(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

近60年葉爾羌河流域干旱演變特征分析※

周粵

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

旱澇災(zāi)害是制約葉爾羌河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，為預(yù)測(cè)研究區(qū)旱澇災(zāi)害變化趨勢(shì)，本文選取1951—2015年葉爾羌河流域4個(gè)氣象站的逐月降水量數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)和小波分析方法，分析近60年來(lái)研究區(qū)旱澇演變特征。結(jié)果表明：該區(qū)旱澇事件發(fā)生頻率高，不同時(shí)間尺度旱澇事件發(fā)生的平均頻率為42.6%；在年代際尺度上，20世紀(jì)70年代干旱事件發(fā)生的頻率最高，為25.2%；其次是2001—2015年，頻率為22.7%，90年代洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為31%；研究區(qū)旱澇變化有4個(gè)特征時(shí)間尺度，分別為4年、10年、25年和31年，預(yù)測(cè)未來(lái)幾年降水仍然偏多。

氣象干旱；降水；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；小波分析；葉爾羌河流域

1 引 言

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，氣候系統(tǒng)變暖是毋庸置疑的事實(shí)[1]。氣候變暖不僅直接影響溫度極值波動(dòng)，而且已經(jīng)導(dǎo)致高溫、干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件發(fā)生頻率增高、強(qiáng)度加大，尤其是在氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)和脆弱區(qū)[2-3]。近幾年來(lái)許多學(xué)者開(kāi)展了很多具有區(qū)域特色的旱澇事件研究，并取得了一定成果[4]。

葉爾羌河流域位于新疆南部，該地區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，“綠洲經(jīng)濟(jì)，灌溉農(nóng)業(yè)”是其顯著特點(diǎn)，干旱是綠洲灌溉農(nóng)業(yè)最大的威脅。已有文獻(xiàn)鮮有報(bào)道基于氣象干旱指數(shù)的該流域干旱演化特征研究。鑒于此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，基于近60年來(lái)葉爾羌河流域4個(gè)氣象站逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)，從時(shí)間尺度上，系統(tǒng)分析該地區(qū)旱澇變化特征。這對(duì)于較準(zhǔn)確地把握葉爾羌河流域旱澇出現(xiàn)規(guī)律、轉(zhuǎn)換機(jī)制以及指導(dǎo)眾多水庫(kù)科學(xué)調(diào)度，緩解發(fā)電、灌溉與防汛間的矛盾具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)

降水量分布一般是一種偏態(tài)分布，所以在進(jìn)行降水分析和干旱監(jiān)測(cè)、評(píng)估中，采用Г分布概率來(lái)描述降水量的變化。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI是在計(jì)算某時(shí)段降水量的Г分布概率后，再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來(lái)劃分干旱等級(jí)[5]。具體計(jì)算步驟為：假設(shè)某一時(shí)段的降水量為隨機(jī)變量x，則其Г分布的概率密度函數(shù)g(x)為

(1)

式中α和β——形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，α>0，β>0；

x—— 降水量；

Γ(α) —— gamma函數(shù)。

采用極大似然估計(jì)方法求解α、β。確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后，對(duì)于某一年的降水量x0，對(duì)g(x)從0至x0進(jìn)行數(shù)值積分可以計(jì)算出隨機(jī)變量x小于x0概率的近似估計(jì)值。由于Gamma方程不包含x=0的情況，所以降水量為0時(shí)的事件概率G由下式估計(jì)：

G(x=0)=m/n

式中m—— 降水量為0的樣本數(shù)；

n—— 為總樣本數(shù)。

對(duì)Г分布概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，將求得的概率值代入標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布函數(shù)即：

(2)

