于 磊，楊井泉，徐麗梅，胡廣鑫，胡 紅，張 濤，高明杰，李子軒

1.水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170

2.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300181

0 引言

干旱是對(duì)人類社會(huì)影響最嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害之一［1］，也是氣象學(xué)和災(zāi)害科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［2］。它已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)影響面最廣、造成經(jīng)濟(jì)損失最大、危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害類型。特殊的自然地理和氣候條件，決定了我國(guó)是一個(gè)干旱災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家。根據(jù)全國(guó)自然災(zāi)害損失①水利部海河水利委員會(huì).海河流域水旱災(zāi)害.天津：水利部海河水利委員會(huì)，2009.統(tǒng)計(jì)，氣象災(zāi)害損失占全部自然災(zāi)害損失的61%，而旱災(zāi)損失占?xì)庀鬄?zāi)害損失的55%。據(jù)歷史旱災(zāi)資料統(tǒng)計(jì)：自公元前206年至公元1949年的2 155年中，我國(guó)共發(fā)生旱災(zāi)1 056次，平均每?jī)赡昃桶l(fā)生一次；歷史重旱和極旱時(shí)有發(fā)生，加之抗旱減災(zāi)手段缺乏，旱災(zāi)常常導(dǎo)致嚴(yán)重后果，甚至引發(fā)社會(huì)動(dòng)蕩。干旱指數(shù)法是目前進(jìn)行干旱辨識(shí)、監(jiān)測(cè)和干旱強(qiáng)度劃分的主要方法。Livada和 Assimakopoulos［3］利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI分析了希臘干旱發(fā)生的時(shí)空變化。袁文平等［4］和陳瑩等［5］通過(guò)對(duì)比SPI指數(shù)法和Z指數(shù)方法，認(rèn)為SPI指數(shù)法具有更加優(yōu)越的計(jì)算穩(wěn)定特性，對(duì)極端干濕氣候事件有著良好的監(jiān)測(cè)作用，可用于不同時(shí)間尺度的干旱監(jiān)測(cè)。鄧振鏞等［6］通過(guò)分析中國(guó)北方50a來(lái)的降水資料，發(fā)現(xiàn)干旱氣候變化的主要特征表現(xiàn)在20世紀(jì)90年代夏季降水量有明顯的減少趨勢(shì)，干旱化趨勢(shì)主要發(fā)生在北方，主要包括河北、山西、山東和西北地區(qū)東部。姚玉璧等［7］通過(guò)修正計(jì)算帕默爾干旱指數(shù)，對(duì)我國(guó)春季區(qū)域的干旱特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)中國(guó)干旱變化全區(qū)一致性程度比較低，但是干旱演變的區(qū)域差別很大，并且存在著內(nèi)蒙古高原等為代表的12個(gè)干旱特征區(qū)。王志偉等［8］采用Z指數(shù)法分析了近半個(gè)世紀(jì)的逐月降水資料，也發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)不同程度的干旱面積均有擴(kuò)大趨勢(shì)。陳社明等［9］采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)并引入多標(biāo)度分形理論，對(duì)吉林西部的氣象干旱特征進(jìn)行了研究。

筆者采用Mann－Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法分析了海河流域氣溫、降水等氣候因素的變化規(guī)律，并采用Z指數(shù)方法將各地的旱澇情況分成7個(gè)等級(jí)，深入研究了不同等級(jí)干旱發(fā)生的時(shí)間、頻率和覆蓋范圍，以期為進(jìn)一步推動(dòng)海河流域形成完善的供水保障體系、提高抗旱能力、建設(shè)高效的抗旱減災(zāi)體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

