基于SPI指数的白洋淀流域干旱演变特征分析

刘丛伟, 胡珊珊, 张 涛, 杨 展

(1.首都师范大学 资源环境与旅游学院 水资源安全北京实验室, 北京 100048; 2.自然资源部 国土卫星遥感应用中心, 北京 100048)

干旱是世界上最主要的自然灾害之一，其发生频率高、持续时间长、影响范围广[1]，可造成水资源短缺、粮食减产与土地退化等一系列问题[2]。IPCC的特别报告指出，全球气温与工业化前相比约高出1℃，气候变暖将加剧全球干旱灾害的发生频率[3-4]。据统计，我国在2012—2016年由旱灾所造成的经济损失高达2 889.7亿元，约占全部气象灾害所造成损失的15.6%。20世纪50年代以来，白洋淀受自然因素和人类活动的影响，湿地面积萎缩，干淀事件频繁发生，严重制约了流域的社会经济发展[5]。白洋淀流域是我国重要的淡水产品生产基地，也是海河流域大清河水系中重要的蓄水枢纽，承担着缓洪、治涝和蓄水灌溉的重要任务[6]。此外，白洋淀流域位于雄安新区上游，是其重要的水源涵养区和生态屏障。随着雄安新区的建设，流域的人口和产业必将发生跨越式增长，因此，及时准确地开展干旱时空分布和演变规律研究，有助于科学有效地实施防旱减灾措施，保障新区的建设发展。

干旱指数是干旱监测的基础[7]，国内外学者提出了众多的干旱指数对干旱特征进行量化研究，主要包括：综合气象干旱指数(CI)[8]、帕尔默干旱烈度指数(PDSI)[9]、降水距平百分率指数(Pa)[10]、广义极值干旱指数(GEV)[11]、标准化降水蒸散发指数(SPEI)[12]、标准化降水指数(SPI)等[13]。其中，基于降水资料的SPI指数计算简单，稳定性好，具有多时间尺度和时空可比性等优势，在国内外的干旱监测中得到广泛应用[14]。Hayes等[15]基于SPI指数对美国南部平原和西南部进行了研究，其监测干旱的结果优于PDSI指数；
Ogunjo[16]采用SPI指数分析了尼日利亚不同尺度下的干旱特征和干旱演变规律；
众多研究证明了SPI指数在干旱监测方面具有良好的适用性和可靠性。

尽管对白洋淀流域所属海河流域的干旱相关研究很多，但有关白洋淀流域的研究较少，且多以站点数据作为研究基础。本文基于0.1°分辨率的格点降水数据，采用SPI指数分析白洋淀流域在年和季节尺度下干旱的时空分布特征和变化趋势，研究结果一方面可为流域抗旱减灾和雄安新区生态保护提供理论依据，另一方面可对白洋淀流域干旱研究空白进行补足。

白洋淀流域位于海河流域中部，地跨晋、冀、京3省市(113°39′—116°20′E，38°23′—40°09′N)，流域面积约3.0×104km2，海拔高差约2 500 m。流域地势整体为西北高、东南低，包括大清河山区和淀西平原两部分，其中西北部山区面积16 536 km2，占53%，东南部平原面积14 700 km2，占47%。白洋淀流域属暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候，四季分明，平原区年平均气温12.7℃，山区7.4℃。流域多年平均降水量563.9 mm，80%的降水量集中在7—9月这3个月的汛期内。受地形的影响，降水量空间差异较大，其中太行山迎风坡前降雨较大，平原和背风坡较小，流域内不同地区年降水量最大值是最小值的3倍[17]。

2.1 数据来源

本研究所用数据包括降水格点数据和干旱灾害历史记录资料。其中计算SPI指数所用的数据来源于国家青藏高原科学数据中心(http:∥data.tpdc.ac.cn/)发布的中国区域地面气象要素驱动数据集[18]的月值数据，包括1979—2018年研究区所在的379个格网的降水数据，时间分辨率为3 h，水平空间分辨率为0.1°[19]。干旱灾害历史记录资料来源于《中国气象干旱大典(河北卷)》和《中国气象灾害年鉴》，用于验证历史阶段的干旱特征。

2.2 研究方法

(1) SPI指数计算原理。SPI指数是由美国学者Mckee等[13]提出，可以对不同时间尺度的区域干旱进行定量化的表征[20]。SPI指标考虑了降水服从偏态分布的事实，对降水进行了正态标准化处理，具体计算见参考文献[21—22]。

根据SPI的正态分布曲线，参照国家气候中心的划分标准划分旱涝等级，确定相应的SPI界限值：SPI值为0～0.5为无旱或正常，0.5～1为轻微干旱，1～1.5为中等干旱，1.5～2为重度干旱，≥2为极端干旱[23]。

