ABSTRACT

In this study, the meteorological data of 12 meteorological stations from 1955 to 2014 in the Poyanghu basin were used to calculate the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) at different scales and analyze the application of SPEI in the basin. At the same time, drought and waterlogging distribution of time and space in Poyanghu basin was analyzed by SPEI index. Research results show that SPEI is confirmed to be applicable in Poyanghu basin. Precipitation increases in the 1990s which results in increasing flooding. SPEI decreases significantly and increases drought in the 2000s. In the 2010s, SPEI has a larger fluctuation, severe drought and heavy flooding disasters alternately. Drought in the Poyanghu basin shows an increasing trend in spring and autumn, while precipitation increases in summer. The droughts reduced after 1990s and unchanged in winter.

Keywords:Poyanghu Basin, Drought and Waterlogging, SPEI

基于SPEI的鄱阳湖流域旱涝特征分析

李斌^1*，李洁²

¹江西省景德镇市水文局，江西 景德镇

²西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安

收稿日期：2016年10月7日；录用日期：2016年10月23日；发布日期：2016年10月26日

摘 要

本次研究采用鄱阳湖流域12个气象站点1955~2014年的气象数据，计算该流域多重时间尺度的SPEI值，分析SPEI在该流域的应用情况，同时基于SPEI分析鄱阳湖流域旱涝特征。研究结果表明：SPEI指数在鄱阳湖流域适用性较好。流域在90年代降水增多，SPEI值上升，洪涝灾害增加；00年代SPEI下降趋势明显，旱灾增加；10年代后SPEI波动较大，重旱和重涝灾害频繁交替。流域春季和秋季干旱呈现增加的趋势；夏季在90年代以后降水偏多，洪涝灾害增多，干旱减少；冬季无变化。

关键词 :鄱阳湖，旱涝灾害，SPEI

1. 引言

鄱阳湖是目前中国最大的淡水湖泊，位于长江中下游南岸，流域面积为16.2万平方公里。鄱阳湖纳赣江、抚河、信江、饶河和修水五水系以及博阳河、东河和西河诸河来水，经鄱阳湖调蓄后由湖口汇入长江，是一个过水性浅水湖泊。鄱阳湖流域水资源丰富，多年平均降水量为1589 mm，然而流域内降水时空分布不均，具有明显的季节性和区域性 [1] 。

由于全球气候变化和人类活动的影响，导致旱灾和洪涝灾害造成的影响越来越大，每年造成的经济损失不计其数 [2] 。近年来，鄱阳湖流域出现了旱涝急转、枯水期水位连创新低、低水位持续时间延长、水质恶化与湿地生态系统遭受破坏等现象，引起了社会的广泛关注，不少学者也积极开展了鄱阳湖的研究 [3] 。极端气候及其变化对地区经济、社会有广泛而深刻的影响，尤其是在极端干旱气候情景下，将会影响鄱阳湖流域内水利工程的正常运行，导致蓄水和发电矛盾愈发突出，对下游的生产、生活、环境、生态方面均有影响 [4] 。

干旱指标是用来描述干旱特征的指标，不同干旱指标适用的地区与时间尺度也有所不同。干旱指标是研究干旱气候的基础，也是衡量干旱程度的关键环节 [5] 。目前应用较多的干旱指标有标准化降水指数(SPI) [6] 、帕尔默干旱指数(PDSI) [7] 、Z指数 [8] 、综合气象干旱指数(CI) [9] 、标准化降水蒸散发指数(SPEI) [10] 等。本文拟分析SPEI在鄱阳湖流域的适用性，并基于该指数对鄱阳湖进行旱涝特征分析，探究该地区的气候变化规律，并为采取应对措施减轻旱涝灾害及其不利影响提供参考依据。

2. 研究资料和方法

2.1. 研究资料

本文研究资料主要为鄱阳湖流域范围内修水、吉安、赣州、鄱阳、景德镇、广昌、南城、贵溪、遂川、宜春、南昌、玉山12个气象站点1955~2014年的月降雨量资料以及月平均气温资料。资料来源于中国气象科学数据共享服务网，数据取自国家基本、基准地面气象观测站及自动站。鄱阳湖流域站点分布信息如图1。

2.2. SPEI计算方法

增暖背景下单一地分析降水量的变化已不足以解释干旱化及干旱的范围和强度的变化，增暖已成为干旱加

图1. 鄱阳湖流域站点分布图

剧的重要因子之一。因此，Vicente-Serrano等 [11] 在SPI的基础上提出了标准化降水蒸发指数(SPEI)。SPEI是基于SPI的基础上进一步考虑了蒸散发量来反映干旱的程度。

SPEI是基于log-logistic分布的分布频率值。具体计算步骤如下：

首先，采用Vicente-Serrano推荐的Thornthwaite法 [12] 计算月潜在蒸发量P_E：

(1)

其中：

，(2)

