基于SPI干旱指數的海口市干旱變化特征研究

孫秋慧　徐國賓

摘要：根據海口市8個雨量站1970-2012年的逐日降雨資料，采用降雨平均和SPI（標準化降水指數）平均兩種不同的SPI處理方案[JP+1]計算了三個時間尺度（3、6、12個月）的SPI值。將兩種處理方案在不同時間尺度上計算所得的干旱情況與實際干旱情況做了比較，選擇適用于海口市干旱評估的處理方案，應用MannKendall檢驗，Morlet小波分析方法分析了海口市1970-2012年間各季節的干旱變化趨勢和年干旱變化周期。結果顯示：降雨平均方案更適用于評估海口市的干旱情況；海口市不同程度的干旱發生頻率高達56%，多發生在春、秋兩季，頻率分別為51%和41%，秋季特旱發生頻率為14%；海口市整體干旱有加重趨勢且秋季加重趨勢明顯；海口市干旱具有13 a左右的第一主周期，4 a和22 a的第二、三周期。研究結果可為海口市干旱評估和預報以及制定抗旱減災措施提供參考。

關鍵詞：SPI（標準化降水指數）；干旱特征；MannKendall檢驗；小波分析；海口市

中圖分類號：P467文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）04005808

Study on the characteristics of drought in Haikou City based on standardized precipitation index

SUN Qiuhui，XU Guobin，MA Chao，CHEN Liang

（

State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300354，China）

Abstract：

According to the daily rainfall data of the eight rainfall stations in Haikou City from 1970 to 2012，we used two different SPI processing schemes，（1） SPI calculated from allstation averaged precipitation （precipitationmean） and （2） mean of all SPI calculated from precipitation at individual stations （SPImean），to calculate the SPI values at 3，6and 12month scales.We compared the drought situation reflected by the two schemes at each month scale with the actual drought situation and selected the suitable scheme for drought evaluation in Haikou City.We used the MannKendall test and Morlet wavelet analysis method to analyze the change trend and the cycle of drought change in Haikou City from 1970 to 2012.The results showed that precipitationmean is more suitable to evaluate the drought situation in Haikou.From 1970 to 2012，the occurrence frequency of droughts of different degrees in Haikou City was as high as 56%，especially in spring and autumn，where the frequency was 51% and 41% respectively.The occurrence frequency of extreme droughts in autumn was 14%.The general drought situation in Haikou City was aggravating，and the trend was especially obvious in autumn.The drought in Haikou had a first main cycle of about 13 years，a second main cycle of 4 years，and a third main cycle of 22 years.The results can provide a reference for drought evaluation and forecasting and the development of drought relief measures in Haikou City.

Key words：

[JP+4]SPI（Standardized Precipitation Index）；drought characteristic；MannKendall test；wavelet analysis；Haikou City

干旱，廣泛發生于世界各地的氣象災害，給人民的生命財產帶來極大的危害。為了監測和量化干旱程度，許多研究學者提出了各種各樣的氣象干旱指數，如：降水量距平百分率（Pa）、相對濕潤度指數（M）、帕默爾干旱指數（PDSI）、標準化降水指數（SPI）等。其中，SPI因其可量化不同時間尺度的降水量赤字且只需要降雨資料、計算簡單易行、不依賴于土壤水分條件或不利地形的影響而被研究者廣泛應用[121]。黃晚華等[1]采用SPI為干旱指標，分析了秦嶺—淮河以南、青藏高原以東的廣大南方地區季節性干旱時空變化規律，研究表明，中國南方干旱程度在時間尺度上呈不同程度的增加趨勢，春旱和秋旱有加重的趨勢，而夏旱和冬旱有減輕的趨勢。李偉光等[2]證明了利用Γ分布擬合海南島不同尺度降水量的可行性，并得出不同時間尺度SPI值結合使用可以準確判斷海南島旱季和雨季不同類型干旱的開始、持續時間及嚴重程度的結論。Joshi等[3]應用SPI作為氣象干旱指標分析了印度141 a（1871-2012年）30個降雨分區的各種干旱變量，并應用離散小波變換結合MannKendall測試分析了與干旱變量相關聯的趨勢和周期，結果表明，在20世紀下半葉，印度東北和中部的干旱發生顯著增加，干旱變化趨勢受短期（2～8 a）和年代際（16～32 a）周期影響顯著。Zhou和Liu[4]以1957-2014年13個雨量站記錄的鄱陽湖盆地月降水量為例，研究了由各個站的降水計算所有SPI的平均值（SPI平均）和SPI從全站平均降水（降水平均）計算所得兩種處理方案在評估干旱中產生的差異，結果表明對于鄱陽湖盆地，SPI平均方案相比于降水平均方案可以更準確地突出極端事件，因而應用SPI平均值方案對其進行評估更合適。

