基于標準化降水指數的近45年吉林省干旱特征分析

岳 元，申雙和，王 琪

(1.南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044；2.氣象災害預警預報與評估協同創新中心，南京信息工程大學，南京 210044；3.吉林省氣象科學研究所，長春 130062)

干旱是某地區因長期無雨或降水較常年平均狀態異常偏少的氣候背景下，造成空氣干燥，土壤水分缺失，和農業灌溉水源不足，無法滿足農業生產所需水分而形成的災害[1]。近年來隨著全球氣候變化加劇，干旱的發生頻率也變得更高，持續時間更長，其影響已經波及社會、經濟、農業生產等諸多方面[2]。我國農業生產長期受干旱災害影響，相關統計數據顯示，我國農作物年均受旱面積為2 159.3 萬hm2，直接造成的糧食產量損失約為100 億kg[3]。20世紀80年代以來，全球變暖使極端氣候氣溫事件頻發，干旱的頻率、強度不斷加強，受旱面積和成災面積均呈增加趨勢[4,5]。

由于大氣系統本身具有非線性的特點[6]，使得單純依靠氣象觀測數據研究干旱問題變得困難。為了使得干旱評估工作能夠做到定量化和標準化，科學家們提出了多種干旱指數，主要包括相對濕潤指數、標準化降水指數、帕默爾干旱指數以及綜合氣象干旱指數等[7-12]。其中標準化降水指數(SPI)因其具有計算簡便，對干旱反應靈敏，同時還可有效消除降水資料時空分布不均產生的差異等優點，而受到世界氣象組織和不同地區的廣泛認可[13-15]。一直以來，我國北方地區的干旱問題都是學術界關注的焦點，但研究區域集中在我國的華北平原[16-18]和西北干旱區[19,20]。研究方向則多側重北方地區干旱災害的變化趨勢[21]、演變特點[22]以及干旱成因[23]。雖然針對我國北方干旱已經進行大量的分析，但是已有的分析多是從整個北方地區的角度來分析的，針對更小空間尺度，如某省的干旱研究不多。吉林省地處我國東北地區中部，作為我國商品糧的主產區，干旱直接威脅本地區農業生產安全。因此，分析近幾十年發生在吉林省地區干旱的頻率、強度以及空間分布形式，為應對氣候變化對本地區影響有重要的實用意義。

本文利用吉林省45個氣象站近45年逐月降水資料計算不同年尺度和季節尺度的標準化降水指數，分析吉林省地區干旱發生頻率、影響范圍和強度的時空變化特征。旨在為氣候變化背景下吉林省農業生產、干旱研究以及防災減災提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究采用吉林省氣象資料完整的45個氣象站1970-2014年45年逐月的降水資料(站點分布見圖1)，數據源于吉林省氣象局。同時對所選站點的降水數據進行質量檢測，對其中存在的明顯錯誤數據進行訂正，對存在缺測漏測的數據進行插值處理。經質量控制后各站45年的降水數據連續性較好，可靠性較強，可有效的反應本地區降水的變化形式。同時根據氣象學中四季劃分方式，將3-5月份定為春季；6-8月為夏季；9-11月為秋季；12月到次年2月為春季。

圖1 吉林省站點分布圖Fig.1 Meteorological station in Jilin Province

1.2 標準化降水指數(SPI)

由于逐月降水量的時間序列并不符合正態分布，而近似符合一種偏態分布。所以在利用降水資料監測干旱變化情況工作中，常采用Γ分布函數計算出某一時段內降水量概率分布后，對計算得到的概率分布進行正態標準化處理，最后用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。SPI的計算步驟為：

式中：F(x)是根據Γ分布計算得到的降水分布概率；x為某時段的降水量 ；c0、c1、c2和d1、d2、d3分別為Γ分布函數在轉化為累計概率簡化近似求解公式的計算參數，各參數值分別為：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。當F(x)>0.5時，S=1；當F(x)≤1時，S= -1。

F(x)是由Γ分布概率密度函數積分求得的，公式為：

(2)

