谷鑫鑫 司劍華 盧素錦 桂子菊 謝得娟 趙梓祺 李樹森 李紅梅 尤其明

摘要：依據(jù)黃河源區(qū)9個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2017年降水資料，以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）作為干旱指標(biāo)，計(jì)算多時(shí)間尺度下的SPI指數(shù)，對(duì)黃河源區(qū)歷史時(shí)期的時(shí)空干濕變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：21世紀(jì)初之前黃河源區(qū)干濕交替，變化幅度較大，21世紀(jì)后濕潤(rùn)強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)且在1961—2017年近57年里總體上是向澇（濕潤(rùn)化）的趨勢(shì)發(fā)展;季尺度下黃河源區(qū)出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的概率比旱災(zāi)的大，其中夏季出現(xiàn)中澇的概率較大，約達(dá)50%，而秋季則較容易出現(xiàn)輕旱和輕澇，概率均高達(dá)45%以上;黃河源區(qū)南部地區(qū)發(fā)生重旱及以上旱災(zāi)的頻率較低，發(fā)生重澇及以上強(qiáng)度濕潤(rùn)化的頻率較大;東北部地區(qū)較易發(fā)生重旱、中旱、輕澇、重澇;西部地區(qū)發(fā)生特旱特澇的頻率相對(duì)較高。研究黃河源區(qū)歷史時(shí)期干濕變化特征分析，為黃河源區(qū)防汛抗旱提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃河源區(qū);干濕;標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù);多尺度

中圖分類號(hào)： S161.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2019）23-0307-06

隨著全球氣候變暖，各地受到不同程度不同種類的干旱和洪澇災(zāi)害，位于青藏高原腹地的三江源區(qū)也不例外。三江源區(qū)被稱為“中華水塔”，位于青藏高原腹地（89°24′～102°23′E，31°39′～36°16′N），是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，總面積達(dá)36.3萬km2，海拔3 335～6 565 m[1]。三江源區(qū)具有生態(tài)儲(chǔ)水、供水、氣候調(diào)節(jié)等非常重要的生態(tài)功能，在我國(guó)乃至亞洲的水環(huán)境安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。但受全球氣候變化的影響，三江源區(qū)的氣象、水文環(huán)境都發(fā)生了明顯的變化[3]。近年來，三江源區(qū)降水量和降水天數(shù)呈減少趨勢(shì)，蒸發(fā)量增加，干旱化趨勢(shì)明顯，對(duì)植被生長(zhǎng)起重要作用的夏季降水量呈明顯減少的趨勢(shì)。

干旱是一種對(duì)環(huán)境危害很大的自然災(zāi)害，不同地區(qū)有著不同的地理狀況和氣候特點(diǎn)，對(duì)干旱的定義也不同，要定量化地研究干旱，離不開干旱指數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來預(yù)測(cè)、評(píng)估旱情的發(fā)生、發(fā)展和變化情況，就可以為水資源持續(xù)合理利用提供科學(xué)依據(jù)[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外常用且評(píng)價(jià)效果較為理想的干旱指數(shù)有降水距平百分率、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）[5]、地表水分供應(yīng)指數(shù)（SWSI）[6]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）[7-8]、Z-Score指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[9]。其中，McKee等提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）[7]不僅在計(jì)算過程中消除了降水的時(shí)空分布差異，在各區(qū)域和各時(shí)段都能有效地反映旱澇狀況，而且對(duì)干旱情況反應(yīng)靈敏，滿足不同水資源狀況分析的要求，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、指標(biāo)不涉及具體的干旱機(jī)理、適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛[7]。研究者用SPI指數(shù)方法針對(duì)青藏高原地區(qū)也做了不少研究。史律梅等利用甘南州及周邊地區(qū)33個(gè)氣象臺(tái)站1965—2013年的降水和溫度數(shù)據(jù)，比較分析了降水距平指數(shù)（Pa）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）對(duì)高寒草地干旱響應(yīng)的有效性[10-11];李紅梅等利用青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)5個(gè)地區(qū)1961—2005年降水資料和實(shí)際干旱受災(zāi)面積資料，分析了降水距平百分率（Pa）、SPI指數(shù)、Z指數(shù)、K指數(shù)4個(gè)干旱指標(biāo)在這些地區(qū)的適用性，結(jié)果顯示這些指數(shù)在氣象干旱預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及評(píng)估中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[12]。

