基于SPI的山西省1972—2012年春夏干旱特征及對玉米產量的影響分析

郭 偉，李 瑩，杜莉麗

(1.山西省氣象科學研究所， 山西 太原 030002; 2.陜西省氣象臺， 陜西 西安 710014)

在對干旱的研究和旱情的評價中，干旱指標的選取和運用最為關鍵[1]。造成干旱的原因多樣，降水量少，蒸發量大是形成干旱的直接原因[2]，而大氣環流異常，海氣和陸氣相互作用導致的降雨偏少是干旱發生的根本原因[3-4]，此外，暴雨增多、水土流失等也會形成干旱[5]。對于干旱監測和干旱指標的研究也從這些方面著手，基于降水量的干旱指標有降水距平百分率、標準化降水指數、Z指數[6-7]；基于降水量與蒸發量的指標有相對濕潤度指數、標準化降水蒸散指數[8-9]；基于降水量與氣溫的指標有Ped干旱指數、德馬頓干旱指標[10-11]，以及多種因素均考慮在內的PDSI干旱指標[12]和CI指數[13]等。這些基于干旱成因的指標在干旱評估過程中各有優勢，并在干旱研究中取得了積極的成果。

受海陸分布、地形等因素影響[14]，降水量在區域間、季節間和多年間分布很不均衡，因此旱災發生的時期和程度有明顯的地區分布特點。基于降水資料的標準化降水指數(SPI)是采用Γ函數的標準化降水累積頻率分布來描述降水量變化，表征某時段降水量出現的概率多少的指標[15]。該指數使不同地區或不同時段發生的干旱具有可比性且有多時間尺度的優勢，能夠對不同空間的旱澇進行比較，穩定性較好，在干旱監測中得到了廣泛應用。

山西省地處黃土高原干旱半干旱地區，經向上地處沿海濕潤季風氣候向內陸荒漠干旱草原氣候的過渡帶，緯向上由溫暖帶過渡到溫帶氣候，境內地形復雜，高差懸殊，因此造成水熱條件的顯著差異[16]。SPI的優勢正是在于可以比較不同干濕地區的干旱變化規律，以季為評價時間尺度，從氣象干旱角度分析山西省季節性干旱發生頻率、強度、干旱范圍的時空變化規律，為全球氣候變化背景下制定抗旱減災作物布局、合理利用水資源提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 站點的選擇

山西省有109個縣地面氣象資料，考慮到資料的完整性及區域代表性，選取了50個氣象站為研究對象，站點分布見圖1，時間序列為1972—2012年。

1.2 標準化降水指數的計算

標準化降水指數是由McKee等[15]1993年提出的一個相對簡單的干旱指數，其基本特點是：只需要較長時間的降水量(一般應超過30年)資料，即可計算不同時間尺度的干旱指數。其主要是基于自然降水為Γ分布，然后經過正態分布標準化變換而得出。具體計算步驟如下：

假設某時段降水量為隨機變量x，則其Γ分布的概率密度函數為：

(1)

式中，β>0，γ>0分別為尺度和形狀參數，β和γ可用極大似然估算方法求得：

(2)

(3)

(4)

(5)

利用數值積分可以計算用式(1)代入式(5)后的事件概率近似估計值。

圖1 氣象站點分布

Fig.1WeatherstationdistributioninShanxiProvince

降水量為0時的事件概率由下式估計：

F(x=0)=m/n

(6)

式中，m為降水量為0的樣本數；n總樣本數。

對Γ分布概率進行正態標準化處理，即將式(5)、式(6)求得的概率值代入標準化正態分布函數，即：

(7)

對式(7)進行近似求解可得：

(8)

由式(8)求得的值就是標準化降水指數SPI。

SPI具有多時間尺度(1、3、6、12、24、48個月等)的特征，本文主要分析了3個月時間尺度的SPI，因為3個月時間尺度的SPI可以清楚地反映季節干旱，與農業干旱關系密切。干旱等級劃分參照McKee等干旱等級標準[15]。

