毛文靜 牛 俊*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心,北京 100083; 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,北京 100083)

干旱持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣是當(dāng)前世界最為常見的自然災(zāi)害之一,對(duì)農(nóng)業(yè)氣象構(gòu)成嚴(yán)重危害[1-2]。全球約有45%的土地受到干旱威脅,每年受旱災(zāi)影響的人口數(shù)超過其他任何一種氣象災(zāi)害,自20世紀(jì)70年代以來,干旱在中國造成的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)上千億元人民幣[3]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告指出,未來氣候變化加速了全球水文循環(huán),干旱發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步增加[4],給干旱預(yù)警和抗旱減災(zāi)帶了新的挑戰(zhàn)。

依照干旱對(duì)不同水循環(huán)要素的響應(yīng)結(jié)果,國內(nèi)外研究將干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱四類[5]。其中,氣象干旱與降水不足有關(guān),而土壤含水量的減少則會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱[6]。在天然狀態(tài)下,氣象干旱是農(nóng)業(yè)干旱形成的唯一外在驅(qū)動(dòng)力,氣象干旱發(fā)生,引起土壤含水量降低,若土壤水分得不到地下水的有效補(bǔ)給,則誘發(fā)農(nóng)業(yè)干旱[7]。這種水分缺失信號(hào)在不同類型干旱間的傳遞叫做干旱傳播[8]。干旱傳播是影響流域水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),研究區(qū)域干旱傳播,對(duì)流域水資源管理和干旱事件預(yù)警具有重要意義[9]。

國內(nèi)外對(duì)干旱傳播的研究主要聚焦于2個(gè)方面:分析干旱傳播的滯后時(shí)間和量化干旱的轉(zhuǎn)移能力[10]。有研究利用皮爾遜相關(guān)性等線性相關(guān)方法[11-12]確定干旱滯后時(shí)間,但干旱傳播具有聚集、衰減、滯后和延長的特性[13]。相較于線性模型,非線性關(guān)系對(duì)干旱傳播信息的捕捉更為準(zhǔn)確,如:Fang等[14]應(yīng)用基于熵理論的互信息檢測黃土高原氣象與水文干旱的非線性關(guān)系。此外相關(guān)研究常用聯(lián)合概率分布函數(shù)、貝葉斯概率論等模型分析干旱傳播特征:Sattar等[15]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,確定韓國氣象干旱傳播到水文干旱的滯后時(shí)間及不同等級(jí)水文干旱的發(fā)生概率;Zhu等[16]基于Copula模型分析氣象干旱條件下全球土壤水分干旱的發(fā)生概率及當(dāng)月氣象條件和前期土壤水分對(duì)土壤干旱的聯(lián)合影響。

渭河流域地處我國西北部,是黃河一級(jí)支流,位于濕潤氣候向半干旱氣候的過渡區(qū)域,干旱事件頻繁發(fā)生,嚴(yán)重限制了流域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。目前已有研究利用PDSI[17]、SSMI[18]等指數(shù)表征農(nóng)業(yè)干旱,并對(duì)渭河流域氣象-農(nóng)業(yè)干旱的季節(jié)動(dòng)態(tài)傳播時(shí)間及主要影響因素進(jìn)行研究,但渭河流域氣象-農(nóng)業(yè)干旱全年的相關(guān)性、傳播時(shí)間以及干旱特征演變等問題仍未得到解決。因此,本研究擬以渭河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于降水、土壤濕度等氣象數(shù)據(jù),分別用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)(SSMI)表征氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱,采用皮爾遜相關(guān)法分析氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的傳播時(shí)間,并使用游程理論識(shí)別干旱事件,構(gòu)建基于Copula函數(shù)的氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征關(guān)系模型,量化干旱傳播閾值及干旱特征變量在不同重現(xiàn)期的最可能組合,以期為渭河流域農(nóng)業(yè)干旱的早期預(yù)警和防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

