淮河流域陸地水儲量與干旱指標(biāo)分析

李曉英，吳淑君，王 穎，崔 威

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

干旱作為常見的自然災(zāi)害，與人類生活、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)[1-3]。傳統(tǒng)干旱災(zāi)害定量觀測是基于點(diǎn)的觀測，難以反映面尺度上的干旱特征。遙感觀測覆蓋面大，能滿足干旱監(jiān)測的時空分辨率要求，因此廣泛應(yīng)用于旱情監(jiān)測。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感手段能越來越精確地監(jiān)測降水、蒸發(fā)、土壤水分等水循環(huán)要素，成為區(qū)域旱澇災(zāi)害監(jiān)測和評估的重要手段[4-6]。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index， SPI)是氣象干旱指標(biāo)中最常用的表征地區(qū)干旱程度的指標(biāo)。Byakatonda等[7]運(yùn)用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法研究不同時間尺度的SPI和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)對區(qū)域干旱的指示性。方國華等[8]選取SPI對淮河流域干旱事件的時空連續(xù)性進(jìn)行了判別，結(jié)果表明淮河流域春旱、夏旱頻繁，流域北部受干旱影響更嚴(yán)重。Caloiero等[9]使用SPI分析了北半球干旱事件，評估了嚴(yán)重干旱和極端干旱類型的變化。

利用植被覆蓋遙感數(shù)據(jù)可計(jì)算得到地區(qū)條件植被指數(shù)(vegetation condition index， VCI)，VCI常用于生態(tài)干旱監(jiān)測。VCI在相對少雨地區(qū)具有良好的監(jiān)測能力，在比較濕潤的生態(tài)系統(tǒng)中，因土壤濕度對植被長勢的限制小，將對VCI準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響[10-11]。為研究河南省干旱情況，沙莎等[12]將VCI與同期SPI、PDSI、Pa等干旱指數(shù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在不同的作物生長階段VCI對氣象干旱存在不同的滯后效應(yīng)。王文等[13]利用MODIS遙感數(shù)據(jù)和GLDAS數(shù)據(jù)，在云貴高原區(qū)對干旱遙感監(jiān)測的各干旱指數(shù)進(jìn)行了對比。王圓圓等[14]基于VCI和SPI間的相關(guān)性，評估了植被對氣象干旱的響應(yīng)特征，西藏地區(qū)植被生長對降水的響應(yīng)滯后長達(dá)12周。李新堯等[15]探討了VCI在陜西省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測中的適用性，發(fā)現(xiàn)月尺度VCI與降水相關(guān)性較差。

陸地水儲量變化(terrestrial water storage anomaly， TWSA)能夠體現(xiàn)地表水、地下水、土壤含水量、冰雪和生物體含水量的綜合變化[16]。水文干旱常伴隨氣象干旱[17]，GRACE重力衛(wèi)星能夠有效監(jiān)測TWSA，用于水文干旱監(jiān)測。曹艷萍等[18]利用降水?dāng)?shù)據(jù)和GRACE數(shù)據(jù)對新疆地區(qū)旱情進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)利用TWSA來反演的干旱特征與近年來新疆干旱災(zāi)害實(shí)際情況基本吻合，且與SPI的結(jié)果一致性較好。王文等[16]構(gòu)建了長江流域標(biāo)準(zhǔn)化陸地水儲量指數(shù)(standardized water storage index， SWSI)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化土壤含水量指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)和SPI對長江中下游的旱情進(jìn)行評估，分析了各指數(shù)的靈敏度。馬柱國等[19]利用GRACE數(shù)據(jù)、降水等數(shù)據(jù)對我國東部干旱進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)長江流域存在顯著干旱趨勢，華北地區(qū)干旱緩解，而GRACE反演的陸地水儲量顯示北方仍處在干旱狀態(tài)。

目前對干旱指標(biāo)的研究主要基于降雨和植被等要素，對陸地水儲量指標(biāo)的研究較少，SWSI在淮河流域干旱的應(yīng)用研究較為缺乏。本文以淮河流域洪澤湖以上范圍為研究對象，分析研究區(qū)域多年陸地水儲量變化、降水變化及植被變化情況?；谘芯繀^(qū)域陸地水儲量變化數(shù)據(jù)生成新的水文干旱指標(biāo)SWSI，選取傳統(tǒng)氣象干旱指標(biāo)SPI和生態(tài)干旱指標(biāo)VCI為典型干旱指標(biāo)進(jìn)行多指標(biāo)對比分析，驗(yàn)證SWSI對淮河流域干旱及強(qiáng)度的指示性，以期為多指標(biāo)在淮河流域干旱中的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

