基于2種標準化干旱指數分析秦皇島近50年干旱狀況

趙 銘, 張雪洋, 包玉龍, 趙福年

(1.秦皇島市氣象局, 河北 秦皇島 066000; 2.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所,中國氣象局 干旱氣候變化與減災重點開放實驗室, 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室, 蘭州 730020)

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基于2種標準化干旱指數分析秦皇島近50年干旱狀況

趙 銘1, 張雪洋1, 包玉龍1, 趙福年2

(1.秦皇島市氣象局, 河北 秦皇島 066000; 2.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所,中國氣象局 干旱氣候變化與減災重點開放實驗室, 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室, 蘭州 730020)

為了分析SPEI是否相對于SPI更適合于氣候變暖背景下秦皇島的干旱監測與評估，為更精確地診斷該區干旱發生狀況提供依據，以河北秦皇島1964—2014年逐日降水及溫度資料為基礎，分析比較標準化降水指標(SPI)和標準化降水蒸散指標(SPEI)對秦皇島干旱監測的差異及秦皇島地區近50年干旱變化趨勢。結果表明：50年來秦皇島干旱發生的頻次逐漸增多，且干旱程度也較過去有所加重，春季、夏季、冬季呈干旱化趨勢，秋季呈增濕趨勢；兩個指數在同一季節指示的干濕狀況演變趨勢是一樣的；1989年以前，秦皇島市氣溫距平值基本為負值，在這期間SPI與SPEI數值變動趨勢較為一致且在發生干旱的年份SPI與SPEI數值之間差異不大，但在1989年以后，隨著秦皇島市氣溫距平值由負轉為連續多年正值，兩個指數差異增大，SPEI在監測到干旱發生時，干旱程度較SPI監測的結果更重也更接近實際情況，所以得出SPEI更能有效地反映出全球變暖背景下秦皇島干旱發生發展情況。

干旱; 標準化降水指標(SPI); 標準化降水蒸散指標(SPEI); 秦皇島市

干旱災害對社會經濟的發展危害極大。據估算每年因干旱造成的全球經濟損失高達60～80億美元，遠遠超過了其他氣象災害[1]。隨著經濟的迅速發展、人口增長以及由此引起的全球氣候變暖，干旱有進一步加重的趨勢[2]。

根據不同的時間尺度，干旱可分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱等。氣象干旱最直觀的表現就是降水量的減少，它也是引發其他類型干旱的重要因子。氣象干旱通常是農業干旱的前兆，氣象干旱比水文干旱出現較快。對于干旱強度的確定和評估，目前國內外常用的干旱指標就有10余種，如氣象干旱指標、水文干旱指標、農業干旱指標和經濟干旱指標等[3-5]，這些干旱指標從大氣降水、地表水、土壤墑情以及經濟損失等不同角度表達了干旱的程度。就干旱形成的最直接原因而言，主要是大氣降水量減少、氣溫偏高，因此，氣象干旱指標具有普遍意義。研究表明，由于氣溫對地表水分收支分量——蒸散起著至關重要的作用[6-7]，對農業生產而言，不考慮變暖在干旱評估中的作用，可能低估實際干旱的程度[8-9]以及模糊氣候變化對水文循環的基本效應的評估。事實上，有關研究表明，溫度在干旱形成中可能起著與降水同等重要的作用[10]，而在全球變暖背景下的干旱評估中尤為突出。為解決這一問題，研究者試圖采用具有水分平衡基礎的帕默爾干旱指數(PDSI)[11]，及自定義的大氣干旱指數[12]、地表濕潤指數[11]、干旱強度指數[13]、水分虧缺指數[14]等進行干旱監測。PDSI對中長期干旱的反映能力較好，而對短期干旱則難以反映[15]，且校正時具有不穩定性、對計算方案中參數的區域性非常敏感[11]、計算也較為復雜，自定義的大氣干旱指數將標準化的月平均氣溫距平與降水距平進行簡單組合，不能準確反映氣溫通過蒸散發影響干旱的內在機制，干旱強度指數、水分虧缺指數和地表濕潤指數均基于降水和蒸散發的差值或比值，計算也相對簡單，然而由于空間不一致性，同PDSI一樣缺乏空間比較的基礎。Vicente-Serrano等[16]通過在SPI的基礎上引入潛在蒸散，構建了新的適用于氣候變暖背景下干旱監測與評估的氣候指數SPEI，該指數融合了PDSI對蒸散的響應及SPI空間一致性，在許多地區使用均表現出較好的干旱監測效果。

