基于SPEI的貴州省近60年干旱時空特征分析

李 月，白曉永，周運超，田義超,4，秦羅義，羅光杰,4

(1.中國科學院 地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550002；2.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550000； 3.中國科學院 普定喀斯特生態系統觀測研究站，貴州 普定 562100；4.中國科學院大學，北京 100049)

基于SPEI的貴州省近60年干旱時空特征分析

李 月1,2,3，白曉永1,3，周運超2,3，田義超1,3,4，秦羅義1,3，羅光杰1,3,4

(1.中國科學院 地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550002；2.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550000； 3.中國科學院 普定喀斯特生態系統觀測研究站，貴州 普定 562100；4.中國科學院大學，北京 100049)

標準化降水蒸散指數；干旱；時空特征；貴州省

基于貴州省19個氣象站點1960—2013年實測氣象資料，利用標準化降水蒸散指數(SPEI)，通過計算各站歷年逐月的SPEI指數值，統計近60年各站點出現的干旱過程，分析了貴州省歷年、歷年各季尺度上的干旱年際變化趨勢、四季變化趨勢和干旱頻率，揭示了貴州省干旱發生的時空演變特征。研究結果表明：近60年來尤其是1990年以來貴州省干旱化趨勢較為明顯；在空間尺度上，貴州省在年和春、夏、秋、冬尺度上均有干旱發生，干旱頻率較高的區域主要集中在遵義市東部地區、銅仁大部分地區、黔東南北部和習水、赤水地區；在年代際變化方面，貴州省以2009—2013年干旱最為嚴重，發生干旱高頻區向東北部和西部轉移。干旱事件的發生呈現明顯的季節性和區域性，總體分布呈現從西南向東北遞增的特點。

近年來干旱事件在全球頻繁發生，嚴重危及人類的生存，引起了學術界的關注[1-6]。目前學者們普遍使用干旱指數(PDSI)、作物水分指數和標準化降水指數(SPI)等對干旱事件進行研究和評價。PDSI以水分供需平衡為基礎，結合前期的濕度、蒸發、降水、水文等因子，將極端干旱和濕潤測量變為可能，但其在使用中存在一些局限，比如使用區域主要集中在干旱、半干旱地區，旱情等級界定存在較為明顯的主觀因素[7-8]。SPI指數能較好地反映干旱的持續時間和強度，應用過程簡便，但僅考慮了降水資料，未考慮溫度、蒸散量等因素影響[8]。2010年Vicente-Serrano[9]等在SPI的基礎上引入潛在蒸散，構建了新的適用于氣候變暖背景下干旱監測與評估的氣候指數SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)，它是通過降水和蒸散量來反映干旱的程度，是全球變暖背景下研究干旱的新的理想指數，被許多專家和學者采用。如王林等[10]以干旱變化的不同時間尺度特征為出發點，利用具有多時間尺度變化并考慮溫度影響的SPEI指數對我國西南地區近百年的干旱演變特征進行了分析；李偉光等[11]運用SPEI指數分析了我國華南地區的干旱變化特征；石崇等[12]用SPEI指數對東半球陸地干旱變化特征進行了研究；周丹等[8]基于SPEI指數揭示了陜西省干旱發生的時空和強度演變特征；秦鵬程等[13]應用SPEI指數分析了在全球氣候變暖背景下東北地區玉米生長季的干旱演變特征。

SPEI指數基于降水與蒸散，既保留了PDSI考慮蒸散、對溫度敏感的特點，又具備SPI指數適合多尺度、多空間比較、準確性較高的優點，但之前的研究區域主要集中在非喀斯特地區，尤其是運用SPEI指數分析下墊面分散破碎的典型喀斯特地區在長時間序列下的干旱變化趨勢的研究相對較少。鑒于此，本研究選取貴州省作為研究區，運用SPEI指數反演該地區近60年來的干旱特征，對干旱的時空變化趨勢進行系統分析，以期為貴州省氣候變化研究和干旱減災決策提供依據和參考。

1 研究區概況和數據來源

貴州省地處中國西南云貴高原東部山區，位于E103°36′～109°35′、N24°37′～29°13′，境內地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔1 100 m左右，地形地貌復雜。屬亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫15 ℃左右，降水較多，雨季明顯，陰天多，日照少，年陰天日數一般超過150 d，常年相對濕度在70%以上。受大氣環流、地形等影響，氣候地域差異較大，氣候不穩定，災害性天氣種類較多。

