气候变化背景下海河流域干旱特征及趋势

于 磊，杨井泉，徐丽梅，胡广鑫，胡 红，张 涛，高明杰，李子轩

1.水利部海河水利委员会，天津 300170

2.天津市龙网科技发展有限公司，天津 300181

0 引言

干旱是对人类社会影响最严重的气候灾害之一［1］，也是气象学和灾害科学领域研究的热点［2］。它已经成为全球范围内影响面最广、造成经济损失最大、危害最严重的自然灾害类型。特殊的自然地理和气候条件，决定了我国是一个干旱灾害频发的国家。根据全国自然灾害损失①水利部海河水利委员会.海河流域水旱灾害.天津：水利部海河水利委员会，2009.统计，气象灾害损失占全部自然灾害损失的61%，而旱灾损失占气象灾害损失的55%。据历史旱灾资料统计：自公元前206年至公元1949年的2 155年中，我国共发生旱灾1 056次，平均每两年就发生一次；历史重旱和极旱时有发生，加之抗旱减灾手段缺乏，旱灾常常导致严重后果，甚至引发社会动荡。干旱指数法是目前进行干旱辨识、监测和干旱强度划分的主要方法。Livada和 Assimakopoulos［3］利用标准化降水指数SPI分析了希腊干旱发生的时空变化。袁文平等［4］和陈莹等［5］通过对比SPI指数法和Z指数方法，认为SPI指数法具有更加优越的计算稳定特性，对极端干湿气候事件有着良好的监测作用，可用于不同时间尺度的干旱监测。邓振镛等［6］通过分析中国北方50a来的降水资料，发现干旱气候变化的主要特征表现在20世纪90年代夏季降水量有明显的减少趋势，干旱化趋势主要发生在北方，主要包括河北、山西、山东和西北地区东部。姚玉璧等［7］通过修正计算帕默尔干旱指数，对我国春季区域的干旱特征进行了研究，发现中国干旱变化全区一致性程度比较低，但是干旱演变的区域差别很大，并且存在着内蒙古高原等为代表的12个干旱特征区。王志伟等［8］采用Z指数法分析了近半个世纪的逐月降水资料，也发现我国北方主要农业区不同程度的干旱面积均有扩大趋势。陈社明等［9］采用标准化降水指数并引入多标度分形理论，对吉林西部的气象干旱特征进行了研究。

笔者采用Mann－Kendall非参数检验方法分析了海河流域气温、降水等气候因素的变化规律，并采用Z指数方法将各地的旱涝情况分成7个等级，深入研究了不同等级干旱发生的时间、频率和覆盖范围，以期为进一步推动海河流域形成完善的供水保障体系、提高抗旱能力、建设高效的抗旱减灾体系提供科学依据。

1 研究区概况

海河流域位于东经112°—120°，北纬35°—43°，东临渤海，南界黄河，西靠云中、太岳山，北依内蒙古高原。流域总面积32.0万km2，占全国总面积的3.3%。海河流域地跨京、津、冀、晋、鲁、豫、内蒙古、辽8个省（自治区、直辖市），是我国政治文化中心和经济发达地区，具有重要的战略地位。2007年流域总人口1.37亿，GDP约3.56万亿元，占全国的12.9%，人均达到2.6万元，是全国平均水平的1.25倍［10］。海河流域干旱灾害频繁，波及范围广，对社会经济发展的破坏性甚大。整个流域都遭到干旱的威胁，旱灾平均2.5a发生一次，历史上有“十年九旱”之称。根据史料记载，在1469—1948年间，海河流域共发生不同程度的旱灾192次，其中特大旱灾发生11次，大旱灾发生了94次，发生频率达到了19.6%，给人民生活和生产造成了巨大的损失。建国以来到1990年为止，海河流域发生大旱灾5次，一般旱灾14次［11］。近年接踵而来的河南大旱等灾害越来越引起政府的重视。然而，海河流域水资源极度缺乏，水资源供需矛盾十分突出，多年平均水资源总量370亿m3，仅占全国的1.3%，却承担着全国10.4%的人口、11.6%的粮食生产以及12.9%的GDP用水，是全国水资源最紧缺的地区之一。水资源短缺已经成为21世纪海河流域经济社会发展的制约因素。