1.3 干旱站次比

Pj是用某一區域內干旱發生站數多少占全部站數的比例來評價干旱影響范圍的大小，可用以下公式表示：

Pj=m/M×100%

式中，M為研究區域內總氣象站數；m為發生干旱的站數；下標j指代不同年份的代號。干旱發生站次比(Pj)表示一定區域干旱發生的范圍的大小，也間接反映干旱影響范圍的嚴重程度。干旱的影響范圍定義參考黃晚華等[17]的研究：當Pj≥50%時，為全域性干旱；當50%>Pj≥33%時為區域性干旱；當33%>Pj≥25%時為部分區域性干旱；當25%>Pj≥10%時為局域性干旱；當Pj<10%時可認為無明顯干旱發生。

1.4 干旱強度(Si)

Si用來評價干旱嚴重程度，單站的某時段內的干旱強度一般可由SPI值反映，SPI絕對值越大，表示干旱越嚴重。某區域內多年的干旱程度可由下式得到，即

式中，|SPIi|為發生干旱時的SPI的絕對值。根據干旱分級可推出，當1>Si≥0.5 時為輕度干旱；當1.5>Si≥1 時為中度干旱；當Si≥1.5 時，干旱強度為重度干旱。

2 結果與分析

2.1 1972—2012年SPI變化特征

運用氣候傾向率和Mann-Kendall突變檢驗來分析1972—2012年山西省春季和夏季SPI變化特征。從圖2A中可以看出，春季SPI呈增大趨勢，有濕潤傾向，氣候傾向率為0.15·10a-1；運用Mann-Kendall突變檢驗來分析春季SPI的變化特征(圖2a)，結果顯示，春季在90年代中期以前SPI有增大趨勢，突變點位于1975年左右，2000年左右有下降的突變點，但是曲線(實線)后續變化未超過信度線，突變信號較弱。夏季SPI呈減少趨勢(圖2B)，有干旱傾向，氣候傾向率為-0.14·10a-1；夏季M-K突變檢驗顯示(圖2b)，夏季曲線未超過信度線，表明夏季SPI下降趨勢未到達顯著水平。相對來說，春季降水量低于夏季，因此，夏季的干旱影響更大。由于SPI指數是根據概率密度設定的干旱等級，即假定了不同地點發生干旱概率相同：1972—2012年內出現輕微干旱的年份有6年(11.8%)，出現中度干旱的年份有4年(6.6%)，出現重度和極端干旱的年份分別為1年(2%)，干旱發生概率約為23.5%。山西省春季和夏季不同等級干旱的年份見表1，其中僅2003年春季和夏季同時發生了輕微干旱，即很少出現春、夏同時干旱的現象。

表1 山西省春季和夏季不同等級干旱發生年份Table 1 The years of different levels for spring and summer drought from 1972 to 2012

2.2 基于SPI的山西省降水量區域分布特征

由于SPI為-0.5(干旱臨界值)時在不同地區代表的降水量值是不同的，即有的站點低于300mm降水量即為干旱，而有的站點低于200mm才為干旱。因此，為了直觀體現SPI反映的山西省各地區干旱量值，取SPI≈-0.5時各地區降水量值即為該地區干旱的臨界值(圖3)。

從圖3可以看出，春季山西省降水量區域分布呈南高北低的狀況，南部地區干旱臨界降水量為83mm，而北部地區為36mm。山西省春季平均降水量除五臺山外，均在50～120mm之間，其中北、中部在50～80mm之間，南部在80～120mm之間。運城地區(圖中深色區域)春季降水約占全年的20%以上，其它大部地區約占年降水量的13%～17%。與春季降水分布不同，山西省夏季降水量呈東高西低的狀況，東部地區干旱臨界值超過300mm，而中部、南部、北部地區干旱臨界值低于200mm，西部呂梁山區干旱臨界值接近東部地區，降水量分布差異顯著。山西省夏季降水量除五臺山外，全省各地在230～400mm之間，約占全年部降水量的50%～60%。由圖可見，降水量自東南向西北逐漸減少，太行山、呂梁山和中條山區雨量均在300mm以上(多于河谷盆地區)；雁北大多數地區、太原、忻州盆地和運城盆地大部降水量均少于250mm，其余地區在250～300mm之間。由此可以也反映出山西降水的成因，春季降水量與暖濕空氣活動程度有關，而夏季降水則與地形因素更為密切。

圖2 基于SPI的春季(A/a)和夏季(B/b)山西省干旱變化趨勢Fig.2 Characteristic of drought variations based on SPI in spring (A/a) and summer (B/b) in Shanxi Province

