基于SPI指數(shù)的四川省甘孜州干旱演變規(guī)律分析

丹 東

(甘孜州巴塘縣水務(wù)局，四川 巴塘 627650)

干旱是指某一地區(qū)長期無雨或高溫少雨，導(dǎo)致空氣和土壤水分缺失的現(xiàn)象，具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時(shí)間長、波及范圍廣的特點(diǎn)。干旱是人類歷史上面臨的最長久、最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]，不僅會帶來社會經(jīng)濟(jì)方面的損失，還會引發(fā)荒漠化加劇、沙塵暴頻發(fā)等生態(tài)環(huán)境問題[2- 3]，因此干旱問題研究一直是水利領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。近幾十年，受氣候變化與人類活動的影響，世界各地的干旱頻率、持續(xù)時(shí)間與波及范圍均出現(xiàn)了較為明顯的變化[4]，因此，有必要對干旱演變規(guī)律進(jìn)行分析。目前，干旱演變規(guī)律的評估可以基于許多不同的方法，如水文模型法[5]、Z指數(shù)法[6]、非參數(shù)化綜合法[7]等，其中SPI指數(shù)法具有靈活性強(qiáng)、計(jì)算簡單、數(shù)據(jù)需求少等優(yōu)點(diǎn)，成為國際上最為流行的干旱指標(biāo)之一。目前，基于SPI指數(shù)的干旱演變規(guī)律研究在我國引起越來越多的重視[1，8- 9]，但在四川高原藏區(qū)的應(yīng)用則幾乎沒有，因此本文選取甘孜藏族自治州1973年1月1日至2017年12月31日近45年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算5個(gè)不同時(shí)間尺度的SPI指數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對甘孜州的干旱年際、季節(jié)、月際演變規(guī)律進(jìn)行分析，從而為四川高原藏區(qū)的干旱研究提供經(jīng)驗(yàn)，并為甘孜州的抗旱減災(zāi)工作提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 分析方法

1.1 研究區(qū)域概況

甘孜藏族自治州位于四川省西部，地處青藏高原東南緣，橫斷山脈北段，云貴高原與四川盆地過渡帶，屬川西高原高山深谷區(qū)?？偯娣e14.97萬km2，人口116.49萬，其中藏族人口占78.3%。甘孜州位于亞熱帶氣候區(qū)，由南到北，從深谷到極高山，呈現(xiàn)出亞熱帶、暖溫帶、寒溫帶、亞寒帶乃至高山永凍帶等完整的氣候帶譜。干、雨季分明，光照強(qiáng)度大，日照豐富；冬季半年寒冷、干燥、降雨稀少、多大風(fēng)。除河谷地帶的年平均氣溫在10℃以上外，州內(nèi)其余地區(qū)均在10℃以下，常年日照時(shí)數(shù)一般為1700～2600h，年平均降水量一般在600～900mm之間。

1.2 SPI指數(shù)

SPI指數(shù)(The Standardized Precipitation Index)是由美國科學(xué)家McKee等人[10]于1993年開發(fā)的一種干旱指數(shù)，主要是用特定的分布概率來描述降水量的變化，具有功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活、計(jì)算簡單、數(shù)據(jù)需求少等優(yōu)點(diǎn)。目前，全球超過70個(gè)國家的科研機(jī)構(gòu)和氣象、水文部門已將SPI指數(shù)作為干旱監(jiān)測和預(yù)警工作的一部分予以應(yīng)用[11]，SPI指數(shù)法在我國也得到了越來越廣泛的認(rèn)可與重視，但在四川高原藏區(qū)的應(yīng)用則幾乎沒有。

計(jì)算SPI指數(shù)，首先是采用特定的函數(shù)(本文選取最常用的函數(shù)，即Gamma函數(shù))擬合降雨時(shí)間序列：

(1)

式中，x—降雨量；β—時(shí)間尺度參數(shù)，α>0—譜輪廓參量，Γ(α)—Gamma函數(shù)。

本文分別選取1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月和12個(gè)月共5種不同的時(shí)間尺度，采取最大似然法估算上述參數(shù)α和β，其計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