2 资料和方法

2.1 基础资料

气象数据主要来源于国家基本气象站70个站点的日数据，气象要素包括降水、平均气温、最高气温、最低气温和相对湿度。序列长度为1956—2010年；水文数据主要来源于《海河流域水资源综合规划》①水利部海河水利委员会.海河流域水资源综合规划.天津：水利部海河水利委员会，2010.的成果，径流数据为1960—2000年的逐日数据。

2.2 研究方法

为了深入分析海河流域的气候变化背景和干旱特征，笔者采用了Mann－Kendall非参数检验法（以下简称M－K趋势检验）对海河流域的降水、气温、径流等多种气象、水文要素分别进行了分析，并采用Z指数法对海河流域的干旱特征进行了研究。具体方法请参考文献［8］。

2.2.1 Mann－Kendall非参数检验法

Mann－Kendall非参数检验方法常用于水质、径流量、温度、降水等水文气象时间序列变化趋势的显著性检验［12－13］，主要是通过计算统计量τ、方差σ2τ和标准化变量M来判断序列趋势是否显著。计算公式如下：

其中：

式中：S为序列所有对偶观测值（Xi，Xj，i＜j）中Ri＜Rj出现的次数；N为序列长度。本文取α＝0.05的显著水平，如果一时间序列在此置信水平下存在显著变化趋势，则｜M｜＞Mα/2。M值为正，表明具有上升或增加趋势；M值为负，则意味着下降或减少的趋势。

2.2.2 Z指数法

由于不同区域干旱和洪涝构成因素复杂，作为评估旱涝的一种量化标准，旱涝指数多种多样。Z指数方法是目前应用的一种比较成熟的方法之一。Z指数是假设降水量服从皮尔逊III型分布，通过对月降水量标准化处理后，可将其概率密度函数转变为以Z为新变量的标准化正态分布，根据计算得到的Z指数进行分级判断，就可以确定干旱和洪涝的等级［8］。以下就此做简要说明。

某一时段的降水量皮尔逊III型概率分布密度为

其中：

式中：μ1为平均值为标准差，为偏态系数，Sk＝

将上述皮尔逊Ⅲ型分布转变为Z变量的标准化正态分布，其转换公式为

则有

把Z值划分为7个旱涝等级，见表1。

表1 旱涝等级划分表Table 1 Grades table of drought and flood

3 气候变化背景

3.1 气温

近60年来，海河流域平均气温为8.8℃。近年上升趋势明显，尤其是1985年以后。1985年以前平均气温为8.3℃，之后则升至9.3℃，上升了1.0℃。其中1969年平均气温最低，只有7.4℃，1998年达到最高值10.2℃。海河流域年平均气温时间序列见图1。

图1 海河流域年平均气温时间序列Fig.1 Annual average temperature time series of Haihe River basin

对近60年来的气温时间序列进行M－K趋势检验分析（图2）发现：海河流域年平均气温，除南部地区的长治存在下降趋势之外，其他站点全部为上升趋势，并且绝大部分站点的上升趋势显著。其中：泊头和五台山2个地区气温升高最快（图3），平均气温最大上升幅度达0.09℃/10a；其次是密云，升温幅度也高达0.06℃/10a。

通过计算最高气温和最低气温之间的差值，并做趋势分析（图4）发现，除去承德、天津、榆社和长治等部分站点存在显著上升趋势以外，大部分站点的温差都存在显著下降的趋势，这说明海河流域大部分地区温差正在逐年减小，这也符合目前国际上对海河流域正在向暖干化方向发展的研究结论。

3.2 降水

海河流域多年平均降水量530mm，1975年以后降水量有下降趋势，海河流域年均降水量时间序列见图5：1956—1979 年均降水量 564.2mm；1971—2000年均降水量517.2mm；1981—2000年均降水量只有501.3mm。海河流域1956—2000年降水量特征值见表2。年内降水主要集中在夏季，6—8月平均降水量之和高达313.0mm，占年降水总量的59%；年内最大月降水量（7月份高达140.0mm）是最小月降水量（1月份为2.0mm）的70倍。分析汛期降雨变化（表3）发现，流域内共有48个站点降水量存在下降趋势，其中33个站点下降趋势显著，达到总站点数的47.14%，即有接近一半的站点年降水量存在显著下降的趋势。其余22个站点降水量存在上升趋势，但并不显著。这说明海河流域的干旱形势在逐年加剧。

