基于改進(jìn)的綜合氣象干旱指數(shù)的洞庭湖流域干旱時(shí)空特征

薛聯(lián)青張競楠?jiǎng)匀核渭鸭研蠈汖?/p>

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.湖南省水利廳,湖南長沙 512000)

基于改進(jìn)的綜合氣象干旱指數(shù)的洞庭湖流域干旱時(shí)空特征

薛聯(lián)青1,張競楠1,劉曉群2,宋佳佳1,邢寶龍1

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.湖南省水利廳,湖南長沙 512000)

運(yùn)用改進(jìn)的綜合氣象干旱指數(shù),根據(jù)洞庭湖流域19個(gè)氣象站1961—2009年的實(shí)測氣象資料,運(yùn)用小波理論分析洞庭湖流域發(fā)生的干旱時(shí)間差異,并對洞庭湖流域的干旱特征進(jìn)行空間格局分析。結(jié)果表明:從時(shí)間格局上,洞庭湖流域發(fā)生90%以上范圍的干旱周期四季依次為:春季16a,夏季13 a,秋季9 a,冬季16 a;在空間格局上,洞庭湖流域干旱發(fā)生程度整體上是以衡陽、邵陽,芷江、通道以西,石門、南縣以北三個(gè)地區(qū)為中心向其四周遞減;從季節(jié)尺度來看,整體上秋季干旱最為嚴(yán)重,冬季次之,春季干旱最輕。

綜合氣象干旱指數(shù);洞庭湖流域;干旱特征;時(shí)空格局;小波分析

在全球變暖背景下的氣候變化,使得水循環(huán)加快,加劇了干旱災(zāi)害發(fā)生的頻率[1]。干旱指數(shù)是監(jiān)測、預(yù)警、評估干旱的關(guān)鍵參數(shù),能夠標(biāo)記干旱發(fā)生的起始時(shí)間、烈度等,在一定程度上反映出干旱發(fā)生的機(jī)理。但是,由于干旱指數(shù)存在強(qiáng)度定界不統(tǒng)一、忽略或是夸大了個(gè)別干旱影響因子的作用等問題[2-5],2006年國家頒布實(shí)施的《氣象干旱等級》[6]中引入了綜合氣象干旱指數(shù)(CI)。CI綜合了SPI和M兩類干旱指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn),計(jì)算穩(wěn)定、適用性強(qiáng),同時(shí)能夠監(jiān)測季節(jié)性、區(qū)域性干旱[4]。但是在實(shí)際應(yīng)用中CI卻存在著“不合理旱情加劇”的現(xiàn)象。CI計(jì)算采用的是降雨等權(quán)重累計(jì)值之和,所以當(dāng)有較大降雨移入或移出累計(jì)降雨時(shí)段時(shí), CI會產(chǎn)生較大的波動(dòng)。為此國家氣候中心于2010年對CI指數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),提出改進(jìn)的綜合氣象干旱指數(shù)INCC,并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用[7-8]。結(jié)果表明INCC較好繼承了傳統(tǒng)指數(shù)CI的優(yōu)點(diǎn),能有效克服原干旱指數(shù)的不合理旱情加劇等缺點(diǎn),而且相較原干旱指數(shù)具有更好的敏感性?；贗NCC的諸多優(yōu)點(diǎn)[9-10],本文采用INCC對洞庭湖流域干旱特征進(jìn)行分析研究,以期對開展干旱預(yù)報(bào)、預(yù)警業(yè)務(wù)及指導(dǎo)抗旱減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 流域概況與資料處理

洞庭湖流域水系發(fā)達(dá),湘、資、沅、澧4水分別從東、南、西3面注入洞庭湖,長江的松滋、藕池、虎渡、太平4口由北向南注入洞庭湖,入湖水量經(jīng)湖泊調(diào)蓄后于岳陽市七里山匯入長江,形成了以洞庭湖為中心的輻射狀水系。研究流域介于北緯24°00′～30°30′、東經(jīng)107°40′～114°25′之間,屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),冬夏季風(fēng)交替;降水年際變化大、分布不均勻,干旱災(zāi)害發(fā)生頻率高。本文選定1961—2009年洞庭湖地區(qū)的19個(gè)地面氣象觀測臺站的逐日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對濕度等氣象要素的實(shí)測資料進(jìn)行分析研究。洞庭湖流域氣象站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 洞庭湖流域氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Generalization of meteorological stations in Dongting Lake watershed

