基于標準化降水指數的魯西地區旱澇時空特征分析

李慧 李楠 韓學蕾 王小亞

摘要 利用魯西地區8個臺站1962—2015年逐月降水資料，計算了魯西地區各月的標準化降水指數（SPI），在此基礎上分析了全年及各季節的標準化降水指數，應用M-K突變檢驗、小波分析和ArcGIS空間插值方法分析了旱澇的時空分布特征。結果表明，春季SPI呈現增加趨勢，其余各季節及全年SPI均呈減少趨勢。空間分布，年尺度干旱分布中東部縣干旱次數高于西部縣；雨澇呈現南北分布，南部縣次數高于北部縣。季節旱澇分布，春夏干旱多發生在東部及南部縣，秋冬干旱集中在西北部縣；季節雨澇次數較多發生在南部及東部縣。

關鍵詞 旱澇；標準化降水指數；時空特征；魯西地區

中圖分類號 P426.616 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）06-0190-04

Analysis of Spatial and Temporal Characteristics of Drought and Flood in Luxi Area Based on Standardized Precipitation Index

LI Hui， LI Nan*， HAN Xue-lei et al

（Liaocheng Meteorological Bureau， Liaocheng， Shandong 252000）

Abstract By using monthly precipitation data of 8 stations in Luxi area during 1962-2015， standard precipitation index （SPI） in each month was calculated. On the basis of this， SPI of whole year and each season was analyzed. The spatial and temporal distribution characteristics of drought and flood were analyzed by using M-K mutation test， wavelet analysis， and ArcGIS spatial interpolation method. The results showed that： SPI in spring presented an increasing trend， and the rest of the season and the average annual showed a decreasing trend. In spatial distribution， drought times in eastern counties was higher than that of western counties， waterlogging presented south-north distribution， and the occurrence times in southern counties was higher than that in northern counties. As for seasonal drought and flood distribution， spring and summer drought occurred in eastern and southern counties， autumn and winter drought concentrated in northwestern counties；seasonal floods more frequently occurred in southern and eastern counties.

Key words Drought and flood；Standardized precipitation index（SPI）；Temporal and spatial characteristics；Luxi area

21世紀以來極端氣候事件頻發，我國生態環境具有復雜多變、敏感脆弱及人類活動影響顯著的特點[1]。我國是世界上受氣象災害最嚴重的國家之一[2]。近年來，我國自然災害發生的頻率和造成的損失有明顯增加的趨勢[3]。為了定量表達旱澇程度，學者們先后提出了降水距平百分率、帕默爾干旱指數（Palmer Drought Severity Index，PDSI）、地表水分供應指數（Surface Water Supply Index，SWSI）和標準化降水指數（Standardized Precipitation Index，SPI）等[4-7]。基于降水資料的SPI指數具有計算簡單、資料容易獲取及多時間尺度的優勢，已在國內外干旱監測中廣泛應用。

聊城地處中原腹地、山東省西部（35°47′～37°03′ N、115°16′～116°30′ E），是主要的糧食產區[8]。處于暖溫帶季風氣候區，四季分明，夏季高溫多雨，易出現局部內澇；冬季寒冷干燥，春秋季降水偏少、干旱多風[9]。該地區旱澇災害頻發，對農業生產造成嚴重危害。筆者根據聊城地區54年來的逐月降水數據，采用SPI分析了該地區的旱澇時間特征及規律，以期為減輕旱澇災害損失和政府防災減災提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取聊城市氣象局8個觀測站（臨清、冠縣、聊城、陽谷、莘縣、高唐、茌平、東阿）1962—2015年的逐月降水資料。四季劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。

1.2 分析方法

采用SPI結合氣候傾向率分析聊城地區的旱澇時間特征[10]。基于1962—2015年8個氣象站的年尺度及季節SPI指數分析得到各氣象站點旱澇次數，利用ArcGIS空間插值法分析聊城地區旱澇災害空間分布特征。

SPI是基于降水量的分布，一般不是正態分布，而是一種偏態分布[11]。在計算出某時段內降水量的分布概率后，再進行正態標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分旱澇等級[11]。該研究根據干旱等級標準（GB/T20481 氣象干旱等級）規定了氣象干旱指數的計算方法、等級劃分標準、等級命名、使用方法等。旱澇指標劃分為：-0.5標準化降水指數的計算步驟：假設某時段降水量為隨機變量x，則其分布概率密度函數如下：

f（x）=1βγΓ（γ）xγ-1e-x/β（1）其中，x>0；β>0、γ>0，分別為尺度和形狀參數，可用極大似然估計方法求得：

γ=1+1+4A/34A（2）

β=/（3）

A=lg-1nni=1lgxi（4）式中，xi為降水量資料樣本；為降水量氣候平均值。概率密度函數中的參數確定后，對于某一年的降水量x0，可求出隨機變量x小于x0事件的概率：