以往關于干旱趨勢、干旱周期的研究區域大多是北方干旱地區[1419]，也有一些學者對貴州、云南、四川等西南地區進行研究[2022]，但少有應用SPI對海南省或海口市的干旱特征與周期做研究。海南島一年四季均有干旱發生，冬春季節為季節性干旱，夏秋兩季降水的時間分布不均會發生短暫干旱[23]。干旱頻發，使得干旱成為海南省發生頻率高，影響范圍廣、持續時間長的災害性天氣，長期困擾著海南省的工農業生產。研究海口市的干旱變化特征對海口市以及整個海南省的經濟可持續發展與水資源可持續利用管理有重要意義。因此，本文針對海南省海口市，首先利用海口市1970-2012年43 a的降雨資料，比較分析了SPI平均法和降雨平均法兩種不同的SPI處理方案對于評估海口市干旱的適用性，接著以最適宜評估海口市干旱特征的方案，求解分析了各季節各等級干旱發生頻率、變化趨勢和干旱周期，以期探討未來一段時期的干旱狀況，為制定農業種植計劃和準確預報干旱變化提供參考。

1研究區域概況及數據方法

1.1研究區域概況及數據來源

海口市位于東經110°10′-110°41′，北緯19°32′-20°05′之間，總面積3 13484 km2，其中陸地面積2 30484 km2，占7352%，整體地勢平緩，西北部和東南部較高，中部較低，北部多為沿海小平原。全市地貌主要由山丘、臺地和平原組成，基本分為北部濱海平原區，中部沿江階地區，東部、南部臺地區，西部熔巖臺地區。地表主要為第四紀基性火山巖和第四系松散沉積物，呈較大面積分布，土壤類型以土壤蓄水保水能力弱的玄武巖磚紅壤、火山灰幼齡磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、帶狀潮沙泥土與濱海沙土為主。

海口市地處低緯度熱帶北緣，屬于熱帶季風海洋性氣候，受熱帶海洋季風氣候和區域地形的影響，海口市降雨主要集中在5月-10月的臺風季節，多以臺風雨、季風槽雨和鋒面雨為主。春季溫暖少雨多旱，夏季高溫多雨，秋季多臺風暴雨，冬季干燥少雨但北方有冷空氣南下侵襲時有連陰雨天氣。全年日照時間長，輻射能量大，年平均日照時數約2 2252 h，年太陽輻射量可達到1 200 000 kcal/m2左右；年平均氣溫約244 ℃，最低平均氣溫180 ℃左右，年平均降水量約1 6966 mm，年平均蒸發量約1 8477 mm，平均相對濕度83%。常年以東北風和東南風為主，年平均風速34 m/s。