選用貴州省19個國家基準臺站(威寧、望謨、興義、羅甸、獨山、凱里、榕江、三穗、遵義、思南、銅仁、畢節、安順、貴陽、湄潭、習水、黔西、盤縣、桐梓)1960—2013年的逐月降水和氣溫等常規觀測數據，對個別臺站的缺測數據采用均值替換法進行插補處理。對有明顯錯誤的數據進行檢測，確定錯誤數據或者斷點，給予剔除或用多年平均值取代，訂正處理后各臺站的要素資料具有較好的連續性。分別以年、季作為研究尺度，以當年的1、2月和上一年的12月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

2 研究方法

(1)標準化降水蒸散指數。SPEI指數計算方法原理是用降水量與蒸散量的差值偏離平均狀態的程度來表征某地區的干旱程度[14]。具體步驟如下：

第一步，計算潛在蒸散。Vicente-Serrano采用Thornthwaite方法

PET=16.0×(10Ti/H)A

(1)

式中：PET為可能蒸散量；Ti為月平均氣溫，℃，i=1,2,…,12；H為年熱量指數；A為常數。

第二步，計算逐月降水與蒸散的差值

Di=Pi-PETi

(2)

式中：Di為降水量與蒸散量的差值，mm；Pi為月降水量，mm；PETi為月蒸散量，mm；i=1,2,…,12。

第三步，同SPI方法，對數據序列進行正態化，計算每個數值對應的SPEI指數。由于原始數據序列中可能存在負值，所以SPEI指數采用了3個參數的log-logistic概率分布。log-logistic概率分布的累積函數為

(3)

(4)

(5)

γ=w0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

上四式中：α、β、γ為參數；Γ為階乘函數；w0、w1、w2為原始數據序列Di概率加權矩。

對累積概率密度P進行標準化

P=1-F(x)

(7)

當累積概率P≤0.5時

(8)

(9)

當P>0.5時

(10)

上三式中：w為原始數據序列的概率加權矩；c0、c1、c2、d1、d2、d3為參數，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI具有多時間尺度(1、3、6、12、24、36個月等)特征，選用3、12個月時間尺度的SPEI分析研究區季節和年際干旱時空演變特征。

(2)干旱發生頻率。統計了近60年來貴州省歷年及歷年各季干旱事件 (SPEI<-0.5)，干旱發生頻率P的計算公式為

P=n/N×100%

(11)

式中：n為實際有干旱發生的次數；N為資料序列數。

(3)SPEI指數干旱等級劃分標準。基于SPEI多時間尺度的特征，主要分析3個月、12個月尺度的季節干旱狀況。干旱等級劃分標準見表1[15]。

表1 SPEI指數干旱等級劃分標準

3 結果與分析

3.1 平均SPEI指數年際變化

圖1反映了1960—2013年貴州省平均SPEI指數的年際變化。貴州省年平均SPEI指數值是全省19個氣象臺站年平均SPEI值的平均值，各臺站均勻分布在省內各地區，因而數據具有很好的代表性。從圖1可以看出，1960—2013年貴州省的年平均SPEI指數總體上呈逐漸下降趨勢。5年滑動平均曲線表明，SPEI指數值是在波動中逐漸下降的，其中1963—1968年、1986—1994年呈上升趨勢，1996年以后下降趨勢較為明顯。2000年以來，曾于2006年出現嚴重干旱，之后2009年一次新的厄爾尼諾現象導致印度季風衰退，貴州受其影響降水偏少[16]，在這樣的氣候趨勢下，2011、2013年均出現嚴重干旱事件。

圖1 貴州省平均SPEI指數年際變化

3.2 干旱的時間變化特征

3個月時間尺度的SPEI指數可以反映干旱的季節特征。1960—2013年貴州省SPEI指數的四季變化趨勢見圖2。由圖2知，近60年貴州省四季SPEI指數均呈現不同程度的下降趨勢，即四季均呈干旱趨勢，其中夏季最為明顯。春季[圖2(a)]在20世紀80年代之前干旱趨勢不是特別明顯，但從1994年開始5年滑動平均曲線發生轉折，SPEI指數值呈現明顯下降趨勢，表明干旱頻發，以2006年最為明顯 (SPEI=-1.08)。夏季[圖2(b)]干旱趨勢較春季明顯，趨勢線斜率為-0.12/10a，干旱趨勢較為顯著，其中1986年 (SPEI=-2.01)發生了極端干旱事件，從1988年開始滑動平均曲線波動緩慢上升，但輕度和中度干旱仍頻繁發生。秋季[圖2(c)]干旱趨勢較春季不明顯，但根據5年滑動平均曲線，2001年以后SPEI指數呈明顯下降趨勢，主要是由于影響我國西南地區降水的主要天氣系統——南支槽活動較弱，導致我國西南地區降水偏少，秋旱發生頻率升高。冬季[圖2(d)]SPEI指數以0.1/10a的速度下降，但干旱少有發生，可能是因為冬季溫度低、蒸發少所致。

