關(guān) 靜, 梁 川, 趙 璐,2, 崔寧博,2, 王春懿

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室水利水電學(xué)院, 成都 610065; 2.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點實驗室, 成都 610066)

寧夏地處西北地區(qū)東部，屬干旱、半干旱地區(qū)，是氣候變化的敏感區(qū)，也是生態(tài)環(huán)境極其脆弱的地區(qū)[1]。一直以來，干旱都是困擾寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[2]。干旱指數(shù)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)[3]。選用合理有效的干旱指數(shù)將能更加準確地反映干旱過程。

目前，干旱研究中，選取的干旱指數(shù)通常有降水量距平百分率指數(shù)(Pa)[4]，z指數(shù)[5]，干燥度指數(shù)(AI)[6]，相對濕潤度指數(shù)(M)[7]，帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)[8]，標準化降水指數(shù)(SPI)[9]，標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[10]，K指數(shù)[3]等等。其中，SPI是世界氣象組織( World Meteorological Organization)推薦使用的干旱指數(shù)，計算簡單，對降水比較敏感，但未考慮其他可能會影響干旱的變量，如蒸發(fā)蒸騰、風(fēng)速等；西班牙學(xué)者Vicente-Serrano[11-12]通過在SPI中引入蒸散發(fā)，提出了標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)；K指數(shù)由王勁松等[3,13-14]提出，并在西北地區(qū)干旱分析中得到了應(yīng)用。目前，SPI、SPEI和K指數(shù)這3種干旱指數(shù)均得到了廣泛的應(yīng)用。馬國飛等[15]采用SPI分析了寧夏山區(qū)干旱演變特征，結(jié)果表明寧夏山區(qū)年季干旱強度呈現(xiàn)降低趨勢，但干旱發(fā)生頻率和干旱面積增加；趙興凱等[16]通過計算SPI 和SPEI分析陜北吳起縣1957—2014 年的降水和氣溫，發(fā)現(xiàn)兩指數(shù)均能較準確反映吳起縣氣候特征；王勁松等[3]采用K指數(shù)對西北地區(qū)春旱進行分析，發(fā)現(xiàn)K指數(shù)對西北地區(qū)的干旱監(jiān)測有較好的效果；王素艷等[2]分析了Pa、K、SPI、PDSI和CI這幾種干旱指數(shù)與寧夏實況干旱等級差異，發(fā)現(xiàn)K指數(shù)和CI綜合干旱指數(shù)評估效果較好，但需進一步改進以適宜寧夏應(yīng)用。

盡管目前已有很多關(guān)于干旱指數(shù)的研究，但很少有學(xué)者專門針對寧夏中部干旱帶進行干旱指數(shù)的適用性研究，本文擬采用在寧夏及西北地區(qū)應(yīng)用較好的SPI、SPEI和K指數(shù)對寧夏中部干旱帶的干旱情況進行適用性分析，得出一種更適合寧夏中部干旱帶干旱監(jiān)測的干旱指數(shù)。

1　研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1　研究區(qū)概況

寧夏位于我國大陸的西北腹地，居黃河中游上段，位于北緯35°14′—39°23′，東經(jīng)104°17′—107°39′，與甘肅、內(nèi)蒙古、陜西等省毗鄰。全區(qū)水資源總量11.633億m3，人均占有量190 m3，是全國平均值的1/12。中部干旱帶主要是指年降水200～400 mm之間的干旱區(qū)，主要包括紅寺堡、同心縣、鹽池縣和海原縣全部，以及中衛(wèi)市、中寧縣、靈武市、青銅峽市吳忠市利通區(qū)的山區(qū)部分，總面積為3.51萬km2，總?cè)丝?31.34萬人。

中部干旱帶地處黃土高原和鄂爾多斯臺地東部，地勢南高北低，東高西低，地貌類型南部以黃土丘陵溝壑區(qū)為主，北部為丘陵臺地，海拔高程1 300～2 400 m，自南向北由中溫帶半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡，有明顯的大陸性氣候特征。降水時空分布不均，多集中在7—9月，約占全年總降水量的60%～70%，并多以暴雨、冰雹等災(zāi)害形式出現(xiàn)。干旱帶年平均氣溫6.3℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，極端最高溫度41.4℃，極端低溫天氣-29.6℃。年輻射熱平均594.5 kJ/cm2，日照時數(shù)2 750～3 000 h[17]。

