基于SPI的渭北黃土高原干旱時空特征

王曉峰，胡春艷，衛(wèi)偉，于洋

1. 長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；2. 陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721016；3. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家生態(tài)重實驗室，北京 100085

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基于SPI的渭北黃土高原干旱時空特征

王曉峰1， 2*，胡春艷1， 3，衛(wèi)偉3，于洋3

1. 長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；2. 陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721016；3. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家生態(tài)重實驗室，北京 100085

摘要：渭北黃土高原是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地，為了提高該地區(qū)應對干旱氣候事件的能力，利用1986─2015年渭北黃土高原地區(qū)逐日降水資料詳細分析該地區(qū)干旱變化的時空演變規(guī)律，通過計算標準化降水指數(shù)（SPI），定量表征該地區(qū)的干旱時空特征，結果表明：（1）近30年該地區(qū)SPI和降水量的變化趨勢基本相近，都呈規(guī)律性波動變化，但有些月份差異比較大，這是由于SPI對不同時間尺度降水量的敏感性不同。（2）不同時間尺度的SPI可以較好地反映干旱洪澇的發(fā)展演變狀況和趨勢。SPI能夠明確地反映渭北黃土高原的干旱變化狀況，短時間尺度（1個月）能夠反映逐月的干旱變化，3個月能夠反映季節(jié)的干旱變化，而長時間尺度（12個月）則可以反映水分的滯后性作用。通過對多時間尺度SPI的時間序列分析可以發(fā)現(xiàn)，渭北黃土高原總體上有變濕的趨勢，且隨著時間尺度的增加，SPI的隨機性在減弱，持續(xù)性在加強。與氣候變化相對應，全區(qū)干旱頻次有總體下降的趨勢。（3）渭北黃土高原干旱主要出現(xiàn)在1993、1994、1997、1998和2001年。對不同季節(jié)的SPI分析結果表明，春季和夏季干旱發(fā)生頻率較高，秋季和冬季干旱頻率較低。同時，干季干旱頻率較高，濕季干旱頻率較低。（4）渭北黃土高原不同地區(qū)干旱具有相對一致的趨勢。研究結果可為渭北黃土高原農(nóng)業(yè)旱情管理與決策提供科學依據(jù)。

關鍵詞：SPI；渭北黃土高原；干旱；滯后性；干旱頻率

引用格式：王曉峰， 胡春艷， 衛(wèi)偉， 于洋. 基于SPI的渭北黃土高原干旱時空特征［J］. 生態(tài)環(huán)境學報， 2016， 25（3）: 415-421.

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干旱是短期的水分短缺現(xiàn)象，涉及氣象、農(nóng)業(yè)、水文及社會經(jīng)濟等諸多領域（張曉煜等，2011），從全球范圍看，干旱發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、會在大范圍內造成嚴重的環(huán)境、社會和經(jīng)濟后果，是一種復雜的自然災害現(xiàn)象（程亮等，2013；姚玉璧等，2007；鄭遠長，2000）。全球氣候變暖，以及由此而導致的海平面上升、水圈循環(huán)變化、海洋酸化、極端天氣和氣候事件頻率和強度增加對不同的生態(tài)系統(tǒng)都會產(chǎn)生不同的影響（姜大膀等，2012；秦大河，2014）。由于干旱的影響效應是非結構性的，同時又可以實現(xiàn)不同尺度的蔓延，所以對干旱的定義乃至監(jiān)測都存在諸多困難（Lei et al.，2003；王宏，2008）。

