张午朝 高冰 马育军

摘要：分析长江流域历史时期的干旱时空变化特征，对于目前和未来的干旱应对具有重要参考价值。采用12月尺度标准化降水指数（SPI_12）对长江流域134个气象站1961～2015年逐日降水数据进行统计分析，探究了流域内不同等级干旱的时间变化特征和空间分布格局。结果表明：长江流域每年发生干旱的平均次数和站点数均没有明显变化趋势，但特旱发生次数和站点数均呈升高趋势;流域内各站点发生干旱的频率主要介于30%～35%之间，四川盆地、云南省北部、贵州省北部发生干旱的频率大多呈增加趋势，其他地区干旱发生频率以降低趋势为主。上述结果表明，长江流域不同等级干旱呈现不一致的时间变化特征，发生特旱的风险呈增加趋势，不同区域的干旱变化趋势也存在显著差异，因此需要分区制定针对性的应对措施。

关键词：干旱; 标准化降水指数; 时空变化特征; 长江流域

中图法分类号：P33文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.010

干旱作为一种自然灾害，按照受灾人数进行排序，在所有自然灾害中位列第一[1]，长江流域是我国干旱灾害的主要发生地之一[2]。研究发现，历史上长江流域干旱（5级）灾害多发地带有两个，一个呈东北-西南走向分布于长江三角洲、长江中下游、洞庭湖南部至湘西南和黔东北一线，另一个呈东北-西南走向位于汉江上游、三峡地区至云贵高原一线;而偏旱（4級）灾害的多发区主要位于四川盆地、江南南部和下游干流[3]。目前对长江流域干旱的研究包括基于不同指数的分析及趋势性检验[4-6]、基于遥感的旱情监测[7]、利用模型模拟空间格局[8]或预测未来变化[9-11]等。

标准化降水指数（Standard Precipitation Index，SPI）是以长期降水记录为依据进行的计算，可以用于任何地区的干旱评估。这种长期记录符合概率偏态分布，并可转化为正态分布，以便使某地区一段时期内的平均SPI为零[12]。SPI目前已被广泛应用于不同方面的干旱研究，包括干旱频率分析、干旱空间分布、干旱预测以及气候影响评估等[1，13]。张利利等基于不同尺度SPI分析了石羊河流域的干旱持续时间、强度、空间格局等，指出尺度越小，SPI对于一次降水的反映越明显，12月尺度SPI可以清楚地反映长期旱涝变化特征[14]。

干旱等级是衡量干旱严重程度的重要指标之一，不同等级干旱带来的损失差别巨大，分等级研究干旱的时空变化规律十分必要。目前有关长江流域干旱特征的研究很多，但关于不同等级干旱时空变化特征等方面研究较少，因此本文根据长江流域134个气象站1961～2015年的逐日降水数据，采用12月尺度的标准化降水指数表征干旱程度，按SPI干旱标准进行等级划分，在此基础上分析不同等级干旱的时空变化特征，包括发生次数和站点数的变化趋势、干旱的空间分布等，以期全面地揭示长江流域多年干旱变化特征。

1研究区概况

长江流域是世界第三大流域，总面积达到180万km 属亚热带季风气候区，同时受到西南季风和东南季风的影响[15]。流域多年平均降雨量1 067 mm，由东南向西北递减，中下游高于上游。雨带每年3～4月自东南向西北移动，中下游的雨季早于上游，江南早于江北[16]。受太阳辐射、大气环流、青藏高原等综合影响，长江流域空气温度呈现东高西低、南高北低的分布趋势，江源地区是全流域气温最低的地区[17]，而四川盆地、云贵高原和金沙江河谷等地则形成高温封闭中心[18]。

2研究方法

本文采用的降水量为长江流域134个气象站1961年1月1日至2015年12月31日的逐日观测数据，来自于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/），其中67个气象站位于宜昌站以上的上游流域，47个气象站位于宜昌站至湖口站之间的中游流域，20个气象站位于湖口站以下的下游流域（图1）。

