李　潔,莫淑紅,2,沈　冰,司海松,王義民

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048；2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

?

基于SPEI的渭河流域干旱特征分析

李潔1,莫淑紅1,2,沈冰1,司海松1,王義民1

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048；2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

本研究采用渭河流域20個氣象站點1961—2013年的氣象數(shù)據(jù)，計算該流域多重時間尺度的SPEI值，分析SPEI在該流域的應用情況，同時基于SPEI分析渭河流域干旱時空分布特征。研究結(jié)果表明：渭河流域SPEI值呈顯著下降趨勢，干旱日趨嚴重。其中，春秋干旱有明顯加重的趨勢，夏旱及冬旱無明顯變化。就總體分布而言，干旱主要發(fā)生在西北部，其中輕旱、中旱、重旱大部分主要分布在西北部地區(qū)。相反，受1995年及1997年歷史特大旱災事件影響，特旱主體分布在東南部地區(qū)。

干旱；標準化降水蒸發(fā)指數(shù)；渭河流域

近年來，由于全球氣候變化，導致干旱造成的影響越來越大。干旱是我國最主要的自然災害之一，每年造成的經(jīng)濟損失不計其數(shù)。我國干旱區(qū)面積占全國面積的31%，半干旱區(qū)占22%。有研究表明，2040 s整個北方地區(qū)極端干旱頻率增加、強度增強、影響范圍明顯擴大[1]。渭河流域?qū)儆谖覈敫珊蛋霛駶櫟貐^(qū)，地處西北地區(qū)東部生態(tài)環(huán)境脆弱帶，是氣候變化的敏感區(qū)，頻繁發(fā)生自然災害。尤其以旱災發(fā)生最為嚴重，是影響國民經(jīng)濟尤其是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展最重要的因素。半個世紀以來，渭河流域水資源量和入黃河徑流量持續(xù)減少[2]。有研究表明，渭河流域年均氣溫在時間上呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢，未來渭河流域年平均氣溫仍將持續(xù)升高[3]，干旱情勢有可能進一步加劇。因此探究渭河流域干旱時空分布特征具有重要意義。

干旱指標是用來描述干旱特征的指標，不同干旱指標適用的地區(qū)與時間尺度也有所不同。干旱指標是研究干旱氣候的基礎(chǔ)，也是衡量干旱程度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。目前國內(nèi)外應用較為廣泛的干旱指標主要有標準化降水指數(shù)(SPI)[5-7]、帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)[8]、Z指數(shù)[9]、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)[10]等。其中，1993年McKee等人提出的SPI計算簡單方便，應用廣泛，其特點是只需要較長時間(一般應超過30年)的降水量資料[11]。但在全球氣候變暖的情況下，僅僅分析降水量的變化難以解釋干旱，氣溫的升高已成為干旱加劇的重要原因之一[12]。因此，Vicente-Serrano等[13]基于SPI提出了一個新的干旱指標：標準化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)。SPEI是在SPI的基礎(chǔ)上進一步考慮了蒸散發(fā)量來反映干旱的程度。莊少偉等[14]研究了SPEI在中國區(qū)域的應用，王林等[15]研究了SPEI對中國干旱的適用性，結(jié)果表明SPEI在中國的適用性很好，能夠準確的表征干旱狀況。有研究表明，渭河流域降雨序列有弱變異性[16]。為充分認識渭河流域的干旱狀況，本文分析SPEI在該流域的適應性，并且基于SPEI對該流域干旱時空分布特征進行研究，以期揭示該地區(qū)的氣候變化規(guī)律，并為采取應對措施減輕旱澇災害及其不利影響提供參考依據(jù)。

1　研究資料及方法

1.1研究區(qū)域概況

渭河發(fā)源于今甘肅省定西市渭源縣鳥鼠山，主要流經(jīng)甘肅天水、陜西關(guān)中平原的寶雞、咸陽、西安、渭南等地，至渭南市潼關(guān)縣匯入黃河。渭河流域面積為13.48萬km2，西部為黃土丘陵溝壑區(qū)，東部為關(guān)中平原區(qū)。流域處于干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)的過渡地帶，多年平均降水量572 mm，降水量空間分布為南多北少。

