基于SPEI_PM指數(shù)的渭河流域氣象干旱時(shí)空演變特征*

楊 睿，耿廣坡**，周洪奎，王 濤

基于SPEI_PM指數(shù)的渭河流域氣象干旱時(shí)空演變特征*

楊 睿1，耿廣坡1**，周洪奎2，王 濤1

（1. 西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054；2. 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，杭州 310021）

利用渭河流域25個(gè)氣象站點(diǎn)1980?2018年月值氣象數(shù)據(jù)集，基于Penman-Monteith蒸散模型計(jì)算多個(gè)時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（SPEI），分析渭河流域氣象干旱的演變、趨勢(shì)、影響范圍、發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間等時(shí)空變化特征，以期為渭河流域防災(zāi)減災(zāi)管理提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：（1）近39a來(lái)渭河流域有明顯的干濕周期變化，但整體上呈變干的趨勢(shì)，干旱時(shí)段主要集中在1995?2009年，其中以2000?2009年的干旱站次比最大，平均達(dá)到36%，且干旱持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，約3.6個(gè)月，1980?1989年干旱持續(xù)時(shí)間最短，約1.6個(gè)月；（2）渭河流域秋季總體呈濕潤(rùn)變化趨勢(shì)，而春季和夏季干旱在不斷加劇，是區(qū)域年際干旱的主要驅(qū)動(dòng)力；（3）渭河流域干旱以危害性較小的輕中旱為主，但2000年前后出現(xiàn)嚴(yán)重及極端干旱的站次相對(duì)較多，其中1997年研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的干旱程度較高，影響范圍較廣；（4）不同時(shí)間尺度各等級(jí)干旱發(fā)生頻率的變化規(guī)律表現(xiàn)一致，均呈現(xiàn)出干旱等級(jí)越高發(fā)生頻率越低的態(tài)勢(shì)，且極端干旱在年際尺度內(nèi)發(fā)生次數(shù)較為頻繁，從空間上看渭河流域東北部是干旱多發(fā)區(qū)?？傊?，近39a來(lái)渭河流域總體干旱較為嚴(yán)重的時(shí)段為2000?2009年，且研究區(qū)內(nèi)干旱呈北重南輕特征，因此北部地區(qū)仍需加強(qiáng)防災(zāi)管理。

SPEI_PM；多時(shí)間尺度；氣象干旱；時(shí)空特征；渭河流域

干旱是中國(guó)發(fā)生最頻繁、影響范圍最廣、造成損失最大的自然災(zāi)害之一[1]。干旱的頻繁發(fā)生和長(zhǎng)期持續(xù)，不僅會(huì)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失，還會(huì)造成水資源短缺、荒漠化加劇、沙塵暴頻發(fā)等諸多生態(tài)和環(huán)境方面的不利影響。開(kāi)展干旱的監(jiān)測(cè)、評(píng)估與預(yù)測(cè)等一系列研究，已成為全球高度關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

