基于SPI指數的近55年河南省干旱時空變化特征

李治國， 朱玲玲， 張延偉， 和鵬飛

(1.商丘師范學院測繪與規劃學院，河南商丘 476000； 2.濟南大學商學院，山東濟南 250022；3.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098)

1900年以來，全球超過20億人受到干旱的影響，每年因干旱造成的經濟損失高達60億～80億美元[1-2]，嚴重破壞糧食安全和生態環境，制約社會經濟穩定和發展。2011年世界人口突破70億，人口增長和消費增長急需穩定充足的食物供給。未來全球很多重要的農業區旱災頻率、強度和持續時間將增加[3]，威脅區域乃至全球的糧食生產和安全。因此，研究糧食產區的干旱時空變化特征非常重要。

標準化降水指數(standardized precipitation index，SPI)可以計算不同種類、不同時間尺度的干旱情況，且計算簡單易行，在國內外區域干旱監測中得到了廣泛應用[4-6]，揭示不同區域干旱時空變化規律和干旱演變過程的時空差異性。

河南省是黃淮海平原的重要組成部分和中原經濟區的主體，是我國重要的農副產品和糧食生產基地。河南省過渡性的氣候和地形造成干旱是河南省發生最為頻繁、危害最大的自然災害，在全球變化背景下旱災呈增加趨勢[7-8]，嚴重影響河南省糧食安全生產和國家糧食核心區建設。已有學者對河南省干旱的總體時空特征進行了較為深入的研究[8-9]，但在干旱的演變趨勢、周期性和空間差異等方面仍有深化和拓展的空間。本研究選取SPI指數，結合M-K突變檢驗法、morlet小波分析法和Hurst指數等分析河南省干旱的時間變化特征，并對未來趨勢進行分析，在Surfer11軟件支持下探究河南省干旱空間變化特征，對于深入探索河南省干旱時空演化規律具有重要的現實意義。

1 研究區概況

河南省地處中國中東部，界于110°21′～116°39′E和 31°23′～36°22′N之間(圖1)，屬暖溫帶和亞熱帶、濕潤和半濕潤的過渡氣候，年均降水量500～900 mm，由東南向西北逐漸減少[8]。地形總的趨勢是西高東低，西北和西部為太行山、伏牛山，南部為桐柏山、大別山，東部為大平原，境內的主要水系有黃河、海河、淮河和長江四大水系。特殊的地理位置和地貌格局使得河南省旱災頻發、時空分布較為復雜。

2 數據及方法

2.1 數據來源

使用1961—2015年河南省氣象觀測站逐月觀測資料計算標準化降水指數，所用數據來自中國氣象數據網(http：//data.cma.cn/)。選用17個監測連續的基準站(圖1)進行研究，這些站點在研究區均勻分布，具有較好區域代表性。

2.2 研究方法

2.2.1 SPI計算與干旱等級劃分 SPI可以用于分析多時間尺度干旱特征，本研究主要分析1、3、6、12個月尺度的SPI值，分別用SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12表示。其中，SPI-3 分別選取5月、8月、11月至次年2月作為河南省季節尺度(春季為3—5月、夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月)的干旱特征分析，SPI-6分別選取8月、次年2月的SPI-6作為河南省半年尺度(夏半年為3—8月、冬半年為9月至次年2月)的干旱特征分析，SPI-12選取12月的SPI-12作為河南省年尺度的干旱特征分析。根據氣象干旱等級標準[10]，并將重旱和特旱合并為重旱，對SPI計算結果進行劃分：無旱(SPI>-0.5)，輕旱(-1.0

2.2.2 干旱特征研究方法

2.2.2.1 干旱發生頻率 干旱發生頻率(Pi)是用來評價研究區某站近55年發生干旱的頻繁程度，計算公式[9]為：

Pi=ni/N×100%。

(1)

式中：N為計算總年數，N=55；ni為i站出現干旱的年數。根據不同干旱等級的發生年數計算各自的發生頻率。

2.2.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗法 Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法是世界氣象組織推薦并被廣泛用于實際研究的非參數檢驗方法，是時間序列趨勢分析方法之一。U>0，表示時間序列為上升趨勢，為濕潤趨勢；U<0，表示時間序列為下降趨勢，為干旱趨勢。本研究計算了12月的 SPI-12 的M-K值用來檢驗干旱趨勢。

2.2.2.3 干旱趨勢研究 英國水文專家Hurst在研究尼羅河多年水文觀測資料時發現并提出該方法[9]，Hurst指數可以表示為：

lg(R/S)=Hlgτ+Hlgα。

(2)