表1 綜合氣象干旱等級劃分Table1 Grade division of meteorological drought composite index

1.2 研究方法

1.2.1 改進(jìn)的綜合氣象干旱指數(shù)

為修正CI中的諸多不合理因素,國家氣候中心[7]提出了改進(jìn)的綜合氣象干旱指數(shù)INCC。降水量按線性遞減權(quán)重方法計(jì)算,從而使得隨著時(shí)間的向前推移,過去的降水對當(dāng)前的干旱緩解作用減小。經(jīng)分析,INCC與CI具有相同的統(tǒng)計(jì)分布特性,故INCC仍采用原綜合氣象干旱等級(表1)。INCC計(jì)算式如下:

式中:Z30、Z90——近30d和近90d的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù);M30——近30 d相對濕潤度指數(shù);κ——近30 d標(biāo)準(zhǔn)降水系數(shù),由輕旱以上級別Z30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z30值而得;λ——近90 d標(biāo)準(zhǔn)降水系數(shù),由輕旱以上級別Z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z90值而得;μ——近30 d標(biāo)準(zhǔn)降水系數(shù),由輕旱以上級別Z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z90值而得。

根據(jù)GB/T 20481—2006《氣象干旱等級》[6],將由資料序列計(jì)算出的INCC值在年、季度尺度下進(jìn)行統(tǒng)計(jì),確定干旱發(fā)生與否以及干旱發(fā)生的時(shí)間段。為探究不同干旱等級下空間上的差異特性,現(xiàn)以不同等級下的干旱日數(shù)作為相應(yīng)干旱等級的影響指標(biāo),對各計(jì)算序列嚴(yán)格按照表1中劃分INCC值等級的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì),在時(shí)間上進(jìn)行平均。由此,所確立的干旱頻率計(jì)算方法如下:

式中:P——干旱頻率;n——實(shí)際有干旱事件發(fā)生的年數(shù);N——資料年序列數(shù)。

干旱覆蓋范圍為S,計(jì)算式如下:

式中:m——每年有干旱事件發(fā)生的站點(diǎn)數(shù);M——研究流域總站點(diǎn)數(shù),本文M=19。

1.2.2 小波分析

采用復(fù)Morlet小波對流域干旱序列進(jìn)行小波分析。復(fù)Morlet小波的連續(xù)小波變換[11-12]為

式中:Wf(a,b)——小波變換系數(shù),該系數(shù)表示該部分信號與小波的近似程度;a——尺度伸縮因子;b——時(shí)間平移因子;t——時(shí)間;fb——帶寬;fc——中心頻率;f(t)——某信號的時(shí)間序列;φ(t)——基小波函數(shù); ˉφ(t)——φ(t)的復(fù)共軛函數(shù)。

將時(shí)間域上關(guān)于a的所有小波變換系數(shù)的平方進(jìn)行平均,即為小波方差Va:

總體小波功率譜表征不同尺度a對應(yīng)的能量密度,它反映了波動(dòng)的能量隨尺度的分布。通過小波方差圖,可以確定一個(gè)序列的主要時(shí)間尺度或者主周期。根據(jù)Torrence等[13]導(dǎo)出的關(guān)系,Morlet小波變換尺度伸縮因子a與周期T具有的關(guān)系為T≈1.033a。

小波方差是否顯著,用紅噪聲或者白噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行檢驗(yàn)[14-15]。具體檢驗(yàn)過程可參見文獻(xiàn)[13-16]。

2 干旱覆蓋范圍時(shí)間演變過程分析

圖2 洞庭湖流域年、季干旱覆蓋范圍時(shí)間演變Fig.2 Temporal evolution chart of drought coverage areas for annual and seasonal droughts in Dongting Lake watershed

