人民胜利渠灌区气象因素及干旱特征演变分析

张彦 李平 邹磊 梁志杰 窦明 高芸 齐学斌

摘 要：近年来灌区水资源短缺现象频发，为定量分析人民胜利渠灌区气候变化特征，利用数理统计、Mann-Kendall趋势检验法、气候倾向率和标准化降水蒸散指数（SPEI）等方法，分析了1951—2017年灌区气象因素及干旱特征年、季的演变规律。结果表明：灌区年平均相对湿度、降水量和水面蒸发量均呈现下降趋势，年最低气温、最高气温和平均气温均呈现升高趋势，且在不同年份发生明显突变;冬季平均相对湿度气候倾向率最大为-1.14%/（10 a），最低气温、最高气温和平均气温的气候倾向率均在春季最大（分别为0.52、0.18、0.40 ℃/（10 a）），年降水量的气候倾向率最大（-12.49 mm/（10 a）），夏季蒸发量的气候倾向率最大（-6.91 mm/（10 a））;灌区多年平均干旱发生频率为33.43%，约每3 a就会发生一次干旱，春季、夏季和秋季干旱发生频率分别为56.72%、56.72%和26.87%，而冬季无干旱情况发生。

关键词：气象因素;标准化降水蒸散指数;干旱特征;演变规律;人民胜利渠灌区

中图分类号：P338+.6;TV213.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.011

引用格式：张彦，李平，邹磊，等.人民胜利渠灌区气象因素及干旱特征演变分析[J].人民黄河，2021，43（8）：58-64.

Abstract： In recent years， the shortage of water resources in irrigation area has occurred frequently. In order to quantitatively analyze the climate change characteristics of the Peoples Victory Canal irrigation area， the evolution rules of meteorological factors and drought characteristics of the irrigation area from 1951 to 2017 were analyzed by the mathematical statistics， Mann-Kendall trend test method， climate tendency rate and standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI）. The results show that the annual average relative humidity， precipitation and evaporation of the irrigation area present the decreasing trends， and the annual minimum temperature， maximum temperature and average temperature present the increasing trends， which are obvious mutations in different years. The climate tendency rate of average relative humidity in winter is the highest， which is -1.14%/（10 a）; the climate tendency rates of minimum temperature， maximum temperature and average temperature are the highest in spring， which are 0.52， 0.18 and 0.40 ℃/（10 a） respectively; the climate tendency rate of annual precipitation is the highest， which is -12.49 mm/（10 a）; the maximum climatic tendency rate of summer evaporation is -6.91 mm/（10 a）. The frequency of annual average drought is 33.43% in the Peoples Victory Canal irrigation area， which occurs once every three years; the drought frequencies are 56.72%， 56.72% and 26.87% in spring， summer and autumn， respectively， but there is no drought in winter.

Key words： meteorological factors; standardized precipitation evapotranspiration index; drought characteristics; evolution rule; Peoples Victory Canal irrigation area

隨着全球气候变化和人类活动的影响，灌区水资源情势发生了较大变化，水资源短缺制约了灌区农业高效绿色可持续发展[1-3]。灌区气象条件是影响灌区水资源状况的主要因素，降水减少、气温上升导致灌区水资源量减少，直接影响灌区粮食作物和经济作物的生长，因此开展灌区气象因素及干旱特征分析有利于掌握灌区水资源动态变化特征，可为灌区水资源高效利用和农业生产活动提供相应的决策依据。

关于气象因素变化和干旱特征的研究较多，如王冰等[4]利用综合气象干旱指数和M-K检验分析了河南省引黄灌区不同时段降水量的变化趋势及干旱时空变化特征，刘晓璐等[5]、唐侥等[6]分别利用标准化降水指数和植被指数探讨了河南省气象干旱特征及农业干旱的相关性，张阿龙等[7]探讨了1963—2017年不同高原内陆河流域气温、降水、径流突变与生态演变规律，韩兰英等[8]构建了灾害风险指数-综合损失率评估模型并分析了甘肃省干旱和低温灾害的时空变化特征。为了更加准确高效地分析区域干旱特征，Vicente-Serrano等[9]提出了标准化降水蒸散指数（SPEI），它既结合了帕默尔干旱指数对蒸散的响应，又结合了标准化降水指数空间一致性、多时间尺度的优点;邹磊等[10]、张乐园等[11]和王卫光等[12]分别利用SPEI分析了渭河流域、中亚地区和海河流域的干旱分布特征及变化规律;曹闯等[13]构建了联合干旱指数并分析了黄河流域干旱时空演变特性及历时—烈度联合特征分布规律。本文基于1951—2017年人民胜利渠灌区气象数据，利用数理统计、Mann-Kendall趋势检验法、气候倾向率和SPEI等方法，揭示了该灌区气象因素及其干旱的年、季演变规律，定量分析年、季干旱发生频率，以期为该灌区水资源高效利用、干旱风险评估和灾害防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

