張利利,周俊菊,張恒瑋, 王 蓓,曹建軍

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

基于SPI的石羊河流域氣候干濕變化及干旱事件的時(shí)空格局特征研究

張利利,周俊菊*,張恒瑋, 王 蓓,曹建軍

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

利用石羊河流域4個(gè)氣象站1960—2013年逐月降水量資料,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、游程理論等方法,分析石羊河流域近54年的氣候干濕變化及不同時(shí)間尺度干旱事件時(shí)空演變特征。結(jié)果表明：①不同時(shí)間尺度SPI對降水量變化的敏感程度存在較大差異,時(shí)間尺度越小,SPI對一次降水的反應(yīng)越明顯。②石羊河流域年代際、年際和季的SPI在波動(dòng)中均呈增加趨勢,其中,冬季濕潤化速度最快,對年濕潤化過程的貢獻(xiàn)最顯著。③1960—2013年,石羊河流域不同時(shí)間尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間、干旱程度和干旱強(qiáng)度均呈減少趨勢,且波動(dòng)漸趨平緩；石羊河流域農(nóng)業(yè)干旱和水文干旱最嚴(yán)重的時(shí)期分別為1964—1965年和1962—1964年。④兩種時(shí)間尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間的減少速度從上游至下游均逐漸變慢,上游烏鞘嶺地區(qū)是農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間最長區(qū)域,永昌和下游民勤地區(qū)是水文干旱持續(xù)時(shí)間較長區(qū)域；兩種時(shí)間尺度干旱事件干旱程度減少速度最快區(qū)域均在上游烏鞘嶺地區(qū)；武威和民勤地區(qū)3月尺度干旱強(qiáng)度稍有上升,其它地區(qū)不同時(shí)間尺度干旱事件干旱強(qiáng)度均呈下降趨勢,永昌地區(qū)是多尺度干旱事件干旱強(qiáng)度較大區(qū)域。

氣候變化；干旱事件；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；石羊河流域

干旱是由于較長時(shí)段降水不足而引起水分供應(yīng)失衡的氣候事件[1],是氣候?yàn)?zāi)害中最主要的災(zāi)害之一,它具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時(shí)間長、波及范圍大的特點(diǎn)。干旱的頻繁發(fā)生和長期的持續(xù)不但給國民經(jīng)濟(jì)特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失,還會(huì)造成水資源短缺、沙塵暴增加、荒漠化加劇等諸多不利的生態(tài)影響[2- 3]。近年來,在全球氣候變化背景下隨著極端天氣氣候事件頻繁出現(xiàn),干旱的發(fā)生頻率和強(qiáng)度明顯增加[4]。干旱對濕潤半濕潤地區(qū)產(chǎn)生的影響是不言而喻的,而對于干旱地區(qū)和極端干旱地區(qū),干旱發(fā)生也會(huì)導(dǎo)致區(qū)域地表變干,直接影響當(dāng)?shù)氐暮瞪参锏纳L發(fā)育,也易成為沙塵暴的源地[5]。所以中國北方干旱化問題一直是氣象學(xué)和其他學(xué)科的一個(gè)重要研究課題,特別是對西北典型干旱區(qū)的研究備受關(guān)注[6]。由于干旱的形成原因異常復(fù)雜,影響因素很多,許多干旱指標(biāo)都是針對具體的研究目的而設(shè)定。根據(jù)建立途徑的不同可以把干旱指標(biāo)大致歸納為兩類：一類是通過研究干旱機(jī)理,力圖細(xì)致地反映干旱涉及的各個(gè)物理過程,以PDSI(Palmer drought severity index)[7]為代表,該類指標(biāo)的物理機(jī)制較為明確,但其計(jì)算繁雜,對資料要求較高,部分參數(shù)只能靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì),則計(jì)算精度大大降低；另一類干旱指標(biāo)則是通過氣象學(xué)方法研究降水量的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,以反映干旱的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,此類指標(biāo)僅需逐月降水量數(shù)據(jù),計(jì)算簡單,而且由于指標(biāo)不涉及具體的干旱機(jī)理,時(shí)空適應(yīng)性較強(qiáng),代表性指標(biāo)是McKee等于1993年提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)(SPI)為代表[8- 9]。SPI指標(biāo)能夠較好地反映干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,對干旱變化反應(yīng)較敏感,同時(shí)多時(shí)間尺度應(yīng)用的特性可以為水資源評估和不同時(shí)間尺度的干旱監(jiān)測服務(wù)[10]。翟祿新等[11]研究得出標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)作為一種干旱重建指標(biāo),適用于西北地區(qū),也可以作為氣候變化的監(jiān)測指標(biāo)。Wu等[12-13]的研究表明,在干旱氣候條件下,應(yīng)該更多地關(guān)注干旱持續(xù)時(shí)間而不只是干旱強(qiáng)度,強(qiáng)調(diào)干旱持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度對干旱研究的重要性。袁文平等[14]指出基于現(xiàn)有干旱指標(biāo)的研究成果,未來應(yīng)加強(qiáng)在應(yīng)用某種干旱指標(biāo)時(shí)動(dòng)態(tài)評估干旱發(fā)生時(shí)間,并利用累積系數(shù)建立反映累積效應(yīng)的機(jī)制以準(zhǔn)確反映干旱累積效應(yīng)。

