雷江群，刘登峰，黄 强

(西安理工大学 水利水电学院，陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西 西安 710048)

渭河流域气候变化及干湿状况时空分布分析

雷江群，刘登峰，黄 强

(西安理工大学 水利水电学院，陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西 西安 710048)

【目的】 揭示渭河流域气候要素变化规律，明晰干湿状况分布及演变规律，为该流域减灾防灾决策提供支持。【方法】 利用渭河流域21个气象站1960-2010年共51年的气象观测资料，采用FAO Penman-Monteith公式计算该流域各气象站的潜在蒸散量和干燥指数，通过气候倾向率、Mann-Kendall法、R/S法、小波分析、滑动平均等方法，对该区域气候要素、干燥指数的变化特征及干湿状况进行分析。【结果】 (1)渭河流域51年来的降水量以1.69 mm/年不显著线性趋势减少，潜在蒸散量以0.24 mm/年不显著线性趋势增加，两者均存在17年和28年左右的变化周期；降水量与潜在蒸散量空间分布差异较明显，均呈东多西少、南多北少、由东南向西北递减的格局。(2)干燥指数以0.005/年不显著线性趋势增加，且增加趋势具有正的持续性；有8年和28年左右的干湿周期；干湿状况为东湿西干，南湿北干，呈现由东南向西北逐渐变干的格局。(3)预测该流域2010年后最湿润年份出现在2024年左右，最干燥年份出现在2019年左右。【结论】 渭河流域多年来有降雨减少、潜在蒸散变大、逐渐变干的趋势，应采取应对措施减轻旱涝灾害及其不利影响。

渭河流域；气候变化；干燥指数；干湿状况；时空分布

IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change)第三次全球气候评估报告指出，自工业革命以来，全球平均气温升高[1]，气候大幅度变暖，将对流域的水资源、农业和生态环境产生深刻影响。区域气候干湿变化是对气候变暖的响应[2]，对当地的社会经济影响较大。干湿状况变化的实质是降水和蒸发的共同作用。近年来，有关地表干湿状况的研究已成为学术界关注的焦点之一[3]。刘波等[4]分析了近45年来中国干湿区的交替变化特点；王鹏祥等[5]利用降水和蒸发资料构造降水蒸发均一化干湿指数，研究了西北地区干湿的时空演变特征；翟禄新等[6]利用标准化降雨指数(SPI)分析了西北地区50年的干湿状况，得出降水量的西增东减趋势与干旱频次的西北部减少、东南部增加相对应，全西北地区干旱频次有总体下降趋势；黄小燕等[7]利用干湿指数分析西北地区50年的地表干湿变化，结果表明西北地区近50年来有变湿的趋势，湿润指数平均每10年增加0.006；马柱国等[8]利用地表干燥指数对北方干旱区地表干湿状况进行了分析；蒋冲等[9]对渭河流域湿润指数的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行了分析，得出近52年渭河流域地表湿润指数整体下降，由南向北干旱程度逐渐增加；蒲金涌[10]利用气温、降水、潜在蒸散量及干燥指数，分析了渭河上游气候变化及干湿状况对地表水资源的影响，指出干燥指数总体呈上升趋势，其持续增大比较明显地影响了上游地表水资源。渭河流域位于西北地区偏东部，由于该流域占西北地区面积较少，因此未见有关其干湿状况分析的详细研究报道。

渭河流域地处黄土高原半干旱半湿润地区，同时也是气候变化的敏感区和生态环境脆弱区，近半个世纪降水、潜在蒸散和干湿状况均发生了变化。为了认识渭河流域的气候要素变化规律和干湿状况分布，本研究针对年降水和年潜在蒸散对渭河流域气候变化的响应进行了分析，并通过年干燥指数研究该流域干湿状况的变化特征及演变规律，以期为揭示该地区的气候变化规律、采取应对措施减轻旱涝灾害及其不利影响提供参考依据。

