德州市降水及干旱長(zhǎng)期特征

吳金磊 ，李志強(qiáng) ，牛 勇

(1.德州市水利局，山東 德州 253048；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

干旱不僅僅是一種水資源短缺的自然現(xiàn)象，更是一種嚴(yán)重影響人類生產(chǎn)生活的氣象災(zāi)害[1]。隨著全球氣候變化的不斷持續(xù)，溫度升高、降水格局變化將導(dǎo)致干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度增大，因此干旱的預(yù)測(cè)與監(jiān)控成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)研究對(duì)象的不同，學(xué)者們分別定義了氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會(huì)干旱[2]。氣象干旱主要由蒸發(fā)量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現(xiàn)象；氣象干旱是最基本的干旱類型，當(dāng)降水量顯著減小發(fā)生氣象干旱后，農(nóng)作物因土壤含水量不足生長(zhǎng)發(fā)育受到限制（農(nóng)業(yè)干旱），流域的徑流量減小水庫(kù)水位降低（水分干旱），人類生活及工業(yè)用水短缺（社會(huì)干旱），因此氣象干旱的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要[3～4]。

近年來(lái)隨著學(xué)者們對(duì)干旱的重視，很多干旱指數(shù)用來(lái)描述干旱事件：如降水距平百分率（Pa）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）等。馬海嬌等學(xué)者利用Pa、SPI、降水Z指數(shù)等指標(biāo)評(píng)價(jià)灤河流域干旱情況，得出SPI比Pa、降水Z指數(shù)能更好的反映灤河流域干旱程度，但是SPI指標(biāo)忽略了氣溫、蒸發(fā)等因素不能反映干旱的內(nèi)在機(jī)理[5]。王勁松等學(xué)者則對(duì)比分析了綜合氣象干旱指數(shù)（CI）、SPI、PDSI、Pa在黃河流域的適應(yīng)性，得出CI、PDSI等考慮多環(huán)境要素的指標(biāo)比SPI、Pa的干旱監(jiān)測(cè)更接近實(shí)際情況[6]。楊慶等學(xué)者評(píng)估了PDSI、SPEI、SPI等7個(gè)氣象干旱指數(shù)在中國(guó)區(qū)域的適應(yīng)性，得出7個(gè)干旱指數(shù)均能反應(yīng)中國(guó)區(qū)域尺度干濕變化，但不同的干旱指標(biāo)量值有顯著差異[7]?？梢姡煌母珊抵笖?shù)考慮的物理過(guò)程不同，對(duì)同一地區(qū)不同干旱指數(shù)可能得出相反的結(jié)果[8]。

本文通過(guò)降水、SPI、SPEI這3種指數(shù)結(jié)合德州市歷年氣象災(zāi)害事件評(píng)價(jià)德州市的干旱情況，并比較3種指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果，其結(jié)果可為德州市定量研究干旱事件提供合理的指標(biāo)依據(jù)，為有限的水資源合理持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

德州市位于山東省西北部、黃河下游沖積平原。德州市屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫13℃，多年平均降水量約為560 mm且主要集中在夏季。全市年主風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng)，年平均風(fēng)速在3 m/s～3.8 m/s，年最大風(fēng)速在20 m/s以上。德州市土壤以潮土為主，土壤表層主要是壤質(zhì)土，土壤顆粒細(xì)微均勻，質(zhì)地疏松，結(jié)構(gòu)脆弱，極易侵蝕。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文的氣象資料主要來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的山東省氣象站1960年～2018年的逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括降水、日最大氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速等觀測(cè)。德州市氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)資料則來(lái)源于德州市氣象局德州市重點(diǎn)氣象災(zāi)害。

1.3 干旱指標(biāo)的計(jì)算

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)

考慮到降水量是一種偏態(tài)分布，在降水分析時(shí)使用Γ分布概率。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)在Γ分布概率描述降水量變化后，然后再正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，基于標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率確定干旱程度，公式如下[3,9]：

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)

使用3參數(shù)的Log-Logistic概率密度函數(shù)f(x)來(lái)描述月降水(P)與月潛在蒸散量(PET)差值的變化，得到月水分平衡量的概率分布函數(shù)f(x)。

