黄河源区历史时期干湿变化特征分析

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　　摘要：依据黄河源区9个气象站点1961—2017年降水资料，以标准化降水指数（SPI）作为干旱指标，计算多时间尺度下的SPI指数，对黄河源区历史时期的时空干湿变化特征进行分析。结果表明：21世纪初之前黄河源区干湿交替，变化幅度较大，21世纪后湿润强度有增加的趋势且在1961—2017年近57年里总体上是向涝（湿润化）的趋势发展;季尺度下黄河源区出现洪涝灾害的概率比旱灾的大，其中夏季出现中涝的概率较大，约达50%，而秋季则较容易出现轻旱和轻涝，概率均高达45%以上;黄河源区南部地区发生重旱及以上旱灾的频率较低，发生重涝及以上强度湿润化的频率较大;东北部地区较易发生重旱、中旱、轻涝、重涝;西部地区发生特旱特涝的频率相对较高。研究黄河源区历史时期干湿变化特征分析，为黄河源区防汛抗旱提供科学依据。
　　关键词：黄河源区;干湿;标准化降水指数;多尺度
　　中图分类号： S161.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）23-0307-06
　　随着全球气候变暖，各地受到不同程度不同种类的干旱和洪涝灾害，位于青藏高原腹地的三江源区也不例外。三江源区被称为“中华水塔”，位于青藏高原腹地（89°24′～102°23′E，31°39′～36°16′N），是长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地，总面积达36.3万km2，海拔3 335～6 565 m[1]。三江源区具有生态储水、供水、气候调节等非常重要的生态功能，在我国乃至亚洲的水环境安全方面发挥着至关重要的作用[2]。但受全球气候变化的影响，三江源区的气象、水文环境都发生了明显的变化[3]。近年来，三江源区降水量和降水天数呈减少趋势，蒸发量增加，干旱化趋势明显，对植被生长起重要作用的夏季降水量呈明显减少的趋势。
　　干旱是一种对环境危害很大的自然灾害，不同地区有着不同的地理状况和气候特点，对干旱的定义也不同，要定量化地研究干旱，离不开干旱指数。选择适当的指标来预测、评估旱情的发生、发展和变化情况，就可以为水资源持续合理利用提供科学依据[4]。
　　目前，国内外常用且评价效果较为理想的干旱指数有降水距平百分率、帕默尔干旱指数（PDSI）[5]、地表水分供应指数（SWSI）[6]、标准化降水指数（SPI）[7-8]、Z-Score指数和标准化降水蒸散指数（SPEI）[9]。其中，McKee等提出的标准化降水指数（SPI）[7]不仅在计算过程中消除了降水的时空分布差异，在各区域和各时段都能有效地反映旱涝状况，而且对干旱情况反应灵敏，满足不同水资源状况分析的要求，具有计算简单、指标不涉及具体的干旱机理、适应性较强等优点，应用广泛[7]。研究者用SPI指数方法针对青藏高原地区也做了不少研究。史律梅等利用甘南州及周边地区33个气象台站1965—2013年的降水和温度数据，比较分析了降水距平指数（Pa）、标准化降水指数（SPI）和标准化降水蒸散指数（SPEI）对高寒草地干旱响应的有效性[10-11];李红梅等利用青海东部农业区5个地区1961—2005年降水资料和实际干旱受灾面积资料，分析了降水距平百分率（Pa）、SPI指数、Z指数、K指数4个干旱指标在这些地区的适用性，结果显示这些指数在气象干旱预测预报及评估中具有实际应用价值[12]。
　　三江源区、黄河源区的研究主要集中在气温、降水等方面，而对于黄河源区干湿变化特征的研究寥寥无几，因此无法对发生的干旱、洪涝灾害提供正确的应对措施。本研究以黄河源区9个地面气象站为研究对象，通过各站点历年（1961—2017年）的降水量资料，使用SPI可执行程序计算SPI值，对所计算的SPI值用Excel和ArcGIS处理，并分析得到黄河源区历史时期干湿变化的时空特征。为黄河源区未来的防汛抗旱提供科学依据。
　　1 研究区概况
　　黄河干流唐乃亥水文站至河源之间（95°53′～103°24′E，32°09′～36°07′N）的区域统称为黄河源区，面积约为 12.19万km2。位于青海、甘肃及四川3省的交界地带，共覆盖若尔盖、久治、玛多等16个县。气候类型为高寒半干旱-半湿润气候，主要特征为昼夜温度变化大且日照时间长，太阳辐射强烈。源区内高寒植被分布广泛，主要植被类型是高寒草原和高寒草甸。受西南季风的影响和秋季降雨量多，致年均降水量在320～750.5 mm之间。但该区域连年发生干旱、雪灾等自然灾害极大地影响了黄河源区的生态系统服务功能以及农牧业发展[13-14]。
　　2 数据来源与研究方法
　　2.1 站点的选取
　　2.1.1 研究站点 选择青海省境内的黄河源区域的9个站点作为研究对象，详细信息见表1。
