牛文娟

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400020)

0 引 言

干旱現(xiàn)象常常伴隨著區(qū)域水分的減少而出現(xiàn)，長(zhǎng)期的干旱易造成旱災(zāi)[1]。西南地區(qū)近60年由于干旱現(xiàn)象的逐年加劇，造成旱災(zāi)發(fā)生頻率逐年提高，平均損失率明顯高于全國(guó)平均水平[2]。渝東北地區(qū)位于三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)，河流眾多，河川徑流資源極為豐富，是我國(guó)的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)。但極端季節(jié)性干旱的發(fā)生對(duì)當(dāng)?shù)匕l(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，因此研究渝東北地區(qū)干旱的時(shí)空分布特征，對(duì)當(dāng)?shù)胤篮嫡咧贫ê退Y源保護(hù)具有重要意義。

隨著研究的發(fā)展，常以干旱指數(shù)表征干旱現(xiàn)象的基本特征。HUANG[3]等基于NMSDI計(jì)算得到全國(guó)干旱總體特征。張[4]等分析了惠州市的干旱特征，并得出相關(guān)防旱建議。王[5]等基于多種氣象干旱指數(shù)構(gòu)建了自貢地區(qū)干旱氣象指標(biāo)優(yōu)化模型。龍[6]等利用水文干旱指數(shù)計(jì)算阿克蘇流域干旱指數(shù)，并分析了干旱分布規(guī)律；陳[7]等利用Copula函數(shù)對(duì)遼寧省農(nóng)業(yè)氣象干旱特征進(jìn)行了分析；金[8]等利用UNEP指數(shù)計(jì)算了西藏地區(qū)干旱指數(shù)。其中，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)可綜合考慮降水與干旱的關(guān)系，在干旱表征研究中的應(yīng)用較廣泛。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，簡(jiǎn)稱SPI)能夠較好地反映干旱強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間以及干旱事件的時(shí)空效應(yīng)。SPI于1993年被McKee[9]等提出，因只需要降水?dāng)?shù)據(jù)，并且可以計(jì)算不同時(shí)間尺度的干旱過程，被廣泛應(yīng)用于干旱表征中。在國(guó)外，SPI被用于計(jì)算全球范圍的干旱變化過程(Mueller和Seneviratne[10])，廣泛用于美國(guó)(Guttman[11]、Hayes[12]等)、加拿大(Quiring和Papakryiakou[13])、印度(Bhuiyan[14]等)、歐洲(Lloyd-Hughes和Saunders[15])、西非(Ntale和Gan[16])等地區(qū)的干旱研究。在國(guó)內(nèi)，SPI被用于計(jì)算全國(guó)范圍的干旱變化過程(Xu[17]等)。在我國(guó)的南方地區(qū)(黃晚華[18]等)、東北地區(qū)(鄒文秀[19]等)、華北地區(qū)(He[20]等)、新疆(Zhang[21]等)等地區(qū)也有廣泛應(yīng)用。

XU[22]等利用SPI計(jì)算我國(guó)西南地區(qū)的干旱變化情況，認(rèn)為SPI適用于渝東北區(qū)干旱狀況的計(jì)算?？梢?，SPI適用于不同的地區(qū)，方法也相對(duì)成熟，可以用于渝東北區(qū)干旱的時(shí)空分析計(jì)算。

Yevjevich[23]等采用閾值截?cái)喾椒ǎ瑥囊痪S干旱指標(biāo)序列中提取干旱歷時(shí)、烈度、強(qiáng)度等特征變量。Lloyd-Hughes[24]等把干旱看作一個(gè)由經(jīng)度、緯度、時(shí)間組成三維結(jié)構(gòu)體，從三維的角度對(duì)1901-2006年間歐洲的干旱事件進(jìn)行識(shí)別，提取出干旱歷時(shí)、烈度、干旱中心等特征變量。為了綜合分析渝東北區(qū)干旱的時(shí)空發(fā)展規(guī)律，本文將在計(jì)算干旱指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)渝東北區(qū)進(jìn)行三維干旱事件識(shí)別，并計(jì)算干旱歷時(shí)、影響面積、烈度、強(qiáng)度和干旱中心這5個(gè)特征變量。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

渝東北地區(qū)分布于長(zhǎng)江干流沿岸，涉及11個(gè)區(qū)縣，幅員面積33 904 km2，占重慶市幅員面積的41.1%。渝東北片區(qū)靠近大巴山暴雨區(qū)，夏秋季受暖濕氣流影響，暴雨極端氣候頻發(fā)，年內(nèi)降水時(shí)空分布不均，季節(jié)性干旱嚴(yán)重。

降水?dāng)?shù)據(jù)為空間分辨率為0.1°的地面降水網(wǎng)格數(shù)據(jù)(http://westdc.westgis.ac.cn)，時(shí)間分辨率為3 h，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制良好，可滿足本研究所需數(shù)據(jù)的基本要求。