渭河是黃河的第一大支流,發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山,自西向東流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西三省(自治區(qū)),于陜西省潼關(guān)縣匯入黃河,河流全長818 km,流域面積為13.4萬km2。渭河流域位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均降水量為500～800 mm,空間分布上從東南向西北遞減;年平均氣溫為7.8～13.5 ℃,多年平均徑流量為74.9億m3;年水面蒸發(fā)量為700～1 000 mm,陸面蒸發(fā)量約為500 mm,屬于資源性缺水地區(qū)。渭河流域支流眾多,其中涇河是渭河的最大支流,北洛河為第二大支流,因此本研究將渭河劃分為渭河干流、涇河流域和北洛河流域3個(gè)子流域。流域的主要土地利用類型為耕地、林地和草地,空間分布特征鮮明。渭河流域子流域及土地利用類型分詳見圖1。

圖1 渭河流域各子流域及土地利用類型分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1數(shù)據(jù)來源

本研究使用的氣象數(shù)據(jù)包括降水、氣溫和土壤濕度,時(shí)間覆蓋范圍為1981—2014年。降水和溫度數(shù)據(jù)來自于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.tpdc.ac.cn/)的中國逐月降水量數(shù)據(jù)集和中國逐月平均溫度數(shù)據(jù)集[19-22],空間分辨率為1 km。土壤濕度采用了全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS2.0)Noah陸面模式模擬的0～10 cm深度的月土壤重量含水量數(shù)據(jù)(https:∥earthdata.nasa.gov/),空間分辨率為0.25°×0.25°。GLDAS2有GLDAS2.0和GLDAS2.1 2個(gè)版本,具有不同的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。GLDAS2.0時(shí)間范圍覆蓋1948—2014年, GLDAS2.1覆蓋2000 年至今。因?yàn)镚LDAS2.0數(shù)據(jù)的時(shí)序覆蓋范圍長,較GLDAS2.1數(shù)據(jù)有更多驗(yàn)證[23],能夠更好的反映土壤濕度時(shí)空變化特征,因此本研究使用GLDAS2.0數(shù)據(jù)表征土壤濕度。

土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/),獲取了1980年代末期、1990年、2000年和2010年4期土地利用數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km,土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個(gè)一級(jí)類型以及25個(gè)二級(jí)類型。

1.2.2數(shù)據(jù)處理

采用雙線性內(nèi)插法重采樣土壤濕度數(shù)據(jù),以統(tǒng)一空間分辨率為1 km。結(jié)合渭河流域4期土地利用數(shù)據(jù)及分類體系標(biāo)準(zhǔn),將渭河流域土地利用類型歸并劃分為耕地、林地、草地、變化用地和其他類型(水域、居民地和未利用土地),以保證劃分出的耕地、林地和草地不受土地利用類型變化的影響。流域具有顯著的空間異質(zhì)性,流域內(nèi)水文特征、地形地貌、覆蓋類型等差異顯著,對(duì)干旱的響應(yīng)關(guān)系也各不相同。為了更合理研究氣象干旱到農(nóng)業(yè)干旱的傳播,本研究依據(jù)各子流域的3類土地利用柵格分布,將渭河流域劃分為9個(gè)子區(qū),以分析不同子流域(渭河干流、涇河和北洛河)及不同土地利用類型(耕地、林地和草地)的干旱傳播特征。

2 研究方法

2.1 干旱指標(biāo)選取

標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)能進(jìn)行多時(shí)間尺度計(jì)算,且在時(shí)空上具有可比性。因此本研究分別選取標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)(SSMI)表征氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱。SPI考慮降水服從偏態(tài)分布,通過正態(tài)逆運(yùn)算得到標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)。SSMI的計(jì)算原理與SPI相似,SPI假定降水服從 Gamma 分布,但土壤水分沒有代表性的概率分布函數(shù),因此本研究通過 Gringorten 位置劃分公式[24]確定土壤濕度的經(jīng)驗(yàn)頻率分布P(xi),其計(jì)算公式如下:

(1)

式中:i為土壤濕度從變量最小值開始到其自身值的次序;n為觀測值的樣本總數(shù);xi為排序在第i個(gè)的土壤濕度數(shù)據(jù)。

本研究分別計(jì)算了1—12月時(shí)間尺度的SPI以及1個(gè)月尺度的SSMI。多尺度SPI可以反映前期累積降水不足的干旱情況,月尺度SSMI則能表征土壤水分的短期干旱狀況。SPI和SSMI干旱等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)一致,共分5級(jí),詳見表1。