目前許多干旱指數(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于干旱監(jiān)測(cè)，比如帕爾默干旱指數(shù)PDSI、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI等在全球、區(qū)域、國(guó)家、流域等不同空間尺度均得到了廣泛應(yīng)用[2?6]。其中Vicente-Serrano等[7]構(gòu)建的SPEI在以往的基礎(chǔ)上考慮氣溫要素引入了潛在蒸散，使之更適用于氣候變暖背景，相比于PDSI和SPI，SPEI具有明顯的優(yōu)越性，不僅具有多時(shí)間尺度特征，而且能全面綜合影響干旱的自然因子，使干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。Tian等[8]利用SPEI指數(shù)對(duì)2018年發(fā)生在澳大利亞?wèn)|南部的極端干旱事件進(jìn)行識(shí)別并表征其干旱時(shí)空特征，發(fā)現(xiàn)干旱強(qiáng)度由西北向東南逐漸增大并在東南達(dá)到最高，其形成原因是厄爾尼諾現(xiàn)象及降水量的嚴(yán)重缺乏。李翔翔等[9]研究了黃淮海平原1960-2014年的干旱特征，發(fā)現(xiàn)總體上呈濕潤(rùn)趨勢(shì)，且農(nóng)業(yè)干旱面積呈顯著減小態(tài)勢(shì)，表明SPEI在黃淮海平原具有良好的適用性。目前SPEI指數(shù)計(jì)算過(guò)程中采用的蒸散發(fā)模型共有兩種，由于它們考慮的氣象要素不同會(huì)導(dǎo)致SPEI結(jié)果產(chǎn)生差異。Thornthwaite蒸散公式中所需氣象要素僅有溫度，計(jì)算簡(jiǎn)便。而基于Penman-Monteith模型的方法，除溫度外還將太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和站點(diǎn)所在空間位置等因子納入到潛在蒸散計(jì)算過(guò)程中，這樣則綜合考慮了熱量和空氣動(dòng)力成分。劉珂等[10]計(jì)算了基于兩種潛在蒸散發(fā)方法的SPEI，對(duì)比分析了它們?cè)诒碚鞲蓾褡兓卣鲿r(shí)的差異，研究發(fā)現(xiàn)從空間上看北方地區(qū)的空氣動(dòng)力成分對(duì)總潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)大于南方，并且隨著氣候變暖趨勢(shì)的進(jìn)一步加大，這一影響會(huì)逐漸擴(kuò)大。Chen等[2]研究發(fā)現(xiàn)，SPEI_PM在中國(guó)干旱監(jiān)測(cè)中的表現(xiàn)優(yōu)于SPEI_TH，特別是在干旱地區(qū)，近幾十年來(lái)的溫度變化在造成干旱的自然因子中所占權(quán)重最大。Wu等[6]利用SPEI_PM評(píng)估中國(guó)1960-2014年的干旱時(shí)空特征，發(fā)現(xiàn)干旱轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1993年，在此之后干旱的嚴(yán)重程度、影響面積和發(fā)生頻率都在增加，尤其是南部和西北部。

自20世紀(jì)90年代末以來(lái)，由于全球明顯增暖和東亞夏季風(fēng)持續(xù)減弱的影響，中國(guó)各地干旱災(zāi)害日益頻繁和嚴(yán)重，尤其是北方部分地區(qū)，先后出現(xiàn)了1995、1997和2000年的西北區(qū)東部和華北區(qū)的年代際大旱[2?3, 11]。渭河流域地處中國(guó)西北地區(qū)東部，旱災(zāi)頻發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)和水資源管理造成巨大影響。目前有學(xué)者[12?15]利用干旱指數(shù)SPEI對(duì)渭河流域干旱特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)渭河流域干旱程度在加劇，基于其它干旱指數(shù)的研究也得出了一致的結(jié)論[16?17]，但Cai等[18]認(rèn)為干旱程度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在20世紀(jì)90年代達(dá)到最大值?？傮w上渭河流域基于SPEI的相關(guān)干旱研究很好地揭示了干旱的區(qū)域性和季節(jié)性特點(diǎn)，但這些研究計(jì)算SPEI多采用基于Thornthwaite的溫度方法，未能綜合考慮影響干旱的其它自然因素，這樣就可能高估了全球增溫下的干旱趨勢(shì)和強(qiáng)度。在中國(guó)北方地區(qū)，基于Penman-Monteith公式的SPEI對(duì)干旱狀況分析結(jié)果更為客觀[10]。鑒于此，本研究以渭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于Penman-Monteith模型的多尺度SPEI指數(shù)分析1980?2018年的干旱變化時(shí)空特征，以期為該地區(qū)應(yīng)對(duì)氣象干旱提供參考依據(jù)，加強(qiáng)渭河流域的防災(zāi)減災(zāi)管理。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

渭河流域是黃河最大的子流域，地處104°00′?110°20′E和33°40′?37°30′N(xiāo)，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年內(nèi)溫差較大，降水量時(shí)空分布不均且年際相差較大，年平均氣溫和降水均呈現(xiàn)由東向西依次遞減的趨勢(shì)[19]。渭河流域地形特點(diǎn)為西高東低，西部最高處高程3922m，自西向東地勢(shì)逐漸變緩，河谷變寬。流域北部為黃土高原，南部為秦嶺山區(qū)。

1.2 資料來(lái)源及預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)為來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）的地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集，包括降水量（mm）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、平均氣溫（℃）、風(fēng)速（m×s?1）、日照時(shí)數(shù)（h）、經(jīng)緯度（°）和海拔高度（m），時(shí)間范圍為1980?2018年。選取渭河流域及其周邊地區(qū)25個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1），對(duì)個(gè)別1?2個(gè)月有數(shù)據(jù)缺測(cè)的站點(diǎn)，采用相鄰站點(diǎn)值進(jìn)行插補(bǔ)處理。