海河流域位于東經(jīng)112°—120°，北緯35°—43°，東臨渤海，南界黃河，西靠云中、太岳山，北依內(nèi)蒙古高原。流域總面積32.0萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的3.3%。海河流域地跨京、津、冀、晉、魯、豫、內(nèi)蒙古、遼8個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），是我國(guó)政治文化中心和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，具有重要的戰(zhàn)略地位。2007年流域總?cè)丝?.37億，GDP約3.56萬(wàn)億元，占全國(guó)的12.9%，人均達(dá)到2.6萬(wàn)元，是全國(guó)平均水平的1.25倍［10］。海河流域干旱災(zāi)害頻繁，波及范圍廣，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的破壞性甚大。整個(gè)流域都遭到干旱的威脅，旱災(zāi)平均2.5a發(fā)生一次，歷史上有“十年九旱”之稱。根據(jù)史料記載，在1469—1948年間，海河流域共發(fā)生不同程度的旱災(zāi)192次，其中特大旱災(zāi)發(fā)生11次，大旱災(zāi)發(fā)生了94次，發(fā)生頻率達(dá)到了19.6%，給人民生活和生產(chǎn)造成了巨大的損失。建國(guó)以來(lái)到1990年為止，海河流域發(fā)生大旱災(zāi)5次，一般旱災(zāi)14次［11］。近年接踵而來(lái)的河南大旱等災(zāi)害越來(lái)越引起政府的重視。然而，海河流域水資源極度缺乏，水資源供需矛盾十分突出，多年平均水資源總量370億m3，僅占全國(guó)的1.3%，卻承擔(dān)著全國(guó)10.4%的人口、11.6%的糧食生產(chǎn)以及12.9%的GDP用水，是全國(guó)水資源最緊缺的地區(qū)之一。水資源短缺已經(jīng)成為21世紀(jì)海河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的制約因素。

2 資料和方法

2.1 基礎(chǔ)資料

氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于國(guó)家基本氣象站70個(gè)站點(diǎn)的日數(shù)據(jù)，氣象要素包括降水、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和相對(duì)濕度。序列長(zhǎng)度為1956—2010年；水文數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《海河流域水資源綜合規(guī)劃》①水利部海河水利委員會(huì).海河流域水資源綜合規(guī)劃.天津：水利部海河水利委員會(huì)，2010.的成果，徑流數(shù)據(jù)為1960—2000年的逐日數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

為了深入分析海河流域的氣候變化背景和干旱特征，筆者采用了Mann－Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法（以下簡(jiǎn)稱M－K趨勢(shì)檢驗(yàn)）對(duì)海河流域的降水、氣溫、徑流等多種氣象、水文要素分別進(jìn)行了分析，并采用Z指數(shù)法對(duì)海河流域的干旱特征進(jìn)行了研究。具體方法請(qǐng)參考文獻(xiàn)［8］。

2.2.1 Mann－Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法

Mann－Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法常用于水質(zhì)、徑流量、溫度、降水等水文氣象時(shí)間序列變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)［12－13］，主要是通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量τ、方差σ2τ和標(biāo)準(zhǔn)化變量M來(lái)判斷序列趨勢(shì)是否顯著。計(jì)算公式如下：

其中：

式中：S為序列所有對(duì)偶觀測(cè)值（Xi，Xj，i＜j）中Ri＜Rj出現(xiàn)的次數(shù)；N為序列長(zhǎng)度。本文取α＝0.05的顯著水平，如果一時(shí)間序列在此置信水平下存在顯著變化趨勢(shì)，則｜M｜＞Mα/2。M值為正，表明具有上升或增加趨勢(shì)；M值為負(fù)，則意味著下降或減少的趨勢(shì)。

2.2.2 Z指數(shù)法

由于不同區(qū)域干旱和洪澇構(gòu)成因素復(fù)雜，作為評(píng)估旱澇的一種量化標(biāo)準(zhǔn)，旱澇指數(shù)多種多樣。Z指數(shù)方法是目前應(yīng)用的一種比較成熟的方法之一。Z指數(shù)是假設(shè)降水量服從皮爾遜III型分布，通過(guò)對(duì)月降水量標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可將其概率密度函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐訸為新變量的標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，根據(jù)計(jì)算得到的Z指數(shù)進(jìn)行分級(jí)判斷，就可以確定干旱和洪澇的等級(jí)［8］。以下就此做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

某一時(shí)段的降水量皮爾遜III型概率分布密度為

其中：

式中：μ1為平均值為標(biāo)準(zhǔn)差，為偏態(tài)系數(shù)，Sk＝

將上述皮爾遜Ⅲ型分布轉(zhuǎn)變?yōu)閆變量的標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，其轉(zhuǎn)換公式為

則有

把Z值劃分為7個(gè)旱澇等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 旱澇等級(jí)劃分表Table 1 Grades table of drought and flood

3 氣候變化背景

3.1 氣溫

近60年來(lái)，海河流域平均氣溫為8.8℃。近年上升趨勢(shì)明顯，尤其是1985年以后。1985年以前平均氣溫為8.3℃，之后則升至9.3℃，上升了1.0℃。其中1969年平均氣溫最低，只有7.4℃，1998年達(dá)到最高值10.2℃。海河流域年平均氣溫時(shí)間序列見(jiàn)圖1。

圖1 海河流域年平均氣溫時(shí)間序列Fig.1 Annual average temperature time series of Haihe River basin