1 研究区概况及数据来源

渭河是黄河最大的支流，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，流域涉及甘肃、宁夏、陕西三省，在陕西省潼关县注入黄河。流域总面积13.5万km2，干流全长818 km。流域地形西高东低，北部为黄土高原，南部为秦岭山区。渭河流域地处干旱和湿润区的过渡地带，属大陆性季风气候。年降水量400～600 mm，总体分布南多北少，潜在蒸散量大于降水量。由于近年来降水量减少、用水量增加，导致该区域水资源紧缺、洪涝和干旱等灾害时有发生。

本研究所采用的气象数据来源于中国气象数据共享服务网，包括降水量、气温、湿度、气压、风速、日照时数、相对湿度等。选取渭河流域及其周边区域21个气象站(临洮、岷县、华家岭、西吉、固原、天水、平凉、环县、西峰镇、长武、林家村、魏家堡、佛坪、吴旗、延安、洛川、铜川、西安、镇安、商县、华山)1960-2010年各气候要素的年平均值作为研究的时间序列值，根据世界粮农组织(FAO)1998年修正的Penman-Monteith模型计算各气象站的潜在蒸散量，形成该流域年潜在蒸散量序列以及能反映该区域干湿状况的干燥指数时间变化序列。渭河流域各气象站点的分布如图1所示。

2 分析方法

2.1 潜在蒸散量的计算

采用世界粮农组织(FAO)1998年修正的Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量[11]，其公式为：

(1)

式中：ET0为潜在蒸散量，mm；Rn为太阳净辐射，MJ/m2；G为土壤热通量，MJ/m2；γ为干湿表常数，kPa/℃；T为2 m高处日平均气温，℃；u为2 m高处风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压曲线斜率，kPa/℃。

本研究忽略1.5 m和2 m高处的气温、湿度差别，以常规1.5 m处的气温、湿度记录近似代替2 m处的气温、湿度值，可利用下式修正得到2 m高处的风速，即：

u=uz=4.87÷[ln (67.8z-5.42)]。

(2)

式中：u为2 m高处的风速，m/s；uz为zm高处测量的风速，m/s；z为风速仪距地面的高度，m。

图1 渭河流域气象站点的分布
Fig.1 Distribution of the meteorological stations in Wei River basin

2.2 干燥指数的计算

干燥指数经常被作为气候干湿状况的评价指标，干燥指数越大表明气候越干燥，反之则越湿润。本研究采用潜在蒸散量与降水量之比作为干燥指数。即：

H=ET0/R。

(3)

式中：H为干燥指数；ET0为潜在蒸散量，mm；R为降水量，mm。

2.3 Mann-Kendall法

Mann-Kendall检验最初由Mann和Kendall提出[12-13]。对于时间序列x1,x2,…,xn，先确定所有对偶值(xi,xj,j>i)中xi

U=τ/[Var(τ)]1/2。

(4)

其中：

(5)

(6)

原假设为时间序列数据x1,x2,…,xn无趋势。检验时，按(4)式计算检验统计量U，然后取显著水平α=5%在正态分布表中查出临界值Uα/2=1.96。当|U|>Uα/2时，拒绝原假设，即序列趋势显著；反之，接受原假设，趋势不显著。若U>0，说明序列存在递增趋势；反之，则为递减趋势。

2.4 R/S法

R/S法是由水文学家Hurst在1965年提出的一种分析方法，后来由Mandelbrot和Wallis[14-15]在理论上对该方法进行了补充和完善。其主要原理为：对于时间序列{x(t)}(t=1,2,…,n)，定义均值序列xτ：

(7)

累计离差X(t,τ)：

(8)

极差序列R(τ)：

R(τ)=maxX(t,τ)-minX(t,τ),1≤t≤τ。

(9)

标准差序列S(τ)：

(10)

