基于標準化降水蒸散指數(shù)的干旱特征分析

基于標準化降水蒸散指數(shù)的干旱特征分析

干旱是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展的最嚴重自然災害之一。研究表明,全球極端干旱面積正在擴大。大量的事實也揭示了中國北方地區(qū)干旱化正在加劇。趙海燕等通過分析農(nóng)業(yè)受旱面積和播種面積資料,認為東北、內(nèi)蒙古和西北地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱有顯著加重趨勢。梁澤學等發(fā)現(xiàn)半干旱區(qū)東移,河套地區(qū)四季均表現(xiàn)出干旱化。路桂華等指出遼河平原-海河平原-黃土高原-四川盆地-云貴高原形成了一個干旱化帶狀區(qū)域,干旱頻率增加,特別是20世紀90年代中期以來,干旱連年發(fā)生,旱情較為嚴重。馬柱國等認為西北東部和華北的干旱化趨勢在近15年間不斷加劇,降水減少和氣溫升高是其主要原因。章大全等指出未來5年內(nèi)干旱發(fā)生概率較大的地區(qū)主要分布在中國華北,且有持續(xù)向南擴張的趨勢,降水減少仍然是中國東部干旱形成的主要因素。另有一些學者認為我國南方地區(qū)干旱的季節(jié)性特征表現(xiàn)為春旱和秋旱有加重趨勢,而夏旱和冬旱有減輕趨勢。干旱成因復雜,易受人類活動影響。目前,研究者普遍使用干旱指數(shù)來簡化復雜的干旱現(xiàn)象。常用的干旱指數(shù)包括Palmer干旱指數(shù)(PDSI)、作物水分指數(shù)以及標準化降水指數(shù)(SPI)等。PDSI是干旱指標研究的里程碑,其基于水分供需平衡,結合前期降水、濕度、蒸發(fā)、水文等因子,使極端干旱和濕潤測量成為可能。但PDSI指數(shù)也有一些局限性,例如,主要適用于干旱、半干旱區(qū)域,在旱情等級界定上有主觀因素,在判斷極端旱情時可能會滯后幾個月。SPI能夠較好地反映干旱強度和持續(xù)時間,使得用同一干旱指標反映不同時間尺度和不同區(qū)域的干旱狀況成為可能,因而得到廣泛應用。但SPI指數(shù)的主要缺點是其僅考慮降水資料,未考慮影響干旱的其他因素如溫度、蒸散等。因為降水是決定干旱發(fā)生、發(fā)展變化和終止最重要的因素,所以在6~12個月時間尺度上SPI與PDSI一致性非常高。PDSI指標能夠明顯反映由于增溫而出現(xiàn)的干旱化,而SPI卻不能。Vicente-Serrano等提出了標準化降水蒸散指數(shù)(standardizedprecipitationevapotranspirationindex,SPEI),該指數(shù)基于降水和蒸散,它既保留了PDSI考慮蒸散對溫度敏感的特點,又具備SPI計算簡單、適合多尺度、多空間比較的優(yōu)點。SPEI指數(shù)特別適于檢測和監(jiān)測全球變暖背景下干旱的變化特征。SPEI指數(shù)一經(jīng)提出就被用于各方面的干旱研究,VicenteSerrano用該指數(shù)建立了1901—2006年全球干旱趨勢的數(shù)據(jù)集以檢測全球干旱分布。SPEI指數(shù)還被廣泛應用于干旱評估、水文干旱分析等研究領域。本文將SPEI指數(shù)這一計算簡便、用途廣泛的新干旱指數(shù)引入中國,利用我國氣象站點資料,探索基于SPEI指數(shù)的中國近59年(1951—2009年)干旱化特征,系統(tǒng)地認識干旱化的時空趨勢。1材料和方法1.1位候中心及其與氣候變化監(jiān)測的資料本文所用數(shù)據(jù)資料為中國氣象局國家氣候中心用于氣候變化監(jiān)測的160個代表站在1951—2009年月降水和月平均氣溫資料,站點的分布見圖1a。1.2月降水、蒸散量差值的計算Vicente-Serrano的SPEI指數(shù)計算方法如下:首先計算潛在蒸散(PET)。Vicente-Serrano推薦的是Thornthwaite方法,該方法的優(yōu)點是考慮了溫度變化,能較客觀地得出地表潛在蒸散。第二步用公式(1)計算逐月降水與蒸散的差值:式中,Di為降水與蒸散量的差值,Pi為月降水量,PETi為月蒸散量。第三步如同SPI方法,對Di數(shù)據(jù)序列進行正態(tài)化,計算每個數(shù)值對應的SPEI指數(shù)。由于原始數(shù)據(jù)序列Di中可能存在負值,所以SPEI指數(shù)采用了3個參數(shù)的log-logistic概率分布。log-logistic概率分布的累積函數(shù)為:式中,參數(shù)α、β、γ分別采用線性矩的方法擬合獲得:式中,(38)為階乘函數(shù),w0、w1、w2為原始數(shù)據(jù)序列Di的概率加權矩。