標準化降水指數在黑河地區的適用性研究

趙山山,王志國,孫 波

(黑河市氣象局，黑龍江 黑河164300)

標準化降水指數在黑河地區的適用性研究

趙山山,王志國,孫 波

(黑河市氣象局，黑龍江 黑河164300)

對黑河地區6個氣象站1967-2015年的逐月降水數據資料計算標準化降水指數，分析了SPI指數的時間序列特征，探討了SPI指數的適用性。結果表明：（1）SPI指數在不同時間尺度下，對降水量的敏感性各有不同，較長時間序列指數能夠更好的表現階段性的干旱與雨澇持續時間。（2）在適用性方面，SPI在評價過程中比pa指數更加敏感，評價等級相對較高，而SPI指數和土壤墑情指數結合使用對判斷旱澇分布評價效果會更好。

標準化降水指數；SPI；適用性

1 引言

干旱指數，一直是干旱監測、預測和研究中的重要工具。黑河市氣象部門目前主要采用降水距平百分率和土壤田間持水量來表征各地區的旱澇變化情況。在土壤田間持水量測定過程中人為操作誤差及采樣隨機性都會對結果產生影響，因此，干旱監測容易受到人力和物力等多種因素制約，難以大范圍的進行旱情評估。而基于降水資料的SPI指數計算簡單，穩定性好，具有多時間尺度和時空適用性等優勢[1]，且不涉及具體的干旱機理，在國內外的干旱監測中廣受應用。

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

表1 旱澇等級劃分標準

通過對黑河地區6個氣象站1967-2015年降水資料的整理，建立逐月降水量時間序列。根據（GB/T20481-2006）國家氣象干旱等級劃分標準進行評價（見表 1）。

2.2 研究方法

2.2.1 標準化降水指數

采用《氣象干旱等級》（GB/T20481-2006）中 SPI的計算方法，計算降水量距平（Pa）和不同時間尺度下（1、3、6、12 個月）的 SPI值，分別記為 SPI1、SPI3、SPI6、SPI12。將SPI1作為主要研究對象。

2.2.2 土壤墑情干旱指數

由于墑情評價對不同作物不同生長階段的評價標準不同，本文采用 《水利技術標準編寫規定》（SL1—2002）標準中，小麥作物20 cm土壤深度為統一標準。

土壤田間持水量按下式計算:

式中：θm—土壤田間持水量%；

m1—烘干土質量g

m2—濕樣土質量g

3 結果與分析

3.1 SPI指數變化特征

不同時間尺度下的SPI指數能反映不同程度的干旱過程和持續時間[1]，在評價時，影響程度和時間都是水分變化的影響因子。本研究采用研究區內6個站點SPI值的平均值來代表研究區域。

SPI1計算時，由于原理上不考慮前期降水的影響，數值在0線上下波動性很強，隨機性明顯，時間持續性很弱。連續時間較長的干旱（為方便比較，取連續3月為輕旱以上程度的時間段，以下同）發生在1973年8-10月、1976年的8-11月、1992年3-5月、2001年的9-11月、2005年的7-10月、2011年的2-4月及8-10月。連續較長時間的雨澇發生在1972年9-11月、1982年8-10月、1987年11-1988年1月、1994年 9-11月、1998年 4-6月、2003年 7-9月、2004年 1-3月、2009年 1-3月、2012年 9月-2013年3月、2014年9-12月、2015年8-10月。結果表明，SPI1序列中干旱主要發生在夏秋季，而雨澇在四季均有可能出現，但主要出現在秋季和冬季。其中，25個重旱以上 （SPI≤-1.5）的月份，多發生在秋季（28%）和冬季 （36%），春季和夏季分別占16%和20%，19個重澇以上（SPI＞1.5）的月份有 7個月多發生在春季（36.8%），其次是冬季（31.6%），夏季和秋季出現的概率持平（15.8%）。

對不同時間尺度的SPI指數研究表明，例如對1998年雨澇的起始和結束時間的判斷，SPI1始于4月，結束于6月；SPI3始于5月，結束于8月；SPI6始于5月，結束于11月；SPI12始于6月，結束于次年4月。王鶯、李耀輝等研究表明在不同時間尺度下SPI值對降水量的敏感性各有不同，時間尺度越小，一次降水過程的影響就越顯著，會導致SPI值產生較大變化，甚至會產生正負波動；隨著時間尺度增加，一次降水過程的影響變小，只有在持續多次降水的情況下才能使SPI值發生波動，因此較長時間尺度的SPI可以用于長期水分狀況的監測，具有一定的穩定性，而旱期或澇期的起始和結束時間相應延后也充分反映了前期降水變化的累積影響[1]。因此，時間越長的尺度對水分監測的判定越清晰合理，而短期尺度的敏感性可以用于對短期水分狀況的評估監測中。