三江源區(qū)、黃河源區(qū)的研究主要集中在氣溫、降水等方面，而對(duì)于黃河源區(qū)干濕變化特征的研究寥寥無幾，因此無法對(duì)發(fā)生的干旱、洪澇災(zāi)害提供正確的應(yīng)對(duì)措施。本研究以黃河源區(qū)9個(gè)地面氣象站為研究對(duì)象，通過各站點(diǎn)歷年（1961—2017年）的降水量資料，使用SPI可執(zhí)行程序計(jì)算SPI值，對(duì)所計(jì)算的SPI值用Excel和ArcGIS處理，并分析得到黃河源區(qū)歷史時(shí)期干濕變化的時(shí)空特征。為黃河源區(qū)未來的防汛抗旱提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河干流唐乃亥水文站至河源之間（95°53′～103°24′E，32°09′～36°07′N）的區(qū)域統(tǒng)稱為黃河源區(qū)，面積約為 12.19萬km2。位于青海、甘肅及四川3省的交界地帶，共覆蓋若爾蓋、久治、瑪多等16個(gè)縣。氣候類型為高寒半干旱-半濕潤(rùn)氣候，主要特征為晝夜溫度變化大且日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈。源區(qū)內(nèi)高寒植被分布廣泛，主要植被類型是高寒草原和高寒草甸。受西南季風(fēng)的影響和秋季降雨量多，致年均降水量在320～750.5 mm之間。但該區(qū)域連年發(fā)生干旱、雪災(zāi)等自然災(zāi)害極大地影響了黃河源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展[13-14]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 站點(diǎn)的選取

2.1.1 研究站點(diǎn) 選擇青海省境內(nèi)的黃河源區(qū)域的9個(gè)站點(diǎn)作為研究對(duì)象，詳細(xì)信息見表1。

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 1961—2013年氣象數(shù)據(jù)降水量的收集 本研究中9個(gè)站點(diǎn)的1961—2013年降水量的數(shù)據(jù)是從青海省氣候中心收集的。

2.2.2 2014—2017年氣象數(shù)據(jù)降水量的測(cè)定 研究中2014—2017年的氣象數(shù)據(jù)降水量由實(shí)地測(cè)量獲得，全年 365 d 人工定時(shí)觀測(cè)降水量，每天進(jìn)行2次（08：00、20：00）定時(shí)觀測(cè)。降水量測(cè)量按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[15]進(jìn)行，采用15184稱重式雨量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，15184稱重式雨量計(jì)能精準(zhǔn)測(cè)量降雨量和降雪量，將雨量計(jì)固定在避風(fēng)且與地面平齊的地方，采用固定圍欄高度與雨量計(jì)受水口高度相同，中央安置雨量計(jì)的方法來避免風(fēng)對(duì)降水的影響，記錄保留1位小數(shù)。

2.3 研究方法

利用黃河源區(qū)9個(gè)站點(diǎn)的1961—2017年近57年的降水量，計(jì)算SPI。由SPI的旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分旱澇的等級(jí)，分析黃河源區(qū)的時(shí)空干濕變化特征。

2.3.1 SPI原理 把以“月”為單位的降水序列用滑動(dòng)求和得到所給時(shí)間尺度的降水累計(jì)序列，將Γ分布（伽馬分布）表示的降水分布標(biāo)準(zhǔn)化得到標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率分布，由它的累計(jì)概率查得相對(duì)應(yīng)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的變量值，即SPI值。

