近60年叶尔羌河流域干旱演变特征分析※

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆 库尔勒 841000)

近60年叶尔羌河流域干旱演变特征分析※

周粤

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆 库尔勒 841000)

旱涝灾害是制约叶尔羌河流域经济发展的重要因素，为预测研究区旱涝灾害变化趋势，本文选取1951—2015年叶尔羌河流域4个气象站的逐月降水量数据，利用标准化降水指数和小波分析方法，分析近60年来研究区旱涝演变特征。结果表明：该区旱涝事件发生频率高，不同时间尺度旱涝事件发生的平均频率为42.6%；在年代际尺度上，20世纪70年代干旱事件发生的频率最高，为25.2%；其次是2001—2015年，频率为22.7%，90年代洪涝事件发生的频率最高，为31%；研究区旱涝变化有4个特征时间尺度，分别为4年、10年、25年和31年，预测未来几年降水仍然偏多。

气象干旱；降水；标准化降水指数；小波分析；叶尔羌河流域

1 引 言

IPCC第五次评估报告指出，气候系统变暖是毋庸置疑的事实[1]。气候变暖不仅直接影响温度极值波动，而且已经导致高温、干旱和暴雨洪涝等极端气候事件发生频率增高、强度加大，尤其是在气候变化响应的敏感区和脆弱区[2-3]。近几年来许多学者开展了很多具有区域特色的旱涝事件研究，并取得了一定成果[4]。

叶尔羌河流域位于新疆南部，该地区降水稀少，蒸发强烈，生态环境较为脆弱，“绿洲经济，灌溉农业”是其显著特点，干旱是绿洲灌溉农业最大的威胁。已有文献鲜有报道基于气象干旱指数的该流域干旱演化特征研究。鉴于此，本文在前人研究基础上，基于近60年来叶尔羌河流域4个气象站逐月降水数据，利用标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)，从时间尺度上，系统分析该地区旱涝变化特征。这对于较准确地把握叶尔羌河流域旱涝出现规律、转换机制以及指导众多水库科学调度，缓解发电、灌溉与防汛间的矛盾具有重要的学术价值和实际意义。

2 研究方法

2.1 标准化降水指数(SPI)

降水量分布一般是一种偏态分布，所以在进行降水分析和干旱监测、评估中，采用Г分布概率来描述降水量的变化。标准化降水指数SPI是在计算某时段降水量的Г分布概率后，再进行正态标准化处理，最终用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级[5]。具体计算步骤为：假设某一时段的降水量为随机变量x，则其Г分布的概率密度函数g(x)为

(1)

式中α和β——形状参数和尺度参数，α>0，β>0；

x—— 降水量；

Γ(α) —— gamma函数。

采用极大似然估计方法求解α、β。确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量x0，对g(x)从0至x0进行数值积分可以计算出随机变量x小于x0概率的近似估计值。由于Gamma方程不包含x=0的情况，所以降水量为0时的事件概率G由下式估计：

G(x=0)=m/n

式中m—— 降水量为0的样本数；

n—— 为总样本数。

对Г分布概率进行正态标准化处理，将求得的概率值代入标准化正态分布函数即：

(2)

近似求解得到Z值，即为SPI值。

SPI是Mc Kee等提出来的，是一种功能强大、应用灵活、计算简单的指数，能很好地反映干旱的强度和持续时间，是一种非常有价值的干旱强度评估指数，优于Z指数，目前已广泛运用于各国的气象旱涝检测。本文利用SPI分析叶尔羌河流域的旱涝变化特征，并分别计算1、3、6、12个月的SPI，其中SPI1表示1个月的SPI值，以反映短时间的降水状况，比较接近土壤湿度；SPI3表示3个月的SPI值，以反映短期气象干旱的特征，即降水季节性的变化；SPI6表示6个月的SPI值，反映中长时期的降水状况；SPI12表示12个月的SPI值，以此指数来反映长时间降水的演变特征。旱涝类型根据SPI值划分为9个等级[6]。

2.2 降水量距平百分率

降水量距平百分率(precipitation abnormity percentage，Pa)反映了某一时段降水与同期平均状态的偏离程度，其计算公式如下：

(3)