對(duì)近60年來(lái)的氣溫時(shí)間序列進(jìn)行M－K趨勢(shì)檢驗(yàn)分析（圖2）發(fā)現(xiàn)：海河流域年平均氣溫，除南部地區(qū)的長(zhǎng)治存在下降趨勢(shì)之外，其他站點(diǎn)全部為上升趨勢(shì)，并且絕大部分站點(diǎn)的上升趨勢(shì)顯著。其中：泊頭和五臺(tái)山2個(gè)地區(qū)氣溫升高最快（圖3），平均氣溫最大上升幅度達(dá)0.09℃/10a；其次是密云，升溫幅度也高達(dá)0.06℃/10a。

通過(guò)計(jì)算最高氣溫和最低氣溫之間的差值，并做趨勢(shì)分析（圖4）發(fā)現(xiàn)，除去承德、天津、榆社和長(zhǎng)治等部分站點(diǎn)存在顯著上升趨勢(shì)以外，大部分站點(diǎn)的溫差都存在顯著下降的趨勢(shì)，這說(shuō)明海河流域大部分地區(qū)溫差正在逐年減小，這也符合目前國(guó)際上對(duì)海河流域正在向暖干化方向發(fā)展的研究結(jié)論。

3.2 降水

海河流域多年平均降水量530mm，1975年以后降水量有下降趨勢(shì)，海河流域年均降水量時(shí)間序列見(jiàn)圖5：1956—1979 年均降水量 564.2mm；1971—2000年均降水量517.2mm；1981—2000年均降水量只有501.3mm。海河流域1956—2000年降水量特征值見(jiàn)表2。年內(nèi)降水主要集中在夏季，6—8月平均降水量之和高達(dá)313.0mm，占年降水總量的59%；年內(nèi)最大月降水量（7月份高達(dá)140.0mm）是最小月降水量（1月份為2.0mm）的70倍。分析汛期降雨變化（表3）發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)共有48個(gè)站點(diǎn)降水量存在下降趨勢(shì)，其中33個(gè)站點(diǎn)下降趨勢(shì)顯著，達(dá)到總站點(diǎn)數(shù)的47.14%，即有接近一半的站點(diǎn)年降水量存在顯著下降的趨勢(shì)。其余22個(gè)站點(diǎn)降水量存在上升趨勢(shì)，但并不顯著。這說(shuō)明海河流域的干旱形勢(shì)在逐年加劇。

圖2 海河流域年平均氣溫M－K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 M－K trend test of annual average temperature of Haihe River basin

圖3 海河流域平均氣溫變化率等值線圖Fig.3 Average temperature gradient contour map

圖4 海河流域溫差變化趨勢(shì)圖（M－K檢驗(yàn)結(jié)果）Fig.4 Temperature changing trend diagram（M－K test）

采用M－K檢驗(yàn)進(jìn)行趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)（圖6）發(fā)現(xiàn)：海河流域的周邊站點(diǎn)的年降水量都呈上升趨勢(shì)，大同上升趨勢(shì)顯著；中心地區(qū)除密云以外，都呈下降趨勢(shì)，其中五臺(tái)山、饒陽(yáng)、陵縣、泊頭、遵化和豐寧等下降趨勢(shì)顯著。流域范圍內(nèi)形成了多個(gè)降水量驟變中心：五臺(tái)山的降水量下降幅度最大，高達(dá)3.3 mm/10a，遵化為2.7mm/10a，豐寧和饒陽(yáng)均為2.4mm/10a；大同地區(qū)上升顯著，幅度為1.8mm/10a。

圖5 海河流域年平均降水量時(shí)間序列圖Fig.5 Average annual rainfall time series of Haihe River basin

圖6 海河流域年降水量變化趨勢(shì)空間分布圖（M－K檢驗(yàn)結(jié)果）Flg.6 Spatial distribution of precipitation change trend（M－K test）

表2 海河流域1956—2000年降水量特征值Table 2 Precipitation characteristic value during 1956－2000of Haihe River basin

表3 海河流域汛期（6—8月）降水量M－K檢驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 M－K test results of precipitation in flood season（June－August）

4 干旱特征及趨勢(shì)分析

4.1 水文變化趨勢(shì)

在1956—2000年期間，海河流域年均徑流量呈逐年下降的趨勢(shì)：1956—1965年平均徑流量94.1 mm；1966—1981年平均徑流量只有65.6mm，與1956—1965年相比，平均徑流量減少了30.2%；1982—2000年平均徑流量下降到55.1mm，只有1956—1965年平均值的58.5%。海河流域1956—2000年天然徑流量序列見(jiàn)圖7。