中國歷來就是一個干旱災害嚴重的國家，由于我國地處東亞季風氣候區(qū)，季風氣候明顯，降雨量的季節(jié)波動和年際變化顯著，空間分布不均勻，以及其他一些因素造成了我國干旱頻繁發(fā)生（茅海洋，2012），每年因旱災造成的糧食減產(chǎn)和經(jīng)濟損失約占因氣象災害造成的經(jīng)濟總損失50%（黃榮輝等，2003）。黃土臺塬地帶是黃土高原重要的糧食生產(chǎn)基地，在氣候變化和人為干擾的雙重影響下，農(nóng)業(yè)干旱形勢存在不斷惡化。已開始威脅到我國的糧食安全和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此開展干旱的評估、監(jiān)測與預測研究，對合理進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義（張俊等，2011；閆峰等，2010）。學者們先后提出了帕默爾干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index，PDSI）（Palmer，1965）、地表水分供應指數(shù)（Surface Water Supply Index，SWSI）（Shafer et al.，1982）和標準化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）（McKee et al.，1993；McKee et al.，1995）等干旱指數(shù)因子來定量表達干旱發(fā)生程度。其中由McKee等提出的SPI，因計算簡單，資料獲取容易，具有穩(wěn)定的計算特性，消除了降水的時空差異，同時能夠在各個區(qū)域和各個時段乃至不同時間尺度有效反應旱澇狀況，而被廣泛應用。Livada et al.（2007）利用希臘氣象站點降雨量數(shù)據(jù)計算希臘地區(qū)的SPI值，分析了該區(qū)域干旱發(fā)生的時空特征；Hayes et al. （1999）采用SPI分析了1996年美國南部平原和西南地區(qū)的干旱狀況；Mihajlovic（2006）采用不同時間尺度SPI分析了克羅地亞帕諾尼亞地區(qū)2003─2004年的氣象干旱狀況；袁文平等（2004）通過計算并比較SPI和Z指數(shù)，分析了SPI對我國干旱監(jiān)測的適用性，結果表明SPI消除了降水的時空分布差異，在各個區(qū)域和各個時段均能有效地反映旱澇狀況，優(yōu)于被我國廣泛應用的Z指數(shù)；冶明珠等（2007）、李偉光等（2009）采用SPI分別對我國青海省和海南省進行了干旱監(jiān)測和檢驗，結果表明該指數(shù)可較好地進行氣象干旱監(jiān)測與評價；趙桂香（2008）分析山西省代表站點的SPI演變趨勢，研究了干旱化趨勢對山西省水資源的影響并提出了解決水資源短缺的對策，具有較重要的現(xiàn)實意義。

渭北黃土高原地區(qū)人類活動頻繁，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國主要的干旱響應區(qū)之一。目前，大多學者主要采用以點代面的單一方法對研究區(qū)內SPI變化特征進行研究，而在實際應用中該方法會產(chǎn)生較大誤差。為了彌補氣象觀測站點分布不均以及分布稀疏的不足，使數(shù)據(jù)能客觀反應氣象要素在區(qū)域上的時空屬性（王英等，2006），本文以渭北黃土高原12個氣象站點1986─2015年逐月降水資料為基礎，選用SPI作為干旱定量評價指標，綜合以SPI柵格化處理和時間序列相結合的方法研究渭北黃土高原地區(qū)近30年季節(jié)性干旱的時空變化特征，以期為渭北黃土高原農(nóng)業(yè)旱情管理與決策提供科學支撐和理論支持。

1 研究區(qū)概況

渭北黃土高原位于黃土高原中部、地處關中平原向黃土高原過渡的地帶，介于東經(jīng)107°10′～110°50′和北緯34°10′～35°50′N之間，總面積11398 km2，黃土臺塬地貌分布于該地區(qū)，屬典型的溫帶季風氣候，年降雨量介于400～800 mm，年均氣溫17.7～18.6 ℃，是陜西省主要的糧食產(chǎn)地之一。土地利用類型以耕地為主，西部地區(qū)分布大面積的耕地，建筑用地主要是居民地，中部地區(qū)以耕地為主，東北部地區(qū)以林地、草地和建筑用地為主（見圖1）。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了寶雞市、咸陽市、銅川市和渭南市等12個氣象站臺1986─2015年逐日降水資料（數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，http://data.cma.cn/），為了保證資料的完整性，對個別臺站的缺測數(shù)據(jù)進行了插補處理，主要采用的是均值替換法（周丹等，2014）。

圖1 渭北黃土高原地理位置及2015年土地利用類型Fig. 1 The geographical location of Weibei Loess Plateau and landuse types in 2015

氣象上一般將春季定為3─5月，夏季定為6 ─8月，秋季定為9─11月，冬季定為12─2月。本文分別計算了季節(jié)SPI和干季、濕季SPI。如春季SPI是指春季3個月降水累加計算出來的SPI，其它依此類推。干（濕）季SPI是指干（濕）季6個月降水累加計算出來的SPI，由于干季跨越自然年，在下文中將11月到次年4月記為當年所在年份的干季，濕季為每年的5─10月，如2000年11月─2001年4月記為2000年的干季，2000年5月─2000年10月記為2000年的濕季。

2.2 研究方法

標準化降水指數(shù)（SPI）在計算出某時段內降水量的Γ分布概率后，再進行正態(tài)標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。SPI計算方法（Guttman，1998）如下：