石羊河屬西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流,地處蒙新、黃土、青藏三大高原交匯過渡帶,是生態(tài)環(huán)境變化敏感區(qū)域之一。特殊的地理?xiàng)l件和氣候特征決定了石羊河流域是一個(gè)干旱頻繁發(fā)生的地區(qū)[15]。截至目前,關(guān)于石羊河流域干濕變化的最新研究成果：時(shí)間上,夏季干旱發(fā)生頻率最高,冬季頻率最低[15]；冬季是暖濕化趨勢最明顯的季節(jié),其次是秋季,極端干旱事件頻率在波動(dòng)中呈減少趨勢,極端濕潤事件頻率在波動(dòng)中呈增加趨勢[16]；空間上,發(fā)生干旱頻率最高的是武威站,最低的是民勤和烏鞘嶺站[17]。以上多是基于某種干旱指數(shù)對石羊河流域季節(jié)和年的干濕變化等進(jìn)行研究,而對干旱事件的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度時(shí)空演變特征的分析鮮有報(bào)道。本文旨在探討石羊河流域近54年氣候干濕變化特征,揭示干旱事件的時(shí)空演變規(guī)律,以期為流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水文干旱監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部,祁連山北麓,東經(jīng)101°41′—104°16′,北緯36°29′—39°27′之間,流域總面積4.16×104km2,地勢南高北低,自西南向東北傾斜,全流域可分為南部祁連山區(qū),中部走廊平原區(qū),北部低山丘陵及荒漠區(qū)四大地貌單元。石羊河流域由于地處內(nèi)陸,屬于典型的大陸性溫帶干旱氣候,太陽輻射強(qiáng),日照充足,夏季短而炎熱,冬季長而寒冷,溫差大,降水少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,空氣干燥,流域上游年平均氣溫低于6℃,降水量400—600mm,中游年平均氣溫低于6—8℃,降水量150—250mm,下游年平均氣溫高于8℃,降水量不足150mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

石羊河流域?yàn)跚蕩X、武威、永昌和民勤4個(gè)氣象站的1960—2013年及2014年1—2月份逐月降水量數(shù)據(jù)均來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。本文主要分析對象為不同時(shí)間尺度SPI(基于時(shí)間尺度內(nèi)的降水量)、年SPI(基于年降水量)和季節(jié)SPI(基于季節(jié)的降水量,其中春季為3—5月份、夏季為6—8月份、秋季為9—11月份、冬季為12—2月份)[18- 19]。對于54年的時(shí)間序列可以獲得比較可信的趨勢結(jié)果[20],而且所有數(shù)據(jù)皆經(jīng)一致性檢驗(yàn)與處理。

