氣候變化條件下黃河流域的旱澇特征

張瑞涵，高 涵

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710065；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

近百年來，全球變暖對水文循環(huán)過程的影響逐漸加強，極端天氣事件呈現(xiàn)出廣發(fā)和頻發(fā)的態(tài)勢，其最直接的后果是引起一系列的自然災(zāi)害。干旱和洪澇是中國最主要的氣象災(zāi)害之一[1]，尤其是2020年汛期以來，南方多地發(fā)生洪澇災(zāi)害，嚴重影響國民經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此如何準確預(yù)估、提前應(yīng)對流域未來的旱澇災(zāi)害是我們亟待解決的問題。

標準化降水指數(shù)(SPI)作為一種常用的旱澇指數(shù)[2-3]，由于其在計算過程中消除了降水的時空分布差異，在各個區(qū)域和各個時段都能有效反應(yīng)旱澇狀況，并具有良好的穩(wěn)定計算特性[4]，而被廣泛使用。

為此，本文以我國黃河流域為研究對象，采用SPI指數(shù)探究氣候變化條件下流域未來的旱澇特征，以期為準確預(yù)估、提前應(yīng)對旱澇事件提供支持。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

本文選取黃河流域82個氣象站點1966—2019年的逐日降水量為計算資料，其中部分氣象站點的日值數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測現(xiàn)象，采用趨勢預(yù)測法對其進行插補。數(shù)據(jù)主要來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。各氣象站點分布狀況見圖1。

圖1 研究區(qū)域氣象水文站點分布圖Fig.1 Distribution of meteorological and hydrological stations in the study area

2 研究方法

2.1 標準化降水指數(shù)

標準化降水指數(shù)(SPI)是實測降水量相對于降水概率分布函數(shù)的偏差。本次SPI指標選取時間尺度為3個月。目前常采用Gamma分布函數(shù)描述某時間尺度的累積降水量，對降水量進行正態(tài)標準化處理后，進而依據(jù)標準化降水累積頻率劃分不同干旱等級。假設(shè)某一時間尺度累積降水量是x，則其概率密度形式：

(1)

(2)

式中：Γ為Gamma函數(shù)；α、β分別為形狀和度參數(shù)。

可以采用極大似然法得到α、β的估計值，即：

(3)

(4)

確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后，對于某一年的降水量x0，可求出隨機變量x小于事件x0的概率為：

(5)

則累積概率分布為：

H(x)=p+(1-p)P(x

(6)

式中：p=m/n，其中m為降水系列中降水量為0的項數(shù)。對累積概率分布函數(shù)進行標準正態(tài)化處理，就可以反求出對應(yīng)的SPI值。

結(jié)合McKee等[5]提出的干旱等級分類方法和中國氣象干旱等級分類標準，依照SPI值可將干旱的嚴重程度分為9個等級，結(jié)果見表1。

表1 基于SPI的干旱(濕潤)等級劃分標準Tab.1 SPI based drought (humid) grades

2.2 旱澇特征值

本論文選用旱澇頻率、旱澇站次比、旱澇覆蓋面積率以及旱澇強度表征研究區(qū)域的旱澇特征。

2.2.1旱澇頻率

旱澇頻率是用于評價區(qū)域旱澇事件發(fā)生的頻繁程度。計算公式為：

(7)

式中：n為發(fā)生干旱(濕潤)事件的月數(shù)；N為黃河流域的降水資料的總月數(shù)；P為旱澇頻率。

2.2.2旱澇站次比

旱澇站次比是用于評價旱澇事件的影響范圍，為區(qū)域內(nèi)發(fā)生干旱(濕潤)的站點數(shù)占全部站點數(shù)比例。計算公式為：

(8)

式中：i代表年份；m為發(fā)生干旱(濕潤)的站點數(shù)；M為黃河流域氣象站點數(shù)；P(i)為i年的旱澇站次比。

當P≥70%，為全域性干旱(濕潤)；當50%≤P<70%時，為區(qū)域性干旱(濕潤)；當30%≤P<50%及10%≤P<30%時，為部分區(qū)域性和局域性干旱(濕潤)；當P<10%時，無明顯性干旱(濕潤)。

2.2.3旱澇覆蓋面積率

旱澇覆蓋面積率也是用于評價旱澇事件的影響范圍，但該指標側(cè)重考慮旱澇事件的面積占比，計算公式為：

(9)