淮河流域位于我國東部，地跨河南、湖北、安徽、江蘇、山東5省，流域西、南、東北部為山區(qū)，其余為平原、湖泊等?；春恿饔虻靥幬覈媳睔夂蜻^渡帶，南部為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，北部為暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，流域植被分布具有明顯條帶性。南部降水量大于北部，山區(qū)降水量高于平原?；春恿饔蜣r(nóng)業(yè)自然條件優(yōu)越，是我國重要的糧棉油生產(chǎn)基地之一，干旱災(zāi)害將嚴(yán)重影響我國糧食安全。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1GRACE數(shù)據(jù)

GRACE衛(wèi)星通過監(jiān)測時變重力場變化得到地表質(zhì)量變化，并轉(zhuǎn)化為等效水高變化，數(shù)據(jù)序列最早始于2002年4月。本文采用2003—2016年CSR、GFZ、JPL 3家研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的全球空間分辨率為 1°×1°的逐月等效水高變化的均值，對流域進(jìn)行面積加權(quán)平均，得到的各月平均TWSA為相對于2004—2009年陸地水儲量均值的距平值。

1.2.2降雨數(shù)據(jù)

降雨數(shù)據(jù)采用淮河流域1987—2016年降雨月值格點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，分辨率為0.5°×0.5°，個別缺損數(shù)據(jù)采用樣條法插值。

1.2.3MODIS數(shù)據(jù)

采用MOD13A 3月數(shù)據(jù)生成歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index， NDVI)，資料時間序列為2001—2016年，空間分辨率為1 km。NDVI與地表覆蓋率呈正相關(guān)關(guān)系，能夠很好反映地表植被覆蓋情況。

1.3 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率定量化操作，且檢測范圍廣，受人為影響小，在水文氣象資料的長期變化趨勢預(yù)測中得到廣泛應(yīng)用，其計(jì)算公式[20]為

(1)

(2)

式中：p為時間序列對偶值(xi,xj)(j>i)中xi0，表示序列有上升趨勢；當(dāng)τ<0，表示序列有下降趨勢。當(dāng)|U|>U0.05=1.96時，表示序列趨勢變化顯著，反之沒有顯著變化趨勢。

2 流域干旱分析指標(biāo)

2.1 SWSI

SWSI作為一種水文干旱指標(biāo)，能夠評價(jià)陸地水儲量的虧損狀況[16,21]。利用正態(tài)分布Q-Q圖評估GRACE反演的淮河流域洪澤湖以上范圍TWSA的實(shí)際分布與正態(tài)分布偏離度。如圖1所示，樣本點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)分位數(shù)與理論分位數(shù)分布近似在一條直線上，表明陸地水儲量分布接近正態(tài)分布，則SWSI可表達(dá)為

(3)

圖1 TWSA正態(tài)分布Q-Q圖Fig.1 Normal Q-Q plot for TWSA

2.2 SPI

SPI可以表征某時段降水量出現(xiàn)的概率，被廣泛應(yīng)用于干旱識別。干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)適宜不同時段不同地區(qū)，具有良好的時空適應(yīng)性，通常要求降水?dāng)?shù)據(jù)序列長度達(dá)30 a以上。采用Г分布概率描述降水變化。

降水量服從Г分布時，概率密度計(jì)算公式為

(4)

(5)

式中:x為降水量樣本值;β>0、γ>0分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，可采用極大似然估計(jì)得到，Г(γ)為Г函數(shù)。對概率密度函數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算Г分布概率P，當(dāng)降水量x=0時，P=m/n，m、n分別為降水量為0的樣本數(shù)和總樣本數(shù)。

對Г分布概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，即得到SPI值，再由標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布劃分干旱等級。近似求解SPI值為

(8)

其中

式中：S為概率密度正負(fù)系數(shù)，當(dāng)P>0.5時，S=1；當(dāng)P≤0.5時，S=-1。各參數(shù)值如下：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

根據(jù)干旱等級標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20481—2017《氣象干旱等級》及相應(yīng)研究[4,10]，ISPI≤-2.0，為極端干旱；-2.0