表1 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度 指數(shù)的干旱等級(jí)統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 干旱傳播時(shí)間

當(dāng)月土壤水分短缺主要受前幾個(gè)月累積降水不足的影響,因此氣象干旱到農(nóng)業(yè)干旱的傳播時(shí)間,可以通過評(píng)估不同時(shí)間尺度的氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)間的相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)。本研究逐柵格計(jì)算了1個(gè)月時(shí)間尺度的SSMI與1月—12月時(shí)間尺度的SPI間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)和最大相關(guān)系數(shù),公式如下所示:

Rj=cor(SPIj,SSMI1), 1≤j≤12

(2)

Rmax=max1j12(Rj)=Rtp, 1≤tp≤12

(3)

式中:cor為皮爾遜相關(guān);j為時(shí)間尺度;SPIj為j個(gè)月尺度的SPI值;SSMI1為1個(gè)月尺度的SSMI值;Rmax為最大相關(guān)系數(shù);tp為最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的SPI時(shí)間尺度j,即干旱傳播時(shí)間。

2.3 干旱傳播影響因素

渭河流域地處干旱和濕潤區(qū)的過渡地帶,區(qū)域水熱條件變化對(duì)干旱傳播影響較大。目前已有研究多從降水或溫度出發(fā),分析單一氣象因子對(duì)干旱傳播過程的影響。但降水和溫度作為水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)和推動(dòng)因素,綜合影響著干旱的傳播進(jìn)程。因此本研究選取de Martonne干燥度指數(shù)(IdM),將這兩種重要的氣象因子結(jié)合起來,研究干旱傳播隨干燥度指數(shù)的變化特征及分布規(guī)律。de Martonne方法計(jì)算簡單,在我國的西北地區(qū)有較好的利用價(jià)值[25],計(jì)算公式如下:

(4)

式中:IdM為干燥度指數(shù);P為多年平均降水量,mm;T為多年平均氣溫,℃。干燥指數(shù)越小表明氣候越干燥,反之則越濕潤。

本研究計(jì)算渭河流域柵格尺度的de Martonne干燥度指數(shù),對(duì)干燥度值相同的柵格對(duì)應(yīng)的SPI-SSMI最大相關(guān)系數(shù)作均值處理,得到干燥度指數(shù)與SPI-SSMI相關(guān)系數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。之后使用Python中的pwlf包構(gòu)建SPI-SSMI相關(guān)系數(shù)隨干燥度指數(shù)變化的分段線性回歸模型。pwlf包基于分段線性最小二乘擬合的公式,通過差分進(jìn)化算法尋找輸入數(shù)據(jù)的最優(yōu)梯度變化點(diǎn)即斷點(diǎn),實(shí)現(xiàn)多分段線性函數(shù)的擬合。

2.4 干旱傳播模型構(gòu)建

2.4.1干旱事件識(shí)別與匹配

游程理論是識(shí)別干旱、洪澇等自然災(zāi)害事件最常用的方法之一[26]。該方法依據(jù)干旱的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定3個(gè)閾值R0、R1、R2分別為0、-0.5、-1,干旱事件的識(shí)別過程如下:

1)當(dāng)指數(shù)值

2)對(duì)于干旱歷時(shí)僅為1個(gè)月的干旱事件,若指數(shù)值>R2,則該干旱事件應(yīng)被剔除;

3)對(duì)于間隔時(shí)間為1個(gè)月的2個(gè)干旱事件,若間隔月份的干旱指數(shù)值

干旱事件從開始到結(jié)束的時(shí)間也就是負(fù)游程的長度定義為干旱歷時(shí),而該段負(fù)游程出現(xiàn)的面積為干旱烈度。本研究基于區(qū)域平均的SPI1和SSMI1序列,采用游程理論識(shí)別各分區(qū)氣象和農(nóng)業(yè)干旱事件,并提取干旱頻次、歷時(shí)與烈度。對(duì)于識(shí)別出的農(nóng)業(yè)干旱事件,選擇從該農(nóng)業(yè)干旱開始前的tp(tp為農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)時(shí)間)個(gè)月到該干旱事件結(jié)束期間的氣象干旱事件進(jìn)行匹配。

