陳 麗,徐長(zhǎng)春*,孫 琪,羅映雪,楚 智,張晉霞

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046;3.四川省眉山市仁壽縣自然資源和規(guī)劃局,四川 眉山 620500)

干旱是全球范圍內(nèi)發(fā)生較為頻繁、分布范圍較廣、影響面積較大且比較復(fù)雜的一種自然現(xiàn)象,當(dāng)干旱發(fā)展成旱災(zāi)時(shí),會(huì)給人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重影響[1-2]。隨著氣候變化與人類活動(dòng)的影響加劇,干旱現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,已成為影響人類社會(huì)最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[3]。因此,干旱已成為當(dāng)今社會(huì)各界共同關(guān)注的熱點(diǎn)。

開都-孔雀河流域是我國西北干旱區(qū)對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)域之一,該流域近些年的水資源問題日益突出,已嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)的持續(xù)健康發(fā)展[4]。水文干旱能對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生產(chǎn)生活等社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生直接影響,研究水文干旱不僅可以豐富干旱相關(guān)理論體系,也是滿足流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以及生態(tài)文明建設(shè)對(duì)水資源的現(xiàn)實(shí)需求[5]。干旱指數(shù)是研究和評(píng)價(jià)干旱事件的基礎(chǔ),也是衡量干旱程度的關(guān)鍵指標(biāo)。在目前的干旱研究中,通常選取的氣象干旱指數(shù)有干燥度指數(shù)(AI)[6]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[7]、溫度降水均一化指標(biāo)(TPI)[8]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[9],水文干旱指標(biāo)則主要有徑流距平百分比(Ra)[10]、水文干濕指數(shù)(di)[11]、標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SRI)[12]等。其中,TPI、SPEI、Ra、di和SRI已得到了廣泛應(yīng)用[13-14]。由于干旱的復(fù)雜性和影響的廣泛性,某一干旱指標(biāo)很難達(dá)到時(shí)空上的普適性,因而干旱指標(biāo)大都建立在特定的時(shí)空范圍內(nèi),在特定的區(qū)域選擇較優(yōu)的干旱指標(biāo)來更好地反映區(qū)域的干旱程度,在水資源較為匱乏的干旱區(qū)顯得尤為重要。

干旱受自然節(jié)律、人類活動(dòng)等因素的影響,從流域治理和水資源管理方面來看,水文干旱與氣象干旱更具有綜合性的特點(diǎn)[15]。本文在以往研究的基礎(chǔ)上,利用1979～2016年開孔河流域的氣象和水文資料,選取和計(jì)算了5種廣泛應(yīng)用的干旱指數(shù)TPI、SPEI、Ra、di和SRI,通過對(duì)比這5種干旱指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合指數(shù)所對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)及各干旱等級(jí)的發(fā)生頻率與開孔河流域?qū)嶋H干旱情況的對(duì)比,判斷了所選取的干旱指數(shù)在開孔河流域干旱事件中的適用性,并分析了流域氣象干旱與水文干旱之間的關(guān)系,以及不同時(shí)間尺度下不同類型干旱發(fā)生的特點(diǎn),以期為開孔河流域干旱事件的定量研究提供合理的指標(biāo)依據(jù),為干旱區(qū)流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源合理利用與可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

開孔河流域位于中國西北內(nèi)陸的新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi),主要由開都河、孔雀河和博斯騰湖三部分構(gòu)成。該區(qū)地勢(shì)西北高，東南低,北部有天山,南部為青藏高原,屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。該流域的氣候特點(diǎn)為干旱少雨、降水集中在夏季、蒸發(fā)旺盛、晝夜溫差大等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 氣象資料 選取1979～2016年開孔河流域內(nèi)氣象站點(diǎn)的逐日氣象觀測(cè)資料,包括平均溫度、最高溫度、最低溫度和降水量,數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。月值氣象數(shù)據(jù)由日值數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。

1.2.2 徑流資料 整理1979～2016年大山口站的地表徑流資料,數(shù)據(jù)來源于新疆維吾爾自治區(qū)水文局,該資料完整,具有良好的代表性,能反映出開孔河流域徑流的變化情況。該數(shù)據(jù)主要用于計(jì)算Ra和SRI,有較高的可靠性。

1.2.3 旱情資料 收集1979～2016年開孔河流域的旱災(zāi)資料,主要來源于《中國氣象災(zāi)害大典·新疆卷》、新疆統(tǒng)計(jì)年鑒和塔里木河流域《水資源公報(bào)》。

1.3 研究方法

1.3.1 溫度降水均一化指標(biāo)(TPI) 溫度降水均一化指標(biāo)考慮了溫度和降水的影響,其計(jì)算公式如下:

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI) Vicente-Serrano等在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standard Precipitation Index, SPI)的基礎(chǔ)上提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(Standard Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI),目前在許多國家和地區(qū)已經(jīng)得到了很多的應(yīng)用[16-17]。該指數(shù)首先采用Thomthwaite方法計(jì)算潛在蒸散發(fā);其次,計(jì)算降水與蒸散量的差值,得出不同時(shí)間尺度的累積序列;然后用log-logistic概率密度函數(shù)分布對(duì)序列進(jìn)行擬合,再對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。SPEI的計(jì)算程序軟件來自西班牙CSIC機(jī)構(gòu)(http://digital.csic.es/)。

1.3.3 徑流距平百分比(Ra) 徑流距平百分比是比較簡(jiǎn)單的一種評(píng)價(jià)水文干旱的指標(biāo),它反映一段時(shí)間內(nèi)河道的徑流量與同期多年平均河道徑流量之間的關(guān)系,其計(jì)算公式為:

1.3.4 水文干濕指數(shù)(di) 水文干濕指數(shù)的計(jì)算公式如下:

上式中:di為水文干濕指數(shù)；Ep為逐月潛在蒸散發(fā)；P為逐月降水量；Rs為逐月地表徑流。

1.3.5 標(biāo)準(zhǔn)化徑流干旱指數(shù)(SRI) 本文選取邏輯斯特分布、正態(tài)分布、伽馬分布和威布爾分布這4種理論分布函數(shù),在計(jì)算觀測(cè)值的經(jīng)驗(yàn)累積頻率后,用理論分布概率進(jìn)行擬合,檢驗(yàn)開孔河流域逐月徑流量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的較優(yōu)分布類型。根據(jù)較優(yōu)分布,計(jì)算某一時(shí)間段內(nèi)的SRI。SRI的具體計(jì)算方法如下:

在一定時(shí)段內(nèi)徑流量x的累積概率F(x)的計(jì)算公式如下:

對(duì)伽馬分布概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算:

上式中:當(dāng)F>0.5時(shí),S=1;當(dāng)F≤0.5時(shí),S=-1。其中,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。SRI-1、SRI-12、SRI-48分別表示1個(gè)月、12個(gè)月以及48個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)。

1.4 干旱等級(jí)的劃分

參考國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)》中的劃分標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)及新疆短期氣候預(yù)測(cè)的有關(guān)規(guī)定來劃分干旱等級(jí)[18-22],各指數(shù)的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 干旱指數(shù)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 年尺度各干旱指數(shù)對(duì)干旱頻次的反映評(píng)價(jià)

根據(jù)上述5種干旱指數(shù)計(jì)算的開孔河流域不同類型干旱頻次和頻率見表2,從表2可以看出,TPI評(píng)價(jià)的干旱程度較重,干旱頻率為100%,其中特旱年出現(xiàn)頻次最高,輕旱年出現(xiàn)頻次最低,而實(shí)際氣象干旱并沒有出現(xiàn)特旱,且有無旱年的存在;SPEI評(píng)價(jià)的輕旱次數(shù)偏多,重旱次數(shù)偏少,而中旱次數(shù)與實(shí)際一致；Ra評(píng)價(jià)的輕旱和中旱次數(shù)偏多,對(duì)重旱沒有反應(yīng);di評(píng)價(jià)的特旱和重旱次數(shù)偏多,輕旱次數(shù)偏少;SRI評(píng)價(jià)的輕旱和中旱出現(xiàn)頻次與實(shí)際情況一致。開孔河流域在所選取時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)干旱的頻率較高,實(shí)際氣象干旱頻率為63.33%,實(shí)際水文干旱頻率為43.75%,這與受全球氣候變暖影響而干旱極端事件日益增多的現(xiàn)象一致。

表2 不同干旱指數(shù)評(píng)價(jià)的開孔河流域各干旱類型出現(xiàn)頻次及頻率

由上述分析可知：TPI評(píng)價(jià)的干旱程度重于SPEI； Ra和di評(píng)價(jià)的干旱程度重于SRI； SPEI相對(duì)客觀地反映了開孔河流域的氣象干旱情況； SRI相對(duì)客觀地反映了開孔河流域的水文干旱情況。

2.2 年尺度下各干旱指數(shù)對(duì)干旱等級(jí)的反映評(píng)價(jià)

自1970年以來,開孔河流域主要旱災(zāi)發(fā)生在1979～1981、1984～1987、1989～1991、1993～1995、1997～1998、2000～2002、2005、2012～2015年[23～24],以TPI、SPEI作為氣象干旱指數(shù),Ra、di和SRI作為水文干旱指數(shù),評(píng)價(jià)開孔河流域干旱年份的對(duì)比結(jié)果見表3。與實(shí)際情況相比,TPI評(píng)價(jià)結(jié)果反映的干旱程度較重,在開孔河流域的適用性不如SPEI。

