朱 燁，靳鑫桐，劉 懿，鄭麗虹，張林齊，王 文

(1.南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來(lái)，氣候變化改變了水資源的時(shí)空分布格局，世界范圍內(nèi)干旱總體呈頻次增高、影響范圍擴(kuò)大、旱情持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)[1-2]。與此同時(shí)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)及居民生活對(duì)水資源需求量逐年增加，河川徑流量減少[3-4]，進(jìn)一步加重了干旱風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)復(fù)雜的干旱情勢(shì)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)旱情發(fā)展過(guò)程的準(zhǔn)確模擬及監(jiān)測(cè)，是我國(guó)防旱抗旱工作亟待解決的問(wèn)題。

干旱指數(shù)是旱情模擬、監(jiān)測(cè)與評(píng)估最常用的工具。針對(duì)不同部門(mén)的用水需求及研究目的，目前已提出了上百種干旱指數(shù)[5-6]，帕爾默干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)是其中最典型的代表之一[7-8]。PDSI引入了氣候適宜降水量(climatically appropriate for existing conditions，CAFEC)的概念用于表征區(qū)域水量的需求，以實(shí)際降水與CAFEC的差值反映某一地區(qū)特定時(shí)刻的水分異常狀況，并采用考慮季節(jié)和前期累積效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程對(duì)水分異常值進(jìn)行校正，得到時(shí)空可比的干旱指數(shù)[9]。相比于基于概率統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)如標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)，PDSI同時(shí)考慮了降水、蒸散發(fā)、土壤水、徑流等多個(gè)要素的異常，被認(rèn)為是具有一定物理機(jī)制的干旱指數(shù)，在評(píng)估全球和區(qū)域干旱情勢(shì)方面得到了廣泛應(yīng)用[10]。PDSI也存在一些缺陷，如采用Thornthwaite公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)，導(dǎo)致高估氣溫對(duì)干旱的影響[11]；PDSI中的參數(shù)為根據(jù)特定氣候區(qū)的氣象、水文變量率定得到的經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)，直接應(yīng)用于其他不同氣候區(qū)易導(dǎo)致指數(shù)頻率特征非正態(tài)化[12]。此外，PDSI時(shí)間尺度單一，僅適合用于評(píng)估長(zhǎng)歷時(shí)水文干旱[13-14]。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在改善PDSI性能方面開(kāi)展了一些研究工作。Wells等[15]提出了自適應(yīng)帕爾默干旱指數(shù)(self-calibrating PDSI，scPDSI)，可根據(jù)不同氣候特征自動(dòng)率定指數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)，提高了指數(shù)的時(shí)空可比性；van der Schrier等[16]將Thornthwaite公式替換為Penman-Monteith公式[17]計(jì)算潛在蒸散發(fā)，改善了PDSI的模擬精度；Liu等[18]通過(guò)改進(jìn)PDSI的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，拓展了指數(shù)的時(shí)間尺度，可用于評(píng)估氣象、農(nóng)業(yè)等較短時(shí)間尺度的干旱類(lèi)型。由于PDSI原理和計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜性，鮮有研究同時(shí)融合上述方案改進(jìn)PDSI，尤其是PDSI在短時(shí)間尺度方面的研究較少。鑒于此，本文在scPDSI的基礎(chǔ)上，改進(jìn)其蒸散發(fā)計(jì)算模塊和標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法，構(gòu)建融合Penman-Monteith潛在蒸散發(fā)公式的周尺度scPDSI(scPDSIpm)來(lái)評(píng)估1951—2016年中國(guó)旱澇演變趨勢(shì)，分析干旱歷時(shí)、烈度、旱情開(kāi)始時(shí)間等特征的空間分布規(guī)律，選取典型干旱事件追蹤其時(shí)空演變過(guò)程，并結(jié)合實(shí)際旱情記錄資料驗(yàn)證該指數(shù)的可靠性，以期為干旱監(jiān)測(cè)與模擬研究提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)

采用中國(guó)國(guó)家氣象信息中心發(fā)布的國(guó)家級(jí)地面756個(gè)氣象站1951—2016年基本氣象要素逐日數(shù)據(jù)，包括降水、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、大氣壓和日照時(shí)數(shù)。對(duì)756個(gè)氣象站氣象要素的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，修正由于站點(diǎn)遷移、儀器及測(cè)量方式變化、時(shí)次變化等原因造成的數(shù)據(jù)非一致性問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，將逐日氣象要素集成到周尺度用于PDSI計(jì)算。

