趙山山 王志國(guó) 孫波

摘要 利用黑河地區(qū)1968—2015年5—9月的降水資料對(duì)時(shí)間尺度為12個(gè)月的SPI指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，探討了黑河地區(qū)干旱發(fā)展特征及變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，近48年內(nèi)SPI最大值出現(xiàn)在2013年，最小值出現(xiàn)在2008年；2007年以后總趨勢(shì)在向干旱發(fā)展，2015年前后達(dá)到頂點(diǎn)，未來幾年黑河地區(qū)有向干旱發(fā)展的趨勢(shì)。從旱澇趨勢(shì)的變化周期來看，16年的時(shí)間尺度為旱澇變化的第1主要周期。2015年黑河地區(qū)處于豐水期，預(yù)計(jì)未來將逐漸向枯水期轉(zhuǎn)換。干旱指數(shù)變化的突變點(diǎn)發(fā)生在1980年，20世紀(jì)80年代以后轉(zhuǎn)入多水年，2000年以后，趨勢(shì)向少水發(fā)展，到2010年前后，再次出現(xiàn)突變點(diǎn)，氣候轉(zhuǎn)向濕潤(rùn)。從黑河地區(qū)干旱發(fā)生頻次來看，20世紀(jì)80年代開始，中旱和重旱頻次一直在增加，到2000—2010年，旱情達(dá)到最重，中旱和重旱頻次顯著高于其他年代。

關(guān)鍵詞 SPI指數(shù)；干旱趨勢(shì)；變化周期；發(fā)生頻次；黑河地區(qū)

中圖分類號(hào) S423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）25-0183-02

Abstract We calculated the standardized precipitation index（SPI） of time scales for 12 months by using the precipitation data in Heihe area from May to September during 1968-2015，and discussed the development characteristics and trends of drought in Heihe area.The results showed that in the past 48 years，the maximum value of SPI appeared in 2013，and the minimum value appeared in 2008. Since 2007，the general trend was to the development of the drought，and the peak was around 2015，in the next few years in Heihe area had to be the trend of the drought.From the perspective of the change cycle of drought and flood trend，16 years of time scales was for the first major cycle.In 2015，Heihe area was in the wet cycle，and the future was expected gradually to the dry season conversion.The changepoint of drought index took place in 1980，after 1980s，the trend toward the development of wet cycle，after 2000s ，the trend to developed less water，by 2010 before and after，there would be a sudden change point，the weather turned to wet.From the frequency of the drought in Heihe area，since 1980s，the frequency of the moderate drought and the heavy drought had been increasing，until to 2000-2010，the drought reached the most drought，the frequency of moderate drought and the heavy drought was significantly higher than other years.

Key words Standardized precipitation index（SPI）；Drought trend； Change period； Occurrence frequency； Heihe area

近年來，氣候變化已經(jīng)成為熱門話題，而由氣候變化引起的水分條件在區(qū)域內(nèi)的干濕變化影響力卻更為廣泛。一旦水分條件發(fā)生極端變化而導(dǎo)致旱澇成災(zāi)，則對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)威脅極大。定量化表征干旱開始時(shí)間、強(qiáng)度變化的干旱指數(shù)，一直是干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和研究中的重要工具?；诮邓Y料的SPI指數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，具有多時(shí)間尺度和時(shí)空適用性等優(yōu)勢(shì)[1]，而且不涉及具體的干旱機(jī)理，在國(guó)內(nèi)外的干旱監(jiān)測(cè)中廣受應(yīng)用。筆者根據(jù)黑河地區(qū)1968—2015年逐月降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用SPI指數(shù)分析黑河地區(qū)干旱特征， 摸索其發(fā)展趨勢(shì)，嘗試將SPI指數(shù)應(yīng)用到當(dāng)?shù)馗珊当O(jiān)測(cè)評(píng)估工作中，旨在為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況和資料選取

黑河市位于黑龍江省北部邊陲（47°42′～51°03′N、124°45′～129°18′E），地處大興安嶺東端、小興安嶺北部，地勢(shì)西北高、東南低，總體地貌為中、低山丘陵類型，境內(nèi)有近100個(gè)農(nóng)場(chǎng)。全市呈寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征，冬長(zhǎng)夏短、四季分明。在此選取黑河地區(qū)1968—2015年逐月降水觀測(cè)資料。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）。

