基于CI指數的河北省干旱特征分析及R/S分析

史繼清， 甘臣龍， 扎西頓珠

(1.西藏高原大氣環境科學研究所，西藏拉薩 850000；2.西藏墨竹工卡縣氣象局，西藏拉薩 850200)

?

基于CI指數的河北省干旱特征分析及R/S分析

史繼清1， 甘臣龍2， 扎西頓珠1

(1.西藏高原大氣環境科學研究所，西藏拉薩 850000；2.西藏墨竹工卡縣氣象局，西藏拉薩 850200)

采用《氣象干旱等級》國家標準中推薦使用的CI指數，分析了河北省38年來干旱變化情況、各月干旱指數的年變化過程，并采用R/S分析法預測了河北省各月干旱指數未來的變化趨勢。結果表明，河北省干旱發生頻率相對較高，但時空分布不均勻，1970～2007年河北省幾乎每年均有不同程度的季節干旱發生，春季和冬季干旱較為嚴重，秋季次之，夏季干旱程度最輕；38年的各月不同干旱指數變化趨勢均不顯著，但有一定的季節性特征；38年各月不同干旱指數呈現不同的Hurst現象，也有一定的季節性特征。

CI指數；干旱；特征分析；R/S分析；河北省

旱災是涉及范圍最廣、歷時最長、對農業生產影響最大的自然災害，每年因旱災導致的糧食作物減產和經濟損失在各種自然災害中居于首位。河北省作為我國糧食生產大省，糧食生產狀況對于確保全省乃至全國的糧食安全具有重要意義。近年來受全球氣候變暖的影響，旱災還有不斷加重的趨勢，頻發而嚴重的旱災已經成為制約當地農業生產發展的重要因素。為了全面了解河北省干旱的發生、發展趨勢，及時調整當地農業生產結構和實現農業的可持續發展，因此要對其干旱的分布特征進行深入研究[1]。

干旱指標是干旱監測、預警、評估中的關鍵參數。目前，對氣象干旱指標已有大量的研究，不同學者提出了很多氣象干旱指標，如Z指數、降水量和降水量距平百分率、相對濕潤度指數(MI)、標準化降水指數(SPI)、帕默爾干旱指數(PDSI)等，并利用這些干旱指標對各地干旱的時空變化規律進行了研究[2-7]。PDSI指數主要反映的是土壤干旱狀況，可以較好地監測土壤水分以及徑流的變化情況，但對資料要求高，計算程序較為復雜，經研究證明其有一定的局限性；袁文平等通過對比分析指出，SPI指數具有更加優越的計算穩定性而優于Z指數[8]，但其理論上假定了旱澇發生概率相同，無法標識旱澇頻發的地區，更沒有考慮水分的支出[9]。SPI等指數僅考慮降水因素，而造成氣象干旱的主要因素除了降水還有蒸發，因此選擇同時考慮降水和蒸發因子的綜合氣象干旱指數(CI)，與單純利用降水量的干旱指數相比具有較大的優越性。鄒旭愷等基于CI指數對我國近50年的干旱趨勢進行了研究[10-11]；李樹巖等基于CI指數分析了所研究區域的干旱分布的時空變化特征及成因[12-13]；劉玉蓮等根據CI指數研究了黑龍江省作物生長關鍵期的干旱變化[14]。目前，基于CI指數對河北省干旱變化特征、未來變化趨勢的研究較少。因此該研究基于SPI指數和MI指數構建的綜合氣象干旱指數(CI)，分析了河北省38年來的干旱變化特征、各月干旱指數的年變化過程，并采用R/S分析法預測了河北省各月干旱指數未來的變化趨勢，以期為當地開展干旱服務業務、減緩干旱災害影響、保障糧食安全提供一定的參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源河北省48個站點(圖1)的逐日氣象資料(1970～2007年)由河北省氣象局提供。