F（x

2.3 旱澇空間變化特征

從圖4可以看出，高唐縣干旱發生次數最多，其次為陽谷縣及東阿縣，中西部縣干旱發生次數相對較少；年尺度的雨澇呈現南北分布，南部的陽谷縣、東阿及莘縣雨澇次數高于北部縣，其中位于中間位置的聊城市次數相對較少。

季節尺度干旱次數分布（圖5）顯示，近54年聊城地區春季干旱發生次數最多，為19次，夏季干旱相對少，冬季與秋季發生干旱次數相差不大，但量級上秋季略大于冬季。春季干旱：中部及東部縣發生干旱次數多于西南部縣；夏季干旱：北部縣發生頻率高于南部縣；秋季與冬季干旱分布較為一致，都是西部縣發生干旱次數高于東部縣。

季節尺度雨澇次數分布（圖6）顯示，近54年聊城地區夏季雨澇發生頻率最高且量級最大；春季雨澇次數較少，量級也最小，基本上處于輕澇的級別；冬季與秋季發生雨澇次數基本相當，量級上冬季的雨澇大于秋季，主要是聊城地區冬季降雪較為明顯。空間分布，春季雨澇發生次數較多的集中在中部及東部縣；夏季雨澇發生次數最多的為陽谷，臨清及高唐次之；秋季雨澇次數最多的為臨清，其次為南部幾個縣；冬季雨澇分布較多的為南部的莘縣、陽谷，北部縣發生雨澇次數相對較少。

3 結論

采用SPI作為旱澇評價因子，對1962—2015年聊城地區54年旱澇時空特征進行分析，結果表明，SPI年均值呈減少趨勢，小波分析中年尺度SPI中存在較為顯著的3、4年低頻主振蕩周期及44年未閉合長周期，表明未來干旱的趨勢還將繼續。

旱澇季節變化：春季降水呈現不明顯的增加趨勢，春旱趨勢轉弱；夏季降水整體趨勢減少，但夏季突發性旱澇增加；秋、冬季節整體均呈現不明顯的下降趨勢，秋季干旱呈現增加趨勢，冬季降水在近幾年開始有增加的趨勢，冬旱近幾年及未來趨勢會有所減弱。

年均旱澇空間變化：年尺度干旱分布中，高唐縣干旱發生次數最多，其次為陽谷縣及東阿縣，中西部縣干旱發生次數相對較少；年尺度的雨澇分布中，陽谷縣及東阿縣雨澇較多，聊城市次數分布相對較少。季節旱澇空間變化：春季雨澇發生次數較多的集中在中部及東部縣，夏季雨澇發生次數較多的為北部及南部縣；秋季雨澇次數最多的為臨清，其次為南部幾個縣；冬季雨澇分布較多的為南部的莘縣、陽谷。

旱澇是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈共同作用的過程[12]，該研究僅從降水因素分析旱澇特征，沒有考慮水文及灌溉等因素的影響，以后將結合其他旱澇指標進行深入分析，進一步研究魯西地區旱澇時空演變特征。

參考文獻

[1] 杜海波.全球氣候變化背景下東北地區極端氣候事件研究[D].長春：東北師范大學，2015.

[2] 章國材.防御和減輕氣象災害：2006年世界氣象日主題[J].氣象，2006，32（3）：3-5.

[3] 翟祿新，馮起.基于SPI的西北地區氣候干濕變化[J].自然資源學報，2011，26（5）：847-857.

[4] 黃榮輝，蔡榕碩，陳際龍，等.我國旱澇氣候災害的年代際變化及其與東亞氣候系統變化的關系[J].大氣科學，2006，30（5）：730-743.

[5] 安華.華北地區旱澇時空變化特征及趨勢判斷[D].西安：陜西師范大學，2013.

[6] 林琳.近30年我國主要氣象災害影響特征分析[D].蘭州：蘭州大學，2013.

[7]

王芝蘭，王勁松，李耀輝，等.標準化降水指數與廣義極值分布干旱指數在西北地區應用的對比分析[J].高原氣象，2013，32（3）：839-847.

[8] 李楠，邱新法，紀凡華，等.魯西平原參考作物蒸散量變化及氣候影響分析[J].湖北農業科學，2015（8）：1852-1856.

[9] 孫澤龍.聊城市水資源評價與供需平衡分析[D].北京：中國農業大學，2005.

[10] 王媛媛，張勃.基于標準化降水指數的近40a隴東地區旱澇時空特征[J].自然資源學報，2012，27（12）：2135-2144.

[11] 黃晚華，楊曉光，李茂松，等.基于標準化降水指數的中國南方季節性干旱近58a演變特征[J].農業工程學報，2010，26（7）：50-59.

[12] 馮明.氣候變化對水文水資源的影響研究[D].武漢：武漢大學，2004.