然而，作為同樣的對氣象要素進行標準化處理的指數，SPEI較SPI的優勢如何，依然缺乏實例分析，因此本文以河北秦皇島1964—2014年逐日降水及溫度資料為基礎，分析比較標準化降水指標(SPI)和標準化降水蒸散指標(SPEI)對秦皇島氣象干旱監測的差異，進一步分析SPEI是否相對于SPI更適合于氣候變暖背景下秦皇島的干旱監測與評估，以期能為更精確地診斷該區干旱發生狀況提供依據。

1　研究區概況

秦皇島地區地處河北省的東部，位于東經118°33′—119°51′，北緯39°23′—40°37′，北依燕山，南臨渤海，東臨遼寧，西北分別與唐山、承德相毗。秦皇島地區屬于東部季風區暖溫帶濕潤氣候，四季分明：春季(3—5月)風力強大，降雨稀少；夏季(6—8月)盛行偏南風，氣溫高，濕度大，降水多，本季降水為510～585 mm，占全年的75%；平均氣溫為22.8～24.1℃，暴雨、大風、冰雹時有發生；秋季(9—11月)氣溫迅速下降，降水銳減，降水占全年的13%左右；冬季(12月至翌年2月)盛行西—西北風，天氣寒冷干燥，降雪稀少。

2　數據來源與方法

2.1數據來源

秦皇島市所轄的北戴河、山海關、海港區3個市轄區和撫寧縣、昌黎縣、盧龍縣、青龍滿族自治縣4個縣的氣候差異較小。由于撫寧、盧龍、青龍縣國家氣象站受遷站影響，數據序列較短，所以本文以河北秦皇島昌黎國家氣象觀測站1964—2014年逐日降水及溫度資料為基礎，分析比較標準化降水指標(SPI)和標準化降水蒸散指標(SPEI)對秦皇島干旱監測的差異及秦皇島地區近50年干旱變化趨勢。原始數據源于河北省氣象局。

2.2研究方法

(1) SPI的計算。由于不同時間、不同地區降水量變化幅度很大，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，不是正態分布，所以在降水分析中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化，算得給定時間尺度的累積概率H(x)[17-18]，然后累積概率H(x)可以通過下式轉換為標準正態分布函數：

當0

(1)

(2)

當0.5

(3)

(4)

式中常數分別為：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

(2) SPEI的計算。SPEI以月平均氣溫及月(或周)降水量為輸入資料，通過計算月降水量與潛在蒸散量的差值并進行正態標準化處理得到，其計算步驟與SPI計算類似。

首先需要基于Thornthwaite方法[19-22]計算逐月的潛在蒸散PET，進而得出逐月的降水與蒸散的差值Di，同SPI方法，對Di數據序列進行正態化，計算每個數值對應的SPEI。由于原始數據序列Di中可能存在負值，所以SPEI采用了3個參數的log-logistis概率分布。log-logistis概率分布的累積函數為F(x)，然后對累積概率密度進行標準化：

P=1-F(x)

(5)

當P≤0.5時，

(6)

(7)

當P>0.5時，

P=1-P

(8)

(9)