根據(jù)寧夏中部干旱地形地貌及氣象資料的完整性，特選取鹽池、中寧、海原、同心4個代表站點，站點的地理描述見表1。

表1　寧夏中部干旱帶氣象站點地理描述

1.2　數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)內(nèi)鹽池、中寧、同心、海原4個國家基本氣象站1960—2015年的氣候資料月值數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/site/index.html)，包括降水量(P)、平均溫度(T)、最低溫度(Tmin)、最高溫度(Tmax)、相對濕度(RH)、日照時數(shù)(n)和平均風(fēng)速(u)，以及站點的經(jīng)緯度及海拔高度。對少量缺測數(shù)據(jù)采用平均值法以及相鄰站點插值法予以插值。

2　方 法

2.1　3種指數(shù)的計算

2.1.1SPISPI采用Γ分布概率來描述降水量的變化，將偏態(tài)概率分布的降水量進行正態(tài)標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級[9]。SPI可用公式(1)求得：

(1)

(2)

式中：α>0，β>0分別為Γ函數(shù)的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，最佳的α,β估計值可用極大似然估計的方法求得；c0,c1,c2和d1,d2,d3是Γ函數(shù)轉(zhuǎn)換為累積頻率簡化近似求解公式的計算參數(shù)，其取值如下：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

2.1.2SPEI 標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是通過在SPI中引入蒸散發(fā)，計算降水量與蒸散量的差值并進行正態(tài)標準化處理得到的[16]，本文采用FAO-56 Penman-Monteith公式計算所得潛在蒸發(fā)量ET0代替實際蒸發(fā)量E進行計算。

(1) 首先采用FAO-56 Penman-Monteith[18]公式計算ET0

(3)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)；ET0rad為輻射項(mm/d)；ET0aero為空氣動力學(xué)項(mm/d)；Rn為凈輻射[(MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[(MJ/(m2·d)]；T為平均氣溫(℃)；es為飽和水氣壓(Kpa)；ea為實際水氣壓(Kpa)；Δ為飽和水氣壓—溫度曲線斜率(KPa/℃)；γ為濕度計常數(shù)(KPa/℃)；u2為距地面2 m高處的風(fēng)速(m/s)。

則蒸發(fā)量月值PETj=NDM×ET0，其中NDM 為各月天數(shù)；月水分虧缺量Dj=Pj-PETj，其中Pj為月降水量，PETj為月蒸發(fā)量。

(2) 構(gòu)造不同時間尺度的累積水分虧缺量序列

(4)

式中：k代表了不同的時間尺度。

(3) 引入三參數(shù)log-logistic概率分布函數(shù)計算累積水分虧缺量序列的概率分布

(5)

式中：γ為Γ函數(shù)位置參數(shù)，可用極大似然估計的方法求得。

三參數(shù)log-logistic 概率分布函數(shù)為

(6)

(4) 對各月累積水分虧缺量序列的概率分布F(x)進行標準正態(tài)分布轉(zhuǎn)換，得SPEI計算值

(7)

2.1.3K指數(shù)K指數(shù)用降水變率和蒸發(fā)變率的比值來描述干旱[2,13-14]，用公式(8)求得

K=P′-E′

(8)

2.2　干旱等級劃分標準

參考國家標準《氣象干旱等級》[19]中提出的干旱分級指標，SPI、SPEI和K指數(shù)的干旱等級劃分見表2。

表2　SPI、SPEI和K指數(shù)的干旱等級劃分

2.3　Mann-kendall檢驗法

在時間序列趨勢分析中，Mann-Kendall檢驗[20]是WMO推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法。Mann-Kendall檢驗不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計算簡便。本文采用Mann-kendall檢驗法對降水和蒸發(fā)的時間序列進行趨勢分析和突變分析。

