基于改进的综合气象干旱指数的洞庭湖流域干旱时空特征

薛联青张竞楠刘晓群宋佳佳邢宝龙

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.湖南省水利厅,湖南长沙 512000)

基于改进的综合气象干旱指数的洞庭湖流域干旱时空特征

薛联青1,张竞楠1,刘晓群2,宋佳佳1,邢宝龙1

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.湖南省水利厅,湖南长沙 512000)

运用改进的综合气象干旱指数,根据洞庭湖流域19个气象站1961—2009年的实测气象资料,运用小波理论分析洞庭湖流域发生的干旱时间差异,并对洞庭湖流域的干旱特征进行空间格局分析。结果表明:从时间格局上,洞庭湖流域发生90%以上范围的干旱周期四季依次为:春季16a,夏季13 a,秋季9 a,冬季16 a;在空间格局上,洞庭湖流域干旱发生程度整体上是以衡阳、邵阳,芷江、通道以西,石门、南县以北三个地区为中心向其四周递减;从季节尺度来看,整体上秋季干旱最为严重,冬季次之,春季干旱最轻。

综合气象干旱指数;洞庭湖流域;干旱特征;时空格局;小波分析

在全球变暖背景下的气候变化,使得水循环加快,加剧了干旱灾害发生的频率[1]。干旱指数是监测、预警、评估干旱的关键参数,能够标记干旱发生的起始时间、烈度等,在一定程度上反映出干旱发生的机理。但是,由于干旱指数存在强度定界不统一、忽略或是夸大了个别干旱影响因子的作用等问题[2-5],2006年国家颁布实施的《气象干旱等级》[6]中引入了综合气象干旱指数(CI)。CI综合了SPI和M两类干旱指标的优点,计算稳定、适用性强,同时能够监测季节性、区域性干旱[4]。但是在实际应用中CI却存在着“不合理旱情加剧”的现象。CI计算采用的是降雨等权重累计值之和,所以当有较大降雨移入或移出累计降雨时段时, CI会产生较大的波动。为此国家气候中心于2010年对CI指数进行了改进,提出改进的综合气象干旱指数INCC,并进行了实际应用[7-8]。结果表明INCC较好继承了传统指数CI的优点,能有效克服原干旱指数的不合理旱情加剧等缺点,而且相较原干旱指数具有更好的敏感性。基于INCC的诸多优点[9-10],本文采用INCC对洞庭湖流域干旱特征进行分析研究,以期对开展干旱预报、预警业务及指导抗旱减灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 流域概况与资料处理

洞庭湖流域水系发达,湘、资、沅、澧4水分别从东、南、西3面注入洞庭湖,长江的松滋、藕池、虎渡、太平4口由北向南注入洞庭湖,入湖水量经湖泊调蓄后于岳阳市七里山汇入长江,形成了以洞庭湖为中心的辐射状水系。研究流域介于北纬24°00′～30°30′、东经107°40′～114°25′之间,属于典型的亚热带季风气候区,冬夏季风交替;降水年际变化大、分布不均匀,干旱灾害发生频率高。本文选定1961—2009年洞庭湖地区的19个地面气象观测台站的逐日降水量、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、风速、相对湿度等气象要素的实测资料进行分析研究。洞庭湖流域气象站点分布见图1。

图1 洞庭湖流域气象站点分布Fig.1 Generalization of meteorological stations in Dongting Lake watershed

表1 综合气象干旱等级划分Table1 Grade division of meteorological drought composite index

1.2 研究方法

1.2.1 改进的综合气象干旱指数

为修正CI中的诸多不合理因素,国家气候中心[7]提出了改进的综合气象干旱指数INCC。降水量按线性递减权重方法计算,从而使得随着时间的向前推移,过去的降水对当前的干旱缓解作用减小。经分析,INCC与CI具有相同的统计分布特性,故INCC仍采用原综合气象干旱等级(表1)。INCC计算式如下:

式中:Z30、Z90——近30d和近90d的标准化降水指数;M30——近30 d相对湿润度指数;κ——近30 d标准降水系数,由轻旱以上级别Z30的平均值除以历史出现最小Z30值而得;λ——近90 d标准降水系数,由轻旱以上级别Z90的平均值除以历史出现最小Z90值而得;μ——近30 d标准降水系数,由轻旱以上级别Z90的平均值除以历史出现最小Z90值而得。

根据GB/T 20481—2006《气象干旱等级》[6],将由资料序列计算出的INCC值在年、季度尺度下进行统计,确定干旱发生与否以及干旱发生的时间段。为探究不同干旱等级下空间上的差异特性,现以不同等级下的干旱日数作为相应干旱等级的影响指标,对各计算序列严格按照表1中划分INCC值等级的方法进行统计,在时间上进行平均。由此,所确立的干旱频率计算方法如下:

式中:P——干旱频率;n——实际有干旱事件发生的年数;N——资料年序列数。

干旱覆盖范围为S,计算式如下:

式中:m——每年有干旱事件发生的站点数;M——研究流域总站点数,本文M=19。

1.2.2 小波分析

采用复Morlet小波对流域干旱序列进行小波分析。复Morlet小波的连续小波变换[11-12]为

式中:Wf(a,b)——小波变换系数,该系数表示该部分信号与小波的近似程度;a——尺度伸缩因子;b——时间平移因子;t——时间;fb——带宽;fc——中心频率;f(t)——某信号的时间序列;φ(t)——基小波函数; ¯φ(t)——φ(t)的复共轭函数。

将时间域上关于a的所有小波变换系数的平方进行平均,即为小波方差Va:

总体小波功率谱表征不同尺度a对应的能量密度,它反映了波动的能量随尺度的分布。通过小波方差图,可以确定一个序列的主要时间尺度或者主周期。根据Torrence等[13]导出的关系,Morlet小波变换尺度伸缩因子a与周期T具有的关系为T≈1.033a。

小波方差是否显著,用红噪声或者白噪声标准谱进行检验[14-15]。具体检验过程可参见文献[13-16]。

2 干旱覆盖范围时间演变过程分析

图2 洞庭湖流域年、季干旱覆盖范围时间演变Fig.2 Temporal evolution chart of drought coverage areas for annual and seasonal droughts in Dongting Lake watershed

图2为洞庭湖流域年、季度干旱覆盖范围时间演变图,为较准确地描述其时间特性,采用小波理论进行辅助分析。由于小波分析主要是辅助分析干旱范围随时间的变化特性,这里仅列出年干旱覆盖范围的小波分析图(图3、图4),其季度的覆盖范围仍采用小波分析。小波方差图可以确定一个序列的主要尺度周期,根据近49a干旱范围序列小波方差图(图3)可以看出,洞庭湖流域存在年际尺度周期有2.68a、4.13a、6.96 a、21.44a,其中,4.13a为主周期(未通过置信水平为0.1的检验)。小波变换的时频变化图能够反映出年干旱范围的时间尺度变化、位相结构,图4给出了年干旱覆盖范围Morlet小波变换系数的实部的时频分布,图中正值(实线)表示干旱范围时间上偏多;负值(虚线)表示干旱范围时间上偏少。由图4可知,以4 a左右为中心的2～5 a的周期在1985—2008年表现突出;以2.6 a左右为中心的1～3 a的周期在1975年以前表现突出;以7a为中心的5～10a的周期在1986年以前表现突出,而在1986年之后则逐渐变为8～12a的周期;而以21.44 a为中心的15～27 a的周期贯穿始终。另外,由图2(a)可看出,洞庭湖流域年干旱覆盖范围呈波动变化趋势,这49a中,呈13峰13谷的波动,20世纪六七十年代干旱覆盖范围较广,80年代干旱趋势有所减少,90年代、21世纪初干旱范围又有所增加。其中干旱覆盖面积达到90%以上的有7 a,干旱较严重。图2(b)(c)(d)(e)为季节干旱覆盖范围百分比。春季2.92 a、10.72 a、25.49 a的周期表现明显,其中2.92 a为主周期(通过了置信水平为0.05的检验);周期表现程度上,20世纪六七十年代周期趋势明显,1977—1984年、1990—1996年周期较弱;历年来仅1999年干旱覆盖面积百分比超过90%。夏季3.19 a、9.01 a和21.44 a的周期表现明显,其中主周期为3.19 a(通过了置信水平为0.1的显著性检验);周期表现程度上, 1966—1972年干旱周期变化较弱;干旱覆盖范围较春季稍偏多,20世纪六七十年代干旱烈度较大,21世纪初期虽干旱出现较频繁,但是干旱覆盖百分比几乎均小于80%。秋季干旱明显偏多,90%以上的干旱覆盖百分比在20世纪六七十年代及90年代平均4～5a出现1次,而进入21世纪后,则几乎每隔2a就发生1次。2003—2005年则出现连续3 a干旱范围百分比超过90%。其中,干旱面积比达100%就有9 a。干旱主周期为5.84 a(已通过置信水平为0.05的显著性检验),其次为2.68 a。冬季干旱波动剧烈,大面积干旱循环出现。全年干旱覆盖百分比为100%的年份有10 a,干旱覆盖面积比为0的有7 a。20世纪六七十年代,干旱周期为2 a。1992—2003年干旱波动剧烈,“大范围干旱”和“无旱”以3 a为周期交替出现。整体上,2.25 a周期变化显著(通过置信水平为0.05的显著性检验),其次为10.72 a变化周期。