图2 海河流域年平均气温M－K趋势检验结果Fig.2 M－K trend test of annual average temperature of Haihe River basin

图3 海河流域平均气温变化率等值线图Fig.3 Average temperature gradient contour map

图4 海河流域温差变化趋势图（M－K检验结果）Fig.4 Temperature changing trend diagram（M－K test）

采用M－K检验进行趋势显著性检验（图6）发现：海河流域的周边站点的年降水量都呈上升趋势，大同上升趋势显著；中心地区除密云以外，都呈下降趋势，其中五台山、饶阳、陵县、泊头、遵化和丰宁等下降趋势显著。流域范围内形成了多个降水量骤变中心：五台山的降水量下降幅度最大，高达3.3 mm/10a，遵化为2.7mm/10a，丰宁和饶阳均为2.4mm/10a；大同地区上升显著，幅度为1.8mm/10a。

图5 海河流域年平均降水量时间序列图Fig.5 Average annual rainfall time series of Haihe River basin

图6 海河流域年降水量变化趋势空间分布图（M－K检验结果）Flg.6 Spatial distribution of precipitation change trend（M－K test）

表2 海河流域1956—2000年降水量特征值Table 2 Precipitation characteristic value during 1956－2000of Haihe River basin

表3 海河流域汛期（6—8月）降水量M－K检验结果分析Table 3 M－K test results of precipitation in flood season（June－August）

4 干旱特征及趋势分析

4.1 水文变化趋势

在1956—2000年期间，海河流域年均径流量呈逐年下降的趋势：1956—1965年平均径流量94.1 mm；1966—1981年平均径流量只有65.6mm，与1956—1965年相比，平均径流量减少了30.2%；1982—2000年平均径流量下降到55.1mm，只有1956—1965年平均值的58.5%。海河流域1956—2000年天然径流量序列见图7。

图7 海河流域1956—2000年天然径流量序列图Flg.7 Natural runoff series during 1956to 2000of Haihe River basin

对4个水资源二级区年平均径流量进行M－K趋势显著性检验发现，海河北系、海河南系、滦河及冀东沿海、徒骇马颊河4个二级区径流量的M－K检验值分别为－1.41、－2.47、－1.40、0.00。因此，海河北系、海河南系、滦河及冀东沿海3个二级区天然径流量呈现下降趋势，平均每10a分别下降4.4、7.0、6.4mm，其中海河南系径流下降趋势显著。因此，径流量的减少也进一步说明海河流域的干旱形势正在加剧。海河流域1956—2000年径流量特征值见表4。

4.2 干燥度变化

干燥度是表征气候干旱程度的指标，反映了某地、某时段水分的收入和支出状况。干燥度越大，蒸发能力超过降水量越多，干旱程度就越严重［14］。通过计算1982—2006年干燥度（图8）（其中潜在蒸散采用国际粮农组织（FAO）推荐的彭曼公式［14］计算得到）发现，海河流域干燥度多为1～3，并存在缓慢的上升趋势。因此海河流域属于半干旱半湿润气候区，依据其上升趋势判断，海河流域正向更加干旱的方向发展。

图8 海河流域1982—2006年干燥度的变化Flg.8 Drought index change trend during 1982to 2006

4.3 旱情分析

4.3.1 旱情特征分析

为了研究近60年来海河流域旱情旱灾的时间变化趋势，将海河流域进行空间网格化，其中每个网格大小为8km×8km，采用Z指数的方法，分别计算每个点的Z指数值，并按照旱涝等级划分表把海河流域各地的旱涝情况分成7个等级。

统计每年不同干旱等级发生的网格数，计算得出海河流域每年发生不同等级干旱的面积覆盖率（图9）。全部干旱面积覆盖率超过75%的年份共有12个：1965、1972、2001、1989、1997、2002、1999、1960、1981、2006、1968、1980年（按照覆盖率从大到小排序）。虽然干旱的覆盖面积并不等同于干旱的严重程度，但从另一个角度讲，覆盖面积范围广的干旱造成的损失量一般也相对较大。干旱面积覆盖率达到30%的年份有：1992、1982、2007、1957、2000、1986、2005、2009年。1980年以前，干旱面积覆盖率高的只有1957、1960、1965、1968和1972年；1980年以后，干旱面积覆盖率高的年份明显增多。因此，20世纪80年代以后，干旱的面积覆盖率呈增加趋势，即干旱灾害影响的区域扩大化。