采用《氣象干旱等級(jí)》（GB/T 20481—2006）中SPI的計(jì)算方法，可以計(jì)算不同時(shí)間尺度下（1、3、6、12個(gè)月）的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，記為SPI。在此計(jì)算的是1968—2015年逐月SPI12，并以某年5—9月SPI12的平均值作為該年的SPI值。根據(jù)（GB/T20481—2006）國(guó)家氣象干旱等級(jí)劃分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為當(dāng)-1.0

1.2.2 氣候周期變化統(tǒng)計(jì)方法。

利用Matlab（8.5版本）軟件，采用Morlet小波分析[2-3]和Mann-Kendall（M-K）非參數(shù)檢驗(yàn)方法[4-5]分析

1968—2015年黑河地區(qū)干旱的周期變化和突變趨勢(shì)。

1.2.3 干旱頻率（Pi）計(jì)算。

按公式Pi=n/N×100%計(jì)算，其中，n表示作物生長(zhǎng)季發(fā)生干旱的月份總數(shù)，N表示總月數(shù)（文中N=240），i表示不同年份。為了便于比較，在此將輕旱（含輕旱）以上的干旱都記為干旱。

2 結(jié)果與分析

2.1 指數(shù)SPI12變化趨勢(shì)

在對(duì)干旱或洪澇做評(píng)價(jià)時(shí)，影響程度和時(shí)間都是對(duì)水分變化的影響因子。SPI12可以代表長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)各地區(qū)平均的水分盈虧情況，同時(shí)也可以反映地下水位等狀況[1，6]。翟祿新等[7]認(rèn)為，較大時(shí)間尺度的SPI指數(shù)對(duì)短時(shí)間內(nèi)降水量較少或接近于0值的地區(qū)影響不大，因此筆者利用指數(shù)SPI12對(duì)旱澇的判斷不會(huì)對(duì)短時(shí)間內(nèi)降水為0時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)限制。

由圖1可見，5—9月黑河地區(qū)SPI具有明顯的波動(dòng)形式。在2000年以前，出現(xiàn)過2次接近±1的極值，即1977年的中旱（-1.09）和1988年的中澇（1.09），而20世紀(jì)70年代以前及90年代旱澇波動(dòng)的振幅較緩和。近48年內(nèi)SPI最大值為2013年重澇的1.76，最小值為2008年出現(xiàn)中旱的-1.16。2次最大極值出現(xiàn)的時(shí)間僅間隔了5年，這種極端干旱或洪澇在2000年以后出現(xiàn)的頻率在增加，且持續(xù)時(shí)間明顯較長(zhǎng)，甚至影響到次年。長(zhǎng)時(shí)間段的SPI指數(shù)對(duì)旱澇的長(zhǎng)期影響指示作用較好，且前期降水變化的累積影響對(duì)后期干旱或雨澇的起始和結(jié)束時(shí)間都具有相應(yīng)的響應(yīng)?？v觀近10年的滑動(dòng)平均曲線，2007年以后總趨勢(shì)是上升的，即向干旱發(fā)展，2015年前后達(dá)到頂點(diǎn)后，可能轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)，可以認(rèn)為未來幾年黑河地區(qū)向干旱發(fā)展的可能性較大。

2.2 旱澇趨勢(shì)的周期變化 由圖2可知，1968—2015年黑河地區(qū)SPI12指數(shù)存在3個(gè)較為明顯的峰值，它們從高到低依次為16、8和24年的時(shí)間尺度。小波方差最大的峰值對(duì)應(yīng)著16年的時(shí)間尺度，即16年左右的周期振蕩最強(qiáng)，為旱澇變化的第1主要周期；8年時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)第2峰值，為旱澇變化的第2主周期；第3峰值對(duì)應(yīng)著24年的時(shí)間尺度。

根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，繪制了黑河地區(qū)旱澇演變的第1主周期16年周期特征的小波系數(shù)圖（圖3）。在16年特征的時(shí)間尺度下，旱澇演變存在的平均周期為12年左右，大約經(jīng)歷了4個(gè)周期的澇—旱循環(huán)轉(zhuǎn)換，而且直到2015年黑河仍然處于多水期（澇期），預(yù)計(jì)未來一段時(shí)間內(nèi)將逐漸向枯水期（旱）轉(zhuǎn)換。

2.3 突變趨勢(shì)檢驗(yàn)