本研究中發(fā)現(xiàn)，黃河源區(qū)21世紀(jì)后濕潤(rùn)化程度有增加的趨勢(shì)，且在1961—2017年近57年里總體上呈現(xiàn)出向濕潤(rùn)化發(fā)展的趨勢(shì)。本研究結(jié)果與魏永亮等的研究結(jié)果[22-23]一致，但與趙志平等的研究結(jié)果[24]不一致，所以，蒸發(fā)散對(duì)干濕變

化特征是否影響較大還需要進(jìn)一步研究。

本研究中，季尺度下的黃河源區(qū)發(fā)生輕澇的頻次比較大，發(fā)生旱災(zāi)的頻次較低，與陳海莉等的研究結(jié)果[25]一致。春季易旱、夏秋季易澇與汪青春等的研究結(jié)果[26]一致，但春季發(fā)生旱的頻率與汪青春等的研究結(jié)果顯示有偏差?？赡芤?yàn)檠芯繀^(qū)域及年限的不同，導(dǎo)致了結(jié)果有所差異。近些年關(guān)于黃河源區(qū)季節(jié)性的干濕變化特征并未見到相關(guān)報(bào)道，本研究可為未來黃河源區(qū)季節(jié)性旱澇預(yù)警與防治提供依據(jù)。

研究過程中還發(fā)現(xiàn)，SPI指數(shù)雖然可以很好地表示黃河源區(qū)干濕變化及時(shí)空特征，但是還不夠全面，不能準(zhǔn)確地解釋黃河源區(qū)干濕狀況變化發(fā)生的機(jī)制，關(guān)于黃河源區(qū)的干濕變化發(fā)生機(jī)制將有待于進(jìn)一步研究。

本研究通過對(duì)黃河源區(qū)9個(gè)地面氣象站點(diǎn)1961—2017年近57年降水量數(shù)據(jù)的處理，分析了黃河源區(qū)歷史時(shí)期干濕變化特征，得出了以下結(jié)論：

（1）隨著研究SPI指數(shù)的時(shí)間尺度增加，SPI值受短期降水的影響減小，干濕變化相對(duì)穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，周期性更加明顯。在21世紀(jì)初，黃河源區(qū)的不同尺度SPI指數(shù)的波動(dòng)幅度都較大，表明黃河源區(qū)近些年早期屬于干濕交替;21世紀(jì)后，干濕變化相對(duì)穩(wěn)定，主要以洪澇災(zāi)害為主。（2）黃河源區(qū)1961—2017年近57年在季尺度下的干濕變化特征是源區(qū)出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的概率比旱災(zāi)的大，其中春季易發(fā)生輕旱，夏季易發(fā)生中澇，秋季易發(fā)生輕澇。（3）黃河源區(qū)的南部地區(qū)發(fā)生重旱及以上旱災(zāi)的頻率較低，發(fā)生重澇及更高強(qiáng)度洪澇災(zāi)害的頻率較大;東北部地區(qū)較容易發(fā)生重旱、中旱、輕澇、重澇;西部地區(qū)發(fā)生特旱、特澇的頻率相對(duì)較高。（4）黃河源區(qū)的干旱、洪澇災(zāi)害以輕旱和輕澇為主，總體趨勢(shì)是向濕潤(rùn)強(qiáng)度增大的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳永富，劉 華，鄒文濤，等. 三江源高寒濕地動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析[J]. 林業(yè)科學(xué)，2012，48（10）：70-76.

[2]羅 磊. 青藏高原濕地退化的氣候背景分析[J]. 濕地科學(xué)，2005，3（3）：20-30.

[3]李萬壽. 20世紀(jì)黃河源頭水文水資源研究回顧與展望[J]. 青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，18（5）：50-53.

[4]劉 梅. 我國(guó)東部地區(qū)氣候變化模擬預(yù)測(cè)與典型流域水文水質(zhì)響應(yīng)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2015.

[5]Palmer W C. Meteorological drought[EB/OL]. [2018-01-01]https：//www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/drought/docs/palmer.pdf.

[6]Shafer B A，Dezman L E. Development of a Surface Water Supply Index （SWSI） to assess the severity of drought conditions in snowpack runoff areas[C]//Western Snow Conference .Proceedings of the 50th Annual Western Snow Conference. Colorado State University，F(xiàn)ort Collins，Colorado，1982：164-175.