对于比值R(τ)/S(τ)≡R/S，若存在R/S∝τH，则说明时间序列{x(t)}(t=1,2,…,n)存在Hurst现象。以H表示Hurst指数，H值可根据计算出的(τ,R/S)值，在双对数坐标系(ln(τ),ln(R/S))中利用最小二乘法拟合，H对应拟合直线的斜率。

根据H的大小，可判断时间序列趋势成分表现为正持续性还是反持续性。存在3种情况：

(1)H=0.5时，表明时间序列是随机变化的。

(2)0.5

(3)0

2.5 小波分析法

为了判断各序列的主要周期，即对干燥指数时间序列变化起主要作用的周期，采用小波方差检验，计算公式为：

(11)

式中：Wf(a)为小波方差，a为尺度因子，b为平移因子，Wf(a,b)为小波系数。

小波方差图用以反映能量随尺度a的分布，可确定时间序列中各种尺度扰动的相对强度，对应的峰值处时间尺度称为该序列的主要尺度，用以反映时间序列的主要周期[16]。

3 结果与分析

3.1 渭河流域降水量与潜在蒸散量的时空变化

渭河流域历年降水量与潜在蒸散量变化如图2和图3所示，该流域多年平均降水量为581.1 mm，最大值为857.2 mm(1964年)，最小值为385.8 mm(1997年)，极值比为2.22。年降水量变差系数Cv为0.16，Cv值较小，说明年降水量序列离散程度较小；偏态系数Cs为0.65，Cs>0，说明年降水量序列为正偏分配。年降水量的较大值出现在20世纪60年代初、80年代初及21世纪初，较小值出现在20世纪的70年代初及90年代末。1960-2010年共51年来，年降水量以1.69 mm/年的线性趋势减少，但线性变化趋势不明显，检验统计量U=-1.89，不能通过显著性水平α=5%的Mann-Kendall检验。Hurst指数H=0.69，表明年降水序列具有正的持续性，即过去的一个减少趋势意味着将来的一个减少趋势。流域降水量空间分布差异较明显，51年来各站多年平均降水量为406.0～909.7 mm，以东南部渭河源区最大，北部黄土高原区最小，极差达503.7 mm。各站多年平均降水量为：佛坪>华山>镇安>商县>宝鸡>洛川>武功>铜川>长武>岷县>西安>西峰镇>延安>临洮>天水>平凉>华家岭>吴旗>固原>环县>西吉，大致呈东多西少、南多北少、由东南向西北递减的格局。

图2 渭河流域1960-2010年历年降水量的变化
Fig.2 Changes of annual precipitation in Wei River basin from 1960 to 2010

该流域多年平均潜在蒸散量为843.9 mm，最大值为927.4 mm(1997年)，最小值为725.2 mm(1964年)，极值比为1.28。年潜在蒸散量变差系数Cv为0.06，Cv值较小，说明年潜在蒸散量序列离散程度较小；偏态系数为-0.59，Cs<0，说明年潜在蒸散量序列为负偏分配。年潜在蒸散量的较大值出现在20世纪70年代初及90年代末，较小值出现在20世纪60年代初、80年代初及21世纪初，这与降水量较大、较小值出现年份正好相反。51年来潜在蒸散量以0.24 mm/年的线性趋势增加，但线性变化趋势不明显，检验统计量U=0.19，不能通过显著性水平α=5%的Mann-Kendall检验。Hurst指数H=0.86，表明年潜在蒸散量序列具有正的持续性，即过去的一个增加趋势意味着将来的一个增加趋势。流域潜在蒸散量空间分布差异较明显，51年来各站多年平均潜在蒸散量为721.7～936.4 mm，以东南部渭河源区最大，北部黄土高原区最小，极差达214.7 mm。各站多年平均潜在蒸散量为：商县>华山>铜川>洛川>环县>西峰镇>延安>西安>固原>平凉>武功>镇安>吴旗>宝鸡>长武>佛坪>天水>临洮>西吉>华家岭>岷县，大致呈东多西少、南多北少、由东南向西北递减的格局，与降水量在空间上的分布大致相同。