式中：α為尺度參數(shù)；β為形狀參數(shù)；γ為origin參數(shù)，參數(shù)的計(jì)算方法參考《氣象干旱等級(jí)》（GB/T 20481-2017）。給定時(shí)間尺度的累積概率公式為F（x）=。

經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到SPEI值，具體過(guò)程如下[3,9]：

2 結(jié)果分析

2.1 德州市降水變化特征

1950年～2018年德州市全年及夏季降水量呈下降趨勢(shì)（圖1、圖2），平均每10年分別下降11.03 mm、10.36 mm，降水量減少主要發(fā)生在夏季。

圖1 德州市年降雨量變化曲線

圖2 德州市夏季降水變化曲線

盡管德州市全年及夏季降水呈下降趨勢(shì)，但是德州市全年降水量波動(dòng)較大，從1980年～2010年降水量一直處于下降趨勢(shì)，但沒有超過(guò)0.05的顯著水平(圖3、圖4)。夏季降水量的變化規(guī)律與年降水量的變化規(guī)律一致，但是2006年夏季降水降低趨勢(shì)超過(guò)了0.05的顯著水平。

圖3 德州市年降水量M-K檢驗(yàn)曲線

圖4 德州市夏季降水量M-K檢驗(yàn)曲線

2.2 德州市干旱災(zāi)害及指標(biāo)評(píng)價(jià)

據(jù)史料記載，德州地區(qū)干旱發(fā)生的頻率極高，且經(jīng)常旱澇交替出現(xiàn)。在1990年～2010年中，旱災(zāi)較重的年份有1992年、1994年、2002年、2005年、2008年。

由表1可知，SPI與SPEI都能反應(yīng)德州市干旱災(zāi)害，但是不同時(shí)間尺度的SPI、SPEI反應(yīng)的干旱災(zāi)害略有差異，短時(shí)間尺度指標(biāo)（SPEI1、SPEI3、SPI1、SPI3）出現(xiàn)干旱災(zāi)害的月份多于長(zhǎng)時(shí)間尺度（SPEI6、SPEI12、SPI6、SPI12）；SPI僅考慮降水的變化，而SPEI考慮了溫度、日照、風(fēng)速等環(huán)境因子，SPEI比SPI能更好的反應(yīng)德州市的干旱災(zāi)害情況。

表1 德州市典型年標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

圖5 德州市SPEI1變化特征

圖6 德州市SPEI3變化特征

圖7 德州市SPEI6變化特征

圖8 德州市SPEI12變化特征

不同時(shí)間尺度的SPEI值隨時(shí)間變化的敏感性明顯不同，時(shí)間尺度越小，SPEI值的波動(dòng)幅度越大（圖5～圖8）。SPEI1和SPEI3，其數(shù)值波動(dòng)性較大，反映出德州這種相對(duì)短期旱澇無(wú)常、頻繁的特性，SPEI6、SPEI12波動(dòng)較小，持續(xù)半年以上的干旱發(fā)生的頻率較低。未來(lái)隨著氣候變化進(jìn)程的加快，德州地區(qū)（華北）降水格局將繼續(xù)變化，極端降水事件將會(huì)顯著增加，干旱事件出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度可能增大[10]。

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，整個(gè)社會(huì)對(duì)水資源的需求量越來(lái)越大，保障人民的生產(chǎn)生活活動(dòng)不受水資源短缺與干旱的影響已經(jīng)成為華北地區(qū)的重要課題。但是在全球氣候變化大的背景下，華北地區(qū)的降水量減少，降水格局發(fā)生變化，德州市年降水量、夏季降水量呈下降趨勢(shì)，且夏季降水減少趨勢(shì)已經(jīng)超過(guò)了顯著水平。與SPI相比SPEI更能反映德州市干旱災(zāi)害情況，多時(shí)間尺度的SPEI值反映出德州市頻繁遭受短期的干旱迫害，但6個(gè)月以上的長(zhǎng)期干旱或者嚴(yán)重干旱事件頻率很少。隨著未來(lái)降水量、降水格局的變化，德州市的干旱事件、干旱持續(xù)事件可能增大。