1.2資料來源

本次研究資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://data.cma.gov.cn/)，數(shù)據(jù)取自國家基本、基準地面氣象觀測站及自動站。選取渭河流域范圍內(nèi)寶雞、佛坪、固原、華家?guī)X、華山、環(huán)縣、崆峒、臨洮、洛川、岷縣、商縣、天水、銅川、吳旗、武功、西安、西峰鎮(zhèn)、西吉、延安、長武20個氣象站的月降水量以及月平均氣溫資料計算SPEI值，分析渭河流域干旱情況。對個別有缺測數(shù)據(jù)的站點，利用相鄰站點相關(guān)性對資料進行了插補延長，使20個站點的時間序列均為1961—2013年。渭河流域氣象站點分布如圖1所示。

圖1　渭河流域20個氣象站點分布Fig.1　20 meteorological stations distribution in Weihe River Basin

1.3標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)及其計算方法

標準化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)在計算中以月水分虧缺量(月降水量與月潛在蒸發(fā)量之差)代替了SPI計算中的月降水量。月潛在蒸發(fā)量用Thornthwaite方法計算。與SPI基于Gamma分布不同，SPEI是基于log-logistic分布的頻率值。具體計算步驟分為4步。

1)計算月潛在蒸發(fā)量PE。

(1)

式中，PE為月潛在蒸發(fā)量(mm)，K為修正系數(shù)，T為月平均氣溫(℃)，I為年熱量指數(shù)，m為常數(shù)。

2)計算月水分虧缺量Di。

(2)

式中，Pi為月降水量(mm)，Di為月水分虧缺量(mm)，i為月數(shù)。

3)基于log-logistic概率分布函數(shù)計算水分虧缺量的概率分布。

(3)

式中，f(x)為概率密度函數(shù)，x為自變量；α、β和γ分別是尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)。計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，ws是概率權(quán)重距(s取0，1，2)，Xl為累積水分虧缺量(l取1，2，…，n)。

log-logistic概率分布函數(shù)為：

(8)

4)對F(x)進行標準化處理。

(9)

(10)

式中，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI干旱等級分類如表1所示。

表1　SPEI干旱分級[17]

2　結(jié)果與分析

2.1渭河流域干旱時間分布特征分析

2.1.1流域年SPEI值年際變化特性

為研究渭河流域干旱變化趨勢，繪制流域年SPEI值線性趨勢線及其10 a滑動平均線如圖2所示。

圖2　渭河流域年SPEI值年際變化Fig.2　Inter-annual variation of SPEI index of Weihe River Basin

由圖2可以看出，渭河流域1961—2013年期間的SPEI值呈下降趨勢，平均每10 a下降0.21。根據(jù)10a滑動平均曲線進一步可知，20世紀90年代之前變幅較小，90年代之后降幅增加。且1995年以及1997年SPEI值達到最低，通過查閱歷史資料可知，渭河流域1995年及1997年發(fā)生嚴重干旱事件，這與SPEI分析得出的結(jié)論一致。

采用Mann-Kendall法檢驗流域年SPEI值年際變化趨勢的顯著性，同時對其進行突變分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3　M-K突變檢驗曲線Fig.3　Mann-Kendall test curve

由圖3分析可知，渭河流域年SPEI值在1989年附近發(fā)生突變，該年份以后SPEI值下降趨勢顯著。渭河流域干旱趨于嚴重，這與和宛林等[18]的分析結(jié)果一致。

2.1.2流域不同季節(jié)SPEI值年際變化特性

為了更好的揭示渭河流域干旱的季節(jié)性變化特性，計算了流域不同季節(jié)的SPEI指數(shù)。圖4分別為春、夏、秋、冬四個季節(jié)的SPEI指數(shù)變化過程線。圖5為相應的Mann-Kendall突變點分析結(jié)果。

圖4　各季節(jié)SPEI指數(shù)變化過程線Fig.4　Variation curves of hydrograph of SPEI at seasonal scales