1.2 計算方法

1.2.1綜合氣象干旱指數(CI)。采用2006年11月開始實施的國家標準《氣象干旱等級(GB/T 20481-2006)》[15]中推薦使用的綜合氣象干旱指數，對河北省1971～2007年的干旱分布特征進行統計分析。綜合氣象干旱指數CI是利用近30 d(相當月尺度)和近90 d(相當季尺度)降水量標準化降水指數，以及近 30 d相對濕潤指數進行綜合而得，該指標既反映短時間尺度(月)和長時間尺度(季)降水量氣候異常情況，又反映短時間尺度(影響農作物)水分虧欠情況。該指標適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估。CI的計算公式為：CI=aZ30+bZ90+cMI30,式中,Z30、Z90分別為近30 d和近90 d標準化降水指數SPI值；MI30為近30 d相對濕潤度指數；a為近30 d標準化降水系數，由達輕旱以上級別Z30的平均值除以歷史出現的最小Z30值得到，平均取0.4；b為近90 d標準化降水系數，由達輕旱以上級別Z90的平均值除以歷史出現最小Z90值得到，平均取0.4；c為近30 d相對濕潤系數，由達輕旱以上級別MI30的平均值除以歷史出現最小MI30值得到，平均取0.8。通過此公式，利用前期平均氣溫、降水量可以滾動計算出每天綜合干旱指數CI，進行干旱監測。

1.2.2標準化降水指數(SPI)，標準化降水指數SPI(Standard Precipitation Index)由Mckee等于1993年提出[16]。由于不同時間、不同地區降水量變化幅度很大，直接用降水量很難在不同時空尺度上相互比較，且降水分布是一種偏態分布，不是正態分布，所以在降水分析中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化，然后再經正態標準化求得SPI值。其具體計算步驟見文獻[17-18]。

1.2.4R/S分析法。R/S分析法(重標度極差分析)，是一種描述和刻畫非線性時間序列的有效方法[20]。最初由英國水文學家Hurst于1951年在研究尼羅河水壩工程時提出，后經過Mandelbrot[21]等多人的努力逐步得以完善，其具體計算步驟見文獻[22-23]。Hurst 指數(H)可反映將來對現有狀態的持續性。當0.5

2 結果與分析

2.1 基于SPI、MI、CI 3個指數的干旱特征分析

2.1.1SPI指數反映的干旱特征分析。從河北省1970～2007年逐月平均SPI30的變化曲線(圖2a)可以看出,除2003年外，其他各年均有干旱月份出現，在1988年11月出現峰值，達到了重旱；其中4個月以上出現干旱的年份為1972、1975、1982、1995、1999、2001、2002、2005年，5個月以上出現干旱的年份有1972、1999、2002年，這與歷史干旱事實基本一致。經統計，在38年中，干旱月份為100個月，占總數的21.9%，其中有21年出現中旱，34年出現輕旱，未出現特旱。由于時間尺度較短，干旱變化受短時間降水影響較大，數值在0線上下頻繁波動，能夠反映出短時間內的干旱變化特征[25]。

從SPI90變化過程(圖2b)可以看到，出現中旱的年份有1972、1984、1999、2005年，20世紀70年代和90年代后干旱較為嚴重，80年代干旱程度較輕。3個月尺度的SPI同樣受降水影響較大，數值在0線上下波動頻繁，但與1個月尺度的SPI相比，波動較緩，主要反映的是干旱的季節變化特征。河北省春冬旱特征顯著，夏季干旱程度最輕。

2.1.2MI指數反映的干旱特征分析。從圖3可以得到，河北省在1970～2007年期間每年均有不同程度的干旱發生，經統計共有361個月干旱，占總數的79.2%。38年中有35年發生特旱，每年均有重旱、中旱的發生，且波動比較大，出現輕旱、中旱、重旱的頻率分別為14.9%、15.8%、31.4%。從逐月的MI指數分析的結果比河北省干旱事實更嚴重，原因為MI指數是某時段降水量與同時段可能蒸發量之間平衡的指標，只能反映短時間尺度(月)的水分虧缺情況，而干旱是多因子綜合作用的結果，所以得到的干旱次數比實際多。

2.1.3CI指數反映的干旱特征分析。統計分析表明，在38年中，河北省每年均有干旱發生，共有236個月份干旱，占總數的50%以上，其中較為干旱的年份有1972、1975、1992、1997、1999年，且每年出現干旱的月份均在8個月以上。從1970～2007年河北省CI指數變化過程(圖4)可以看到，CI指數在1999年2月出現峰值，達到了重旱程度。其原因可能是在全球變暖的影響下，從20世紀80年代開始河北省表現出不同程度的升溫，冬季氣溫最快，且降水在90年代后期經歷了一次較大幅度的下降過程[26]，所以冬季干旱較為嚴重。