图1长江流域气象站点分布Fig.1Distribution of weather stations in the Yangtze River Basin

降水量的偏态分布可以用Gamma分布进行拟合，计算SPI时需要将这种Gamma概率密度函数进行正态标准化处理，然后利用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级[19]。进一步将累积概率转化为标准化正态随机变量Z，Z的平均值为0，方差为1[20]，也就是本文所要使用的SPI。从理论上讲，SPI表示的是随机变量Z的值，或者说是某一事件高于或低于平均值的标准偏差，但是当涉及不同长度记录时，Gamma分布的形状参数和范围参数会发生变化。当SPI计算长期尺度（超过24个月）拟合分布时，可能会由于数据长度的限制发生偏离，而短时间尺度降水量分布会发生倾斜，并且拟合Gamma分布也存在局限性[20]，因此本文选用12月时间长度计算SPI指数。

根据国家标准《气象干旱等级》（GB/T 20481-2006），以SPI为依据的干旱等级划分如表1所示，不同等级干旱对农业和生态环境的影响程度存在显著差异。

3结果分析

3.1干旱时间变化特征

根据不同等级干旱发生次数的Mann-Kendall（M-K）趋势检测（表2），1961～2015年长江流域各站点年平均干旱总次数的Z统计值为0.798，没有超过95%置信区间的临界值1.96，因此每年发生干旱的总次数没有明显的增加或降低趋势。根据统计，年平均干旱总次数为3.77次，发生干旱最多的是1979年（6.58次）、最少的是2015年（1.45次，图2）。从年代际看，长江流域20世纪60年代、70年代、80年代、90年代、21世纪前10 a和2010～2015年发生干旱的总次数分别为30.29，39.67，34.65，35.91，42.51，20.51次，总体呈现20世纪70年代明显增加，80～90年代有所减少，进入21世纪再次增加。另外，干旱发生次数具有一定的波动性，21世纪以来2个干旱次数低谷之间的时间跨度变长。

虽然1961～2015年长江流域每年发生干旱的总次数没有明显变化，但是根据M-K趋势检测结果可以发现：特旱发生次数的Z值为2.305，超过了95%置信区间的临界值，表明特旱发生次数呈现明显增加趋势（表2）。不同等级干旱之间的对比显示，1961～2015年平均每年发生轻旱、中旱、重旱和特旱的次数分别为1.82，1.15，0.55，0.24次，总体而言干旱等级越高，相应等级干旱的发生次数越少。然而2012年重旱和特旱发生次数分别为0.71，0.84次，2013年重旱和特旱发生次数分别为0.31，0.34次，都出现了特旱次数超过重旱次数的情况。从年代际不同等级干旱的发生次数看，轻旱次数自20世纪60年代到90年代呈现减少趋势，而21世纪以来，随着干旱总次数的增多，轻旱次数也有所增多;中旱次数在20世纪60年代到80年代有所减少，80年代以后呈现增多趋势;重旱和特旱发生次数自20世纪80年代以后呈现一定上升趋势。

M-K趋势检测结果显示（见表3）：长江流域1961～2015年发生干旱的总站点数和轻旱、中旱、重旱的发生站点数均没有通过90%置信区间的显著性检测，发生特旱的站点数通过了90%置信区间的检测，但没有通过95%置信区间的检测，表明虽然每年发生干旱的站点数没有明显变化，但是发生特旱的站点数呈现增多趋势。

长江流域1961～2015年每年平均發生干旱的站点数为92.52个，其中2007年最多（120个），其次是1979年（119个，图3）。从不同等级干旱看，1979，2011，2012年发生特旱的站点数超过发生重旱的站点数，其中2012年有32个站点发生特旱，数量甚至超过了轻旱，是不同等级干旱发生站点数最多的。

3.2干旱空间分布格局

1961～2015年长江流域各站点总干旱发生频率大多介于30%～35%之间，较高的站点有广元、万源、石门、宜春、玉山，干旱发生频率均在35%以上，其中石门站最高，达到38.12%（图4）。从不同等级干旱的发生情况看，长江流域轻旱发生频率介于10%～20%之间的站点居多，中旱发生频率集中在5%～15%，重旱发生频率介于2.2%～7.3%之间，特旱发生频率介于0.3%～4.9%之间。发生特旱频率较高的站点有木里、叙永、黔西、安顺、滁县，但这几个站点并不是干旱频发的站点，发生总干旱的频率均不到30%，低于所有站点的平均值，但是发生一次特旱的损失却远远大于普通干旱。另外，重旱发生频率较高的站点有康定、乐山、元谋、老河口、毕节等，这些地方属于总干旱频率不高，但重旱发生次数较多的区域，说明虽然不常发生干旱，但是一旦发生往往都达到重旱及以上程度。中旱和轻旱主要发生在长江中下游地区。