2.3 VCI

NDVI的年際變化能夠反映氣象條件差異造成的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的波動。NDVI長系列年的最值反映了研究系列年份的最極端氣象條件，利用這一特性可以將生態(tài)系統(tǒng)因素與極端天氣因素對植被覆蓋的影響剝離，使得VCI的變化能夠反映植被含水量，評價(jià)極端天氣對植被的影響，從而監(jiān)測農(nóng)業(yè)干旱。

(9)

式中：INDVIi為某月的NDVI；INDVI,max、INDVI,min分別為研究長系列年中月NDVI的最大值和最小值。通常IVCI≤0.15表示植被生長狀況差，發(fā)生極端干旱；0.150.7表示植被生長狀況良好，無干旱[14-15]。

3 結(jié)果與討論

3.1 流域降水量、陸地水儲量及植被指數(shù)變化分析

淮河流域洪澤湖以上區(qū)域2016年年均TWSA、降水量和NDVI相對于2003年年均的變化率如圖2所示。相對2003年，2016年淮河流域年均降水量整體稍有下降，淮河南部大別山山脈地區(qū)降水量略有上升，淮河南部降水量高于北部。GRACE反演的淮河流域陸地水儲量除洪澤湖范圍外均呈現(xiàn)下降狀態(tài)，尤其是淮南市一帶。分析原因，應(yīng)是洪澤湖保護(hù)規(guī)劃等措施的實(shí)施，洪澤湖生態(tài)保護(hù)增強(qiáng)，使得湖區(qū)水儲量上升。相較2003年，淮河流域城市化水平提高，地下水用水量增加，陸地水資源量損耗增大。相較2003年，2016年淮河流域的年均植被指數(shù)除個別小范圍地區(qū)變化較大外，整體較為均勻，略有上升。流域植被覆蓋率增加，流域生態(tài)環(huán)境得到改善。

(a) TWSA

(b) 降水量

(c) NDVI圖2 2003年、2016年淮河流域TWSA、降水量及NDVI相對變化對比Fig.2 Comparison of the changes of TWSA, precipitation and NDVI between 2003 and 2016 in the Huaihe River Basin

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析淮河流域GRACE反演的TWSA、降水及NDVI的趨勢性，發(fā)現(xiàn)2003—2016年淮河流域降水量存在微弱下降趨勢，TWSA呈現(xiàn)顯著下降趨勢，但流域NDVI有顯著上升的趨勢。TWSA受到降水量的影響，一般與降水量變化呈正相關(guān)關(guān)系[22-23]?；春恿饔蜿懙厮畠α康娘@著下降除受到人類活動用水增加的影響外，還受到流域降水量下降的影響。NDVI的上升主要受人類活動因素的影響，隨著人們環(huán)保意識逐步增強(qiáng)，植被保護(hù)、城市綠化、退耕還林等一系列措施的實(shí)施使得區(qū)域植被覆蓋率逐步升高，NDVI顯著上升。

3.2 流域干旱指標(biāo)指示性分析

基于淮河流域TWSA、降水量及NDVI分別構(gòu)建了流域2003—2016年間SWSI、SPI和VCI 3個指標(biāo)序列(圖3)，從水文干旱、氣象干旱和生態(tài)干旱角度分析淮河流域洪澤湖以上范圍區(qū)域性干旱，并評估各指標(biāo)對淮河流域干旱的表征能力。

圖3 2003—2016年淮河流域各干旱指標(biāo)變化Fig.3 Variation of drought indices from 2003 to 2016 in the Huaihe River Basin