　　2.2 数据来源
　　2.2.1 1961—2013年氣象数据降水量的收集 本研究中9个站点的1961—2013年降水量的数据是从青海省气候中心收集的。
　　2.2.2 2014—2017年气象数据降水量的测定 研究中2014—2017年的气象数据降水量由实地测量获得，全年 365 d 人工定时观测降水量，每天进行2次（08：00、20：00）定时观测。降水量测量按照《地面气象观测规范》[15]进行，采用15184称重式雨量计进行测量，15184称重式雨量计能精准测量降雨量和降雪量，将雨量计固定在避风且与地面平齐的地方，采用固定围栏高度与雨量计受水口高度相同，中央安置雨量计的方法来避免风对降水的影响，记录保留1位小数。
　　2.3 研究方法
　　利用黄河源区9个站点的1961—2017年近57年的降水量，计算SPI。由SPI的旱涝等级标准划分旱涝的等级，分析黄河源区的时空干湿变化特征。
　　2.3.1 SPI原理 把以“月”为单位的降水序列用滑动求和得到所给时间尺度的降水累计序列，将Γ分布（伽马分布）表示的降水分布标准化得到标准化降水累计频率分布，由它的累计概率查得相对应服从标准正态分布的变量值，即SPI值。 　　2.3.2 SPI的旱涝等级划分标准 旱涝等级[16]划分见表2。
　　2.3.3 旱涝评价指标 本研究从干旱发生频率来得到黄河源区近57年空间干湿变化特征。干旱频率（Pi）即用于评价某站有资料年份内发生旱涝频率程度[17]。
　　2.4 数据处理
　　采用Excel 2010、ArcGIS 10.0对数据进行整理，对年（季）降水量数据进行趋势分析，作出年（季）降水量的变化趋势图和旱涝频率空间分布图，并对其进行分析。
　　3 结果与分析
　　3.1 黄河源区SPI指数多尺度分析
　　利用黄河源区1961—2017年的各个站点逐月降水资料，得出各个站点月、季、年尺度的SPI值，求9个站点的平均值，得黄河源区整体的月、季、年尺度的SPI值，通过Excel 2010得到月、季、年尺度下的SPI指数演变图（图1）。
　　不同时间尺度的SPI对不同类型干旱、洪涝变化的敏感程度不同，多种时间尺度的SPI综合应用可以实现对干旱的综合监测评估[18]。
　　由图1可以看出，时间尺度越短，SPI值在0上下波动且波动幅度较大，这就表现为频繁的干湿期交替出现。随着时间尺度的增加，波动的幅度变得越来越小，干湿期交替的频率有所降低，持续时间变长。
　　从月尺度SPI指数演变（SPI-1）可以看出，黄河源区整体平均干旱期持续时间为3个月，湿润期为4个月;从季尺度SPI指数演变（SPI-3）可以看出，黄河源区整体平均干旱期持续时间为4个月，湿润期为5个月;从年尺度SPI指数演变（SPI-12）可以看出，黄河源区整体平均干旱期和湿润期持续最长，其中干旱期持续7个月，湿润期持续6个月。由此可以看出，时间尺度越短，SPI值受短期降水的影响越大，旱涝变化越不稳定;随着时间尺度的增加，SPI值受短期降水的影响减小，干湿变化相对稳定，持续时间增长，周期性更加明显。
　　SPI-12可以清楚地反映长期干湿变化特征，可以明显地看出1961—2017年间黄河源区没有发生过特涝和特旱，发生过1次中旱出现在1962年，其SPI值是最小，为-1.456;发生过6次中旱分别出现在1962、1965、1970、1977、2000、2002年;轻旱发生过7次，分别出现在1969、1973、1980、1988、1990、1991、2001年;同样也没有发生过重涝，发生过1次中涝出现在1967年，其SPI值是最高值;发生过轻涝10次，分别出现在1975、1981、1983、1999、2008、2011、2012、2014、2016、2017年。可以看出，21世纪初之前黄河源区干湿变化交替，变化幅度较大，其中干旱和雨涝发生次数相当;21世纪后，不同尺度的SPI值都有所增大，说明降雨量也有所增加，整体向湿润的趋势发展。
　　3.2 黄河源区干湿变化趋势
　　研究SPI值沿时序的变化特征，即可探究出各时段干湿情况沿时序的变化趋势。图2、图3为黄河源区1961—2017年SPI值沿时序（春季、秋季、年）的变化趋势。以季度和年际为例，分析SPI值沿时序的变化特征，得出SPI值在春季和夏季内的趋势均是上升的，在秋季内的变化趋势则是不太显著的上升趋势，说明在季度下近57年的SPI值总体是上升趋势。与图3所表示的近57年的总体变化趋势呈上升的情况相一致，说明黄河源区近57年总体向湿润化的趋势发展。
　　3.3 黄河源区季尺度干湿变化规律
　　季尺度下的干湿状况能较好地代表农业干旱与湿润程度变化状况[19]。由于黄河源区地理位置的特殊性，将1年里3—5月分为春季，6—8月分为夏季，9—11月分为秋季。