3　結(jié)果與分析

3.1　P和ET0的年際變化趨勢分析及突變檢驗

通過對4個站點P和ET0進行比較，發(fā)現(xiàn)中寧站P(205 mm)最少，海原站P(376 m)最多，后者較前者增加了約83%；海原站ET0(1071 mm)最少，同心站ET0(1179 mm)最多，后者較前者增加了約10%?？梢姡瑢幭闹胁扛珊祹?個站點的P差異較大，ET0相對穩(wěn)定。通過對4個站點的P和ET0的M-K趨勢檢驗，發(fā)現(xiàn)除了鹽池的P有增加趨勢外，其他3個站點的P均呈減少趨勢；鹽池和海原的ET0有減少趨勢，同心和中寧的ET0均呈增加趨勢，且增加趨勢通過了95%的顯著檢驗?？偟膩碚f，寧夏中部干旱帶P減少，ET0增加，干旱呈加重的趨勢。

用4個站點P和ET0的平均值代表寧夏中部干旱帶的P和ET0，可見寧夏中部干旱帶P和ET0的年際變化曲線及M-K突變檢驗結(jié)果見圖1—4，圖2和圖4中二水平虛線代表置信度為95%，UF(K)為順序時間序列統(tǒng)計曲線，UB(K)為逆序時間序列統(tǒng)計曲線。由圖1可知，寧夏中部干旱帶P多年平均值為285 mm，波動范圍為149～543 mm，最大、最小值分別出現(xiàn)在1964年(543 mm)和1982年(149 mm)；1960—2015年，P隨時間呈減少趨勢，傾向率為-5 mm/10 a，無明顯波動。由圖2可以看出，寧夏中部干旱帶P無顯著突變點。

由圖3可知，寧夏中部干旱帶ET0多年平均值為1 132 mm，波動范圍為1 002～1 247 mm，最大、最小值分別出現(xiàn)在1997年(1 247 mm)和1967年(1 002 mm)；1960—2015年，ET0隨時間呈增加趨勢，傾向率為5 mm/10 a，在2000年左右有較大起伏。由圖4可知，1960—1970年寧夏中部干旱帶ET0呈小幅減少模式，1971年之后開始增加，2000—2008年增幅達顯著水平(p<0.05)。其中，ET0突變開始于1969年。

圖1寧夏中部干旱帶年降水量年際變化

圖2寧夏中部干旱帶年降水量Mann-Kendall突變檢驗

圖3寧夏中部干旱帶年蒸發(fā)量年際變化

3.2　3種干旱指數(shù)的對比分析

每年的3—10月是寧夏農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期[17]，故這個時間段的干旱情況尤為重要。所以本文在時間尺度上劃分為春、夏、秋、冬及作物生長季(3—10月)對寧夏中部干旱帶的干旱情況進行評估。

3.2.13種干旱指數(shù)在不同時間尺度的相關(guān)性分析為了衡量3種干旱指數(shù)之間的相關(guān)性，計算3種干旱指數(shù)在寧夏中部干旱帶不同時間尺度的相關(guān)系數(shù)(表3)?？梢钥闯?，SPI和SPEI之間的相關(guān)系數(shù)除了冬季為0.2915以外，其他時間尺度的相關(guān)系數(shù)均在0.9～0.95；SPI和K指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)除了冬季為0.848 3以外，其他時間尺度的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上；SPEI和K指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)除了冬季為0.402 4以外，其他時間尺度的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。由此可見，除冬季外，3種干旱指數(shù)在其他時間尺度上的相關(guān)系數(shù)均比較高。

圖4　寧夏中部干旱帶年蒸發(fā)量年際變化表3　3種干旱指數(shù)在不同時間尺度上的相關(guān)系數(shù)

注：*表示相關(guān)性通過了95%的顯著性檢驗;**表示相關(guān)性通過了99%的顯著性檢驗。

3.2.23種干旱指數(shù)在不同時間尺度的干旱頻率及干旱程度比較為了比較SPI、SPEI和K指數(shù)對干旱發(fā)生評定的差異性，分別計算這3種干旱指數(shù)在寧夏中部干旱帶不同時間尺度的干旱頻率，見表4。由表4可以看出，夏、春及作物生長季，SPEI和K指數(shù)判別的干旱情況比較接近，SPI判別的干旱程度略輕，發(fā)生的干旱類型主要為輕旱和中旱；秋季和冬季，3種指數(shù)判別的干旱情況差異較大，其中K指數(shù)判別的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判別的干旱程度最輕?？梢?，K指數(shù)對干旱強度判別的敏感性最強。根據(jù)中國氣象災(zāi)害大典.寧夏卷[21]記載，寧夏中部干旱帶春季大風(fēng)揚沙天氣頻繁，每年都發(fā)生有不同程度的春旱，SPEI和K指數(shù)對春季干旱判別結(jié)果中輕旱及輕旱以上發(fā)生頻率超過80%，而SPI判別結(jié)果僅為30%，由此可以看出SPEI和K指數(shù)比SPI更適合寧夏中部干旱帶春季的干旱監(jiān)測。