以渭河流域历年降水量为时间序列，采用小波分析法绘制该流域降水量序列小波变换方差如图4所示。由图4可知，该流域年降水量序列小波方差有2个峰值，分别对应17年和28年左右的时间尺度。第1峰值是28年左右，说明降水量28年左右的周期振荡最强，为降水的第1主周期，第2主周期为17年左右，故渭河流域存在17年和28年左右的降水周期。由于28年为降水第1主周期，故用此周期预测未来降水极大极小值。由图2可知，51年来降水极大值出现在1964年，故预测在2010年后降水极大值出现在2个周期后的2019年左右；51年来降水极小值出现在1997年，同样预测降水极小值出现在1个周期后的2024年左右。同理，可得到该流域潜在蒸散存在同样的17年(第2主周期)和28年(第1主周期)左右的周期。由图3可知，51年来潜在蒸散极大值出现在1997年，预测在2010年后潜在蒸散极大值出现在1个周期后的2024年左右；51年来潜在蒸散极小值出现在1964年，同样预测潜在蒸散极小值出现在2个周期后的2019年左右。

3.2 渭河流域干燥指数的时空变化

渭河流域1960-2010年干燥指数的变化情况如图5所示。

由图5可以看出，渭河流域多年平均干燥指数为1.5，最大值为2.4(1997年)，最小值为0.85(1964年)。年干燥指数的较大值出现在20世纪80年代末及90年代末，较小值出现在20世纪60年代初、80年代初及21世纪初，这与潜在蒸散较大、较小值出现年份大致相同。51年来干燥指数以0.005/年的线性趋势增加，但线性变化趋势不明显，检验统计量U=1.44，不能通过显著性水平α=5%的Mann-Kendall检验。Hurst指数H=0.68，表明年干燥指数序列具有正的持续性，即过去的一个增加趋势意味着将来的一个增加趋势。流域干燥指数空间分布差异较明显，51年来各站点多年平均干燥指数为0.93～2.29，东南部渭河源区最大，北部黄土高原区最小。各站多年平均干燥指数为：环县>固原>西吉>吴旗>平凉>延安>西峰镇>华家岭>天水>西安>铜川>洛川>临洮>武功>长武>商县>宝鸡>岷县>华山>镇安>佛坪，大致呈东湿西干、南湿北干、由东南向西北逐渐变干的格局。

以小波分析法分析渭河流域历年干燥指数的时间序列，结果见图6。由图6可知，1960-2010年51年间干燥指数序列小波方差有2个峰值，分别对应8年和28年左右的时间尺度。第1峰值是28年左右，说明干湿28年左右的周期振荡最强，为干湿的第1主周期，第2主周期为8年左右。故该流域存在8年和28年左右的干湿周期。由于28年为干燥指数序列第1主周期，故用此周期预测未来干湿状况。由图5可知，51年来干燥指数极大值出现在1997年，故预测在2010年后最湿润年份出现在1个周期后的2024年左右；51年来干燥指数极小值出现在1964年，同样预测最干燥年份出现在1个周期后的2019年左右。

4 结 论

本研究使用渭河流域及其周边区域21个气象站1960-2010年的气温、降水、相对湿度、日照时数、风速等资料，采用FAO Penman-Monteith公式计算出该流域各气象站的潜在蒸散量和干燥指数。通过气候倾向率、Mann-Kendall法、R/S法、小波分析、滑动平均等方法对该区域降水、潜在蒸散、干燥指数的变化特征及干湿状况进行了分析。结果表明：

1)渭河流域51年来降水量以1.69 mm/年线性趋势减少，但趋势不显著，且减少趋势具有正的持续性；存在17年和28年左右的降水周期；降水量空间分布为东多西少，南多北少，由东南向西北递减。