长江流域1961～2015年干旱发生频率升高的区域主要集中在长江上游的四川盆地以及云南和贵州北部地区，长江源头、川西高原和长江中下游的干旱发生频率总体呈减少趋势（图5）。

4结论与讨论

1961～2015年，长江流域每年发生干旱的总次数没有明显的变化趋势，这与许继军等研究指出的1950～2000年长江流域年降水量变化趋势不显著的结果类似[5]。从不同等级干旱看，长江流域1961～2015年特旱发生次数通过了95%置信区间的M-K趋势检验，呈现显著增多趋势，1979，2011，2012年是发生特旱次数最多的3 a。长江流域每年发生干旱的站点数也没有明显变化，但发生特旱的站点数呈现增多趋势，1979，2011，2012年也是特旱发生站点数最多的3 a。

长江流域各站点发生干旱的频率主要介于30%～35%之间，并且中旱和轻旱大多分布于中下游地区。王瑛等提出长江流域中小型旱灾发生频率最高的区域集中在三峡地区以及中下游的汉江、湘江、资江等支流流域[21]，与本文结果类似。长江流域重旱、特旱发生频率相对较高的站点并不是总体干旱发生频率高的站点，这些地方虽然不常发生干旱，但一旦发生干旱，级别往往达到重旱及以上程度。贺晋云等研究发现西南地区极端干旱增多的地区主要分布在西南季风迎风坡和四川盆地西南等地势高的区域，推测其原因为近50 a西南季风减弱导致该地区降水减少和极端干旱发生频率增加[22]。刘元波等对鄱阳湖区2000～2010年的极端干旱成因进行了分析，指出流域水分收支亏缺是鄱阳湖区发生极端干旱的原因之一，其中降水亏缺是基本致旱因素，蒸散量增加是辅助作用[23]。因此，降水减少应当是长江流域重旱和特旱发生频率增多的主要原因。

从干旱发生频率的变化看，长江上游四川盆地、云南省北部、贵州省北部呈现明显的上升趋势，其他地区主要表现为下降趋势。许继军等提出20世纪90年代以来长江流域尤其是中下游降水量增加，然而四川盆地和汉江上游降水量下降[5]。李军等人根据REOF时空分解划分干湿特征区域后同样发现，西南大部分地区都有变干趋势，包含云南高原东部区、云南高原西部区、四川盆地西部区和贵州高原南部区等地，其中云南高原东部区变干趋势显著，而汉中盆地区和东部山地区有变湿润趋势但并不显著[24]。

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引用本文：张午朝，高冰，马育军.长江流域1961～2015年不同等级干旱时空变化分析[J].人民长江，2019，50（2）：53-57.

Temporal and spatial variation characteristics of different drought grades  from 1961 to 2015 in Yangtze River Basin

ZHANG Wuzhao1，2， GAO Bing 2， MA Yujun1，3

（1.School of Natural Resources， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology， Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China;3.School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract： Analyzing temporal and spatial variation characteristics of droughts in  historical period in the Yangtze River Basin has important reference significance for the present and future drought fighting. In this paper， 12-month standard precipitation index （SPI_12） was used to analyze the daily precipitation data of 134 weather stations in the Yangtze River Basin from 1961 to 2015 to explore the temporal variation trends and spatial distribution patterns of different drought grades in the watershed. The results showed that： there was no obvious change in the average annual drought frequency and the site number in the Yangtze River Basin， but the frequency of extreme drought and the site number increased. The drought frequency in the whole watershed was mainly between 30% and 35%， showing increasing tendency in Sichuan Basin， northern Yunnan Province and northern Guizhou Province， and a downward tendency in other areas. The above results indicate that temporal characteristics of different drought grades are inconsistent in the Yangtze River Basin， and the risk of extreme drought is increasing. The drought trends in different regions are also significant different， therefore zoning is essential to develop targeted countermeasures.

Key words：drought; standard precipitation index; temporal and spatial variation characteristics; Yangtze River Basin