基于SPI的煙臺地區干旱特征分析

王冰，余錦華，程志攀，翟少婧

1.南京信息工程大學，江蘇南京210044

2.煙臺市氣象局，山東煙臺264003

3.棲霞市氣象局，山東棲霞265399

4.龍口市氣象局，山東龍口265700

基于SPI的煙臺地區干旱特征分析

王冰1，2，余錦華1*，程志攀3，翟少婧4

1.南京信息工程大學，江蘇南京210044

2.煙臺市氣象局，山東煙臺264003

3.棲霞市氣象局，山東棲霞265399

4.龍口市氣象局，山東龍口265700

利用煙臺地區11個氣象觀測站的近30年（1981～2010）降水資料，采用標準化降水指數得到了煙臺地區近30年的年度干旱指數和季節干旱指數，并根據干旱標準中干旱發生頻率、干旱站次比和干旱強度三項指標分析了煙臺地區近30 a干旱的演變特征。結果表明，近30 a來，煙臺地區以輕旱為主，中旱和重旱比例持平，有干旱發生頻率逐漸減少而發生強度有所增強的趨勢；春旱和夏旱有增加趨勢，冬旱和秋旱有減少趨勢；西部和北部地區發生干旱的次數明顯多于東部和中間地帶地區。與災情對比時發現，年SPI能夠較好的對長期的干旱進行描述，但在年內發生短期干旱時，效果欠佳。盡管煙臺地區近幾年來沒有重旱出現，仍需注意做好對干旱特別是重旱的預防工作。

標準化降水指數；干旱指數；干旱發生頻率；干旱站次比；干旱強度

煙臺屬于暖溫帶季風型大陸性氣候區。據近30 a（1981～2010年）資料，年均降水量622.5 mm，而最少年降水僅400 mm左右。按照干旱區劃指標分區，煙臺并不屬于半干旱區［1，2］。但實際上，當地干旱還是時有發生。據當地民政部門統計的近40 a干旱災情資料，全煙臺市累計受災人口1600×104人次，農作物受災面積310×104hm2，成災面積120×104hm2，絕收面積20×104hm2，農業經濟損失60×108元，直接經濟損失120×108元。特別是從1998年10月到2001年6月，煙臺市遭受到自1887年有降水記錄以來降水量最少、旱情最重、持續時間最長的罕見旱災，直接經濟損失達10×108元［3］。

對于干旱的研究，國內外已較多。如有研究表明，中國北方干旱化正在加劇，而進入上世紀90年代后山東半島東部由濕潤區轉為半濕潤區［4］。對于山東干旱的研究，多集中在山東西部半干旱地區的干旱成因研究［5］，而對于屬于濕潤（半濕潤）氣候區的半島地區的干旱研究比較少。由于干旱具有區域性，目前仍缺乏針對煙臺地區干旱的有關研究。煙臺地區的干旱有其獨特的特點，結合當地氣象資料對煙臺地區的干旱進行深入分析研究有著重要的意義。

1 研究方法

由于不同時間、不同地區降水量變化幅度大，直接用降水量很難在不同時空尺度上相互比較，而且降水分布是一種偏態分布，所以在降水分析中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化。SPI標準化降水指數（Standardized Precipitation Index）通過計算給定時間尺度內降雨量的累積概率，能夠在多個時間尺度上進行計算比較，考慮了降水服從偏態分布的實際，假設降水量服從Γ分布，再經正態標準化求得SPI值，是一種數據分析比較的方法［6］。

SPI由McKee等于1993年提出［7］，其能夠監測不同時間尺度的干旱，對干旱反應變化較敏感，時空適應性較強，能夠較好地反映干旱強度和持續時間，使得用同一干旱指標反映不同時間尺度和區域的干旱狀況成為可能，且所需資料容易獲取，計算簡單，近年來在世界各國得到了廣泛應用。

SPI指數先求出降水量的分布，在考慮降水服從偏態分布的基礎上，進行了正態標準化處理。其累積概率是通過標準化而得，具有穩定的計算特性，可以消除降水的時空分布差異。步驟如下［8］：

