基于SPI的遼寧省莊河市近35年干旱演變特性研究

姚順秋 閆曉惠

(1.大連市莊河水利建筑勘測設計院，遼寧 大連 116400；2.大連理工大學水利工程學院，遼寧 大連 116024)

1 概 述

干旱是指因降水不足，土壤、氣候干燥的現象。嚴重的干旱會對社會、經濟與生態造成嚴重的影響，是我國歷史上出現最為頻繁、影響最為嚴重的自然災害之一[1]。隨著人口的不斷增長、社會經濟活動的增強、全球氣候變化的加劇，干旱的出現頻率、持續時間與災害強度在許多地區出現了非常明顯的變化，不但使各地的水資源壓力不斷增加，同時也造成了水資源長期規劃與管理上的難題[2-3]。因此，對各地的干旱演變特性進行研究十分必要。

干旱的演變特性可以通過旱澇指標來進行研究。目前，常用的旱澇指標包括SRI干旱指標[4]、Palmer干旱指數[5]、Z指數[6]、標準化降水指數(SPI：The Standardized Precipitation Index)等。其中，SPI主要是采用一個特定的分布概率(一般為Gamma函數)來描述某一個區域的降水量變化情況，它的重要優勢是計算簡單、能靈敏地識別干旱的變化情況，且可以用于不同氣候區之間旱澇情況的比較。近來年，SPI指數得到了國內外水利相關工作者的廣泛認可，許多學者已經基于SPI對不同國家與區域的干旱分布與演變特征進行了研究，為各地的水資源開發與利用、防旱減災工作提供了重要的參考[7-9]。

莊河市是遼南地區的重要水源地，近幾年的淡水總量呈現下降趨勢，且各類用水量隨著人口的增加、社會與經濟的發展不斷攀升，水資源壓力不斷加大。此外，受全球氣候變化影響，近年來莊河地區的旱澇災害等極端天氣事件頻發，因此，對莊河市的干旱演變特性進行研究是十分必要的。本文采用莊河市1984年1月1日至2018年12月31日的逐日降水數據計算了1個月、3個月、6個月、12個月共4個不同時間尺度下的SPI，并基于SPI對該地區近35年的年際與季節干旱演變特征進行了分析，為該地區的抗旱減災、水資源管理、產業布局優化、人口承載力評估工作提供依據。

2 研究方法

2.1 研究區域與數據

莊河市位于遼寧省東南部，黃海北岸，地處北溫帶，為暖溫帶大陸性季風氣候區。氣候溫和，四季分明，歷年平均日照時數為2415.6h，歷年平均降水量為757.4mm，其中7月和8月降水量占全年降水量的56%。莊河地區是遼南地區重要的水源地，人均用水量約為424m3，萬元GDP用水量約為44m3，農田灌溉畝均用水量約為337m3。該地區年均淡水總量約為13.49億m3，但近幾年呈現下降趨勢，水資源壓力不斷上升。受全球氣候變化影響，近年來莊河地區的旱澇災害等極端天氣事件頻發，逐漸成為該地區社會與經濟發展的制約因素，因此有必要對該地區的干旱演變特征進行研究。

SPI計算的數據為莊河站1984年1月1日至2018年12月31日的逐日降水數據(見圖1)，數據來源于中國氣象科學數據共享服務網。該日值數據集是由各省上報的文件根據《全國地面氣候資料(1961—1990)統計方法》及《地面氣象觀測規范》有關規定，進行整編統計而得的。在該數據集的整編統計過程中已經對原始數據文件經過較嚴格的質量控制和檢查，因此數據的空間代表性與精確度滿足基本的科學分析要求。數據總量為12753組，其中降水天數(降水量大于0mm)為2766天。降水量不為0的數據序列中的平均值、最大值和最小值分別為9.3mm、196.0mm和0.1mm；中間值為2.8mm;標準差、方差和變異系數分別為17.5mm、307.7mm2和1.9；峰態系數和偏態系數分別為25.3和4.1。