除氣象要素外，田間有效持水量(available water capacity，AWC)也是PDSI的重要輸入?yún)?shù)。本文采用的AWC數(shù)據(jù)來(lái)自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)HWSD土壤數(shù)據(jù)集V1.2，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.05°，其中中國(guó)區(qū)域的數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的1∶1 000 000土壤數(shù)據(jù)。本文以氣象站點(diǎn)的地理坐標(biāo)為基準(zhǔn)，采用各氣象站點(diǎn)所在網(wǎng)格的AWC值進(jìn)行PDSI計(jì)算。

2 研究方法

本文在scPDSI基礎(chǔ)上，改進(jìn)原指數(shù)中潛在蒸散發(fā)的計(jì)算模塊和標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中歷時(shí)因子的推算方法，構(gòu)建scPDSIpm，并利用Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)方法和游程理論，分析1951—2016年中國(guó)旱澇演變趨勢(shì)、干旱歷時(shí)、烈度、旱情開(kāi)始時(shí)間等特征的空間分布規(guī)律。

2.1 scPDSIpm

scPDSI的計(jì)算流程可分為水文賬(hydrologic accounting)和標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程(standard procedure)兩個(gè)部分。其中，水文賬部分主要是利用一個(gè)簡(jiǎn)易水量平衡模型估算相關(guān)水文變量，并據(jù)此計(jì)算流域或區(qū)域水分的虧缺或盈余狀況：

(1)

(2)

式中：Rn為地表凈輻射，MJ/(m·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m·d)；T為日平均氣溫，℃；es、ea分別為飽和水汽壓及實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線的斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；u2為2 m高度風(fēng)速，m/s。

標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程對(duì)式(1)計(jì)算得到的d進(jìn)行處理，以增強(qiáng)指數(shù)的時(shí)空可比性。該過(guò)程涉及的主要參數(shù)包括氣候特征系數(shù)和歷時(shí)因子，其中，氣候特征系數(shù)K主要用于對(duì)d進(jìn)行季節(jié)和區(qū)域校正，包括時(shí)程(或季節(jié))校正系數(shù)K1和空間校正系數(shù)K2兩項(xiàng)；歷時(shí)因子(p、q)本質(zhì)上為前期和當(dāng)月(周)水分虧缺的權(quán)重。圖1為歷時(shí)因子計(jì)算原理。scPDSI通過(guò)構(gòu)建不同月(周)滑動(dòng)累計(jì)水分異常指數(shù)Z的最小值與相應(yīng)累計(jì)滑動(dòng)月(周)的線性關(guān)系計(jì)算歷時(shí)因子，擬合的直線代表極端干旱：

(3)

(4)

(5)

式中：m、b分別為線性方程的截距和斜率；t為滑動(dòng)累計(jì)月(周)數(shù)；Xt為對(duì)水分異常值進(jìn)行時(shí)間尺度為t的滑動(dòng)累計(jì)；C為-1、-2、-3、-4中的任一常數(shù)。scPDSI選擇t為3、6、9、12、18、24、30、36、42和48的累計(jì)Z最小值推求歷時(shí)因子(圖1(a)中黃色圓點(diǎn))，其余最值點(diǎn)則忽略不計(jì)(圖1(a)中紫色圓點(diǎn))。Liu等[18]研究發(fā)現(xiàn)，選取不同累計(jì)Z值推算歷時(shí)因子，PDSI的時(shí)間尺度也會(huì)隨之變化。具體而言，當(dāng)選取t=1～60個(gè)累計(jì)Z值點(diǎn)計(jì)算歷時(shí)因子時(shí)，得到的scPDSI時(shí)間尺度較長(zhǎng)，適用于表征水文干旱或地下水干旱；選取1～10個(gè)累計(jì)Z值點(diǎn)計(jì)算的scPDSI時(shí)間尺度較短，可用于評(píng)估氣象干旱。本文選取t=1～10個(gè)累積Z值點(diǎn)計(jì)算歷時(shí)因子，得到scPDSIpm，用以分析干旱的時(shí)空演變特征。scPDSIpm干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)與PDSI一致，即當(dāng)scPDSIpm取值為(-2，-1]、(-3，-2]、(-4，-3]、<-4時(shí)，分別對(duì)應(yīng)于輕旱、中旱、重旱、極旱4個(gè)等級(jí)。