根據《中國氣象干旱大典·海南卷》和海南省水資源公報記載，1970-2012年期間，海口市多次發生干旱，其中較為典型的有：1971-1974年連續4年冬春連旱；1977-1980年連年出現大旱，1977年1月中旬至5月下旬，海口、屯昌、定安、文昌、瓊海、萬寧等市縣冬春連旱，連續旱日79～131 d，各地各月降雨量比常年偏少，出現罕見的大旱；1977年9月中旬至1978年3月中旬，白沙、澄邁、昌江、海口等市縣連續旱日166～178 d；1978年10月中旬至1979年5月下旬，通什（今五指山）、樂東、定安、海口、崖縣（今三亞）、文昌、澄邁、東方等市縣連續旱日137～187 d；1979年10月至1980年5月，海南島遭受持續8個月的大旱。1983年11月初至1984年4月下旬，海南島絕大部分地區冬春連旱；1986年9月中旬至10月，全島秋旱嚴重；1996年冬春連旱，夏旱明顯；2004年9月份到2005年的5月份全省大部分地區出現持續高溫少雨天氣，全省各地降雨量累計僅為1228～513 mm，2004年因旱直接經濟損失651億元。2010年，1至9月部分市縣降雨量偏少，局部發生不同程度的旱情，損失糧食304萬t，直接經濟損失311億元。

本文采用的數據為海口市水文局提供的1970-2012年逐日降雨資料。為保證氣象站點數據序列的完整性，剔除了在研究時段內缺測年份大于一年的站點，并對缺測年份小于一年的數據通過與其具有良好的相關性的鄰近氣象站建立線性回歸關系進行插值。結合海口市的區域面積和地形最后選用了海口市海口、龍塘、丁榮、鳳潭、嶺北、鐵爐、新德與楓圮，8個較有代表性的雨量站1970年1月1日-2012年12月31日的逐日降雨數據資料。研究中以日降雨量P≥1 mm作為有效降雨。研究區域和8個雨量站的泰森多邊形分布圖見圖1。

1.2.2降雨平均方案與SPI平均方案及其計算方法

降雨平均方案指在計算區域SPI值時先利用泰森多邊形法將各個雨量站的降雨量平均，后利用平均降雨量計算SPI值。SPI平均方案指在計算區域SPI值時先利用各個雨量站的降雨量分別求得SPI值，后利用泰森多邊形法將各個雨量站的SPI值做平均。泰森多邊形法的權重ωi如式（8）所示。

2降雨平均方案與SPI平均方案對比分析

據相關文獻[2、23、25]及對海南島旱情資料的分析可知，海南島雨季為5月-10月，旱季為11月-次年4月，因而用3個月時長計算短期時間系列時采用2月-4月、5月-7月、8月-10月、11月-次年1月，即SPI4月、SPI7月、SPI10月、SPI1月代表春、夏、秋、冬四個季節；用6個月時長計算中期時間系列時采用5月-10月、11月-4月，即SPI10月、SPI4月代表旱、雨兩季。用12個月時長計算長期時間系列時采用1月-12月，即用SPI12代表年干旱情況。應用上述兩種方法分別計算得出降雨平均方案與SPI平均方案下的春、夏、秋、冬四個季節與旱、雨兩季及年SPI值，發現在SPI平均方案下，不論哪個尺度情況，都沒有特旱發生，這與歷史實際干旱記錄不符。SPI平均方案降低了極端干旱的程度。選出兩者最為突出的干旱年份作比較，比較結果見表2。由表2知，降雨平均方案更符合實際干旱情況。降雨平均方案準確的反映了1986年少見的秋旱、1996年的冬春連旱和明顯夏旱、2004年和2010年的兩大嚴重干旱年等典型干旱事件。

3海口市干旱特征分析

3.1干旱的時序變化趨勢

3.1.1線性回歸法分析干旱的時序變化趨勢

由線性回歸法分析海口市降雨平均方案各時間尺度的干旱時序變化趨勢，給出了線性回歸方程，見圖2。線性回歸方程的斜率[HJ1.84mm]為正表示干旱趨勢減弱，反之若為負則表示干旱加強；斜率的絕對值越大，說明趨勢越明顯，反之若斜率絕對值接近0，則表示趨勢不明顯。