人民胜利渠灌区位于河南省黄河北岸，为典型的井渠结合引黄灌区，包括新乡市、安阳市、焦作市的8个县（市、区），总面积为1 486.84 km2[14]。灌区属于暖温带大陆性季风气候区，降水量年内分布不均，年际变化较大，多年平均降水量为578 mm、水面蒸发量为1 048 mm[15]。

本研究所用数据主要为人民胜利渠灌区及附近气象站（封丘、朱付村、官山、辉县、汲县、获嘉、合河、大宾、大车集、新乡）的1951—2017年逐月相对湿度、气温、降水量和蒸发量数据，主要来源于河南省人民胜利渠管理局和中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）。

1.2 研究方法

（1）Mann-Kendall趋势检验（M-K检验）法。M-K检验法是一种基于秩的非参数检验方法，能够检验线性或非线性的趋势，在气象因素趋势分析中得到了广泛应用[16]。标准化检验统计值ZMK表示时间序列数据变化趋势，ZMK>0表示时间序列数据随时间的推移呈增大趋势，ZMK<0表示时间序列数据随时间的推移呈减小趋势。当|ZMK|>Z1-α/2时，拒绝零假设，认为时间序列数据具有显著趋势性。Z1-α/2值由标准正态分布表查得，当取显著性水平α=5%时，其对应的Z1-α/2值为1.96[17]。

（2）气候倾向率。气候倾向率被广泛用于水文气象要素变化趋势分析中，以气象因素的时间序列t为自变量、气象要素趋势估计量y为因变量，构建线性回归方程y=at+b，定义a×10为气候倾向率，a的正负决定气候要素增加或减少的变化趋势，同时利用5 a滑动平均分析法处理气象因素，描述气象因素的长期变化趋势[18]。

（3）标准化降水蒸散指数法。标准化降水蒸散指数（SPEI）是在标准化降水指数（SPI）的基础上，考虑季节和蒸散发作用而提出的气象干旱指标。该方法将降水量与潜在蒸散发量的差值作为水分盈亏代替SPI计算中的降水量，并考虑地表蒸散对干旱的影响，进而对全球气温上升导致的干旱化反应更加敏感，其计算步骤参照文献[9，11]。本文选择同时考虑降水量和平均气温的SPEI作为指标，分别以3个月和12个月为时间尺度，通过计算人民胜利渠灌区不同时间尺度的SPEI序列，研究其干旱特征演变规律。SPEI干旱等级划分标准见表1[19-20]。

2 结果与分析

2.1 气象因素年、季统计特征值

人民胜利渠灌区气象因素年、季统计特征值见表2，由表2可知：夏季的相对湿度、最低气温、最高气温、平均气温、降水量和水面蒸发量均最大;春季的相对湿度最小，其他气象因素冬季的最小。虽然人民胜利渠灌区年、季最高气温和最低气温的差别较大，但其最高气温与最低气温的差值相差不大，均为10 ℃左右;年平均水面蒸发量与年平均降水量的差值最大（470 mm），其次为春季差值（234.6 mm），夏季、秋季和冬季的差值相对较小。

2.2 相对湿度变化趋势分析

人民胜利渠灌区年平均相对湿度变化趋势及其统计结果分别见图1和表3。可知，年、夏季和秋季平均相对湿度呈明显的减小趋势，而春季和冬季的减小趋势不明显;年、春季和秋季的平均相对湿度在1964年最大（分别为76.60%、77.36%和82.91%），最小值分别出现在2008年、2016年和1956年（分别为58.88%、58.88%和60.20%）;夏季平均相对湿度1973年最大（79.48%），2009年最小（62.28%）;冬季平均相对湿度1951年最大（75.78%），1999年最小（47.97%）。

1951—2000年的年平均相对湿度的距平值大部分为正值，其最大值出现在1964年，而2001年之后年平均相对湿度距平值全部为负值。从5 a滑动平均曲线分析，年平均相对湿度总体呈波动下降趋势，1992年之前有短暂的明显上下波动，1993年之后下降趋势更为显著。

M-K趋势突变分析表明，灌区年、春季、夏季、秋季和冬季平均相对湿度分別在2007年、2012年、2014年、2005年和2005年出现明显突变，春季和夏季突变前后差值（分别为8.81%和7.32%）均大于年突变前后差值，秋季和冬季突变前后差值（分别为4.84%和5.21%）均小于年突变前后差值。年、春季和冬季平均相对湿度的气候倾向率较大，分别为-0.86%/（10 a）、-1.11%/（10 a）、-1.14%/（10 a）;夏季和秋季平均相对湿度的气候倾向率相对较小，分别为-0.50%/（10 a）、-0.65%/（10 a）。