從M-K檢驗(yàn)結(jié)果（圖4）來看，近48年黑河地區(qū)SPI12（年際變化）指數(shù)的UF與UB 2條曲線在1980、2000、2002、2003、2009、2011年都出現(xiàn)交叉點(diǎn)；其中UF曲線的變化總體表現(xiàn)為1980年以前有蹺蹺板狀波動(dòng)，但基本在負(fù)值區(qū)變化，曲線在1980年交叉點(diǎn)后向正方向發(fā)展，并達(dá)到1.96以上，說明1980年以后增加趨勢(shì)是顯著的，因此認(rèn)為1980年為突變年。UF曲線在2000年以后向負(fù)方向變化，在2009和2011年交點(diǎn)前后接近于0線，后又轉(zhuǎn)為上升走勢(shì)，并且曲線一直在±1.96之間，說明2010年前后突變趨勢(shì)不顯著。

M-K檢驗(yàn)曲線顯示的突變點(diǎn)主要在1980年，1980年以后曲線上的正面積明顯偏多，說明20世紀(jì)80年代以后進(jìn)入多水年，以濕潤(rùn)為主，且趨勢(shì)顯著；2000年以后，趨勢(shì)向少水發(fā)展，以干旱為主，到2010年前后，再次出現(xiàn)突變點(diǎn)，氣候轉(zhuǎn)向濕潤(rùn)，從UF曲線特點(diǎn)看近幾年的變化趨勢(shì)不顯著。

2.4 干旱發(fā)生頻率的變化

由表1可知，黑河地區(qū)1981—2015年發(fā)生干旱的總頻率為23%，其中輕旱頻率為15%，中旱和重旱分別為6%和2%。1980年以前發(fā)生干旱的總頻率為41%，其中輕旱頻率為32%，中旱為9%，無重旱發(fā)生，但輕旱和中旱發(fā)生頻次均高于1980年以后時(shí)段的頻次。

從不同干旱程度的年代變化情況來看，2001—2010年發(fā)生干旱的總頻次最高，為44%，其次是1968—1980年，為41%，但前者發(fā)生的干旱程度明顯高于后一時(shí)段，前者發(fā)生中旱頻率為14%，重旱為8%，顯著高于其他年代時(shí)段。

從同一年代內(nèi)不同干旱程度來看，20世紀(jì)80年代開始，中旱和重旱頻次一直在增加，到2001—2010年，旱情達(dá)到最重，中旱和重旱頻次顯著高于其他年代。2011年至今，干旱頻次較前期開始出現(xiàn)減弱趨勢(shì)，這可能與黑河地區(qū)目前處于多水期有關(guān)。

3 結(jié)論

利用黑河地區(qū)1968—2015年5—9月6個(gè)基本氣象站的逐月降水資料對(duì)時(shí)間尺度為12個(gè)月的SPI指數(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)干旱特征及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討，得出以下主要結(jié)論：

（1）近48年內(nèi)SPI最大值為2013年重澇的1.76，最小值為2008年出現(xiàn)中旱的-1.16。2007年以后總趨勢(shì)在向干旱發(fā)展，2015年前后達(dá)到頂點(diǎn)后，可能轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)，未來幾年黑河地區(qū)向干旱發(fā)展的可能性較大。

（2）從旱澇趨勢(shì)的變化周期來看，16年的時(shí)間尺度為旱澇變化的第1主要周期。在16年特征的時(shí)間尺度下，旱澇演變存在的平均周期為12年左右， 2015年黑河處于多水期，預(yù)計(jì)未來將逐漸向枯水期轉(zhuǎn)換。

（3）M-K檢驗(yàn)顯示，近48年黑河地區(qū)SPI指數(shù)的突變點(diǎn)主要在1980年，20世紀(jì)80年代以后進(jìn)入多水年，以濕潤(rùn)為主，且趨勢(shì)顯著；2000年以后，趨勢(shì)向少水發(fā)展，以干旱為主，到2010年前后，再次出現(xiàn)突變點(diǎn)，氣候轉(zhuǎn)向濕潤(rùn)，從UF曲線特點(diǎn)看近幾年的變化趨勢(shì)不顯著。

（4）從干旱發(fā)生頻次來看， 黑河地區(qū)20世紀(jì)80年代開始，中旱和重旱頻次一直在增加，到2001—2010年，旱情達(dá)到最重，中旱和重旱頻次顯著高于其他年代。2011年至今，干旱頻次較前期開始出現(xiàn)減弱趨勢(shì)，這可能與黑河地區(qū)目前處于多水周期內(nèi)有關(guān)。

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