（1）假設某時段降水量為隨機變量x，則其滿足Gamma分布的概率密度函數(shù)為：

其中：α>0為形狀參數(shù)，β>0為尺度參數(shù)，x>0為降水量。Г（α）為Gamma函數(shù)，其概率函數(shù)為：

最佳的α和β可用極大似然估計法求得：

式中，xi為降水量序列的樣本，x為降水量序列的平均值，n為計算序列的長度，時間長度的累積概率可由下式計算：

式（2）由于Gamma方程中不包含x=0的情況，而實際的降水量可能為0，所以累積概率表達為：

式中，q是降水量為0的概率，如果設m為降水時間序列中降水量為0的數(shù)量，則有q=m/n。

累積概率H（x）可通過下式轉換為標準正態(tài)分布函數(shù)：

對其進行近似求解得到以下結果：

當0

根據(jù)以上公式求得SPI值。SPI反映不同時間和地區(qū)的氣候特點，其干旱等級劃分具有氣候意義，適用于不同時段不同地區(qū)，具體等級劃分參照表1。

表1 標準化降水指數(shù)SPI的干旱等級Table 1 Drought grades classified with Standardized Precipitation Index

3 結果分析

3.1 逐月SPI變化

1986─2015年逐月SPI指數(shù)和降水量的時間變化如圖2所示，2001年3月是相對最旱月份，SPI指數(shù)為-2.69，該月降水僅為0.6 mm，是3月份多年平均降水量的2.6%，此外，出現(xiàn)特旱（SPI≤-2.0）的年份有1993年9月、1994年5月、1997年6月和8月、1998年11月、2001年3月。1993─2001年連續(xù)出現(xiàn)重旱或特旱情況，但都發(fā)生在個別月份，從SPI指數(shù)看，近30年來沒有出現(xiàn)極端干旱年。此外，SPI指數(shù)和降水量的變化趨勢基本相近，但有些月份差異比較大，這是由于逐月SPI值對降水量的敏感性較高，導致SPI值產(chǎn)生較大變化，隨著時間尺度增加，這種差異就會減小。

3.2 季節(jié)SPI變化

干旱在不同季節(jié)有不同特征，渭北黃土高原地區(qū)不同季節(jié)SPI隨時間的變化如圖3所示。由圖可知該地區(qū)在部分年份發(fā)生了不同程度的干旱。在圖3（a）中，有4年冬季出現(xiàn)了不同程度的干旱，分別是1991、1997、1998和2014年，其中特旱1年，中旱1年，輕旱2年，發(fā)生頻率為13.33%，1998年冬季為該地區(qū)最旱的冬季，SPI指數(shù)為-2.33；春季特旱只發(fā)生在2001年，重旱只發(fā)生在2000年，中旱和輕旱發(fā)生的頻率相對較高，都發(fā)生了4年，30年來，春季干旱發(fā)生頻率為33.33%，大于冬季。

圖2 渭北黃土高原1986─2015年逐月SPI指數(shù)和降水量的時間變化Fig. 2 The monthly variation of SPI and precipitation in 1986-2015 in Weibei Loess Plateau

圖3 渭北黃土高原1986─2015年季節(jié)SPI指數(shù)的時間變化Fig. 3 The seasonly variation of SPI in 1986-2015 in Weibei Loess Plateau

由圖3（b）可知夏季與秋季干旱發(fā)生的情況。其中夏季發(fā)生干旱的年數(shù)為8年，干旱頻率為26.67%，秋季發(fā)生干旱的年數(shù)為6年，干旱頻率為20%。夏季和秋季均未發(fā)生特旱事件，但是夏季的輕旱年數(shù)稍有增加。

3.3 干濕季SPI變化

由于渭北黃土高原地區(qū)屬溫帶季風氣候，干濕季十分明顯，圖4給出了干濕兩個季節(jié)SPI指數(shù)隨時間的變化，以便對干濕季節(jié)干旱狀況進行分析。

由圖4可知，干季出現(xiàn)干旱次數(shù)明顯比濕季多，1991年的干季為特旱季，SPI指數(shù)為-2.05。濕季中最旱的年份是1997年，SPI指數(shù)為-1.89。干濕季出現(xiàn)干旱的次數(shù)分別為9次和4次，干季輕旱、中旱、重旱、特旱均有發(fā)生，干旱發(fā)生比較頻繁，而濕季以輕旱為主。

圖4 渭北黃土高原1986─2015干季和濕季SPI指數(shù)的時間變化Fig. 4 The variation of SPI in dry and wet seasons in 1986-2015 of Weibei Loess Plateau