2)该流域51年来潜在蒸散量以0.24 mm/年线性趋势增加，但趋势不显著，且增加趋势具有正的持续性；存在17年和28年左右的潜在蒸散周期；潜在蒸散量空间分布与降水分布大致相同。

3)该流域51年来干燥指数以0.005/年线性趋势增加，但趋势不显著，且增加趋势具有正的持续性；存在8年和28年左右的干湿周期；干燥指数空间差异较明显，呈东湿西干、南湿北干、由东南向西北逐渐变干的格局。

4)该流域51年来干燥指数极大值(降水极小值、潜在蒸散极大值)出现在1997年，预测出2010年后最湿润年份出现在2024年左右；该流域51年来干燥指数极小值(降水极大值、潜在蒸散极小值)出现在1964年，预测出最干燥年份出现在2019年左右。

渭河流域干湿状况的分布与降水、气温、蒸散发等相关。本论文只研究了降水和蒸散发的变化规律，并未考虑气温等因素的影响，单一地利用干燥指数来评判该流域的干湿特征，所得结果尚存在一定的片面性。若考虑采用其他指数进行分析研究，结果会更加全面。由于降水有减少趋势，蒸散量有增加趋势，导致该流域有逐渐变干的倾向，该研究结果可为防汛抗旱部门的统一部署提供依据。

[1] IPCC Report.Climate change 2001:The scientific basis [R].Cambridge:Cambridge University Press,2001：140-165.

[2] 杨建平，丁永建，陈仁升，等.近50年来中国干湿气候界线的10年际波动 [J].地理学报，2002,57(6)：655-661.

Yang J P,Ding Y J,Chen R S,et al.The interdecadal fluctuation of dry and wet climate boundaries in China in recent 50 years [J].Acta Geographica Sinica,2002,57(6):655-661.(in Chinese)

[3] 吴绍洪，尹云鹤，郑 度，等.近30年中国陆地表层干湿状况研究 [J].中国科学D辑：地球科学，2005,35(3)：276-283.

Wu S H,Yin Y H,Zheng D,et al.Study on dry-wet status of land surface in China in recent 30 years [J].Science in China Ser.D:Earth Sciences,2005,35(3):276-283.(in Chinese)

[4] 刘 波，马柱国.过去45年中国干湿气候区域变化特征 [J].干旱区地理，2007,20(1)：7-15.

Liu B,Ma Z G.Area change of dry and wet regions in China in the past 45 years [J].Arid Land Grography,2007,20(1):7-15.(in Chinese)

[5] 王鹏祥，何金海，郑有飞，等.近44 年来我国西北地区干湿特征分析 [J].应用气象学报，2007,18(6)：769-775.

Wang P X,He J H,Zheng Y F,et al.Aridity-wetness characteristics over northwest China in recent 44 years [J].Journal of Applied Meteorological Science,2007,18(6)：769-775.(in Chinese)

[6] 翟禄新，冯 起. 基于SPI的西北地区气候干湿变化 [J].自然资源学报，2011,26(5)：847-857.

Zhai L X,Feng Q.Dryness/wetness climate variation based on standardized precipitation index in northwest China [J].Journal of Natural Resources,2011,26(5):847-857.(in Chinese)

[7] 黄小燕，张明军，贾文雄，等.中国西北地区地表干湿变化及影响因素 [J].水科学进展，2011,22(2)：151-159.

Huang X Y,Zhang M J,Jia W X,et al.Variations of surface humidity and its influential factors in northwest China [J].Advances in Water Science,2011,22(2):151-159.(in Chinese)

[8] 马柱国，符淙斌.中国北方干旱区地表湿润状况的趋势分析 [J].气象学报，2000,59(6):737-746.

Ma Z G,Fu C B.Trend of surface humid index in the arid area of northern China [J].Acta Meteorologica Sinica,2000,59(6):737-746.(in Chinese)

[9] 蒋 冲，王 飞，穆兴民，等.气候变化对渭河流域自然植被净初级生产力的影响研究:Ⅰ.地表干湿状况时空演变特征分析 [J].干旱区资源与环境，2013,27(4)：30-36.