2 研究方法

本文涉及的計(jì)算方法主要有干旱指數(shù)的計(jì)算、三維干旱事件的識(shí)別以及干旱事件中5個(gè)特征變量的計(jì)算。

2.1 SPI計(jì)算

SPI是表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)之一，采用Gamma分布概率來描述降雨量的變化。SPI>-0.5時(shí)，無(wú)旱；-1≤SPI<-0.5時(shí)，輕旱；-1.5≤SPI<-1時(shí)，中旱；-2≤SPI<-1.5時(shí)，重旱；SPI≤-2時(shí)，特旱。

2.2 三維干旱事件的識(shí)別

通過對(duì)研究區(qū)SPI的計(jì)算，得到研究區(qū)每個(gè)網(wǎng)格每個(gè)月的SPI。為了研究橫斷山研究區(qū)干旱時(shí)間空間發(fā)展規(guī)律，需要對(duì)干旱事件進(jìn)行識(shí)別。

干旱事件的識(shí)別最早是在2005年由Andreadis[25]等提出的，然后在2012年由Lloyd-Hughes[24]改進(jìn)，目的是將干旱定義成一個(gè)連續(xù)的時(shí)空過程。干旱事件的識(shí)別步驟如下：

第一步：定義干旱單元。干旱指數(shù)閾值取-1，即SPI<-1時(shí)定義為干旱狀態(tài)。本文選取每個(gè)月SPI小于-1的網(wǎng)格看做一個(gè)干旱單元。每一個(gè)干旱單元可以表示為一個(gè)包含經(jīng)度、緯度、時(shí)間和干旱指數(shù)的數(shù)組。本文利用1979-2015年的月累計(jì)降雨數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.1度。所以最后求出的干旱指數(shù)是一個(gè)30×27×444×1的四維數(shù)組。

第二步：定義一個(gè)面積閾值。在對(duì)干旱單元聚類分析得到干旱事件的過程中，需要對(duì)面積閾值進(jìn)行定義。Sheffield[26]等發(fā)現(xiàn)過小的面積閾值會(huì)導(dǎo)致定義的干旱事件連通性不夠、干旱持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)；過大的面積閾值會(huì)使原本是大尺度的干旱事件分裂成很多小的事件。WANG[27]等和XU[22]等推薦研究區(qū)總面積的1.6%作為一個(gè)面積閾值，對(duì)于渝東北研究區(qū)，面積閾值取538 km2。

第三步：定義干旱事件。當(dāng)相鄰兩個(gè)月的干旱單元的重疊面積大于面積閾值，則這兩個(gè)月的干旱事件是同一個(gè)干旱事件。對(duì)于渝東北區(qū)，本文根據(jù)已經(jīng)得到的干旱指標(biāo)值，用arcgis10.2在空間上進(jìn)行重分類，并把任意相鄰兩個(gè)月的干旱面積進(jìn)行裁剪，當(dāng)兩個(gè)干旱單元的重疊面積大于面積閾值時(shí)，定義為同一個(gè)干旱事件。當(dāng)一個(gè)干旱單元與上一個(gè)干旱單元的重疊面積小于面積閾值，而與下一個(gè)干旱單元的重疊面積大于面積閾值時(shí)，記為此次干旱事件的開始；當(dāng)一個(gè)干旱單元與上一個(gè)干旱單元的重疊面積大于面積閾值，而與下一個(gè)干旱單元的重疊面積小于面積閾值時(shí)，記為此次干旱事件的結(jié)束。

2.3 干旱事件的4個(gè)特征變量計(jì)算

干旱事件的特征由4個(gè)指標(biāo)來表示，定義如下：

1) 干旱歷時(shí)(D)。干旱歷時(shí)是指干旱從開始到結(jié)束所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)度，即干旱事件的持續(xù)時(shí)間，單位為月。對(duì)于渝東北區(qū)，根據(jù)2.2節(jié)得到的干旱事件，同一個(gè)干旱事件的干旱歷時(shí)即為干旱從開始到結(jié)束的時(shí)間差。

2) 干旱影響面積(A)。干旱影響面積是指干旱掃過的面積，即同一個(gè)干旱事件，從開始到結(jié)束整個(gè)過程中所有的干旱單元的最大投影面積，單位為km2。

3) 干旱烈度(S)。干旱烈度是一個(gè)綜合表示干旱指數(shù)、持續(xù)時(shí)間和影響范圍的指標(biāo)，可以很直觀地表示干旱的嚴(yán)重程度。

4) 干旱強(qiáng)度(I)。干旱強(qiáng)度代表干旱事件過程的劇烈程度，等于干旱烈度與干旱歷時(shí)和干旱面積之間的比值。

3 結(jié)果與討論

本文選用標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)(SPI)，對(duì)渝東北區(qū)的干旱進(jìn)行研究。本文利用上文提到的0.1°×0.1°降水網(wǎng)格數(shù)據(jù)，計(jì)算得到1979年1月至2015年12月的SPI的三維矩陣。根據(jù)2.2節(jié)中的干旱識(shí)別方法，對(duì)1979-2015年進(jìn)行干旱識(shí)別，得到1979-2015年每個(gè)月的干旱面積(圖1-圖3)。

圖1 1979-1989年每月的干旱面積百分率Fig.1 Percentage of drought area per month during 1979-1989

