谷鑫鑫 司劍華 盧素錦 桂子菊 謝得娟 趙梓祺 李樹森 李紅梅 尤其明

摘要：依據(jù)黃河源區(qū)9個氣象站點1961—2017年降水資料，以標準化降水指數(shù)（SPI）作為干旱指標，計算多時間尺度下的SPI指數(shù)，對黃河源區(qū)歷史時期的時空干濕變化特征進行分析。結果表明：21世紀初之前黃河源區(qū)干濕交替，變化幅度較大，21世紀后濕潤強度有增加的趨勢且在1961—2017年近57年里總體上是向澇（濕潤化）的趨勢發(fā)展;季尺度下黃河源區(qū)出現(xiàn)洪澇災害的概率比旱災的大，其中夏季出現(xiàn)中澇的概率較大，約達50%，而秋季則較容易出現(xiàn)輕旱和輕澇，概率均高達45%以上;黃河源區(qū)南部地區(qū)發(fā)生重旱及以上旱災的頻率較低，發(fā)生重澇及以上強度濕潤化的頻率較大;東北部地區(qū)較易發(fā)生重旱、中旱、輕澇、重澇;西部地區(qū)發(fā)生特旱特澇的頻率相對較高。研究黃河源區(qū)歷史時期干濕變化特征分析，為黃河源區(qū)防汛抗旱提供科學依據(jù)。

關鍵詞：黃河源區(qū);干濕;標準化降水指數(shù);多尺度

中圖分類號： S161.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0307-06

隨著全球氣候變暖，各地受到不同程度不同種類的干旱和洪澇災害，位于青藏高原腹地的三江源區(qū)也不例外。三江源區(qū)被稱為“中華水塔”，位于青藏高原腹地（89°24′～102°23′E，31°39′～36°16′N），是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，總面積達36.3萬km2，海拔3 335～6 565 m[1]。三江源區(qū)具有生態(tài)儲水、供水、氣候調(diào)節(jié)等非常重要的生態(tài)功能，在我國乃至亞洲的水環(huán)境安全方面發(fā)揮著至關重要的作用[2]。但受全球氣候變化的影響，三江源區(qū)的氣象、水文環(huán)境都發(fā)生了明顯的變化[3]。近年來，三江源區(qū)降水量和降水天數(shù)呈減少趨勢，蒸發(fā)量增加，干旱化趨勢明顯，對植被生長起重要作用的夏季降水量呈明顯減少的趨勢。

干旱是一種對環(huán)境危害很大的自然災害，不同地區(qū)有著不同的地理狀況和氣候特點，對干旱的定義也不同，要定量化地研究干旱，離不開干旱指數(shù)。選擇適當?shù)闹笜藖眍A測、評估旱情的發(fā)生、發(fā)展和變化情況，就可以為水資源持續(xù)合理利用提供科學依據(jù)[4]。

目前，國內(nèi)外常用且評價效果較為理想的干旱指數(shù)有降水距平百分率、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）[5]、地表水分供應指數(shù)（SWSI）[6]、標準化降水指數(shù)（SPI）[7-8]、Z-Score指數(shù)和標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[9]。其中，McKee等提出的標準化降水指數(shù)（SPI）[7]不僅在計算過程中消除了降水的時空分布差異，在各區(qū)域和各時段都能有效地反映旱澇狀況，而且對干旱情況反應靈敏，滿足不同水資源狀況分析的要求，具有計算簡單、指標不涉及具體的干旱機理、適應性較強等優(yōu)點，應用廣泛[7]。研究者用SPI指數(shù)方法針對青藏高原地區(qū)也做了不少研究。史律梅等利用甘南州及周邊地區(qū)33個氣象臺站1965—2013年的降水和溫度數(shù)據(jù)，比較分析了降水距平指數(shù)（Pa）、標準化降水指數(shù)（SPI）和標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）對高寒草地干旱響應的有效性[10-11];李紅梅等利用青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)5個地區(qū)1961—2005年降水資料和實際干旱受災面積資料，分析了降水距平百分率（Pa）、SPI指數(shù)、Z指數(shù)、K指數(shù)4個干旱指標在這些地區(qū)的適用性，結果顯示這些指數(shù)在氣象干旱預測預報及評估中具有實際應用價值[12]。

三江源區(qū)、黃河源區(qū)的研究主要集中在氣溫、降水等方面，而對于黃河源區(qū)干濕變化特征的研究寥寥無幾，因此無法對發(fā)生的干旱、洪澇災害提供正確的應對措施。本研究以黃河源區(qū)9個地面氣象站為研究對象，通過各站點歷年（1961—2017年）的降水量資料，使用SPI可執(zhí)行程序計算SPI值，對所計算的SPI值用Excel和ArcGIS處理，并分析得到黃河源區(qū)歷史時期干濕變化的時空特征。為黃河源區(qū)未來的防汛抗旱提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河干流唐乃亥水文站至河源之間（95°53′～103°24′E，32°09′～36°07′N）的區(qū)域統(tǒng)稱為黃河源區(qū)，面積約為 12.19萬km2。位于青海、甘肅及四川3省的交界地帶，共覆蓋若爾蓋、久治、瑪多等16個縣。氣候類型為高寒半干旱-半濕潤氣候，主要特征為晝夜溫度變化大且日照時間長，太陽輻射強烈。源區(qū)內(nèi)高寒植被分布廣泛，主要植被類型是高寒草原和高寒草甸。受西南季風的影響和秋季降雨量多，致年均降水量在320～750.5 mm之間。但該區(qū)域連年發(fā)生干旱、雪災等自然災害極大地影響了黃河源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能以及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展[13-14]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 站點的選取

