近60年葉爾羌河流域干旱演變特征分析※

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

近60年葉爾羌河流域干旱演變特征分析※

周粵

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

旱澇災害是制約葉爾羌河流域經濟發(fā)展的重要因素，為預測研究區(qū)旱澇災害變化趨勢，本文選取1951—2015年葉爾羌河流域4個氣象站的逐月降水量數據，利用標準化降水指數和小波分析方法，分析近60年來研究區(qū)旱澇演變特征。結果表明：該區(qū)旱澇事件發(fā)生頻率高，不同時間尺度旱澇事件發(fā)生的平均頻率為42.6%；在年代際尺度上，20世紀70年代干旱事件發(fā)生的頻率最高，為25.2%；其次是2001—2015年，頻率為22.7%，90年代洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為31%；研究區(qū)旱澇變化有4個特征時間尺度，分別為4年、10年、25年和31年，預測未來幾年降水仍然偏多。

氣象干旱；降水；標準化降水指數；小波分析；葉爾羌河流域

1 引 言

IPCC第五次評估報告指出，氣候系統(tǒng)變暖是毋庸置疑的事實[1]。氣候變暖不僅直接影響溫度極值波動，而且已經導致高溫、干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件發(fā)生頻率增高、強度加大，尤其是在氣候變化響應的敏感區(qū)和脆弱區(qū)[2-3]。近幾年來許多學者開展了很多具有區(qū)域特色的旱澇事件研究，并取得了一定成果[4]。

葉爾羌河流域位于新疆南部，該地區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強烈，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，“綠洲經濟，灌溉農業(yè)”是其顯著特點，干旱是綠洲灌溉農業(yè)最大的威脅。已有文獻鮮有報道基于氣象干旱指數的該流域干旱演化特征研究。鑒于此，本文在前人研究基礎上，基于近60年來葉爾羌河流域4個氣象站逐月降水數據，利用標準化降水指數(standardized precipitation index，SPI)，從時間尺度上，系統(tǒng)分析該地區(qū)旱澇變化特征。這對于較準確地把握葉爾羌河流域旱澇出現規(guī)律、轉換機制以及指導眾多水庫科學調度，緩解發(fā)電、灌溉與防汛間的矛盾具有重要的學術價值和實際意義。

2 研究方法

2.1 標準化降水指數(SPI)

降水量分布一般是一種偏態(tài)分布，所以在進行降水分析和干旱監(jiān)測、評估中，采用Г分布概率來描述降水量的變化。標準化降水指數SPI是在計算某時段降水量的Г分布概率后，再進行正態(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[5]。具體計算步驟為：假設某一時段的降水量為隨機變量x，則其Г分布的概率密度函數g(x)為

(1)

式中α和β——形狀參數和尺度參數，α>0，β>0；

x—— 降水量；

Γ(α) —— gamma函數。

采用極大似然估計方法求解α、β。確定概率密度函數中的參數后，對于某一年的降水量x0，對g(x)從0至x0進行數值積分可以計算出隨機變量x小于x0概率的近似估計值。由于Gamma方程不包含x=0的情況，所以降水量為0時的事件概率G由下式估計：

G(x=0)=m/n

式中m—— 降水量為0的樣本數；

n—— 為總樣本數。

對Г分布概率進行正態(tài)標準化處理，將求得的概率值代入標準化正態(tài)分布函數即：

(2)

近似求解得到Z值，即為SPI值。

SPI是Mc Kee等提出來的，是一種功能強大、應用靈活、計算簡單的指數，能很好地反映干旱的強度和持續(xù)時間，是一種非常有價值的干旱強度評估指數，優(yōu)于Z指數，目前已廣泛運用于各國的氣象旱澇檢測。本文利用SPI分析葉爾羌河流域的旱澇變化特征，并分別計算1、3、6、12個月的SPI，其中SPI1表示1個月的SPI值，以反映短時間的降水狀況，比較接近土壤濕度；SPI3表示3個月的SPI值，以反映短期氣象干旱的特征，即降水季節(jié)性的變化；SPI6表示6個月的SPI值，反映中長時期的降水狀況；SPI12表示12個月的SPI值，以此指數來反映長時間降水的演變特征。旱澇類型根據SPI值劃分為9個等級[6]。

2.2 降水量距平百分率

降水量距平百分率(precipitation abnormity percentage，Pa)反映了某一時段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，其計算公式如下：

(3)

