贵州省干旱时空演变及其与气候因子的关系研究_赵文豪.pdf

收稿日期：20221010作者简介：赵文豪（1997）,男，硕士，主要从事水文水资源研究工作。摘要：本研究选取贵州省19个测站19582018年的气象数据，基于标准化降水蒸散指数（SPEI）和游程理论，分析贵州省的干旱时空演变特征，并通过通径分析、交叉小波变换探究月、季、年尺度下干旱与太阳黑子等大尺度环流因子间的相关关系。结果表明，近60 a来贵州省的干旱严重程度在季尺度、年尺度下均呈加强趋势，秋季变化趋势最为显著；21世纪初干旱发生最频繁，干旱强度、中等干旱和极端干旱的频次均呈增加趋势；西部地区春季干旱历时较长，东南部地区夏季旱情影响显著，秋季干旱具有高频率、短历时特征且分布面积较广，中北部和西南部地区冬季干旱频发；AO在秋冬季节主要影响贵州省干旱较长的年代际周期变化，且有明显的滞后效应；太阳黑子在季尺度（冬）与贵州省干旱表现出极大的相关性，月尺度下仅有一个较短的共振期。关键词：干旱；标准化降水蒸散指数；太阳黑子；交叉小波；通径分析；贵州省中图分类号：TV124文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）04-0074-09DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.04.021贵州省干旱时空演变及其与气候因子的关系研究赵文豪1，李娜2（1.华北水利水电大学，河南郑州450052；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710000）技术与应用 海河水利2023.No.4Spatio-temporal Evolution of Drought and Its Relationship with Climatic Factorsin Guizhou ProvinceZHAO Wen-hao1，LI Na2（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450052，China；2.Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi，an 710000，China）Abstract：This study selects the meteorological data of 19 stations in Guizhou Province from 1958 to 2018，analyzes thetemporal and spatial evolution characteristics of drought in Guizhou Province based on the standardized precipitationevapotranspiration index（SPEI）and run length theory，and explores the correlation between drought and large-scalecirculation factors such as sunspots at monthly，seasonal and annual scales through cross wavelet transform and pathanalysis.The results show that the severity of drought at seasonal and annual scales in Guizhou Province has increased inrecent 60 years，and the change trend is the most significant in autumn.Drought occurred most frequently in the early 21stcentury.Drought intensity and the frequency of moderate drought and extreme drought showed an increasing trend.Thedrought duration in spring in the western region is long，and the drought in summer affected the southeastern regionsignificantly.The drought in autumn has the characteristics of high frequency，short duration and wide distribution area，and the drought in winter in the north-central and southwestern region occurs frequently.AO in autumn and winter mainlyaffected the long interdecadal periodic variation of drought in Guizhou Province，and had obvious lag effect.The sunspotsshow a great correlation with drought in Guizhou Province at the seasonal scale（winter），and there is only a short resonanceperiod at monthly scale.Key words：drought；standardized precipitation evapotranspiration index；sunspots；Cross Wavelet；Path analysis；GuizhouProvince1引言气候变化背景下，频发的自然灾害给水资源管理和社会经济可持续发展带来巨大挑战。