2.3 气温变化趋势分析

根据人民胜利渠灌区气温变化趋势（见图2～图4）及其统计结果（见表3）可知，年、季最低气温和平均气温呈明显的上升趋势，而最高气温的上升趋势不明显。年平均最低气温、最高气温和平均气温的最大值分别出现在2016年、2017年和2017年，分别为11.71、21.53、16.18 ℃;年平均最低气温、最高气温和平均气温的最小值分别出现在1969年、1964年和1951年，分别为8.24、18.43、13.27 ℃。1951—1996年的年平均最低气温的距平值大部分为负值，其最低值出现在1964年，而1997年之后年平均最低气温距平值全部为正值。从5 a滑动平均曲线可知，年平均最低气温总体呈波动上升趋势，且在1993年以后上升趋势更为显著。1951—2017年的年平均最高气温距平值及5 a滑动平均曲线呈波动状态，但波动不明显。1951—1993年的年平均气温距平值大部分为负值，1994年之后的年平均气温距平值大部分为正值。从5 a滑动平均曲线可知，年平均气温总体呈波动上升趋势，且在1994年以后上升趋势更为显著。

M-K趋势突变分析表明，年、春季、夏季、秋季和冬季平均最低气温分别在2000年、2000年、2006年、2001年和1990年出现明显突变，春季突变前后差值为2.34 ℃，大于年突变前后差值（1.69 ℃）;夏季、秋季和冬季突变前后差值分别为1.33、1.56、1.59 ℃，均小于年突变前后差值;年、春季、夏季、秋季和冬季平均最低气温的气候倾向率相对较大，分别为0.37、0.52、0.21、0.36、0.43 ℃/（10 a）。年、春季、秋季和冬季平均最高气温分别在2014年、2012年、2000年和1992年出现明显突变，夏季未出现明显突变年份;春季突变前后差值为1.52 ℃，大于年突变前后差值（1.01 ℃）;秋季和冬季突变前后差值分别为0.40、0.71 ℃，均小于年突变前后差值;年、春季、夏季、秋季和冬季平均最高气温的气候倾向率均较小，分别为0.09、0.18、-0.01、0.04、0.17 ℃/（10 a）。年、春季、夏季、秋季和冬季平均气温分别在1998年、1998年、2010年、2005年和1991年出现明显突变，春季和冬季突变前后差值分别为1.76、1.32 ℃，均大于年突变前后差值（1.11 ℃）;夏季和秋季突变前后差值分别为1.09、1.03 ℃，均小于年突变前后差值;年、春季、秋季和冬季平均气温的气候倾向率相对较大，分别为0.26、0.40、0.21、0.33 ℃/（10 a）;夏季平均气温的气候倾向率较小，为0.12 ℃/（10 a）。

2.4 降水量变化趋势分析

由人民胜利渠灌区年降水量变化趋势（见图5）及其统计结果（见表3）可知，年、季降水量总体上呈不显著的下降趋势。年降水量最大值和最小值分别出现在1963年和1997年，分别为1 168.4、241.8 mm，可见灌区年际降水量波动较大。春季、夏季、秋季和冬季降水量最大值分别出现在1998年、1963年、2011年和1990年，分别为214.3、902.2、312.4、58.0 mm;降水量最小值出现在2001年、1997年、1998年和1995年，分别为9.3、80.7、3.9、0 mm;整体上降水量大小排序为夏季>秋季>春季>冬季。1951—2017年的年降水量距平值及5 a滑动平均曲线呈小幅波动状态，有33 a的年降水量距平值为负，有34 a的年降水量距平值为正。M-K趋势突变分析表明，年、春季、夏季和秋季降水量分别在1971年、1987年、1965年和1973年出现明显突变，冬季未出现明显突变年份，春季和秋季突变前后差值分别为-8.2、15.7 mm，均小于年突变前后差值（73.3 mm）;夏季突变前后差值为90.8 mm，大于年突变前后差值。年和夏季降水量的气候倾向率较大，分别为-12.49、-9.71 mm/（10 a）;春季和秋季降水量的气候倾向率较小，分别为-0.21、-0.63 mm/（10 a）。