式中：β、γ為Γ分布函數的形狀和尺度參數。

依照上述步驟即得到吉林省45個氣象站季節尺度和年尺度的標準化降水指數。具體SPI值對應的干旱等級見表1。

表1 干旱等級Tab.1 The classification of drought levels

1.3 干旱評價指標

本文分別從干旱發生頻率、干旱發生站次比和干旱作用強度3個方面分析吉林省地區近45 a的干旱時空演變特征，上述3個指標具體計算公式如下：

(1)干旱頻率(Pi)。Pi表示某氣象站有降水資料的年份中干旱發生的頻率，計算公式為：

(3)

式中：N為某氣象站有資料的總年份數；n為某氣象站發生干旱年份數量；其中下角標i代表不同的氣象站。按照表1中的各個干旱等級計算出45個氣象站中4個等級干旱的概率發生情況。

(2) 干旱站次比(Pj)。表示某一區域內存在不同等級干旱站數占該區域全部氣象站數量的比例，該指標是來評價不同年份之間干旱影響范圍的大小，計算公式為：

(4)

式中：M為研究區內的氣象站的數量；m為存在干旱的氣象站數量；其中下角標j代表不同年份。Pj表示某一年份中干旱在某地區影響的范圍和某區域內干旱的嚴重程度。其中認為：Pj≥50%時，為全域性干旱；50%>Pj≥33%時，為區域性干旱；33%>Pj≥25%時，為部分區域干旱；25%>Pj≥10%時，為局域性干旱；當Pj<10%時，全區域內無明顯干旱發生。

(3)干旱強度(Sij)。表示干旱年平均嚴重程度，單站干旱強度可由SPI的絕對值反映，計算公式為：

(5)

式中：SPIi為發生干旱時SPI的絕對值。當Sij<0.5時干旱強度不明顯；1>Sij≥0.5 為輕旱；當1.5>Sij≥1 時為中旱；當2>Sij≥1.5時為重旱;Sij≥2.0時為特旱。其中i表示不同氣象站。j代表不同年份，m存在干旱的氣象站數量。

(4) 氣候傾向率。將氣象要素隨時間的變化用一次線性方程擬合，即：

(6)

2 結果與分析

2.1 年尺度干旱演變特征

基于吉林省45個氣象站逐月降水量計算得到的近45年來年尺度的SPI值，統計各站不同等級干旱出現頻率。分析統計結果發現，吉林省地區干旱(包括輕旱及以上)發生頻率在13.33%～42.22%之間，全省平均值為30.52%。進一步分析干旱發生頻率的空間分布發現，吉林省西部和中部地區干旱發生頻率要高于東部地區，西部地區干旱發生頻率為38.89%；中部地區干旱發生頻率為32.30%；東部地區干旱發生頻率為27.72%。不同地區之間不同等級干旱的發生頻率為西部>中部>東部。輕旱發生頻率6.67%～31.08%[圖2(a)]。輕旱頻率高值區主要出現在西部的白城和松原地區，中、東部地區輕旱發生頻率仍相對較低。中旱的發生頻率0～17.77%[圖2(b)]。中旱頻率高值區出現在中部的農安站和東部的吉林地區，西部地區為次高值區，低值區主要存在于東部地區大部和西、中部地區個別站點。中旱[圖2(c)]和特旱[圖2(d)]的發生頻率相近，均在10%以下。中旱的發生頻率在0～8.89%之間，高值區在全省范圍內呈點狀分布，出現在乾安站、榆樹站、樺甸站。低值、次低值影響區和次高值區自西向東間隔出現。特旱的發生頻率0～4.44%，高值、次高區主要作用在西部的白城地區和東部的延邊地區。特旱低值和次低值區則主要作用于中部全部地區、西部和東部的部分地區。由此可見，吉林西部地區輕旱、重旱、特旱發生頻率均高于全省其他地區，中旱發生頻率為次高。