2.4.2基于Copula的干旱傳播模型

Copula函數(shù)作為一種多變量分析方法,能較好的擬合干旱多特征變量,并對(duì)多變量系統(tǒng)進(jìn)行條件概率分析、重現(xiàn)期分析等[27]。本研究選取指數(shù)(Exponential)、伽馬(Gamma)、正態(tài)(Normal)、對(duì)數(shù)正態(tài)(Lognormal)、對(duì)數(shù)邏輯(Loglogical)和威布爾(Weibull)共6種分布函數(shù),擬合匹配的氣象-農(nóng)業(yè)干旱事件的歷時(shí)和烈度,并通過K-S檢驗(yàn)選擇最優(yōu)的邊緣分布函數(shù)。

設(shè)X、Y分別表示氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱特征,其邊緣分布為FX(x)、FY(y)。由 Sklar定理可知,X和Y的聯(lián)合分布函數(shù)可以用一個(gè)二維Copula函數(shù)C表示[28]:

F(x,y)=C(FX(x),FY(y))

(5)

使用水文分析中常用的阿基米德Copula函數(shù)(Clayton、Frank、Gumbel)和橢圓Copula函數(shù)(Gaussian、t)構(gòu)建氣象-農(nóng)業(yè)干旱的聯(lián)合分布模型,采用AIC準(zhǔn)則和均方根誤差 RMSE檢驗(yàn)Copula函數(shù)的擬合優(yōu)度。

對(duì)氣象-農(nóng)業(yè)干旱的聯(lián)合分布函數(shù)F(x,y),在X≥x的條件下,Y≥y的條件概率為:

(6)

研究表明,中旱、重旱和特旱的臨界概率分別為 0.5、0.75和0.9[29]。本研究以氣象干旱特征變量為條件,計(jì)算不同氣象干旱條件下農(nóng)業(yè)干旱達(dá)到中旱、重旱和特旱的條件概率,并將條件概率等于0.95時(shí)對(duì)應(yīng)的氣象干旱特征值視為對(duì)應(yīng)等級(jí)下農(nóng)業(yè)干旱的觸發(fā)閾值[9]。

重現(xiàn)期是衡量干旱事件量級(jí)的重要指標(biāo),F(x,y)的同現(xiàn)重現(xiàn)期為:

(7)

式中:N為研究時(shí)段,本研究取值為 35年;n為研究時(shí)段內(nèi)由游程理論識(shí)別出的干旱次數(shù)。

對(duì)于任一重現(xiàn)期,理論上存在無數(shù)種變量組合,可以用一條重現(xiàn)期等值線來表示,等值線上的每個(gè)點(diǎn),都代表一組干旱特征變量。本研究選擇聯(lián)合概率密度函數(shù)最大的變量組合,作為兩變量聯(lián)合重現(xiàn)期下最可能出現(xiàn)的氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征,聯(lián)合概率密度的計(jì)算公式如下:

f(x*,y*)max=C(FX(x*),FY(y*))fX(x*)fY(y*)

(8)

式中:x*與y*為某一重現(xiàn)期下最可能出現(xiàn)的氣象與農(nóng)業(yè)干旱特征變量組合。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱傳播的滯后時(shí)間分析