圖2為洞庭湖流域年、季度干旱覆蓋范圍時(shí)間演變圖,為較準(zhǔn)確地描述其時(shí)間特性,采用小波理論進(jìn)行輔助分析。由于小波分析主要是輔助分析干旱范圍隨時(shí)間的變化特性,這里僅列出年干旱覆蓋范圍的小波分析圖(圖3、圖4),其季度的覆蓋范圍仍采用小波分析。小波方差圖可以確定一個(gè)序列的主要尺度周期,根據(jù)近49a干旱范圍序列小波方差圖(圖3)可以看出,洞庭湖流域存在年際尺度周期有2.68a、4.13a、6.96 a、21.44a,其中,4.13a為主周期(未通過置信水平為0.1的檢驗(yàn))。小波變換的時(shí)頻變化圖能夠反映出年干旱范圍的時(shí)間尺度變化、位相結(jié)構(gòu),圖4給出了年干旱覆蓋范圍Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部的時(shí)頻分布,圖中正值(實(shí)線)表示干旱范圍時(shí)間上偏多;負(fù)值(虛線)表示干旱范圍時(shí)間上偏少。由圖4可知,以4 a左右為中心的2～5 a的周期在1985—2008年表現(xiàn)突出;以2.6 a左右為中心的1～3 a的周期在1975年以前表現(xiàn)突出;以7a為中心的5～10a的周期在1986年以前表現(xiàn)突出,而在1986年之后則逐漸變?yōu)?～12a的周期;而以21.44 a為中心的15～27 a的周期貫穿始終。另外,由圖2(a)可看出,洞庭湖流域年干旱覆蓋范圍呈波動(dòng)變化趨勢,這49a中,呈13峰13谷的波動(dòng),20世紀(jì)六七十年代干旱覆蓋范圍較廣,80年代干旱趨勢有所減少,90年代、21世紀(jì)初干旱范圍又有所增加。其中干旱覆蓋面積達(dá)到90%以上的有7 a,干旱較嚴(yán)重。圖2(b)(c)(d)(e)為季節(jié)干旱覆蓋范圍百分比。春季2.92 a、10.72 a、25.49 a的周期表現(xiàn)明顯,其中2.92 a為主周期(通過了置信水平為0.05的檢驗(yàn));周期表現(xiàn)程度上,20世紀(jì)六七十年代周期趨勢明顯,1977—1984年、1990—1996年周期較弱;歷年來僅1999年干旱覆蓋面積百分比超過90%。夏季3.19 a、9.01 a和21.44 a的周期表現(xiàn)明顯,其中主周期為3.19 a(通過了置信水平為0.1的顯著性檢驗(yàn));周期表現(xiàn)程度上, 1966—1972年干旱周期變化較弱;干旱覆蓋范圍較春季稍偏多,20世紀(jì)六七十年代干旱烈度較大,21世紀(jì)初期雖干旱出現(xiàn)較頻繁,但是干旱覆蓋百分比幾乎均小于80%。秋季干旱明顯偏多,90%以上的干旱覆蓋百分比在20世紀(jì)六七十年代及90年代平均4～5a出現(xiàn)1次,而進(jìn)入21世紀(jì)后,則幾乎每隔2a就發(fā)生1次。2003—2005年則出現(xiàn)連續(xù)3 a干旱范圍百分比超過90%。其中,干旱面積比達(dá)100%就有9 a。干旱主周期為5.84 a(已通過置信水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)),其次為2.68 a。冬季干旱波動(dòng)劇烈,大面積干旱循環(huán)出現(xiàn)。全年干旱覆蓋百分比為100%的年份有10 a,干旱覆蓋面積比為0的有7 a。20世紀(jì)六七十年代,干旱周期為2 a。1992—2003年干旱波動(dòng)劇烈,“大范圍干旱”和“無旱”以3 a為周期交替出現(xiàn)。整體上,2.25 a周期變化顯著(通過置信水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)),其次為10.72 a變化周期。

圖3 小波方差Fig.3 Curves of wavelet variance

圖4 年干旱覆蓋范圍Morlet小波變換系數(shù)等值線Fig.4 Morlet wavelet transform coefficients of coverage area for annual droughts