圖2 吉林省地區干旱頻率分布Fig.2 Spatial distribution of drought frequency in JiLin province

分析吉林省范圍內干旱的影響范圍(圖3)發現，吉林省近45 a干旱站次比變化范圍為0～75.56%。按照干旱影響范圍的定義，近45 a中共有13 a無明顯干旱發生；發生局域性干旱和部分區域性干旱年份數量較少分別為5 a和2 a；站次比大于50%，發生全域性干旱的年份有14 a。綜合站次比分析發現，干旱影響范圍的演變特征以1989年為界可以分為兩個階段。20世紀70年代和80年代吉林省地區發生的干旱以局域性和區域性干旱為主，而進入90年代以后全域性干旱開始增加。尤其是21世紀以后，由于全球氣候變化的不斷加劇，全域性干旱成為影響吉林省的主要干旱類型。尤其是2010年以后發生的干旱。站次比的變化趨勢顯示，干旱的作用范圍呈逐步擴大的趨勢，未來吉林省地區發生全域性干旱的風險較大。

圖3 近45年吉林省干旱發生站次比及強度演變特征Fig.3 Evolution characteristics of drought stations proportions and drought intensity in JiLin province during the last 45 years

分析干旱強度發現(圖3)，45年來吉林省年平均干旱強度波動范圍為0～1.55，干旱強度的平均值為0.95。進一步分析逐年干旱強度值發現，有25 a的年平均干旱強度值在1.0以上，達到中旱水平，且多發生在90年代以后。其中23 a干旱強度值為1～1.5，且多數中旱強度值接近1.0。這說明從年平均干旱強度上來看，吉林省地區發生的干旱強度呈增加趨勢，進入90年代以后發生的干旱多發中旱，但強度偏輕。2000年以后干旱強度進一步增強，2001年干旱強度是45 a中最高，為1.55達到重旱級別。整體上看干旱強度的變化趨勢呈增加趨勢，且在21世紀以后干旱強度增強的趨勢進一步加快。

根據不同年代之間吉林省地區站次比[圖4(a)]和干旱強度[圖4(b)]，不同年代之間干旱站次比為先降后增的變化形式，70年代站次比為次高值，70-80年代站次比出現下降并達到最低值。80年代至今站次比出現三連增，干旱面積不斷擴大，2000-2014年的干旱站次比是4個年代中最高的，達到38.53%。分析不同年代之間輕旱、中旱站次比發現，輕旱站次比呈震蕩下降的趨勢，中旱站次比變化形式和干旱站次比變化趨勢一致為先降后增，并在2000年以后達到最高值。結合不同年代間干旱強度統計結果發現，隨著中旱影響面積的不斷增加，吉林省地區2000年以來近15 a干旱強度達到最強，其后依次為70年代、90年代、80年代。

圖4 不同年代間干旱站次比和干旱強度的變化Fig.4 Variations of drought stations proportions and drought intensity in different decades

依據SPI指數計算分析造成吉林各地區之間干旱發生頻率、作用強度不同的主要影響原因是氣候變化導致的異常降水事件頻發，不同地區之間降水量分布不均造成的。吉林西部為半干旱區，中部為半濕潤區，東部為濕潤區，隨著全球氣候變化，西部地區面臨干旱的風險可能進一步加大。吉林西部地區作為吉林省的糧食主產區，有關部門應采取有力措施，以應對未來隨著氣候變化不斷加劇且更加頻繁發生的干旱災害對該地區農業生產的影響。依據本文之前的分析發現，吉林中部也存在暖干化的趨勢。更應引起關注的是，本為濕潤區的吉林東部地區特旱的發生頻率高于全省平均水平。

2.2 季節尺度干旱時空演變特征

2.2.1 春 旱

分析吉林省春季SPI值發現，春季干旱發生頻率變化范圍為19.90%～39.97%，全省平均值為31.31%(圖5)。不同地區之間春旱發生概率存在明顯區別，其中吉林西部和中部為春旱高發地區，東部地區春季干旱發生頻率較低。西部春旱發生概率平均值為32.00%，中部平均值為31.37%，均高于全省平均值，只有東部地區春旱頻率平均值小于全省平均水平，為25.96%。