1.3 研究方法

采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、游程理論來獲得干旱事件的特征指標(biāo),分析本地的干濕時(shí)間特征；應(yīng)用ArcGIS10.0軟件制圖分析石羊河流域干旱事件空間格局特征；使用MK趨勢檢驗(yàn)方法[21],在Minitab軟件里基于MK程序?qū)ψ兓厔莸娘@著性水平進(jìn)行MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。為了反映石羊河流域近54年每次農(nóng)業(yè)干旱和水文干旱的持續(xù)月數(shù)、干旱程度和強(qiáng)度的變化特征,本研究選用3月尺度SPI值(3月尺度SPI對年內(nèi)旱澇暴發(fā)時(shí)間與持續(xù)影響更為敏感,可以反映短期氣象旱澇特征,與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切)和12月尺度SPI值(12月尺度SPI對長期旱澇影響及持續(xù)時(shí)段具有顯著標(biāo)識(shí)功能,可以反映長期降水變化,通常與河流水位,水庫水位,甚至地下水位相關(guān)度較高)[22-23]作為研究時(shí)間尺度。

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI及旱澇等級劃分

由于不同時(shí)間,不同地區(qū)降水量變化幅度很大,直接用降水量很難在不同時(shí)空尺度上相互比較,而降水分布是一種偏態(tài)分布,不是正態(tài)分布,所以可在降水分析中,采用Γ分布概率來描述降水量的變化,然后再經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化求得SPI值,SPI具體計(jì)算步驟參見文獻(xiàn)[24]。依據(jù)相關(guān)研究[20,25-26],結(jié)合石羊河流域?qū)嶋H情況,對SPI旱澇等級進(jìn)行劃分(表1)。

表1 SPI旱澇等級

SPI: 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)Standard Precipitation Index

1.3.2 游程理論

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)間尺度SPI敏感性特征

從圖1可以發(fā)現(xiàn),不同時(shí)間尺度的SPI對降水量變化的敏感程度存在較大差異,時(shí)間尺度越小,SPI對一次降水的反應(yīng)越明顯,其值可能會(huì)發(fā)生較大變化,甚至是正負(fù)波動(dòng),時(shí)間尺度越大,SPI對于一次降水的反應(yīng)越不顯著,只有持續(xù)的多次降水才會(huì)使之發(fā)生波動(dòng),干濕波動(dòng)周期亦相應(yīng)延長；相同時(shí)段不同時(shí)間尺度發(fā)生干濕頻次亦存在較大差異,1960—2013年,1月、3月、6月和12月尺度干旱發(fā)生頻次分別為：27.6次/10a、16.85次/10a、12.96次/10a和7.78次/10a,重濕以上的發(fā)生頻次分別為：27.4次/10a、16.85次/10a、12.78次/10a和7.96次/10a,說明隨著時(shí)間尺度的延長,干旱和濕潤的發(fā)生頻次均為減少趨勢。以上分析表明,SPI1和SPI3能夠反映短期氣象旱澇特征,與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切；SPI6和SPI12可以清楚地反映長期的旱澇變化特征,其中,12個(gè)月尺度SPI對長期旱澇影響及持續(xù)時(shí)段具有顯著的標(biāo)識(shí)功能,通常與河流水位,水庫水位,甚至地下水位相關(guān)度較高,因此,多種時(shí)間尺度的SPI綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對旱澇的綜合監(jiān)測評估。

圖1 石羊河流域近54年不同時(shí)間尺度SPI變化過程Fig.1 Evolution of the SPI at different time scales in Shiyang River basin nearly 54 years