從計(jì)算流域內(nèi)50%以上臺站發(fā)生輕度以上干旱等級的年份來看,季節(jié)連旱現(xiàn)象較明顯。發(fā)生三季連旱的共有12a,其中春夏秋連旱的有5a,夏秋冬連旱的有7a;發(fā)生4季連旱的有4a,其中2007—2008年連續(xù)干旱。而從計(jì)算流域內(nèi)90%以上臺站發(fā)生輕度以上等級干旱的年份來看,洞庭湖地區(qū)秋、冬季發(fā)生大范圍干旱年份較多。秋季大范圍干旱主要出現(xiàn)在1985年以后,尤其2004年以來干旱次數(shù)明顯偏多。冬季大范圍干旱則主要出現(xiàn)在2002年以前。

3 干旱發(fā)生頻率和日數(shù)的空間分布

3.1 干旱發(fā)生頻率空間分析

由洞庭湖流域年干旱發(fā)生頻率分布(圖5(a))可以看出,洞庭湖流域干旱發(fā)生頻率在空間上有較明顯的差異。洞庭湖流域的東北部(石門、南縣以北)、中部偏南(邵陽、零陵、郴州一帶)發(fā)生干旱頻率較高,有的地區(qū)甚至達(dá)到80%;其次是洞庭湖流域的西部(芷江地區(qū)),其干旱發(fā)生頻率超過70%。這與左利芳等[17]的研究完全吻合:芷江一帶因山多溪多,范圍較小,旱情并不嚴(yán)重。而南岳的東南部則干旱發(fā)生頻率最低,一般都保持在20%～30%左右。其他地區(qū)基本保持在40%～60%之間。

由圖5(b)(c)(d)(e)可見四季的干旱發(fā)生頻率與年尺度的干旱頻率有些差異,但是南岳衡陽東南部地區(qū)的低旱趨勢卻貫穿四季。整體上看,干旱發(fā)生強(qiáng)度有強(qiáng)到弱依次為:秋季、冬季、夏季、春季。四季干旱范圍有較明顯的季節(jié)波動(dòng),冬季和春季空間變化較小,干旱的高發(fā)區(qū)一般都集中在洞庭湖流域的北部,干旱范圍由冬季到夏季有減少的趨勢。夏季干旱范圍則轉(zhuǎn)移到了雙峰、岳陽、衡陽以及零陵的交界地區(qū),干旱發(fā)生頻率以雙峰發(fā)生最高,達(dá)到了73%。流域北部干旱減弱,干旱整體上向南移動(dòng)。秋季干旱范圍向西南方向移動(dòng)。干旱縮小到了衡陽附近,在衡陽西南部高值達(dá)到80%,干旱頻率向四周急劇下降,達(dá)到邵陽時(shí)干旱頻率已經(jīng)降為50%。在芷江、通道、吉首一帶的西部地區(qū)干旱頻率出現(xiàn)高值區(qū)80%,其干旱頻率的強(qiáng)度表現(xiàn)為由邊界向芷江一帶減緩的趨勢。冬季,以南縣、桑植、吉首、芷江為界,北方表現(xiàn)為干旱的多發(fā)區(qū),流域的中部大部分地區(qū)干旱頻率集中在50%～60%。春季則整個(gè)流域干旱發(fā)生頻率都普遍低于50%,可見春季干旱發(fā)生頻率最小。

圖5 洞庭湖流域年、季節(jié)干旱發(fā)生頻率(%)Fig.5 Occurrence frequencies of annual and seasonal droughts in Dongting Lake watershed(%)