圖5　各季節(jié)SPEI值的M-K突變檢驗曲線Fig.5　M-K test curves of SPEI at seasonal scales

由圖4(a)可知，渭河流域春季SPEI值以每10 a年0.24的變幅遞減。20世紀80年代之前春季SPEI值變幅較小，80年代之后降幅增加。分析圖5(a)得出，春季SPEI值下降顯著，在2003年達到0.05顯著性水平臨界線，并且在1993年發(fā)生突變。

由圖4(b)可知，夏季SPEI值在20世紀60年代以后緩慢下降，但在70年代到80年代又急劇上升，90年代之后又緩慢下降。分析圖5(b)得出，夏季SPEI值整體下降趨勢不顯著，無明顯突變。

由圖4(c)可知，秋季SPEI值大體呈下降趨勢，并以每10 a年0.21的變幅遞減。但在2000年之后有所上升。分析圖5(c)得出，秋季SPEI值下降趨勢顯著，在1988年達到0.05顯著性水平，并且在1970年發(fā)生突變。

由圖4(d)可知，冬季SPEI值有所波動，但無明顯變化趨勢。分析圖5(d)得出，冬季SPEI值整體無顯著變化趨勢，無明顯突變。

綜合分析，渭河流域夏季以及冬季干旱無明顯變化趨勢。春季及秋季干旱趨于嚴重，其中春季干旱在20世紀90年代以后有加重的趨勢，秋季干旱在70年代之后加重。

2.2渭河流域干旱空間分布特征分析

計算渭河流域20個氣象站點的干旱發(fā)生頻率，流域平均值取站點算術(shù)平均值，結(jié)果如表2和圖6所示。由表2及圖6可知，渭河流域輕旱頻率在5.7%～22.6%之間，中旱頻率在3.8%～18.9%之間，重旱頻率在1.9%～9.4%之間，特旱頻率在0～3.8%之間。總干旱頻率在26.4%～39.6%之間，平均頻率為32.5%，整體以輕中旱為主。其中干旱發(fā)生頻率較低的站點為寶雞、銅川、延安，干旱發(fā)生頻率最高的站點為環(huán)縣。

表2　渭河流域各站點干旱發(fā)生頻率

圖6　渭河流域各站點不同程度干旱頻率Fig.6　Varying degrees of drought frequency in Weihe River stations

圖7　渭河流域不同程度干旱頻率空間分布Fig.7　Varying degrees of drought frequency distribution in Weihe River Basin

渭河流域不同程度干旱發(fā)生頻率空間分布如圖7所示。由圖7(a)可知，該流域干旱主要發(fā)生在西北部地區(qū)，平均發(fā)生頻率為37.4%，東南部干旱程度相對較輕，平均發(fā)生頻率為29.5%。

由圖7(b)、(c)、(d)、(e)分析可知，渭河流域輕旱主要發(fā)生在渭河流域中部地區(qū)，其中最嚴重的站點是甘肅環(huán)縣，達到了22.6%；西部地區(qū)也較為嚴重，平均頻率為16.5%。中旱主要發(fā)生在西北地區(qū)，平均頻率為13.2%，比東南地區(qū)高4%左右，其中較為嚴重的站點是固原、華家?guī)X以及吳旗。重旱主要分布在中部偏西南部地區(qū)，最嚴重的站點是西安站以及位于北部的吳旗地區(qū)，均為9.4%。渭河流域特旱主要發(fā)生在東部地區(qū)，最為嚴重的是銅川、洛川及西峰鎮(zhèn)地區(qū)，頻率為3.8%。

綜上分析，渭河流域輕旱、中旱、重旱均在西北部地區(qū)更為嚴重，東南部地區(qū)相對較輕；而特旱卻在東南部地區(qū)發(fā)生較多，這主要是受1995年以及1997年的特大干旱事件影響所致，1995年及1997年的特旱主要發(fā)生在渭河東南部地區(qū)，由東南地區(qū)向西北地區(qū)遞減。圖8(a)、(b)分別為1995年、1997年渭河流域干旱分布情況。

圖8　渭河流域1995年及1997年干旱分布Fig.8　Drought distribution in Weihe River Basin in 1995 and 1997