1.3 SPEI指數(shù)的計(jì)算

SPEI是降水與潛在蒸散量差值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果[20]。選取Penman-Monteith模型為潛在蒸散模型，計(jì)算研究區(qū)25個(gè)氣象站點(diǎn)1980?2018年逐月多尺度SPEI值。SPEI_PM計(jì)算過(guò)程如下[9]。

（1）計(jì)算逐月潛在蒸散量PET，即

（2）計(jì)算逐月降水量與潛在蒸散量的差值，即

1.4 干旱特征分析

SPEI指數(shù)是具有多時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化干旱指標(biāo)，等級(jí)劃分見(jiàn)表1。SPEI-1、SPEI-3和SPEI-12分別表示月、季和年尺度SPEI，月、季尺度SPEI主要反映短期水分虧缺對(duì)干旱的影響，年尺度SPEI則能反映出干旱的年際變化特征。

表1 SPEI干旱等級(jí)劃分

（1）干旱指數(shù)的趨勢(shì)分析：采用Mann-Kendall（M-K）趨勢(shì)檢驗(yàn)方法分別對(duì)渭河流域內(nèi)各氣象站點(diǎn)1980?2018年所有月份SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12值的變化趨勢(shì)顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，計(jì)算簡(jiǎn)單方便，是目前常用的趨勢(shì)變化研究方法。

（2）干旱站次比：某一時(shí)段內(nèi)發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)占所有站點(diǎn)數(shù)的比例，反映區(qū)域內(nèi)干旱影響范圍的大小，計(jì)算式為

式中，Ps為干旱站次比（%）；s為SPEI≤?1.0的站點(diǎn)數(shù)量；S為站點(diǎn)總數(shù)。

（3）干旱頻率：計(jì)算渭河流域1980年1月?2018年12月SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12的干旱頻率，即

式中，F(xiàn)表示干旱發(fā)生頻率（%）；n為數(shù)據(jù)序列中的干旱次數(shù)；N為數(shù)據(jù)序列數(shù)。

（4）干旱持續(xù)時(shí)間：定義干旱持續(xù)時(shí)間為SPEI-3≤?1.0的連續(xù)月份（≥3個(gè)月）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)R語(yǔ)言程序包(https://cran.r-project.org/web/ packages/SPEI/)計(jì)算多尺度SPEI，采用matlab實(shí)現(xiàn)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和面積圖的繪制，利用ArcGIS軟件制作各干旱特征的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱指數(shù)的時(shí)空演變

2.1.1 多尺度指數(shù)演變

將渭河流域內(nèi)所有氣象站點(diǎn)SPEI數(shù)據(jù)取平均值，計(jì)算得出全區(qū)各時(shí)間尺度的SPEI值（SPEI-1、SPEI-3和SPEI-12），獲取各尺度SPEI逐月變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2a可見(jiàn)，SPEI-1月值呈現(xiàn)正負(fù)交替，但周期較短、規(guī)律不明顯，負(fù)值最低達(dá)到?1.76（2013年3月）。隨著SPEI時(shí)間尺度逐漸增大（圖2b、圖2c），可以明顯看到，1995年之前研究區(qū)以正值居多、負(fù)值相對(duì)較少，其中正值在SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12中分別占比54.9%、63.2%、64.8%，負(fù)值分別占45.1%、36.8%、35.2%。1995?2005年SPEI負(fù)值明顯增多，在月尺度中占比為57.5%，季尺度中占59.2%，年尺度中占78.3%。2005?2010年SPEI雖仍以負(fù)值居多，但值的大小整體呈增加趨勢(shì)，并在2010?2013年達(dá)到正值居多狀態(tài)。此后至2018年SPEI值出現(xiàn)了先正后負(fù)的小幅度波動(dòng)，總體趨于正常。由此可見(jiàn)，用不同時(shí)間尺度干旱指數(shù)反映渭河流域干濕狀況時(shí)，月尺度（SPEI-1）對(duì)變化周期反映不明顯，但隨著尺度增大，SPEI的周期變化特點(diǎn)越來(lái)越明顯，總體表現(xiàn)為1995?2009年的干旱月份相對(duì)較多。

