基于SPI指數的塔城市氣象干旱變化特征分析

侯文娟

（新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州昭蘇縣水利局，新疆 昭蘇 835600）

塔城市位于新疆維吾爾自治區西北部，準噶爾盆地西北邊緣的塔城盆地，屬溫帶大陸干旱氣候區。由于其獨特的地理位置和氣候環境，干旱已成為塔城市最常見的自然災害之一，嚴重威脅著地區農牧業生產和國民經濟的發展[1]。本文利用塔城市1984年～2016年的逐月降水資料計算標準化降水指數（SPI），對塔城市的氣象干旱指數的變化特征進行分析，為地區農業灌溉、水利工程建設和水資源可持續發展提供參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

塔城市SPI指數由降水數據計算得來，降水數據選用塔城氣象站1984年～2016年的逐月降水資料（數據來源于中國氣象數據中心網，http：//data.cma.cn/）。文中季節劃分采用氣象學的標準進行:3月～5月為春季，6月～8月為夏季，9月～11月為秋季，12月～次年2月為冬季。

1.2 研究方法

（1）SPI指數計算方法

標準化降水指數（SPI）是由美國學者Mckee等1993年提出，用于監測干旱情況[2]，可以定量化地表示對不同時段內降水量的缺乏程度。具體計算過程如下[3]:

式中:c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

其中:F是與Γ分布函數相關的概率函數:

通過上述過程求得SPI指數后，可按表1[3]劃分干旱等級。

表1 SPI指數干旱等級劃分

（2）Pettitt突變檢驗法

Pettitt檢驗法最先由Pettitt[4]用于檢驗變異點，定義統計量Ut,N公式如下[5]:

式中:xt、xk分別為第t、k個時序樣本，sgn（·）為符號函數。

通過Ut序列的最大值定義統計量Kt表示最可能的突變點:

通過建立檢驗統計量P判別突變點是否顯著:

如果P的計算結果P≤0.05，則認為檢驗出的突變點在統計意義上是顯著的，否則，突變點不顯著。

2 結果分析

2.1 SPI指數年際變化特征

（1）干旱統計分析

采用式（1）對塔城市1984年～2016年的降水資料進行計算，得到SPI-12指數。通過統計分析，不同年代各干旱等級出現的頻率百分比見表2。

表2 塔城市不同年代各干旱等級出現的頻率 單位：%

由表2可以看出，近33年來塔城市的干旱情況正常和濕潤居多，濕潤情況逐漸增加，到2010年～2016年階段出現最多，說明塔城市的氣象是向增濕發展的，這與邵進等[6]的研究結論一致。輕微干旱和中等干旱情況在1984年～1989年和1990年～1999年出現的頻率相差不大，在2000年～2009年出現的頻率增加到最大，之后出現頻率降低至最低，說明2000年～2009年發生中等及以下的干旱情況最多。中等以上的干旱情況（嚴重干旱和極端干旱）總體來說發生次數較少，其中1984年～1989年和2010年～2016年無極端干旱情況出現，1990年～1999年發生極端干旱的次數最多。

（2）趨勢變化分析

基于SPI-12指數，得到了塔城市的SPI指數年際變化趨勢，結果見圖1。根據線性趨勢線（y=0.0083x-0.1423）可知，塔城市年尺度SPI指數呈現上升趨勢，SPI趨勢線傾向率為0.083/10 a；根據R2=0.0422可知，相關系數，小于5%顯著水平下的臨界值0.344（通過查相關系數顯著性檢驗表獲得，自由度n-2=31），該增加趨勢未通過顯著性檢驗。表明塔城市1984年～2016年的SPI指數的增加趨勢不顯著，即有不顯著的向濕潤發展的趨勢。