近似求解得到Z值，即為SPI值。

SPI是Mc Kee等提出來(lái)的，是一種功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活、計(jì)算簡(jiǎn)單的指數(shù)，能很好地反映干旱的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，是一種非常有價(jià)值的干旱強(qiáng)度評(píng)估指數(shù)，優(yōu)于Z指數(shù)，目前已廣泛運(yùn)用于各國(guó)的氣象旱澇檢測(cè)。本文利用SPI分析葉爾羌河流域的旱澇變化特征，并分別計(jì)算1、3、6、12個(gè)月的SPI，其中SPI1表示1個(gè)月的SPI值，以反映短時(shí)間的降水狀況，比較接近土壤濕度；SPI3表示3個(gè)月的SPI值，以反映短期氣象干旱的特征，即降水季節(jié)性的變化；SPI6表示6個(gè)月的SPI值，反映中長(zhǎng)時(shí)期的降水狀況；SPI12表示12個(gè)月的SPI值，以此指數(shù)來(lái)反映長(zhǎng)時(shí)間降水的演變特征。旱澇類型根據(jù)SPI值劃分為9個(gè)等級(jí)[6]。

2.2 降水量距平百分率

降水量距平百分率(precipitation abnormity percentage，Pa)反映了某一時(shí)段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中P—— 某時(shí)段降水量，mm；

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)間尺度下SPI的變化特征

由圖1(a)可以看出葉爾羌河流域SPI1在0線上下波動(dòng)頻繁，這是由于SPI1反映的是短時(shí)間降水狀況，沒(méi)有考慮前期降水的影響，降水時(shí)間的持續(xù)性弱，受短時(shí)間降水影響大，所以SPI1變化大。1951—2015年間有2.2%的月份屬于嚴(yán)重或極端旱澇月份，而這些極端和嚴(yán)重干旱月份78.6%是出現(xiàn)在秋冬季節(jié)。由此表明，秋冬季節(jié)易出現(xiàn)短時(shí)期的干旱事件。

由圖1(b)可以看出SPI3呈震蕩波動(dòng)狀態(tài)，旱澇交替頻繁。近60年間，2.6%屬于嚴(yán)重或極端旱澇事件，典型的季節(jié)性嚴(yán)重和極端干旱事件的年份為2011年、1979年和1999年，典型的嚴(yán)重和極端洪澇事件的年份為1954年、1993年、1997年和2002年，這與葉爾羌河流域旱澇發(fā)生的實(shí)際情況基本一致。由此認(rèn)為，根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間序列逐月降水量數(shù)據(jù)計(jì)算得出的SPI3能較好地反映研究區(qū)實(shí)際情況。

由圖1(c)可以看出葉爾羌河流域SPI6，近60年，1.6%屬于嚴(yán)重或極端旱澇事件，相比SPI3其頻率稍有降低，但旱澇持續(xù)時(shí)間明顯延長(zhǎng)。由此表明，隨著SPI時(shí)間尺度的增長(zhǎng)，旱澇的等級(jí)會(huì)發(fā)生變化，且旱澇的開(kāi)始時(shí)間與終止時(shí)間會(huì)相應(yīng)地延后，這意味著時(shí)間尺度越長(zhǎng)，越能充分反映前期降水對(duì)旱澇的累積影響。

由圖1(d)可以看出對(duì)于SPI12而言，研究區(qū)近60年的旱澇變化過(guò)程大致分為5個(gè)階段：1951—1955年相對(duì)濕潤(rùn)，干旱事件出現(xiàn)頻率低；1956—1970年旱澇程度均不大，但干旱程度略高于洪澇；1971—1990年旱澇交替出現(xiàn)，旱澇程度較前一階段大；1991—2003年為濕潤(rùn)期，洪澇事件發(fā)生頻率高；2003年后又由洪澇向干旱轉(zhuǎn)變，且干旱事件發(fā)生頻率較高。長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的洪澇或干旱事件是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，連續(xù)8個(gè)月及以上洪澇事件大約每個(gè)年代分別出現(xiàn)一次(除90年代出現(xiàn)2次)，維持時(shí)間最長(zhǎng)的是1969年8月—1971年3月，長(zhǎng)達(dá)20個(gè)月。20世紀(jì)60和80年代各出現(xiàn)1次連續(xù)8個(gè)月及以上干旱，70年代出現(xiàn)2次，而近十幾年來(lái)出現(xiàn)4次，這表明干旱事件有明顯增加的趨勢(shì)。