2.5 水面蒸发量变化趋势分析

由人民胜利渠灌区年水面蒸发量变化趋势（见图6）及其统计结果（见表3）可知，年、季水面蒸发量总体上呈小幅下降趋势。年、春季、夏季、秋季和冬季水面蒸发量最大值分别出现在1966年、1968年、1955年、1957年和1999年，分别为1 190.2、386.6、419.2、501.0、144.2 mm;水面蒸发量最小值出现在1964年、1973年、1973年、1973年和1990年，分别为919.9、199.4、271.4、65.4、73.9 mm;整体上水面蒸发量大小排序为夏季>春季>秋季>冬季。1951—2017年的年水面蒸发量距平值有34 a为负，有33 a为正。由5 a滑动平均曲线可知，年水面蒸发量有3次较大的波动，总体上呈现“增大—减小—增大”的趋势，在1969年和2001年达到波峰，1991年达到波谷。M-K趋势突变分析表明，年、春季、夏季和秋季水面蒸发量分别在1971年、2016年、1973年和1959年出现明显突变，冬季未出现明显突变年份，春季、夏季和秋季突变前后差值分别为-57.6、31.7、47.3 mm，均小于年突变前后差值（61.6 mm）。年、春季、夏季和秋季蒸发量气候倾向率较大，分别为-5.75、3.00、-6.91、-3.22 mm/（10 a）。

2.6 干旱特征变化分析

由人民胜利渠灌区标准化降水蒸散指数（SPEI）趋势分析结果（见图7）可知，1951—2017年灌区的SPEI值在整体上呈减小趋势，5 a滑动平均曲线表明SPEI值一直处于波动状态。根據M-K突变检验，SPEI值在1976年发生了明显突变。对于年尺度SPEI值，1997年出现特旱情况，在1978年、2012年和2017年出现重旱;对于季尺度SPEI值，春季、秋季和冬季未出现重旱和特旱情况，夏季出现特旱6次（分别为1965年、1968年、1986年、1997年、2002年和2011年），夏季出现重旱13次（分别为1952年、1959年、1966年、1969年、1978年、1979年、1983年、1987年、1991年、1999年、2009年、2012年和2017年）。

由灌区年、季干旱等级发生频率（见表4）可知，人民胜利渠灌区多年平均干旱发生频率为33.43%，约每3 a就会发生一次干旱，其中轻旱、中旱、重旱和特旱发生频率分别为14.93%、13.43%、4.48%和1.49%。春季、夏季和秋季干旱发生频率分别为56.72%、56.72%和26.87%，而冬季无干旱情况发生;春季发生的主要是轻旱和中旱，发生频率分别为43.28%和13.43%;夏季主要发生的是轻旱、中旱、重旱和特旱，发生频率分别为13.43%、14.93%、19.40%和8.96%;秋季发生的主要是轻旱和中旱，发生频率分别为25.37%和1.49%。

3 讨 论

本文的研究结果与文献[21-22]一致，而其多年平均降水量小于河南省引黄灌区整体的多年平均降水量628.8 mm[4]，说明人民胜利渠灌区更容易发生干旱。根据上文分析可知，灌区1997年出现特旱情况，原因是1997年降水量最小（241.8 mm），同时蒸发能力较大（1 134.8 mm）。灌区春季发生干旱的频率明显高于秋季，原因是春季降水量呈现减小趋势（-0.21 mm/（10 a））而水面蒸发量呈现增大趋势（3.00 mm/（10 a）），同时春季平均气温的气候倾向率（0.40 ℃/（10 a））大于秋季平均气温的气候倾向率（0.21 ℃/（10 a））。另外，灌区干旱不仅受到气候因素的影响，而且受人类活动的干预作用，如降水量较少的年份，灌区利用引黄水和地下水补充灌区农作物所需水分。因此，准确了解灌区水资源及干旱情况，掌握灌区干旱发生的频率，可为灌区水资源合理开发提供支撑。

4 结 论

（1）人民胜利渠灌区年平均相对湿度、降水量和水面蒸发量均呈下降趋势，分别于2007年、1971年和1971年发生明显突变;年平均最低气温、平均最高气温和平均气温均呈升高趋势，分别于2000年、2014年和1998年发生明显突变;年平均相对湿度、平均最低温度、平均气温和水面蒸发量在1951—2017年波动幅度相对较大，而年平均最高温度和降水量波动幅度相对较小。

（2）1951—2017年人民胜利渠灌区年、春季和冬季平均相对湿度的气候倾向率较大，分别为-0.86%/（10 a）、-1.11%/（10 a）和-1.14%/（10 a）;年、春季、秋季和冬季平均气温的气候倾向率较大，分别为0.26、0.40、0.21、0.33 ℃/（10 a）;年和夏季降水量的气候倾向率较大，分别为-12.49、-9.71 mm/（10 a）;年和夏季水面蒸发量气候倾向率较大，分别为-5.75、-6.91 mm/（10 a）。

（3）1951—2017年人民胜利渠灌区在年尺度上出现特旱1次、重旱3次，夏季出现特旱6次、重旱13次，春季、秋季和冬季未出现重旱和特旱情况。灌区多年平均干旱发生频率为33.43%，春季、夏季和秋季干旱发生频率分别为56.72%、56.72%和26.87%，而冬季无干旱情况发生。

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【责任编辑 张华兴】