2.1.1 研究站點 選擇青海省境內(nèi)的黃河源區(qū)域的9個站點作為研究對象，詳細信息見表1。

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 1961—2013年氣象數(shù)據(jù)降水量的收集 本研究中9個站點的1961—2013年降水量的數(shù)據(jù)是從青海省氣候中心收集的。

2.2.2 2014—2017年氣象數(shù)據(jù)降水量的測定 研究中2014—2017年的氣象數(shù)據(jù)降水量由實地測量獲得，全年 365 d 人工定時觀測降水量，每天進行2次（08：00、20：00）定時觀測。降水量測量按照《地面氣象觀測規(guī)范》[15]進行，采用15184稱重式雨量計進行測量，15184稱重式雨量計能精準測量降雨量和降雪量，將雨量計固定在避風且與地面平齊的地方，采用固定圍欄高度與雨量計受水口高度相同，中央安置雨量計的方法來避免風對降水的影響，記錄保留1位小數(shù)。

2.3 研究方法

利用黃河源區(qū)9個站點的1961—2017年近57年的降水量，計算SPI。由SPI的旱澇等級標準劃分旱澇的等級，分析黃河源區(qū)的時空干濕變化特征。

2.3.1 SPI原理 把以“月”為單位的降水序列用滑動求和得到所給時間尺度的降水累計序列，將Γ分布（伽馬分布）表示的降水分布標準化得到標準化降水累計頻率分布，由它的累計概率查得相對應服從標準正態(tài)分布的變量值，即SPI值。

本研究中發(fā)現(xiàn)，黃河源區(qū)21世紀后濕潤化程度有增加的趨勢，且在1961—2017年近57年里總體上呈現(xiàn)出向濕潤化發(fā)展的趨勢。本研究結果與魏永亮等的研究結果[22-23]一致，但與趙志平等的研究結果[24]不一致，所以，蒸發(fā)散對干濕變

化特征是否影響較大還需要進一步研究。

本研究中，季尺度下的黃河源區(qū)發(fā)生輕澇的頻次比較大，發(fā)生旱災的頻次較低，與陳海莉等的研究結果[25]一致。春季易旱、夏秋季易澇與汪青春等的研究結果[26]一致，但春季發(fā)生旱的頻率與汪青春等的研究結果顯示有偏差。可能因為研究區(qū)域及年限的不同，導致了結果有所差異。近些年關于黃河源區(qū)季節(jié)性的干濕變化特征并未見到相關報道，本研究可為未來黃河源區(qū)季節(jié)性旱澇預警與防治提供依據(jù)。

研究過程中還發(fā)現(xiàn)，SPI指數(shù)雖然可以很好地表示黃河源區(qū)干濕變化及時空特征，但是還不夠全面，不能準確地解釋黃河源區(qū)干濕狀況變化發(fā)生的機制，關于黃河源區(qū)的干濕變化發(fā)生機制將有待于進一步研究。

本研究通過對黃河源區(qū)9個地面氣象站點1961—2017年近57年降水量數(shù)據(jù)的處理，分析了黃河源區(qū)歷史時期干濕變化特征，得出了以下結論：

（1）隨著研究SPI指數(shù)的時間尺度增加，SPI值受短期降水的影響減小，干濕變化相對穩(wěn)定，持續(xù)時間增長，周期性更加明顯。在21世紀初，黃河源區(qū)的不同尺度SPI指數(shù)的波動幅度都較大，表明黃河源區(qū)近些年早期屬于干濕交替;21世紀后，干濕變化相對穩(wěn)定，主要以洪澇災害為主。（2）黃河源區(qū)1961—2017年近57年在季尺度下的干濕變化特征是源區(qū)出現(xiàn)洪澇災害的概率比旱災的大，其中春季易發(fā)生輕旱，夏季易發(fā)生中澇，秋季易發(fā)生輕澇。（3）黃河源區(qū)的南部地區(qū)發(fā)生重旱及以上旱災的頻率較低，發(fā)生重澇及更高強度洪澇災害的頻率較大;東北部地區(qū)較容易發(fā)生重旱、中旱、輕澇、重澇;西部地區(qū)發(fā)生特旱、特澇的頻率相對較高。（4）黃河源區(qū)的干旱、洪澇災害以輕旱和輕澇為主，總體趨勢是向濕潤強度增大的方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳永富，劉 華，鄒文濤，等. 三江源高寒濕地動態(tài)變化趨勢分析[J]. 林業(yè)科學，2012，48（10）：70-76.