(a) 不同時(shí)間尺度滑動(dòng)累計(jì)Z值

2.2 M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該方法對(duì)待檢測(cè)序列的分布無(wú)要求，并且不受少數(shù)異常值的干擾[19-20]，常用于干旱趨勢(shì)分析?；趕cPDSIpm序列，通過(guò)構(gòu)造服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)變量分析旱澇趨勢(shì)。若統(tǒng)計(jì)變量值為正，表示序列呈上升趨勢(shì)；若統(tǒng)計(jì)變量值為負(fù)，則序列呈下降趨勢(shì)。在趨勢(shì)檢驗(yàn)中，90%、95%和99%顯著性水平對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)變量的閾值分別為1.65、1.96和2.57。

2.3 干旱特征提取

游程理論(又稱(chēng)閾值方法)常用于干旱事件識(shí)

別和干旱特征提取。其基本原理為對(duì)某一時(shí)間序列{xt}，通過(guò)給定閾值(或截取水平)x′，將原序列劃分為兩類(lèi)：干旱事件(xt

干旱歷時(shí)和干旱烈度是干旱事件的基本屬性特征，前者為旱情開(kāi)始(即某場(chǎng)干旱事件中scPDSIpm低于-1的第一個(gè)時(shí)刻)至結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間長(zhǎng)度，后者為各干旱歷時(shí)上x(chóng)t偏離x′ 所包圍的面積。此外，還可以利用統(tǒng)計(jì)方法提取其他衍生屬性，如干旱面積，即發(fā)生干旱的氣象站點(diǎn)數(shù)占總氣象站點(diǎn)數(shù)的百分比，可用于反映干旱的空間影響范圍；旱情最可能開(kāi)始月份通過(guò)統(tǒng)計(jì)所有干旱事件開(kāi)始時(shí)刻的季節(jié)分布得到，對(duì)評(píng)估干旱對(duì)作物的影響有一定指示意義。

3 結(jié)果與分析

3.1 歷史旱澇演變趨勢(shì)

基于M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，得到各氣象站點(diǎn)scPDSIpm年均值的歷史旱澇趨勢(shì)如圖2所示?？梢钥闯?，scPDSIpm年趨勢(shì)在東北、華北、華中以及西南地區(qū)呈顯著的變旱條帶，約占中國(guó)國(guó)土面積的一半以上，變濕區(qū)域則主要集中在西北以及華東地區(qū)。各月旱澇趨勢(shì)的空間分布與年趨勢(shì)大致相似。由圖3可以看出，差異較顯著的主要在6、7和12月，其變澇面積有所增加，尤其是6月，全國(guó)大部分地區(qū)呈變澇趨勢(shì)，4月和10月則表現(xiàn)為變旱面積略有增加。此外，中國(guó)東部地區(qū)旱澇趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)交替變化規(guī)律，冬季(12—2月)、夏季(6—8月)呈變澇趨勢(shì)，春季(4—5月)和秋季(9—10月)則呈變旱趨勢(shì)。

圖2 年M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值

圖3 不同月份M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值

3.2 干旱歷時(shí)與干旱烈度

基于游程理論，圖4給出了scPDSIpm識(shí)別的中旱等級(jí)以上(即scPDSIpm值小于或等于-2)干旱事件的平均歷時(shí)和烈度?？梢钥闯?，平均干旱歷時(shí)的變化范圍為7～11周，空間上以秦嶺-淮河為界，南方地區(qū)干旱歷時(shí)普遍短且烈度小，平均干旱歷時(shí)超過(guò)11周(約3個(gè)月)的區(qū)域主要集中在黃河流域、新疆內(nèi)陸河等地。干旱烈度與平均干旱歷時(shí)的空間分布較為相似，平均干旱歷時(shí)較長(zhǎng)的地區(qū)相應(yīng)干旱烈度也越大。這一空間分布特征與其他研究采用不同指數(shù)得到的結(jié)果基本一致[21]。此外，由于構(gòu)建的scPDSIpm是短時(shí)間尺度干旱指數(shù)，相比于長(zhǎng)時(shí)間尺度指數(shù)，scPDSIpm對(duì)旱澇狀態(tài)的變化更為敏感，指數(shù)序列震蕩較為頻繁，因而識(shí)別的干旱歷時(shí)較短。

(a) 平均干旱歷時(shí)