圖7 海河流域1956—2000年天然徑流量序列圖Flg.7 Natural runoff series during 1956to 2000of Haihe River basin

對(duì)4個(gè)水資源二級(jí)區(qū)年平均徑流量進(jìn)行M－K趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，海河北系、海河南系、灤河及冀東沿海、徒駭馬頰河4個(gè)二級(jí)區(qū)徑流量的M－K檢驗(yàn)值分別為－1.41、－2.47、－1.40、0.00。因此，海河北系、海河南系、灤河及冀東沿海3個(gè)二級(jí)區(qū)天然徑流量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，平均每10a分別下降4.4、7.0、6.4mm，其中海河南系徑流下降趨勢(shì)顯著。因此，徑流量的減少也進(jìn)一步說(shuō)明海河流域的干旱形勢(shì)正在加劇。海河流域1956—2000年徑流量特征值見(jiàn)表4。

4.2 干燥度變化

干燥度是表征氣候干旱程度的指標(biāo)，反映了某地、某時(shí)段水分的收入和支出狀況。干燥度越大，蒸發(fā)能力超過(guò)降水量越多，干旱程度就越嚴(yán)重［14］。通過(guò)計(jì)算1982—2006年干燥度（圖8）（其中潛在蒸散采用國(guó)際糧農(nóng)組織（FAO）推薦的彭曼公式［14］計(jì)算得到）發(fā)現(xiàn)，海河流域干燥度多為1～3，并存在緩慢的上升趨勢(shì)。因此海河流域?qū)儆诎敫珊蛋霛駶?rùn)氣候區(qū)，依據(jù)其上升趨勢(shì)判斷，海河流域正向更加干旱的方向發(fā)展。

圖8 海河流域1982—2006年干燥度的變化Flg.8 Drought index change trend during 1982to 2006

4.3 旱情分析

4.3.1 旱情特征分析

為了研究近60年來(lái)海河流域旱情旱災(zāi)的時(shí)間變化趨勢(shì)，將海河流域進(jìn)行空間網(wǎng)格化，其中每個(gè)網(wǎng)格大小為8km×8km，采用Z指數(shù)的方法，分別計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的Z指數(shù)值，并按照旱澇等級(jí)劃分表把海河流域各地的旱澇情況分成7個(gè)等級(jí)。

統(tǒng)計(jì)每年不同干旱等級(jí)發(fā)生的網(wǎng)格數(shù)，計(jì)算得出海河流域每年發(fā)生不同等級(jí)干旱的面積覆蓋率（圖9）。全部干旱面積覆蓋率超過(guò)75%的年份共有12個(gè)：1965、1972、2001、1989、1997、2002、1999、1960、1981、2006、1968、1980年（按照覆蓋率從大到小排序）。雖然干旱的覆蓋面積并不等同于干旱的嚴(yán)重程度，但從另一個(gè)角度講，覆蓋面積范圍廣的干旱造成的損失量一般也相對(duì)較大。干旱面積覆蓋率達(dá)到30%的年份有：1992、1982、2007、1957、2000、1986、2005、2009年。1980年以前，干旱面積覆蓋率高的只有1957、1960、1965、1968和1972年；1980年以后，干旱面積覆蓋率高的年份明顯增多。因此，20世紀(jì)80年代以后，干旱的面積覆蓋率呈增加趨勢(shì)，即干旱災(zāi)害影響的區(qū)域擴(kuò)大化。

表4 海河流域1956—2000年徑流量特征值Table 4 Runoff characteristic value during 1956－2000

圖9 1956—2010年海河流域全部（a）、輕度（b）、一般（c）、嚴(yán)重（d）干旱面積覆蓋率Flg.9 Area coverage of whole（a），mild（b），general（c），serious（d）drought during 1956－2000

分別統(tǒng)計(jì)輕度干旱、一般干旱和嚴(yán)重干旱發(fā)生面積的覆蓋率，可以看出：輕度干旱除1960年覆蓋率高達(dá)86%以外，覆蓋率一般低于50%，1980年以前的覆蓋率更低，1980年以后覆蓋率明顯增加，偏旱發(fā)生次數(shù)也明顯增加；一般干旱中有3年的覆蓋率比較高，分別是1972（98%）、1989（58%）和2001（80%）年，其他年份一般低于40%，同樣以1980年作為臨界點(diǎn)，前后2個(gè)時(shí)期的發(fā)生次數(shù)和覆蓋面積有明顯差別；嚴(yán)重干旱共發(fā)生了約10次，其中2次發(fā)生在1980年以前，8次發(fā)生在1980年以后，1965年覆蓋面積最大，達(dá)到50%，另外1997、1999和2002年干旱的覆蓋率也多在40%左右，同樣，1980年以后發(fā)生嚴(yán)重干旱的次數(shù)明顯增多。