圖1 1951—2015年葉爾羌河流域不同時(shí)間尺度旱澇變化特征

根據(jù)不同時(shí)間尺度的SPI，葉爾羌河流域旱澇事件出現(xiàn)的頻率較高，不同時(shí)間尺度旱澇事件發(fā)生的平均頻率為42.6%，其中極端和嚴(yán)重旱澇事件發(fā)生的頻率較低，為1.8%，輕微旱澇事件發(fā)生的頻率最高，為31.9%。

3.2 不同等級(jí)旱澇頻次的年代際變化

該流域不同年代極端旱澇事件發(fā)生頻率最低，其頻率平均值僅為0.5%；正常的頻率最高，為55.3%；其次是輕微旱澇事件，為33.4%。其中20世紀(jì)90年代降水最多，該年代發(fā)生了2次特大洪水，分別是1996年和1998年，洪澇事件發(fā)生的頻率高達(dá)30%；嚴(yán)重干旱事件發(fā)生的頻率最高，為4.2%，該年代旱澇事件發(fā)生的頻率最高，為52.5%。其次是60年代，降水也偏多，輕微洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為23.3%。2001—2015年，降水最少，極端干旱事件發(fā)生的頻率最高，為1.2%，干旱事件發(fā)生的頻率為23%。其次是70年代，干旱事件發(fā)生的頻率最高，為25.8%。不同年代洪澇事件發(fā)生的頻率的變化大于干旱事件。

3.3 旱澇周期變化

將1951—2015年的SPI進(jìn)行Morlet小波分析，以揭示葉爾羌河流域近60年來(lái)旱澇的周期變化規(guī)律。圖2(a)的紅色(藍(lán)色)渲染表示小波系數(shù)實(shí)部為正數(shù)(負(fù)數(shù))，表明降水偏多(偏少)，顏色越深，表示旱澇程度越大。圖2(b)的小波系數(shù)模部平方相當(dāng)于小波能量譜，數(shù)值越大(紅色越深)表示波動(dòng)能量越強(qiáng)、周期越顯著。圖2(c)的小波方差能反映SPI的波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度的分布情況，可確定旱澇變化過(guò)程中存在的主周期。在圖2(b)中有4個(gè)能量最聚集的中心，它們代表波動(dòng)能量變化的特性，這4個(gè)中心分別是：①尺度范圍在23～31年，波動(dòng)能量在20世紀(jì)90年代后期以來(lái)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈；②中心尺度為31年，其波動(dòng)能量較強(qiáng)且貫穿整個(gè)時(shí)期；③中心尺度為10年，波動(dòng)能量主要影響的時(shí)域是20世紀(jì)70和80年代；④中心尺度為4年，波動(dòng)能量主要影響的時(shí)域是20世紀(jì)60年代后期至80年代前期以及2001年后。

圖2 1951—2015年葉爾羌河流域旱澇變化小波分析

這表明旱澇周期變化的局部化特征明顯，即在不同時(shí)域，變化周期不完全相同。在圖2(c)中有4個(gè)比較明顯的峰值，分別為4年、10年、25年和31年，說(shuō)明這4個(gè)尺度的主周期在研究區(qū)近60年來(lái)的旱澇變化中起主要作用，其中最大峰值對(duì)應(yīng)著31年特征時(shí)間尺度，表明其周期震蕩性最強(qiáng)、周期最顯著，為該地區(qū)旱澇變化的第一主周期，25年、10年和4年分別為旱澇變化的第二、三和四主周期，這一結(jié)果與上述圖2(b)的分析結(jié)果大抵一致。具體表現(xiàn)在：31年特征時(shí)間尺度大概經(jīng)歷了3個(gè)旱澇交替期，旱澇變化的平均周期為22年，旱澇中心為1963年、1974年、1985年、1998年、2007年、2015年；在25年特征時(shí)間尺度上，大概有4個(gè)周期的旱澇交替期，平均變化周期為16年；在10年特征時(shí)間尺度上，大約有9個(gè)周期的旱澇交替期，平均變化周期為7年；在4年特征時(shí)間尺度上，大概有23個(gè)周期的旱澇交替期，平均變化周期為3年。無(wú)論是哪個(gè)時(shí)間尺度，2015年后小波系數(shù)實(shí)部均呈現(xiàn)正值的趨勢(shì)，這意味著在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)研究區(qū)降水偏多。

