干旱是由于较长时段降水不足而引起水分供应失衡的气候事件^[1], 是气候灾害中最主要的灾害之一, 它具有出现频率高、持续时间长、波及范围大的特点。干旱的频繁发生和长期的持续不但给国民经济特别是对农业生产带来巨大损失, 还会造成水资源短缺、沙尘暴增加、荒漠化加剧等诸多不利的生态影响^[2-3]。近年来, 在全球气候变化背景下随着极端天气气候事件频繁出现, 干旱的发生频率和强度明显增加^[4]。干旱对湿润半湿润地区产生的影响是不言而喻的, 而对于干旱地区和极端干旱地区, 干旱发生也会导致区域地表变干, 直接影响当地的旱生植物的生长发育, 也易成为沙尘暴的源地^[5]。所以中国北方干旱化问题一直是气象学和其他学科的一个重要研究课题, 特别是对西北典型干旱区的研究备受关注^[6]。由于干旱的形成原因异常复杂, 影响因素很多, 许多干旱指标都是针对具体的研究目的而设定。根据建立途径的不同可以把干旱指标大致归纳为两类：一类是通过研究干旱机理, 力图细致地反映干旱涉及的各个物理过程, 以PDSI (Palmer drought severity index)^[7]为代表, 该类指标的物理机制较为明确, 但其计算繁杂, 对资料要求较高, 部分参数只能靠经验估计, 则计算精度大大降低；另一类干旱指标则是通过气象学方法研究降水量的统计分布规律, 以反映干旱的强度和持续时间, 此类指标仅需逐月降水量数据, 计算简单, 而且由于指标不涉及具体的干旱机理, 时空适应性较强, 代表性指标是McKee等于1993年提出的标准化降水指标(SPI) 为代表^[8-9]。SPI指标能够较好地反映干旱强度和持续时间, 对干旱变化反应较敏感, 同时多时间尺度应用的特性可以为水资源评估和不同时间尺度的干旱监测服务^[10]。翟禄新等^[11]研究得出标准化降水指数(SPI) 作为一种干旱重建指标, 适用于西北地区, 也可以作为气候变化的监测指标。Wu等^[12-13]的研究表明, 在干旱气候条件下, 应该更多地关注干旱持续时间而不只是干旱强度, 强调干旱持续时间和强度对干旱研究的重要性。袁文平等^[14]指出基于现有干旱指标的研究成果, 未来应加强在应用某种干旱指标时动态评估干旱发生时间, 并利用累积系数建立反映累积效应的机制以准确反映干旱累积效应。

石羊河属西北干旱区内陆河流, 地处蒙新、黄土、青藏三大高原交汇过渡带, 是生态环境变化敏感区域之一。特殊的地理条件和气候特征决定了石羊河流域是一个干旱频繁发生的地区^[15]。截至目前, 关于石羊河流域干湿变化的最新研究成果：时间上, 夏季干旱发生频率最高, 冬季频率最低^[15]；冬季是暖湿化趋势最明显的季节, 其次是秋季, 极端干旱事件频率在波动中呈减少趋势, 极端湿润事件频率在波动中呈增加趋势^[16]；空间上, 发生干旱频率最高的是武威站, 最低的是民勤和乌鞘岭站^[17]。以上多是基于某种干旱指数对石羊河流域季节和年的干湿变化等进行研究, 而对干旱事件的持续时间、强度时空演变特征的分析鲜有报道。本文旨在探讨石羊河流域近54年气候干湿变化特征, 揭示干旱事件的时空演变规律, 以期为流域农业生产和水文干旱监测提供科学依据。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部, 祁连山北麓, 东经101°41′-104°16′, 北纬36°29′-39°27′之间, 流域总面积4.16×10⁴km², 地势南高北低, 自西南向东北倾斜, 全流域可分为南部祁连山区, 中部走廊平原区, 北部低山丘陵及荒漠区四大地貌单元。石羊河流域由于地处内陆, 属于典型的大陆性温带干旱气候, 太阳辐射强, 日照充足, 夏季短而炎热, 冬季长而寒冷, 温差大, 降水少, 蒸发强烈, 空气干燥, 流域上游年平均气温低于6℃, 降水量400-600mm, 中游年平均气温低于6-8℃, 降水量150-250mm, 下游年平均气温高于8℃, 降水量不足150mm。

