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标题 近55年以来漳卫河流域干旱演变特征
范文 王刚+严登华+申丽霞+翁白莎+汤欣钢+万金红
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“气候变化对黄淮海地区水循环的影响机理和水资源安全评估”(2010CB951102)；国家自然科学基金面上项目“基于水资源系统的广义干旱风险评价与风险区划研究”（51279207）
作者简介:王刚（1985），男，河南平顶山人，博士研究生，主要从事气候变化下水资源综合应对研究。Email:Gangwnan@163.com
通讯作者：严登华（1976）男，安徽太湖人，教授级高级工程师，主要从事气候变化下水资源综合应对、生态水文学及地理信息技术应用等研究。Email:denghuay@gmail.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.001
摘要：以漳卫河流域11个气象基准站1957年-2011年降水日值资料为基础，基于标准化降水指数选取干旱发生频次、干旱影响范围、干旱强度与历时、干旱重心等指标，分析了流域降水突变前后气象干旱演变特征。结果表明：流域降水在1976年发生突变，降水突变前后，年尺度干旱发生频次和影响范围显著增加，分别由20%、23.2%增加到40%、34.1%；在季尺度上，春旱发生频次和影响范围均有较大程度减少，夏旱和秋旱的发生频次和影响范围有所增大，冬旱的发生频次和影响范围分别有小幅度的增大和减少；年尺度和季尺度干旱的平均干旱历时和强度增加显著，而月尺度干旱的干旱历时和强度略有下降；流域干旱重心在降水突变前后未发生明显的变化。
关键词：标准化降水指数；降水突变；干旱演变；漳卫河流域
中图分类号：P467文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04000105
Drought Evolution Characteristics in the Zhangwei River Basin in Recent 55 years
WANG Gang1,2,YAN Denghua1,2,SHEN Lixia3,WENG Baisha1,2,TANG Xingang3,WAN Jinhong4
(1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,Beijing 100038,China;
2.Water Resources Department,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;
3.Upper Zhanghe Water Resources Administrative Bureau,Haihe River Commission of the Ministry of Water Resources,
P.R.C,Handan 056006,China;4.Water History Department,China Institute of Water Resources and
Hydropower Research,Beijing 100038,China)
Abstract:Based on the daily precipitation data at 11 meteorological stations in the Zhangwei River Basin during the period from 1957 to 2011,several SPIbased indices,including drought frequency,drought affected area,drought severity and duration,and drought barycentric coordinates,have been selected to analyze the meteorological drought evolution before and after the precipitation mutation.The results showed that (1) precipitation mutation occurred in 1976,and the frequency and affected area of drought in the year scale have increased significantly from 20% and 23.2 % to 40% and 34.1% before and after precipitation mutation,respectively;(2) in the season scale,drought frequency and affected area decreased to some extent in the spring but increased greatly in both summer and autumn,and the drought frequency increased while affected area decreased in the winter;(3) the average drought duration and severity increased significantly in both the year and season scales,but decreased in the month scale;and (4) the drought barycentric coordinates showed insignificant change before and after the precipitation mutation.