圖3 山西省春季(A)和夏季(B)干旱臨界的降水量空間分布

Fig.3Thespatialdistributionofthresholdprecipitationforspring(A)andsummer(B)droughtinShanxiProvince

2.3 1972—2012年干旱強度變化趨勢

干旱強度反映干旱的嚴重程度。圖4給出了山西省春季和夏季干旱強度的變化趨勢。從圖4A可知，1972—2012年間山西省春季干旱強度呈弱的下降趨勢，氣候傾向率為-0.016·10a-1，山西省春季干旱強度在0.32～1.45之間，其中達到中等以上干旱的有9年(干旱強度大于1.0)，均出現在2002年以前。圖4B顯示，夏季干旱強度呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.055·10a-1，下降幅度較春季明顯，干旱強度在0.35～1.45之間，其中干旱強度達到中等干旱以上的年份均出現在2000年之前，即近年來山西省整體干旱嚴重強度有所下降。

2.4 干旱站次比變化趨勢

干旱站次比可以表示山西省干旱面積的大小。山西省春季干旱發生的站次比見圖5A。山西省春季站次比波動范圍為0～98%，從圖中可以看出，春季干旱面積呈下降趨勢。其中全省各站未發生干旱(<10%)的年份為1980、1983、1985、1990、1991年和1998年；發生全域性干旱(>50%)的年份有10年，分別為1972—1974、1978、1981、1989、1993、1995、2000—2001年，即近40年山西省春季出現了兩次持續性全域性干旱。從中旱發生站次比看，歷年在0～88%之間波動，其中1972、1981、1995、2000—2001年發生了全域性中等干旱，另外，1973—1974年、1996年發生了區域性中等干旱(33%～50%)。

夏季站次比波動范圍為0～42%，有增加趨勢。未發生干旱的年份有1973、1976、1981、1988年和1996年，沒有與春季相同的年份。發生區域性干旱的年份有1972、1986、1991、1997、1999年和2001年，其中1992年發生干旱的站次比達到42%，為近40年來夏季干旱發生范圍最大的一年。從夏季中等干旱站次比來看，僅1997年發生了區域性干旱，干旱站次比達到33%。

綜上，山西省春季干旱面積有所下降，但極端干旱事件時有發生，夏季干旱面積有上升趨勢，但較少出現全域性或區域性干旱事件。

圖4 山西省春季(A)和夏季(B)干旱強度變化趨勢(1972—2012)Fig.4 Spring (A) and summer (B) variations drought intensity from 1972-2012 in Shanxi Province

圖5 山西省春季(A)和夏季(B)干旱站次比(1972—2012)

Fig.5Spring(A)andsummer(B)variationsofdroughtstationsproportionfrom1972—2012inShanxiProvince

2.5 山西省干旱發生的持續性特征

為了分析山西省干旱發生的持續性特征，分析了5年SPI值的變化趨勢。圖6給出了山西省春季5年SPI值的分布圖。從圖6中可以看出，1972—1976年，山西省春季中北部地區大面積呈現干旱狀態，南部地區也稍好；1977—1981年，山西省大部地區沒有出現顯著的干旱狀況，僅東南和西北局部地區出現干旱；1982—1991年這10年間，山西省春季的降水量偏多，尤其后5年，山西省大部呈現濕潤狀況；1992—1996年，山西省北部地區呈現干旱狀況，中南部地區降水量處于正常范圍；1997—2001年山西省干旱分布不均，主要出現在中南部部分地區；近11年(2002—2012)山西省春季降水量較為正常，沒有出現持續性大面積干旱狀況，近年來部分地區降水量還有所偏多。

圖7給出了山西省夏季5年SPI值分布圖，圖中直觀體現了山西省夏季出現持續性干旱或濕潤的狀態。從圖中可以看出，1972—1976年，山西省大部干濕處于正常狀態，僅東南部局部、東北部局部呈濕潤狀態；1977—1981年山西省中北部地區降水量偏多，呈濕潤狀態，其它大部降水量呈正常狀態，1982—1991年，山西省大部地區沒有出現降水量的虧缺，呈正常狀況；1992—1996年，山西省中西部地區和北部局部地區呈濕潤狀態，其余大部呈正常狀態；1997—2001年山西省中北部部分地區干旱狀況明顯，且分布區域廣大；2002—2012年近11年來，山西省大部分地區沒有出現持續性的干旱或濕潤，僅有局部地區降水量偏少。綜上，山西省春季在70年代前中期出現了持續的干旱，在80年末出現了持續性降雨偏多現象；而夏季的1997—2001出現了持續性的干旱，其余時間段旱情較弱。