式中，n—降雨觀測數(shù)據(jù)組數(shù)。

基于以上方程，可以用累計(jì)概率方程表示降水的分布情況，其表達(dá)式為：

(5)

最后，對累計(jì)概率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，則得到最終的SPI值，而SPI值與干旱等級的關(guān)系可表示為：

(6)

2 分析結(jié)果

2.1 SPI指數(shù)計(jì)算結(jié)果

選取甘孜州1973年1月1日至2017年12月31日近45年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，采用MATLAB軟件計(jì)算出1973年1月至2017年12月共540個(gè)月份的逐月降水量。根據(jù)公式(2)—(6)計(jì)算出不同時(shí)間尺度下的SPI值，分別稱為“SPI- 1”、“SPI- 3”、“SPI- 6”、“SPI- 9”、和“SPI- 12”，其中數(shù)字表示時(shí)間尺度，單位為“月”。近45年的逐月SPI指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 四川省甘孜州近45年SPI指數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖1可知，采用不同時(shí)間尺度計(jì)算的SPI結(jié)果在總體趨勢上保持一致，但在數(shù)值大小上存在一定的差別?？傮w而言，當(dāng)時(shí)間尺度較短時(shí)，SPI值的浮動范圍較大，主要是因?yàn)槎虝r(shí)間尺度的SPI指數(shù)受短期降水的影響比較大，因此更適宜反映短時(shí)間內(nèi)的降水量變化情況，如SPI- 1可成功捕捉到研究時(shí)間范圍內(nèi)第12和第20個(gè)月的特旱事件，而其它時(shí)間尺度的SPI值則無法對此進(jìn)行識別。長時(shí)間尺度的SPI指數(shù)受短時(shí)間降水的影響較小，因此其變化比較平緩，無法追蹤短期的降水變化，因此其周期性更為明顯，可較為清楚地體現(xiàn)出長期的旱澇演變規(guī)律。因此，在基于SPI指數(shù)進(jìn)行干旱演變規(guī)律分析時(shí)，須根據(jù)分析目的不同而選取適宜的時(shí)間尺度。本文分別研究甘孜州的年際、季節(jié)、和月際干旱演變規(guī)律，因此分別選取SPI- 1、SPI- 3、和SPI- 12的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 干旱年際演變規(guī)律分析

根據(jù)圖1所示的SPI- 12計(jì)算結(jié)果，計(jì)算各年內(nèi)的逐月SPI指數(shù)的平均值，得到1973—2017年共45年的年均SPI指數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 四川省甘孜州近45年年均SPI指數(shù)時(shí)間序列

圖中點(diǎn)實(shí)線為SPI時(shí)間序列，表示SPI的逐年變化情況；點(diǎn)虛線為5年滑動平均值，可表示SPI指數(shù)的中期變化趨勢；而虛線為線性趨勢線，表示45年內(nèi)的整體變化趨勢。結(jié)果表明，在1973—1993年近20年的時(shí)間內(nèi)，甘孜州的SPI指數(shù)均大于或接近于0，說明此期間干旱年份的出現(xiàn)頻率較低且其干旱程度也較輕，但自1994—2004年近10年時(shí)間內(nèi)，甘孜州的干旱狀況明顯惡化，期間內(nèi)的SPI指數(shù)均小于0，出現(xiàn)連續(xù)的干旱年份，且其干旱等級也較高。自2005年至今，甘孜州的干旱狀況相對于前一階段的10年有所好轉(zhuǎn)，SPI指數(shù)在0上下浮動，干旱頻繁但程度較輕。線性趨勢線整體呈現(xiàn)下降趨勢，說明在近45年內(nèi)，甘孜州的干旱狀況整體呈現(xiàn)惡化趨勢，因此該地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)抗旱減災(zāi)工作以應(yīng)對日益嚴(yán)重的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。SPI指數(shù)序列的傾向率為-0.0202，說明其SPI指數(shù)平均每年下降約0.02。