式中常數分別為：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

依據我國《氣象干旱等級標準》(GB/T20481—2006)及借鑒Svoboda等[23]的干旱分類，得出SPI和SPEI旱澇等級值見表1。

表1　干旱指數的等級劃分

3　結果與分析

3.1秦皇島市降水量變化

分析秦皇島市1964—2014年降水量和降水距平百分率的變化情況(圖1)，過去50年該區降水量年際變化較大，降水量總體呈減少且趨于平穩的趨勢。1989—2014年這26年中有20年降水量低于多年平均值，尤其是1999—2002年連續4年降水量最為偏少，降水距平百分率為-35%～-50%，依據我國《氣象干旱等級標準》(GB/T20481—2006)中降水距平百分率對干旱等級的劃分，這4年的干旱為重旱甚至為特旱。此外2004—2011年為降水持續偏少期，但依據降水距平百分率對干旱等級的劃分，這8年只有輕度干旱發生。總的來說，用降水距平百分率對秦皇島市干旱發生狀況進行分析，可知50年來秦皇島干旱發生的頻次逐漸增多，且干旱程度也較過去有所增重。

圖1　秦皇島市1964-2014年降水量及降水距平百分率

3.2SPI和SPEI秦皇島監測數據對比

以SPI和SPEI作為干旱診斷指標，分析秦皇島市1964—2014年干旱發生情況。如圖2所示，秦皇島市氣溫總體上呈上升趨勢。1989年后除2010年由于國家氣象觀測站遷站導致之后溫度距平值減少較為明顯外，氣溫均高于多年平均值。1989年之前，秦皇島市氣溫距平值基本為負值，在這期間SPI與SPEI數值變動趨勢較為一致，在發生干旱的年份SPI均比SPEI數值小，并且這兩個指標對秦皇島市干旱的檢測結果與降水距平百分率對干旱狀況的反應一致，都反映出1968年有特旱發生，1980年代初期有輕到中旱發生。依據歷史資料記載，1982年5月降水稀少，氣溫較高，秦皇島發生嚴重春旱，影響春播作物和小麥的生長。1982年7月上中旬，青龍縣出現嚴重干旱，給農業生產造成嚴重損失，根據縣政府農情組統計，全縣絕收面積93.324 km2，減產一半的有99.782 km2，減產3～5成的有64.904 km2，減產1～3成的有31.241 km2。其中干溝、三星口、木頭凳、大石嶺、張杖子、白家店、七道河7個公社絕收面積均占全社總耕地面積的一半或以上。這次干旱全縣預計減產9×105kg。1982年8月秦皇島干旱少雨，炎熱少風，大田作物的籽粒形成受到影響，個別地塊出現早衰現象，造成庇粒，產量下降。1982年9月干旱少雨，給秦皇島小麥播種造成極大困難。嶺坡地根本無法播種，低洼地也只有澆水播種。不但使播種期推遲，也減少了播種面積。可見氣溫距平值基本為負值的時段在發生干旱的年份SPI均比SPEI數值小，降水距平百分率以及SPI和SPEI都能有效反映出干旱發生狀況，監測效果較好。

圖2　秦皇島市1964-2014年SPI和SPEI變化

但是在1989年以后，隨著秦皇島市氣溫距平值由負轉為連續多年正值，兩個指數差異較為明顯，發生干旱的年份SPEI指數均小于SPI指數，加上SPEI在對干旱等級的劃分上，每增加一個干旱等級的數值較SPI小，反映更敏感，所以SPEI在監測到干旱發生時，干旱程度較SPI監測的結果更重。以1989年為界限，對1964—1988年和1989—2014年分兩個時段(下文分別簡稱為a時間段、b時間段)，SPI和SPEI對不同類型干旱發生的頻率進行對比分析。

從表2中可以看出：SPI指數無旱在a時間段的發生頻率大于在b時間段的發生頻率，輕旱、中旱、重旱在b時間段發生頻率均大于a時間段發生頻率，兩個時間段均未出現特旱；SPEI指數無旱、輕旱在b時間段發生的頻率均小于在a時間段發生的頻率，中旱、重旱、特旱在b時間段發生的頻率均大于或等于在a時間段發生的頻率。總的來說，兩個干旱指數除了無旱以外，其他干旱等級發生的頻率隨著氣溫距平值的升高均不同程度的增加。