3.4 干旱頻率分析

為了詳細比較渭北黃土高原地區(qū)各個季節(jié)不同等級干旱發(fā)生情況，表2列出了不同季節(jié)及干濕季統(tǒng)計結果，其中括號中的SPIM指的是某干旱等級中最大SPI值，括號中的year是指最大SPI值出現(xiàn)的年份。由表2可知，春季是全年中相對最旱的季節(jié)，其次是干季，這與研究區(qū)的實際情況也比較吻合。此外，盡管干季中降水較少，干旱頻率大于濕季，但干季不是干旱季節(jié)，只是降水相對較少，此時，農(nóng)作物生長季節(jié)已經(jīng)過去，需水量明顯小于生長季節(jié)，因此降水減少并不會帶來較大影響。但若降水過于稀少或者完全沒有降水，農(nóng)業(yè)和生活用水僅依靠水庫和水塘維持，那么就會導致現(xiàn)有水源枯竭，產(chǎn)生干旱災害。

表2 渭北黃土高原不同季節(jié)干早頻率統(tǒng)計表Table 2 Statistics of different drought grades in different seasons of Weibei Loess Plateau

3.5 SPI空間變化

為分析方便，采用12個月的時間尺度，在空間上將渭北黃土高原分為北部、中部和西部。其中，北部包括韓城市、合陽縣、澄城縣、大荔縣、白水縣、浦城縣；中部包括富平縣、耀縣、三原縣、涇陽縣、禮泉縣、興平市；西部包括寶雞市、鳳翔縣、岐山縣、扶風縣、楊凌區(qū)、永壽縣、乾縣。

渭北黃土高原北部、中部和西部地區(qū)的SPI時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知3個地區(qū)SPI變化趨勢十分相近，說明該地區(qū)干旱情況在空間上差異不明顯。

圖5 渭北黃土高原北部、中部和西部地區(qū)的SPI時間變化Fig. 5 The temporal variation of SPI in northern， central and western in Weibei Loess Plateau

4 結論及討論

4.1 討論

表3 不同地區(qū)研究結果對比Table 3 The results of different areas

表3是對基于SPI不同地區(qū)干旱情況的對比分析，相關研究結果表明：甘肅省河東地區(qū)1971─2005年總體上呈變干趨勢，且干旱出現(xiàn)較多的時期為1991─2005年；河北省1958─2007年SPI在減小，干旱程度在增加；云南省1958─2012年干旱整體在加重，干旱強度在各時間尺度上均呈不同程度增加趨勢；陜西關中地區(qū)1961─2001年SPI呈下降趨勢，氣象干旱程度在加劇；渭河流域1961 ─2010年干旱趨勢明顯，其中干旱化顯著的月份主要有11、12以及1月；西北地區(qū)1951─2009年干旱趨勢下降，干旱頻次總體下降，這是由于全球氣候變暖導致西北地區(qū)降水量、冰川融水量、河川徑流量增加和湖泊水位上升的緣故；內蒙古錫林郭盟近52年以0.082/10 a的速度趨于干旱化，且干旱出現(xiàn)的頻率在增加；近53年來，寧夏回族自治區(qū)年SPI在波動中呈降低的趨勢，其變化傾向率為-0.131/10 a，呈更加干旱趨勢，且干旱增幅以21世紀最大；中國南方1951─2008年干旱程度在時間尺度上呈不同程度增加趨勢；福建省近50年總體上向洪澇的趨勢發(fā)展，SPI指數(shù)在20世紀60年代先升后降，至70年代中后期開始上升，80年代初發(fā)生短暫下降，此后持續(xù)上升，上升趨勢一直持續(xù)到21世紀；近50年來，淮河流域干旱發(fā)生面積有逐年遞減而發(fā)生強度呈增強趨勢。

4.2 結論

本文采用SPI作為氣象干旱評價因子，對1986 ─2015年渭北黃土高原干旱的時空變化特征進行了研究，得出以下主要結論：

（1）通過對渭北黃土高原近30年逐月降水資料計算SPI值，結果顯示，該地區(qū)SPI和降水量的變化趨勢基本相近，都呈規(guī)律性的波動變化，但有些月份差異比較大。