不同时间尺度下的SPI值具有不同的物理意义，其中SPI3反映了短期土壤的水分盈亏，与农业干旱关系密切；
SPI12能较清楚地反映长时期的旱涝变化规律。故此，本文选用SPI3和SPI12分别表征季节尺度和年尺度的干旱变化特征。

(2) 干旱频率。干旱频率Pi指某格点i有资料年份内发生干旱的年份占比[24]，计算公式如下：

(1)

式中:N为某站有气象资料的年数；
n为该站发生干旱的总年数。

(3) 干旱面积比。干旱面积比Sd指发生干旱的格点数在流域总格点数中的占比，计算公式如下：

(2)

式中:S1为干旱格点数；
S2为流域总格点数。

(4) Mann-Kendall非参数性检验。在时间序列趋势分析中，Mann-Kendall非参数性检验法是一种已广泛使用的非参数检验方法[25]。通过对检验的统计变量进行标准化得到统计量Z，若Z>0，则序列呈上升趋势；
若Z<0，则序列呈下降趋势。本文中所描述的显著性检验均为|Z|≥1.96，表示序列通过了95%的显著性检验。

3.1 白洋淀流域干旱频次分布特征

根据干旱等级划分标准，将计算得到的SPI值划分为年尺度和季节尺度，并归纳不同等级的干旱频次。从图1可以看出，研究区域发生轻旱的频次最高，中旱次之，其次为重旱，发生频次最少的为特旱。在年尺度上，干旱年份共有12 a，占全部年份的30%，1981年、1984年、1997年和2001年达到重旱。春季干旱年份共有16 a，占全部年份的40%，1996年与2013年达到重旱；
夏季干旱年份共有15 a，占全部年份的37.5%，1997年达到重旱；
秋季干旱年份共有13 a，占全部年份的32.5%，2006年与2018年达到特旱；
冬季干旱份共有14 a，占全部年份的35.9%，1999年与2012年达到特旱。总体来看，春季和夏季干旱频次较高，冬季和秋季干旱频次较低，但是特旱集中分布在秋季和冬季。

图1 年尺度和季节尺度干旱频次分布

3.2 白洋淀流域干旱时间变化特征

图2为1979—2018年白洋淀流域年尺度和季节尺度干旱指数变化曲线，由图可知流域年、秋季和冬季干旱指数呈波动上升趋势，线性倾向率分别为0.05/10 a，0.32/10 a，0.16/10 a；
流域春季和夏季干旱指数呈下降趋势，线性倾向率均为-0.06/10 a。采用M-K法对其进行显著性检验，年、春季和夏季均未通过显著性检验，秋季和冬季通过显著性检验，结果表明1979—2018年白洋淀流域年尺度呈微弱的湿润趋势，春季和夏季呈弱变干趋势，秋季和冬季呈较为明显的湿润趋势。

图2 1979-2018年白洋淀流域年尺度与季节尺度的干旱指数变化

图3为白洋淀流域年尺度和季节尺度干旱面积变化图。从图中数据进一步分析可知，1979—2018年白洋淀流域年尺度干旱面积比的均值为31.2%，春、夏、秋、冬4个季节的干旱面积比均值分别为35.5%，31.9%，32.4%，31.4%，表明干旱面积在整个流域占比较高，春季流域发生干旱的面积最大，其他季节干旱发生面积相差较小。采用M-K法对其进行显著性检验，年尺度干旱面积呈不显著减少趋势，春旱和夏旱的面积呈不显著增加趋势，冬旱面积呈不显著减少趋势，秋旱的面积呈显著减少趋势。

图3 白洋淀流域年尺度和季节尺度干旱面积变化

3.3 白洋淀流域干旱空间分布特征

白洋淀流域年尺度干旱频率空间分布见图4，年尺度下不同等级干旱发生频率在空间上差异较大。白洋淀流域轻旱发生频率在2.5%～25%，大清河北部山区、淀区平原南部和东南边缘都是轻旱的高发区域；
中旱发生频率在0～22.5%，流域东北部山区向平原区过渡的丘陵区和平原区是高发地带；
重旱发生频率在0～12.5%，大清河山区北部是发生频率较高的地区；
特旱发生频率在0～2.5%，在大清河山区的西部和淀区平原南部偶有发生。总体来看，下游平原区发生轻旱和中旱的频率高于上游山区，但上游山区发生重旱和特旱的频率更高。