表2　SPI，SPEI指數在兩個時間段反映出的各個干旱等級的頻率　%

注：SPIa表示1964—1988年SPI 12月尺度監測結果;SPIb表示1989—2014年SPI 12月尺度監測結果，SPEI同。

另外，在a時間段SPI和SPEI對干旱的劃分差異不大，只在特旱和中旱相差2%。而在b時間段里，SPEI指數反映的干旱頻率在特旱和中旱上明顯增多，尤其是特旱，SPI在這個時間段里沒有診斷出特旱發生而SPEI診斷出6%的特旱發生。以2001年為例，SPI這年的數值為-1.6，監測干旱等級為重旱，而SPEI數值為-1.83，監測干旱等級為特旱。依據氣象災害災情統計不容易界定重旱和特旱，所以另以2007年為例，2007年秦皇島氣溫距平值為歷史最大值，SPI這年的數值為0.18，監測干旱等級為無旱，而SPEI數值為-0.59，監測干旱等級為輕旱。依據2007年秦皇島市環境狀況公報，2007年全市年平均氣溫比常年偏高1.1℃，冬季氣溫異常高，夏季略高，春、秋季接近常年，屬偏暖年份。年降水量略少，且時空分布不均，冬夏季降水偏少、春季偏多、秋季正常。夏季局地性強降水過程較多，部分時段旱情明顯。年內出現干旱、冰雹和暴雨、雷電等災害性天氣，給人民生命財產造成了較嚴重的損失。冬季降水偏少，尤其1—2月份，全市大部基本無有效降水，加之氣溫異常偏高，土壤失墑嚴重，各地旱情明顯。4月上旬—5月上旬，全市降水偏少，各地出現不同程度旱情，北部山區旱情嚴重，給春播生產帶來不利影響。6月初開始全市連續無降水，氣溫偏高，干旱現象嚴重影響春播作物的生長，同時給工業生產和人民生活帶來困難。從上述事實可知2007年秦皇島市確實有干旱發生，從兩個干旱指標的判斷效果來講，SPEI能夠較好地反映該年秦皇島干旱事實，而SPI判斷效果較差，沒有準確反映該年秦皇島干旱狀況。

分析原因，溫度對干旱的強度、范圍和持續時間都有重要的影響。溫度對干旱的影響，主要是通過影響蒸發速率而實現，當溫度增加時，蒸發速率一般會加快，這會加劇干旱的嚴重程度，反之亦然。SPEI和SPI的計算過程是完全一致的，SPI指數僅考慮了降水對干旱的影響，而SPEI指數既考慮了降水的虧缺也考慮了蒸發的變化，相比SPI更能準確地反映秦皇島市干旱發生的實際狀況。

3.3不同季節內SPI和SPEI演變特征反映的干濕狀況對比

從連續3個月尺度的SPI和SPEI序列中分別取5月、8月、11月、次年2月的SPI，SPEI值作為季節干濕指示值(圖3)。春季SPEI呈減小趨勢，SPI較為平穩，略有減少，夏季和冬季SPI和SPEI均呈明顯減小趨勢，秋季SPI，SPEI兩個指數均呈現增大的趨勢，可見在同一季節兩個指數指示的干濕狀況演變趨勢是一樣的，另外從圖3上也可以看出，SPI，SPEI的差距春季和秋季較明顯、夏季和冬季差別不大；還可以得出，近50年秦皇島市不同季節干濕狀況存在相反變化，秋季呈現濕潤化趨勢，春、夏、冬呈現不同程度的干旱化趨勢，尤其是夏季，干旱化趨勢較為明顯。秦皇島年際和季節內干濕變化的不一致性表明，近年來年內降水分布的不均勻性有加大趨勢。