SPI和VCI的相關(guān)性較好，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.71(P<0.01)，SWSI與SPI、VCI間整體相關(guān)性略差。圖3中橫線為各指標(biāo)是否發(fā)生旱情分界線，分界線以上表示為輕微干旱或無旱狀態(tài)。從圖3可見，2004—2010年SWSI變化雖然與SPI和VCI較為同步，但是變化幅度小，部分月份當(dāng)SPI和VCI出現(xiàn)旱情時，SWSI整體仍呈現(xiàn)輕微干旱或者無旱狀態(tài)。2006—2016年SWSI變化與SPI和VCI變化一致性較好，對旱情的指示較為吻合，但存在2～3月的不同步性。SPI與VCI的趨勢較為一致，當(dāng)SPI顯示存在旱情時，VCI也同期呈現(xiàn)干旱狀態(tài)。當(dāng)SPI顯示研究區(qū)域?yàn)闈駶櫊顟B(tài)時，VCI均表現(xiàn)為植被生長狀況良好，無干旱出現(xiàn)。2003年VCI基本小于干旱界限值，較為異常，主要是受MOD13衛(wèi)星提供的原始數(shù)據(jù)時間序列較短的影響。VCI監(jiān)測干旱時要求有較長時間的植被覆蓋率資料積累，而由于MODIS公開資料最早從2001年起，導(dǎo)致NDVI最值不具代表性，造成計(jì)算VCI時存在誤差，影響VCI干旱監(jiān)測的準(zhǔn)確性。同時由于淮河流域研究區(qū)域均處于濕潤、半濕潤地區(qū)而VCI具有局限性，在較濕潤生態(tài)系統(tǒng)中，受植被自身特性影響較大，會出現(xiàn)無法準(zhǔn)確識別出干旱事件的情況[9-10]。

對3個指標(biāo)在2003—2016年間的干旱月份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，發(fā)現(xiàn)SWSI與SPI在極端干旱、嚴(yán)重干旱和中等干旱月份數(shù)量基本相當(dāng)，與VCI反映的同等級干旱月份數(shù)量差距較大。當(dāng)SWSI與SPI指示月份出現(xiàn)短期連續(xù)性輕旱，尚未構(gòu)成旱情時，VCI對應(yīng)月份顯示為中等干旱或嚴(yán)重干旱。

表1 2003—2016年淮河流域各干旱指標(biāo)干旱月份數(shù)Table 1 Number of dry months of various drought indices in the Huaihe River Basin from 2003 to 2016

分別對各干旱研究指標(biāo)在歷史干旱時期對應(yīng)顯示干旱等級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2，旱情資料來源于《中國水旱災(zāi)害公報(bào)》?；春恿饔虬l(fā)生了5場較大規(guī)模的旱情，其中SWSI和VCI均全部監(jiān)測到，SPI存在一次遺漏。2012年淮河流域發(fā)生短暫旱情，7月旱情隨降水量增多而解除，同期SWSI和SPI顯示為輕微干旱，而VCI指示的干旱等級偏高達(dá)到嚴(yán)重干旱。2014年黃淮地區(qū)持續(xù)高溫，淮河上中游來水偏少6～7成，導(dǎo)致夏伏旱較為嚴(yán)重，SPI僅考慮了降水量的影響，未能正確指示旱情。SWSI除2009年受前期水儲量較豐影響僅表現(xiàn)為輕微干旱外，整體表現(xiàn)較為良好。

表2 淮河流域歷史干旱事件與各指標(biāo)干旱結(jié)果比較Table 2 Comparison of historical drought events and drought indices results in the Huaihe River Basin

4 結(jié) 論

a. 2003—2016年期間，淮河流域年均降水量整體稍有下降，南部山脈地區(qū)降水量上升；流域陸地水儲量除洪澤湖范圍上升明顯外，整體呈現(xiàn)下降狀態(tài)；年均植被指數(shù)略有上升，植被覆蓋率增加?；春恿饔蚪邓砍尸F(xiàn)微弱下降趨勢，而陸地水儲量顯著下降，植被指數(shù)顯著上升，一定程度上反應(yīng)了地下水取用、環(huán)境綠化等人類活動對流域陸地水儲量和植被覆蓋率的影響。

b. SPI與VCI相關(guān)性較高，與SWSI變化較為一致，但SWSI變化相對于SPI和VCI變化存在 2～3月的滯后性。SWSI與SPI指示的不同等級干旱月份數(shù)基本相當(dāng)，明顯少于VCI。當(dāng)SWSI與SPI指示月份僅表現(xiàn)為短期輕微干旱，流域未發(fā)生旱情時，VCI多次顯示不準(zhǔn)確的嚴(yán)重干旱，進(jìn)一步驗(yàn)證了VCI的局限性。

c. SPI對2003—2016年間淮河流域歷史干旱存在漏報(bào)，VCI指示的干旱等級略偏高，SWSI整體表現(xiàn)較為良好。綜合研究結(jié)果表明，SWSI能夠有效監(jiān)測淮河流域旱情，為干旱的監(jiān)測和防治提供可靠依據(jù)，但在其他流域多指標(biāo)對干旱的指示性仍需進(jìn)一步研究。