式中：P_E为月潜在蒸发量，K为修正系数，T为月平均气温，I为年热量指数，m为常数。Thornthwaite法仅需要气温就可计算，被广泛应用于干旱和半干旱地区。

第二，计算月水分亏缺量D_i：

(3)

式中：P_i为月降水量，D_i为月水分亏缺量，i为月数。

第三，基于log-logistic概率分布函数计算水分亏缺量的概率分布。

(4)

式中： 、和 分别是尺度参数、形状参数和位置参数，计算公式如下：

(5)

式中：是Gamma函数，w₀、w₁和w₂为概率权重距。w₀、w₁和w₂计算公式如下：

(7)

式中：w_s为概率权重距，n为月份个数，s分别为0、1、2。

第四，对log-logistic概率分布函数F(x)进行标准化处理。

(8)

令， 当 时，参数 ，

(9)

当 时， ，

(10)

其中，，，，，，。SPEI干旱等级分类见表1。

3. 结果与分析

3.1. 鄱阳湖流域SPEI适用性及年际变化趋势性分析

分别计算鄱阳湖流域1月、3月、12月尺度的平均SPEI序列如图2所示，分析可知，小尺度如1月、3月的SPEI序列受1次降水影响较大，波动很大；而大尺度12月的SPEI序列波动则较小，主要受持续降水影响。

SPEI年际变化趋势如图3所示，该序列为12月尺度每年的12月份SPEI值。绘制其趋势线及10年滑动平均线。由图3可知，鄱阳湖SPEI年际变化曲线波动较大，易出现重涝以及重旱的情况。鄱阳湖流域2012年SPEI值为1.54，达到60年间最大值，查询江西省历年灾害情况可知2012年江西省降水量创历年新高。SPEI年际序列与历史情况相符，因此SPEI在鄱阳湖流域具有适用性。

根据趋势线分析鄱阳湖流域1955年~2014年60年来整体无明显趋势，但通过10年滑动平均线可知，90年代以后流域SPEI序列有一个轻微的上升趋势，降水整体偏多，几乎无干旱情况；在2000年以后SPEI有一个明显的下降的趋势，旱灾增加，在2003年、2007年、2009年均有中旱到重旱的情况；2010年后SPEI波动很大，重旱和重涝灾害频繁交替。

图4为图3序列的M-K突变检验曲线，由图可知1955~2014年期间鄱阳湖流域并未发生明显突变，分析图中UF曲线可知，鄱阳湖流域SPEI在90年代以后有一个上升的趋势到2000以后又逐渐下降这与图3分析

表1. SPEI干旱分级

图2. 不同尺度SPEI序列(a、b、c分别为1月、3月、12月尺度)

图3. SPEI年际变化趋势图

图4. M-K突变检验曲线(虚线为0.05显著性水平临界线)

趋于一致。

3.2. 流域不同季节SPEI值年际变化特性

分别计算鄱阳湖流域各季节3月尺度SPEI，以分析流域干旱灾害的季节性。本文中春季取每年的3月、4月和5月，夏季取6月、7月和8月，秋季取9月、10月和11月，冬季取12月及次年的1月和2月。图5分别为春、夏、秋、冬四个季节的SPEI序列变化趋势。图6为该系列突变检验曲线。由图5可知，春季SPEI序

图5. 各季节SPEI序列变化趋势图

图6. 各季节SPEI序列M-K突变检验曲线

列有一个明显下降的趋势，平均每10年下降0.1；秋季的SPEI序列有一个轻微的下降趋势；夏季和冬季则有一个轻微的上升趋势，然而趋势性都不明显。分析图6可知，春、夏、秋、冬四个季节的突变检验曲线均无突变，与上述分析结果一致。图6(a)中UF线整体呈现下滑的趋势；图6(b)中UF线波动剧烈，在90年代以后有一个快速的上升趋势，在此期间鄱阳湖夏季整体降水增多，干旱减少，洪涝增多；图6(c)中UF曲线也呈现下滑的趋势，秋季干旱增多；图6(d)中UF曲线无明显波动，也无明显变化趋势。

4. 结论

1) SPEI指数在鄱阳湖流域适用性较好。鄱阳湖流域SPEI序列在90年代有一个轻微的上升趋势，降水增多，洪涝灾害增加；在21世纪00年代下降的趋势明显，旱灾增加，其中在2003年、2007年、2009年均有中旱到重旱的情况；在21世纪10年代后SPEI波动很大，重旱和重涝灾害频繁交替。

2) 鄱阳湖流域春季干旱明显剧烈增加，秋季干旱也呈现增加的趋势；夏季在90年代以后降水偏多，洪涝灾害增多，干旱减少；冬季无变化。

文章引用

李 斌,李 洁. 基于SPEI的鄱阳湖流域旱涝特征分析
Analysis on Drought and Waterlogging Characteristics in the Poyanghu Basin Based on SPEI[J]. 水资源研究, 2016, 05(05): 488-494. http://dx.doi.org/10.12677/JWRR.2016.55056

参考文献 (References)