表4 海河流域1956—2000年径流量特征值Table 4 Runoff characteristic value during 1956－2000

图9 1956—2010年海河流域全部（a）、轻度（b）、一般（c）、严重（d）干旱面积覆盖率Flg.9 Area coverage of whole（a），mild（b），general（c），serious（d）drought during 1956－2000

分别统计轻度干旱、一般干旱和严重干旱发生面积的覆盖率，可以看出：轻度干旱除1960年覆盖率高达86%以外，覆盖率一般低于50%，1980年以前的覆盖率更低，1980年以后覆盖率明显增加，偏旱发生次数也明显增加；一般干旱中有3年的覆盖率比较高，分别是1972（98%）、1989（58%）和2001（80%）年，其他年份一般低于40%，同样以1980年作为临界点，前后2个时期的发生次数和覆盖面积有明显差别；严重干旱共发生了约10次，其中2次发生在1980年以前，8次发生在1980年以后，1965年覆盖面积最大，达到50%，另外1997、1999和2002年干旱的覆盖率也多在40%左右，同样，1980年以后发生严重干旱的次数明显增多。

因此，可以判断1980年是发生干旱现象的一个临界点。无论是从发生次数还是覆盖面积上，1980年以后要明显大于1980年以前。这与全球变暖以及1980年后我国工业大规模增长、用水量增加、下垫面条件改变和人类活动增强有一定的关系。

4.3.2 干旱发生频次空间分布

通过计算每个网格多年来不同等级干旱发生的次数，分别统计轻度干旱、一般干旱、严重干旱和全部干旱发生的频次（图10）：1956—2010年期间轻度干旱次数在6次以下的，多发生在保定、饶阳、石家庄、泊头等地区，滦河流域轻度干旱频次多在7次以上，部分地区超过10次；一般干旱频次在7次以上地区主要分布在蔚县—保定—饶阳以东，以西地区频次较低；发生严重干旱的地区频次一般在3次以下，只有石家庄、邢台和南宫等地区在4～6次。综上所述可以看出，海河流域干旱发生频次主要分成3个部分：东北部滦河流域次数最高，为18～20次；西部大同、原平、石家庄、榆社、新乡等地次数少于14次；其他的中间地区次数多为11～14次。

图10 海河流域干旱发生频次空间分布图Flg.10 Space distribution of drought frequency

从整体上分析，海河流域发生轻度和一般干旱的高频地区多分布在滦河流域以及北部山区，中部平原地区干旱爆发频率相对较低，重大干旱事件则在中南部平原地区发生频率更高。综合全部干旱事件可以看出，滦河流域为干旱频发区，其次为海河流域东部地区，西部地区则频率相对较低。

5 结论

1）近60年来，海河流域多年平均气温为8.8℃，1985年以后上升趋势显著，最大上升幅度达0.09℃/10a。大部分站点的温差都存在显著下降的趋势，这说明海河流域大部分地区温差正在逐年减小。

2）降水的时空分布极不均匀，具有明显的季节性和年际差异。年内降水主要集中在夏季，6—8月平均降水量之和高达313.0mm，占年降水总量的59%。全流域有超过68.57%的站点汛期降水量存在下降趋势，其中47.14%的站点下降趋势显著。因此海河流域的干旱形势在逐年加剧。

3）在1956—2000期间，海河流域年均径流量67.5mm，并呈逐年下降的趋势，海河南系下降趋势显著。1956—1965年平均径流量94.1mm，1966—1981年平均径流量减少了30.2%；1982—2000年平均径流量下降到55.1mm，只有1956—1965年平均值的58.5%。

4）1980 年是发生干旱现象的一个分水岭，无论是从发生次数还是覆盖面积上，1980年以后要明显大于1980年以前。在干旱发生频率上：海河流域发生轻度和一般干旱的高频地区多分布在滦河流域以及北部山区，中部平原地区干旱爆发频率相对较低，重大干旱事件则在中南部平原地区发生频率更高。综合全部干旱事件，滦河流域为干旱频发区，其次为海河流域东部地区，西部地区则频率相对较低。

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