圖1 莊河市近35年的逐日降水數據

2.2 SPI計算方法

SPI計算采用Gamma函數擬合歷史降水數據，其公式為[8]

(1)

式中：x為某個時段的降水量；α與β分別為形狀和尺度參數;Γ(α)為Gamma函數；g(x)為概率密度函數；e為自然指數。

分別采用不同的時間步長來對α與β進行估算，其公式分別為

(2)

(3)

其中，

(4)

式中：n為降雨數據量數據數；A為形狀參數中間變量。

根據以上公式，可用累計分布函數表示降水分布，其公式為

(5)

由于Gamma函數不包含x=0的情況，但降水分布可能包含0值，因此，適用于擬合降水數據的累計分布函數可以表示為

H(x)=q+(1-q)G(x)

(6)

式中：q為值為0的概率。

最后，將累計分布函數H(x)轉換為標準正態分布從而得到SPI值。可以根據SPI指數值將干旱事件劃分為5個等級：無旱(SPI≥-0.5)、輕旱(-1.0≤SPI<-0.5)、中旱(-1.5≤SPI<-1.0)、重旱(-2.0≤SPI<-1.5)、特旱(SPI<-2.0)。

3 研究結果

3.1 不同時間尺度的SPI計算值

SPI可以采用不同的時間步長來進行計算，而不同的時間步長可以反映不同時間尺度上的干旱演變特征。短時間步長的結果可以自動識別短期的旱澇情況，但在計算長時間尺度的SPI時未對這個無旱時期的數據進行扣除，主要基于以下兩點考慮：?受全球氣候變化影響，旱情的時間分布可能發生變化，如果直接不考慮這個時段，可能偏向于不安全；?我國的許多地區均積極采用水庫、塘壩、蓄水池等攔蓄水工程對水量進行調節，因此，汛期的旱澇情況對其他時段的旱澇程度也有所影響。分別采用1個月、3個月、6個月、12個月共4個不同時間步長進行計算，計算結果見圖2。當時間尺度較小時(如1個月)，SPI數據序列的波動較為頻繁，說明該時間尺度可以敏感地識別短期的旱澇狀況。當時間尺度增大時，數據序列的變化逐漸變得平緩，說明在較大的時間尺度下，計算結果受短期降水變化的影響較小，大時間尺度下的SPI無法識別短期的洪澇變化，但可以更為清晰地顯示長期的演變規律。

3.2 基于SPI的干旱年際演變特征

12個月尺度下的SPI序列可以較好地反映干旱的年際變化情況，因此，選用該尺度下的SPI分析該研究區域的干旱年際演變特征。為更為清晰地呈現其年際變化規律，將圖2(d)中的數據進行平均計算，得到逐年的平均SPI，結果見圖3實線。由圖3可知，在2000年之前，SPI的正負值大約每兩到三年即進行一次轉換，且絕對值均較小，說明此前該地區的降水較為均勻，未出現強度大、時間久的旱災或澇災。但是，自2000年以來，SPI的絕對值明顯增大，如2000年的SPI為-1.6，而2013年則高達1.8，這說明該地區的旱情與澇情正變得日益嚴重。此外，在2000前后，該地區SPI的正負分布也變得更不均勻，例如在1997—2004年共8年時間里均為負值，說明旱情持續時間有所增長。

圖2 不同時間尺度下的SPI演變特征

圖3 年均SPI值與演變趨勢分析

為進一步分析更長尺度下的干旱演變特征，作線性趨勢線與5年滑動平均線，見圖3中的點虛線與虛線。根據5年滑動平均結果可以非常明顯地看出，該地區的SPI在2000年之前分布較為均勻，且絕對值較小。而在2000年前后，滑動平均線的波峰與波谷以及正值與負值的時間區間都明顯增大，再次說明該地區自2000年前后旱澇災害的強度與持續時間均呈現增長趨勢。線性趨勢線隨著時間的增長而逐漸下降，說明莊河地區的旱澇狀況在整體上呈現出偏旱的趨勢，水資源壓力不斷攀升。其線性趨勢擬合方程的線性趨勢是-0.0096，因此，從長期趨勢看，莊河地區的SPI的年均下降值約為0.0096。