渭河流域各子流域、土地利用類型分區(qū)的SSMI1與SPI1～SPI12序列間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)如圖2所示?？芍?渭河干流和涇河流域內(nèi)各土地利用類型的SSMI1與SPI3的相關(guān)性最強(qiáng);北洛河流域的SSMI1則與SPI2相關(guān)性最強(qiáng)。結(jié)果表明渭河干流和涇河流域氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的傳播時(shí)間為3個(gè)月,北洛河流域的干旱傳播時(shí)間為2個(gè)月。此外,北洛河流域的干旱傳播時(shí)間較短與該流域的特性有關(guān),由于北洛河流域具有典型的黃土高原地貌特征,溝深坡陡,植被稀少,水土流失嚴(yán)重,導(dǎo)致流域降水年內(nèi)分配不均,且多暴雨,暴雨后更容易產(chǎn)生徑流,對(duì)土壤水分的補(bǔ)給更少。因此,北洛河流域?qū)庀蟾珊档牡挚沽^弱,應(yīng)提前做好防范措施。

a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分別代表渭河干流耕地、渭河干流林地、渭河干流草地、涇河流域耕地、涇河流域林地、涇河流域草地、北洛河流域耕地、北洛河流域林地和北洛河流域草地。圖5和表2同。 a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2 and c3 respectively represent farmland of main stream, forestland of main stream, grassland of main stream, farmland of Jing River Basin, forestland of Jing River Basin, grassland of Jing River Basin, farmland of Beiluo River Basin, forestland of Beiluo River Basin and grassland of Beiluo River Basin. The same in Fig.5 and Table 2.

圖3為渭河流域各分區(qū)氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱最大相關(guān)系數(shù)的分布圖。SSMI與SPI的最大相關(guān)系數(shù)反映了氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的影響程度,相關(guān)系數(shù)越大,農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱的關(guān)系就越密切[12]?？芍?不同土地利用類型間比較,對(duì)耕地和草地,北洛河流域的氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性最強(qiáng),涇河流域次之,渭河干流最弱,而林地在渭河干流的相關(guān)性最強(qiáng);各流域內(nèi)部比較,渭河干流內(nèi)氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱的相關(guān)性表現(xiàn)為林地>耕地>草地,涇河和北洛河流域則為草地>耕地>林地?？傊?北洛河流域整體上相關(guān)性最強(qiáng),渭河干流的林地和涇河、北洛河流域的草地也表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖3 渭河流域各分區(qū)氣象干旱與農(nóng)業(yè) 干旱最大相關(guān)系數(shù)箱線圖

3.2 干旱傳播沿干燥度梯度的空間分異特征

圖4為渭河流域各分區(qū)氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性沿干燥度梯度變化的空間分異特征及各分段線性模型的斜率k和斷點(diǎn)IdM*?？梢姴煌恋乩妙愋驮谙嗤恿饔騼?nèi)表現(xiàn)出近似的變化趨勢。渭河干流整體干燥度較大,區(qū)域偏濕潤。其中:耕地表現(xiàn)為四階段變化,隨著區(qū)域濕潤程度的增加,氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性先緩慢降低,再快速增加和減小,最后以非常低的速率上升(圖4(a1));林地、草地的SPI-SSMI相關(guān)性隨干燥度的變化都表現(xiàn)為先增加、后減少、再增加,有2個(gè)斷點(diǎn),區(qū)別在于草地在前2個(gè)階段、環(huán)境條件較干燥時(shí)的變化速率明顯快于林地,而在最后階段的上升速率低于林地(圖4(a2)～(a3))。

在涇河流域,耕地、林地和草地的氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性分別以不同的速率顯著下降,其中林地的下降速率最快(圖4(b1)～(b3))。表明干燥度指數(shù)越大即越濕潤的地區(qū),農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度越弱,而林地干旱傳播對(duì)水熱條件的變化最敏感,這可能是由于濕潤地區(qū)特別是林地的水循環(huán)過程較為復(fù)雜,土壤水分還受除降水以外的其他因素影響。

在北洛河流域,SPI-SSMI相關(guān)系數(shù)與干燥度指數(shù)有較為顯著的分段線性關(guān)系和斷點(diǎn)。耕地、草地的變化趨勢接近,在第一分段點(diǎn)之前、整體偏干燥的地區(qū),隨著濕潤度增加,氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的影響逐漸減弱;在第一分界點(diǎn)與第二分界點(diǎn)之間,氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱的相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)短暫上升,這可能是由于該干燥度范圍內(nèi),蒸散發(fā)等其他因素對(duì)降水與土壤濕度相關(guān)性的干擾較弱;第二分界點(diǎn)之后,SPI-SSMI相關(guān)系數(shù)急劇下降,即當(dāng)區(qū)域達(dá)到一定濕潤程度后,農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度會(huì)迅速降低(圖4(c1)、(c3))。而林地SPI-SSMI相關(guān)系數(shù)沿干燥度呈單峰變化,表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(圖4(c2))。