　　由图4可知， 1961—2017年季尺度下黄河源区没有发生过特旱和特涝，虽然发生重涝的频次大约是重旱的2倍，但是明显看出发生重涝和重旱的概率相对较小;发生中涝的频次与中旱相差无几，而发生轻涝的频次是轻旱的1.2倍，表明在季尺度下黄河源区出现洪涝灾害的概率比出现旱灾的概率大。各季发生中旱和中涝的概率也较小，其中春季较容易发生轻旱;中涝发生在夏季的概率较大，达50%;而秋季则较容易发生轻涝，概率大于45%。经统计，春季发生干旱和洪涝灾害的概率是30%和25%，夏季发生干旱和洪涝灾害的概率是23.3%和27%，秋季发生干旱和洪涝灾害的概率是32.1%和35.7%。
　　3.4 黄河源区空间干湿特征
　　利用黄河源区的9个气象站点1961—2017年的SPI-12指数计算干旱发生频率，得到的干湿频率分布图（图5、图6）。由图5-a可知，特旱的发生频率不高，为1.79%～3.57%。由圖5-b可知，黄河源区发生重旱频率为0～7.14%，而南部地区发生重旱的频率是0。由图5-c可知，中旱发生频率相对较高的是西南地区及东北部地区，东南部地区及西北部地区中旱发生频率相对较低。由图5-d可知，黄河源区的西北部及中部地区轻旱发生频率相对较高，但其东北部及西南部地区、东部地区轻旱发生的频率相对较低。
　　由图6-a可知，西部地区发生特涝的频率较高，南部地区及东北部地区发生特涝的频率相对较低;由图6-b可知，中部及北部地区发生重涝的频率相对较高，西部地区发生重涝的频率小;由图6-c可知，西南部地区及东北部地区发生中涝的频率相对较高，西北部地区、中部地区及东南部地区发生中涝的频率都较小; 由图6-d可知， 东北部地区及中部地区发生轻涝的频率较大，剩余地区发生轻涝的频率相对较小。
　　4 讨论与结论
　　SPI是具有多尺度且能有效衡量一个地区干湿程度变化的干旱指数。本研究中发现，时间尺度越短的SPI值在0上下波动的幅度越大，干湿变化越不稳定;随着时间尺度的增加，SPI值波动幅度变小，干湿变化相对稳定，持续时间增长，周期性更加明显，这与肖英丽等的研究结果[20-21]一致。 　　本研究中发现，黄河源区21世纪后湿润化程度有增加的趋势，且在1961—2017年近57年里总体上呈现出向湿润化发展的趋势。本研究结果与魏永亮等的研究结果[22-23]一致，但与赵志平等的研究结果[24]不一致，所以，蒸发散对干湿变
　　化特征是否影响较大还需要进一步研究。
　　本研究中，季尺度下的黄河源区发生轻涝的频次比较大，发生旱灾的频次较低，与陈海莉等的研究结果[25]一致。春季易旱、夏秋季易涝与汪青春等的研究结果[26]一致，但春季发生旱的频率与汪青春等的研究结果显示有偏差。可能因为研究区域及年限的不同，导致了结果有所差异。近些年关于黄河源区季节性的干湿变化特征并未见到相关报道，本研究可为未来黄河源区季节性旱涝预警与防治提供依据。
　　研究过程中还发现，SPI指数虽然可以很好地表示黄河源区干湿变化及时空特征，但是还不够全面，不能准确地解释黄河源区干湿状况变化发生的机制，关于黄河源区的干湿变化发生机制将有待于进一步研究。
　　本研究通过对黄河源区9个地面气象站点1961—2017年近57年降水量数据的处理，分析了黄河源区历史时期干湿变化特征，得出了以下结论：
　　（1）随着研究SPI指数的时间尺度增加，SPI值受短期降水的影响减小，干湿变化相对稳定，持续时间增长，周期性更加明显。在21世纪初，黄河源区的不同尺度SPI指数的波动幅度都较大，表明黄河源区近些年早期属于干湿交替;21世纪后，干湿变化相对稳定，主要以洪涝灾害为主。（2）黄河源区1961—2017年近57年在季尺度下的干湿变化特征是源区出现洪涝灾害的概率比旱灾的大，其中春季易发生轻旱，夏季易发生中涝，秋季易发生轻涝。（3）黄河源区的南部地区发生重旱及以上旱灾的频率较低，发生重涝及更高强度洪涝灾害的频率较大;东北部地区较容易发生重旱、中旱、轻涝、重涝;西部地区发生特旱、特涝的频率相对较高。（4）黄河源区的干旱、洪涝灾害以轻旱和轻涝为主，总体趋势是向湿润强度增大的方向发展。
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　　收稿日期：2018-12-04
　　基金项目：国家自然科学基金地区基金（编号：31760147）;青海省科技厅项目（编号：2016-HZ-811）;青海省科技厅项目（编号：2017-ZJ-731）。
　　作者简介：谷鑫鑫（1995—），女，河南周口人，硕士，主要从事森林培育研究。E-mail：1372769484@qq.com。
　　通信作者：司剑华，教授，主要从事森林培育研究。E-mail：sijianhua1@163.com。
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