外，春、夏、冬三個季節的SPI值變[HJ2.3mm]化趨勢不明顯。秋季正是早稻收獲和晚稻播種的季節，未來海口市對于秋季干旱的防范應加強。

旱（圖2（e））、雨（圖2（f））兩季及年（圖2（g））SPI值回歸方程斜率分別為00044、-00026、-00097，斜率絕對值都接近0，由此知海口市1970-2012年期間，旱、雨兩季及年SPI值變化趨勢不明顯。

3.1.2MK法分析干旱的時序變化趨勢

應用MK法[26]分別對1970-2012年海口市8個雨量站春、夏、秋、冬四季，干濕兩季以及年計算尺度下降雨平均方案SPI值趨勢性進行分析，結果見圖3。

春季（圖3（a））SPI值的總體變化趨勢大體上經歷了先下降后上升的過程。1972-1987年年末為下降趨勢，即這段時間氣候趨向于干旱，但趨勢不明顯；1988-2012年為上升趨勢，氣候發展趨勢為變濕潤，但趨勢不明顯。此外，從UF和UB曲線的交點可看出，SPI序列在1984年左右發生了一次突變，突變后SPI值轉為上升，即春季氣候朝濕潤方向發展，但趨勢不明顯。夏季（圖3（b））SPI值的總體變化過程大致為先升后降。1970-1978年SPI值為上升，且上升達到5%顯著性水平，趨勢明顯；1979-2012年SPI值為下降，但趨勢不明顯。從UF和UB曲線的交點可看出，SPI序列在1975年與2011年發生了兩次突變，1975年突變后SPI值逐漸下降，即夏季1978年之前濕潤趨勢明顯，之后開始朝干旱趨勢發展但趨勢不明顯；2011年突變后SPI值逐漸上升，即夏季2011年之后干旱趨勢減弱但趨勢不明顯。秋季（圖3（c））SPI值在1996年發生了一次突變，突變后1996-2012年SPI值快速下降，下降趨勢明顯，達到5%顯著性水平，即秋季1996年之后干旱趨勢加重。冬季（圖3（d））SPI值從1970-2012年，基本上處于下降趨勢，但趨勢不明顯，在2007年有一個突變點，SPI值轉為上升趨勢。[HJ1.8mm]即海口市冬季干旱趨勢有減弱的趨勢，但不明顯。

分析旱、雨兩季的SPI值變化趨勢（圖3（e）與圖3（f））知，旱季與雨季剛好呈現出相反的變化趨勢。1970-1978年與1979-2012年，旱季SPI序列由下降趨勢變為上升趨勢且上升達到5%顯著性水平，上升趨勢明顯；雨季SPI序列由上升趨勢變為下降趨勢且下降達到5%顯著性水平，下降趨勢明顯。在從UF和UB曲線的交點可看出，旱、雨兩季SPI序列均在1975年發生突變，突變后旱季SPI值轉為上升，雨季SPI值轉為下降。[HJ2.2mm]

分析年尺度的SPI值變化趨勢（圖3（g））知，從1970-2012年43 a間，干旱或濕潤趨勢不明顯，1970-1975年為下降趨勢，1976-2007年為上升趨勢，2008-2012年又轉為下降趨勢。其中在1974年和2007年發生兩次突變。