3.3 基于Copula的氣象-農(nóng)業(yè)干旱傳播特征

3.3.1氣象、農(nóng)業(yè)干旱特征

圖5顯示了渭河流域各分區(qū)匹配后的氣象、農(nóng)業(yè)干旱事件的歷時(shí)和烈度的分布特征?？梢?各分區(qū)農(nóng)業(yè)干旱事件的歷時(shí)和烈度均>氣象干旱,氣象干旱特征的分布較為集中,農(nóng)業(yè)干旱特征則相對(duì)分散,表明氣象干旱特征值的變化幅度較小,而農(nóng)業(yè)干旱的變化幅度較大。

圖5 渭河流域各分區(qū)匹配氣象-農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)、烈度箱型圖

3.3.2氣象-農(nóng)業(yè)干旱傳播閾值

采用研究方法里提到的6種邊緣分布擬合氣象農(nóng)業(yè)干旱的歷時(shí)和烈度,通過K-S檢驗(yàn)優(yōu)選分布函數(shù),并采用Copula函數(shù)連接氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征變量,綜合AIC準(zhǔn)則和均方根誤差RMSE的檢驗(yàn)結(jié)果,選擇Gumbel Copula構(gòu)建各分區(qū)的氣象-農(nóng)業(yè)干旱聯(lián)合分布函數(shù),結(jié)果見圖6。可見:各分區(qū)農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)達(dá)到中旱、重旱和特旱時(shí)的氣象干旱歷時(shí)和烈度,即氣象干旱到農(nóng)業(yè)干旱的傳播閾值;傳播閾值越大,表明氣象干旱越不容易觸發(fā)農(nóng)業(yè)干旱?？傮w而言,隨著農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)增加,各分區(qū)傳播閾值的區(qū)間也逐漸增大(圖6)。對(duì)中度和重度等級(jí)的農(nóng)業(yè)干旱,干旱歷時(shí)和烈度的傳播閾值分布相似,3個(gè)子流域中,渭河干流的傳播閾值最大,表明渭河干流的抗旱能力強(qiáng)于涇河、北洛河流域;不同土地利用類型間比較發(fā)現(xiàn),草地的傳播閾值較小,易發(fā)農(nóng)業(yè)干旱,耕地、烈度的耐旱能力強(qiáng)(圖6(a)、(b)、(d)、(e))。對(duì)特旱等級(jí)的農(nóng)業(yè)干旱,各子流域耕地的傳播閾值較大,可能是由于農(nóng)業(yè)灌溉等人類活動(dòng)對(duì)土壤水分虧缺的緩解作用(圖6(c)、(f))。

藍(lán)色色階代表氣象干旱到不同等級(jí)農(nóng)業(yè)干旱傳播歷時(shí)的閾值變化范圍,紅色色階代表氣象干旱到不同等級(jí)農(nóng)業(yè)干旱烈度的閾值變化范圍。 The blue color scale represents the range of threshold change from meteorological drought to different levels of agricultural drought propagation duration, and the red color scale represents the range of threshold change from meteorological drought to different levels of agricultural drought severity.