据统计，我国自然灾害损失中气象灾害损失占比61%，而气象灾害损失中旱灾损失占比55%1。干旱是一种历时长、影响广的全球性自然灾害，一般由降水量减少2023.No.4或蒸散量增加导致水分收支不平衡而引发，可对生态、农业和社会造成严重损失。我国是世界上干旱灾害最频发和损失最严重的地区之一，平均每年受灾面积达21 599.54103hm22。贵州省境内多喀斯特山地，旱坡地多，坡度大，土壤保水蓄水能力差，易发生干旱。干旱气候制约贵州省经济的健康发展，因此有效识别干旱以及区划格外重要。干旱指数在旱情监测、预警中起着重要作用，常用的干旱指标有降水Z指数3、Palmer干旱指数（PDSI）和标准化降水指数4（SPI）。降水Z指数是把降水量进行Z坐标转换，主要基于降水来进行干旱描述。PDSI考虑了前期降水、湿度等因子，但PDSI的空间可比性较差。SPI能够较好地反映不同时间尺度和不同区域的干旱状况，却忽略了温度带来的影响。2010年，Vicente-Serrano等5提出标准化降水蒸散指数（SPEI），既考虑了干旱与蒸发的关系，又考虑了 SPI 的优点，在很多地区应用有不错的效果。在贵州省的应用有：熊光洁6比较了 2种干旱指标SPI和SPEI在西南地区的适应性，结果表明SPEI的表现力更强；王盈盈等7在水循环方向分析贵州省分区干旱时空演变特征，结果表明各分区呈干旱化趋势；芦佳玉等8基于SPEI及游程理论分析云贵地区干旱时空变化，得出该地区气候呈逐渐变干的趋势。由上可见，当前研究多集中于农业干旱、干旱特征分析等方面，鲜有结合大尺度环流因子及太阳黑子对贵州省干旱的研究。太阳黑子数量变化会引起地球接收能量的波动，通过改变大气环流、影响海温、改变海气耦合等方式对局地气候造成影响9。本文利用SPEI数据结合游程理论进行干旱事件识别，并分析了贵州省月、季、年3个时间尺度的干旱时空变化，利用交叉小波分析和通径分析探究了贵州省干旱与太阳黑子和大气环流因子的关系，以期为贵州省的抗旱减灾工作和对未来干旱的预判提供有力支撑。2研究区概况贵州省位于中国西南部，地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1 100 m左右。贵州省地形主要包括高原、山地、丘陵和盆地4种基本类型，其中山地和丘陵的面积占90%以上。贵州省气候温暖湿润，属亚热带湿润季风气候，气温变化小，冬暖夏凉，气候宜人。但是，贵州省生态比较脆弱，是干旱的频发地区。研究区概况及气象站点分布，如图1所示。图1贵州省气象站点分布050100 km高程/m2 845174赵文豪，李娜：贵州省干旱时空演变及其与气候因子的关系研究752023年4月3数据和方法3.1数据来源本研究选用19582018年贵州省19个地面气象观测台站的逐日降水、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、风速、相对湿度等气象要素实测资料，对个别台站的缺测资料进行了插补处理，经过订正处理后的19个台站各要素资料具有较好的连续性（数据来源：http：/ 2所示。首先划定阈值R0、R2，对于2次相邻干旱间隔为1个时段的且间隔期的干旱指标小于阈值R0，那么2次相邻干旱被认为是1次干旱，否则被认为是2次独立干旱，相应的干旱历时和烈度也需要合并，D=Db+Dc+1，S=Sb+Sc，按上述规则可知，图2共有2次干旱（b+c、a）。3.2.3通径分析通过通径分析得出大气环流因子对干旱的直接影响（直接通径系数）和间接影响（间接通径系数）。其分析步骤见参考文献12。3.2.4交叉小波和相干小波交叉小波能够分析时频域中两序列多时间尺度相关关系。本文基于交叉小波和相干小波变换研究大尺度环流因子及太阳黑子与SPEI的相关关系，分析其对贵州省干旱的影响。假设有两时间序列分别为X=xi|i=1,2n 和Y=yi|i=1,2n，连续小波变换分别为wxn(s)和wyn(s)，则交叉小波谱定义为：wxyn(s)=wxn(s)wy*n(s)（1）式中：wxn(s)为wy*n(s)的复共轭，交叉小波功率谱为wxyn(s)的绝对值。4结果与分析4.1干旱时间变化特征气象上一般将春季定为35月，夏季定为68月，秋季定为911月，冬季定为12月至次年2月。3个月尺度的SPEI可以表征干旱的季节变化，12个月尺度的SPEI可以表征干旱的年际变化。4.1.1干旱指数年际变化特征贵州省19582018年SPEI变化趋势，如图3所示。由图3可知，19582018年贵州省整体上干旱加剧即 SPEI 为逐渐下降趋势。19611968 年和19901995 年 SPEI 值处于波动上升趋势，19681978 年数据表明该时段贵州省处于无干旱状态。19781988年和20002005年呈现下降趋势，20072018年SPEI呈现周期波动特征。进入21世纪后SPEI下降趋势明显，说明贵州省干旱加剧。4.1.2干旱指数季节变化特征贵州省19582018年季尺度下SPEI变化趋势图2干旱识别过程图319582018年贵州省SPEI变化趋势R2=0.305 781.510.50-0.5-1-1.5SPEI1958196819781988199820082018年份y=-0.016 939x+33.668 4非干旱历时R0R1R2D干旱历时d时间干旱烈度Scba海河水利762023.No.4如图4所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）分别代表春、夏、秋、冬四季。图419582018年季尺度下贵州省SPEI变化趋势（a）春季（d）冬季（c）秋季（b）夏季年份年份年份年份由图4（a）可知，19581968年春季表现出干湿波动趋势；19681978年和21世纪以来呈现干旱加强趋势，特别是进入21世纪后干旱明显加强，2010、2013、2015年出现严重的春旱事件。由图4（b）可知，夏季SPEI下降的速度较春季有所缓和。19581988年夏季发生多次严重的干旱事件；19751980年相对湿润，与春季相比旱情得到缓解；1990