因此，可以判斷1980年是發(fā)生干旱現(xiàn)象的一個(gè)臨界點(diǎn)。無(wú)論是從發(fā)生次數(shù)還是覆蓋面積上，1980年以后要明顯大于1980年以前。這與全球變暖以及1980年后我國(guó)工業(yè)大規(guī)模增長(zhǎng)、用水量增加、下墊面條件改變和人類活動(dòng)增強(qiáng)有一定的關(guān)系。

4.3.2 干旱發(fā)生頻次空間分布

通過(guò)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格多年來(lái)不同等級(jí)干旱發(fā)生的次數(shù)，分別統(tǒng)計(jì)輕度干旱、一般干旱、嚴(yán)重干旱和全部干旱發(fā)生的頻次（圖10）：1956—2010年期間輕度干旱次數(shù)在6次以下的，多發(fā)生在保定、饒陽(yáng)、石家莊、泊頭等地區(qū)，灤河流域輕度干旱頻次多在7次以上，部分地區(qū)超過(guò)10次；一般干旱頻次在7次以上地區(qū)主要分布在蔚縣—保定—饒陽(yáng)以東，以西地區(qū)頻次較低；發(fā)生嚴(yán)重干旱的地區(qū)頻次一般在3次以下，只有石家莊、邢臺(tái)和南宮等地區(qū)在4～6次。綜上所述可以看出，海河流域干旱發(fā)生頻次主要分成3個(gè)部分：東北部灤河流域次數(shù)最高，為18～20次；西部大同、原平、石家莊、榆社、新鄉(xiāng)等地次數(shù)少于14次；其他的中間地區(qū)次數(shù)多為11～14次。

圖10 海河流域干旱發(fā)生頻次空間分布圖Flg.10 Space distribution of drought frequency

從整體上分析，海河流域發(fā)生輕度和一般干旱的高頻地區(qū)多分布在灤河流域以及北部山區(qū)，中部平原地區(qū)干旱爆發(fā)頻率相對(duì)較低，重大干旱事件則在中南部平原地區(qū)發(fā)生頻率更高。綜合全部干旱事件可以看出，灤河流域?yàn)楦珊殿l發(fā)區(qū)，其次為海河流域東部地區(qū)，西部地區(qū)則頻率相對(duì)較低。

5 結(jié)論

1）近60年來(lái)，海河流域多年平均氣溫為8.8℃，1985年以后上升趨勢(shì)顯著，最大上升幅度達(dá)0.09℃/10a。大部分站點(diǎn)的溫差都存在顯著下降的趨勢(shì)，這說(shuō)明海河流域大部分地區(qū)溫差正在逐年減小。

2）降水的時(shí)空分布極不均勻，具有明顯的季節(jié)性和年際差異。年內(nèi)降水主要集中在夏季，6—8月平均降水量之和高達(dá)313.0mm，占年降水總量的59%。全流域有超過(guò)68.57%的站點(diǎn)汛期降水量存在下降趨勢(shì)，其中47.14%的站點(diǎn)下降趨勢(shì)顯著。因此海河流域的干旱形勢(shì)在逐年加劇。

3）在1956—2000期間，海河流域年均徑流量67.5mm，并呈逐年下降的趨勢(shì)，海河南系下降趨勢(shì)顯著。1956—1965年平均徑流量94.1mm，1966—1981年平均徑流量減少了30.2%；1982—2000年平均徑流量下降到55.1mm，只有1956—1965年平均值的58.5%。

4）1980 年是發(fā)生干旱現(xiàn)象的一個(gè)分水嶺，無(wú)論是從發(fā)生次數(shù)還是覆蓋面積上，1980年以后要明顯大于1980年以前。在干旱發(fā)生頻率上：海河流域發(fā)生輕度和一般干旱的高頻地區(qū)多分布在灤河流域以及北部山區(qū)，中部平原地區(qū)干旱爆發(fā)頻率相對(duì)較低，重大干旱事件則在中南部平原地區(qū)發(fā)生頻率更高。綜合全部干旱事件，灤河流域?yàn)楦珊殿l發(fā)區(qū)，其次為海河流域東部地區(qū)，西部地區(qū)則頻率相對(duì)較低。

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