式中P—— 某時段降水量，mm；

3 結果與分析

3.1 不同時間尺度下SPI的變化特征

由圖1(a)可以看出葉爾羌河流域SPI1在0線上下波動頻繁，這是由于SPI1反映的是短時間降水狀況，沒有考慮前期降水的影響，降水時間的持續(xù)性弱，受短時間降水影響大，所以SPI1變化大。1951—2015年間有2.2%的月份屬于嚴重或極端旱澇月份，而這些極端和嚴重干旱月份78.6%是出現在秋冬季節(jié)。由此表明，秋冬季節(jié)易出現短時期的干旱事件。

由圖1(b)可以看出SPI3呈震蕩波動狀態(tài)，旱澇交替頻繁。近60年間，2.6%屬于嚴重或極端旱澇事件，典型的季節(jié)性嚴重和極端干旱事件的年份為2011年、1979年和1999年，典型的嚴重和極端洪澇事件的年份為1954年、1993年、1997年和2002年，這與葉爾羌河流域旱澇發(fā)生的實際情況基本一致。由此認為，根據長時間序列逐月降水量數據計算得出的SPI3能較好地反映研究區(qū)實際情況。

由圖1(c)可以看出葉爾羌河流域SPI6，近60年，1.6%屬于嚴重或極端旱澇事件，相比SPI3其頻率稍有降低，但旱澇持續(xù)時間明顯延長。由此表明，隨著SPI時間尺度的增長，旱澇的等級會發(fā)生變化，且旱澇的開始時間與終止時間會相應地延后，這意味著時間尺度越長，越能充分反映前期降水對旱澇的累積影響。

由圖1(d)可以看出對于SPI12而言，研究區(qū)近60年的旱澇變化過程大致分為5個階段：1951—1955年相對濕潤，干旱事件出現頻率低；1956—1970年旱澇程度均不大，但干旱程度略高于洪澇；1971—1990年旱澇交替出現，旱澇程度較前一階段大；1991—2003年為濕潤期，洪澇事件發(fā)生頻率高；2003年后又由洪澇向干旱轉變，且干旱事件發(fā)生頻率較高。長時間連續(xù)的洪澇或干旱事件是制約農業(yè)發(fā)展的重要因素，連續(xù)8個月及以上洪澇事件大約每個年代分別出現一次(除90年代出現2次)，維持時間最長的是1969年8月—1971年3月，長達20個月。20世紀60和80年代各出現1次連續(xù)8個月及以上干旱，70年代出現2次，而近十幾年來出現4次，這表明干旱事件有明顯增加的趨勢。

圖1 1951—2015年葉爾羌河流域不同時間尺度旱澇變化特征

根據不同時間尺度的SPI，葉爾羌河流域旱澇事件出現的頻率較高，不同時間尺度旱澇事件發(fā)生的平均頻率為42.6%，其中極端和嚴重旱澇事件發(fā)生的頻率較低，為1.8%，輕微旱澇事件發(fā)生的頻率最高，為31.9%。

3.2 不同等級旱澇頻次的年代際變化

該流域不同年代極端旱澇事件發(fā)生頻率最低，其頻率平均值僅為0.5%；正常的頻率最高，為55.3%；其次是輕微旱澇事件，為33.4%。其中20世紀90年代降水最多，該年代發(fā)生了2次特大洪水，分別是1996年和1998年，洪澇事件發(fā)生的頻率高達30%；嚴重干旱事件發(fā)生的頻率最高，為4.2%，該年代旱澇事件發(fā)生的頻率最高，為52.5%。其次是60年代，降水也偏多，輕微洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為23.3%。2001—2015年，降水最少，極端干旱事件發(fā)生的頻率最高，為1.2%，干旱事件發(fā)生的頻率為23%。其次是70年代，干旱事件發(fā)生的頻率最高，為25.8%。不同年代洪澇事件發(fā)生的頻率的變化大于干旱事件。

3.3 旱澇周期變化

將1951—2015年的SPI進行Morlet小波分析，以揭示葉爾羌河流域近60年來旱澇的周期變化規(guī)律。圖2(a)的紅色(藍色)渲染表示小波系數實部為正數(負數)，表明降水偏多(偏少)，顏色越深，表示旱澇程度越大。圖2(b)的小波系數模部平方相當于小波能量譜，數值越大(紅色越深)表示波動能量越強、周期越顯著。圖2(c)的小波方差能反映SPI的波動能量隨時間尺度的分布情況，可確定旱澇變化過程中存在的主周期。在圖2(b)中有4個能量最聚集的中心，它們代表波動能量變化的特性，這4個中心分別是：①尺度范圍在23～31年，波動能量在20世紀90年代后期以來表現最為強烈；②中心尺度為31年，其波動能量較強且貫穿整個時期；③中心尺度為10年，波動能量主要影響的時域是20世紀70和80年代；④中心尺度為4年，波動能量主要影響的時域是20世紀60年代后期至80年代前期以及2001年后。