對(duì)于水文干旱,SRI的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，結(jié)果2000、2005、2012、2013和2015年為輕旱,2001～2002年為中旱,評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確。Ra評(píng)價(jià)的干旱程度偏輕,對(duì)干旱年份評(píng)價(jià)的輕旱和無旱偏多。由于受蒸散發(fā)資料的限制,di的評(píng)價(jià)從2000年開始,在評(píng)價(jià)結(jié)果中2000～2002年的連旱被誤評(píng)為無旱。從表3可以看出,在旱災(zāi)年5種指數(shù)評(píng)價(jià)的干旱程度與實(shí)際情況的對(duì)應(yīng)程度不盡相同。在干旱典型年的校驗(yàn)中,SPEI和SRI指數(shù)評(píng)價(jià)的干旱年分布與實(shí)際情況較為一致。

表3 不同干旱指數(shù)對(duì)開孔河流域主要干旱年干旱等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

對(duì)表3中用不同評(píng)價(jià)方法得到的不同干旱等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行歸類，得到圖1a,并與實(shí)際氣象干旱情況(圖中縮寫為MD)及實(shí)際水文干旱情況(圖中縮寫為HD)進(jìn)行對(duì)比。從圖1a可以看出：開孔河流域氣象干旱指數(shù)的適用程度表現(xiàn)為SPEI>TPI;水文干旱指數(shù)的適用程度表現(xiàn)為SRI>Ra>di。

為了進(jìn)一步明確SRI水文干旱指數(shù)在開孔河流域的適用性,在圖1b和圖1c中分別對(duì)比了不同時(shí)間尺度下的SRI與Ra、di的干旱頻率分布。從圖1b可以看出,Ra評(píng)價(jià)的無旱和輕旱頻率相對(duì)較高,對(duì)重旱沒有反應(yīng),對(duì)旱情評(píng)價(jià)程度相對(duì)較輕。從圖1c可以看出,水文干濕指數(shù)di評(píng)價(jià)的輕旱和特旱頻率相對(duì)較高,而評(píng)價(jià)的輕旱、中旱和重旱頻率相對(duì)較低。在實(shí)際生產(chǎn)生活中,在干旱評(píng)價(jià)結(jié)果偏重的年份,會(huì)加大預(yù)防和抗擊干旱的力度,造成資源的浪費(fèi);在評(píng)價(jià)結(jié)果偏輕的年份,會(huì)使抗擊旱災(zāi)力度不夠,不能及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)災(zāi)害帶來的破壞。綜上比較,SRI及對(duì)應(yīng)的等級(jí)劃分更適合評(píng)價(jià)開孔河流域的水文干旱情況,可為開孔河流域應(yīng)對(duì)水文干旱提供理論依據(jù)。

2.3 不同月時(shí)間尺度下開孔河流域氣象干旱的演變

將開孔河流域在不同月時(shí)間尺度(1、3、6、12、24、48個(gè)月)下的氣象干旱指數(shù)SPEI值進(jìn)行等級(jí)分類,統(tǒng)計(jì)37年間(1979～2015年)各干旱等級(jí)出現(xiàn)的頻率,結(jié)果見表4。由表4可知：對(duì)于氣象干旱而言,開孔河流域發(fā)生無旱事件的頻率在1個(gè)月至48個(gè)月時(shí)間尺度下隨時(shí)間尺度的增大而逐漸降低；開孔河流域出現(xiàn)輕旱的頻率均值為13.51%,輕旱頻率在3個(gè)月時(shí)間尺度下最低,在24個(gè)月時(shí)間尺度下最高；對(duì)于中旱和重旱,其頻率均值分別為5.14%和1.99%；開孔河流域特旱發(fā)生的頻率均值不足1%,在6個(gè)月和12個(gè)月時(shí)間尺度下的特旱頻率均為0%；開孔河流域的氣象干旱以輕旱、中旱為主,48個(gè)月時(shí)間尺度下的SPEI評(píng)價(jià)的干旱程度較重。

a：不同干旱等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際干旱情況對(duì)比。b：不同時(shí)間尺度下的SRI與Ra評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比。

表4 開孔河流域在不同時(shí)間尺度下不同類型氣象干旱的發(fā)生頻率 %

2.4 不同月時(shí)間尺度下開孔河流域水文干旱的演變

將大山口不同月時(shí)間尺度(1、3、6、12、24、48個(gè)月)下的SRI值進(jìn)行等級(jí)分類,統(tǒng)計(jì)38年間(1979～2016年)各干旱等級(jí)出現(xiàn)的頻率,結(jié)果見表5。由表5可知：對(duì)于水文干旱而言,在1個(gè)月至12個(gè)月時(shí)間尺度下大山口站發(fā)生無旱事件的頻率隨時(shí)間尺度的增大而逐漸增加,但在24個(gè)月至48個(gè)月時(shí)間尺度下該站發(fā)生無旱事件的頻率隨時(shí)間尺度的減小而略微增加；大山口站出現(xiàn)輕旱的頻率基本在19%左右,但當(dāng)時(shí)間尺度為24個(gè)月時(shí),輕旱頻率增加至26.56%；對(duì)于中旱和重旱,其頻率均值分別為11.33%和4.65%；大山口站特旱發(fā)生的頻率較小,在1%左右。本文在不同月時(shí)間尺度下SRI輕旱和中旱的頻率結(jié)果與孫鵬等[25]的研究結(jié)果“開都河的水文干旱以輕旱、中旱為主”一致。