式中：α為常數；H為赫斯特指數，可根據R/S重標極差序列和子區間長度τ值在雙對數坐標系中用最小二乘法擬合回歸方程得到。0.5

3 結果與分析

3.1 連旱事件分析

定義單次持續時間超過3個月的干旱事件為1次連旱。河南省各站點、各年代出現的連旱次數和持續時間計算結果見表1。1961—1970年有1個站點(南陽)無連旱，29.4%的站點出現3次以上的連旱，且開封、商丘、西華、安陽、鄭州、信陽等6個站點共出現了8次持續時間超過5個月的干旱；29.4%的站點出現2次連旱。1971—1980年(1970s)有4個站點沒有出現連旱，70.6%的站點為2次及以下連旱，僅1個站點(信陽)出現了3次連旱，但該年代每次連旱持續時間不超過4月。1981—1990年(1980s)各站點均出現連旱，有29.4%的站點出現了3次及以上的連旱，70.6%的站點有2次及以下連旱，開封、鄭州、孟津等3個站點共出現了3次持續時間超過5個月的干旱。1991—2000年(1990s)有1個站點(孟津)無連旱，有52.9%的站點出現了3次及以上連續干旱，其中固始出現了6次連旱，僅駐馬店出現了持續時間超過5個月的連旱。2001—2010年(2000s)各站點均出現連旱情況，58.8%的站點出現了3次及以上連旱，商丘和信陽各出現1次持續時間超過5個月的連旱。2011—2015年有18%的站點出現連續干旱，有4個站點沒出現連續干旱。1990s年均干旱次數和干旱月份值最高；1970s年均干旱次數和干旱月份值最低；1960s年均干旱次數和月數雖然較小，但單次超過5個月連旱的數量和站點數量多。1990s以來為連旱高發期。

近55年連旱發生次數最多和累計持續月數最多的是鄭州站，分別為21次、75個月；其次是固始站，分別為18次、56個月；連旱發生次數最少的是新鄉、南陽、三門峽，均為8次；連旱累計持續月數最少的是南陽站，為25個月，其次是三門峽站，為27個月。歷時最長的連旱為7個月，分別發生在1968年的鄭州站和2001年的固始站。持續干旱時間在5個月以上的連旱出現了14次，其中商丘最多，發生了3次；其次是鄭州、開封和信陽，發生了2次，鄭州、開封、商丘一帶是持續干旱發生的集中地區。

3.2 干旱周期分析

利用小波方法對各站SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12分別進行周期分析，結果見表2。SPI-1出現4～28個月的周期，4月的較普遍；SPI-3出現7～28個月的周期，16個月的較普遍；SPI-6出現16～32個月的周期，16個月的較普遍；SPI-12 出現2～7年的周期，2年的較普遍。SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12的短周期干旱均較多，干旱頻發。

3.3 干旱頻率分析

3.3.1 干旱頻率的時間變化 由圖2可知，干旱頻率的最大值出現在2011—2020年(2010s)的欒川站，干旱頻率達到46.7%；最小值出現在1960s的新鄉站，為24.2%。各年代際干旱頻率平均值排序為：2010s(36.57%)>1990s(31.67%)>1960s(30.29%)>2000s(29.12%)>1970s(28.77%)>1980s(28.28%)。

3.3.2 干旱頻率的空間變化規律 基于各站點SPI-1干旱統計的河南省近55年干旱頻率及各等級干旱頻率分布見圖3。圖3-a顯示，近55年來干旱頻率的高值區域主要位于鄭州、欒川、盧氏一帶(31.52%～33.64%)，豫北安陽(28.79%)、新鄉(27.42%)發生干旱頻率較其他地區較低，但17個站點干旱頻率平均值為31%，最低值27%，表明河南省各地受干旱影響比較大。分析發現，輕旱頻率在 13.03%～17.27%之間波動，高值區集中分布于孟津、寶豐、鄭州和開封一帶，低值區分散位于南部的南陽和東部的商丘等地(圖3-b)；中旱頻率在6.97%～11.52%之間波動，高值區分散分布于盧氏、鄭州和商丘等地，低值區集中分布于以西華為中心連接新鄉和南陽的地帶(圖3-c)；重旱頻率在4.55%～7.12%之間波動，高值區集中分布于以西華為中心的東南部，低值區位于安陽、寶豐為中心的西北部(圖3-d)。

表1 各站點不同年代連旱次數和干早持續的時間

注：“—”表示無持續干旱事件。1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2015年分別以1960s、1970s、1980s、1990s、2000s、2010s表示。下表同。