3.3.3氣象-農(nóng)業(yè)干旱傳播關(guān)系

圖7展示了不同聯(lián)合重現(xiàn)期(2～100 年)下,各分區(qū)干旱傳播時(shí)最可能出現(xiàn)的氣象-農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)和烈度,表2列出了各分區(qū)擬合的線性回歸方程。從圖中可以看出,隨著聯(lián)合重現(xiàn)期的增加,氣象、農(nóng)業(yè)干旱特征也不斷增大,最可能氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征具有顯著的線性關(guān)系。線性回歸模型能定量描述干旱傳播特征,方程斜率代表氣象干旱到農(nóng)業(yè)干旱的轉(zhuǎn)移程度,斜率>0,表明干旱特征在傳播過程中增大,反之則發(fā)生衰減。由圖7和表2可知:渭河流域各分區(qū)斜率均>0,且擬合方程位于45°對(duì)角線的上半?yún)^(qū),表明干旱特征值由氣象干旱演變?yōu)檗r(nóng)業(yè)干旱后顯著增加;在渭河干流,相同程度的氣象干旱發(fā)生時(shí),林地和草地引發(fā)的農(nóng)業(yè)干旱嚴(yán)重性>耕地,北洛河流域則與之相反;在涇河流域,耕地和林地對(duì)干旱傳播的擴(kuò)大作用強(qiáng)于草地。綜合來看渭河流域各分區(qū)都有較為強(qiáng)烈的干旱傳播,因此當(dāng)氣象干旱發(fā)生時(shí),研究區(qū)可能會(huì)引發(fā)干旱歷時(shí)更長、嚴(yán)重程度更大的農(nóng)業(yè)干旱,流域農(nóng)業(yè)干旱的預(yù)警將更加重要。

表2 渭河流域各分區(qū)最可能氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征擬合

小圖中各點(diǎn)分別代表第2、3、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、60、75和100年聯(lián)合重現(xiàn)期下的氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征,氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征越大,代表的聯(lián)合重現(xiàn)期越長。 Each point in the small figure represents the meteorological and agricultural drought characteristics under the joint return period of 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 75 and 100 years. The larger the meteorological and agricultural drought characteristics, the longer the joint return period.

4 討 論

渭河流域是我國西北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)區(qū),也是我國重要的糧棉油產(chǎn)區(qū)和工業(yè)生產(chǎn)基地之一,在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略中占有重要地位,因此研究流域內(nèi)氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的傳播規(guī)律,不僅有助于揭示干旱過程和機(jī)制,而且對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。近年來,針對(duì)渭河流域的干旱時(shí)空演變規(guī)律及氣象干旱向水文干旱的傳播等問題已有許多研究,但對(duì)農(nóng)業(yè)干旱響應(yīng)的研究略有不足。Dai等[18]采用SPI和SSMI指數(shù)探討了渭河流域氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的季節(jié)動(dòng)態(tài)傳播模式及水文氣象因子和灌溉耗水量對(duì)干旱傳播的影響。該研究側(cè)重于干旱傳播時(shí)間的季節(jié)性規(guī)律,缺乏對(duì)干旱傳播全年變化特征的分析。而本研究采用渭河流域1980年代末期、1990年、2000年和2010年的土地利用數(shù)據(jù),提取此時(shí)期土地利用類型始終為耕地、林地和草地的區(qū)域,并結(jié)合渭河子流域分布,將渭河流域劃分為9個(gè)子區(qū),綜合探討氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱在不同流域特征、不同土地利用類型影響下的傳播差異。