Key words:SPI;precipitation mutation;drought evolution;Zhangwei River Basin
1研究背景
随着气候变化影响的深入，气候和水循环系统的稳定性显著降低，干旱事件在全球范围内呈现出广发和频发态势，且时间节律和空间分布特性也发生了显著变化［1］。我国位于亚洲季风气候区，加之三级阶梯的地形结构和多样的地貌特征，从根本上决定了旱涝事件广发、频发的特征。全面认识流域干旱的整体特征及其时空演变规律，是进行干旱风险应对和干旱管理的基础性工作之一。国内学者分别从不同的角度研究了区域干旱演变特征。比如陈小凤等［2］以淮河流域近60年干旱灾害统计资料为基础，探讨了流域各行政分区季尺度旱灾发生频次及分布；闵骞和闵聃［3］利用水位站长系列资料，分析了鄱阳湖区水文干旱演变特征及旱期的供水情势；黄晚华等［4］利用我国南方15个省区的气象台站降水资料，以标准化降水指数（SPI）为干旱指标，分析了年尺度及季尺度干旱发生频次、范围和强度的变化及其对农业生产的不利影响。由于降水减少是干旱发生的最根本的原因，气象干旱是水文干旱和农业干旱形成的唯一外在驱动力［5］，因此本文从气象干旱的角度，以流域降水资料为基础，采用标准化降水指数SPI来分析流域干旱特征及其演变。SPI指数最早由McKee等［6］提出，由于其仅需要降水资料，而且可以采用变时间尺度，所以在干旱监测、评价中得到广泛的应用［78］，并且成为我国气象干旱等级国家标准中推荐使用的干旱评价方法之一［9］。漳卫河流域位于海河流域南部，属于南运河水系的一部分，流域多年平均降水量562.8 mm。在历史上，旱灾一直是该地区最主要的自然灾害之一，近年来区域暖干化趋势明显［10］。本文首先对流域年降水序列进行突变检验，确定降水发生突变的年份，然后通过分析降水突变前后两个时段流域干旱发生频次、干旱影响范围、干旱历时与强度、干旱重心等干旱特征变量的变化，来研究漳卫河流域近55年来干旱演变特征，以期为气候变化背景下流域水资源综合管理和抗旱减灾对策的制定提供支撑。
2数据与方法
2.1资料选取与处理
本文所使用的降水原始资料长度为1957年1月1日至2011年12月31日，来自中国地面气候资料日值数据集，由中国气象局国家气象信息中心提供。可利用气象站点共11个，其中流域内5个，流域周边6个，见表1。需要指出的是，流域内晋东南站点自1986年起停测，被长治站代替，且两个站点位置不在一处，造成降雨资料的不一致现象，严格意义上应该剔除，但考虑到流域内站点较稀少，且周围没有其它可用站点，所以将两站资料合并为一个数据系列。
将各站点长系列逐日降水资料按月统计，生成逐月降水数据信息，以便应用SPI指数进行干旱评价分析。表1各气象站点主要信息
Table 1General information of selected meteorological stations
台站号名称所在省资料长度经度（°）纬度（°）海拔/m年均降水量/mm标准差/mm53787榆社山西1957.12011.12112.9837.071 041.4541.0126.653887晋东南山西1957.11985.12113.1236.20926.5601.5123.753882长治山西1986.12011.12113.0736.05991.8552.8111.253986新乡河南1957.12011.12113.8835.3273.2573.5165.653898安阳河南1957.12011.12114.4036.0562.9569.2170.053782阳泉山西1957.12008.12113.5537.85741.9540.4139.154808莘县山东1957.12011.12115.6736.2337.8442.6140.657071孟津河南1961.12011.12112.4334.82333.3622.2147.557083郑州河南1957.12011.12113.6534.72110.4642.9153.653798邢台河北1957.12011.12114.5037.0777.3516.3171.653975阳城山西1957.12011.12112.4035.48659.5602.5135.82.2分析方法介绍
2.2.1标准化降水指数
标准化降水指数采用伽马分布概率描述降水量的变化，在计算出某一时段降水量的伽马分布概率以后，再进行正态标准化处理，最终应用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级。有关SPI详细的计算步骤可参考文献［9］，这里不再赘述，只给出SPI干旱等级划分标准见表2。