1.2 数据来源

石羊河流域乌鞘岭、武威、永昌和民勤4个气象站的1960-2013年及2014年1-2月份逐月降水量数据均来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。本文主要分析对象为不同时间尺度SPI (基于时间尺度内的降水量)、年SPI (基于年降水量) 和季节SPI (基于季节的降水量, 其中春季为3-5月份、夏季为6-8月份、秋季为9-11月份、冬季为12-2月份)^[18-19]。对于54年的时间序列可以获得比较可信的趋势结果^[20], 而且所有数据皆经一致性检验与处理。

1.3 研究方法

采用标准化降水指数、游程理论来获得干旱事件的特征指标, 分析本地的干湿时间特征；应用ArcGIS10.0软件制图分析石羊河流域干旱事件空间格局特征；使用MK趋势检验方法^[21], 在Minitab软件里基于MK程序对变化趋势的显著性水平进行MK检验统计。为了反映石羊河流域近54年每次农业干旱和水文干旱的持续月数、干旱程度和强度的变化特征, 本研究选用3月尺度SPI值(3月尺度SPI对年内旱涝暴发时间与持续影响更为敏感, 可以反映短期气象旱涝特征, 与农业干旱关系密切) 和12月尺度SPI值(12月尺度SPI对长期旱涝影响及持续时段具有显著标识功能, 可以反映长期降水变化, 通常与河流水位, 水库水位, 甚至地下水位相关度较高)^[22-23]作为研究时间尺度。

1.3.1 标准化降水指数SPI及旱涝等级划分

由于不同时间, 不同地区降水量变化幅度很大, 直接用降水量很难在不同时空尺度上相互比较, 而降水分布是一种偏态分布, 不是正态分布, 所以可在降水分析中, 采用Γ分布概率来描述降水量的变化, 然后再经正态标准化求得SPI值, SPI具体计算步骤参见文献^[24]。依据相关研究^{[20, 25-26]}, 结合石羊河流域实际情况, 对SPI旱涝等级进行划分(表 1)。

1.3.2 游程理论

一般而言, 在一个有限取值序列中, 满足一定条件的同一符号的一个连串称之为一个“游程”, 一个游程中同一符号出现的次数称之为游程的长度。干旱一般可以用干旱持续时间、干旱程度和干旱强度3个特征来表示^[26-27], 而这可以用游程理论来得到。有研究认为长历时的SPI小于0事件也会导致严重水资源供给及与干旱有关的问题, 所以取0作为游程的截断水平^[28], 本文采用了与其相同的截断水平。当SPI≤0时定义为发生了一次干旱事件, 游程长度为干旱持续时间D(单位为月), 在游程中累积的SPI值与临界值的缺乏值(即0与干旱事件中累积的SPI值的差值) 为干旱程度(即为干旱事件中累积的干旱缺水状况)S, 即, 其中干旱程度与干旱持续时间的比值为干旱强度(即为干旱事件中平均的干旱缺水状况)I, 即I=S/D, 根据干旱分级可推出, 当1 > I>0时为轻度干旱；当1.5 > I≥1时为中度干旱；当2 > I≥1.5时为重度干旱；当I≥2时为极端干旱。

2 结果与分析 2.1 不同时间尺度SPI敏感性特征

从图 1可以发现, 不同时间尺度的SPI对降水量变化的敏感程度存在较大差异, 时间尺度越小, SPI对一次降水的反应越明显, 其值可能会发生较大变化, 甚至是正负波动, 时间尺度越大, SPI对于一次降水的反应越不显著, 只有持续的多次降水才会使之发生波动, 干湿波动周期亦相应延长；相同时段不同时间尺度发生干湿频次亦存在较大差异, 1960-2013年, 1月、3月、6月和12月尺度干旱发生频次分别为：27.6次/10a、16.85次/10a、12.96次/10a和7.78次/10a, 重湿以上的发生频次分别为：27.4次/10a、16.85次/10a、12.78次/10a和7.96次/10a, 说明随着时间尺度的延长, 干旱和湿润的发生频次均为减少趋势。以上分析表明, SPI1和SPI3能够反映短期气象旱涝特征, 与农业干旱关系密切；SPI6和SPI12可以清楚地反映长期的旱涝变化特征, 其中, 12个月尺度SPI对长期旱涝影响及持续时段具有显著的标识功能, 通常与河流水位, 水库水位, 甚至地下水位相关度较高, 因此, 多种时间尺度的SPI综合应用可实现对旱涝的综合监测评估。