图4 白洋淀流域年尺度干旱频率空间分布

图5为白洋淀流域季节尺度下干旱频率空间分布，由图可知不同等级干旱的发生频率空间分布呈现明显的差异性。轻旱发生频率最高可达30.8%，且在整个流域分布都较为广泛，春冬频发的区域范围大于夏秋；
中旱发生频率最高可达25.6%，在不同季节的高频分布区域具有较大差异，春季最广泛，冬季次之，其次是夏季和秋季，较高频率的地区位于大清河山区南部和淀区平原北部；
重旱发生频率最高为15.4%，秋季分布地区最广泛，频率较高的地区集中在淀区平原北部；
特旱在全年发生的频率均低于2.5%，主要出现在大清河山区西部和淀区平原南部。

图5 白洋淀流域季节尺度干旱频率空间分布

本文结果表明白洋淀流域1979—2018年年尺度上呈干旱缓解趋势，季节尺度上春季和夏季呈现弱干旱趋势，秋季和冬季呈现较为明显的湿润化趋势。此前有研究表明海河流域在1980—2017年干旱呈缓解趋势，春末湿润化趋势显著，夏季呈干旱趋势[26-27]，其结果与本文研究得到的结论基本一致。本研究检测表明白洋淀流域在1981年、1984年、1997年和2001年出现了重度干旱，而《中国气象干旱大典(河北卷)》记载显示：1981年出现春旱和秋旱，降雨比常年减少40%，海滦河系600多条支流断流；
1984年河北全省地下水显著下降，浅层地下水比1983 年下降 1.5 m；
1997年出现全省范围特大干旱。检测年份和年鉴记载的干旱年份基本吻合，说明基于SPI干旱指数可以较好地反映白洋淀流域干旱年份与干旱等级。

在季节尺度下，流域春夏季呈弱干旱趋势，秋冬季呈明显缓解趋势。分析春夏季干旱原因，一方面由于研究区位于华北平原，降雨集中分布在7—8月份，春季降雨量少，在蒙古大陆性气团的影响下，春季气温回升速度快，且风速较大，气候干燥，蒸发量较大[28]。另一方面夏季研究区受蒙古高压和西太平洋副热带高压的增强及位移影响，导致水汽难以输送至流域，降水随之减少[29]。加之近年来暖干气候逐渐发展，因此流域春、夏季干旱呈加重趋势，如1986年、1989—1990年、1992—1993年、2007年均出现了春夏连旱。

干旱对于白洋淀流域具有不可忽视的负面影响，由于干旱频繁发生，白洋淀在过去的几十年中，曾遭遇过数次的干淀与萎缩情况，淀区的水质和水生态趋向恶化，地下水位趋于下降[30]。随着雄安新区的建设，流域内工业和城市用水必然会增加，干旱的频繁发生将导致地面径流减少甚至断流，会加剧地下水使用甚至超采，产生地下水漏斗等隐患危害流域内人民生命财产安全[31]。此外，本文研究表明白洋淀流域春夏季干旱情况趋向加重趋势，春旱对于流域内春季农作物耕种具有不利影响，而春夏连旱此种持续的大范围干旱将会影响工农业生产用水，进而成为流域内工农业的建设发展的重大阻碍。

尽管本文的研究结果显示近年来白洋淀流域的气象干旱情况呈现缓解趋势，但诸多研究表明白洋淀流域的湿地面积仍然在快速萎缩[32]，河流径流量显著减少[33]，水生态状况呈恶化趋势[34]，地下水位为多年下降状态[35]。这说明尽管气象干旱没有明确的干旱化趋势，但是水文干旱和社会经济干旱仍旧在持续发展。因此，在研究白洋淀流域气象干旱的基础上，未来将进一步开展气象干旱向水文干旱的传播过程研究。

(1) 研究区域发生轻旱的频次最高，其次为中旱，再后为重旱，发生频次最少的为特旱，春季和夏季干旱频次较高，冬季和秋季干旱频次较低，但是特旱集中分布在秋季和冬季。

(2)干旱面积在整个流域占比较高，年尺度和季节尺度干旱面积占比均值均超过30%，春季流域发生干旱的面积最大；
1979—2018年白洋淀流域年尺度呈微弱的湿润趋势，干旱面积呈不显著减少趋势；
春季和夏季呈弱变干趋势，干旱面积不显著增加；
秋季和冬季呈较为明显的湿润趋势，秋季干旱面积显著减少。

(3) 不同等级的干旱发生频率空间分布呈现明显的差异性，大清河北部山区、淀区平原南部和东南边缘是轻旱的高发区域，东北部山区向平原区过渡的丘陵区和平原区是中旱的高发地带，大清河山区北部是重旱发生频率较高的地区，特旱仅在大清河山区的西部和淀区平原南部偶有发生。

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