表2标准化降水指数干旱等级划分
Table 2Drought classification of standardized precipitation index
等级干旱类型SPI值1无旱-0.52.2.2干旱发生频次与影响范围
主要通过分析干旱发生频次、干旱影响范围等来描述流域干旱整体特征。
干旱发生频次表征流域内干旱发生的频繁程度，用式（1）计算。
P=n/N×100%（1）
式中：n为研究时段内发生干旱的年数；N为研究时段的总年数。
干旱影响范围表征流域内发生干旱的面积大小，用式（2）计算。
A=Sd/St×100%（2）
式中：Sd为发生干旱的面积；St为流域总面积。当干旱影响范围大于50%时，可以认为发生了区域性干旱。
在统计干旱面积时，需要先通过泰森多边形方法得到每个站点所控制的流域面积。按照SPI的干旱划分等级，若某个站点的SPI值达到轻度干旱及以上等级，则认为该站点控制的流域范围内均发生了干旱。漳卫河流域气象站点泰森多边形见图3。
图1气象站点泰森多边形
Fig.1Thiessen polygons of meteorological stations
各站点所控制的流域面积占整个流域面积的比例见表3。其中榆社、长治、安阳、新乡4站控制流域面积的总和占流域总面积的比例超过90%。另外，流域的总体降水序列也由各个站点的降水序列通过面积加权获得。
表3各站点控制面积占流域总面积比例
Table 3Percentages of control area among
total area at each meteorological station
站名控制面积占流域总面积
比例（%）榆社24.1长治24.8新乡16.4安阳26.5阳泉2.9站名控制面积占流域总面积
比例（%）莘县2.3孟津0.2郑州1.8邢台0.6阳城0.22.2.3干旱强度与历时
基于SPI，结合游程理论确定干旱过程及每次干旱过程的历时和强度。定义连续的SPI≤-1.0（即中等干旱及以上）的时段为一次干旱过程，将一次干旱过程中的SPI值累加来表征该次干旱的强度。为便于表达，干旱强度取正值，即：
S=∑Di=1SPIi（3）
式中：D、S分别表示一次干旱过程的历时和强度。
2.2.4干旱重心
通过比较分析降水突变前后流域干旱发生频次重心和干旱强度重心的移动，研究流域干旱的空间变化特征。流域干旱重心用下式计算［11］：
Xt=∑ni=1(AiBt,iXi)/∑ni=1(AiBt,i)
Yt=∑ni=1(AiBt,iYi)/∑ni=1(AiBt,i)（4）
式中：Xt、Yt分别为t时段流域干旱重心的经度和纬度坐标(°)；Xi、Yi分别为流域的第i分区重心的经度、纬度坐标(°)；Ai为i分区的面积；Bt,i为t时段第i分区的干旱指标，本文为干旱发生频次和干旱强度；n为流域内分区总个数，本文根据泰森多边形共划分10个分区。
2.2.5降水突变检验
本文采用MannKendall法和滑动t检验两种方法进行降水突变检验。MannKendall法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要假定样本服从一定的分布，且不受少数异常值的干扰，计算也相对简便，是世界气象组织推荐的应用于环境数据时间序列分析的方法。假定时间序列x(x1,x2,…,xn)随机独立，按时间序列顺序x1,x2,…,xn计算统计量序列UFk，再按时间序列逆xn,x(n-1),…,x1重复相应计算过程，同时使UBk=-UFk，k=n,n-1,…,1。给定显著性水平，如本文选择α=0.05，则临界值μ0.05=±1.96。若UBk、UFk两条曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻就是突变发生的时间。具体计算过程参考文献［12］。

滑动t 检验是考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变，当两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平，可以认为有突变发生。检验方法详细介绍可参考文献［13］。本文令基准点前后两个子序列的长度均为10年，给定显著性水平α=0.05，μ0.05=±2.1。根据计算结果，滑动统计量t在1976年的值为2.48，超出给定的显著性水平对应的临界值，则可以确定1976年为漳卫河流域年降水发生突变的时间。
3结果与分析
3.1流域整体干旱特征