3.2SPI干旱的周期分析

利用小波分析法，采用復數Morlet小波分析海口市年尺度SPI值序列的多時間尺度特征，依據結果分別繪制小波系數實部、模和模平方的等值線圖以及小波方差圖，見圖4。

由小波系數實部等值線圖（圖4（a））可以看出，海口市年尺度SPI值變化存在多個明顯的時間特征尺度。從始至終13 a、4 a的年際小尺度表現十分明顯，其次從1970-1990年存在22 a左右的大尺度。由小波系數模等值線圖與小波系數模平方等值線圖（圖4（b）與圖4（c））反映出的不同時段各時間尺度所對應信號的強弱可以看出，10到15 a之間的時間尺度變化較強，發生于1970-2012年整個序列。由小波方差圖（圖4（d））可以看出，年SPI值系列存在3個較為明顯的峰值，依次對應著4 a、13 a和22 a的時間尺度。其中，最大峰值對應13 a的時間尺度，說明13 a左右的周期震蕩最強，為區域年干旱變化的第一主周期；4 a時間尺度對應著第二峰值，為區域年干旱變化的第二主周期；22 a時間尺度對應著第三峰值，為區域年干旱變化的第三主周期。上述3個周期的波動控制著海口市干旱在整個時間域內的變化特征。

繪制干旱演變的第一、第二和第三主周期小波變換實部變化過程圖（圖5）以分析干濕變化特征。13年特征時間尺度下（圖5（a）），大約經歷了5個干濕轉換期，海口市干旱時段為1972-1976年、1980-1984年、1988-1993年、1998-2002年、2006-2011年；4年特征時間尺度下（圖5（b）），大約經歷了15個干濕轉換期，海口市三個較為突出的干旱時段為1978-1980年、1988-1990年、2002-2004；22年特征時間尺度下（圖5（c）），大約經歷了3個干濕轉換期，海口市干旱時段為1970-1973年、1980-1988年、1994-2002年、2010-2012年。

3.3各等級干旱發生頻率

不同計算尺度下，海口市8站點降雨平均SPI值反映出的海口市各等級干旱發生頻率如圖6所示。由圖6可知海口市一年四季均可能發生干旱，干旱多發生在春、秋兩季，頻率分別為51%、41%。相對與其他季節，秋季是特旱高發季，頻率為14%，即平均6 a發生一次特大干旱事件。從6個月旱、雨季尺度來看，雨季也應注重干旱的預防，旱季要預防特大干旱發生。年尺度發生不同等級干旱的頻率為56%，即平均2 a發生一次干旱事件。

4結論

對海口市旱情分析表明，降雨平均方案更適用于評估海口市的干旱情況。SPI平均方案降低了極端干旱的程度，不符合實際干旱情況，降雨平均方案可準確的反映出典型干旱年份的干旱事件，與歷史實際干旱記錄吻合。利用降雨平均方案計算所得的SPI值，采用統計分析、趨勢分析、小波分析等方法分析海口市干旱變化特征，得出以下結論。

（1）從干旱發生頻率來看，海口市不同程度的干旱發生頻率高達56%，即平均2年發生一次干旱事件，春、秋兩季干旱發生頻率高達51%、41%，秋季特旱發生頻率為14%，即平均6年發生一次特大秋旱事件。海口市干旱頻發與其熱帶季風海洋性氣候及地形地貌息息相關，氣候特點導致降水量雖大但季節分布不均，紅壤土及多石灰巖的地貌導致土壤蓄水保水能力弱，降水易形成徑流流失。政府部門應給予足夠的重視，積極制定工程管理措施防旱抗旱。

（2）從干旱趨勢來看，海口市整體干旱趨勢增強，尤其是秋季，干旱加重趨勢明顯。分析秋季干旱加強的原因，可能有以下兩個方面：一是降雨相對集中，大部分降雨量集中在某一場或某幾天的降雨時間，即極端降雨事件增加造成降雨量時間分布不均，二是前期土壤、農作物蒸發消耗大，造成土壤水分缺乏。秋季對于海南一年兩熟或三熟的種植結構來說是正是需水旺盛期，此時發生干旱對農作物生長發育影響較大，且可能進一步影響到其他行業用水，應加強防范。

（3）海口市干旱具有13 a左右的第一主周期，4 a和22 a的第二、三周期。預計下一個干旱期會在2018-2022年，政策制定者需相應及時地調整生產生活模式，合理規劃水資源配置，做好種植計劃，以減輕對農作物帶來的不利影響。

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