2.3 干旱季節(jié)演變規(guī)律分析

對各月份按季節(jié)進(jìn)行劃分，本文將春、夏、秋、冬的月份確定為3—5月、6—8月、9—11月、12—2月。對圖1所示的SPI- 3計(jì)算結(jié)果按季節(jié)進(jìn)行匯總，再分別統(tǒng)計(jì)各季節(jié)內(nèi)不同等級干旱出現(xiàn)的頻率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 四川省甘孜州近45年不同等級干旱事件的發(fā)生頻率

從圖3可知，甘孜州在各個(gè)季節(jié)出現(xiàn)干旱事件的頻率較為接近，其中出現(xiàn)秋旱的概率最高，為29.63%，因此應(yīng)探索積極的措施來重點(diǎn)改善該地區(qū)的秋旱問題；春旱次之，為28.88%，夏旱出現(xiàn)的概率相對前者較少，為26.67%，而冬旱出現(xiàn)頻率最低，為24.81%。

2.4 干旱月際演變規(guī)律分析

對圖1所示的SPI- 1計(jì)算結(jié)果按月份進(jìn)行劃分，得到各個(gè)月份的SPI指數(shù)變化曲線，如圖4所示。

圖4 四川省甘孜州近45年月均SPI指數(shù)時(shí)間序列

對圖4所示數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，“M8”曲線各數(shù)值的平均值最大，為0.00024，而“M4”曲線各數(shù)值的平均值最小，為-0.89，由此可知在近45年內(nèi)，甘孜州在8月份的干旱狀況平均最好，而在4月份最差；3—6月的平均值小于0，說明甘孜州在這些月份總體上處于干旱狀態(tài)，而其它月份均為正值，即總體上處于非干旱狀態(tài)。對各個(gè)月份的SPI時(shí)間序列分別做趨勢分析，可知1月、8月、11月、和12月份的SPI指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，其中12月份的上升速度最快，年均上升率為0.013；其它各月份的SPI指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，其中3月份的下降速度最快，年均下降率為0.042。綜上，大多月份的干旱狀況呈惡化趨勢，且演變幅度不同，因此在注重水資源開發(fā)與保護(hù)的同時(shí)，也應(yīng)該優(yōu)化各月份之間的水資源調(diào)配工作以得到最大的綜合效益。

3 結(jié)論與建議

基于降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算了甘孜州近1973—2017年內(nèi)的逐日SPI值，并據(jù)此對其演變規(guī)律進(jìn)行分析，主要得到以下重要結(jié)論與建議：

(1)在年際演變規(guī)律方面，甘孜州的干旱狀況整體呈現(xiàn)惡化趨勢，這種惡化趨勢將進(jìn)一步限制該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展并嚴(yán)重危害農(nóng)作物的生長與糧食安全，因此應(yīng)大力建設(shè)節(jié)水型社會，修建農(nóng)業(yè)灌渠，加強(qiáng)旱災(zāi)預(yù)警工作，以應(yīng)對日益嚴(yán)重的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在季節(jié)演變規(guī)律方面，甘孜州出現(xiàn)秋旱的概率最高，為29.63%，因此應(yīng)修建小型水庫、塘壩等蓄水工程以調(diào)整水資源的時(shí)程分布，加強(qiáng)水資源的季節(jié)性調(diào)配以重點(diǎn)改善該地區(qū)的秋旱問題，并根據(jù)當(dāng)?shù)睾禐?zāi)規(guī)律積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

(3)在月際演變規(guī)律方面，大多數(shù)月份的干旱狀況呈惡化趨勢，且變化演變幅度不同，因此必須注重水資源的可持續(xù)性開發(fā)與保護(hù)，完善渠道、泵站、引水、調(diào)水等水利工程建設(shè)，強(qiáng)化當(dāng)?shù)卦码H水資源調(diào)配能力與計(jì)劃合理性，以保證最大的綜合效益。