表5 開孔河流域在不同時(shí)間尺度下不同類型水文干旱的發(fā)生頻率 %

2.5 氣象干旱與水文干旱的關(guān)系

圖2展示了在不同時(shí)間尺度下氣象干旱指數(shù)SPEI與水文干旱指數(shù)SRI隨時(shí)間的變化趨勢(shì)及兩者間的相關(guān)性。由圖2a可以看出,在1個(gè)月時(shí)間尺度下的SPEI與SRI隨時(shí)間的變化趨勢(shì)有部分吻合,但有很多不一致的部分。在圖2b中,在12個(gè)月時(shí)間尺度下的SPEI與SRI的波峰波谷對(duì)應(yīng)較好,在時(shí)間序列74(即1985年2月)、時(shí)間序列138(即1990年6月)、時(shí)間序列220(即1997年4月)、時(shí)間序列332(即2006年8月)和時(shí)間序列408(即2012年12月)等處均為波谷,在時(shí)間序列38(即1982年2月)、時(shí)間序列124(即1989年4月)、時(shí)間序列172(即1993年4月)和時(shí)間序列257(即2000年5月)等處均為波峰。結(jié)合圖2c可知,在24個(gè)月時(shí)間尺度下的SPEI與SRI在時(shí)間序列173(即1993年5月)、時(shí)間序列234(即1998年6月)處的波峰一致,在時(shí)間序列17(即1980年5月)、時(shí)間序列67(即1984年7月)處的波谷一致。從圖2d中可以明顯地看出,SPEI與SRI的相關(guān)性隨時(shí)間尺度的增大而先增加后略有降低,兩者間的相關(guān)系數(shù)從1個(gè)月時(shí)間尺度下的0.18增加到48個(gè)月時(shí)間尺度下的0.46,且都通過了99%的顯著性檢驗(yàn),在12個(gè)月時(shí)間尺度下相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值0.48。由此可知,開孔河流域氣象干旱與水文干旱的相關(guān)性并不是不變的,表明該流域的水文干旱受到多種因素的影響,自然氣候變化和人為干涉增加了該流域氣象干旱向水文干旱的非線性傳導(dǎo)。

a:1個(gè)月時(shí)間尺度下SPEI與SRI 的變化趨勢(shì)。b：12個(gè)月時(shí)間尺度下SPEI與SRI的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

5種干旱指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果存在很大差異。相比于TPI, SPEI反映的氣象干旱情況與實(shí)際情況更為接近,開孔河流域氣象干旱指數(shù)的適用性評(píng)價(jià)結(jié)果為SPEI>TPI。Ra反映的水文干旱程度較輕,di評(píng)價(jià)的水文干旱程度偏重,SRI較為客觀地反映了歷史水文干旱情況,開孔河流域水文干旱指數(shù)的適用性評(píng)價(jià)結(jié)果為SRI>Ra>di。

開孔河流域不同干旱等級(jí)出現(xiàn)的頻率受時(shí)間尺度大小變化的影響較小,從氣象干旱方面來看,無旱發(fā)生頻率約為79%,發(fā)生干旱事件的頻率約為21%。從水文干旱方面來看,無旱發(fā)生頻率約為64%,發(fā)生干旱事件的頻率約為36%；在干旱事件中輕旱、中旱的發(fā)生頻率占80%以上。

根據(jù)各干旱指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)于氣象干旱而言,SPEI評(píng)價(jià)的干旱結(jié)果較好;對(duì)于水文干旱而言,SRI對(duì)干旱的評(píng)價(jià)結(jié)果更加與實(shí)際情況一致。在不同時(shí)間尺度下SPEI與SRI間的相關(guān)性不同,隨著時(shí)間尺度的增大,兩者間的相關(guān)系數(shù)先增加后略降低,在12個(gè)月時(shí)間尺度下達(dá)到最大。

干旱指數(shù)較多,本文選取的干旱指數(shù)類別有限,今后需豐富干旱指數(shù)的計(jì)算方法,綜合考慮氣溫、降水、蒸散發(fā)、徑流、下墊面變化和人類活動(dòng)等多種因素,以得到更加完善的水文干旱指標(biāo)。