基于SPI的懷化市氣象干旱時空特征分析

張 坤，歐小鋒，王新發

(湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000)

0 引言

氣象干旱是指某時段內，由于蒸發量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現象。目前，國內外評價氣象干旱的指標有Palmer指數(PDSI)、標準化降水指數(SPI)、Z指數、水分虧缺指數和干燥度指數等[1]。其中，標準化降水指數(SPI)可消除降水的時空差異，對干旱變化反映敏感，具有多時間尺度的計算特性及資料來源方便等優勢，是目前應用最廣泛的氣象干旱指標之一[2]。同時，許多專家學者開展了對某一區域的干旱特征及趨勢的分析。懷化市屬中亞熱帶季風濕潤氣候，小氣候多樣，垂直差異大，山地氣候帶明顯，自然災害頻發[3]。因此研究氣象干旱時空變化特征，揭示其時空演變規律，對加強氣象防災減災工作，減少干旱對農牧業生產影響具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 數據來源

數據來源于1962—2015年懷化市11個氣象臺站(沅陵、辰溪、溆浦、懷化、芷江、新晃、麻陽、洪江、會同、靖州、通道)逐月降水數據。懷化市氣象站點分布如圖1所示。

圖1 懷化市氣象站點分布圖Fig.1 Distribution Map of Meteorological Stations in Huaihua City

1.2 標準化降水指數(SPI)

根據《氣象干旱等級GB/T 20481-2017》[4]的定義，標準化降水指數(SPI)是表征某時段降水量出現概率多少的指標，其適用于月以上尺度相對于當地氣候狀況的干旱監測與評估，根據SPI值的干旱等級劃分，如表1所示。

表1 標準化降水指數SPI干旱等級劃分Tab.1 Standardized Precipitation Index SPI Drought Classification

1.3 干旱評價指標

本文基于干旱頻率、干旱強度兩個評價指標，采用線性趨勢分析、滑動平均、GIS空間分析等方法對懷化市干旱特征進行分析，各指標具體定義[5]如下：

①干旱頻率(Pi)：表示干旱發生的頻繁程度，即干旱發生的年數與總樣本數之比。為便于比較，本文所指干旱頻率是指輕旱以上(含輕旱)干旱發生的頻率，中旱頻率是指中旱以上(含中旱)干旱發生的頻率，重旱頻率是指重旱以上(含重旱)干旱發生的頻率，特旱頻率是指特旱發生的頻率。

②干旱強度(H)：用于描述干旱的嚴重程度，單站某時段內的干旱強度一般可直接由標準化降水指數SPI直接反映。

2 懷化市氣象干旱時空特征分析

2.1 干旱頻率時空分布特征

2.1.1 年干旱頻率時空分布特征 根據干旱等級劃分和干旱頻率定義，1962—2015年懷化市年尺度整體干旱頻率(輕旱及以上干旱發生頻率，下同)為29.6%，中旱頻率14.8%，重旱頻率5.6%，特旱頻率3.7%。從不同等級干旱頻率空間分布看(圖2)，1962—2015年懷化干旱頻率在24.1%～33.3%之間，頻率較高的地區主要在靖州及通道，芷江、麻陽及會同等區域次之；中旱頻率在11.1%～16.7%之間，頻率較高的地區主要是沅陵、新晃及通道，溆浦、芷江、會同等區域次之；重旱頻率在1.9%～7.4%之間，頻率較高的區域主要為辰溪，沅陵、新晃、洪江等區域次之；特旱頻率在0.0%～3.7%之間，頻率較高的區域為芷江、麻陽、洪江、辰溪以及懷化城區。

圖2 懷化市年干旱頻率空間分布(a.干旱頻率；b.中旱頻率；c.重旱頻率；d.特旱頻率)Fig.2 Spatial Distribution of Annual Drought Frequency in Huaihua City (a. Drought Frequency; b. Moderate Drought Frequency; c. Severe Drought Frequency; d. Special Drought Frequency)

2.1.2 季干旱頻率時空分布特征 統計可知，懷化市1962—2015年春季干旱頻率(輕旱及以上干旱發生的頻率，下同)在25.9%～37.0%之間，平均值為30.3%，中旱頻率在11.1%～18.5%之間，平均值為15.7%，重旱頻率在3.7%～9.3%之間，平均值為6.1%，特旱頻率在1.9%～5.6%之間，平均值為2.7%，從圖3a可知，春季干旱頻率較高的區域為懷化北部的沅陵；夏季干旱頻率在27.8%～33.3%之間，平均值為30.8%，中旱頻率在11.1%～18.5%之間，平均值為15.2%，重旱頻率在5.6%～9.3%之間，平均值為7.6%，特旱頻率在0.0%～3.7%之間平均值為2.0%，從圖3b可知，夏季干旱頻率較高的區域為洪江及南部的靖州；秋季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為31.1%，中旱頻率在11.1%～20.4%之間，平均值為15.8%，重旱頻率在5.6%～9.3%之間，平均值為6.6%，特旱頻率在0.0%～3.7%之間，平均值為2.0%，從圖3c可知，秋季干旱頻率較高的區域為芷江和洪江；冬季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為30.0%，中旱頻率在11.1%～16.7%之間，平均值為14.0%，重旱頻率在5.6%～9.3%之間，平均值為6.6%，特旱頻率在0.0%～3.7%之間，平均值為1.9%，從圖3d可知，南部的會同干旱頻率最高。

