基于SPEI干旱指數的陜西省干旱時空分布特征分析

郭 夢， 張奇瑩， 錢 會， 徐盼盼， 陳 垚

(1.長安大學 環境科學與工程學院， 陜西 西安 710064； 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

近年來，全球氣溫明顯升高，IPCC第五次評估報告指出全球氣候變暖己成為事實[1]。在過去的100多年，全球升溫0.85℃，陸地的增溫速率明顯高于海洋[2]，氣候變暖使得各地干旱問題日趨嚴重，干旱已成為全球影響最嚴重的災害之一。干旱有著發生面積廣、持續時間長、影響范圍大的特點[3]，據統計，世界上超過 120 個國家在不同程度上存在干旱問題，而我國70%的氣象災害中，近一半為干旱災害，局地或區域性的干旱災害時常發生，每年因干旱造成的損失可達9.1×1010元[4-6]。干旱問題近年來成為學者研究的熱點問題，目前學者們大多用干旱指數描述區域干旱程度，相繼提出了帕默爾干旱指數PDSI(Palmer, 1965)、標準化降水指數SPI(McKee等,1993)和標準化降水蒸散指數SPEI(Vicente-Serrano等, 2010)等指標，其中PDSI指數和SPI指數運用較廣泛，但PDSI指數、SPI指數都各有其缺陷，如PDSI指數在干旱等級的界定上主觀性較強[7]，SPI僅考慮降水因素而忽略了溫度等因素對其本身的影響[8]，而SPEI指數融合了PDSI和SPI的優點，不僅保留了PDSI考慮蒸散量對溫度敏感的優點，又可表現出SPI的多尺度特征且計算結果較為可靠，因此被廣泛應用于世界各地的干旱研究中。

SPEI指數中計算參考作物蒸散量主要有兩種方法，一種是僅考慮溫度因素的 Thornthwaite模型，另一種是考慮眾多因素的Penman-Monteith方法。采用Thornthwaite方法計算參考作物蒸散量僅需月平均氣溫及緯度資料，該方法因輸入參數少、對數據要求低且計算相對簡單而使得應用較為廣泛，如蔡思揚等[9]應用SPEI分析東北地區干旱特征，發現東北地區干旱發生范圍隨時間尺度增加而逐漸擴大，且東北三省在春、夏季和秋季均有干旱事件發生；熊光潔等[10]利用SPEI指標研究了中國西南地區12個月尺度、6個月尺度和3個月尺度的干旱變化特征，結果表明西南地區12個月尺度的干旱變化較為復雜，12個月尺度干旱頻率呈現上升趨勢的區域較多，6個月尺度的干旱頻率在全區顯著增加，3個月尺度的干旱頻率在秋冬季顯著增加；任啟偉等[11]應用SPEI識別位于東南部的廣東省干旱發生情況，結果表明3個月和6個月時間尺度的SPEI較準確地識別出了廣東省春旱、秋旱以及冬春連旱的年份。

由于Vicente-Serrano的研究區域中未包含干旱區，Thornthwaite方法僅在濕潤地區蒸散量的計算中適用性較好，并不適用于我國廣大的干旱半干旱地區，而采用 FAO Penman-Monteith法計算參考作物騰發量彌補了傳統Thornthwaite法在我國干旱半干旱區干旱評估能力較差的缺點，更適用于我國干旱半干旱地區的干旱評估[12]。如徐晗[13]基于Penman-Monteith法計算了位于西北地區的陜西省SPEI指數，并結合《陜西省干旱統計年鑒》記錄的實際情況進行驗證，證實了基于Penman-Monteith法的SPEI指數適用性更好；郭旭新等[14]基于Hargreaves、Thornthwaite和Penman-Monteith蒸散模型計算了陜北黃土丘陵區不同時間尺度的SPEI指數，結果發現基于Penman-Monteith法的SPEI指數能夠準確反映陜北黃土丘陵區干旱事件，而基于Hargreaves和Thornthwaite的SPEI值偏低；軒俊偉等[15]基于Penman-Monteith模型計算了 近50 年來新疆12個月時間尺度的SPEI序列， 結果表明該方法在新疆適用性較好，該地區自 1987年由干旱期轉為濕潤期，但近10年又出現顯著的變干趨勢，預示著新疆有可能會重新進入干旱期。此外，由于干旱半干旱地區無降水月份偏多，而參考作物騰發量多為0，在計算短時間尺度的水分虧缺量時使得SPEI值偏大，無法表征干旱半干旱地區的實際干旱程度，降低了SPEI在干旱半干旱區域小尺度分析的適用性[16]。莊少偉等[17]等研究發現，短時間尺度的SPEI在干旱區適用性較差，只有大于12個月的大尺度SPEI適用較好；趙靜等[12]也發現對于典型干旱年的識別能力，12個月尺度的SPEI較強， 而短尺度的SPEI較弱。綜上所述，本文采用適用于干旱半干旱地區的Penman-Monteith法計算參考作物蒸散量，并借鑒前人的研究結果，以尺度較長的12個月尺度為指標來計算陜西省標準化降水蒸散指數(SPEI)。