圖5 不同季節干旱頻率分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency in different

綜合分析吉林省春季發生干旱的站次比[圖6(a)]發現吉林省春季干旱站次比變化范圍為0～84.44%，且近45 a區內站次比呈先增后減變化趨勢。發生干旱的年份中，存在全域性春旱的年份有11 a；存在局域性春旱的年份有7 a；存在部分區域性春旱的年份有8 a；存在區域性春旱的年份有7 a。同時春旱多出現在70-90年代，其中1993年發生的春旱是影響范圍最廣的一年。從不同年代看(表2),70年代站次比值最高，80年代次之，90年代最低，2000年以后為次低，不過最低值和次低值大小相近。春旱站次比時間擬合趨勢來看，45 a來站次比呈下降趨勢，平均每10a下降速率為3.86%。吉林省內春旱站次比出現下降，影響面積正在減小。

分析干旱強度計算結果表明[圖6(a)]，45年來干旱強度波動范圍為0～1.57，干旱強度的平均值為0.96。強度曲線變化形式和站次比變化形式相近，即站次比高的干旱年份中其對應的干旱強度也相對較重，如發生全域性春旱的1971、1975和1993年，三年的干旱強度均超過1，并且接近或者達到重旱標準。分析不同年代之間春旱強度的變化形式發現，不同年代之間強度與站次比變化形式一致，70年代最強，80年代次之，90年代和2000年以后的強度分別為最低值和次低值，但是最低值和次低值之間差距不大。證明隨著春旱影響面積的減小，吉林省春旱作用強度也出現下降。

圖6 不同季節間干旱發生站次比及強度演變特征Fig.6 Evolution characteristics of drought stations proportions and drought intensity in different seasons

根據之前的分析，吉林省春旱的強度和影響面積雖有所減小，但仍不可掉以輕心。春季發生干旱對吉林省農業生產影響極大。春旱會導致作物播種受阻，出苗不齊，出苗偏晚，苗情較差。如果春旱嚴重的話，還會導致作物不出苗或枯死。特別是吉林西部地區春旱嚴重，素有“十年九春旱”之稱。春季如果持續無有效降水，且氣溫持續增高，土壤蒸發能力強，將導致嚴重春旱。應對可能發生的春旱的措施主要有，選擇抗旱品種，采取坐水種、地膜覆蓋，采取有效抗旱保苗措施，有條件的地區還可采取澆水灌溉，以減輕干旱損失。此外，還應及時除草和鏟趟，防止草荒發展，改善土壤水熱條件。

表2 不同年代間吉林省地區季節尺度干旱站次比和干旱強度比較Tab.2 Comparison of seasonal drought stations proportions and drought intensity in different decades

2.2.2 夏 旱

夏季干旱發生頻率變化范圍為20.00%～42.21%，全省平均值為30.07%(圖5)。夏旱的空間分布形式與春旱相似，頻率分布依次為西部>中部>東部。頻率高值區集中出現在吉林省西部和中部地區，但頻率高值區面積有所減小。西、中部地區夏旱發生概率平均值分別為32.89%、31.59%，均高于全省平均值。東部地區夏旱發生頻率較低，平均值為27.72%，低于全省平均水平。

夏旱的站次比[圖6(b)]發現吉林省夏季干旱站次比為0～68.89%變化，70-80年代站次比震蕩下降，90年代初至今站次比震蕩上升，特別是21世紀以后，夏旱站次比呈上升趨勢。發生夏旱的年份中，發生局域性夏旱的年份最多，有13 a；其次是全域性干旱，有11 a；發生部分區域性和區域性夏旱的年份分別有4 a和7 a。其中2014年發生的夏旱是影響范圍最廣的一年。從不同年代看(表2),2000年至今站次比最高，70年代次之，80年代最低，90年代為次低，呈現出先減后增的變化形式。夏旱站次比時間擬合趨勢來看，45 a來站次比呈下升趨勢，平均每10 a下降速率為0.71%。