本研究結(jié)果顯示渭河流域氣象干旱到農(nóng)業(yè)干旱的傳播時(shí)間在2～3個(gè)月,與Huang等[17]得到的3個(gè)月尺度SPI在渭河流域農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測中有效性較好的結(jié)論是一致的。氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性受水熱條件影響,表現(xiàn)為分段變化趨勢,在不同子流域呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。渭河干流SPI-SSMI相關(guān)系數(shù)隨干燥度呈多段變化,氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性隨著濕潤程度增加先上升、后下降、再上升,北洛河流域則與之相反;涇河流域的氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性沿濕潤程度單調(diào)下降。渭河干流上、中下游氣候環(huán)境差異較大,上游降水量少、蒸發(fā)量高,中下游植被覆蓋度好,降水豐沛,耕地面積大,且分布有關(guān)中平原城市群,受人類活動(dòng)干擾較大[30],這造成了渭河干流氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性沿干燥度梯度的分段變化。北洛河流域雖然也有大面積林地覆蓋,但其人類活動(dòng)影響程度較小,單位面積產(chǎn)水量低,不同土地利用類型的氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性排序與渭河干流相反,這可能是北洛河流域與渭河干流變化趨勢相對(duì)的原因。涇河流域位于黃土高原中部腹地,是渭河全流域干旱最嚴(yán)重的地區(qū),為抵抗流域干旱而進(jìn)行的水庫調(diào)蓄活動(dòng)相對(duì)較多[31],涇河流域相關(guān)性的單調(diào)下降可能是由人類干擾所致。在干旱傳播時(shí)間的基礎(chǔ)上,通過游程理論提取干旱事件,對(duì)干旱傳播的特征值進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)渭河干流整體上耐旱能力較好,涇河和北洛河流域內(nèi)干旱傳播規(guī)律相似,其中北洛河流域觸發(fā)各等級(jí)農(nóng)業(yè)干旱的傳播閾值較小,抗旱能力更弱;當(dāng)氣象干旱發(fā)生時(shí),各分區(qū)均可能引發(fā)干旱歷時(shí)更長、嚴(yán)重程度更大的農(nóng)業(yè)干旱。不同土地利用類型間比較,耕地受農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響,不易形成嚴(yán)重程度大的農(nóng)業(yè)干旱,但當(dāng)干旱傳播發(fā)生時(shí),耕地對(duì)干旱的擴(kuò)散作用強(qiáng),因此應(yīng)強(qiáng)化對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的應(yīng)急應(yīng)對(duì)能力;林地的根系深、葉面截留水分多[32],也具有較強(qiáng)的抗旱能力,而草地在3種土地利用類型中的抗旱能力最弱。針對(duì)渭河流域不同分區(qū)表現(xiàn)出的不同干旱傳播特征,各級(jí)管理人員可以因地制宜地制定干旱預(yù)警和防御工作。

本研究體現(xiàn)了干旱傳播累積、滯后、衰減和持續(xù)的特性,進(jìn)一步揭示了農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng),為建立基于氣象數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警系提供了依據(jù)。但農(nóng)業(yè)干旱涉及作物季相特征、種制及農(nóng)業(yè)灌溉用水調(diào)控等人類活動(dòng)造成的水文過程變化,標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)并不能完全指示作物受旱的信號(hào),故考慮如何全面刻畫農(nóng)業(yè)干旱及自然特征和人為活動(dòng)對(duì)干旱傳播的影響是在今后研究中的重要內(nèi)容。

5 結(jié) 論

本研究探討了渭河流域氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的傳播閾值和不同重現(xiàn)期下的最可能干旱特征組合,主要結(jié)論如下:

1)渭河流域全區(qū)氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱具有顯著的正相關(guān)關(guān)系;渭河干流和涇河流域氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的傳播時(shí)間為3個(gè)月,北洛河流域的干旱傳播時(shí)間為2個(gè)月。

2)在同一子流域內(nèi),不同土地利用類型的氣象-農(nóng)業(yè)干旱相關(guān)性與干燥度梯度的變化趨勢相似。隨干燥度增加,渭河干流耕地的相關(guān)性表現(xiàn)為降低-增大-降低-增大的四階段變化,林地、草地與之相比缺少第一階段的變化;涇河流域相關(guān)性隨干燥度指數(shù)增加而下降;北洛河流域耕地、草地的變化均為先下降、后上升再下降,而林地表現(xiàn)上升-下降的單峰變化。

3)氣象干旱觸發(fā)不同等級(jí)農(nóng)業(yè)干旱的閾值隨著農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)的提升而增加。各子流域的耕地和渭河干流林地的干旱傳播閾值較大,對(duì)氣象干旱的響應(yīng)遲緩;各子流域的草地及涇河、北洛河流域的林地干旱傳播閾值較小,易發(fā)農(nóng)業(yè)干旱。

4)隨著聯(lián)合重現(xiàn)期的增加,氣象、農(nóng)業(yè)干旱特征也不斷增大,最可能出現(xiàn)的氣象-農(nóng)業(yè)干旱特征具有顯著線性關(guān)系。當(dāng)氣象干旱發(fā)生時(shí),各分區(qū)可能會(huì)引發(fā)干旱歷時(shí)更長、嚴(yán)重程度更大的農(nóng)業(yè)干旱,其中涇河、北洛河流域的耕地最為嚴(yán)重。