陜西作為典型的生態脆弱區[18]，對于氣候的變化十分敏感，研究該區域在全球氣候變暖背景下的干旱特征及其演變趨勢就顯得尤為重要，本文將SPEI指數應用于陜西省干旱的時空特征研究中，確定陜西省干旱現狀，為全省干旱防治、農業生產和制定應對政策提供依據。

2 研究區概況

陜西省位于我國中西部地區，在105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N間，省內山地、高原、平原交錯，南北狹長，根據地理氣候可由北向南分為陜北、關中和陜南三大區域。受大陸性季風氣候的影響，全省的年平均降水量呈現明顯的南多北少趨勢，多年平均降水量為 666.9mm；年平均氣溫呈現明顯的南低北高趨勢，多年平均氣溫 5.9～15.7℃，極端氣溫相差懸殊。

3 資料與方法

3.1 資料來源

選取中國氣象科學數據共享服務網提供的1956-2016年陜西省18個氣象觀測站的逐月觀測資料，分別位于陜北(榆林、吳旗、橫山、綏德、延安、洛川)、關中(長武、銅川、武功、西安、寶雞、華山)和陜南(漢中、略陽、佛坪、商州、鎮安、安康)，各臺站均勻分布于全省各地區，對陜西省氣候變化具有很好的區域代表性。觀測資料主要有氣溫、降水量、濕度等，少數站點部分年份氣象資料缺失，建立相鄰站點月降水量相關關系進行插補處理。陜西省氣象站點分布圖見圖1。

3.2 研究方法

3.2.1 標準化降水蒸散指數(SPEI) 標準化降水蒸散指數(SPEI)是指對降水量與參考作物蒸散量差值序列的累積概率值進行正態標準化，通過在SPI干旱指數的基礎上引入參考作物蒸散量得出。該指數基于降水、氣溫、濕度等資料計算蒸散量，用降水量和蒸散量之間的差值與其平均狀態的偏離程度來揭示區域的干旱特征[13]。陜西全年蒸散量較大，而該方法考慮到了多種氣象因子對蒸散量的影響，更適用于全省的干旱評估。SPEI干旱程度劃分見表1。

表1 基于SPEI的干旱等級劃分標準

3.2.2 其他方法 計算出SPEI標準化降水蒸散指數(SPEI)后，結合線性回歸、滑動平均、M-K突變檢驗以及滑動T檢驗來分析全省的SPEI變化趨勢[19]；用干旱頻率來評價全省發生干旱的頻繁程度；用干旱站次比來表示干旱影響范圍的大小[13]；用Morlet小波分析研究全省SPEI的變化周期[20]。

4 結果與分析

4.1 干旱的時間特征分析

4.1.1SPEI變化趨勢 計算陜西省1956-2016年的標準化降水蒸散指數，并利用線性回歸、5年滑動平均分析其變化趨勢，繪制變化趨勢圖見圖2。

從圖2可以看出，陜西省61 aSPEI指數年代間差異較大，線性趨勢以0.001/a的速度減少，未通過α=0.05的顯著性檢驗，說明下降趨勢不顯著，但總體呈現干旱化趨勢。SPEI指數值顯示全省在1956-2016年中整體并未出現中旱及以上的的干旱災害。全省18個氣象站點的年SPEI指數多年平均值為0.17，61 a中SPEI值較小的3個年份分別為1964、1985以及1988年，最小值出現在1964年，說明全省在1964年干旱程度最大；SPEI值較大的3個年份分別為1959、1977以及1997年，最大值出現在1997年，說明全省在1997年無旱程度最大，且1997年與1964年SPEI值的極值差為2.7， 1997年偏離臨界線(SPEI=-0.5)的程度要大于1964年。陜西省干旱變化在20世紀較21世紀明顯，20世紀90年代以前，全省的SPEI數值處于波動狀態，從90年代到21世紀開始，除1997年外基本呈現由無旱向干旱轉變態勢。5 a滑動平均曲線也表明，陜西省標準化降水蒸散指數是在波動中逐漸下降的，其中1960-1977年、1981-1990年呈上升趨勢，其余時段均呈下降趨勢，且1990年以后下降趨勢較為穩定，表明全省自20世紀90年代后開始慢慢向干旱化發展。