式中：Sd為干旱覆蓋面積率；S1為干旱(濕潤)區(qū)域所占面積，可采用Thiessen多邊形法計算得到；S2為流域總面積。

2.2.4旱澇強度

旱澇強度用于反映旱澇事件的嚴重程度，計算公式為：

(10)

式中：S為旱澇強度；j為年份；i為站點；m為發(fā)生干旱(濕潤)的站點數(shù)；SPIij為j年i站發(fā)生干旱(濕潤)的SPI值。

當0.5≤S<1.0，為輕度干旱(濕潤)；1.0≤S<1.5時，為中度干旱(濕潤)；當S≥1.5，為重度干旱(濕潤)。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河流域未來氣候變化情景下的降水預(yù)估

3.1.1未來氣候情景的降水預(yù)估

選擇全球氣候模式提供的第五次國際耦合模式比較計劃(CMIP5)中北京氣候中心氣候系統(tǒng)模式數(shù)據(jù)(BCC-CSM1.1)，通過降尺度處理，預(yù)估黃河流域2011—2055年的降水數(shù)據(jù)。

目前氣候系統(tǒng)模式提供了4種典型排放情景，即RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5。其中RCP8.5排放情景是指：在不實施有效氣候變化減緩措施的情況下，人類活動導(dǎo)致溫度氣體濃度達到的最高情景，在一定程度上代表人類未來可能面臨的最惡劣氣候狀態(tài)[6]。在該情景下，到21世紀末全球平均溫度升幅約為3.7 ℃[7]。其中中國地區(qū)將增溫1.3 ℃到5.0 ℃，接近全球平均水平，同時極端天氣發(fā)生的頻次和強度均有所增加[8]。因此，本文將預(yù)估RCP8.5情景下中國地區(qū)—黃河流域2011—2055年的降水數(shù)據(jù)，旨在揭示最惡劣氣候狀態(tài)下黃河流域的旱澇特征。

依據(jù)黃河流域82個氣象站點1966—2019年的降水資料，選用2011—2019年數(shù)據(jù)對該氣候模式降水預(yù)估結(jié)果進行驗證，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，黃河流域氣候模式預(yù)估的降水量與實測降水量較為吻合。為了進一步說明結(jié)果，采用相對誤差Er對所選取氣候模式下RCP8.5排放情景的適用性進行評價，其計算公式如下：

圖2 黃河流域降水量預(yù)估值與實測值對比Fig.2 Comparisons of the estimated and measured precipitation in the Yellow River Basin

Er=(Pj-P0)/P0×100%

(11)

式中：Pj為預(yù)估降水量的平均值，P0為實測降水量的平均值。

當Er>0時，預(yù)估值偏大；當Er=0時，預(yù)估值與實測值完全吻合；Er<0時，預(yù)估值偏小。若|Er|<0.1，預(yù)估精度達到標準。結(jié)果顯示，相對誤差|Er|為0.01，預(yù)估降水量的準確性較高，CMIP5氣候模式下RCP8.5排放情景具有較好的適用性。

3.1.2未來降水量的變化情況

以1966—2010年的降水量作為基準期，探究黃河流域未來(2011—2055年)降水量的變化情況。

由圖3可知，黃河流域各月降水量基本上呈現(xiàn)增加趨勢，其中6月份的變化幅度最大，9月份最小，1月份和5月份降水變化幅度出現(xiàn)負值，降水量減少；四季中春季降水量增加最少，夏季降水量增加最多?？偟膩碚f，黃河流域多數(shù)月份降水增加且增幅較大，個別月份降水量減小。上述研究成果和康麗莉等[9]的結(jié)論相近，且變化趨勢相同，進一步證明黃河流域未來降水量的預(yù)估較為準確。

圖3 黃河流域未來降水量相對于基準期的變化幅度Fig.3 Range of precipitation in the Yellow River Basin relative to the base period

圖4為黃河流域未來降水量的空間分布情況。未來時期，黃河流域降水量呈現(xiàn)從東南向西北方向遞減的趨勢，且與流域歷史時期的降水空間分布規(guī)律相同，高值區(qū)主要分布在東部地區(qū)，低值區(qū)分布在內(nèi)蒙古河套平原部分地區(qū)以及寧夏銀川一帶，未來流域降水量介于146～748 mm之間。

圖4 黃河流域未來降水量的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of precipitation in the Yellow River Basin