式中P—— 某时段降水量，mm；

3 结果与分析

3.1 不同时间尺度下SPI的变化特征

由图1(a)可以看出叶尔羌河流域SPI1在0线上下波动频繁，这是由于SPI1反映的是短时间降水状况，没有考虑前期降水的影响，降水时间的持续性弱，受短时间降水影响大，所以SPI1变化大。1951—2015年间有2.2%的月份属于严重或极端旱涝月份，而这些极端和严重干旱月份78.6%是出现在秋冬季节。由此表明，秋冬季节易出现短时期的干旱事件。

由图1(b)可以看出SPI3呈震荡波动状态，旱涝交替频繁。近60年间，2.6%属于严重或极端旱涝事件，典型的季节性严重和极端干旱事件的年份为2011年、1979年和1999年，典型的严重和极端洪涝事件的年份为1954年、1993年、1997年和2002年，这与叶尔羌河流域旱涝发生的实际情况基本一致。由此认为，根据长时间序列逐月降水量数据计算得出的SPI3能较好地反映研究区实际情况。

由图1(c)可以看出叶尔羌河流域SPI6，近60年，1.6%属于严重或极端旱涝事件，相比SPI3其频率稍有降低，但旱涝持续时间明显延长。由此表明，随着SPI时间尺度的增长，旱涝的等级会发生变化，且旱涝的开始时间与终止时间会相应地延后，这意味着时间尺度越长，越能充分反映前期降水对旱涝的累积影响。

由图1(d)可以看出对于SPI12而言，研究区近60年的旱涝变化过程大致分为5个阶段：1951—1955年相对湿润，干旱事件出现频率低；1956—1970年旱涝程度均不大，但干旱程度略高于洪涝；1971—1990年旱涝交替出现，旱涝程度较前一阶段大；1991—2003年为湿润期，洪涝事件发生频率高；2003年后又由洪涝向干旱转变，且干旱事件发生频率较高。长时间连续的洪涝或干旱事件是制约农业发展的重要因素，连续8个月及以上洪涝事件大约每个年代分别出现一次(除90年代出现2次)，维持时间最长的是1969年8月—1971年3月，长达20个月。20世纪60和80年代各出现1次连续8个月及以上干旱，70年代出现2次，而近十几年来出现4次，这表明干旱事件有明显增加的趋势。

图1 1951—2015年叶尔羌河流域不同时间尺度旱涝变化特征

根据不同时间尺度的SPI，叶尔羌河流域旱涝事件出现的频率较高，不同时间尺度旱涝事件发生的平均频率为42.6%，其中极端和严重旱涝事件发生的频率较低，为1.8%，轻微旱涝事件发生的频率最高，为31.9%。

3.2 不同等级旱涝频次的年代际变化

该流域不同年代极端旱涝事件发生频率最低，其频率平均值仅为0.5%；正常的频率最高，为55.3%；其次是轻微旱涝事件，为33.4%。其中20世纪90年代降水最多，该年代发生了2次特大洪水，分别是1996年和1998年，洪涝事件发生的频率高达30%；严重干旱事件发生的频率最高，为4.2%，该年代旱涝事件发生的频率最高，为52.5%。其次是60年代，降水也偏多，轻微洪涝事件发生的频率最高，为23.3%。2001—2015年，降水最少，极端干旱事件发生的频率最高，为1.2%，干旱事件发生的频率为23%。其次是70年代，干旱事件发生的频率最高，为25.8%。不同年代洪涝事件发生的频率的变化大于干旱事件。

3.3 旱涝周期变化

将1951—2015年的SPI进行Morlet小波分析，以揭示叶尔羌河流域近60年来旱涝的周期变化规律。图2(a)的红色(蓝色)渲染表示小波系数实部为正数(负数)，表明降水偏多(偏少)，颜色越深，表示旱涝程度越大。图2(b)的小波系数模部平方相当于小波能量谱，数值越大(红色越深)表示波动能量越强、周期越显著。图2(c)的小波方差能反映SPI的波动能量随时间尺度的分布情况，可确定旱涝变化过程中存在的主周期。在图2(b)中有4个能量最聚集的中心，它们代表波动能量变化的特性，这4个中心分别是：①尺度范围在23～31年，波动能量在20世纪90年代后期以来表现最为强烈；②中心尺度为31年，其波动能量较强且贯穿整个时期；③中心尺度为10年，波动能量主要影响的时域是20世纪70和80年代；④中心尺度为4年，波动能量主要影响的时域是20世纪60年代后期至80年代前期以及2001年后。