2.2 石羊河流域气候干湿变化特征 2.2.1 SPI年际及年代际变化特征

由图 2可知, 1960-2013年石羊河流域年SPI在波动中呈增加趋势, 其变化倾向率为0.156/10a, 经MK趋势检验, 未通过P < 0.05的显著性信度水平；干旱年和湿润年分别为25a和29a, 虽然干旱年和湿润年的年数相差不多, 但干旱年和湿润年达到的等级程度相差较大(图 3), 属于极干、重干、中干、微干、微湿、中湿、重湿和极湿的年数分别为2a、4a、2a、17a、19a、10a、0a、0a, 其中, 1962年和1991年的SPI值分别为-2.93和-2.27, 属极干旱年份。据《甘肃省历史气候资料》记载：1962年武威全县各河流4月平均流量比上年减少54.4%, 5月减少56%, 50万亩夏田未灌水, 主要是由当年降水量较少、工农业大量使用河水所致；1991年大旱使武威市农作物受灾面积达到39.5%, 受灾严重。说明基于年降水量的SPI能够较好的监测到干旱年份及干旱等级。从图 4可以看出, 1960s和1970s的SPI为负值, 为干旱期, 1960s为最干年代, 这与王莺等^[17]的研究结论一致；1980s、1990s和2000s的SPI为正值, 为湿润期, 2000s为最湿润年代。其年代际SPI值大小的分布规律与周俊菊等^[16]基于湿润指数所得研究结论基本一致。据以上分析可知, 石羊河流域有湿润化的发展趋势, 这与王菱等^[29]的东经100°以西的西北地区有干暖型向湿暖型转变, 周俊菊等^[16]的石羊河流域有湿化趋势, 吴绍洪等^[30]的青藏高原大多数地区的干湿状况由干向湿发展, 靳立亚等^[31]的甘肃西部的夏、秋两季气候有湿润化趋势的结论基本一致。

2.2.2 SPI季节变化特征

由图 5可知, 1960-2013年石羊河流域不同季节SPI均呈缓慢上升趋势, 经MK趋势检验, 冬季上升趋势极显著(P≤0.01), 其他季节未通过P≤0.05的显著性水平, 上升趋势均不显著, 但不同季节SPI增加速度和干湿等级频次的分布存在较大差异。春季, SPI变化倾向率为0.083/10a, 干旱季和湿润季分别为28a和26a, 中度及以上干湿季发生频率为35.18%, 其中, 1967年春季SPI值为2.32, 湿润等级为极湿；夏季, SPI变化倾向率为0.108/10a, 干旱季和湿润季均为27a, 中度及以上干湿季发生频率为25.93%, 其中, 1962年和1991年夏季SPI值分别为-3.15和-2.63, 干旱等级为极干；秋季, SPI变化倾向率为0.055/10a, 干旱季和湿润季分别为26a和28a, 中度及以上干湿季发生频率为29.63%, 其中, 1971年秋季为极湿季, SPI值为2.52, 1972年和1993年秋季为极干季, SPI值分别为-2.29和-2.12；冬季, SPI变化倾向率为0.256/10a, 干旱季和湿润季均为27a, 中度及以上干湿季发生频率为40.74%, 其中, 1964年和1970年冬季为极干季, SPI值分别为-2.06和-2.2。以上分析表明, 冬季湿润化速度最快, 对年湿润化过程的贡献最为显著这与前人研究结果基本一致^[16]；1962年和1991年极端干旱年的发生主要是由该年夏季极端干旱所致, 1963年的重旱主要是受该年的夏旱和秋旱影响, 1972年的重旱主要是由该年的秋旱所致, 2013年的重旱主要是受该年的春旱和秋旱影响(表 2)。