圖2 1960—2013年貴州省SPEI四季變化趨勢

3.3 連續干旱分布特征

當SPEI月尺度數值連續3個月為輕度干旱以上，則確定為發生一次連續干旱過程[8]。表2為1961—2013年貴州省各站點干旱持續時間。由表2知，干旱持續時間達到3個月以上次數最多的是銅仁地區，近60 年來出現了34次干旱；次數最少的是興義地區，只有8次。最長時間的持續干旱為10個月，出現過15次，出現次數最多的是威寧地區，分別出現在2005、2006和2010年；干旱持續時間超過8個月的出現過28次，均發生在2000年之后，由此可見2000年以來全省發生了多次大范圍的持續性干旱。

3.4 干旱的空間分布特征

從空間分布上看，貴州省干旱分布呈現自東北向西南逐漸減少的特點，銅仁、湄潭、畢節地區發生頻率最高，達25%以上，安順、望謨、羅甸以南地區普遍偏低，最低20%左右，其余地區多在22%～25%。春季干旱呈東多西少的分布規律，干旱主要發生在黔東南地區，發生頻率在22%以上，發生頻率最高的是三穗、銅仁地區，達25%以上，其余地區為12%～18%，發生頻率最低的是黔西南地區，不到10%。夏季受副熱帶暖性高壓控制，干旱主要發生在貴州省東北的部分地區，發生頻率在45%以上，發生頻率最高的是安順、畢節、盤縣地區，達55%以上，發生頻率最低的是黔西南州地區，約為20%，其余地區為20%～35%。秋季干旱呈現南少北多的特點，全省差異不是很大，主要發生在貴州省北部和中部地區，發生頻率最高的是銅仁、思南地區，達20%以上，北部地區為18%～23%，黔東南地區為10%～15%，發生頻率最低的是望謨和羅甸地區，在8%～10%，其余地區為16%～20%。冬季干旱西多東少的特點比較明顯，全省差異很大，主要發生在貴州省北部、西部的部分地區，發生頻率為15%～17%，發生頻率最高的是畢節、思南地區，達18%以上，發生頻率最低的是羅甸、銅仁、習水地區，不到5%，其余地區在10%～15%。

表2 1960—2013年貴州省各站點干旱持續時間統計

4 結論與討論

通過計算各站歷年逐月SPEI值，揭示了貴州省近60年干旱時空分布變化規律，得到以下結論：①近60年來，貴州省干旱發生頻率呈較為明顯的增長趨勢，尤其是20世紀80年代以來干旱發生頻率明顯增多，強度也呈現加劇趨勢。②研究時段內時間尺度上，貴州省干旱發生頻率的季節性十分明顯，春、夏季區域性干旱頻率明顯高于其他季節；空間尺度上，干旱發生區域差異顯著，干旱發生集中于東部地區，并呈現自西南向東北遞增的分布特點。

從研究結果還可以看出春夏季干旱對貴州省影響最大，故有關部門應充分重視春夏季干旱對農業生產造成的損失和影響。值得注意的是，雖然SPEI指數在運用過程中考慮了降水、持續時間和蒸散量因素，但是干旱事件的出現還受到地形、植被、風速和環流等綜合因素的影響，而目前SPEI指數針對干旱發生的驅動機制還不能給予很好的解釋，加之影響貴州地區干旱的因素較多，物理機制較為復雜，因此在今后的研究中，對貴州地區干旱發生的機制和干旱的預測還需進一步分析和研究。

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(責任編輯 李楊楊)

P462

A

1000-0941(2015)07-0057-04

李月(1991—)，女，貴州貴陽市人，碩士研究生，主要研究方向為水土保持；通信作者白曉永(1978—)，男，河北石家莊市人，副研究員，博士，主要研究方向為巖溶環境與水土保持。

2015-02-25