計算方法如下:式中,N為參與計算的月份數(shù)。然后對累積概率密度進行標準化:當累積概率P≤0.5時:式中,c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。當P>0.5時:1.3旱特征量的標準化SPEI指數(shù)與SPI指數(shù)一樣,是對表征干旱特征量的標準化,反映的是當年干旱偏離正常年份的程度。本文中SPEI指數(shù)與發(fā)生頻率和干旱程度一般按照以下標準進行劃分(表1)。219對2009年全國干旱形勢的結果進行分析2.1增溫率、降水利用160個站點的月平均氣溫和月降水資料,計算了每個站點溫度和降水2個變量1951—2009年的線性傾向系數(shù)(圖1)。圖1a給出了1951—2009年中國區(qū)域氣溫變化趨勢空間分布圖。從圖1a可以看出,全國范圍內(nèi),除新疆中部、四川盆地和川、滇交界地區(qū)有較小的氣溫下降趨勢外,其他地區(qū)均表現(xiàn)增暖趨勢。我國增暖的總體趨勢表現(xiàn)為北方強南方弱,這與全球增暖的空間分布一致,且全國大部分地區(qū)增溫趨勢顯著。中國北方地區(qū)增溫率變化的分布大體上為東部大西部小,其中東北地區(qū)、華北北部地區(qū)、西北西部地區(qū),增溫率超過0.3℃·10a-1。較小增溫區(qū)位于內(nèi)蒙古西部和甘肅西部地區(qū),增溫率為0.1~0.3℃·10a-1。在南方(長江以南),大部分地區(qū)也表現(xiàn)出增溫趨勢,增溫率為0.1~0.3℃·10a-1。在西南地區(qū)北部,包括四川盆地東部和云貴高原北部,年平均氣溫呈下降趨勢,但并不顯著。這個區(qū)域的降溫現(xiàn)象早在多年前就已發(fā)現(xiàn),20世紀90年代中開始略有回暖,但在所分析的時段內(nèi)仍然表現(xiàn)為弱降溫趨勢。圖1b為1951—2009年中國區(qū)域降水變化趨勢空間分布圖。從圖1b可以看出,降水總的變化趨勢為東部減少,西部增加。除西北地區(qū)、江淮流域、江南中部及西南西部地區(qū)外,其余地區(qū)降水均呈減少趨勢,其中降水減少較多的區(qū)域為西南東部、華北中部、華南南部和東北南部。但無論減少還是增加趨勢,大部分地區(qū)均未通過顯著性檢驗,說明年降水量的變化趨勢未達到顯著水平。2.2spiii指數(shù)的年際變化圖2給出了1951—2009年中國區(qū)域SPEI指數(shù)變化趨勢空間分布圖。由圖2可以看出,除新疆北部、西北地區(qū)東南部、四川盆地部分地區(qū)和川滇交界地區(qū)有變濕趨勢外,其余各地均呈現(xiàn)不同程度的變干趨勢,且東北、華北、新疆南部、西南部分地區(qū)干旱化趨勢明顯。對比圖1可知,我國東北、華北地區(qū)、東南內(nèi)陸地區(qū)的干旱化是由降水減少和溫度升高共同引起的;在江淮流域、江南中部、西北大部分地區(qū)和東南沿海地區(qū),盡管降水有輕微增加趨勢,但該地區(qū)的增溫趨勢更為顯著,溫度升高導致蒸散加大,使得該地區(qū)呈現(xiàn)變干趨勢;我國少部分地區(qū)有變濕的趨勢,其中大部分是由于降水增多引起的,盡管這些地區(qū)溫度升高,但由于降水量大于蒸散量,而使得這些地區(qū)變濕。少部分變濕地區(qū)(西南部分地區(qū),該區(qū)域未通過顯著性檢驗)為降水減少且溫度降低的區(qū)域,這種降溫趨勢對干旱強度的加大起到一定的遏制作用,原因是溫度降低引發(fā)蒸散減少,蒸散減少將有利于地表水分的保持。由此可見,溫度在干濕變化過程中起著重要的作用。圖3給出了全國平均SPEI指數(shù)年際變化及其Mann-Kendall(M-K)檢驗曲線。由UF曲線可知,近59年來全國平均SPEI指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢,從1998年至今這種下降趨勢均超過了顯著性水平0.05臨界線,甚至2000年以后超過0.001顯著性水平(u0.001=2.56),說明全國變干趨勢顯著。在顯著水平0.05的臨界線內(nèi),UF、UB曲線相交于1997年,這是全國年平均SPEI指數(shù)突變的開始。年平均SPEI指數(shù)在突變前后的平均值相差0.185。從全國平均SPEI指數(shù)年際變化來看,20世紀90年代至今全國一直出現(xiàn)不同程度干旱,且干旱趨勢明顯增強。2.2.2年—全國四季SPEI指數(shù)的年際變化及突變檢測圖4給出了不同季節(jié)全國平均SPEI指數(shù)的年際變化及其M-K檢驗?？梢钥闯?我國四季均有變干趨勢,其中春、秋季變干趨勢的變率最大。由圖4a可知,自20世紀60年代以來,全國春季平均SPEI指數(shù)持續(xù)下降,說明我國春季有變干趨勢,且到2000年以后這種變干趨勢更為明顯(超過顯著性水平0.05的臨界線,甚至超過0.001顯著性水平)。