假設某一時刻降水量為隨機變量，其Γ分布的概率密度函數為：

在確定概率密度函數中的參數后，對于某一年的降水量，可以求出隨機變量x＜x0。這一事件的概率為：

概率密度函數代入上式后的事件概率可以近似估計。

當降水量為0時的事件概率為：

式中q為降水量為0的概率。如果m表示降水時間序列中降水量為0的數量，則有q=m/n。

對分布的概率進行正態標準化處理，即：

近似求解可得：

對于不同的時間尺度的SPI進行分析，如統計時間為3、6、12、24個月時，可以分析干旱現象對不同時段水分獲取的影響程度。例如，SPI3一般影響土壤含水量或作物收成，SPI24則對時間較長的、可能導致地下水、徑流和水庫蓄水不足等情況的旱情可以描述［9，10］。本文主要采用SPI12（年SPI）值和對近30 a煙臺地區的干旱情況進行描述。在驗證SPI方法效果時，又進入SPI3（季SPI）進行對比，季節劃分為春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）和冬季（12～次年2月）。

2 干旱等級劃分

標準化降水指數SPI根據降水累計頻率分布來劃分干旱等級，它反映了不同時間和地區的降水氣候特點。其干旱等級劃分對于不同時段和地區都適宜，具有氣候意義。SPI值越大，說明越濕潤；SPI值越小，說明越干旱。考慮到煙臺地形以丘陵為主，洪澇次數較少，且本文考慮的是干旱影響，故將正常以上降水都歸納到濕潤等級。參照國家氣候中心的劃分標準來劃分干旱等級［11］，如表1。如無特別說明，干旱指輕旱及以上干旱等級

表1 SPI干旱等級劃分Table 1 Drought classification based on SPI

3 干旱評估指標

本文選取干旱發生頻率、干旱站次比和干旱強度來進行干旱評估。

3.1 干旱發生頻率（F）

干旱發生頻率是評價某區域在一定年份內發生干旱的頻繁程度［12］，可表示為：

式中，n為該區域發生干旱的總年數；N為該區域有降水資料的年數。本文分別探討煙臺地區整體的干旱發生頻率和各個縣市區各自的干旱發生頻率，有統計年數N均為30。

3.2 干旱站次比（Pk）

干旱站次比是用某一區域干旱發生站數多少占全部站數的比例來表示該區域干旱發生的范圍的大小，也反映了干旱影響范圍的嚴重程度［13］，可表示為：

式中，k為某年，本文范圍1981～2010年；m為發生干旱的氣象站數；M為研究流域內總氣象站數，本文為11，代表煙臺地區。

綜合干旱預警及災情標準，結合本地實際，認為當1～3個站發生干旱時為局部性干旱；當4～7個站發生干旱時為區域性干旱；當出現8個站及以上發生干旱時為全區性干旱。

3.3 干旱強度（Sk）

干旱強度表示干旱的嚴重程度，某站點的某時段內的干旱強度可由發生干旱時（即SPI≤-0.5時）SPI值的絕對值反映［14］，SPI值越大，干旱越嚴重；SPI值越小，干旱越輕。

當Sk≥1.5時，為重度干旱；當Sk在［1，1.5）時為中度干旱；當Sk在［0.5，1）時為輕度干旱。

4 結果與分析

4.1 煙臺地區干旱發生頻率

根據近30 a各氣象站觀測的年降水量，根據（1）～（13）計算并分別統計了煙臺地區及十一個縣市區的年干旱發生頻率（表略），為便于比較，將計算結果集成至圖1顯示。

近30 a煙臺地區干旱（輕旱以上）發生頻率為50%（15/30），即有15 a出現了輕旱及以上干旱；中旱以上發生頻率37%（11/30），即有11 a出現了中旱；重旱以上發生頻率33%（10/30），即有10 a出現重旱；無特旱出現。煙臺地區總體干旱呈減輕的趨勢，1999年和2000年干旱較重，其中，1999年干旱為近30 a最嚴重的，其次為1986年和1989年，在2001年以后沒有重旱發生過。從年代來看，上世紀80年代和本世紀前十年干旱呈減輕趨勢，而上世紀90年代干旱發生較頻繁，并于最后2 a出現了重旱。