4 結(jié) 論

a. 葉爾羌河流域1951—2015年旱澇變化過(guò)程大致可以分為5個(gè)階段：1951—1955年相對(duì)濕潤(rùn)；1956—1970年，旱澇程度不高；1971—1990年，旱澇交替出現(xiàn)，旱澇程度較前一階段大；1991—2003年為較濕潤(rùn)；2003年后較干旱，近十幾年來(lái)干旱事件有明顯增加的趨勢(shì)。

b. 葉爾羌河流域夏季洪澇事件發(fā)生的頻率最高，冬季干旱事件發(fā)生的頻率最高，近十幾年來(lái)，四季的干旱事件普遍增加。20世紀(jì)90年代降水最多，不同等級(jí)洪澇事件發(fā)生的頻率都較高，2001—2015年降水最少，極端干旱事件發(fā)生的頻率最高，70年代降水也偏少，干旱事件發(fā)生的頻率最高。

c. 葉爾羌河流域旱澇交替變化存在4年、10年、25年和31年這樣4個(gè)時(shí)間尺度，無(wú)論是哪個(gè)時(shí)間尺度，2015年后小波系數(shù)實(shí)部均呈現(xiàn)正值的趨勢(shì)，表明在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)該地區(qū)降水偏多。

[1] 第三次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告編寫委員會(huì).第三次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告[M].北京:科學(xué)出版社,2015.

[2] 李雙雙,楊賽霓,劉憲鋒.1960—2013年北京旱澇變化特征及其影響因素分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2015,30(6)：951-962.

[3] 楊曉靜,左德鵬.基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的云南省近55年旱澇演變特征[J].資源科學(xué),2014,36(3):473-480.

[4] 翟祿新,馮起.基于SPI的西北地區(qū)氣候干濕變化[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(5)：847-857.

[5] 孫德亮,吳建峰.基于SPI指數(shù)的近50年重慶地區(qū)干旱時(shí)空分布特征[J].水土保持通報(bào),2016,36(4)：197-203.

[6] 史建國(guó),嚴(yán)昌榮.氣象干旱指數(shù)計(jì)算方法研究概述[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2007,28(增刊):191-195.

AnalysisondroughtevolutioncharacteristicsofYerqiangRiverbasininthenear60years

ZHOU Yue

(XinjiangTarimRiverBasinXini’erReservoirManagementBereau,Korla841000,China)

The drought and flood disasters are the important factors which restrict the development of Yerqiang river basin. In the paper, the monthly rainfall data of four weather stations in Yerqiang River basin from 1951—2015 were selected in order to predict the change trend of drought and flood disasters in the research area. Standardized precipitation index and wavelet analysis method are utilized for analyzing the drought and flood evolution characteristics in the near 60 years. The results show that the frequency of drought and flood events is high in the area. The average frequency of drought and flood events in different time scales is 42.6%. The frequency of droughts was the highest in the 1970s, namely 25.2% at the annual intergenerational scale. It is followed by 2001—2015, and the frequency is 22.7%. The frequency of flood events was the highest in 1990s, namely 31%. There are four characteristic time scales of drought and flood changes in the study area, respectively 4 years, 10 years, 25 years and 31 years. It is expected that the rainfall is still higher within several years in the future.

meteorological drought; precipitation; standardized precipitation index; wavelet analysis; Yerqiang River basin

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.011.017

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(課題編號(hào)：201501059)資助

TV214

A

2096-0131(2017)011-0064-04