從圖3可以看出，在20世紀(jì)90年代研究區(qū)干旱等級(jí)較大的年份主要集中在1997年前后，21世紀(jì)00年代主要集中在2002年前后，這兩年也是歷史干旱資料記錄的受災(zāi)較為嚴(yán)重的年份，另外，1989年是干旱程度最輕的一年。月尺度（圖3a）與季尺度（圖3b）的干旱演變特征相似，干旱主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代前中期（1980?1982年、1986?1987年）、20世紀(jì)90年代（1991?1992年、1994?1995年、1997年、1999年）、21世紀(jì)00年代（2000?2002年、2004?2006年）和2010?2018年，在空間上如會(huì)寧、華家?guī)X、西吉等相鄰區(qū)域站點(diǎn)具有相似的干旱分布規(guī)律。年尺度表現(xiàn)出的干旱等級(jí)略高于其它尺度（圖 3c），且對(duì)各站點(diǎn)干濕情況較為敏感，近39a來(lái)同一站點(diǎn)干旱等級(jí)跨度較大，干旱主要發(fā)生在1980?1987年、1990?2008年及2011?2013年。

采用M-K趨勢(shì)法檢驗(yàn)渭河流域共39a逐月SPEI值的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4所示。從M-K趨勢(shì)系數(shù)的分布可以看出，各時(shí)間尺度SPEI均表現(xiàn)為呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)數(shù)多于上升站點(diǎn)數(shù)，即1980?2018年渭河流域整體呈干旱趨勢(shì)。從不同尺度來(lái)看，月尺度上（圖4a）呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)占88.0%，其中有8個(gè)站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平，同時(shí)佛坪站表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，秦都和華山站上升趨勢(shì)不顯著；季尺度上（圖4b）共96.0%的站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，其中有14個(gè)站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平，僅佛坪站呈顯著上升趨勢(shì)；年尺度上（圖4c）共16個(gè)站點(diǎn)的下降趨勢(shì)通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，佛坪站表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，華山站上升趨勢(shì)不顯著。從變化趨勢(shì)的空間差異來(lái)看，干旱化站點(diǎn)主要分布在渭河流域的中北部，且大多數(shù)站點(diǎn)通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；濕潤(rùn)化站點(diǎn)分布較為零散，主要集中在渭河流域南部，尤其是陜西省的佛坪站在三個(gè)尺度內(nèi)均達(dá)到了顯著水平。由此可見(jiàn)，隨著SPEI尺度的增加，渭河流域的SPEI下降趨勢(shì)更為明顯，其中季尺度的SPEI更能表現(xiàn)出全區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)。

注：M-K趨勢(shì)系數(shù)的絕對(duì)值大于1.96（2.58）時(shí)，表明變化趨勢(shì)通過(guò)0.05（0.01）水平的顯著性檢驗(yàn)。下同。

Note: The absolute value of the trend is greater than 1.96 (2.58), indicating that P＜0.05 (0.01).The same as below.

2.1.2 季節(jié)變化

選取5、8、11和2月的季尺度SPEI分別代表春季（3?5月）、夏季（6?8月）、秋季（9?11月）和冬季（12?2月）四季的SPEI，其研究期內(nèi)的年際變化結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖可見(jiàn)，春季（圖5a）、夏季（圖5b）和冬季（圖5d）SPEI分別以0.33×10a?1、0.15×10a?1和0.07×10a?1的變幅遞減，秋季（圖5c）SPEI以0.01×10a?1的速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代之前春季SPEI變幅較小，此后至21世紀(jì)00年代降幅有所增加，并在2010年之后存在較小程度的回升；夏季SPEI在研究時(shí)段前20a內(nèi)波動(dòng)下降，但在2000年后急劇上升，此后又緩慢下降；秋季SPEI整體呈先降后升的趨勢(shì)，最高值為2011年的1.89，最低值為1998年的?1.57；冬季SPEI年際波動(dòng)幅度較大，無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