从漳卫河流域年降水SPI指数可知（图2），在1957年-2011年的55年中，有18年发生干旱，其中轻度干旱12次，中度干旱3次，重度干旱1次，特大干旱2次，轻度及以上等级干旱的发生频次约为32.7 %。从四季降水SPI指数可知（图略），55年时间序列中，发生春旱、夏旱、秋旱和冬旱的次数分别为18次、17次、15次和15次。进一步统计季节连旱的情况，发现发生春夏连旱、夏秋连旱、秋冬连旱和冬春连旱的次数分别为3次、5次、3次和4次，因此，发生春夏连旱、夏秋连旱、秋冬连旱和冬春连旱的概率分别为167%、294%、20%、267%。从干旱发生频次上看，漳卫河流域平均每3年就要发生一次干旱，并且SPI值有减小趋势，也即干旱发生频次有增大趋势；流域季节连旱特征显著，尤其是夏秋连旱、冬春连旱的概率较大，由于漳卫河流域实行的是冬小麦夏玉米的农作模式，夏秋连旱不仅会影响夏玉米的生长，而且对于冬小麦的播种也会产生不利影响，而冬春连旱对处于返青期的冬小麦正常生长极为不利。
图2漳卫河流域年降水SPI序列
Fig.2SPI series of annual precipitation
in Zhangwei River Basin
从干旱影响范围上看，见图3，55年时间序列中，漳卫河流域年均干旱影响范围约为流域总面积的30.1%。春旱、夏旱、秋旱、冬旱的面积差异不显著，平均分别占流域总面积的28%、30.4%、30%、27.9%。干旱影响范围整体上有增加的趋势，20世纪50-60年代，除个别年份外，干旱影响范围均未超过全流域面积的50%，而近年来区域性的干旱比较普遍，部分年份（如1997年、1999年）干旱影响范围几乎覆盖全流域。
图3漳卫河流域1957年-2011年干旱影响范围
Fig.3Drought affected area in Zhangwei
River Basin from 1957 to 2011
3.2流域干旱演变特征
3.2.1年降水突变点
MannKendall法计算结果见图4显示，两条统计量曲线在临界线以内存在交点，说明年降水序列存在突变点，但交点个数不唯一，只能判定在1975年附近发生突变。因此，需要结合滑动t检验方法确定突变发生的确切时间。
图4漳卫河流域年降水序列MK曲线
Fig.4MK analysis of annual precipitation
in Zhangwei River Basin
根据t检验计算结果，滑动统计量t在1976年的值为2.48，超出给定的显著性水平对应的临界值，则可以确定1976年为漳卫河流域年降水发生突变的时间见图5。通过比较突变前后1957年-1976年和1977年-2011年两个时段的平均年降水量（见图6），可以发现，突变前后年均降水量由611.6 mm减少为535.1 mm，减幅为12.5%。
图5漳卫河流域年降水滑动t统计量曲线
Fig.5Moving tstatistic curve of annual precipitation
in Zhangwei River Basin
3.2.2时间变化特征
（1）干旱发生频次与影响范围变化。根据表5统计结果，降水突变前后，漳卫河流域在年尺度上发生干旱的频次
图6漳卫河流域年降水量序列
Fig.6Annual precipitation series
in Zhangwei River Basin from 1957 to 2011
由20%增加到40%，增长了一倍。从干旱的季节变化特征看，除了春旱的发生频次有所下降外，其它季节均有不同程度的增加，其中夏旱和秋旱增加幅度较大，分别由20%增加为34.3%和31.4%；冬旱由25%增加到28.6%。降水突变前后，漳卫河流域在年尺度上的干旱影响范围由23.2%增加到34.1%。春旱的影响范围减小明显，由36.4%减少为23.2%；冬旱略有减少，由31.1%减少为27.5%；夏旱和春旱则有较大幅度增加，分别增加10.4和10.7个百分点。
表5降水突变前后干旱发生频次与干旱影响范围变化
Table 5Variations of drought frequency and affected area before
and after precipitation mutation
时间
尺度统计时段干旱发生
次数干旱发生频次
(%)干旱影响范围
