基于SPI指數的四川省甘孜州干旱演變規律分析

丹 東

(甘孜州巴塘縣水務局，四川 巴塘 627650)

干旱是指某一地區長期無雨或高溫少雨，導致空氣和土壤水分缺失的現象，具有出現頻率高、持續時間長、波及范圍廣的特點。干旱是人類歷史上面臨的最長久、最嚴重的自然災害之一[1]，不僅會帶來社會經濟方面的損失，還會引發荒漠化加劇、沙塵暴頻發等生態環境問題[2- 3]，因此干旱問題研究一直是水利領域的重點課題。近幾十年，受氣候變化與人類活動的影響，世界各地的干旱頻率、持續時間與波及范圍均出現了較為明顯的變化[4]，因此，有必要對干旱演變規律進行分析。目前，干旱演變規律的評估可以基于許多不同的方法，如水文模型法[5]、Z指數法[6]、非參數化綜合法[7]等，其中SPI指數法具有靈活性強、計算簡單、數據需求少等優點，成為國際上最為流行的干旱指標之一。目前，基于SPI指數的干旱演變規律研究在我國引起越來越多的重視[1，8- 9]，但在四川高原藏區的應用則幾乎沒有，因此本文選取甘孜藏族自治州1973年1月1日至2017年12月31日近45年的逐日降水數據，計算5個不同時間尺度的SPI指數，并根據計算結果對甘孜州的干旱年際、季節、月際演變規律進行分析，從而為四川高原藏區的干旱研究提供經驗，并為甘孜州的抗旱減災工作提供有效的科學依據。

1 分析方法

1.1 研究區域概況

甘孜藏族自治州位于四川省西部，地處青藏高原東南緣，橫斷山脈北段，云貴高原與四川盆地過渡帶，屬川西高原高山深谷區。總面積14.97萬km2，人口116.49萬，其中藏族人口占78.3%。甘孜州位于亞熱帶氣候區，由南到北，從深谷到極高山，呈現出亞熱帶、暖溫帶、寒溫帶、亞寒帶乃至高山永凍帶等完整的氣候帶譜。干、雨季分明，光照強度大，日照豐富；冬季半年寒冷、干燥、降雨稀少、多大風。除河谷地帶的年平均氣溫在10℃以上外，州內其余地區均在10℃以下，常年日照時數一般為1700～2600h，年平均降水量一般在600～900mm之間。

1.2 SPI指數

SPI指數(The Standardized Precipitation Index)是由美國科學家McKee等人[10]于1993年開發的一種干旱指數，主要是用特定的分布概率來描述降水量的變化，具有功能強大、應用靈活、計算簡單、數據需求少等優點。目前，全球超過70個國家的科研機構和氣象、水文部門已將SPI指數作為干旱監測和預警工作的一部分予以應用[11]，SPI指數法在我國也得到了越來越廣泛的認可與重視，但在四川高原藏區的應用則幾乎沒有。

計算SPI指數，首先是采用特定的函數(本文選取最常用的函數，即Gamma函數)擬合降雨時間序列：

(1)

式中，x—降雨量；β—時間尺度參數，α>0—譜輪廓參量，Γ(α)—Gamma函數。

本文分別選取1個月、3個月、6個月、9個月和12個月共5種不同的時間尺度，采取最大似然法估算上述參數α和β，其計算公式為：

(2)

(3)

(4)

式中，n—降雨觀測數據組數。

基于以上方程，可以用累計概率方程表示降水的分布情況，其表達式為：

(5)

最后，對累計概率進行標準化處理，則得到最終的SPI值，而SPI值與干旱等級的關系可表示為：

(6)

2 分析結果

2.1 SPI指數計算結果

選取甘孜州1973年1月1日至2017年12月31日近45年的逐日降水數據，采用MATLAB軟件計算出1973年1月至2017年12月共540個月份的逐月降水量。根據公式(2)—(6)計算出不同時間尺度下的SPI值，分別稱為“SPI- 1”、“SPI- 3”、“SPI- 6”、“SPI- 9”、和“SPI- 12”，其中數字表示時間尺度，單位為“月”。近45年的逐月SPI指數計算結果如圖1所示。

圖1 四川省甘孜州近45年SPI指數計算結果

根據圖1可知，采用不同時間尺度計算的SPI結果在總體趨勢上保持一致，但在數值大小上存在一定的差別。總體而言，當時間尺度較短時，SPI值的浮動范圍較大，主要是因為短時間尺度的SPI指數受短期降水的影響比較大，因此更適宜反映短時間內的降水量變化情況，如SPI- 1可成功捕捉到研究時間范圍內第12和第20個月的特旱事件，而其它時間尺度的SPI值則無法對此進行識別。長時間尺度的SPI指數受短時間降水的影響較小，因此其變化比較平緩，無法追蹤短期的降水變化，因此其周期性更為明顯，可較為清楚地體現出長期的旱澇演變規律。因此，在基于SPI指數進行干旱演變規律分析時，須根據分析目的不同而選取適宜的時間尺度。本文分別研究甘孜州的年際、季節、和月際干旱演變規律，因此分別選取SPI- 1、SPI- 3、和SPI- 12的計算結果進行分析。