3.2 基于SPI的黃河流域旱澇特征

3.2.1時間演變特征

根據(jù)SPI原理以及預(yù)估的未來降水量，計算黃河流域2011—2055年的SPI值，結(jié)果見圖5。由圖5可知，黃河流域SPI指數(shù)呈現(xiàn)波動狀態(tài)，有略微增加趨勢，說明黃河流域2011—2055年的干濕狀況基本維持在同一水平。SPI指數(shù)在2013—2017年、2026—2040年以及2049—2050年均小于-0.5，表征該時期流域較為干旱；SPI指數(shù)在2018—2025年、2043—2048年均大于-0.5，表征該時期流域較為濕潤。

圖5 黃河流域SPI的變化情況Fig.5 Change of SPI in the Yellow River Basin

采用旱澇站次比、旱澇覆蓋面積率、旱澇強度，揭示氣候變化條件下黃河流域的旱澇特征。

由圖6可知，黃河流域在2011—2055年之間，多發(fā)生部分區(qū)域性和局域性干旱，其所占比例分別為49.06%和43.40%。2015年和2036年的干旱站次比均大于50%，達到區(qū)域性干旱。從干旱覆蓋面積率分析，黃河流域年均覆蓋面積率為14.9%，其中2015年干旱覆蓋面積率達到最大，為60.7%。

圖6 黃河流域未來干旱事件的覆蓋面積率和站次比Fig.6 Coverage area rate and station frequency ratio of future drought events in the Yellow River Basin

由圖7知，黃河流域在2011—2055年之間，多發(fā)生部分區(qū)域性和局域性濕潤。2018年、2029年、2031年、2045年、2046年以及2050年的濕潤站次比均大于50%，達到區(qū)域性濕潤。從濕潤覆蓋面積率分析，黃河流域年均覆蓋面積率為26.0%，其中2045年干旱覆蓋面積率達到最大，為54.0%。對比圖6和圖7可知，黃河流域未來濕潤事件的覆蓋面積率多大于干旱事件，濕潤事件的影響范圍多大于干旱事件，未來流域遭受澇災(zāi)的可能性較大。

圖7 黃河流域未來濕潤事件的覆蓋面積率和站次比Fig.7 Coverage area rate and station frequency ratio of future humid events in the Yellow River Basin

圖8和圖9為黃河流域未來的旱澇強度，由圖8和圖9可知，黃河流域在2011—2055年的平均干旱強度為0.99，有32年的干旱強度在1.0～1.5之間波動，達到中度干旱強度，其他年份以輕度干旱強度為主；黃河流域在2011—2055年的平均濕潤強度為1.05，有22年的濕潤強度在1.0～1.5之間波動，達到中度濕潤強度，2020年、2052年的濕潤強度均大于1.5，達到了重度濕潤強度。

圖8 黃河流域未來干旱事件強度Fig.8 Intensity of future drought events in the Yellow River Basin

圖9 黃河流域未來濕潤事件強度Fig.9 Intensity of future humid events in the Yellow River Basin

對比圖8和圖9可知，黃河流域在2020—2024年、2037年之后濕潤事件的強度略大于干旱事件。

3.2.2空間分布特征

根據(jù)黃河流域82個氣象站點的SPI值，計算流域輕旱(潤)、中旱(潤)、重旱(潤)以及特旱(潤)頻率值，并繪制相應(yīng)的空間分布圖，結(jié)果見圖10和圖11。

由圖10(a)～(d)可知，黃河流域輕旱事件發(fā)生頻率處于14.69%～30.09%之間，絕大部分地區(qū)輕旱頻率小于20.85%，內(nèi)蒙古為輕旱事件的高頻區(qū)；中旱事件發(fā)生頻率大致在10.50%～24.63%之間，大部分地區(qū)中旱頻率小于18.98%；重旱事件頻率分布在5.01%～15.15%之間，其高頻區(qū)主要集中在流域的南部地帶，包括青海、四川、寧夏、陜西等地；特旱事件發(fā)生頻率分布在2.69%～12.05%之間，高頻區(qū)主要集中在黃河流域的西部以及東北部。整體而言，黃河流域未來極端干旱事件的高頻率區(qū)主要集中在上、中游地帶，這是由于黃河流域的上、中游地區(qū)屬于干旱和半干旱氣候類型區(qū)，降水量稀少，蒸發(fā)量大，易發(fā)生干旱事件。

