SPI在遼陽季節性干旱評價中的應用研究

畢 海

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

干旱是一種降水少、水資源量少，不足以滿足人的生存和經濟發展的氣候現象[1-5]。干旱一經發生，嚴重時農業致災、工業建設受制約、生態環境破壞、人類生存面臨困難。干旱作為一種環境問題，近年來全國各地頻發，極端干旱頻現，是制約社會經濟發展的重要自然災害之一[6-9]。因此干旱的預警預測、抗旱治旱是十分重要且必要的。干旱評價作為干旱預警及抗旱的基礎，是不可缺少的，同時季節尺度的干旱評價對農業抗旱具有重要的參考意義[10-15]。

遼陽市位于遼寧省中部，大陸性季風氣候，東部山區，西部平原，降水時空分布不均。近年來受氣象因素影響，水資源短缺，水環境問題加劇，農業需水不足，干旱問題日益突出。

1 材料與方法

采用遼陽地區氣象監測月數據，選取1970—2015年46年系列數據，采用一個水文年四季劃分時段，3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年2月為冬季，并采用相關分析法對缺測數據的站點進行插補，構建遼陽地區季尺度的水文序列。

SPI指數是一種基于降水量及其平均值之間的偏離程度對干旱情況進行計算評價的方法。

SPI是一種適用于不同尺度的表征降水量出現概率的一種指標，采用Γ分布概率進行降水量描述，將偏態概率分布轉換為正態標準化，進而用標準化降水累計頻率評估干旱狀態，主要計算公式為：

(1)

其中:S為概率密度正負系數，γ、β分別為Γ函數的尺度參數、形狀參數；c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。G(x)為與Γ函數相關的降水分布概率；x為降水量樣本值。當SPI>-0.5，為無旱；-0.5≥SPI>-1，為輕旱；-1≥SPI>-1.5，為中旱；-1.5≥SPI>-2，為重旱；SPI≤-2，為特旱。

2 結果與分析

2.1 季節干旱發生情況

繪制季節SPI干旱指數曲線，見圖1、圖2。從圖可知，遼陽地區1970—2015年季節尺度SPI指數波動明顯，遼陽地區季節性旱澇變化劇烈。春季干旱指數顯示，1970年、1993年、2004年春季重旱；1989年中旱、2001—2002年連續2年中旱；1978年、1980年、1984年、1992年、2011年、2014年及1996—1997年，共8年春季輕旱。夏季干旱指數顯示，1977—1981年發生連續5年干旱，1988—1989年、2014—2015年兩次發生連續2年干旱；1978—1979年連續重旱、2009年、2014年發生重旱或特旱；1972年、1989年、1992年、2000年、2007年，共5年中旱；1974年、1977年、1988年、1997年、2003年、2015年及1980—1981年，共8年夏季輕旱。秋季干旱指數顯示，1997年、2008年發生重旱；有4年中旱發生；有7年輕旱發生；2001—2002年連續2年輕旱，未發生連續多年干旱；冬季干旱指數顯示，1974年、2012年冬季特旱或重旱；有4年發生中旱；有9年發生輕旱；且1973—1975年發生連續3年干旱，1995—1996年連續2年輕度干旱。

綜合分析四個季節干旱發生情況，四個季節中同時發生干旱次數僅1年，即2014年出現四個季節發生干旱，有11年中四個季節均為無旱，為1971年、1976年、1983年、1987年、1990年、1994年、1997年、1998年、2006年、2010年、2013年。其他年份在不同季節發生干旱，其中1997年春夏秋3個季度連續干旱，1978年、1980年、1989年、1992年、1997年、2014年6年春旱夏旱同時發生，3年夏旱秋旱同時發生、5年秋旱冬旱同時發生，3年冬旱春旱同時發生。經過對旱情調查史志分析和實地走訪調查，SPI指數評價結果合理。

圖1 秋季、冬季SPI指數曲線

圖2 春季、夏季SPI指數曲線

2.2 干旱發生頻次分析

1970—2015年系列中76%占比的年份中在不同季節發生干旱，統計各季節1970—2015年干旱發生頻數，結果見表1。遼陽地區夏季發生干旱頻率最高，次之為冬季，再次為春季與秋季。遼陽地區夏季與冬季發生過特旱，夏季特旱出現在2014年，冬季特旱出現在1974年；重旱發生頻率在春季與夏季較高；中度干旱在夏季發生頻率最大，春季最小。在遼陽地區，對于作物生長而言，秋季是收割的季節，干旱對作物的影響是最小的。根據SPI指數統計可知，雖然冬旱發生頻率較高，但遼陽地區冬季種植農作物較少，且僅冬季土壤的含水對春季耕作稍有影響，故冬旱對農作物影響較小。夏旱、春旱對農作物的影響是較大的，雖然夏季雨水較多，但夏季極端天氣較容易出現，故夏季重旱、特旱頻率高于其他季節；春季重旱發生的概率較秋冬季重旱發生概率大。春季和夏季是農作物生產的關鍵季節，發生干旱對農作物生長及其產量影響較大，特別是春夏連續干旱，此時則需對農作物進行人工地表、地下調配灌溉補給作物生產用水。

表1 不同季節發生不同程度干旱頻率統計表 %

2.3 干旱趨勢分析

根據遼陽地區春季、夏季、秋季、冬季SPI指數，同時采用曲線趨勢斜率共同檢驗遼陽季節尺度干旱的趨勢演變。計算結果見表2。SPI指數趨勢分析結果表明，46年系列中春季、冬季干旱趨勢特征一致，SPI指數總體呈現增大趨勢，說明春旱、冬旱呈減弱趨勢，且春旱波動變幅小，冬旱減弱幅度大；夏秋季節干旱趨勢特征一致，SPI指數總體呈減小趨勢，說明夏旱、秋旱呈增強趨勢，且夏旱增強趨勢更大。

表2 遼陽地區1970—2015年干旱趨勢特征值

3 結 語

以1970—2015年氣象數據為基礎，采用SPI指數，以季度為尺度，研究遼陽地區干旱情況。1970—2015年遼陽地區季節尺度旱澇變化劇烈，極端干旱頻率發生較低；各季節年際間連續干旱發生概率小，均未出現有連續2年嚴重干旱；且未出現年內連續2個季節嚴重干旱，且四個季節連續發生干旱頻率較低。夏季干旱事件更易發生，且春季、夏季重旱發生概率較大，需要對春季、夏季干旱預警防范。46年間冬季、春季干旱呈減弱趨勢，夏季和秋季干旱呈現增強趨勢。季節性干旱研究可以更好服務抗旱減災、水資源調度。