2.6 對玉米產量的影響

山西省玉米種植區域廣泛，是最主要的農作物，氣候變化對玉米產量的影響也可以反映對其它農作物的影響效果。為了更直觀描述氣候變化對玉米產量的影響，引入氣候產量進行分析，氣候產量是利用實際產量數據擬合出以時間為變量的趨勢產量，實際產量與趨勢產量的差值即為氣候產量，本研究中，玉米的趨勢產量是通過玉米單產5年滑動平均計算得出的。表2給出了降水量、SPI值與玉米單產、玉米氣候產量之間的關系，結果顯示，SPI值與玉米產量的相關系數要高于降水量，因此，SPI值能更好地表示氣候干濕狀態。由表2可以看出，對作物產量有顯著影響的是夏季干旱而非春季干旱。夏季SPI、干旱強度和中旱強度對玉米單產有顯著影響，即夏季干旱強度的增加會減少玉米產量。所有指標均對玉米氣候產量都有顯著影響，SPI、降水量、干旱強度和中旱強度對玉米氣候產量的影響都達到0.01水平上的顯著性，其中中旱及以上強度的干旱對玉米氣候產量的影響最為明顯。

圖6 山西省春季5年干濕狀況分布

Fig.6Distributionofdry-wetconditionsatfive-yearintervalinspringinShanxiProvince

圖7 山西省夏季5年干濕狀況分布Fig.7 Distribution of dry-wet conditions at five-year interval in summer in Shanxi Province表2 降水量、SPI與玉米單產和氣候產量的相關關系Table 2 Relationship between SPI, precipitationand maize yield, climate yield

注：* 表示在0.05水平上顯著；**表示在0.01水平上顯著。

Note：*significantat0.05levels；**significantat0.01levels.

3 結論與討論

標準化降水指數可以較好地反映山西省不同地區在不同時間階段內的干濕狀況，本文以3個月為時間尺度，從山西省整體干旱趨勢、干旱面積變化趨勢、干旱強度變化趨勢、干旱持續時間特征和干旱空間變化等方面，深入研究了山西省近40年來春夏干旱特征，并結合玉米產量，揭示了SPI指數表征干旱特征的優勢。

近40年來山西省春季有濕潤傾向，氣候傾向率為0.15·10a-1，干旱強度呈下降趨勢；從空間區域干旱面積變化看，山西省春季干旱面積也有所下降，1982年以前約為42%，而近10年為26%，表明山西省春季干旱狀態有緩解趨向，但山西省春季降水量整體偏少，區域性甚至全域性干旱事件頻發，部分地區出現了4次持續性干旱事件，因此，春季的干旱并未得到有效緩解。由于降水的輕微減少和溫度的明顯升高，華北、西北、西南等多地也曾出現較為嚴重的春旱[9]。

近40年來山西省夏季表現為干旱傾向，氣候傾向率為-0.14·10a-1，但干旱強度有所下降，特別是近10年，幾乎沒有發生中等及以上干旱事件；夏季干旱面積有所上升，70年代約為11%，而近10年上升到14%，但較少出現區域性或持續性干旱事件。由于山西省夏季降水量遠超春季，因此，夏季干旱影響更大。我國不同地區夏季干旱趨勢差異顯著，華中、華南地區都有濕潤傾向，存在2～3a和5～6a的震蕩周期[18-19]。由于地形作用和大氣環流特征，春季南部地區較為濕潤，而夏季東部地區更加濕潤。

基于玉米產量和SPI指數的研究表明，對其產量有顯著影響的是夏季干旱而非春季干旱，夏季干旱特別是中等以上強度的干旱對玉米產量影響更加顯著，因此，未來的研究應重點關注夏季降水的變化。在研究干旱和干旱指標的過程中，與作物生產更加密切的指標可能更有指導意義，SPI值與玉米產量的相關系數要高于降水量，表明基于標準化降水指標的干旱分析在農業生產方面更具指導意義。

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