2.2 石羊河流域氣候干濕變化特征

2.2.1 SPI年際及年代際變化特征

由圖2可知,1960—2013年石羊河流域年SPI在波動(dòng)中呈增加趨勢,其變化傾向率為0.156/10a,經(jīng)MK趨勢檢驗(yàn),未通過P<0.05的顯著性信度水平；干旱年和濕潤年分別為25a和29a,雖然干旱年和濕潤年的年數(shù)相差不多,但干旱年和濕潤年達(dá)到的等級程度相差較大(圖3),屬于極干、重干、中干、微干、微濕、中濕、重濕和極濕的年數(shù)分別為2a、4a、2a、17a、19a、10a、0a、0a,其中,1962年和1991年的SPI值分別為-2.93和-2.27,屬極干旱年份。據(jù)《甘肅省歷史氣候資料》記載：1962年武威全縣各河流4月平均流量比上年減少54.4%,5月減少56%,50萬畝夏田未灌水,主要是由當(dāng)年降水量較少、工農(nóng)業(yè)大量使用河水所致；1991年大旱使武威市農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)到39.5%,受災(zāi)嚴(yán)重。說明基于年降水量的SPI能夠較好的監(jiān)測到干旱年份及干旱等級。從圖4可以看出,1960s和1970s 的SPI為負(fù)值,為干旱期,1960s為最干年代,這與王鶯等[17]的研究結(jié)論一致；1980s、1990s和2000s 的SPI為正值,為濕潤期,2000s為最濕潤年代。其年代際SPI值大小的分布規(guī)律與周俊菊等[16]基于濕潤指數(shù)所得研究結(jié)論基本一致。據(jù)以上分析可知,石羊河流域有濕潤化的發(fā)展趨勢,這與王菱等[29]的東經(jīng)100°以西的西北地區(qū)有干暖型向濕暖型轉(zhuǎn)變,周俊菊等[16]的石羊河流域有濕化趨勢,吳紹洪等[30]的青藏高原大多數(shù)地區(qū)的干濕狀況由干向濕發(fā)展,靳立亞等[31]的甘肅西部的夏、秋兩季氣候有濕潤化趨勢的結(jié)論基本一致。

圖 2 1960—2013年石羊河流域年SPI變化Fig.2 Evolution of SPI in Shi River Basin during 1960—2013

圖3 年SPI不同等級的頻率統(tǒng)計(jì)Fig.3 Frequency statistics of annual and seasonal SPI

圖4 SPI的年代際變化Fig.4 Decadal change of SPI

2.2.2 SPI季節(jié)變化特征

圖5 1960—2013年石羊河流域不同季節(jié)SPI變化Fig.5 Change of different seasons SPI during 1960—2013

圖6 不同季節(jié)SPI頻次統(tǒng)計(jì)Fig.6 Frequency statistics of different seasonal SPI for seasonal drought

由圖5可知,1960—2013年石羊河流域不同季節(jié)SPI均呈緩慢上升趨勢,經(jīng)MK趨勢檢驗(yàn),冬季上升趨勢極顯著(P≤0.01),其他季節(jié)未通過P≤0.05的顯著性水平,上升趨勢均不顯著,但不同季節(jié)SPI增加速度和干濕等級頻次的分布存在較大差異。春季,SPI變化傾向率為0.083/10a,干旱季和濕潤季分別為28a和26a,中度及以上干濕季發(fā)生頻率為35.18%,其中,1967年春季SPI值為2.32,濕潤等級為極濕；夏季,SPI變化傾向率為0.108/10a,干旱季和濕潤季均為27a,中度及以上干濕季發(fā)生頻率為25.93%,其中,1962年和1991年夏季SPI值分別為-3.15和-2.63,干旱等級為極干；秋季,SPI變化傾向率為0.055/10a,干旱季和濕潤季分別為26a和28a,中度及以上干濕季發(fā)生頻率為29.63%,其中,1971年秋季為極濕季,SPI值為2.52,1972年和1993年秋季為極干季,SPI值分別為-2.29和-2.12；冬季,SPI變化傾向率為0.256/10a,干旱季和濕潤季均為27a,中度及以上干濕季發(fā)生頻率為40.74%,其中,1964年和1970年冬季為極干季,SPI值分別為-2.06和-2.2。以上分析表明,冬季濕潤化速度最快,對年濕潤化過程的貢獻(xiàn)最為顯著這與前人研究結(jié)果基本一致[16]；1962年和1991年極端干旱年的發(fā)生主要是由該年夏季極端干旱所致,1963年的重旱主要是受該年的夏旱和秋旱影響,1972年的重旱主要是由該年的秋旱所致,2013年的重旱主要是受該年的春旱和秋旱影響(表2)。