3.2 不同強(qiáng)度干旱發(fā)生日數(shù)分析

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析表明,總體上衡陽、零陵、衡陽一帶,通道、芷江以北以及石門、桑植一帶,干旱發(fā)生日數(shù)較多,南岳以東、平江以南干旱發(fā)生日數(shù)較少。從年干旱來看,發(fā)生“輕旱”等級的日數(shù)較多,最大值達(dá)到80d,最小值達(dá)到40d。整個(gè)區(qū)域“輕旱”持續(xù)日數(shù)達(dá)70d的僅出現(xiàn)在衡陽附近、流域西部的小部分以及石門北部的小部分,整個(gè)區(qū)域大部分持續(xù)日數(shù)為50～70d;“中旱”等級的日數(shù)較“輕旱”等級的日數(shù)少20～30d;干旱日數(shù)從中部向流域南部、西部遞減?！爸靥睾怠钡燃壍娜諗?shù)最少,為4～12 d。從各季度干旱來看,各季度除冬季以外衡陽、零陵一帶干旱持續(xù)時(shí)間最長,其中以秋季干旱持續(xù)時(shí)間最長,為28～31 d。夏秋兩季道縣及其南部均易發(fā)生中旱,其中夏季干旱日數(shù)為10～22d,而且整個(gè)流域上其波動(dòng)較大,最大、最小日數(shù)之差為12d。另外,整個(gè)流域上“重特旱”持續(xù)日數(shù)較短,除秋季持續(xù)日數(shù)達(dá)到了6d,其余三季持續(xù)日數(shù)均未超過4d。

4 結(jié) 論

a.時(shí)間變化上,年和季度尺度上干旱覆蓋范圍都存在2～6 a的周期變化,季度尺度上,除秋季主周期為5.84 a以外,其他主周期均分布在2～3 a,并且都通過了置信水平為0.05的假設(shè)檢驗(yàn)。變化趨勢上,2000年以來干旱有加劇的趨勢。

b.空間變化上,干旱整體上是以衡陽、邵陽一帶,芷江通道一帶以西,石門南縣以北3個(gè)地區(qū)為中心向其四周遞減。

c.季節(jié)變化上,以秋季干旱最為嚴(yán)重,冬季次之,春季干旱最輕。四季干旱范圍有較明顯的季節(jié)波動(dòng),冬季和春季空間變化較小,干旱的高發(fā)區(qū)一般都集中在洞庭湖流域的北部,干旱范圍由冬季到夏季有減少的趨勢。夏季干旱范圍則轉(zhuǎn)移到了雙峰、岳陽、衡陽以及零陵的交界地區(qū),干旱發(fā)生頻率以雙峰發(fā)生最高;流域北部干旱減弱,干旱整體上向南移動(dòng)。秋季干旱范圍向西南方向移動(dòng)。冬季北部表現(xiàn)為干旱的多發(fā)區(qū)。春季干旱發(fā)生頻率最小。衡陽、零陵、衡陽一帶,通道、芷江以北一帶以及石門、桑植一帶,干旱發(fā)生日數(shù)較多,南岳以東、平江以南干旱發(fā)生日數(shù)較少。四季,發(fā)生輕旱的日數(shù)最多,中旱次之,發(fā)生重特旱的日數(shù)最少一般最長不會超過6 d。

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Spatial and temporal patterns of droughts in Dongting Lake watershed based on improved meteorological drought composite index

XUE Lianqing1,ZHANG Jingnan1,LIU Xiaoqun2,SONG Jiajia1,XING Baolong1
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China; 2.Department of Water Resources of Hunan Province,Changsha 512000,China)

Based on the improved meteorological drought composite index and measured meteorological data from 19 meteorological stations in the watershed during the period from 1961 to 2009,the time difference of the drought development in the watershed was analyzed through wavelet analysis,and the spatial pattern of the drought characteristics were analyzed.The results show that the primary cycles of drought that occurred in more than 90% of the coverage area in the watershed were 16 years in the spring,13 years in the summer,nine years in the autumn,and 16 years in the winter;at the spatial scale,the most severe droughts occurred in the Hengyang-Shaoyang region,the western part of the Zhijiang-Tongdao region,and the northern part of the Shimen-Nanxian region,and the degree of drought decreased in the surrounding regions;and at the seasonal scale,the most severe droughts occurred in the autumn on the whole,followed by the winter,with the most slight droughts occurring in the spring.

meteorological drought composite index;Dongting Lake watershed;drought characteristics;spatial and temporal patterns;wavelet analysis

P338+.6

:A

:1000-1980(2014)01-0001-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.01.001

2013-07 03

國家自然科學(xué)基金(41371052,U1203282);水利部公益項(xiàng)目(201001066)

薛聯(lián)青(1973—),女,新疆石河子人,教授,博士,主要從事環(huán)境水文及水環(huán)境保護(hù)研究。E-mail:lqxue@hhu.edu.cn