2.3 石羊河流域干旱事件时空变化特征 2.3.1 石羊河流域干旱事件时间变化特征

(1) 干旱事件持续时间变化特征

在3月尺度和12月尺度中, 一次干旱事件开始到结束所跨越年份定为该次事件的名称(图 7、图 8和图 9)。由图 7可知, 不同时间尺度干旱事件持续时间变化特征存在差异。①3月尺度, 干旱事件持续时间整体呈极显著的减少趋势(P≤0.01, 变化倾向率约为-0.418月/10a), 干旱事件持续时间的离散程度亦渐趋平缓, 其中, 1960s、1980s、1990s干旱事件平均持续时间分别为3.82个月、4.27个月、3.17个月, 1970s最长为4.67个月, 2000s最短为2.5个月；近54年的干旱事件平均持续时间为3.527个月, 大多数干旱事件持续时间处于1-8个月之间, 其中, 持续时间最长的是1974-1975干旱事件, 持续时间长达18个月。②12月尺度, 干旱事件持续时间整体亦呈减少趋势, 但减少趋势不显著(变化倾向率约为-0.809月/10a), 干旱事件持续时间的离散程度亦有渐趋平缓的趋势, 其中, 1970s、1980s、2000s干旱事件平均持续时间分别为6.63个月、7.44个月、6.1个月, 1960s最长为11.6个月, 1990s最短为5.1个月；近54年的干旱事件平均持续时间为6.905个月, 大多数干旱事件持续时间处于1-20个月之间, 其中, 持续时间最长的是1962-1964干旱事件, 持续时间长达27个月, 其次是1965-1967、1974-1976、1990-1992干旱事件, 其持续时间分别为24、23、24个月。以上分析表明, 3月尺度和12月尺度干旱事件持续时间整体变化趋势基本一致, 但12月尺度干旱事件平均持续时间和减少速度均大于3月尺度。

(2) 干旱事件干旱程度变化特征

据图 8可知, 近54年石羊河流域不同时间尺度干旱事件干旱程度及其离散程度均呈较明显的下降趋势。其中, 3月尺度, 干旱事件干旱程度在0.02-16.13之间波动, 干旱程度平均值为2.835, 最严重的是1964-1965事件, 其SPI3绝对值累计值为16.13, 次之的是1974-1975、1972-1973和1962事件, 其值分别为15.35、15.18和14.49；12月尺度, 干旱事件干旱程度在0.02-51.66之间波动, 干旱程度平均值为5.942, 最严重的是1962-1964事件, 其SPI12绝对值累计值为51.66, 次之的是1990-1992、1965-1967和1974-1976事件, 其值分别为36.43、30.61和24.28。结合图 8中5次滑动平均线可以看出：3月尺度和12月尺度具体时段干旱程度变化趋势与其干旱持续时间变化趋势基本一致, 也就是说一般干旱持续时间较长的干旱事件干旱程度也较重。综合以上分析, 从水分亏缺量来看, 1964-1965事件的SPI3绝对值和1962-1964事件的SPI12绝对值的累计值最大, 说明1964-1965年是石羊河流域近54年农业干旱最严重的时期, 1962-1964年是近54年水文干旱最严重的时期, 以上结论与已有研究结果^[32]基本一致。

(3) 干旱事件干旱强度变化特征

据图 9可知, 3月尺度和12月尺度干旱事件干旱强度整体均呈减小趋势, 变化倾向率分别为-0.0421/10a和-0.0583/10a, 经MK趋势检验, 减少趋势均不显著。3月尺度, 近54年干旱事件干旱强度的平均值为0.587, 86.87%的干旱事件干旱强度在0.02-1之间波动, 最强的是1991事件, 值为2.308, 为极干事件, 其次是1962事件, 干旱强度为2.07, 也为极干事件；12月尺度, 干旱事件干旱强度的平均值为0.524, 83.33%的干旱事件干旱强度在0.02-1之间波动, 最强的是1962-1964事件, 值为1.913, 为重干事件, 其次是1972-1973事件, 值为1.79, 也达到重干。据分析可知, 石羊河流域短尺度干旱事件强度与长尺度干旱事件强度相比, 下降速度更慢, 干旱强度的平均值和波动幅度更大。所以从干旱事件的整体来看, 农业干旱强度比水文干旱强度严重。