（2）應用標準化降水指數(shù)SPI能夠明確地反映渭北黃土高原的干旱變化狀況。不同尺度的SPI可以較好地反映干旱洪澇的發(fā)展演變狀況和趨勢。短時間尺度如1個月能夠反映逐月的干旱變化，3個月能夠反映季節(jié)的干旱變化，而12個月長時間尺度的SPI可反映水分的滯后性作用，對于監(jiān)測評價農(nóng)業(yè)干旱非常有用。通過對多時間尺度SPI的時間序列分析可以發(fā)現(xiàn)，渭北黃土高原總體上有變濕的趨勢，且隨著時間尺度的增加SPI的隨機性在減弱，持續(xù)性在加強。與氣候變化相對應，全區(qū)干旱頻次有總體下降的趨勢。

（3）在年份上，渭北黃土高原干旱在波動中基本呈緩慢下降趨勢，突變點較多，干旱主要出現(xiàn)在1993、1994、1997、1998、2001年。在年內，渭北黃土高原地區(qū)一年四季均有干旱發(fā)生，但以春季和夏季干旱發(fā)生頻率略高，秋季和冬季干旱頻率略低。干季干旱頻率較高，濕季干旱頻率較低。

（4）渭北黃土高原不同地區(qū)干旱具有相對一致的趨勢，即3個地區(qū)降水偏少的干旱期發(fā)生的時段相同，都為1997和1998年。

本文利用SPI指數(shù)來評判渭北黃土高原的干旱特征，結果顯示SPI反應的渭北黃土高原的干旱狀況與實際非常相符，使用SPI指數(shù)分析該地區(qū)的干旱也是合適的。但是由于干旱作為一個復雜的現(xiàn)象，是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈綜合作用的過程，本文僅從降水量的因素分析研究了渭北黃土高原的干旱特征，沒有考慮地表的水文過程以及人類活動如灌溉等其他因素的共同影響。如何從地球表層系統(tǒng)的角度出發(fā)，以干旱事件為對象，研究更長（數(shù)年）和更多時間尺度以及不同干旱等級水平上干旱的時空分布將是本研究需進一步深入的工作。

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Temporal and Spatial Characteristics of Drought Based on Standardized Precipitation Index in Weibei Loess Plateau

WANG Xiaofeng1， 2*， HU Chunyan1， 3， WEI Wei3， YU Yang3
1. School of Earth Sciences and Resources， Chang'an University， Xi'an 710054， China；2. Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism simulation， Baoji 721016， China；3. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology， Research Center for Eco-Environmental Sciences， CAS， Beijing 100085， China；

Abstract:Weibei Loess Plateau is an important grain production base of Shaanxi Province. In this study， in order to promote the ability for coping with drought， daily precipitation data from 1986 to 2015 of this region were selected， and the standardized precipitation index （SPI） was calculated as an indicator to quantitatively analyze the temporal and spatial characteristics of drought in this area. Results showed that: （1） In the recent 30 years， SPI varied with the precipitation except some particular months. That is because the sensitivity of SPI to precipitation differed in different time scales. （2） Dividing the SPI into different time scales， can better reflect the development status and trend of drought and flooding. The short time scale （1 month） was used to reflect the drought variation monthly， while the medial scale （3 months） can be used to reflect the drought variation by season. In addition， the longtime scale （12 months） was observed to reflect the moisture hysteresis effect. Through the analysis of SPI in multiple time scales，the Weibei Loess Plateau presented a tendency of being wet， and the randomness of SPI declined with the increase of time scales，whereas the duration strengthened. Corresponded to the climate change， the drought frequency declined. （3） It was tested to be drought in 1993， 1994， 1997， 1998 and 2001， in this area. Meanwhile， according to the SPI， the spring and summer are much more prone to be drought than the autumn and winter， which can be concluded to be higher frequency during dry seasons. （4） The drought condition was relatively consistent within the whole Weibei Loess Plateau. The results for Weibei Loess Plateau will provide a scientific basis for agricultural drought management and decision-making.

Key words:SPI； Weibei Loess Plateau； drought； hysteresis； drought frequency

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.008

中圖分類號：S16； X16

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）03-0415-07

基金項目：高分地球表層系統(tǒng)科學研究應用示范系統(tǒng)（一期）黃土高原生態(tài)系統(tǒng)變化研究示范（30-Y30B13-9003-14/16）；國家自然科學基金項目（41501091）；陜西省自然科學基金項目（2014JM5211）、陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目（14JS010）

作者簡介：王曉峰（1977年生），男，副教授，博士，主要從事生態(tài)遙感方面的教學與科研。E-mail: hcc@chd.edu.cn

收稿日期：2015-12-22