分析干旱強度計算結果表明[圖6(b)]，夏旱強度波動范圍為0～2.66，干旱強度的平均值為1.07。分析不同年代之間夏旱強度的變化形式發現，夏旱強度和站次比變化形式存在一定差異。70-80年中期，夏旱強度呈震蕩上升；85-90年代初快速下降并達到最低值；90年代初至今夏旱強度又開始波動上升，基本維持在中旱水平。不同年代之間，90年代夏旱強度最輕；80年代夏旱強度最強；其后依次為70年代和2000年至今的強度分別為最低值和次低值。強度的年紀變化趨勢雖略有下降，但趨勢并不明顯。值得注意的是，21世紀以后夏旱發生的面積和作用強度均出現增加。

夏季干旱會導致玉米等作物供水不足，影響作物生殖生長，進而導致植株矮小，枯黃、抽穗、開花、授粉受阻。如果夏旱持續出現的話，會導致作物整株死亡，進而造成絕產絕收。針對夏旱，在加強旱情監測的同時，還要積極采取抗旱措施：一是抓住有利天氣條件，積極開展人工增雨作業；二是有條件的地方采取灌溉補充農田土壤水，重旱區農民可以用田間機井抽水溝灌方式抗旱；三是葉面噴施抗旱制劑； 四是加強水庫調度，保障農業用水供應；五是加強氣象監測，密切監視夏旱發展；六是做好農業保險等風險轉移與災害救助的各項準備工作。

2.2.3 秋 旱

秋季干旱發生頻率變化范圍為24.45.00%～40.00%，全省平均值為31.85%(圖5)。秋旱發生頻率高值區主要集中出現在吉林省中部，西部白城和東部吉林的部分地區也為秋旱高發地區。吉林中部秋旱發生頻率最高，為34.29%；西部和東部地區秋旱發生頻率相近，依次為30.22%和31.01%，均低于全省平均水平。

秋旱的站次比為0%～ 84.44%[圖6(c)]。秋旱站次比變化形式可以細分為兩個階段，70年代初至2004年站次比先增后減，2005年至今秋旱站次比則為震蕩上升。

秋旱發生的年份中，主要為全域性和區域性秋旱，發生年份數量分別為11 a和10 a。局域性和部分區域性干旱較少只有8 a和3 a。其中2001年發生的秋旱是影響范圍最廣的一年。從不同年代看(表2)，2000年至今站次比最高，其后依次為80年，90年代，70年代為次低。從秋旱站次比時間擬合趨勢來看，45 a來秋旱站次比呈上升趨勢，速率為平均每10 a上升4.94%，21世紀以后，吉林省范圍內秋旱影響面積有所增加。

分析干旱強度計算結果表明[圖6(c)]，秋旱強度波動范圍為0～1.52，干旱強度的平均值為0.91。不同年代之間，秋旱強度和站次比變化形式相似，呈震蕩上升的變化趨勢。秋旱強度序列時間擬合趨勢來看，45 a來干旱強度呈增加趨勢，平均每10 a增加0.097。21世紀以后隨著秋旱站次比增加，秋旱作用強度也明顯增加。

秋季是吉林省糧食作物產量形成的關鍵時期。秋旱的發生會導致灌溉受阻，作物灌漿速度慢，干物質積累少，籽粒不飽滿，千粒重低，糧食產量下降。應對秋旱的措施主要是擴大灌溉面積，有條件的地區還可以噴施抗旱劑，同時還要加強田間管理。

2.2.4 冬 旱

冬季干旱發生頻率變化范圍為17.78%～42.21%，全省平均值為32.44%(圖5)。冬旱的空間分布形式與之前三個季節中出現的干旱完全不同，冬旱高值區影響范圍包括全省大部分地區。高值區集中出現在吉林西部和中部，東部地區只有個別氣象站冬旱發生概率達到36%以上。西、中部地區冬旱發生概率平均值分別為33.33%、32.86%，均高于全省平均值。東部地區冬旱發生頻率較低，平均值為31.75%，低于全省平均水平。