2.3.2 石羊河流域干旱事件空间格局特征

(1) 干旱事件持续时间空间特征

近54年来, 石羊河上中下游不同地区不同时间尺度干旱事件持续时间及其变化存在明显差异。3月尺度, 上中下游干旱事件持续时间均呈减少趋势, 经MK趋势检验, 上游乌鞘岭地区减少速度最快, 变化倾向率为-0.782月/10a, 减少趋势较显著(P≤0.05), 其次是中游地区, 平均变化倾向率为-0.209月/10a, 减少趋势不显著, 下游民勤地区干旱事件持续时间减少速度最慢, 减少趋势亦不显著(变化倾向率为-0.119月/10a)；干旱事件持续时间平均值的最低值在永昌地区, 而石羊河流域东部亦存在从上游到下游(乌鞘岭-武威-民勤) 逐渐递减的变化趋势。12月尺度, 上中下游干旱事件持续时间均呈减少趋势, 永昌地区减少速度最快, 就平均情况来看, 从上游到下游干旱事件持续时间减少速度逐渐变慢；干旱事件持续时间平均值的低值区在武威地区, 高值区在永昌地区, 从整体来看, 从上游到下游, 干旱事件持续时间平均值逐渐增加。以上分析表明, 两种时间尺度干旱事件持续时间的减少速度均从上游到下游逐渐变慢, 就持续时间平均值而言, 上游乌鞘岭地区是农业干旱持续时间最长区域, 永昌地区和下游民勤地区是水文干旱持续时间较长区域。

(2) 干旱事件干旱程度空间特征

近54年来, 3月尺度和12月尺度石羊河流域各站点干旱事件的干旱程度在波动中均呈减少趋势。3月尺度, 干旱事件干旱程度变化倾向率的空间分布规律和持续时间变化倾向率的空间分布规律基本一致。12月尺度, 上游乌鞘岭地区干旱事件干旱程度减少速度最快, 其次是永昌地区, 武威地区减少速度最慢；干旱事件干旱程度平均值的最大值在下游民勤地区, 最小值在武威地区。以上分析表明, 两种时间尺度干旱事件干旱程度减少速度最大的地区均在上游乌鞘岭地区, 水分亏缺状况有所缓解, 湿润化趋势明显, 而干旱事件干旱程度平均值出现了截然相反的空间格局特征, 从干旱事件干旱程度平均值来看, 武威地区的农业水分亏缺量比较大, 而民勤地区的水文水分亏缺量比较大。

(3) 干旱事件干旱强度空间特征

从图 12可以看出, 3月尺度和12月尺度干旱事件干旱强度变化倾向率具有相同的空间分布格局, 乌鞘岭地区减少速度最快, 然后依次为永昌地区、民勤地区、武威地区, 不同的是3月尺度武威地区和民勤地区干旱事件干旱强度有轻微的增加趋势, 经MK趋势检验, 增加趋势均不显著；近54年干旱事件干旱强度的平均值, 3月尺度的最大值在中游武威和永昌地区, 最小值在上游乌鞘岭地区, 12月尺度的最大值在中游的永昌地区, 最小值在武威地区, 据以上分析可知, 永昌是多尺度干旱事件干旱强度较大的地区, 该地区是严重的农业干旱事件和水文干旱事件的多发区。

3 结论

(1) 不同时间尺度SPI对降水量变化的敏感程度存在较大差异, 时间尺度越小, SPI对于一次降水的反应越明显, SPI1和SPI3能够反映短期气象旱涝特征, 与农业干旱关系密切；SPI6和SPI12可以清楚地反映长期的旱涝变化特征。

(2) 石羊河流域年代际、年际和季的SPI在波动中均呈增加趋势, 湿润化趋势明显, 其中, 1962年和1991年为极干年份；1960s为最干旱年代, 2000s为最湿润年代；冬季湿润化的速度最快, 对年湿润化过程的贡献最为显著, 其次为夏季。

(3) 近54年石羊河流域不同时间尺度干旱事件持续时间、干旱程度和干旱强度均呈减少趋势, 且波动渐趋平缓, 短尺度干旱事件强度与长尺度干旱事件强度相比, 下降的速度更慢, 平均值和波动幅度更大。综合来看, 1964-1965年是石羊河流域近54年农业干旱最严重的时期, 1962-1964年是近54年水文干旱最严重的时期。从干旱事件干旱强度来看, 农业干旱比水文干旱严重。

(4) 从空间格局来看, 两种时间尺度干旱事件持续时间的减少速度从上游到下游均逐渐变慢, 上游乌鞘岭地区农业干旱持续时间最长, 中游永昌和下游民勤地区的水文干旱持续时间最长；两种时间尺度干旱事件干旱程度减少速度最快的地区均在上游乌鞘岭地区, 水分亏缺状况有所缓解, 湿润化趋势明显, 而干旱事件干旱程度平均值出现了截然相反的空间格局特征；除武威和民勤地区3月尺度干旱强度稍有上升趋势之外, 其它地区不同时间尺度干旱事件干旱强度均呈下降趋势, 而永昌是多尺度干旱事件干旱强度较大的地区, 为农业干旱事件和水文干旱事件的多发区。