圖1 煙臺地區及各縣市區近30 a年SPI指數變化趨勢Fig.1 Trends of annual SPI index in Yantai district and in each counties over the past 30 years

分別對各縣市區的干旱發生頻率進行分析，由圖1可知，近30 a來，各縣市區發生干旱的頻率基本相同，并且與煙臺地區多年干旱頻率基本保持一致。1981年各縣市區均發生了干旱，海陽和萊州還出現了重旱；1982～1984年海陽、招遠和萊州分別發生重旱；1986年各地又出現了干旱，福山、牟平和長島出現了重旱；1988年招遠出現了重旱；1989年煙臺、福山、萊陽和蓬萊出現了重旱；1990～1998年間，除1991年龍口出現重旱外，其他時間無重旱出現，中旱也僅1991年的招遠和1992年的海陽出現過；1999年出現了全區性的干旱，除招遠無旱外，其余地區均出現干旱，有6個縣市區出現了重旱；這一旱情維持到了2000年，并在蓬萊出現了重旱，長島出現了中旱；2001～2010年干旱出現的頻率減少，中旱以上次數減少，十年間僅2002年的棲霞、煙臺、福山和萊陽，2006年的萊陽和龍口出現了中旱。總體來看，煙臺各縣市區在1994年以前發生干旱的次數較多，1994年以后干旱發生頻率有降低的趨勢。

4.2 煙臺地區干旱站次比

由公式（14）計算得煙臺地區不同程度干旱的站次比變化趨勢，作2圖可知，煙臺近30 a來干旱發生站次比波動較大；共有15 a發生干旱，基本上隔年發生，干旱發生影響的區域數量有逐年遞減的趨勢。1985年、1987年、1990年、1998年、1994～1996年、1998年、2001年、2003～2005年、2007～2010年等15 a無明顯干旱發生；1982年、1984年和1993年期間煙臺地區發生局部性干旱；1988年、1991～1992年、1997年、2002年等共5 a發生區域性干旱；1981年、1983年、1986年、1989年、1999～2000年、2006年等共7 a發生全區性干旱。其中，1981年發生干旱的站次比達100%，為近30 a來煙臺地區干旱發生范圍最大的一年。1986年、1989年和1999年干旱站次比也達到90%。

從中旱發生站次比看，煙臺地區中旱發生的站次比在0%～36%之間波動變化，并且中旱發生區域呈減少的趨勢。其中有19 a無中旱發生；區域性中旱共有2個年份發生，分別發生在1981年和2002年；1983年、1986年、1988～1989年、1991～1992年、1999～2000年和2006年發生了局部性中旱。

圖2 近30 a煙臺地區不同程度干旱的站次比變化趨勢Fig.2 Trends of arid comparison chart of stations in Yantai district over the past 30 years

從重旱發生站次比看，煙臺地區在1981～1984年、1986年、1988年、1991年和2000年發生局部性重旱，在1989年和1999年發生區域性重旱，其中1999年重旱站次比達到55%，為近30 a煙臺地區重旱發生范圍最大的一年。同時可以看出，自2000年以后，煙臺地區幾乎沒有發生大面積的重旱，近30 a煙臺地區重旱發生區域也有減少的趨勢。

4.3 煙臺地區干旱強度

圖3 近30 a煙臺地區干旱強度Fig.3 Drought intensity in Yantai district over the past 30 years

根據公式（15）計算煙臺地區干旱強度，得圖3。可知，煙臺地區近30 a干旱以輕旱為主，中旱與重旱的強度相當，1981年、1983年、1986年、1988年、1989年、1999年、2000年、2002年、2006年等9 a的強度在0.5以上，其中1981年、1986年、1989年和1999年等4 a干旱強度大于1.0，表明這4 a干旱程度為中旱以上，其中1999年干旱強度達到1.85，為近30 a來干旱強度最嚴重的一年。近30 a最強的4次干旱有3次是發生在80年代，整體上煙臺地區干旱發生的強度呈增強趨勢，但是增強趨勢很小。