統計歷年四季的CI指數及干旱頻率可以發現，河北省干旱在春、夏、秋、冬四季均有發生，其中春季和冬季干旱較為嚴重，秋季次之，夏季干旱程度最輕，原因是河北省降水多集中在夏季。總的來看，河北全省干旱的出現具有階段性特征，20世紀70和90年代是比較嚴重的干旱階段，70年代春旱嚴重，到90年代秋冬旱比較嚴重。

由表1可見，河北省的降水具有明顯的季節變化特征，降水多集中在夏季，累積雨量約占全年降水量的70%，1、2、3、11、12月降水稀少，不足10 mm。根據CI指數統計的輕旱以上干旱發生頻率(簡稱干旱頻率)年平均為 52.05% ，其中輕旱、中旱、重旱的頻率分別為 39.91%、11.92%、2.70%。CI的干旱頻率變化動態與降水量分布有關，在連續出現降水量偏少月份后，下一月份的干旱頻率會比較高，1、2、3月連續降水量不到10 mm，4月的干旱頻率達最高，為71%。11月～翌年3月為干旱頻發時段，月干旱頻率均在 60%以上，輕旱、中旱和重旱頻率的年變化特征與總干旱頻率較為一致。由于旱情緩解程度與降水強度相關，故選用能夠反映干旱過程對雨季開始有敏感性特征的CI指數具有重要的意義。

表1 逐月降水量及根據CI指數的各等級干旱頻率

2.2 基于SPI、MI、CI 3個指數的R/S分析根據近30 d(相當月尺度)、近90 d(相當季尺度)降水量標準化降水指數和近 30 d相對濕潤指數以及三者綜合得到的綜合氣象干旱指數，建立了河北省1971～2007年1～12月指數的R/S分析結果(圖5～8)，由此得到對應的Hurst指數，預測其未來短時間內的變化趨勢。從河北省1971～2007年各月不同指數的斜率結果(表2)可以看出，38年來河北省的不同干旱指數各月變化趨勢均不顯著，但有一定的季節性特征。其中，SPI30指數在4、5、9、10、12月分別以0.109、0.174、0.004、0.024、0.045%/10a的速率緩慢上升，在1、2、3、6、7、8、11月分別以0.051、0.087、0.093、0.011、0.134、0.150、0.089%/10a的速率緩慢下降，可見該指數在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢；SPI90指數在1、4、5、6、11月分別以0.014、0.082、0.197、0.096、0.021%/10a的速率緩慢上升，在2、3、7、8、9、10、12月分別以0.055、0.057、0.069、0.184、0.182、0.099、0.002%/10a的速率緩慢下降，可見該指數在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢；MI指數在3、4、5、9、10、11月分別以0.010、0.012、0.034、0.007、0.024、0.009%/10a的速率緩慢上升，在1、2、6、7、8、12月分別以0.006、0.009、0.001、0.086、0.071、0.006%/10a的速率緩慢下降，可見該指數在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢；CI指數在4、5、6、12月分別以0.091、0.180、0.034、0.012%/10a的速率緩慢上升，在1、2、3、7、8、9、10、11月分別以0.020、0.064、0.049、0.149、0.190、0.069、0.011、0.019%/10a的速率緩慢上升，可見該指數在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢。

表2 河北省1971～2007年各月不同干旱指數的斜率結果

河北省1971～2007年1～12月SPI30、SPI90、MI指數和CI指數的R/S分析結果(圖5～8)結合表2可以看出，38年來河北省各月的干旱指數呈現不同的Hurst現象，但有一定的季節性特征。其中，SPI30指數在2、3、8、10、11月的Hurst指數(H)處于0.50.75，說明河北省未來SPI30指數的下降趨勢(2、3、8、11月)和上升趨勢(10月)與過去具有很強的一致性；在1、4～7、9、12月的Hurst指數(H)處于00.55，說明河北省SPI30指數38年來的下降趨勢(1、6、7月)和上升趨勢(4、5、9、12月)具有較強的突變性，即在未來下降趨勢可能逆轉呈上升趨勢，上升趨勢逆轉呈下降趨勢。總體而言，未來SPI30指數在河北省春秋冬季呈現下降趨勢，夏季呈現上升趨勢。SPI90指數在8、9、11、12月的Hurst指數(H)處于0.50.80，說明河北省未來SPI90指數的下降趨勢(8、9、12月)和上升趨勢(11月)與過去具有很強的一致性；在1～7、10月(5月除外)的Hurst指數(H)處于00.75，說明河北省SPI90指數38年來的下降趨勢(2、3、7、10月)和上升趨勢(1、4、6月)具有較強的突變性。總體而言，未來SPI90指數在河北省春夏冬季呈現下降趨勢、秋季呈現上升趨勢。MI指數在6、8～11月的Hurst指數(H)處于0.50.55，說明河北省未來MI指數的下降趨勢(6、8月)和上升趨勢(9～11月)與過去具有很強的一致性；在1～5、7、12月(3月除外)的Hurst指數(H)處于00.60，說明河北省MI指數38年來的下降趨勢(1、2、7、12月)和上升趨勢(4、5月)具有較強的突變性。總體而言，未來MI指數在河北省春夏季呈現下降趨勢、秋冬季呈現上升趨勢。CI指數在3、8、10、12月的Hurst指數(H)處于0.50.85，說明河北省未來CI指數的下降趨勢(3、8、10月)和上升趨勢(12月)與過去具有很強的一致性；在1、2、4～7、9、11月的Hurst指數(H)處于00.50，說明河北省CI指數38年來的下降趨勢(1、2、7、9、11月)和上升趨勢(4～6月)具有較強的突變性。總體而言，未來CI指數在河北省春夏季呈現下降趨勢、秋冬季呈現上升趨勢。