為進一步了解SPI、SPEI和K干旱指數(shù)對寧夏中部干旱帶干旱等級的判別差異，本文分析了這3種干旱指數(shù)在不同時間尺度的干旱等級差異年數(shù)，得出以下結(jié)論：春、夏及作物生長季主要表現(xiàn)為SPEI和K指數(shù)判別干旱等級比SPI高一級；秋冬季節(jié)主要表現(xiàn)為SPI和K指數(shù)判別干旱等級比SPEI高；總的來說，K指數(shù)判別的干旱等級比SPI和SPEI高。

表4　3種干旱指數(shù)在不同時間尺度的干旱頻率

3.2.33種干旱指數(shù)在不同時間尺度的趨勢分析對寧夏中部干旱帶4個站點在不同時間尺度的SPI、SPEI和K指數(shù)序列進行M-K法趨勢分析，分析這3種指數(shù)的變化趨勢。干旱指數(shù)序列若有增加趨勢，則表明該區(qū)有逐漸變濕的趨勢；干旱指數(shù)序列若有減小趨勢，則表明該區(qū)有干旱化的趨勢。由表5可以看出，4個站點在不同時間尺度的SPI、SPEI和K指數(shù)序列的M-K法趨勢分析結(jié)果相似，均能反映寧夏中部干旱帶在不同時間尺度干旱的變化趨勢。春季，4個站點的SPI、SPEI和K指數(shù)均有減小趨勢，說明春旱有增加的趨勢，其中中寧站的SPEI，同心縣的SPEI和K指數(shù)有顯著的減小趨勢。夏季，鹽池、海源和同心站的SPI、SPEI和K指數(shù)均有不顯著的增加趨勢，說明這3個站點的夏旱有減少的趨勢；中寧站的SPI、SPEI和K指數(shù)均有不顯著的減小趨勢，說明中寧的夏旱有增加趨勢。秋季，4個站點的SPI、SPEI和K指數(shù)均有不顯著的減小趨勢，說明秋旱有增加趨勢。冬季，鹽池和中寧站的SPI和K指數(shù)有減小趨勢，而SPEI有增加趨勢；海原站SPI、SPEI和K指數(shù)均有增加趨勢；同心站SPI、SPEI和K指數(shù)均有減小趨勢。作物生長季，鹽池站的SPI、SPEI和K指數(shù)均有增加趨勢，另外3個站點的SPI、SPEI和K指數(shù)均有減小的趨勢，其中中寧站的SPEI值有顯著減小的趨勢。

3.2.43種干旱指數(shù)的適用性驗證現(xiàn)將SPI、SPEI和K指數(shù)對寧夏中部干旱帶干旱的監(jiān)測情況與當?shù)貧v史災(zāi)情資料[21-22]聯(lián)系起來，對3種干旱指數(shù)在寧夏中部干旱帶的適用性進行驗證。相關(guān)文獻記載，1982年，是歷史上少見的干旱嚴重年份，出現(xiàn)春、夏、秋連旱；1987年，全區(qū)各地P比常年平均值少1～5成，除6月偏多外，其余11個月均比常年少，出現(xiàn)冬、春、夏、秋連旱，是1949年以來第3個大旱年；2009年3月至7月末期，發(fā)生嚴重春、夏連旱。