研究期內(nèi)流域4個(gè)季節(jié)SPEI空間趨勢(shì)變化如圖6所示。由圖6a可見(jiàn)，春季SPEI整體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，共有16個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其中8個(gè)站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平；夏季SPEI（圖6b）呈現(xiàn)干旱趨勢(shì)的站點(diǎn)占88.0%，有3個(gè)站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平；秋季SPEI（圖6c）有88.0%的站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，僅長(zhǎng)武、涇河、鎮(zhèn)安站表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且全區(qū)變化趨勢(shì)均不顯著；冬季SPEI（圖6d）共有72%的站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，僅佛坪站出現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，其余站點(diǎn)的變化趨勢(shì)均不顯著。綜合分析可知，渭河流域春季和夏季干旱均有加劇的趨勢(shì)，這對(duì)于冬小麥和夏玉米的生長(zhǎng)較為不利，容易導(dǎo)致糧食減產(chǎn)。

2.2 干旱影響范圍時(shí)間變化

區(qū)域內(nèi)干旱站次比反映渭河流域干旱影響范圍的大小。統(tǒng)計(jì)逐年12月SPEI?12和5月、8月、11月、2月SPEI-3的干旱站次比，分別表示渭河流域各年份、季節(jié)干旱影響范圍，結(jié)果如圖7所示。由圖7a可見(jiàn)，近39a來(lái)渭河流域年干旱站次比以3.05個(gè)百分點(diǎn)×10a?1的速率上升，多年均值為18.15%，并有13a的干旱站次比超過(guò)了該均值，其中干旱站次比超過(guò)50%的年份分別有1997年（84%）、2002年（80%）、2006年（68%）和2004年（64%）。春季、夏季干旱站次比增加趨勢(shì)分別為7.58個(gè)百分點(diǎn)×10a?1和0.38個(gè)百分點(diǎn)×10a?1（圖7b、圖7c），與年干旱站次比變化及其趨勢(shì)相似，說(shuō)明春季和夏季干旱是渭河流域年際干旱的主要驅(qū)動(dòng)力，其中2004年春季干旱站次比達(dá)到了100%，表明全流域發(fā)生了大范圍春旱。秋季、冬季干旱站次比呈下降趨勢(shì)，變化速率分別為16.89個(gè)百分點(diǎn)×10a?1和0.02個(gè)百分點(diǎn)×10a?1（圖7d、圖7e），秋季在20世紀(jì)80年代發(fā)生的干旱影響范圍較大，1981年和1987年干旱站次比達(dá)到96%，2000年后基本無(wú)站點(diǎn)發(fā)生干旱，冬季干旱站次比時(shí)間變化趨勢(shì)不明顯，流域內(nèi)干旱站次比超過(guò)50%的年份分別是1986年（64%）、1992年（64%）、1999年（92%）和2004年（84%）。

1980?2018年渭河流域不同干旱程度下的干旱站次比見(jiàn)圖8。由圖可以看出，渭河流域以危害性較小的輕中旱為主，2000年前后出現(xiàn)嚴(yán)重及極端干旱的站次相對(duì)較多。流域內(nèi)極端干旱年平均站次比為0.92%，僅1997年（20%）、2000年（8%）和2002年（8%）發(fā)生了極端干旱，其它年份干旱事件均未達(dá)到極端程度；嚴(yán)重干旱年均站次比為5.44%，共有16a遭遇嚴(yán)重程度干旱事件，主要發(fā)生在1997年（44%）、2002年（28%）、2006年（28%）和1994年（28%）；中度干旱年均站次比為11.79%，共有28a遭遇了中度干旱事件，主要發(fā)生在2004年（52%）、2002年（44%）、2001年（40%）和2006年（40%）；輕微干旱年均站次比為13.74%，共有32a遭遇了輕旱事件；無(wú)旱年均站次比為68.10%，其中1983、1984、1988、1989、1992、1993和2010年全流域內(nèi)所有站點(diǎn)均無(wú)干旱發(fā)生。此外，1997年渭河流域嚴(yán)重和極端干旱程度干旱站次比分別為20%和44%，表明1997年研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的干旱程度較高，影響范圍較廣，與歷史記載的1997年渭河流域遭遇嚴(yán)重干旱事件吻合。