2.2 干旱強度時空分布特征

2.2.1 年干旱強度時空分布特征 從圖4a可知，1962—2015年懷化市年干旱強度(SPI值，下同)在-2.5～1.9之間，變化趨勢不顯著，變化率僅為0.01/10 a，但干旱強度年際波動較大，1962—2015年懷化市共16 a發生干旱，干旱頻率為29.6%，其中1978年發生重旱，1985年、2011年發生特旱。從5 a滑動曲線可知，1969年之后懷化市SPI值急劇下降，干旱增加趨勢顯著，并一直持續到1985年，1985—1995年SPI呈增加趨勢，1995—2011年SPI值呈明顯下降趨勢，說明在此階段懷化市干旱增加趨勢顯著。從干旱強度變化趨勢的空間分布(圖4b)可以看出，1962—2015年懷化市干旱強度變化趨勢空間上分布在-0.08/10 a～0.05/10 a之間，干旱強度顯著增加(SPI值減小)的區域為北部的沅陵、南部的靖州及芷江區域，其他區域SPI值基本呈增加趨勢，即干旱強度呈減弱趨勢。

2.2.2 季干旱強度時空分布特征 從圖5a可知，1962—2015年懷化市春季干旱強度在-2.4～2.1之間，呈顯著增加趨勢，共14 a發生干旱，其中，1986年發生重旱，2011發生特旱，從5 a滑動曲線可知，1974—1988年懷化市SPI值急劇下降，干旱強度呈增加趨勢，1988—2013年，SPI值呈增加趨勢，干旱強度持續減弱。從圖6a可以看出，干旱強度變化趨勢空間上分布在-0.19/10 a～0.01/10 a之間，除通道部分區域外，懷化市大部分區域干旱強度呈顯著增加(SPI值減小)的趨勢。

圖3 懷化市季干旱頻率空間分布(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.3 Spatial Distribution of Drought Frequency in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

圖4 懷化市年干旱強度年際變化趨勢及空間分布(a.年際變化趨勢；b.空間分布)Fig.4 Interannual Variation Trend and Spatial Distribution of Annual Drought Intensity in Huaihua City (a.Interannual Variation Trend; b.Spatial Distribution)

從圖5b可知，夏季干旱強度在-2.4～2.0之間，SPI值呈增加趨勢，干旱強度呈減弱趨勢，共13 a發生干旱，其中3 a發生重旱，分別是1963、1978及1981年，2 a發生特旱，分別是1972、 2013年，從5 a滑動曲線可知，1985—1996年懷化市SPI呈增加趨勢，干旱強度有所緩和，1985—2013年，SPI值呈下降趨勢，說明在此時期內，懷化市干旱強度持續增強。從圖6b可以看出，干旱強度變化趨勢空間上分布在0/10 a～0.16/10 a之間，說明懷化市大部分區域干旱強度呈減弱趨勢。

從圖5c可知，秋季干旱強度在-2.1～2.2之間，呈增加趨勢，變化率為-0.04/10 a，1962—2015年共19 a發生干旱，其中，1974、1992年發生特旱，從5 a滑動曲線可知，1990年開始懷化市SPI值呈急劇下降趨勢，說明干旱程度持續增強，2007年之后，SPI值呈顯著增加趨勢，干旱強度持續減弱。從圖6c可以看出，干旱強度變化趨勢空間上分布在-0.11/10 a～0.05/10 a之間，干旱強度呈顯著增加趨勢的主要為懷化市南部的會同及通道。

從圖5d可知，冬季干旱強度在-1.9～1.8之間，SPI值呈增加趨勢，變化率為0.02/10 a，1962—2015年共16 a發生干旱，其中3 a發生重旱，分別是1977、1998及1999年，從5 a滑動曲線可知，1991—1998年，2004—2009年兩個時期，懷化市SPI值均呈急劇下降，干旱強度增加趨勢顯著。從圖6d可以看出，干旱強度變化趨勢空間上分布在-0.08/10 a～0.1/10 a之間，懷化市北部的沅陵、辰溪、溆浦等區域干旱強度呈顯著增加(SPI值變化率為負值)的趨勢。

總體而言，懷化市秋旱最為嚴重，在1962—2015年的54 a中分共有19 a發生干旱，其次為冬旱和春旱，分別有16 a和14 a發生干旱，而夏旱最輕，共有13 a發生干旱。

圖5 懷化市季干旱強度年際變化趨勢(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.5 Interannual Trend of Drought Intensity in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

圖6 懷化市季干旱強度變化趨勢空間分布(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.6 Spatial Distribution of Drought Intensity Change Trend in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

3 結論

采用線性趨勢分析、滑動平均、空間分析等方法對懷化市近54 a氣象干旱特征進行分析，結果表明：

①1962—2015年懷化市年尺度整體干旱頻率(輕旱及以上干旱發生頻率)為29.6%，中旱頻率14.8%，重旱頻率5.6%，特旱頻率3.7%。從四季看，春季干旱頻率在25.9%～37.0%之間，平均值為30.3%，夏季干旱頻率在27.8%～33.3%之間，平均值為30.8%，秋季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為31.1%，冬季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為30.0%。

②1962—2015年懷化市年干旱強度(SPI)在-2.5～1.9之間，變化趨勢不顯著，變化率僅為0.01/10 a，但干旱強度年際波動較大，54 a來共有16 a發生干旱，干旱頻率為29.6%，其中1978年發生重旱，1985年、2011年發生特旱。從四季看，秋旱最為嚴重， 54 a中共有19 a發生干旱，其次為冬旱和春旱，分別有16 a和14 a發生干旱，而夏旱最輕，共有13 a。