圖1 塔城市SPI指數年際變化

（3）突變分析

采用Pettitt突變檢驗方法對年尺度的SPI指數進行突變檢驗，檢驗結果見圖2和表3。通過Pettitt檢驗圖可以看出年尺度SPI指數序列的最大值對應為1994年，表明塔城市年尺度SPI指數在1994年發生突變。由表3可知，Pettitt統計量顯著性概率P的計算結果為P=0.904＞0.05，即表明檢驗出的突變點在統計意義上不顯著。

圖2 塔城市年尺度SPI指數突變檢驗

表3 年尺度SPI指數突變點顯著性檢驗

2.2 SPI指數季節變化特征

（1）干旱統計分析

塔城市不同季節的干旱情況出現頻率百分比見表4。由表4可知，春季大多呈現正常和濕潤狀態，有較少輕微干旱和中等干旱情況，無嚴重干旱和極端干旱情況出現，表明塔城市發生春旱的情況較少。夏季的干旱情況與春季相比，濕潤情況一致，正常情況減少，輕微干旱情況增多，中等干旱情況減少；說明從春季到夏季，塔城市的部分正常情況向輕微干旱轉變。秋季和冬季的濕潤情況、正常情況和中等干旱情況發生頻率一致，但秋季有頻率為3.03%的嚴重干旱事件發生，而冬季無嚴重干旱情況。總體看來，塔城市季節尺度的旱澇情況為濕潤和正常情況居多，發生中等以上干旱情況較少，且僅有秋季發生了嚴重干旱現象。

表4 各干旱等級的季節分布

（2）趨勢分析

根據SPI-12指數計算得到了塔城市1984年～2016年的季尺度SPI指數，結果見圖3。通過線性趨勢線可知，春季SPI指數以0.111/10 a的傾向率呈現增加趨勢，2010年的出現最大值1.373；相關系數，小于0.05顯著性水平0.344，表明春季SPI指數的濕潤傾向不顯著。夏季SPI指數以0.023/10 a的傾向率呈現減小趨勢，其相關系數，小于0.05顯著性水平0.344，表明夏季SPI指數的干旱傾向也不顯著。秋季SPI指數以0.054/10 a的傾向率呈現增大趨勢，其相關系數，小于0.05顯著性水平0.344，表明秋季SPI指數的濕潤傾向不顯著。冬季SPI指數以0.189/10 a的傾向率呈現增大趨勢，其相關系數，小于0.05顯著性水平0.344，表明冬季SPI指數的濕潤傾向不顯著。

圖3 塔城市季尺度SPI指數的趨勢變化

（3）突變檢驗

采用Pettitt突變檢驗方法對季尺度的SPI指數進行突變檢驗，檢驗結果見圖4和表5。通過Pettitt檢驗圖可以看出四季SPI指數序列的最大值分別對應為2001年、1993年、1994年和1995年，表明四季SPI指數分別在2001年、1993年、1994年和1995年發生了突變。通過計算四季SPI指數的顯著性概率P可知，塔城市春夏秋冬四季SPI指數的突變顯著性概率分別為1.0298、0.8235、1.1813和0.226，均大于0.05顯著性水平，表明塔城市四季SPI指數的突變均不顯著。

圖4 塔城市季尺度SPI指數突變檢驗

表5 季尺度SPI指數突變點顯著性檢驗

3 結語

（1）1984年～2016年塔城市氣象整體向增濕方向發展，1990年～1999年相對來說是干旱情況發生較多的10年。從季節尺度上來看，整體上濕潤情況和正常情況較多，四季中秋季相對較為干旱。

（2）塔城市年尺度SPI指數呈不顯著增加趨勢；季尺度SPI指數中，春季、秋季和冬季均呈現不顯著的增加趨勢，夏季呈現不顯著的減小趨勢。

（3）年尺度上，塔城市SPI指數在1994年發生了不顯著的突變；季節尺度上，四季分別在2001年、1993年、1994年和1995年處發生了不顯著的突變；表明塔城市1984年～2016年的SPI指數未發生顯著的突變。