Jiang C,Wang F,Mu X M,et al.Effect of climate change on net primary productivity (NPP) of natural vegetation in Wei river basin:Ⅰ.Temporal and spatial characteristics of dry-wet condition [J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2013,27(4):30-36.(in Chinese)

[10] 蒲金涌.渭河流域上游干湿状况时空分布及其与地表水资源的关系 [J].资源科学，2011,33(7)：1242-1248.

Pu J Y.Spatial and temporal distributions of dry-wet status and its relationship with surface water resources in the upper reaches of the Weihe River [J].Resources Science,2011,33(7):1242-1248.(in Chinese)

[11] Allen R G,Pereira L S,Raes D,et al.Crop evapotranspiration:Guidelines for computing crop water requirements [R].Rome:FAO,1998.

[12] Mann H B.Non-parametric test against tend [J].Econometrica,1945,13:245-259.

[13] Kendall M G.Rank correlation methods [M].London:Charl-es Griffin,1975.

[14] Mandelbrot B B,Wallis J R.Some long-run properties of geographysical records [J].Water Resource Research,1969,5(2):321-340.

[15] Mandelbrot B B,Wallis J R.Robustness of the rescaled ranged R/S in the measurement of noncyclic long run statistical dependence [J].Water Resource Research,1969,5(5):967-988．

[16] 邵晓梅，许月卿，严昌荣.黄河流域降水序列变化的小波分析 [J].北京大学学报:自然科学版，2006,42(4)：503-509.

Shao X M,Xu Y Q,Yan C R.Wavelet analysis of rainfall variation in the Yellow River Basin [J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2006,42(4):503-509.(in Chinese)

Climate change and spatiotemporal distribution of dry-wet status in Wei River basin

LEI Jiang-qun,LIU Deng-feng,HUANG Qiang

(StateKeyLaboratoryofEco-HydraulicEngineeringinShaanxi,SchoolofWaterResourcesandHydropower,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

【Objective】 The variation of climate elements and distribution of dry-wet status in Wei River basin were studied to support decision-making in disaster prevention and reduction.【Method】 Based on observation data at 21 meteorological stations in Wei River basin from 1960 to 2010 for a total of 51 years,potential evaporation and aridity index were calculated using Penman-Monteith model.Variations in climatic elements,aridity index and dry-wet status were investigated by climatic trend rate,Mann-Kendall method,R/S method,wavelet analysis method and moving average method.【Result】 (1) The precipitation decreased by 1.69 mm per year and the potential evapotranspiration increased by 0.24 mm per year.The changing periods of precipitation and potential evapotranspiration were 17 years and 28 years,respectively.The spatial distributions of precipitation and potential evapotranspiration were different,and they decreased from the southeast to the northwest of the basin.(2)The aridity index increased by 0.005 per year,and the increasing trend had a positive sustainability.The dry-wet status had periods of 8 years and 28 years.The climate became drier from the southeast to the northwest.(3)The most humid year would occur in 2024,and the driest year will be 2019 in the basin. 【Conclusion】 The precipitation was decreasing,the potential evapotranspiration was increasing and the climate was becoming drier in recent years.Thus,measures should be taken to reduce the adverse effects of drought and waterlogging disasters.

Wei River basin;climate change;aridity index;dry-wet status;spatiotemporal distributions

2013-10-31

国家自然科学基金项目(51190093，51309188，51179149)；陕西省重点科技创新团队项目(2012KCT-10)

雷江群(1990-)，女，陕西咸阳人，在读硕士，主要从事流域水文序列变异规律研究。E-mail：1019284430@qq.com

黄 强(1958-)，男，四川梓潼人，教授，博士生导师，主要从事水文学与水资源研究。E-mail：sy-sj@xaut.edu.cn

时间:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.017

P463.1

A

1671-9387(2015)03-0175-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.017.html