2.3 干旱發(fā)生頻率時(shí)空變化

計(jì)算渭河流域25個(gè)氣象站點(diǎn)1980?2018年年、季和月尺度（SPEI-12、SPEI-3和SPEI-1）的不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率，取站點(diǎn)算術(shù)平均值得到全區(qū)年、季和月干旱頻率，結(jié)果如圖9所示。總體上看，渭河流域發(fā)生頻率最高為輕微干旱，極端干旱的發(fā)生頻率最低，且不同尺度的干旱頻率均表現(xiàn)為隨著干旱等級(jí)增大，發(fā)生頻率逐漸降低。從年際干旱頻率來(lái)看，輕微干旱頻率為14.51%，中度干旱頻率為11.66%，嚴(yán)重干旱頻率為5.07%，極端干旱頻率為1.01%，總干旱頻率為32.25%，整體以輕中旱為主。與年際干旱發(fā)生頻率規(guī)律相似，渭河流域季節(jié)干旱以輕微程度為主，其次是中度、嚴(yán)重及極端干旱，發(fā)生頻率依次為14.28%、11.29%、5.79%和0.81%。月尺度干旱發(fā)生頻率與前者類(lèi)似，從高到低依次為輕微干旱14.97%，中度干旱11.07%，嚴(yán)重干旱5.42%和極端干旱0.79%。另外，極端干旱的最高發(fā)生頻率出現(xiàn)在12個(gè)月尺度上，而最低發(fā)生頻率出現(xiàn)在月尺度上，表明年際尺度的極端干旱發(fā)生次數(shù)較為頻繁，相對(duì)來(lái)說(shuō)短期內(nèi)極端干旱發(fā)生頻率較低。

利用反距離權(quán)重插值（IDW）方法對(duì)各站點(diǎn)干旱發(fā)生頻率進(jìn)行插值，得到渭河流域各時(shí)間尺度干旱頻率空間分布（圖10）。由圖10a可見(jiàn)，月尺度干旱頻率為15.60%～18.59%，平均為17.28%，除中部地區(qū)外全區(qū)均易發(fā)生干旱，其中定邊、洛川和鎮(zhèn)安等站點(diǎn)干旱頻率較高，分別為18.80%、18.59%和18.16%。圖10b顯示，季尺度干旱頻率為16.45%～19.23%，平均為17.89%，崆峒—西峰—洛川一線以北的地區(qū)較易發(fā)生干旱，干旱頻率約18.50%。圖10c顯示，年尺度干旱頻率為13.25%～24.15%，平均為17.91%，與其它時(shí)間尺度相比，年尺度干旱頻率高的區(qū)域面積小，集中在以洛川站點(diǎn)為核心呈圓狀的地區(qū)，達(dá)到了整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的最高干旱頻率24.15%。由此可見(jiàn)，隨著SPEI尺度增大，渭河流域全區(qū)的平均干旱頻率增加，干旱多發(fā)區(qū)分布在流域北部及東部地區(qū)。除地勢(shì)較低降水較多的關(guān)中平原外，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)月尺度和季尺度干旱頻率普遍偏高，這是由于短時(shí)間尺度SPEI主要對(duì)短期的水分虧缺比較敏感，能準(zhǔn)確地反映農(nóng)業(yè)干旱情況。年SPEI可表征渭河流域內(nèi)最高干旱頻率，由于長(zhǎng)時(shí)間尺度的SPEI對(duì)長(zhǎng)期水分虧缺更敏感，說(shuō)明洛川站所在地區(qū)的水文旱情較為嚴(yán)重，極大程度威脅到了該地的生態(tài)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)。

2.4 干旱持續(xù)性時(shí)空特征

渭河流域近39a來(lái)干旱平均持續(xù)月數(shù)波動(dòng)較大（表2），平均每次干旱事件持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約2.9個(gè)月，其中21世紀(jì)00年代是遭受持續(xù)性干旱影響最為嚴(yán)重的10a。20世紀(jì)80年代每次干旱事件的平均持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為1.6個(gè)月，其中1983、1984、1985和1989年未發(fā)生持續(xù)性干旱事件，說(shuō)明該年代在研究時(shí)段內(nèi)的持續(xù)性干旱危害最小；90年代平均每次干旱持續(xù)時(shí)間為3.1個(gè)月，其中1993年未受到持續(xù)性干旱影響，1997年渭河流域內(nèi)發(fā)生了近39a來(lái)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的干旱事件；21世紀(jì)00年代每次干旱的平均持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到3.6個(gè)月；2010?2018年有所下降，為3.3個(gè)月。另外，1980?2018年內(nèi)各年份平均持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為1997年的5.5個(gè)月，表明1997年渭河流域發(fā)生了大范圍的持續(xù)干旱事件，這主要是由于1997年的厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致中國(guó)北方地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)高溫事件。