图3 小波方差Fig.3 Curves of wavelet variance

图4 年干旱覆盖范围Morlet小波变换系数等值线Fig.4 Morlet wavelet transform coefficients of coverage area for annual droughts

从计算流域内50%以上台站发生轻度以上干旱等级的年份来看,季节连旱现象较明显。发生三季连旱的共有12a,其中春夏秋连旱的有5a,夏秋冬连旱的有7a;发生4季连旱的有4a,其中2007—2008年连续干旱。而从计算流域内90%以上台站发生轻度以上等级干旱的年份来看,洞庭湖地区秋、冬季发生大范围干旱年份较多。秋季大范围干旱主要出现在1985年以后,尤其2004年以来干旱次数明显偏多。冬季大范围干旱则主要出现在2002年以前。

3 干旱发生频率和日数的空间分布

3.1 干旱发生频率空间分析

由洞庭湖流域年干旱发生频率分布(图5(a))可以看出,洞庭湖流域干旱发生频率在空间上有较明显的差异。洞庭湖流域的东北部(石门、南县以北)、中部偏南(邵阳、零陵、郴州一带)发生干旱频率较高,有的地区甚至达到80%;其次是洞庭湖流域的西部(芷江地区),其干旱发生频率超过70%。这与左利芳等[17]的研究完全吻合:芷江一带因山多溪多,范围较小,旱情并不严重。而南岳的东南部则干旱发生频率最低,一般都保持在20%～30%左右。其他地区基本保持在40%～60%之间。

由图5(b)(c)(d)(e)可见四季的干旱发生频率与年尺度的干旱频率有些差异,但是南岳衡阳东南部地区的低旱趋势却贯穿四季。整体上看,干旱发生强度有强到弱依次为:秋季、冬季、夏季、春季。四季干旱范围有较明显的季节波动,冬季和春季空间变化较小,干旱的高发区一般都集中在洞庭湖流域的北部,干旱范围由冬季到夏季有减少的趋势。夏季干旱范围则转移到了双峰、岳阳、衡阳以及零陵的交界地区,干旱发生频率以双峰发生最高,达到了73%。流域北部干旱减弱,干旱整体上向南移动。秋季干旱范围向西南方向移动。干旱缩小到了衡阳附近,在衡阳西南部高值达到80%,干旱频率向四周急剧下降,达到邵阳时干旱频率已经降为50%。在芷江、通道、吉首一带的西部地区干旱频率出现高值区80%,其干旱频率的强度表现为由边界向芷江一带减缓的趋势。冬季,以南县、桑植、吉首、芷江为界,北方表现为干旱的多发区,流域的中部大部分地区干旱频率集中在50%～60%。春季则整个流域干旱发生频率都普遍低于50%,可见春季干旱发生频率最小。