圖3　秦皇島市1964-2014年不同季節內SPI和SPEI演變特征反映的干濕狀況對比

4　結 論

(1) 用降水距平百分率對秦皇島市干旱發生狀況進行分析，50年來秦皇島干旱發生的頻次逐漸增多，且干旱程度也較過去有所增重。

(2) 在本研究中，SPI和SPEI的比較存在一個明顯的轉折年份，1989年之前，秦皇島市氣溫距平值基本為負值，在這期間SPI與SPEI數值變動趨勢較為一致，在發生干旱的年份SPI均小于SPEI且差異不大。但在1989年以后，隨著秦皇島市氣溫距平值由負轉為連續多年正值，兩個指數差異增大，發生干旱時SPEI指數均小于SPI指數，加上SPEI在對干旱等級的劃分上，每增加一個干旱等級的數值較SPI小，反應更敏感，所以SPEI在監測的干旱程度較SPI監測的結果更重。比如2007年和2009年，SPI沒有反映出干旱的發生，但是SPEI卻已經診斷出有輕旱發生。說明溫度變動對SPEI診斷干旱發生的影響較大，SPI指數僅考慮了降水對干旱的影響，而SPEI指數既考慮了降水的虧缺也考慮了蒸發的變化，隨著秦皇島溫度逐年升高，SPEI相比SPI更能準確地反映秦皇島市干旱發生的實際狀況，更適合于進一步認識氣候變暖。

(3) 秦皇島春季SPEI呈現減小趨勢，而SPI則較為平穩，略有減少，夏季和冬季SPI和SPEI均呈明顯減小趨勢，秋季SPI，SPEI兩個指數均呈增大趨勢，可見兩個標準化干旱指數在同一季節指示的干濕狀況演變趨勢基本是一致的。

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Analysis of Drought Conditions in Qinhuangdao City in Recent 50 Years Based on Two Kinds of Standardized Drought Indices

ZHAO Ming1, ZHANG Xueyang1, BAO Yulong1, ZHAO Funian2

(1.QinhuangdaoMeteorologicalAdministration,Qinhuangdao,Hebei066000,China; 2.KeyOpenLaboratoryofAridClimateChangeandDisasterReductionofCMA,InstitudeofAridMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020,China)

In order to analyze whether SPEI relative to the SPI is more suitable for the context of Qinhuangdao City drought monitoring and evaluation under the background of climate warming, also for more precise diagnosis of the drought conditions, daily precipitation and temperature data from 1964 to 2014 in Qinhuangdao City Hebei Province were used to analyze and compare the difference between SPI and SPEI in their monitoring of the drought conditions and drought change tendency in nearly 50 years. The results show that the frequency of drought in nearly 50 years of Qinhuangdao City is increasing and the degree of drought becomes more serious than before. The drying trend was observed in spring, summer and winter, humidifying trend was found in autumn; two indices in the same season instructions of dry and wet condition evolution tendency are the same. Before 1989, the temperature anomaly of Qinhuangdao City was basically negative, during this period, the trend of SPI and SPEI values was consistent and the difference between SPI and SPEI was not significant in the drought years. But after 1989, with the shift of the temperature anomaly of Qinhuangdao City from negative to positive value, the difference of the two indices increased, when the drought occurred, the results of the SPEI monitoring were more serious than the SPI monitoring and closer to the actual situation, Therefore, SPEI can effectively reflect the development of drought in Qinhuangdao City in the context of global warming.

drought; standardized precipitation index; standardized precipitation evapotranspiration index; Qinhuangdao City

2015-5-11

2015-06-02

新疆伊寧市土地利用總體規劃修編項目;新疆伊寧市中期實施評估項目

唐利華(1988—),女,新疆石河子人,碩士,研究方向為土地資源規劃、土地資源評價。E-mail:tanglihuahappy@126.com

張永福(1964—),男,新疆烏魯木齊人,副教授,碩士生導師,主要從事土地資源評價及土地利用規劃、土地整治開發研究。E-mail:zyf431@sina.com

S161

A

1005-3409(2016)03-0246-06