在顯著性水平0.05的臨界線之間,UF、UB曲線相交于1996年,這是我國春季干旱突變的開始。由圖4b可知,我國夏季在2004年以后出現(xiàn)變干趨勢,但這種趨勢沒有超過0.05顯著性水平。由圖4c可知,我國秋季從20世紀80年代開始,有干旱化趨勢,且1996年以后這種趨勢均大大超過顯著性水平0.05的臨界線,表明秋季干旱趨勢顯著;由UF、UB曲線交點可知,1992年是我國秋季干旱突變的開始。由圖4d可知,自20世紀60年代以來,UF值一直小于0,說明從那時起我國冬季開始變干,但這種干旱趨勢并不明顯,未超過顯著性水平0.05的臨界線。由此可知,我國春季和秋季有明顯變干趨勢,且春季變干的開始年份要早于秋季。極端干旱往往造成嚴重的自然災害,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活帶來極大威脅。因此分析了我國1951—2009年的極端干旱頻率變化趨勢。分別計算59年每個站的逐月SPEI值,當月SPEI≤-2時,即認為極端干旱月;SPEI≤-1時,即認為中度干旱月。每站發(fā)生1次記為1站次,分別計算各年代全國極端干旱發(fā)生的站次數(shù)。由圖5a可以看出,1951—2009年全國極端干旱事件發(fā)生的次數(shù)明顯增加,20世紀70年代發(fā)生極端干旱的頻率最小,21世紀初發(fā)生極端干旱的頻率最大。發(fā)生極端干旱頻率最大的年代和最少的年代相比,兩者相差約4.9倍,說明本世紀初極端干旱事件發(fā)生頻繁。極端干旱事件每10年增加74站次。由各年代月SPEI≤-1所發(fā)生的頻次(圖5b),可以看出1951—2009年全國年代際干旱的發(fā)生頻率有一個明顯的增加趨勢,其中20世紀50年代發(fā)生頻率最小,21世紀初頻率最大,20世紀80年代后逐年代際增加。但中度干旱發(fā)生頻次的增長速度沒有極端干旱事件增長的快。3干旱化的趨勢利用標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)以及全國160個站的月降水和月平均氣溫資料,對我國干旱氣候變化、四季干旱趨勢以及極端干旱發(fā)生頻率進行分析,得到以下幾點事實:從空間分布上看,1951—2009年,我國大部分地區(qū)增溫趨勢顯著,總體趨勢是北方大南方小,降水變化趨勢為東部減少、西部增加,但大部分地區(qū)變化趨勢沒有通過顯著性檢驗,這與過去研究結果一致。從干旱指數(shù)反應的干濕情況可以發(fā)現(xiàn),除新疆北部、西北東南部、四川盆地部分地區(qū)和川滇交界局地有變濕趨勢外,其余各地均呈現(xiàn)不同程度的變干趨勢,且東北、華北、新疆南部、西南部分地區(qū)干旱化趨勢顯著。這與前人研究結果基本一致。新疆北部由于降水增多而出現(xiàn)變濕現(xiàn)象,另外,伴隨著全球升溫,該地區(qū)冰川加速消融,地表徑流增大也導致該地區(qū)變濕。本研究中,新疆和西藏地區(qū)所用站點數(shù)量較少,這兩個地區(qū)干濕演變情況需要更多觀測數(shù)據(jù)進一步分析證實。從時間變化上看,全國平均SPEI有下降趨勢,說明全國整體上呈現(xiàn)變干趨勢,且1997年是我國干旱化的突變點。20世紀90年代以來,我國干旱化趨勢非常明顯。四季均有變干趨勢,其中春、秋季變干明顯。夏、冬季干旱化趨勢相對不顯著,但近15年來夏季始終處于相對干旱階段。夏季是我國大部分地區(qū)降水的主要季節(jié),若按這個趨勢發(fā)展下去,將嚴重影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。20世紀80年代以后,我國極端干旱發(fā)生頻次明顯增加,21世紀初全國極端干旱出現(xiàn)的次數(shù)比20世紀90年代多了將近1倍。極端干旱是產(chǎn)生經(jīng)濟損失的主要事件。近年來極端干旱事件的迅速增長,對我國的防災減災措施提出了更高要求。我國東北和華北地區(qū)的干旱化主要是溫度升高、蒸散加劇造成的。該地區(qū)降水呈現(xiàn)輕微減少趨勢,而溫度升高趨勢明顯,降水和溫度的共同作用導致了明顯的干旱化。另一個集中的干旱化區(qū)域是四川盆地,該地區(qū)溫度升高趨勢不顯著,但降水顯著減少,降水較少導致了四川盆地區(qū)域的干旱化。溫度和降水變化在干旱化事件中的作用的定量化需要進一步研究。此外,降水頻率的減少和集中也是導致極端干旱事件發(fā)生的重要原因。標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)同標準化降水指數(shù)(SPI)一樣,假定所有地區(qū)發(fā)生干旱的頻率相同并對數(shù)據(jù)進行