图2 1951—2015年叶尔羌河流域旱涝变化小波分析

这表明旱涝周期变化的局部化特征明显，即在不同时域，变化周期不完全相同。在图2(c)中有4个比较明显的峰值，分别为4年、10年、25年和31年，说明这4个尺度的主周期在研究区近60年来的旱涝变化中起主要作用，其中最大峰值对应着31年特征时间尺度，表明其周期震荡性最强、周期最显著，为该地区旱涝变化的第一主周期，25年、10年和4年分别为旱涝变化的第二、三和四主周期，这一结果与上述图2(b)的分析结果大抵一致。具体表现在：31年特征时间尺度大概经历了3个旱涝交替期，旱涝变化的平均周期为22年，旱涝中心为1963年、1974年、1985年、1998年、2007年、2015年；在25年特征时间尺度上，大概有4个周期的旱涝交替期，平均变化周期为16年；在10年特征时间尺度上，大约有9个周期的旱涝交替期，平均变化周期为7年；在4年特征时间尺度上，大概有23个周期的旱涝交替期，平均变化周期为3年。无论是哪个时间尺度，2015年后小波系数实部均呈现正值的趋势，这意味着在未来一段时间内研究区降水偏多。

4 结 论

a. 叶尔羌河流域1951—2015年旱涝变化过程大致可以分为5个阶段：1951—1955年相对湿润；1956—1970年，旱涝程度不高；1971—1990年，旱涝交替出现，旱涝程度较前一阶段大；1991—2003年为较湿润；2003年后较干旱，近十几年来干旱事件有明显增加的趋势。

b. 叶尔羌河流域夏季洪涝事件发生的频率最高，冬季干旱事件发生的频率最高，近十几年来，四季的干旱事件普遍增加。20世纪90年代降水最多，不同等级洪涝事件发生的频率都较高，2001—2015年降水最少，极端干旱事件发生的频率最高，70年代降水也偏少，干旱事件发生的频率最高。

c. 叶尔羌河流域旱涝交替变化存在4年、10年、25年和31年这样4个时间尺度，无论是哪个时间尺度，2015年后小波系数实部均呈现正值的趋势，表明在未来一段时间内该地区降水偏多。

[1] 第三次气候变化国家评估报告编写委员会.第三次气候变化国家评估报告[M].北京:科学出版社,2015.

[2] 李双双,杨赛霓,刘宪锋.1960—2013年北京旱涝变化特征及其影响因素分析[J].自然资源学报,2015,30(6)：951-962.

[3] 杨晓静,左德鹏.基于标准化降水指数的云南省近55年旱涝演变特征[J].资源科学,2014,36(3):473-480.

[4] 翟禄新,冯起.基于SPI的西北地区气候干湿变化[J].自然资源学报,2011,26(5)：847-857.

[5] 孙德亮,吴建峰.基于SPI指数的近50年重庆地区干旱时空分布特征[J].水土保持通报,2016,36(4)：197-203.

[6] 史建国,严昌荣.气象干旱指数计算方法研究概述[J].中国农业气象,2007,28(增刊):191-195.

AnalysisondroughtevolutioncharacteristicsofYerqiangRiverbasininthenear60years

ZHOU Yue

(XinjiangTarimRiverBasinXini’erReservoirManagementBereau,Korla841000,China)

The drought and flood disasters are the important factors which restrict the development of Yerqiang river basin. In the paper, the monthly rainfall data of four weather stations in Yerqiang River basin from 1951—2015 were selected in order to predict the change trend of drought and flood disasters in the research area. Standardized precipitation index and wavelet analysis method are utilized for analyzing the drought and flood evolution characteristics in the near 60 years. The results show that the frequency of drought and flood events is high in the area. The average frequency of drought and flood events in different time scales is 42.6%. The frequency of droughts was the highest in the 1970s, namely 25.2% at the annual intergenerational scale. It is followed by 2001—2015, and the frequency is 22.7%. The frequency of flood events was the highest in 1990s, namely 31%. There are four characteristic time scales of drought and flood changes in the study area, respectively 4 years, 10 years, 25 years and 31 years. It is expected that the rainfall is still higher within several years in the future.

meteorological drought; precipitation; standardized precipitation index; wavelet analysis; Yerqiang River basin

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.011.017

水利部公益性行业科研专项经费(课题编号：201501059)资助

TV214

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2096-0131(2017)011-0064-04