3 結論

(1)SPI指數可以反映不同尺度的干旱變化特點，但其僅考慮降水因素，且對降水過于敏感，對不同程度的降水過程表現出頻繁波動，而MI指數代表的是某時段降水量與同時段可能蒸發量之間的平衡，只能反映短時間尺度(月)的水分虧缺情況，得到的干旱情況比實際嚴重。根據對計算的CI指數的統計分析得到，河北省干旱發生頻率相對較高，但時空分布不均勻。1970～2007年河北省幾乎每年均有不同程度的季節干旱發生，其中春季和冬季干旱較為嚴重，秋季次之，夏季干旱程度最輕；干旱隨時間具有階段性變化特征，比較嚴重的干旱階段出現在20世紀70和90年代，80年代為持續的干旱期，但主要以輕旱為主。

(2)河北省1971～2007年各月不同指數的年變化過程表明，38年來各月不同干旱指數變化趨勢均不顯著，但有一定的季節性特征。SPI30指數在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢，SPI90指數在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢，MI指數在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢，CI指數在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢。

(3)河北省1971～2007年各月不同指數的R/S分析結果表明，38年來各月不同干旱指數呈現不同的Hurst現象，但有一定的季節性特征。未來SPI30指數在河北省春秋冬季呈現下降趨勢、夏季呈現上升趨勢，未來SPI90指數在河北省春夏冬季呈現下降趨勢、秋季呈現上升趨勢，未來MI指數在河北省春夏季呈現下降趨勢、秋冬季呈現上升趨勢、未來CI指數在河北省春夏季呈現下降趨勢、秋冬季呈現上升趨勢。R/S法定量地預測了未來不同指數各月的變化趨勢，是一種有用的數學工具[27]，對于河北省干旱檢測指標的選取提供了重要的理論依據。

[1] 閆峰,王艷姣,吳波.近50年河北省干旱時空分布特征[J].地理研究,2010,29(3):423-430.

[2] 包云軒,孟翠麗,申雙和,等.基于CI指數的江蘇省近50年干旱的時空分布規律[J].地理學報,2011,66(5):599-608.

[3] 邵曉梅,劉勁松,許月卿.河北省旱澇指標的確定及其時空分布特征研究[J].自然災害學報,2001,10(4):133-136.

[4] PALMER W C. Meteorological drought[R].Research Paper No 45.WeatherBureau,1965:45-58.

[5] 安順清,邢久星.帕默爾旱度模式的修正[J].氣象科學研究院院刊,1986,1(1):17-19.

[6] 劉巍巍,安順清,劉庚山,等.帕默爾旱度模式的進一步修正[J].應用氣象學報,2004,15(2):207-216.

[7] 車少靜,李春強,申雙和.基于SPI的近41年(1965-2005)河北省旱澇時空特征分析[J].中國農業氣象,2010,31(1):137-143.

[8] 袁文平,周廣勝.標準化降水指標與 Z 指數在我國應用的對比分析[J].植物生態學報,2004,28(4):523-529.

[9] 韓海濤,胡文超,陳學君,等.三種氣象干旱指標的應用比較研究[J].干旱地區農業研究,2009,27(1):237-242.