圖4為煙臺地區干旱站次比各年代比較圖，圖5為煙臺地區干旱強度各年代比較圖。綜合兩圖可以看出，各年代干旱強度以1981～1990年最高，經常出現區域性的干旱；2001～2010年最低，無中旱以上等級干旱發生，而且干旱也為局域性的。平均干旱強度在1991～2000年最高，達1.36，主要是受1999～2000年的重旱影響。煙臺地區的干旱強度波動較大，干旱發生站次比也相對減少。綜上所述，煙臺地區的干旱強度有增加的趨勢，但不明顯；發生干旱的站次比呈波動性減少；造成這一結論的主要原因是進入21世紀沒有重旱發生。

圖4 煙臺地區干旱站次比各年代比較圖Fig.4AridcomparisonchartofstationsinYantaidistrict

圖5 煙臺地區干旱強度各年代比較圖Fig.5ComparisonchartofdroughtintensityinYantaidistrict

4.4 煙臺地區干旱發生的空間分布

圖6為煙臺地區干旱發生的空間分布圖，可以看出，在萊州和招遠干旱發生次數較多，而棲霞次數較少，從西到東呈波谷式分布，南北差異不大，總體來說西部（萊州、招遠）和北部（龍口蓬萊）發生的次數明顯多于東部（福山、牟平）和中間地帶（棲霞）。

4.5 煙臺地區四季干旱情況

引入四季SPI進行統計，如圖7所示。從圖7四季SPI值統計可以看出，近30 a的秋旱和冬旱呈下降趨勢，冬旱較秋旱下降明顯；春旱和夏旱呈上升趨勢，春旱較夏旱上升明顯。根據季度SPI近30 a發生春夏連旱4次，較重的出現在1992年、1999年和2000年；夏秋連旱2次，較重的出現在1997年；秋冬連旱2次，較重的出現在1988年和2008年；冬春連旱1次，出現在1987～1988年。春夏秋連旱1次，出現在1981年，冬春夏連旱1次，出現在1999～2000年。

圖6 煙臺地區近30 a干旱空間分布Fig.6DroughtspatialdistributioninYantaidistrictoverthepast30years

圖7 煙臺地區近30 a四季SPI變化趨勢Fig.7TrendofseasonalSPIinYantaidistrictoverthepast30years

5 干旱災情對SPI的檢驗

5.1 近30 a干旱災情概況

據當地民政局資料統計，近30 a干旱造成煙臺地區受災人口1312.8×104人，受災面積22.0×104hm2，成災面積127.1×104hm2，直接經濟損失92.9×108元。在1989年、1997年、1999～2000年、2002年和2009年發生了全區性的干旱，與利用年SPI指數分析的基本相符。

近30 a共有25 a發生春旱，其中19 a為重旱；共有23 a發生夏旱，其中9 a為重旱；共有22 a發生秋旱，其中20 a為重旱；共有18 a發生冬旱，其中15 a為重旱；共有12 a發生全市性的干旱，其中10 a為重旱。災情分布頻率與季度SPI干旱分布頻率基本一致，都是春旱和夏旱占主要地位。

5.21998 ～2001年大旱分析

從1998年10月到2001年6月，煙臺市遭受到自1887年有降水記錄以來降水量最少、旱情最重、持續時間最長的罕見旱災。全市所有386條河流和5000多座小型水庫、塘壩全部干涸；市區唯一地表水水源地門樓水庫基本枯竭，僅可夠市區40 d的供水，門樓水庫西支流挖潛向下10 m都沒有水；長達32個月時間里，門樓水庫流域地表水沒有形成徑流；自來水各井群地下水位已達極限，有55個水源井枯竭，其他間歇運行。全市累計受災人口300.3×104人次，飲水困難人口227.1×104人次，農作物受災面積66.3×104hm2，直接經濟損失62.5×108元。