表2 極干和重干年份的年和季節(jié)干旱等級對照表

2.3 石羊河流域干旱事件時(shí)空變化特征

2.3.1 石羊河流域干旱事件時(shí)間變化特征

(1) 干旱事件持續(xù)時(shí)間變化特征

在3月尺度和12月尺度中,一次干旱事件開始到結(jié)束所跨越年份定為該次事件的名稱(圖7、圖8和圖9)。由圖7可知,不同時(shí)間尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間變化特征存在差異。①3月尺度,干旱事件持續(xù)時(shí)間整體呈極顯著的減少趨勢(P≤0.01,變化傾向率約為-0.418月/10a),干旱事件持續(xù)時(shí)間的離散程度亦漸趨平緩,其中,1960s、1980s、1990s干旱事件平均持續(xù)時(shí)間分別為3.82個(gè)月、4.27個(gè)月、3.17個(gè)月,1970s最長為4.67個(gè)月,2000s最短為2.5個(gè)月；近54年的干旱事件平均持續(xù)時(shí)間為3.527個(gè)月,大多數(shù)干旱事件持續(xù)時(shí)間處于1—8個(gè)月之間,其中,持續(xù)時(shí)間最長的是1974—1975干旱事件,持續(xù)時(shí)間長達(dá)18個(gè)月。②12月尺度,干旱事件持續(xù)時(shí)間整體亦呈減少趨勢,但減少趨勢不顯著(變化傾向率約為-0.809月/10a),干旱事件持續(xù)時(shí)間的離散程度亦有漸趨平緩的趨勢,其中,1970s、1980s、2000s干旱事件平均持續(xù)時(shí)間分別為6.63個(gè)月、7.44個(gè)月、6.1個(gè)月,1960s最長為11.6個(gè)月,1990s最短為5.1個(gè)月；近54年的干旱事件平均持續(xù)時(shí)間為6.905個(gè)月,大多數(shù)干旱事件持續(xù)時(shí)間處于1—20個(gè)月之間,其中,持續(xù)時(shí)間最長的是1962—1964干旱事件,持續(xù)時(shí)間長達(dá)27個(gè)月,其次是1965—1967、1974—1976、1990—1992干旱事件,其持續(xù)時(shí)間分別為24、23、24個(gè)月。以上分析表明,3月尺度和12月尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間整體變化趨勢基本一致,但12月尺度干旱事件平均持續(xù)時(shí)間和減少速度均大于3月尺度。

圖7 1960—2013年石羊河流域SPI3(a)、SPI12(b)干旱事件持續(xù)時(shí)間變化Fig.7 Change of SPI3(a) and SPI12(b) drought events duration of the Shiyang River Basin during 1960—2013

(2) 干旱事件干旱程度變化特征

據(jù)圖8可知,近54年石羊河流域不同時(shí)間尺度干旱事件干旱程度及其離散程度均呈較明顯的下降趨勢。其中,3月尺度,干旱事件干旱程度在0.02—16.13之間波動(dòng),干旱程度平均值為2.835,最嚴(yán)重的是1964—1965事件,其SPI3絕對值累計(jì)值為16.13,次之的是1974—1975、1972—1973和1962事件,其值分別為15.35、15.18和14.49；12月尺度,干旱事件干旱程度在0.02—51.66之間波動(dòng),干旱程度平均值為5.942,最嚴(yán)重的是1962—1964事件,其SPI12絕對值累計(jì)值為51.66,次之的是1990—1992、1965—1967和1974—1976事件,其值分別為36.43、30.61和24.28。結(jié)合圖8中5次滑動(dòng)平均線可以看出：3月尺度和12月尺度具體時(shí)段干旱程度變化趨勢與其干旱持續(xù)時(shí)間變化趨勢基本一致,也就是說一般干旱持續(xù)時(shí)間較長的干旱事件干旱程度也較重。綜合以上分析,從水分虧缺量來看,1964—1965事件的SPI3絕對值和1962—1964事件的SPI12絕對值的累計(jì)值最大,說明1964—1965年是石羊河流域近54年農(nóng)業(yè)干旱最嚴(yán)重的時(shí)期,1962—1964年是近54年水文干旱最嚴(yán)重的時(shí)期,以上結(jié)論與已有研究結(jié)果[32]基本一致。