3.3 基于SPI指數的干旱季節演變特征

3個月尺度下的SPI序列可以較好地反映干旱的季節變化情況，因此，選用該尺度下的SPI分析研究區域的干旱季節演變特征。為更清楚地研究各個季節的干旱變化特征，將干旱按季節劃分為春旱、夏旱、秋旱和冬旱，它們對應的月份分別為3—5月、6—8月、9—11月、12—次年2月。將圖2(b)中的數據按照月份進行匯總，得到各個年份的季節平均SPI，結果見圖4。計算春、夏、秋、冬4個季節的平均SPI，結果分別為-0.0026、-0.0011、0.0004、-0.0083，可見，除秋季外，莊河地區的各個季節均呈現偏旱狀態，不過，平均SPI的絕對值均較小，說明該地區的多年平均旱情并不嚴重。

分別作各個季節SPI的5年滑動平均線，結果見圖4中的虛線。各季節的SPI演變特征均與整體的年際演變特征保持基本的一致性，即在2000年以前SPI的時間變化曲線較為平緩，但在2000年以后，波動幅度有所增強。分別作各個季節SPI的線性趨勢線，結果見圖4中點虛線。可見，從長期演變規律來看，莊河地區春季與冬季的SPI呈上升趨勢，而夏季與秋季的SPI呈下降趨勢。為進一步量化其變化趨勢，分別計算各個線性趨勢線的斜率，春、夏、秋、冬各季節的傾向率分別為0.020、-0.018、-0.006和0.013，可見，在近35年中莊河地區的夏旱狀況呈現惡化趨勢，其年均SPI降低量為0.018，應為該地區抗旱工作的重點關注問題。

圖4 各季節SPI的演變特征

干旱的季節與等級分布特征見圖5。由圖5可知，莊河地區在近35年中出現秋旱的頻率最高，占比31%，而夏旱的頻率較低，占比23%。在春旱方面，莊河市在近35年中發生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比14%和12%，未發生季節性的重旱；在夏旱方面，發生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比6%和14%，有3%的季度出現重度干旱；在秋旱方面，發生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比17%和11%，有3%的季度出現重度干旱；在冬旱方面，發生輕度干旱和中度干旱的季度分別占比17%和6%，有3%的季度出現重度干旱。各季度均未出現季節性的特級干旱。

圖5 干旱的季節與等級分布特征

根據以上結果可知，莊河地區的旱情整體呈現不利趨勢，而每個季節的變化規律不盡相同，總體是春旱與冬旱傾向于改善，但夏旱與秋旱傾向于惡化。目前，莊河地區已經建立了比較完善的水資源調度系統，未來可以根據新的變化趨勢對其進行進一步的優化，從而提高該地區的水資源管理能力，助力其社會、經濟與生態的協調發展。當然，雖然SPI法目在國內外得到了廣泛的認可，但任何一個旱澇指標都不可避免地有其局限性。SPI法只是從降水的單一角度來分析干旱演變情況，而實際的干旱狀況同時還受作物蒸發騰發量、地表徑流等因素的影響。因此，SPI主要應用于干旱的快速識別與演變趨勢分析，對于更為精細的旱情分析，還需要應用考慮了全水文氣象過程的、更為精細復雜的方法來進行分析。

4 結 語

本文采用莊河市近35年的逐日降水數據計算了1個月、3個月、6個月、12個月共4個不同時間尺度下的SPI，并基于SPI計算結果對該地區干旱的年際與季節演變特征進行了分析研究。根據研究結果可知，莊河地區的整體水資源壓力呈現增大趨勢且各季節的變化趨勢不同。因此，應該繼續推進灌渠、調水與蓄水等基本水利建設，從而增強該地區的水資源管理能力。同時，應該根據水資源變化趨勢合理地調配產業布局、推廣節水灌溉技術、優化旱情預警與灌溉排水技術，從而節省水資源并提高其有效利用率。