3　結(jié)　論

1)利用SPEI指數(shù)分析渭河流域干旱狀況可知，SPEI在渭河流域適用性較好，渭河流域年SPEI值呈顯著下降趨勢，整體干旱趨于嚴重。流域夏季及冬季SPEI值無顯著下降趨勢，無明顯突變，干旱狀態(tài)無明顯變化。春季以及秋季SPEI值均顯著下降，其中春季在1993年發(fā)生突變，秋季在1970年發(fā)生突變，春秋干旱明顯加重。

2)渭河流域主要以輕中旱為主，干旱主要發(fā)生在西北部地區(qū)，平均干旱頻率為37.4%。其中，輕旱主要發(fā)生在渭河流域中部地區(qū)及西部地區(qū)，最嚴重的站點是甘肅環(huán)縣；中旱主要發(fā)生在西北地區(qū)，較嚴重的站點是固原、華家?guī)X以及吳旗；重旱主要分布在中部偏西南地區(qū)，最嚴重的站點是西安以及吳旗；與其它類干旱相反，特旱主要發(fā)生在東南部地區(qū)，最為嚴重的是銅川、洛川及西峰鎮(zhèn)地區(qū)，這主要是受1995年以及1997年的特大干旱事件影響所致。

[1]胡實,莫興國,林忠輝.未來氣候情景下我國北方地區(qū)干旱時空變化趨勢[J].干旱區(qū)地理,2015,38(2):239-248.

HU Shi,MO Xingguo,LIN Zhonghui.Projections of spatial-temporal variation of drought in north China[J].Arid Land Geography,2015,38(2):239-248.

[2]和宛林，徐宗學.渭河流域干旱特征及干旱指數(shù)計算方法初探[J].氣象，2006，32(1):24-29.

HE Wanlin,XU Zongxue.Analysis of drought and application of drought index in the Weihe River Basin [J].Meteorological Monthly,2006，32(1):24-29.

[3]占車生,喬晨,徐宗學,等.渭河流域近50年來氣候變化趨勢及突變分析[J].北京師范大學學報(自然科學版),2012,48(4):399-405.

ZHAN Chesheng,QIAO Chen,XU Zongxue,et al.Climate change and mutation analysis in Weihe River Basin in the last 50 years [J].Journal of Beijing Normal University (Natural Science),2012,48(4):399-405.

[4]王勁松,郭江勇,周躍武,等.干旱指標研究的進展與展望[J].干旱區(qū)地理,2007,30(1):60-65.

WANG Jinsong,GUO Jiangyong,ZHOU Yuewu,et al.Progress and prospect on drought indices research[J].Arid Land Geography,2007,30(1):60-65.

[5]American Meteorological Society.The relationship of drought frequency and duration to time scales[R].Anaheim:American Meteorological Society,1993.

[6]HAYE M J,SVODOBA M D,WILHITE D A,et a1.Monitoring the 1996 drought using the standardized precipitation index [J].Bulletin of the American Meteorological Society,1999,80(3):429-438.

[7]周揚,李寧,吉中會,等.基于SPI指數(shù)的1981-2010年內(nèi)蒙古地區(qū)干旱時空分布特征[J].自然資源學報,2013,28(10):1694-1706.

ZHOU Yang,LI Ning,JI Zhonghui,et al.Temporal and spatial patterns of droughts based on standard precipitation index (SPI)in inner Mongolia during 1981-2010[J].Journal of Natural Resource,2013,28(10):1694-1706.

[8]PALMER W C.Meteorological research paper No.45[R].Washington DC:U.S.Weather Bureau,1965.

[9]曹永強,路璐,張?zhí)m霞,等.基于Z指數(shù)的遼寧省氣象干旱時空特性分析[J].資源科學,2012,34(8):1518-1525.

CAO Yongqiang,LU Lu,ZHANG Lanxia,et al.Spatio-temporal characteristics of meteorological drought in Liaoning province based on Z index[J].Resources Science,2012,34(8):1518-1525.

[10]氣象干旱等級.GB/T 20481,中華人民共和國國家標準[S].北京：中國標準出版社，2006.

[11]車少靜,李春強.基于標準化降水指數(shù)的石家莊干旱時空特征[J].氣象科技,2010,38(1):66-70.

