丹江口库区多时间尺度旱涝变化特征研究

裴志方　张佈霞　韩迎春　吴彬

摘要：利用丹江口库区1961年-2019年21个气象站点数据计算了多个时间尺度的标准化降水蒸散指数，探究了库区旱涝时空变化特征，以期为库区生态环境建设与管理提供科学依据。结果表明：时间尺度越小，库区旱涝发生越频繁，反之越稳定，库区干旱发生频率高于洪涝频率，而库区未来呈偏湿趋势；除1个月时间尺度外，其余时间尺度库区干旱与洪涝频率空间分布特征相反，而库区旱涝变化趋势空间分布较为一致；库区多时间尺度旱涝周期交替现象一致，主要时间尺度以28年-32年、6年、14年为主，未来几年库区呈偏涝趋势，应加强相应的生态环境保护措施。

关键词：旱涝；标准化降水蒸散指数；多时间尺度；丹江口库区

中图分类号：X524 文献标志码：B

前言

随着全球气候变化显著，极端气候事件频发，人类面临的气象灾害风险逐渐增大，生存环境受到严重威胁。旱涝灾害因影响范围广，破坏性强，是当前最严重的气象灾害。此外，旱涝问题十分复杂，且对生态环境的影响极具破坏性。因此，研究旱涝灾害的时空特征以及演变规律，对于区域生态环境建设以及防灾减灾政策的制定具有重要意义。丹江口库区是南水北调中线工程核心水源区，在缓解中国北方水资源短缺问题方面发挥了重要作用。库区属大陆性半湿润季风气候，水热资源丰富，但降水时空分布不均，极易发生旱涝灾害，严重影响着当地农业生产以及生态环境建设，因此，加强库区旱涝演变规律研究显得尤为迫切。针对库区旱涝，学者们进行过相关的研究，但均未深入探讨时空演变规律及未来发展趋势，因而开展此项研究很有必要。此研究基于标准化降水蒸散指数（Standard-ized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）从多个时间尺度对丹江口库区旱涝的时空变化特征进行分析，揭示其旱涝的演变规律，为库区旱涝减灾工作以及生态环境建设与管理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

丹江口水库地处鄂西北与豫西南交界处，位于汉江中上游，是南水北调中线工程的水源地。库区属典型的亚热带季风气候，多年平均气温为11℃～16.0℃，多年平均降水量为700-1100mm，降水季节分配不均，主要集中在6-9月。库区地势复杂，呈西北高东南低的地势，西北部以低海拔中小起伏山地为主，东南部以丘陵和平原为主。

1.2 数据来源

此研究获取了丹江口库区及其周边21个气象站点1961年-2019年的逐日观测数据，包括气温、降水、气压、相对湿度、风速、日照等，来源于中国气象数据共享服务网（http：//data.cma.cn/）。为保证数据的完整性和连续性，针对部分存在缺测的数据，在数据处理过程中对其进行了线性插补。此外，此研究中涉及的行政区划、DEM等基础数据均来自中国科学院资源与环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）。

1.3 研究方法

此研究利用Pennian-Monteith公式计算了丹江口库区及周边各站点的潜在蒸散量，接着，又分别计算了各站点1、3、6、12个月尺度的SPEI值，参考前人研究，对SPEI指数进行旱涝等级划分。在分析过程中，主要采用了气候倾向率、Sen+Mann-Kendall分析法、Morlet小波分析法、IDW空间插值法等方法对库区旱涝时空变化特征进行分析。

2 结果与分析

2.1 丹江口库区旱涝时间变化特征

从时间序列上看（如图1所示），研究期间，不同时间尺度SPEI值存在显著差异，时间尺度越小，旱涝发生越频繁，反之，旱涝特征越稳定。1个月时间尺度上，旱涝交替频繁，几乎每年都会发生旱涝，且季节分布不均，而3个月时间尺度旱涝交替频繁度降低，出现一些季节性的旱涝特征。6个月时间尺度上，旱涝季节性特征明显，而12个月时间尺度上，旱涝特征较稳定。由于SPEI值对降水和气温敏感，短时间尺度下丹江口库区旱涝频率頻繁，但总体来看，多时间尺度下丹江口库区旱涝频率较为一致，而干旱发生频率高于洪涝频率。

从年际变化看（如图2所示），在1个月时间尺度上，库区SPEI值呈轻微增加趋势，但不显著，UF曲线与UB曲线存在一个交点，即在1970年发生旱涝突变。在3个月时间尺度上，库区SPEI值也呈轻微增加趋势，也不显著，UF与UB曲线短期内存在多个交点，如1963年-1969年、2011年-2019年期间，表明旱涝交替频繁。在6个月时间尺度上，库区SPEI值变化趋势不明显，UF与UB曲线在1963年、1966年、1974年、2019年存在交点，其中1963年旱涝突变特征较为明显。在12个月时间尺度上，库区SPEI值呈增加趋势，同样不显著，UF与UB曲线在1964年、1965年、1975年、1977年、1979年存在交点，其中在1977年之后逐渐转为涝年。总体来看，多时间尺度下丹江口库区未来呈偏湿趋势，但不显著，研究期间未见有显著的突变年。

2.2 丹江口库区旱涝空间变化特征

对库区1961年-2019年旱涝发生空间频率分布进行分析，可以看到（如图3所示），库区短时间尺度旱涝频率均较低，随着时间尺度的增加，旱涝频率增加，除1个月时间尺度干旱与洪涝频率空间分布特征一致外，其余时间尺度干旱与洪涝频率空间分布特征相反。从空间变化趋势看（如图4所示），研究期间，库区多个时间尺度的旱涝变化趋势空间分布较为一致，其中淅川及西峡西部呈增加趋势，表明这些区域未来易发生洪涝，其余区域呈减少趋势，干旱趋势明显。

2.3 丹江口库区旱涝周期性特征

利用Morlel小波对库区多时间尺度旱涝的周期性进行分析。1个月时间尺度上（如图5所示），库区主要在4-8年、10-16年、24-32年时间尺度上发生旱涝周期性交替现象，从小波方差图可以得到，主要时间尺度为28年（第一主周期）、5年（第二主周期）、14年（第三主周期），从时频图来看，第一、三主周期波动稳定，第二主周期波动频繁，而其余时间尺度上，库区旱涝周期性交替现象基本与1个月时间尺度一致。总之，多时间尺度下库区旱涝主要时间尺度以28-32年（第一主周期）、6年（第二主周期）、14年（第三主周期）为主，未来几年库区呈现偏涝趋势，应加强相应的防范措施。

3 结论

此研究从多个时间尺度对丹江口库区1961年-2019年旱涝的时空变化特征进行分析。时间上，时间尺度越小，库区旱涝发生越频繁，反之越稳定，库区干旱发生频率高于洪涝频率，而库区未来呈偏湿趋势。空间上，除1个月时间尺度干旱与洪涝频率空间分布特征一致外，其余时间尺度干旱与洪涝频率空间分布特征相反，库区多时间尺度旱涝变化趋势空间分布较为一致。在周期性上，多时间尺度下库区旱涝周期交替现象基本一致，未来几年库区呈现偏涝趋势。由于库区自然环境复杂，不同地域间旱涝特征差异可能较大，而只结合站点数据可能不足以充分反映库区的旱涝信息，此外，由于旱涝等级划分标准可能因地域问题不够准确，此研究只是以相对旱涝情况来进行分析。因此，下一步还需结合多源遥感等数据，全面来探讨库区的旱涝情况，以此为库区生态环境建设与管理提供参考依据。