[7]McKee T B，Doesken N J，Kleist J.The relationship of drought frequency andduration to time scales[C]//American Meteorological Society. Eighth Conference on Applied Climatology. Boston：American Meteorological Society，1993：179-184.

[8]McKee T B，Doesken N J，Kleist J. Drought monitoring with multiple time scales[C]//American Meteorological Society. Proceedings of the Ninth Conference on Applied Climatology. Boston：American Meteorological Society，1995：233-236.

[9]Sergio M，Vicente-Serrano，Beguería S，et al. A multiscalar drought index sensitive to global warming：the standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate，2010，23（7）：1696-1718.

[10]史津梅，唐紅玉，許維俊，等. 1959—2003年青海省干濕變化分析[J]. 氣候變化研究進(jìn)展，2007（6）：356-361.

[11]趙新來，李文龍，Guo X L，等. Pa、SPI和SPEI干旱指數(shù)對(duì)青藏高原東部高寒草地干旱的響應(yīng)比較[J]. 草業(yè)科學(xué)，2017，34（2）：273-282.

[12]李紅梅，李 林，王振宇. 氣象干旱指標(biāo)在青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)的適用性研究[J]. 青海氣象，2010（2）：25-28.

[13]文 軍，藍(lán)永超，蘇中波，等. 黃河源區(qū)陸面過程觀測(cè)和模擬研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26（6）：575-585.

[14]Logan K E，Brunsell N A，Jones A R，et al. Assessing spatiotemporal variability of drought in the U.S. central plains[J]. Journal of Arid Environments，2010，74（2）：247-255.

[15]中國(guó)氣象局. 地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M]. 北京：氣象出版社，2003.

[16]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).氣象干旱等級(jí)：GB/T 20481—2017[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[17]黃晚華，楊曉光，李茂松，等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的中國(guó)南方季節(jié)性干旱近58年演變特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（7）：50-59.

[18]韓海濤，胡文超，陳學(xué)君，等. 三種氣象干旱指標(biāo)的應(yīng)用比較研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（1）：237-247.

[19]張苗苗. 基于SPI的近51年晉北地區(qū)旱澇變化及干旱事件時(shí)空特征研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2018，32（3）：138-144.

[20]肖麗英. 基于SPI的鄱陽(yáng)湖流域多尺度旱澇變化規(guī)律的研究[J]. 南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，36（3）：24-27，36.

[21]羅那那，巴特爾·巴克，吳燕鋒. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的北疆地區(qū)近52年旱澇變化特征[J]. 水土保持研究，2017，24（2）：293-299.

[22]魏永亮，韓方昕，解文璇. 三江源地區(qū)近53年降水變化特征分析[J]. 青海農(nóng)林科技，2015，98（2）：45-48.

[23]史津梅，唐紅玉，許維俊，等. 1959—2003年青海省干濕變化分析[J]. 氣候變化研究進(jìn)展，2007，3（6）：356-361.

[24]趙志平，關(guān) 瀟，李 果，等. 近45年來青海三江源區(qū)干濕變化的趨勢(shì)分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2017，31（4）：148-153.

[25]陳海莉，周 強(qiáng)，劉峰貴. 青海省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)時(shí)空分布規(guī)律[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，10（5）：57-60.

[26]汪青春，白彥芳. 青海省近四十年來的旱澇變化研究[J]. 青海氣象，2000（3）：15-22.

收稿日期：2018-12-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)基金（編號(hào)：31760147）;青海省科技廳項(xiàng)目（編號(hào)：2016-HZ-811）;青海省科技廳項(xiàng)目（編號(hào)：2017-ZJ-731）。

作者簡(jiǎn)介：谷鑫鑫（1995—），女，河南周口人，碩士，主要從事森林培育研究。E-mail：1372769484@qq.com。

通信作者：司劍華，教授，主要從事森林培育研究。E-mail：sijianhua1@163.com。