图5 洞庭湖流域年、季节干旱发生频率(%)Fig.5 Occurrence frequencies of annual and seasonal droughts in Dongting Lake watershed(%)

3.2 不同强度干旱发生日数分析

进一步统计分析表明,总体上衡阳、零陵、衡阳一带,通道、芷江以北以及石门、桑植一带,干旱发生日数较多,南岳以东、平江以南干旱发生日数较少。从年干旱来看,发生“轻旱”等级的日数较多,最大值达到80d,最小值达到40d。整个区域“轻旱”持续日数达70d的仅出现在衡阳附近、流域西部的小部分以及石门北部的小部分,整个区域大部分持续日数为50～70d;“中旱”等级的日数较“轻旱”等级的日数少20～30d;干旱日数从中部向流域南部、西部递减。“重特旱”等级的日数最少,为4～12 d。从各季度干旱来看,各季度除冬季以外衡阳、零陵一带干旱持续时间最长,其中以秋季干旱持续时间最长,为28～31 d。夏秋两季道县及其南部均易发生中旱,其中夏季干旱日数为10～22d,而且整个流域上其波动较大,最大、最小日数之差为12d。另外,整个流域上“重特旱”持续日数较短,除秋季持续日数达到了6d,其余三季持续日数均未超过4d。

4 结 论

a.时间变化上,年和季度尺度上干旱覆盖范围都存在2～6 a的周期变化,季度尺度上,除秋季主周期为5.84 a以外,其他主周期均分布在2～3 a,并且都通过了置信水平为0.05的假设检验。变化趋势上,2000年以来干旱有加剧的趋势。

b.空间变化上,干旱整体上是以衡阳、邵阳一带,芷江通道一带以西,石门南县以北3个地区为中心向其四周递减。

c.季节变化上,以秋季干旱最为严重,冬季次之,春季干旱最轻。四季干旱范围有较明显的季节波动,冬季和春季空间变化较小,干旱的高发区一般都集中在洞庭湖流域的北部,干旱范围由冬季到夏季有减少的趋势。夏季干旱范围则转移到了双峰、岳阳、衡阳以及零陵的交界地区,干旱发生频率以双峰发生最高;流域北部干旱减弱,干旱整体上向南移动。秋季干旱范围向西南方向移动。冬季北部表现为干旱的多发区。春季干旱发生频率最小。衡阳、零陵、衡阳一带,通道、芷江以北一带以及石门、桑植一带,干旱发生日数较多,南岳以东、平江以南干旱发生日数较少。四季,发生轻旱的日数最多,中旱次之,发生重特旱的日数最少一般最长不会超过6 d。

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Spatial and temporal patterns of droughts in Dongting Lake watershed based on improved meteorological drought composite index

XUE Lianqing1,ZHANG Jingnan1,LIU Xiaoqun2,SONG Jiajia1,XING Baolong1
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China; 2.Department of Water Resources of Hunan Province,Changsha 512000,China)

Based on the improved meteorological drought composite index and measured meteorological data from 19 meteorological stations in the watershed during the period from 1961 to 2009,the time difference of the drought development in the watershed was analyzed through wavelet analysis,and the spatial pattern of the drought characteristics were analyzed.The results show that the primary cycles of drought that occurred in more than 90% of the coverage area in the watershed were 16 years in the spring,13 years in the summer,nine years in the autumn,and 16 years in the winter;at the spatial scale,the most severe droughts occurred in the Hengyang-Shaoyang region,the western part of the Zhijiang-Tongdao region,and the northern part of the Shimen-Nanxian region,and the degree of drought decreased in the surrounding regions;and at the seasonal scale,the most severe droughts occurred in the autumn on the whole,followed by the winter,with the most slight droughts occurring in the spring.

meteorological drought composite index;Dongting Lake watershed;drought characteristics;spatial and temporal patterns;wavelet analysis

P338+.6

:A

:1000-1980(2014)01-0001-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.01.001

2013-07 03

国家自然科学基金(41371052,U1203282);水利部公益项目(201001066)

薛联青(1973—),女,新疆石河子人,教授,博士,主要从事环境水文及水环境保护研究。E-mail:lqxue@hhu.edu.cn