圖2 1951—2015年葉爾羌河流域旱澇變化小波分析

這表明旱澇周期變化的局部化特征明顯，即在不同時域，變化周期不完全相同。在圖2(c)中有4個比較明顯的峰值，分別為4年、10年、25年和31年，說明這4個尺度的主周期在研究區(qū)近60年來的旱澇變化中起主要作用，其中最大峰值對應著31年特征時間尺度，表明其周期震蕩性最強、周期最顯著，為該地區(qū)旱澇變化的第一主周期，25年、10年和4年分別為旱澇變化的第二、三和四主周期，這一結果與上述圖2(b)的分析結果大抵一致。具體表現在：31年特征時間尺度大概經歷了3個旱澇交替期，旱澇變化的平均周期為22年，旱澇中心為1963年、1974年、1985年、1998年、2007年、2015年；在25年特征時間尺度上，大概有4個周期的旱澇交替期，平均變化周期為16年；在10年特征時間尺度上，大約有9個周期的旱澇交替期，平均變化周期為7年；在4年特征時間尺度上，大概有23個周期的旱澇交替期，平均變化周期為3年。無論是哪個時間尺度，2015年后小波系數實部均呈現正值的趨勢，這意味著在未來一段時間內研究區(qū)降水偏多。

4 結 論

a. 葉爾羌河流域1951—2015年旱澇變化過程大致可以分為5個階段：1951—1955年相對濕潤；1956—1970年，旱澇程度不高；1971—1990年，旱澇交替出現，旱澇程度較前一階段大；1991—2003年為較濕潤；2003年后較干旱，近十幾年來干旱事件有明顯增加的趨勢。

b. 葉爾羌河流域夏季洪澇事件發(fā)生的頻率最高，冬季干旱事件發(fā)生的頻率最高，近十幾年來，四季的干旱事件普遍增加。20世紀90年代降水最多，不同等級洪澇事件發(fā)生的頻率都較高，2001—2015年降水最少，極端干旱事件發(fā)生的頻率最高，70年代降水也偏少，干旱事件發(fā)生的頻率最高。

c. 葉爾羌河流域旱澇交替變化存在4年、10年、25年和31年這樣4個時間尺度，無論是哪個時間尺度，2015年后小波系數實部均呈現正值的趨勢，表明在未來一段時間內該地區(qū)降水偏多。

[1] 第三次氣候變化國家評估報告編寫委員會.第三次氣候變化國家評估報告[M].北京:科學出版社,2015.

[2] 李雙雙,楊賽霓,劉憲鋒.1960—2013年北京旱澇變化特征及其影響因素分析[J].自然資源學報,2015,30(6)：951-962.

[3] 楊曉靜,左德鵬.基于標準化降水指數的云南省近55年旱澇演變特征[J].資源科學,2014,36(3):473-480.

[4] 翟祿新,馮起.基于SPI的西北地區(qū)氣候干濕變化[J].自然資源學報,2011,26(5)：847-857.

[5] 孫德亮,吳建峰.基于SPI指數的近50年重慶地區(qū)干旱時空分布特征[J].水土保持通報,2016,36(4)：197-203.

[6] 史建國,嚴昌榮.氣象干旱指數計算方法研究概述[J].中國農業(yè)氣象,2007,28(增刊):191-195.

AnalysisondroughtevolutioncharacteristicsofYerqiangRiverbasininthenear60years

ZHOU Yue

(XinjiangTarimRiverBasinXini’erReservoirManagementBereau,Korla841000,China)

The drought and flood disasters are the important factors which restrict the development of Yerqiang river basin. In the paper, the monthly rainfall data of four weather stations in Yerqiang River basin from 1951—2015 were selected in order to predict the change trend of drought and flood disasters in the research area. Standardized precipitation index and wavelet analysis method are utilized for analyzing the drought and flood evolution characteristics in the near 60 years. The results show that the frequency of drought and flood events is high in the area. The average frequency of drought and flood events in different time scales is 42.6%. The frequency of droughts was the highest in the 1970s, namely 25.2% at the annual intergenerational scale. It is followed by 2001—2015, and the frequency is 22.7%. The frequency of flood events was the highest in 1990s, namely 31%. There are four characteristic time scales of drought and flood changes in the study area, respectively 4 years, 10 years, 25 years and 31 years. It is expected that the rainfall is still higher within several years in the future.

meteorological drought; precipitation; standardized precipitation index; wavelet analysis; Yerqiang River basin

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.011.017

水利部公益性行業(yè)科研專項經費(課題編號：201501059)資助

TV214

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2096-0131(2017)011-0064-04