表5　3種干旱指數(shù)在不同時間尺度的趨勢分析

注：*表示通過了95%的顯著性檢驗。

以鹽池站為例，1982年，春季P偏少39%，ET0偏多5%，夏季P偏少56%，ET0偏多9%，秋季P偏少19%，ET0偏少3%，SPI在春、夏、秋季的監(jiān)測結(jié)果為無旱、重旱、無旱，SPEI監(jiān)測結(jié)果為中旱、重旱、無旱，K指數(shù)監(jiān)測結(jié)果為中旱、重旱、中旱，顯然K指數(shù)監(jiān)測結(jié)果更符合歷史事實，SPEI在春夏兩季監(jiān)測結(jié)果較好，秋季監(jiān)測結(jié)果過輕；1987年，冬季P偏多7%，ET0偏多10%，春季P偏少49%，ET0偏多5%，夏季P偏少17%，ET0偏多5%，秋季P偏少46%，ET0偏多10%，SPI在冬、春、夏、秋季的監(jiān)測結(jié)果為無旱、中旱、無旱、輕旱，SPEI監(jiān)測結(jié)果為無旱、中旱、中旱、無旱，K指數(shù)監(jiān)測結(jié)果為中旱、重旱、中旱、重旱，可以看出K指數(shù)監(jiān)測結(jié)果更符合歷史事實，SPI和SPEI指數(shù)監(jiān)測結(jié)果過輕；2009年，春季P偏少33%，ET0偏多1%，夏季P偏多22%，ET0偏少5%，SPI在春、夏季的監(jiān)測結(jié)果均為無旱，SPEI監(jiān)測結(jié)果均為輕旱，K指數(shù)監(jiān)測結(jié)果為中旱、輕旱，可見K指數(shù)和SPEI監(jiān)測結(jié)果更符合歷史事實，SPI監(jiān)測結(jié)果過輕。

表6　寧夏中部干旱帶不同時間尺度P和ET0等統(tǒng)計參數(shù)

以上分析表明，SPI是對某一時間尺度(比如1月、3月、6月)的累計降水量進行正態(tài)標準化得到的，對P比較敏感，適合多尺度多空間比較，但是寧夏中部干旱帶P年內(nèi)分配很不均勻，所以其對春、夏、秋、冬及作物生長季的評估效果略差；SPEI是通過計算某一時間尺度P與ET0的差值并進行正態(tài)標準化處理得到的，但是本文中通過FAO-56 Penman-Monteith公式計算所得ET0基本為P的3～10倍(表6)，P與ET0的差值主要由ET0來決定，如此進行干旱評估有些放大ET0在干旱中的作用，故SPEI并不適合寧夏中部干旱帶在各個時間尺度的干旱評估；K指數(shù)是P、ET0等氣象要素的綜合反映，能夠有效反應(yīng)寧夏中部干旱帶的干旱情況，其評估結(jié)果基本與歷史事實相符?？偟膩碚f，K指數(shù)是P的相對變率與ET0相對變率的比值，這相當于對指數(shù)進行了標準化，消除了由于不同時空P、ET0量級不同而產(chǎn)生的影響，使得干旱標準便于統(tǒng)一，能夠有效反應(yīng)寧夏中部干旱帶的干旱情況，其評估結(jié)果基本與歷史干旱事實相符。

4　結(jié) 論

(1) 3種干旱指數(shù)在春、夏、秋及作物生長季對干旱發(fā)生及其等級的綜合評價沒有顯著差異，在冬季的相關(guān)系數(shù)偏低，其中SPI和SPEI、SPEI和K指數(shù)在冬季的相關(guān)系數(shù)尤其低。

(2) 春、夏及作物生長季，SPEI和K指數(shù)判別的干旱情況比較接近，SPI判別的干旱程度略輕，秋季和冬季，3種指數(shù)判別的干旱情況差異較大，其中K指數(shù)判別的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判別的干旱程度最輕；綜合來看，K指數(shù)對干旱強度判別的敏感性最強。

(3) 4個站點春、夏、秋、冬及作物生長季的SPI、SPEI和K指數(shù)序列的M-K法趨勢分析結(jié)果相似，均能表示出寧夏中部干旱帶干旱的變化趨勢。

(4)K指數(shù)是P、ET0等氣象要素的綜合反映，相比于SPI、SPEI能夠有效反映寧夏中部干旱帶的干旱情況，其評估結(jié)果基本與歷史干旱事實相符。

本文所得出的結(jié)論與王素艷等[2]用幾種干旱指數(shù)在寧夏的應(yīng)用分析結(jié)果相一致，但是本文中并未研究K指數(shù)是否放大了寧夏中部干旱帶的干旱事實，其干旱等級劃分標準是否需要修正還需進一步的研究。

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