3.2 適用性分析

2013年黑河地區遭遇了洪澇災害，2015年夏季有階段性旱情，造成一定面積的農作物減產甚至絕收。本研究利用SPI指數法、降水距平法、土壤墑情干旱評價法，對2013年和2015年5-9月的氣象干旱等級進行對比評定。結果表明三種方法的評定結論不完全一致（表2-3中空白表示正常評定結果）。為方便與另外兩個指數對比評價，只對SPI1進行討論。

表2 三種干旱指數對2013年夏季洪澇期間旱澇評定

表3 三種干旱指數對2015年夏季干旱期間旱澇評定

如表2所見，從2013年5-9月6個縣站共30個月中，發生澇情的有25個月，其中SPI與Pa評價的等級結果一致的有14次，一致率56%，評估不一致的11次結果中有10次都是SPI比Pa重一個量級，土壤墑情指數劃分的等級與這兩者中任意一個一致的只有6次，不一致的有24次，且評價的輕重程度不一。另外，在汛情嚴重的8月份，6個地區中有5個地區的 SPI與Pa評價結果一致，而土壤墑情指數則顯示評價結果偏高一個等級以上。

三種方法對2015年旱情的判定 （表3）結果表明，旱情主要發生在6月和7月，12個月中SPI指數與Pa指標的評定結果一致的有8個月，4次不一致的結果中SPI都比Pa評價結果高一個等級。而土壤墑情指數的評價結果高低并存。

根據民政部門的不完全統計，2013年7月和8月受洪澇影響，愛輝和北安地區農作物減產3成左右，而其他地區受災面積在114847公頃以上，成災面積在80000公頃左右，絕收面積可達48000公頃。2015年6-7月僅孫吳和遜克受干旱影響的成災面積就達5000公頃。從2015年干旱評價結果中可見干旱的影響程度遜于2013年洪澇災害，重度災害較少。

通過上述對比發現，SPI在評價過程中比Pa指數更加敏感，評價等級相對較高。此外，在SPI指數的計算機理方面，是對降水量的標準化處理后轉化為正態函數，較長時間尺度的指數對降水量正態函數的軸線附近不會有太明顯擺動，因此，在短期內降水過少或過多時，前期降水的累積效應對后期評價有一定影響，能更連續性的反映土壤干濕狀態。而Pa，當本月降水為0或微量時，把評價結果判為特旱或重旱，這就與SPI指數產生了明顯差異。另外，關于土壤墑情指數，對于不同的作物在不同時期的發育進程影響不同，不能用單一的指標進行判斷，尤其在作物灌漿期或成熟收獲期，對水分的需求也截然不同，短時期內差異可能比較大。如果用單一的SPI指數或Pa指數進行評價，對不同作物的評價結果是差距更明顯的，而SPI指數可以對旱澇進行評估，再對作物利用土壤墑情指數進行評價，兩者結合使用之后對農區的實用效果會更好。

4 結論與討論

利用黑河地區1967-2015年的逐月降水資料對不同時間尺度的SPI指數進行了研究，并對其適用性進行了探討，得出以下主要結論：

（1）不同時間尺度的SPI指數，對降水量的敏感性各有不同。隨著時間尺度增加，一次降水過程對SPI的影響變小，只有在持續多次降水的情況下才能使SPI值發生波動，因此較長時間尺度的SPI可以用于長期水分狀況的監測[1],判斷旱澇趨勢變化的方向,實用性強。

（2）在適用性方面，SPI在評價過程中比Pa指數更加敏感，除去一致的結果后，不一致的結果表現出的評價等級相對較高，可以對旱澇實況更好的體現。土壤墑情指數，對于不同的作物在不同時期的發育進程影響不同，不能用單一的指標進行判斷，而SPI指數和土壤墑情指數結合使用可能效果會更好。

（3）后期應加強對旱澇特征的空間差異或旱澇變率進行探討，摸索其發展趨勢，對于當地干旱監測預警、干旱指數改進和對防災減災工作具有重要的意義。

[1]王鶯,李耀輝,胡田田.基于SPI指數的甘肅省河東地區干旱時空特征分析[J].中國沙漠,2014,34(1):244-253.

1002－252X(2017)03－0019－02

2017－6－1

趙山山（1986-），女，黑龍江省黑河市人，東北林業大學，碩士生，助理工程師.