表2 渭河流域各年份的干旱平均持續(xù)時(shí)間

干旱持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)農(nóng)作物影響越嚴(yán)重，對(duì)渭河流域25個(gè)氣象站點(diǎn)干旱最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的年代際差異進(jìn)行分析，結(jié)果表明（圖11），渭河流域干旱持續(xù)性具有明顯的年代際特征，21世紀(jì)00年代是遭受持續(xù)干旱影響最為嚴(yán)重的10a。20世紀(jì)80年代持續(xù)時(shí)間達(dá)到6個(gè)月以上的站點(diǎn)數(shù)僅有1個(gè)，為會(huì)寧站1986年9月?1987年2月及1987年8月?1988年1月；20世紀(jì)90年代的干旱持續(xù)性總的來(lái)說(shuō)略弱于21世紀(jì)00年代，最長(zhǎng)干旱持續(xù)時(shí)間達(dá)到6個(gè)月以上的站點(diǎn)占68%，其中有4個(gè)站點(diǎn)最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間達(dá)到8個(gè)月，為華山站的1991年7月?1992年2月，環(huán)縣、長(zhǎng)武和耀縣站1997年5?12月；21世紀(jì)00年代最長(zhǎng)干旱持續(xù)時(shí)間達(dá)到6個(gè)月以上的站點(diǎn)占72％，其中有4個(gè)站點(diǎn)達(dá)到7個(gè)月，分別是臨洮站2000年3?9月、洛川站2000年3?9月、銅川站2002年7月?2003年1月和岷縣站2004年2?8月；而2010?2018年內(nèi)無(wú)站點(diǎn)達(dá)到6個(gè)月的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，僅吳旗和鎮(zhèn)安站的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間達(dá)到5個(gè)月。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）1980?2018年內(nèi)渭河流域有明顯的干濕周期變化，但整體上干旱趨于嚴(yán)重，尤其是中北部地區(qū)干旱呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)，干旱時(shí)段主要集中在1995?2009年。渭河流域內(nèi)秋季總體呈濕潤(rùn)的變化趨勢(shì)，而春季和夏季干旱在不斷加劇。

（2）近39a來(lái)渭河流域年干旱站次比以3.05%×10a?1的速率上升，且春季和夏季干旱是年際干旱的主要驅(qū)動(dòng)力。流域內(nèi)以危害性較小的輕中旱為主，但2000年前后出現(xiàn)嚴(yán)重及極端干旱的站次相對(duì)較多，其中1997年研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的干旱程度較高，影響范圍較廣。

（3）不同時(shí)間尺度各等級(jí)干旱發(fā)生頻率的變化規(guī)律表現(xiàn)一致，均呈現(xiàn)出干旱程度越高發(fā)生頻率越低的態(tài)勢(shì)，且極端干旱在年際尺度內(nèi)發(fā)生次數(shù)較為頻繁，從空間上看渭河流域東北部是干旱的多發(fā)區(qū)。渭河流域干旱持續(xù)性具有明顯的年代際差異，21世紀(jì)00年代干旱持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，平均接近4個(gè)月。

3.2 討論

潛在蒸散量PET的計(jì)算方法決定了SPEI指數(shù)的準(zhǔn)確性。近年來(lái)利用SPEI指數(shù)在渭河流域進(jìn)行的研究多是先通過(guò)Thornthwaite模型計(jì)算出PET，由此而得到SPEI，但這種方法忽略了日照輻射和風(fēng)速等的影響而只響應(yīng)了溫度的變化，可能高估了氣候變暖大環(huán)境下的干旱趨勢(shì)和強(qiáng)度。本研究采用Penman-Monteith方程計(jì)算出的PET考慮了輻射和空氣動(dòng)力成分，相對(duì)來(lái)說(shuō)其結(jié)果具有更準(zhǔn)確的物理意義，能更客觀反映渭河流域的干旱狀況。多項(xiàng)研究已證實(shí)了基于Penman-Monteith方程的SPEI在中國(guó)及各地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)方面優(yōu)于基于Thornthwaite的SPEI[2?3]。本研究得出的渭河流域呈明顯干旱趨勢(shì)這一結(jié)果，與前人[12?14]的研究結(jié)論相同，表明在造成渭河流域干旱的因素中升溫的影響更為直接，在該研究區(qū)內(nèi)溫度因子占主導(dǎo)作用；且流域內(nèi)北部較南部的干旱趨勢(shì)更為明顯，這與趙安周等[21]的研究結(jié)果相似。1980?2018年渭河流域東北部是干旱的多發(fā)區(qū)，該結(jié)論與劉蕊娟等[15]的結(jié)論相符，但與李潔等[12]干旱主要發(fā)生在西北部地區(qū)的結(jié)論不一致?？赡茉蚴抢顫嵉鹊难芯坎捎玫氖腔赥hornthwaite方程的SPEI指數(shù)，忽略了日照輻射、風(fēng)速等變量對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響，故得到空間分布格局與降水分布相似的結(jié)論，低估了東部的洛川、華山等站點(diǎn)的干旱發(fā)生頻率。