圖8 1960—2013年石羊河流域SPI3(a)、SPI12(b)干旱事件干旱程度變化Fig.8 Change of SPI3(a) and SPI12(b) drought events severity of the Shiyang River Basin during 1960—2013

(3) 干旱事件干旱強(qiáng)度變化特征

據(jù)圖9可知,3月尺度和12月尺度干旱事件干旱強(qiáng)度整體均呈減小趨勢,變化傾向率分別為-0.0421/10a和-0.0583/10a,經(jīng)MK趨勢檢驗(yàn),減少趨勢均不顯著。3月尺度,近54年干旱事件干旱強(qiáng)度的平均值為0.587,86.87%的干旱事件干旱強(qiáng)度在0.02—1之間波動(dòng),最強(qiáng)的是1991事件,值為2.308,為極干事件,其次是1962事件,干旱強(qiáng)度為2.07,也為極干事件；12月尺度,干旱事件干旱強(qiáng)度的平均值為0.524,83.33%的干旱事件干旱強(qiáng)度在0.02—1之間波動(dòng),最強(qiáng)的是1962—1964事件,值為1.913,為重干事件,其次是1972—1973事件,值為1.79,也達(dá)到重干。據(jù)分析可知,石羊河流域短尺度干旱事件強(qiáng)度與長尺度干旱事件強(qiáng)度相比,下降速度更慢,干旱強(qiáng)度的平均值和波動(dòng)幅度更大。所以從干旱事件的整體來看,農(nóng)業(yè)干旱強(qiáng)度比水文干旱強(qiáng)度嚴(yán)重。

2.3.2 石羊河流域干旱事件空間格局特征

(1) 干旱事件持續(xù)時(shí)間空間特征

近54年來,石羊河上中下游不同地區(qū)不同時(shí)間尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間及其變化存在明顯差異。3月尺度,上中下游干旱事件持續(xù)時(shí)間均呈減少趨勢,經(jīng)MK趨勢檢驗(yàn),上游烏鞘嶺地區(qū)減少速度最快,變化傾向率為-0.782月/10a,減少趨勢較顯著(P≤0.05),其次是中游地區(qū),平均變化傾向率為-0.209月/10a,減少趨勢不顯著,下游民勤地區(qū)干旱事件持續(xù)時(shí)間減少速度最慢,減少趨勢亦不顯著(變化傾向率為-0.119月/10a)；干旱事件持續(xù)時(shí)間平均值的最低值在永昌地區(qū),而石羊河流域東部亦存在從上游到下游(烏鞘嶺-武威-民勤)逐漸遞減的變化趨勢。12月尺度,上中下游干旱事件持續(xù)時(shí)間均呈減少趨勢,永昌地區(qū)減少速度最快,就平均情況來看,從上游到下游干旱事件持續(xù)時(shí)間減少速度逐漸變慢；干旱事件持續(xù)時(shí)間平均值的低值區(qū)在武威地區(qū),高值區(qū)在永昌地區(qū),從整體來看,從上游到下游,干旱事件持續(xù)時(shí)間平均值逐漸增加。以上分析表明,兩種時(shí)間尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間的減少速度均從上游到下游逐漸變慢,就持續(xù)時(shí)間平均值而言,上游烏鞘嶺地區(qū)是農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間最長區(qū)域,永昌地區(qū)和下游民勤地區(qū)是水文干旱持續(xù)時(shí)間較長區(qū)域。