由圖11(a)～(d)可知，黃河流域輕潤事件發(fā)生頻率處于13.47%～27.92%之間，低頻區(qū)主要集中在流域中部地帶；中潤事件發(fā)生頻率在8.42%～25.49之間，大部分地區(qū)的中潤頻率小于22.08%，其高頻區(qū)位于青海、甘肅、陜西、山東以及山西等地；重潤事件頻率分布在3.10%～18.44%之間，大部分地區(qū)重潤頻率小于12.31%；特潤事件發(fā)生頻率分布在1.72%～15.76%之間，高頻區(qū)主要集中在黃河流域中、下游地帶。

對比圖10和圖11，可以發(fā)現(xiàn)黃河流域未來輕旱事件和輕潤事件發(fā)生的可能性均較高，中旱事件、重旱事件以及特旱事件的頻率均小于對應(yīng)的濕潤事件頻率，由此說明未來黃河流域發(fā)生極端濕潤事件的頻率較高，即發(fā)生洪澇災(zāi)害的可能性大于干旱災(zāi)害。

圖10 黃河流域未來干旱事件頻率分布圖Fig.10 Frequency distribution of future drought events in the Yellow River Basin

圖11 黃河流域未來濕潤事件頻率分布圖Fig.11 Frequency distribution of future humidification events in the Yellow River Basin

3.2.3旱澇轉(zhuǎn)化特征

為了探究黃河流域未來旱澇轉(zhuǎn)化特征，計算不同年代下黃河流域的干旱頻率和濕潤頻率，結(jié)果見表2。由表2可知，2011—2020年，黃河流域旱澇事件的發(fā)生頻率均較高，尤其是濕潤事件，達到48%左右，之后旱澇事件頻率呈現(xiàn)下降-上升-下降的趨勢。未來黃河流域?qū)⒂傻秃狄诐碃顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈秃档蜐碃顟B(tài)。

表2 黃河流域旱澇特征變化分析表Tab.2 Analysis of changes in the characteristics of drought and flood in the Yellow River Basin

3.3 旱澇事件的重現(xiàn)期

為了更好地應(yīng)對旱澇事件，對黃河流域未來的SPI序列進行頻率計算，計算旱澇事件的重現(xiàn)期，結(jié)果見表3。

表3 黃河流域旱澇事件重現(xiàn)期成果表Tab.3 Results of the return period of drought and flood events in the Yellow River Basin

由表3可知，未來黃河流域干旱事件和濕潤事件的重現(xiàn)期有所差異。其中輕旱、中旱、重旱、特旱的重現(xiàn)期分別為1.2年、1.6年、2.8年和6.3年；輕潤、中潤、重潤、特潤的重現(xiàn)期分別為1.1年、1.5年、2.6年和5.7年。濕潤事件的重現(xiàn)期大于干旱事件，尤其是在特旱(潤)的情況下。

4 結(jié) 論

探究氣候變化條件下黃河流域的旱澇特征，可得出以下結(jié)論。

1) 未來黃河流域多數(shù)月份降水增加且增幅較大，個別月份降水量減小。

2) 未來黃河流域干旱年均覆蓋面積率為14.9%，濕潤年均覆蓋面積率為26.0%。未來濕潤事件的覆蓋面積率多大于干旱事件，濕潤事件的影響范圍多大于干旱事件，流域遭受澇災(zāi)的可能性較大。

3) 未來黃河流域輕旱事件和輕潤事件發(fā)生的可能性均較高，中旱事件、重旱事件以及特旱事件發(fā)生的頻率均小于對應(yīng)的濕潤事件頻率。 未來流域發(fā)生極端濕潤事件的頻率較高，即發(fā)生洪澇災(zāi)害的可能性大于干旱災(zāi)害。

4) 未來黃河流域?qū)⒂傻秃狄诐碃顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈秃档蜐碃顟B(tài)。

5) 未來黃河流域濕潤事件的重現(xiàn)期大于干旱事件。其中，特旱事件的重現(xiàn)期為6.3年，特潤事件的重現(xiàn)期為5.7年。

整體來看，受人類活動影響，全球氣候呈現(xiàn)變暖趨勢。未來黃河流域氣溫升高，大氣循環(huán)、水循環(huán)方式及速度發(fā)生改變，流域易形成降水，引起澇災(zāi)事件發(fā)生。

本研究雖僅討論了黃河流域的旱澇特征，但其研究方法對準確預(yù)估其他流域未來的災(zāi)害發(fā)展情況同樣具有指導(dǎo)意義。