本研究分析得到的渭河流域典型干旱時(shí)期如1987年、1991?1992年、1994?1995年、1997?1998年以及2000?2002年，與《中國(guó)歷史干旱（1949? 2000）》[22]及中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)情旬值數(shù)據(jù)集（https://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/AGME_AB3_CHN_TEN/）等資料記錄一致，表明SPEI_PM在渭河流域干濕特征分析中具有較好的適用性。但本研究也存在一定的不確定性，如基于站點(diǎn)尺度對(duì)渭河流域干旱影響范圍進(jìn)行分析，存在空間覆蓋不全面的情況，區(qū)域代表性較為欠缺，故未來(lái)研究中若采用氣象柵格數(shù)據(jù)集作為數(shù)據(jù)源能提高結(jié)論的準(zhǔn)確性，為區(qū)域減輕干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

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Spatial-temporal Evolution of Meteorological Drought in the Wei River Basin Based on SPEI_PM

YANG Rui1, GENG Guang-po1, ZHOU Hong-kui2, WANG Tao1

(1. College of Geomatics, Xi'an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Institute of Digital Agriculture, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021)

The frequent and long-lasting droughts have caused many adverse effects on the social economy and ecological environment. Understanding the drought characteristics in the Wei river basin is of great significance to the adjustment of regional economic structure and the rational utilization of water resources. Based on the monthly meteorological data set of 25 stations in the Wei river basin from 1980 to 2018 and the Penman-Monteith equation, the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) of multiple time scales were calculated, and the spatial-temporal characteristics of drought were analyzed, including its evolution, trend, affected area, frequency and duration. The results showed that: (1) there was an obvious periodic variation of dry-wet status in the Wei river basin during the past 39 years, but the drying trend was appeared as a whole. The drought period was mainly concentrated in 1995?2009, among which the drought occurring stations ratio in 2000?2009 was the largest, with an average value of 36%. The longest drought duration was occurred in 2000?2009, about 3.6 months, and the shortest drought duration was occurred in1980?1989, about 1.6 months. (2) There was a trend of wetness in autumn, while the droughts in spring and summer was increasingly intensified, which was the main driving force of the inter-annual drought in the Wei river basin. (3) The droughts in the Wei river basin were dominated by mild and moderate droughts, but there were relatively more stations with severe and extreme droughts around 2000, among which the droughts occurred in 1997 had a higher degree and a wider range of impacts. (4) The variation of drought frequency for different drought levels at different time scales was consistent, showing that the higher the drought level, the lower the frequency. In addition, extreme droughts occurred more frequently at the annual scale, and the northeastern region of the Wei river basin was a drought-prone area in space. Above all, the drought condition in the Wei river basin was more severe from 2000 to 2009, and the droughts in the northern region was severer than that in the southern region, so more attentions should be paid to strengthening disaster prevention management in the northern area.

SPEI_PM; Multiple time scales; Meteorological drought; Spatial-temporal characteristics; Wei river basin

10.3969/j.issn.1000-6362.2021.11.007

楊睿,耿廣坡,周洪奎,等.基于SPEI_PM指數(shù)的渭河流域氣象干旱時(shí)空演變特征[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2021,42(11):962-974

收稿日期：2021?03?01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41807503）；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（21JK0771）；西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)金項(xiàng)目（2017QDJ030）

通訊作者：耿廣坡，講師，主要從事干旱監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，E-mail: gengguangpo@xust.edu.cn

楊睿，E-mail: 15074292109@163.com