圖9 1960—2013年石羊河流域SPI3(a)、SPI12(b)干旱事件干旱強(qiáng)度變化Fig.9 Change of SPI3 (a) and SPI12 (b) drought events intensity of the Shiyang River Basin during 1960—2013

圖10 SPI3和SPI12干旱事件持續(xù)時(shí)間變化傾向率及平均值空間分布Fig.10 Spatial distribution of change trend rate and average value for SPI3 and SPI12 drought events duration

(2) 干旱事件干旱程度空間特征

近54年來,3月尺度和12月尺度石羊河流域各站點(diǎn)干旱事件的干旱程度在波動(dòng)中均呈減少趨勢。3月尺度,干旱事件干旱程度變化傾向率的空間分布規(guī)律和持續(xù)時(shí)間變化傾向率的空間分布規(guī)律基本一致。12月尺度,上游烏鞘嶺地區(qū)干旱事件干旱程度減少速度最快,其次是永昌地區(qū),武威地區(qū)減少速度最慢；干旱事件干旱程度平均值的最大值在下游民勤地區(qū),最小值在武威地區(qū)。以上分析表明,兩種時(shí)間尺度干旱事件干旱程度減少速度最大的地區(qū)均在上游烏鞘嶺地區(qū),水分虧缺狀況有所緩解,濕潤化趨勢明顯,而干旱事件干旱程度平均值出現(xiàn)了截然相反的空間格局特征,從干旱事件干旱程度平均值來看,武威地區(qū)的農(nóng)業(yè)水分虧缺量比較大,而民勤地區(qū)的水文水分虧缺量比較大。

圖11 SPI3和SPI12干旱事件干旱程度變化傾向率及平均值空間分布Fig.11 Spatial distribution of change trend rate and average value for SPI3 and SPI12 drought events severity

(3) 干旱事件干旱強(qiáng)度空間特征

從圖12可以看出,3月尺度和12月尺度干旱事件干旱強(qiáng)度變化傾向率具有相同的空間分布格局,烏鞘嶺地區(qū)減少速度最快,然后依次為永昌地區(qū)、民勤地區(qū)、武威地區(qū),不同的是3月尺度武威地區(qū)和民勤地區(qū)干旱事件干旱強(qiáng)度有輕微的增加趨勢,經(jīng)MK趨勢檢驗(yàn),增加趨勢均不顯著；近54年干旱事件干旱強(qiáng)度的平均值,3月尺度的最大值在中游武威和永昌地區(qū),最小值在上游烏鞘嶺地區(qū),12月尺度的最大值在中游的永昌地區(qū),最小值在武威地區(qū),據(jù)以上分析可知,永昌是多尺度干旱事件干旱強(qiáng)度較大的地區(qū),該地區(qū)是嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)干旱事件和水文干旱事件的多發(fā)區(qū)。

圖12 SPI3和SPI12干旱事件干旱強(qiáng)度的變化傾向率及平均值空間分布Fig.12 Spatial distribution of change trend rate and average value for SPI3 and SPI12 drought events intensity

3 結(jié)論

(1)不同時(shí)間尺度SPI對降水量變化的敏感程度存在較大差異,時(shí)間尺度越小,SPI對于一次降水的反應(yīng)越明顯,SPI1和SPI3能夠反映短期氣象旱澇特征,與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切；SPI6和SPI12可以清楚地反映長期的旱澇變化特征。

(2)石羊河流域年代際、年際和季的SPI在波動(dòng)中均呈增加趨勢,濕潤化趨勢明顯,其中,1962年和1991年為極干年份；1960s為最干旱年代,2000s為最濕潤年代；冬季濕潤化的速度最快,對年濕潤化過程的貢獻(xiàn)最為顯著,其次為夏季。

(3)近54年石羊河流域不同時(shí)間尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間、干旱程度和干旱強(qiáng)度均呈減少趨勢,且波動(dòng)漸趨平緩,短尺度干旱事件強(qiáng)度與長尺度干旱事件強(qiáng)度相比,下降的速度更慢,平均值和波動(dòng)幅度更大。綜合來看,1964—1965年是石羊河流域近54年農(nóng)業(yè)干旱最嚴(yán)重的時(shí)期,1962—1964年是近54年水文干旱最嚴(yán)重的時(shí)期。從干旱事件干旱強(qiáng)度來看,農(nóng)業(yè)干旱比水文干旱嚴(yán)重。