為進一步說明干旱變化趨勢，利用干旱站次比來描述陜西省61 a干旱的影響范圍變化，干旱站次比越大則影響范圍越大。陜西省1956-2016年干旱影響范圍變化趨勢見圖3，從圖3看出，全省干旱影響范圍在0～72%之間變化，年際差異大，干旱影響范圍在1964年出現最高值(72%)，在1997和2004年出現最低值(0)，干旱影響范圍較大的年份(1964、1985和2003年)與SPEI計算的干旱年份結果基本一致，表明隨干旱程度增大，干旱影響范圍也相應擴大。此外，對1956-2016年陜西省干旱站次比，以每10 a取一次平均值來分析其變化趨勢。結果表明，全省干旱影響范圍的10 a平均值在61 a間呈現下降-上升-下降-上升的變化趨勢，自1986年起連續上升，上升速率為6.11/10a，相關系數達0.98，表明自1986年全省干旱影響范圍呈現顯著擴大趨勢。

4.1.2 突變特征 采用M-K突變檢驗結合滑動T檢驗來分析各時段的突變情況，兩種方法均采用95%的置信水平(圖4、5)。

從圖4可以看出，1956-1976年、1980-1993年以及2008-2016年UF曲線小于0，呈下降趨勢，且在1960-1968年間UF曲線超過了0.05顯著性水平線，說明此時間段內全省SPEI指數下降趨勢顯著；1976-1980年、1993-2008年UF曲線大于0，呈上升趨勢，但曲線未超過α=0.05顯著性水平線，說明上升趨勢不顯著，可見全省SPEI指數總體上呈現在波動中下降的干旱化趨勢。此外，M-K檢驗的UF、UB曲線有多個交點，結合滑動T檢驗(圖5)，取滑動步長為10，自由度為18，SPEI序列在1980年出現顯著減小的變異點，最終確定1980年為陜西省SPEI干旱指數的突變年。

圖1 陜西省氣象站點分布圖

圖2陜西省1956-2016年SPEI指數及滑動平均變化趨勢 圖3陜西省1956-2016年干旱影響范圍變化趨勢

圖4陜西省1956-2016年SPEI序列M-K曲線 圖5陜西省1956-2016年SPEI序列滑動T檢驗曲線

4.2 干旱的空間特征分析

4.2.1 陜西省各站點不同程度干旱發生頻率分析 為進一步分析陜西省各個地區的干旱狀況，繪制各個站點不同程度干旱頻率變化圖，見圖6。

圖6表明，陜西省各個站點61 a發生干旱的頻率為中旱>輕旱>特旱>重旱，重旱所占比例最低，各站點發生重旱的比例均未超過10%，在以榆林、橫山、綏德、吳起、延安和洛川為代表的陜北一帶發生頻率相對較高，最大值發生在延安站(7%)；中旱所占比例最高，在陜南一帶發生頻率相對最高，最大值發生在漢中站(31%)，其中，有15個站點發生中旱的頻率超過了50%，所占比例最大的為榆林站和洛川站，均超過了80%。其次，由圖6中看出，陜北地區干旱以特旱、中旱、重旱為主，而輕旱頻率較低，說明陜北地區干旱一旦發生等級都較高。

4.2.2 陜西省不同程度干旱頻率空間分布特征 全省各個等級的干旱頻率空間分布圖(圖7)表明，陜西省61 a來年干旱發生頻率地區差異較大且分布不平衡，干旱程度從無旱-特旱均存在。其中，特旱主要分布在陜北中部、關中西部以及陜南西部，高值中心位于武功地區，發生頻率達11%(圖7(a))；重旱分布較集中，主要在陜北一帶，以延安站最高，陜南和關中地區重旱發生頻率較低(圖7(b))；中旱分布范圍較其他幾種干旱大，主要分布在陜北南部、關中及陜南西部，以略陽、漢中發生頻率最高，分別為30%和31%，而關中除西安站外其余各站均有不同程度的中旱發生(圖7(c))；輕旱主要分布在關中東部及陜南，關中的高值中心位于華山(13%)，陜南的高值中心位于略陽(13%)，陜北西部有輕微輕旱發生(圖7(d))。由此可見，位于西北地區的陜西省常年因降水稀少而蒸散量相對較大導致干旱頻發。