圖5為干旱事件最可能開(kāi)始月份的空間分布。中國(guó)大部分地區(qū)旱情的起始時(shí)間集中在4—7月，其中華中和華東地區(qū)旱情最可能發(fā)生時(shí)間主要在7月，青海以西地區(qū)干旱暴發(fā)時(shí)間大多在春季4—5月。對(duì)于西藏和新疆地區(qū)，旱情最可能發(fā)生時(shí)間主要在1—3月，浙江、福建以及兩廣的沿海地帶則為秋旱多發(fā)地帶，旱情出現(xiàn)時(shí)間通常在9—10月。結(jié)合我國(guó)主要糧食作物的產(chǎn)地和播種生長(zhǎng)時(shí)間可以看出，就小麥而言，我國(guó)春小麥主要產(chǎn)地在東北平原，生長(zhǎng)時(shí)期為3月中下旬至7月中下旬，而該地區(qū)的干旱最可能開(kāi)始時(shí)間為4—6月，會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響。水稻的主要產(chǎn)地集中在秦嶺-淮河以南，作物的生長(zhǎng)發(fā)育主要在3—10月，由于該地區(qū)干旱可能發(fā)生時(shí)間均處于作物的生長(zhǎng)周期內(nèi)，干旱對(duì)作物產(chǎn)量也有一定影響。

圖5 干旱事件最可能開(kāi)始月份空間分布

3.3 干旱事件時(shí)空演變過(guò)程監(jiān)測(cè)

以2015年夏季干旱事件為例，分析scPDSIpm對(duì)旱情的監(jiān)測(cè)能力?！吨袊?guó)水旱災(zāi)害公報(bào)2015》[22]實(shí)際旱情統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：與21世紀(jì)旱情受災(zāi)平均值相比，2015年全國(guó)旱情偏輕，作物因旱受災(zāi)面積10 067.05 hm2；空間上，受災(zāi)區(qū)域主要集中在北方，嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)包括內(nèi)蒙古、河北、遼寧、山東4省區(qū)；從季節(jié)上來(lái)看，河北、山東、山西、甘肅、陜西等省冬季和春季干旱程度較輕，內(nèi)蒙古、河北、遼寧、山東、山西、吉林發(fā)生夏季干旱，華南和西南局部地區(qū)出現(xiàn)了階段性春季干旱和夏季干旱。

圖6和圖7給出了由scPDSIpm計(jì)算得到的2015年全國(guó)中旱以上面積占比的時(shí)間序列以及旱情中心的時(shí)空演變過(guò)程?？梢钥闯觯诙┐撼?、春末至夏季干旱面積的占比增大，尤其是夏季，全國(guó)中旱面積達(dá)到18%，重旱和極旱面積超過(guò)10%。空間上，春季初(3月19日至4月23日，圖7(a)(b))華北地區(qū)呈現(xiàn)輕微干旱跡象，南方地區(qū)出現(xiàn)中旱；春末夏初(5月28日到7月9日，圖7(c)(d))華北、黃淮海、東北等地旱情持續(xù)增強(qiáng)，隨后在夏季(8月6日至8月27日，圖7(e)(f))向內(nèi)蒙古中西部和西南地區(qū)轉(zhuǎn)移。

圖6 2015年干旱面積占比變化

圖7 2015年干旱事件時(shí)空演變過(guò)程

目前大部分干旱指數(shù)都能夠有效監(jiān)測(cè)長(zhǎng)歷時(shí)大規(guī)模干旱事件(如極旱年份的2006年、2009—2010年)，然而在監(jiān)測(cè)局部地區(qū)快速發(fā)展的旱情方面仍存在靈敏度低、響應(yīng)延遲等問(wèn)題。總體來(lái)看，本文構(gòu)建的短時(shí)間尺度干旱指數(shù)scPDSIpm能夠有效反映2015年干旱事件的季節(jié)變化規(guī)律，并準(zhǔn)確捕捉旱情中心的空間轉(zhuǎn)移過(guò)程，可用于監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)干旱。

4 結(jié) 論

a.M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)分析結(jié)果表明，空間上中國(guó)東北、華北、華中、西南呈顯著變旱趨勢(shì)，西北和東南少數(shù)地區(qū)為變澇趨勢(shì)。

b.北方易發(fā)生歷時(shí)長(zhǎng)烈度大的干旱事件，南方干旱事件的歷時(shí)短烈度小。全國(guó)大部分地區(qū)旱情開(kāi)始時(shí)間集中在6—7月。

c.通過(guò)與實(shí)際旱情記錄比對(duì)發(fā)現(xiàn)，scPDSIpm能夠很好地捕捉2015年干旱的發(fā)生時(shí)間和集中區(qū)域，也能夠較準(zhǔn)確地捕捉旱情中心的轉(zhuǎn)移過(guò)程。