(4)從空間格局來看,兩種時(shí)間尺度干旱事件持續(xù)時(shí)間的減少速度從上游到下游均逐漸變慢,上游烏鞘嶺地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間最長,中游永昌和下游民勤地區(qū)的水文干旱持續(xù)時(shí)間最長；兩種時(shí)間尺度干旱事件干旱程度減少速度最快的地區(qū)均在上游烏鞘嶺地區(qū),水分虧缺狀況有所緩解,濕潤化趨勢明顯,而干旱事件干旱程度平均值出現(xiàn)了截然相反的空間格局特征；除武威和民勤地區(qū)3月尺度干旱強(qiáng)度稍有上升趨勢之外,其它地區(qū)不同時(shí)間尺度干旱事件干旱強(qiáng)度均呈下降趨勢,而永昌是多尺度干旱事件干旱強(qiáng)度較大的地區(qū),為農(nóng)業(yè)干旱事件和水文干旱事件的多發(fā)區(qū)。

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Temporal and spatial patterns of climate drought-wet and drought event based on Standard Precipitation Index in Shiyang River Basin

ZHANG Lili, ZHOU Junju*, ZHANG Hengwei, WANG Bei, CAO Jianjun

CollegeofGeographyandEnviromentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China

Shiyang River Basin is located in the northwest China, and it is a typical fragile ecosystem area. This region is extremely sensitive to climatic changes, and therefore, monitoring these changes can provide an important evidence for revealing trends indrought-wet transition mechanisms in drought-prone and arid regions of Northwestern China, this study aimed to investigate monthly precipitation data obtained from four stations in Shiyang River Basin. In particular, the Standard Precipitation Index (SPI) and Theory of Runs were adopted to analyze changes in climate drought-wet and space-time evolution of drought events on different time scale during a period of 54 years i.e., from 1960 to 2013. The main results of this study suggest that SPI characteristics at different time scale lead to SPI values were substantial sensitive to precipitation changes, and a smaller time scale resulted in a more sensitive response to one precipitation event. The inter-decadal, inter-annual and seasonal SPI showed an increasing trend. The wetting rate was the fastest in winter, which makes the largest contribution to annual wetting. The drought event duration, drought severity and drought intensity on different time scales showed a decreasing trend, and the fluctuations noticedwere gradually mild. The most serious agricultural drought and hydrological drought occurred during 1964 to 1965 and 1962 to1964, respectively. The drought event duration during two time scales reduced gradually from upstream to downstream, and the longest agricultural drought occurred in Wushaoling areas, whereas the longest hydrological drought occurred in Yongchang and Minqin region. Drought severity of the drought events during the two time scales reduced the fastest in Wushaoling areas. Except for the three-month scale for drought intensity showing a slight increase in Wuwei and Minqin regions, the intensity of drought events showed a decreasing trend in other regions on different time scales. More frequent drought events and relatively higher drought intensity were noted in the middle reaches of the river, especially in Yongchang region.

climatic change; drought event; standard precipitation index; Shiyang River Basin

國家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目(41461109)；西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(NWNU-LKQN- 12- 18)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41261104)；國家社科基金青年項(xiàng)目(12CTJ001)；甘肅省青年科技基金計(jì)劃項(xiàng)目(1107RJYA077)

2015- 08- 15;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201508151709

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yzh_su@163.com

張利利,周俊菊,張恒瑋, 王蓓,曹建軍.基于SPI的石羊河流域氣候干濕變化及干旱事件的時(shí)空格局特征研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(3):996- 1007.

Zhang L L, Zhou J J, Zhang H W, Wang B, Cao J J.Temporal and spatial patterns of climate drought-wet and drought event based on Standard Precipitation Index in Shiyang River Basin.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):996- 1007.