4.3 干旱周期特征

為揭示陜西省干旱的周期規律，對SPEI干旱頻率進行Morlet小波分析。小波分析可反映陜西省SPEI指數的多尺度周期特征，采用小波變換系數和小波方差圖來確定區域干旱的主要周期以及各時間尺度的波動能量隨該尺度的分布情況[21]。小波系數實部等值線圖和其方差圖見圖8、9所示。

由圖8知，陜西省1956-2016年的SPEI指數包含了不同尺度的周期變化，全省在年際和年代際上均可看出較明顯的周期變化。在年際上存在4～7 a周期的小尺度信號，在年代際上存在15～20 a和28～32 a的大尺度信號，3個尺度正負相位周期明顯，均具有全域性且表現穩定。其中，4～7 a周期的時間尺度上經歷了18.5個干濕交替過程，震蕩中心在1971年逐漸減小，在1980年由4 a尺度又逐漸向上偏移至7 a尺度，震蕩能量由弱到強； 15～20 a周期的時間尺度上經歷了 4.5個干濕交替過程，1997年由15 a尺度向上偏移至20 a尺度，且在2000年后震蕩能量較弱；27～32 a的時間尺度上，隨著時間的推移，震蕩周期中心時間尺度越來越大，在2006年由27 a尺度擴大至32 a尺度，經歷了 3.5個干濕交替過程，該周期在2011年以前表現的較為穩定 ，震蕩能量后期較弱。

圖6 陜西省各個站點不同程度干旱頻率

圖7 陜西省不同等級干旱頻率的空間分布

圖9 陜西省年尺度SPEI小波系數實部方差圖

由圖9知，SPEI指數小波實部方差圖中共有3個峰值，分別對應的時間尺度為5、16和30 a，表明這3個周期在陜西省61 a的干旱變化中起主要作用。 其中，第一峰值為 30 a的時間尺度，該尺度周期波動能量最強，且存在SPEI指數正負循環交替變化，對干旱的影響最強烈，30 a的時間尺度為全省干旱變化的第一主周期；5 a時間尺度對應著第二峰值，為第二主周期；第三峰值對應著16 a的時間尺度，為第三主周期，上述3個周期的波動控制著陜西省整個時間域內干旱變化特征。

5 結 論

本文以陜西省18個氣象站點61 a的逐月氣溫、降水、濕度、日照等資料作為原始數據，計算了SPEI干旱指數，并結合滑動平均、突變檢驗和Morlet小波分析等方法對其干旱時空演變特征進行了深入分析，得到以下幾點結論：

(1)陜西省1956-2016年SPEI指數年代差異較大，總體呈在波動中下降的趨勢，線性趨勢和滑動平均值均表明全省自20世紀90年代后慢慢向干旱化發展。此外，陜西省年干旱影響范圍在0～72%之間變化，全省干旱影響范圍的10 a平均值在61 a間呈現下降-上升-下降-上升的變化趨勢。

(2)M-K突變檢驗顯示全省SPEI有多個突變點，但總體上呈現波動中緩慢下降的干旱化趨勢，滑動T檢驗結果表明SPEI序列在1980年出現顯著減小的變異點，由此確定1980年為陜西省年SPEI干旱指數的突變年。

(3)全省各站點干旱發生頻率中重旱所占比例最低，中旱所占比例最高；全省干旱發生頻率地區差異較大且分布不均衡，大范圍干旱與局部干旱均存在，其中，相較于其他幾種干旱等級，中旱分布范圍較大，主要分布在陜北南部、關中及陜南西部，重旱分布較集中，主要在陜北一帶。

(5)小波方差圖表明全省存在著3個主周期，分別為30 a左右的第一主周期，5 a左右的第二主周期和16 a左右的第三主周期。此外，全省在年代和年際上共存在3個時間尺度信號，且3個時間尺度信號均具有全域性，表現較為穩定。