（%）全年春夏秋冬1957-1976420.023.21977-20111440.034.11957-1976840.036.41977-2011822.923.21957-1976420.025.01977-20111234.335.41957-1976420.023.21977-20111131.433.91957-1976525.031.11977-20111028.627.5（2）干旱强度、历时。以流域月降水序列为基础，分别计算1月、3月、6月、12月尺度的SPI指数，按照上述方法可得到以月为单位的若干干旱过程，再分别统计1957年-1976和1977年-2011两个时段的干旱事件次数、每次干旱平均历时及平均强度，结果列于表6。对于1月、6月时间尺度干旱，干旱事件次数略有增加，干旱历时略微变短，干旱强度有所下降，但对于季尺度（3个月）和年尺度（12个月）干旱而言，干旱事件次数减少，平均干旱历时显著变长，干旱强度显著增大，尤其是年尺度干旱，平均干旱历时由2个月延长为4个月，平均干旱强度由3.68增加至6.48。
3.2.3空间变化特征
根据流域10个气象站点的年降水SPI序列，统计各站点在降水突变前后两个时段的平均干旱强度和干旱发生频次，作为其所控制的流域分区的干旱指标。利用ArcGIS的几何统计（Calculate Geometry）功能可统计出各个流域分区的面积及重心坐标，然后按照式（4）计算降水突变前后流域平均干旱强度和干旱发生频次的重心坐标，结果见表7。表6降水突变前后干旱历时、强度变化
Table 6Variations of drought duration and severity before and after precipitation mutation
SPI时间尺度1957年-1976年1977年-2011年干旱过程/(次·年1)平均干旱历时/月平均干旱强度干旱过程/（次·年1）平均干旱历时/月平均干旱强度1月1.651.211.841.711.131.723月1.151.652.510.942.003.146月0.652.774.330.692.504.0012月0.502.003.680.434.006.48表7降水突变前后流域平均干旱强度和干旱发生频次的重心坐标
Table 7Barycentric coordinates of drought severity
and frequency before and after precipitation mutation
时段平均干旱强度干旱发生频次东经(°)北纬(°)东经(°)北纬(°)1957年-1976年113.60836.295113.65136.1811977年-2011年113.64836.224113.62436.244从表7可以看出，降水突变前后，流域平均干旱强度重心坐标向东偏移0.041°，向南偏移0.071°，干旱发生频次向西偏移0.026°，向北偏移0.063°，即干旱强度重心坐标向东、向南移动约4.5 km、7.9 km；干旱频次重心向西、向北移动约2.9 km、7.0 km。整体上依据干旱强度和干旱发生频次定义的流域干旱重心在降水突变前后未发生明显的移动，大致位置在山西省长治市平顺县东北部见图7。
图7流域干旱重心及其变化
Fig.7Drought barycenters and their changes
in Zhangwei River Basin
4结论
（1） 根据漳卫河流域近55年降水SPI指数序列，轻度及以上等级干旱的发生频次约为32.7 %，流域季节连旱特征显著，尤其是夏秋连旱和冬春连旱的概率较大，对农业生产影响较大。流域年均干旱影响范围约为流域总面积的301%，干旱影响范围整体上有增加的趋势，近年来经常发生区域性的干旱。
（2） 干旱发生频次总体显著增加，干旱影响范围总体扩大。春旱影响有减少趋势，发生频次和影响范围都有较大程度的减少；夏旱和秋旱影响增大，发生频次和影响范围均显著增大；冬旱的影响变化相对不显著。从干旱强度和历时看，季、年尺度干旱历时和强度均有明显增加趋势，短时间尺度干旱历时、强度变化不显著。
（3） 对比降水突变前后两个时段，流域平均干旱强度和干旱发生频次的重心分别向东南、西北方向有小幅移动，但总体变化不显著。
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Table 7Barycentric coordinates of drought severity
and frequency before and after precipitation mutation