CHE Shaojing,LI Chunqiang.Spatial-temporal characteristic of droughts based on standard precipitation index in Shijiazhuang [J].Meteorological Science and Technology,2010,38(1):66-70.

[12]章大全，張璐，楊杰，等.近50年中國降水及溫度變化在干旱形成中的影響[J].物理學報,2010,59(1):654-663.

ZHANG Daquan,ZHANG lu,YANG Jie,et al.The impact of temperature and precipitation variation on drought in China in last 50 years [J].Acta Physica Sinica,2010,59(1):654-663.

[13]VICENTE-SERRANO S M,BEGUER

PEZ-MORENO J I.A multi-scalar drought index sensitive to global warming:The standardized precipitation evapotranspiration index [J].Journal of Climate,2010,23(7):1696-1718.

[14]莊少偉，左洪超，任鵬程，等.標準化降水蒸發(fā)指數(shù)在中國區(qū)域的應用[J].氣候與環(huán)境研究,2013,18(5):617-625.

ZHUANG Shaowei,ZUO Hongchao,REN Pengcheng,et al.Application of standardized precipitation evapotranspiration index in China[J].Climatic and Environmental Research,2013,18(5):617-625.

[15]王林，陳文.標準化降水蒸散指數(shù)在中國干旱監(jiān)測的適用性分析[J].高原氣象,2014,33(2):423-431.

WANG Lin,CHEN Wen.Applicability analysis of standardized precipitation evapotranspiration index in drought monitoring in China [J].Plateau Meteorology,2014,33(2):423-431.

[16]朱悅璐,暢建霞,劉宸巖.渭河流域水文變異診斷研究[J].西安理工大學學報,2014,30(2):170-174，186.

ZHU Yuelu,CHANG Jianxia,LIU Chenyan.The research on the hydrological variation diagnosis of the Weihe River Basin [J].Journal of Xi’an University of Technology,2014,30(2):170-174，186.

[17]高瑞,王龍,楊茂靈,等.基于SPEI的南盤江流域近40年冬春干旱時空特征研究[J].灌溉排水學報,2013,32(3):67-70.

GAO Rui,WANG Long,YANG Maoling,et al.Spatio-temporal characteristic of winter and spring drought based on standardized precipitation evapo-transpiration index in Nanpanjiang Basin [J].Journal of Irrigation and Drainage,2013,32(3):67-70.

[18]和宛琳,徐宗學.渭河流域近40年降水量變化規(guī)律及干旱預測[J].人民黃河,2007,29(1):36-37，40.

HE Wanlin,XU zongxue.Precipitation variation and drought forecast in the past 40 years in the Weihe River Basin [J].Yellow River,2007,29(1):36-37，40.

(責任編輯周蓓)

Analysis of drought characteristics of the Weihe River Basin based on SPEI

LI Jie1,MO Shuhong1,2,SHEN Bing1,SI Haisong1,WANG Yimin1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China)

The meteorological data of 20 meteorological stations from 1961 to 2013 in Weihe River are used to calculate the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI)at different scales and to analyze the application of SPEI in the basin.At the same time,drought distribution of time and space in Weihe River is analyzed by using SPEI index,and research results show that there is an obviously reducing trend of SPEI index in Weihe River,with drought increasingly tending towards severity.Spring and autumn drought have a significantly worsening trend,but summer and winter drought is of no obvious change.On the overall distribution purposes,droughts occur mainly in the northwest,among which most light droughts,moderate droughts and severe droughts occur mainly in the northwestern region.Conversely,due to the impact of historical severe drought event in 1995 and 1997,extra severe droughts often occurred in the southeastern region.

drought; SPEI; Weihe River

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.013

2015-10-29

南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放基金(2014491911)；陜西省水利廳科技計劃資助項目(2014slkj-01)；國家自然科學基金資助項目(51209169)；陜西高校省級重點實驗室科研資助項目(12JS067)

李潔，女，碩士生，研究方向為干旱區(qū)水文。E-mail：lijie_793@163.com

莫淑紅，女，副教授，博士，研究方向為旱區(qū)水文水資源。E-mail：moshuhong@xaut.edu.cn

P426.2

A

1006-4710(2016)01-0070-07