[2]羅 磊. 青藏高原濕地退化的氣候背景分析[J]. 濕地科學，2005，3（3）：20-30.

[3]李萬壽. 20世紀黃河源頭水文水資源研究回顧與展望[J]. 青海大學學報（自然科學版），2000，18（5）：50-53.

[4]劉 梅. 我國東部地區(qū)氣候變化模擬預測與典型流域水文水質(zhì)響應研究[D]. 杭州：浙江大學，2015.

[5]Palmer W C. Meteorological drought[EB/OL]. [2018-01-01]https：//www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/drought/docs/palmer.pdf.

[6]Shafer B A，Dezman L E. Development of a Surface Water Supply Index （SWSI） to assess the severity of drought conditions in snowpack runoff areas[C]//Western Snow Conference .Proceedings of the 50th Annual Western Snow Conference. Colorado State University，F(xiàn)ort Collins，Colorado，1982：164-175.

[7]McKee T B，Doesken N J，Kleist J.The relationship of drought frequency andduration to time scales[C]//American Meteorological Society. Eighth Conference on Applied Climatology. Boston：American Meteorological Society，1993：179-184.

[8]McKee T B，Doesken N J，Kleist J. Drought monitoring with multiple time scales[C]//American Meteorological Society. Proceedings of the Ninth Conference on Applied Climatology. Boston：American Meteorological Society，1995：233-236.

[9]Sergio M，Vicente-Serrano，Beguería S，et al. A multiscalar drought index sensitive to global warming：the standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate，2010，23（7）：1696-1718.

[10]史津梅，唐紅玉，許維俊，等. 1959—2003年青海省干濕變化分析[J]. 氣候變化研究進展，2007（6）：356-361.

[11]趙新來，李文龍，Guo X L，等. Pa、SPI和SPEI干旱指數(shù)對青藏高原東部高寒草地干旱的響應比較[J]. 草業(yè)科學，2017，34（2）：273-282.

[12]李紅梅，李 林，王振宇. 氣象干旱指標在青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)的適用性研究[J]. 青海氣象，2010（2）：25-28.

[13]文 軍，藍永超，蘇中波，等. 黃河源區(qū)陸面過程觀測和模擬研究進展[J]. 地球科學進展，2011，26（6）：575-585.

[14]Logan K E，Brunsell N A，Jones A R，et al. Assessing spatiotemporal variability of drought in the U.S. central plains[J]. Journal of Arid Environments，2010，74（2）：247-255.

[15]中國氣象局. 地面氣象觀測規(guī)范[M]. 北京：氣象出版社，2003.

[16]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.氣象干旱等級：GB/T 20481—2017[S]. 北京：中國標準出版社，2006.

[17]黃晚華，楊曉光，李茂松，等. 基于標準化降水指數(shù)的中國南方季節(jié)性干旱近58年演變特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（7）：50-59.

[18]韓海濤，胡文超，陳學君，等. 三種氣象干旱指標的應用比較研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（1）：237-247.

[19]張苗苗. 基于SPI的近51年晉北地區(qū)旱澇變化及干旱事件時空特征研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2018，32（3）：138-144.

[20]肖麗英. 基于SPI的鄱陽湖流域多尺度旱澇變化規(guī)律的研究[J]. 南昌工程學院學報，2017，36（3）：24-27，36.

[21]羅那那，巴特爾·巴克，吳燕鋒. 基于標準化降水指數(shù)的北疆地區(qū)近52年旱澇變化特征[J]. 水土保持研究，2017，24（2）：293-299.

[22]魏永亮，韓方昕，解文璇. 三江源地區(qū)近53年降水變化特征分析[J]. 青海農(nóng)林科技，2015，98（2）：45-48.

[23]史津梅，唐紅玉，許維俊，等. 1959—2003年青海省干濕變化分析[J]. 氣候變化研究進展，2007，3（6）：356-361.

[24]趙志平，關 瀟，李 果，等. 近45年來青海三江源區(qū)干濕變化的趨勢分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2017，31（4）：148-153.

[25]陳海莉，周 強，劉峰貴. 青海省農(nóng)業(yè)旱災時空分布規(guī)律[J]. 重慶科技學院學報（自然科學版），2008，10（5）：57-60.

[26]汪青春，白彥芳. 青海省近四十年來的旱澇變化研究[J]. 青海氣象，2000（3）：15-22.

收稿日期：2018-12-04

基金項目：國家自然科學基金地區(qū)基金（編號：31760147）;青海省科技廳項目（編號：2016-HZ-811）;青海省科技廳項目（編號：2017-ZJ-731）。

作者簡介：谷鑫鑫（1995—），女，河南周口人，碩士，主要從事森林培育研究。E-mail：1372769484@qq.com。

通信作者：司劍華，教授，主要從事森林培育研究。E-mail：sijianhua1@163.com。