圖2 1990-2000年每月的干旱面積百分率Fig.2 Percentage of drought area per monthduring 1990-2000

圖3 2001-2015年每月的干旱面積百分率Fig.3 Percentage of drought area per monthduring 2001-2015

從整體上來看，渝東北區(qū)的干旱情況在上世紀(jì)80年代較輕，90年代最重，到21世紀(jì)有頻率增加的趨勢(shì)。根據(jù)干旱指標(biāo)閾值(SPI<-1)以及最小干旱面積閾值(538 km2)，得到受旱區(qū)域的平均面積為63.16%，受旱面積大于60%的有19個(gè)月，主要集中在20世紀(jì)90年代，其中1988年4月、1990年9-10月、1997年10月干旱面積達(dá)到整個(gè)研究區(qū)面積的100%；特旱面積大于10%的有21個(gè)月，主要集中在90年代和2000年之后，其中1997年10月特旱面積最大，達(dá)到整個(gè)研究區(qū)面積的79.81%，其次是2006年8月，特旱面積達(dá)到整個(gè)研究區(qū)面積的75.08%。從干旱發(fā)展的過程來看，90年代重旱特旱持續(xù)時(shí)間雖短但來勢(shì)兇，程度重，干旱級(jí)別高；2000年以后重旱特旱雖然比例不大，但連續(xù)發(fā)生干旱的時(shí)間較長(zhǎng)。

單獨(dú)看每個(gè)月的干旱情況并不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)一次干旱過程的嚴(yán)重程度，還需要進(jìn)一步的分類提取。本文對(duì)1979年1月至2015年12個(gè)月每個(gè)月的干旱指數(shù)進(jìn)行了聚類分析，得到1979-2015年期間，持續(xù)3個(gè)月及以上的干旱共有24場(chǎng)，其中80年代共發(fā)生4場(chǎng)，90年代共發(fā)生5場(chǎng)，2000年以后發(fā)生15場(chǎng)。圖4是用烈度表示的渝東北區(qū)干旱的時(shí)間分布規(guī)律，烈度是表示干旱嚴(yán)重程度的綜合指標(biāo)。從圖4中可以看出，80年代干旱事件發(fā)生較少，烈度較低，多為小于3個(gè)月的偶然性干旱，很快得到緩解；90年代干旱多次發(fā)生，烈度值普遍較高，每次干旱持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短；2000年以后，干旱事件頻繁，2000-2006年極端干旱事件頻繁，2008年以后干旱強(qiáng)度有所緩解，但發(fā)生頻率有所增加。

圖4 1979-2015年干旱事件烈度分布圖Fig.4 Temporal variation of drought severity during 1979-2015

表1為渝東北地區(qū)1979-2015年的干旱事件。其中，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響范圍最大、烈度最強(qiáng)的干旱事件發(fā)生在1997年5月，到1997年11月干旱才得到緩解，干旱歷時(shí)達(dá)到7個(gè)月，影響范圍達(dá)到整個(gè)研究區(qū)的100%。強(qiáng)度最大的干旱發(fā)生在2008年的5月，到2008年8月干旱緩解。

表1 1979-2015年渝東北地區(qū)干旱事件Tab.1 Drought events in Northeast Chongqing during 1979-2015

續(xù)表1

此外，發(fā)生于2001年4月的干旱事件，到2001年11月才緩解，干旱歷時(shí)8個(gè)月，研究區(qū)99.05%的面積受到影響；發(fā)生于2006年 5月的干旱事件，到2006年10月緩解，干旱歷時(shí)6個(gè)月，影響范圍達(dá)到研究區(qū)的100%。2008-2015年期間干旱發(fā)生的越來越頻繁，幾乎每年都有連續(xù)超過3個(gè)月時(shí)間的干旱面積超過研究區(qū)面積的40%，干旱發(fā)生的頻率增大。

經(jīng)過歸納統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，干旱主要發(fā)生在3-12月份，其中春旱發(fā)生的頻率為18.4%，夏旱發(fā)生的頻率為36.8%，秋旱和冬旱發(fā)生的頻率分別為26.3%和18.4%。渝東北地區(qū)夏旱秋旱頻發(fā)，且重大干旱事件1997年5-11月也主要是由于夏秋連旱，持續(xù)時(shí)間、發(fā)生強(qiáng)度大。

4 結(jié) 論

本文利用SPI計(jì)算1979-2015年間渝東北區(qū)干旱指數(shù)提取干旱事件發(fā)現(xiàn)，渝東北區(qū)的干旱狀況在上世紀(jì)80年代較輕，90年代最重，到21世紀(jì)有頻率增加的趨勢(shì)。從每個(gè)月的干旱面積來看，1997年10月最為嚴(yán)重，特旱面積最大，其次是在2006年8月；從干旱的連續(xù)性來看，1997年5-11月的干旱事件最為嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍最廣。經(jīng)過歸納統(tǒng)計(jì)，渝東北地區(qū)夏旱秋旱頻發(fā)，夏秋連旱影響最大，為以后渝東北區(qū)的抗旱工作提供了依據(jù)。