时段平均干旱强度干旱发生频次东经(°)北纬(°)东经(°)北纬(°)1957年-1976年113.60836.295113.65136.1811977年-2011年113.64836.224113.62436.244从表7可以看出，降水突变前后，流域平均干旱强度重心坐标向东偏移0.041°，向南偏移0.071°，干旱发生频次向西偏移0.026°，向北偏移0.063°，即干旱强度重心坐标向东、向南移动约4.5 km、7.9 km；干旱频次重心向西、向北移动约2.9 km、7.0 km。整体上依据干旱强度和干旱发生频次定义的流域干旱重心在降水突变前后未发生明显的移动，大致位置在山西省长治市平顺县东北部见图7。
图7流域干旱重心及其变化
Fig.7Drought barycenters and their changes
in Zhangwei River Basin
4结论
（1） 根据漳卫河流域近55年降水SPI指数序列，轻度及以上等级干旱的发生频次约为32.7 %，流域季节连旱特征显著，尤其是夏秋连旱和冬春连旱的概率较大，对农业生产影响较大。流域年均干旱影响范围约为流域总面积的301%，干旱影响范围整体上有增加的趋势，近年来经常发生区域性的干旱。
（2） 干旱发生频次总体显著增加，干旱影响范围总体扩大。春旱影响有减少趋势，发生频次和影响范围都有较大程度的减少；夏旱和秋旱影响增大，发生频次和影响范围均显著增大；冬旱的影响变化相对不显著。从干旱强度和历时看，季、年尺度干旱历时和强度均有明显增加趋势，短时间尺度干旱历时、强度变化不显著。
（3） 对比降水突变前后两个时段，流域平均干旱强度和干旱发生频次的重心分别向东南、西北方向有小幅移动，但总体变化不显著。
参考文献（References）：
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［9］GB/T 204812006,气象干旱等级［S］.GB/T 204812006,Classification of Meteorological Drought［S］.(in Chinese))
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［13］魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术［M］.北京:气象出版社,2007.(Wei Fengying.Contemporary Climate Statistics Diagnosis and Forecast Technology［M］.Beijing:Meteorological Press,2007.(in Chinese))干旱发生频次的重心坐标
Table 7Barycentric coordinates of drought severity
and frequency before and after precipitation mutation
时段平均干旱强度干旱发生频次东经(°)北纬(°)东经(°)北纬(°)1957年-1976年113.60836.295113.65136.1811977年-2011年113.64836.224113.62436.244从表7可以看出，降水突变前后，流域平均干旱强度重心坐标向东偏移0.041°，向南偏移0.071°，干旱发生频次向西偏移0.026°，向北偏移0.063°，即干旱强度重心坐标向东、向南移动约4.5 km、7.9 km；干旱频次重心向西、向北移动约2.9 km、7.0 km。整体上依据干旱强度和干旱发生频次定义的流域干旱重心在降水突变前后未发生明显的移动，大致位置在山西省长治市平顺县东北部见图7。
图7流域干旱重心及其变化
Fig.7Drought barycenters and their changes
in Zhangwei River Basin
4结论
（1） 根据漳卫河流域近55年降水SPI指数序列，轻度及以上等级干旱的发生频次约为32.7 %，流域季节连旱特征显著，尤其是夏秋连旱和冬春连旱的概率较大，对农业生产影响较大。流域年均干旱影响范围约为流域总面积的301%，干旱影响范围整体上有增加的趋势，近年来经常发生区域性的干旱。
（2） 干旱发生频次总体显著增加，干旱影响范围总体扩大。春旱影响有减少趋势，发生频次和影响范围都有较大程度的减少；夏旱和秋旱影响增大，发生频次和影响范围均显著增大；冬旱的影响变化相对不显著。从干旱强度和历时看，季、年尺度干旱历时和强度均有明显增加趋势，短时间尺度干旱历时、强度变化不显著。
（3） 对比降水突变前后两个时段，流域平均干旱强度和干旱发生频次的重心分别向东南、西北方向有小幅移动，但总体变化不显著。
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更新时间：2025/3/15 6:25:21