從年SPI指數來看，1999年全市基本為中旱到重旱，2000年全市基本為輕旱到中旱；從季度SPI指數來看，1998年秋全市出現輕旱，冬季降水正常有所緩解，進入1999年，出現了春夏連旱，其中夏季為重旱，隨后盡管秋季降水緩解了干旱，但進入冬季開始了冬春夏三季連旱，且冬季為重旱，2000年春夏為中旱，秋冬降水正常，但進入2001年春季又有中旱出現。

6 討論

需要注意的是，年SPI指數作為干旱指標分析，對于年內的降水分布是一個平均的過程。而旱災是一個積累的過程，連續幾個較輕的干旱可以轉換成較重的干旱，如2009年年SPI指數并未產生干旱，但根據災情實況，當年有干旱災情發生。考慮是由于年度的SPI因子計算周期間隔時間較長，無法對短周期的干旱進行精確描述。對于上述情況，在應用時需加以考慮。應用不同時間尺度的因子計算SPI均有其各自的意義，這在今后的研究工作中將得到完善和加強。

7 結論

（1）近30 a來，煙臺地區的干旱以輕旱為主，中旱和重旱比例持平；1981～1989年是間煙臺地區干旱的高發階段，而且多地多次出現了重旱，對社會經濟發展的影響巨大；1990～1998年間，僅1991年的龍口出現重旱，1991年的招遠和1992年的海陽出現中旱，1999～2000年，出現了全區性的大旱并且多處出現了重旱；2001～2010年間干旱出現的頻率減少，中旱以上出現次數明顯減少，十年間僅2002年的棲霞、煙臺、福山和萊陽，2006年的萊陽和龍口出現了中旱。總體來看，在1994年以后，煙臺地區發生干旱的頻率有所減少；而出現重旱的頻率有所增加。

（2）近30 a干旱的空間分布為，在招遠和萊州干旱發生次數較多，而棲霞次數較少，從西到東呈波谷式分布，南北差異不大，總體來說西北發生的次數明顯多于東南。

（3）近30 a的秋旱和冬旱呈下降趨勢，冬旱較秋旱下降明顯；春旱和夏旱呈上升趨勢，春旱較夏旱上升明顯。根據季度SPI近30 a發生春夏連旱4次，較重的出現在1992年、1999年和2000年；夏秋連旱2次，較重的出現在1997年；秋冬連旱2次，較重的出現在1988年和2008年；冬春連旱1次，出現在1987～1988年。春夏秋連旱1次，出現在1981年，冬春夏連旱1次，出現在1999～2000年。

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Analysis of Drought Characteristics inYantai Distrcit Based on SPI

WANG Bing1，2，YU Jin-hua1*，CHENG Zhi-pan3，ZHAI Shao-jing4
1.Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China
2.Meteorological Bureau of Yantai，Yantai 264003，China
3.Meteorological Bureau of Qixia，Yantai 265399，China
4.Meteorological Bureau of Longkou，Yantai 265700，China

Data at 11 observatory stations in Yantai for 30-yr（1981～2010）precipitation was utilized to obtain annual drought index and seasonal drought index in Yantai district based on standardization precipitation index（SPI）.The characteristics of drought events in 30-yr period in Yantai have been analyzed based on three indices of drought events：drought frequency，drought station time ratio，drought intensity.The results showed that in the 30-yr period，light drought events dominate in Yantai，middle and heavy drought events were comparable.Drought frequency was gradually decreasing and drought intensity was gradually increasing.Spring and summer drought events were increasing，whereas Autumn and Winter drought events were decreasing.In the western and northern region，the drought events were more significant than those in the eastern and middle region.Compared with real drought events，annual SPI could describe long term drought event characteristics. However，it could not describe short term seasonal drought events.Although there did not happen heavy drought events in Yantai district，it was still necessary to pay attention to the drought events，especially heavy drought events.

Standardization precipitation index；drought index；drought frequency；drought station time ratio；drought intensity

P49

A

1000-2324（2015）01-0016-07

2014-02-20

2014-03-31

煙臺市氣象局2013年科學技術研究項目（YTQX2013005）

王冰（1982-），男，山東諸城人，工程師，從事農業氣象、防災減災研究等工作.E-mail：56028930@qq.com。

*通訊作者：Author for correspondence.E-mail：jhyu@nuist.edu.cn