表2 不同時間尺度干旱周期

1961—2015年河南省春旱頻率在23.64%～36.36%之間波動，除豫北新鄉、豫南西峽春季干旱發生的頻率較低外，其余地區干旱發生的頻率均較高，最高值在寶豐(圖4-a)。輕旱波動范圍為7.27%～20.00%，從東向西高值與低值相間分布，最高值也出現在寶豐，最低值出現在西峽(圖4-b)。中旱波動范圍為3.64%～16.36%，許昌和駐馬店一帶是顯著的高值區，低值分布在周圍其他地區(圖4-c)。重旱頻率波動范圍為1.82%～12.73%，高值區分布在河南省西部邊緣，最高值出現在西華，最低值出現在許昌(圖4-d)。

1961—2015年，河南省夏旱頻率在23.64%～38.18%之間波動，總體呈南高北低的空間分布，最低值出現在豫西孟津，最高值出現在豫東西華(圖5-a)。輕旱波動范圍為 7.27%～25.45%，總體也呈南高北低態勢，最低值出現在孟津，最高值出現在南陽(圖5-b)。中旱波動范圍為 5.45%～14.55%，西峽和寶豐是2個高值區，低值分布在信陽、南陽、欒川一帶(圖5-c)。重旱波動范圍為3.64%～10.91%，高值區分布在鄭州、開封一帶，最低值出現在西峽、西華和三門峽(圖5-d)。

1961—2015年河南省秋旱頻率在23.64%～40.00%之間波動，西北高、東南低，最高值在盧氏、孟津，最低值在固始(圖6-a)。輕旱頻率波動范圍為10.91%～29.09%，西高東低，最高值在孟津，最低值在信陽(圖6-b)。中旱頻率波動范圍為3.64%～10.91%，孟津、新鄉、安陽一帶是高值集中分布區，另外1個高值在駐馬店，最低值分布在許昌和固始(圖6-c)。重旱波動范圍為3.64%～9.09%，高值區分布在河南省東南的西華、固始，最低值出現在孟津、新鄉、盧氏、欒川和南陽(圖6-d)。

1961—2015年河南省冬旱頻率在25.45%～34.55%之間波動，中間低、兩側高，最高值在欒川，最低值在三門峽(圖7-a)。輕旱頻率波動范圍為10.91%～20.00%， 也呈中間低、兩側高趨勢，最高值在豫東商丘，最低值在豫北安陽和豫南駐馬店(圖7-b)。中旱頻率波動范圍為0.00%～10.91%，最高值出現在欒川和西峽，最低值出現在三門峽(圖7-c)。重旱頻率波動范圍為5.45%～10.91%，南北高、中間低，高值區分布在北部的安陽和西北的三門峽以及西華和駐馬店，最低值出現在許昌和商丘(圖7-d)。

3.4 干旱趨勢分析與預測

Mann-Kendall趨勢分析表明，河南省17個站點中有12個站點的SPI-12的M-K值均小于0，分別通過了0.05的顯著性檢驗，盧氏、商丘和西華3個站點的SPI-12的M-K值均大于0，各站SPI-12的M-K平均值也小于0，總體呈干旱化趨勢。對各年代SPI-12的M-K值進行分析顯示，1960s、1970s、1980s、1990s、2000s以及2011—2015年分別有82%、71%、53%、29%、35%、59%站點出現干旱化趨勢。M-K 與Hurst趨勢判斷綜合判斷結果見表3，年、春、夏、秋、冬的總體趨勢分別為干旱化、干旱化、濕潤化、 干旱化和濕潤化，秋季所有站點都呈干旱化趨勢，干旱特征顯著。

表3 1961—2015年河南省年和季節干旱趨勢

4 結論

本研究表明，1961—2015年河南省全年、春、夏、秋、冬干旱趨勢分別為干旱化、干旱化、濕潤化、干旱化和濕潤化，秋季所有的站點都呈干旱化趨勢，干旱特征顯著。1990s以來為連旱高發期，近55年連旱發生次數最多和累計持續月數最多的是鄭州站，分別為21次、75個月；連旱發生次數最少的是新鄉、南陽和三門峽，均為8次；連旱累計持續月數最少的是南陽站，為25個月。鄭州、開封、商丘一帶是持續5個月以上的連旱發生的集中地區。各地市SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12 的主要周期分別為4、16、16、24個月，短周期干旱較多，間隔時間短，干旱頻發。土壤水分、連續無降水日、大氣環流和ENSO(厄爾尼諾與南方濤動的合稱)對河南省干旱的影響有待進一步研究。

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