2.2 干旱年際演變規律分析

根據圖1所示的SPI- 12計算結果，計算各年內的逐月SPI指數的平均值，得到1973—2017年共45年的年均SPI指數，結果如圖2所示。

圖2 四川省甘孜州近45年年均SPI指數時間序列

圖中點實線為SPI時間序列，表示SPI的逐年變化情況；點虛線為5年滑動平均值，可表示SPI指數的中期變化趨勢；而虛線為線性趨勢線，表示45年內的整體變化趨勢。結果表明，在1973—1993年近20年的時間內，甘孜州的SPI指數均大于或接近于0，說明此期間干旱年份的出現頻率較低且其干旱程度也較輕，但自1994—2004年近10年時間內，甘孜州的干旱狀況明顯惡化，期間內的SPI指數均小于0，出現連續的干旱年份，且其干旱等級也較高。自2005年至今，甘孜州的干旱狀況相對于前一階段的10年有所好轉，SPI指數在0上下浮動，干旱頻繁但程度較輕。線性趨勢線整體呈現下降趨勢，說明在近45年內，甘孜州的干旱狀況整體呈現惡化趨勢，因此該地區應加強抗旱減災工作以應對日益嚴重的旱災風險。SPI指數序列的傾向率為-0.0202，說明其SPI指數平均每年下降約0.02。

2.3 干旱季節演變規律分析

對各月份按季節進行劃分，本文將春、夏、秋、冬的月份確定為3—5月、6—8月、9—11月、12—2月。對圖1所示的SPI- 3計算結果按季節進行匯總，再分別統計各季節內不同等級干旱出現的頻率，結果如圖3所示。

圖3 四川省甘孜州近45年不同等級干旱事件的發生頻率

從圖3可知，甘孜州在各個季節出現干旱事件的頻率較為接近，其中出現秋旱的概率最高，為29.63%，因此應探索積極的措施來重點改善該地區的秋旱問題；春旱次之，為28.88%，夏旱出現的概率相對前者較少，為26.67%，而冬旱出現頻率最低，為24.81%。

2.4 干旱月際演變規律分析

對圖1所示的SPI- 1計算結果按月份進行劃分，得到各個月份的SPI指數變化曲線，如圖4所示。

圖4 四川省甘孜州近45年月均SPI指數時間序列

對圖4所示數據進行分析可知，“M8”曲線各數值的平均值最大，為0.00024，而“M4”曲線各數值的平均值最小，為-0.89，由此可知在近45年內，甘孜州在8月份的干旱狀況平均最好，而在4月份最差；3—6月的平均值小于0，說明甘孜州在這些月份總體上處于干旱狀態，而其它月份均為正值，即總體上處于非干旱狀態。對各個月份的SPI時間序列分別做趨勢分析，可知1月、8月、11月、和12月份的SPI指數呈現上升趨勢，其中12月份的上升速度最快，年均上升率為0.013；其它各月份的SPI指數呈現下降趨勢，其中3月份的下降速度最快，年均下降率為0.042。綜上，大多月份的干旱狀況呈惡化趨勢，且演變幅度不同，因此在注重水資源開發與保護的同時，也應該優化各月份之間的水資源調配工作以得到最大的綜合效益。

3 結論與建議

基于降水數據計算了甘孜州近1973—2017年內的逐日SPI值，并據此對其演變規律進行分析，主要得到以下重要結論與建議：

(1)在年際演變規律方面，甘孜州的干旱狀況整體呈現惡化趨勢，這種惡化趨勢將進一步限制該地區的經濟發展并嚴重危害農作物的生長與糧食安全，因此應大力建設節水型社會，修建農業灌渠，加強旱災預警工作，以應對日益嚴重的旱災風險。

(2)在季節演變規律方面，甘孜州出現秋旱的概率最高，為29.63%，因此應修建小型水庫、塘壩等蓄水工程以調整水資源的時程分布，加強水資源的季節性調配以重點改善該地區的秋旱問題，并根據當地旱災規律積極調整產業結構。

(3)在月際演變規律方面，大多數月份的干旱狀況呈惡化趨勢，且變化演變幅度不同，因此必須注重水資源的可持續性開發與保護，完善渠道、泵站、引水、調水等水利工程建設，強化當地月際水資源調配能力與計劃合理性，以保證最大的綜合效益。