[10] 鄒旭愷,張強.近半個世紀我國干旱變化的初步研究[J].應用氣象學報,2008,19(6):679-687．

[11] 鄒旭愷,任國玉,張強.基于綜合氣象干旱指數的中國干旱變化趨勢研究[J].氣候與環境研究,2010,15(4):371-378.

[12] 李樹巖,劉榮花,師麗魁,等.基于CI指數的河南省近40a干旱特征分析[J].干旱氣象,2009,27(2):97-102.

[13] 張金龍,劉學鋒,于長文.河北省干旱分布特征和變化規律分析[J].干旱區研究,2012,29(1):41-46.

[14] 劉玉蓮,于宏敏.基于CI指數的黑龍江省作物生長關鍵期干旱變化[J].氣象與環境學報,2012,28(1):48-54.

[15] 張強,鄒旭愷,肖風勁,等.GB/T20481-2006 氣象干旱等級[S].北京:中國標準出版社,2006:12-17.

[16] MCKEE T B, DOESKEN N J,KLEIST J. The relationship of drought frequency and duration to time scales[C]//Preprints, eighth conference on applied climatology.American Meteorological Society,1993:179-184．

[17] GUTHNANN N B.Comparing the Palmer Drought Index and the Standardized Precipitation Index[J].Journal of the American Water Resources Association,1998,34(1):113-121.

[18] MISHRA A K,DESAI V R.Drought forecasting using stochastic models[J].Stochastic Environmental Research and Risk Assessment,2005,19(S1):326-339.

[19] ALLEN R G, PEREIRA L S, RAES D, et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements[M]. FAO Irrigation and drainage paper 56, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome,1998.

[20] 李遠耀,殷坤龍,程溫鳴.R/S分析在滑坡變形趨勢預測中的應用[J].巖土工程學報,2010,32(8):1291-1296.

[21] MANDELBROT B. Statistical methodology for non-periodic cycles: from the covariance to R/S analysis[J]. Annals of Economic and Social Measurement,1972,1(12): 257-288.

[22] 馮新靈,馮自立,羅隆誠,等.青藏高原冷暖氣候變化趨勢的R /S分析及Hurst指數試驗研究[J].干旱區地理,2008,31(2)：175-181.

[23] 莊曉翠,趙正波,楊森,等.西北干旱區阿勒泰地區暖季干濕氣候變化及R/S分析[J].干旱地區農業研究,2010,28(5):259-265.

[24] 馬建勇,許吟隆,潘婕.東北地區農業氣象災害的趨勢變化及其對糧食產量的影響[J].中國農業氣象,2012，33(2):283-288.

[25] 秦麗杰,張輝,李明,等.基于SPI的1958-2009年吉林省旱澇時空特征分析[C]//中國視角的風險分析和危機反應”-中國災害防御協會風險分析專業委員會第四屆年會論文集，2010.

[26] 李春強,杜毅光,李保國,等.河北省近四十年(1965-2005)氣溫和降水變化特征分析[J].干旱區資源與環境，2009,23(7):1-7.

[27] 王波雷,馬孝義,范嚴偉,等.近51a西安氣候變化的R/S分析[J].干旱區資源與環境,2007,21(12):121-125.

Analysis of Drought Characteristics of Hebei Province and R/S Based on theCIIndex

SHI Ji-qing1, GAN Chen-long2, ZHAXI Dunzhu1

(1. Tibet Plateau Atmospheric Environmental Science Research Institute, Lhasa, Tibet 850000; 2. Maizhokunggar Meteorological Bureau, Lhasa, Tibet 850200)

This article selectedCIindex recommended by Meteorological Drought Level, drought changes, the annual change of each month drought index in recent 38 years in Hebei Province were analyzed, the variation trend of each month drought index was predicted by using R/S analysis method. The results showed that drought occurs relatively frequent in Hebei Province, but the distribution is uneven. From 1970 to 2007, different degree of seasonal drought nearly occurs in every year, winter and spring drought is severe, autumn drought is the second and summer drought is the lightest. Each month different drought index trends are not significant in recent 38 years, but there is a certain seasonal characteristics; Each month different drought index presents a different Hurst phenomenon, there are certain seasonal characteristics in recent 38 years.

CIindex; Drought; Characteristics analysis; R/S analysis; Hebei Province

西藏科技廳地區自然科學基金項目“基于3S的西藏森林火災監測研究”

史繼清(1988- )，女，山東菏澤人，助理工程師，碩士，從事農業氣象災害研究。

2014-11-25

S 423

A

0517-6611(2015)02-221-07