到84%，中旱和重特旱多年平均日數(shù)最多，均大于13d;春秋季相似，介于29%—70%之間，中旱和重特旱多年平均日數(shù)介于10—13d之間;冬季頻率最低，為27%—43%。春、夏、冬季干旱發(fā)生頻率高值區(qū)主要集中在流域下游民勤一帶，秋季主要集中在武威一帶，四季低值中心在上游烏鞘嶺一帶。

在年代際變化方面，由于受到氣候系統(tǒng)異常變化和流域徑流量的雙重作用，春季干旱以20世紀70年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率為71%，大范圍干旱年份有9a;夏旱以2000年以來最嚴重，平均干旱覆蓋百分率70%，大范圍干旱年份有22a;秋季干旱以80年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率不足60%，大范圍干旱年份有11a;冬季干旱以80年代最為嚴重，平均干旱覆蓋百分率達到50%，大范圍干旱年份僅有4a。與災(zāi)情統(tǒng)計資料具有較好的一致性，能在一定程度上反映實際的受旱情況。

根據(jù)石羊河流域近50年干旱時空分布特征，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)部分應(yīng)充分重視春季到秋季的干旱，尤其是夏旱的發(fā)生情況，合理調(diào)控上游地區(qū)人類對水資源的過度開發(fā)，加強和改進下游地區(qū)農(nóng)田的灌溉系統(tǒng)，從而實現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)發(fā)展。雖然綜合氣象干旱指數(shù)CI同時考慮了降水和蒸發(fā)能力因子，與單純利用降水量的干旱指數(shù)比較具有較大的優(yōu)越性，蒸發(fā)能力的計算也比較簡便，滾動計算后能較好地反映干旱的發(fā)生、發(fā)展、緩解和結(jié)束過程，但以天為時間單位進行計算，沒有考慮干旱跨季度發(fā)生的延續(xù)性，同時也未考慮當(dāng)?shù)赝寥缐勄椤⒐喔?、耕作、社會?jīng)濟等因素，因此不能完全反應(yīng)實際干旱對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活的影響。但是，本文得到該流域干旱長期變化趨勢與前人根據(jù)降水量和其他干旱指數(shù)變化分析獲得的結(jié)果基本相近［32-33］，說明上述結(jié)論具有比較高的可信度。綜合氣象干旱指數(shù)可以用于該典型區(qū)域氣象干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)和干旱變化研究。本文分析得出結(jié)果也可作為相關(guān)部門制定減緩和適應(yīng)干旱災(zāi)害的科學(xué)依據(jù)。

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