吉林省冬季干旱站次比[圖6(d)]為0%～77.78%，整體呈震蕩下降的趨勢。發生冬旱的年份中，全域性冬旱發生數量最多，有14 a；其次為局域性干旱，有10 a；發生部分區域性和區域性冬旱年份數量較少，分別只有5 a和1 a。不同年代中(表2), 90年代冬旱站次比最高，70年代次之，2000年至今最低，80年代次低，呈現出階段性減少的變化形式。冬旱站次比時間序列整體變化形勢為隨時間變化下降的趨勢，平均每10 a下降0.71%。

分析干旱強度計算結果表明[圖6(b)]，冬旱強度波動范圍為0～1.49，干旱強度的平均值為0.81。分析不同年代之間冬旱強度的變化形式發現，70-90年代成增加趨勢，但90年代至今冬旱強度出現輕微下降。雖然近20a強度有所下降，但是冬旱強度整體的變化趨勢仍略有增加。

冬季干旱對吉林省的不利影響較小。但如果冬季降雪量較少，土壤無積雪覆蓋，進而會導致次年春季桃花水少，影響次年的春耕。特別是如果冬季封凍時，土壤水分含量少，出現干封凍的年頭冬旱影響更大。若冬旱之后接連出現春旱，其危害將更為嚴重。應對冬旱，主要是協調水利、農業、氣象等相關部門，根據吉林省不同地區的實際情況，綜合制訂科學可行的抗旱方案，加強對旱情的監測預警，利用冬季農閑時期興修水利設施，擴大可澆灌面積。同時指導農民加強冬季田間管理，做好土地保墑工作。

結合上述分析發現吉林省干旱發生的頻率、影響面積和作用強度具有明顯的區域性和季節性。不同季節之間干旱發生的頻率相近，其中吉林西部和中部出現春、夏連旱的頻率較高，東部地區冬旱發生頻率更高。春、冬兩季中受干旱影響面積呈減少趨勢，夏、秋兩季中受干旱影響面積則出現不同程度的增加。強度上，春、夏兩季中干旱的作用強度減弱，而其余季節中干旱強度為增強。

3 結 語

本文利用年、季尺度的標準化降水指數分析了近45 a吉林省范圍內干旱的時空演變規律，并基于SPI指數計算得到干旱站次比、干旱強度以及干旱頻率對吉林省年、季尺度干旱進行了研究。結果表明：

(1)不同時間尺度干旱頻率空間分布差異明顯。年尺度上，吉林省西部地區和中部地區干旱頻率相近，且明顯高于東部地區。四季中干旱頻率的空間分布形式和年尺度相似，但冬季干旱的頻率高值區面積更大。

(2)吉林省范圍內年尺度干旱站次比變化形式呈階段性先減后增的變化形式，且多發全域性干旱。不同季節中，春、冬兩季中的站次比出現下降，干旱影響面積呈減少趨勢；夏、秋兩季中站次比有所增加，干旱影響面積增加。夏旱多發局域性干旱，其余季節中則多發全域性干旱。

(3) 強度上，年尺度干旱強度變化形式和趨勢與站次比一致，呈增加趨勢。20世紀90年代后，年尺度干旱強度多為中旱，但強度偏輕。21世紀以后干旱強度進一步增強。季節尺度干旱的強度和站次比變化形式有所不同，春、夏兩季中干旱的作用強度減弱，秋、冬季中干旱強度呈增強趨勢。

通過以上的分析發現，氣候變化不斷加劇，極端氣候事件頻發的情況下，吉林省地區干旱的影響面積和作用強度整體上呈增加的趨勢，尤其是21世紀以后干旱有日漸嚴重的趨勢。不同季節中，春旱的影響范圍和作用強度較以往出現下降，有利于吉林省農作物的播種和出苗。但是作為作物生長季的夏、秋兩季中，干旱的影響范圍和作用強度都有加重的趨勢，尤其是作為糧食主產區的西部地區。冬季SPI指數顯示冬季全省降雪偏少，可能會影響次年春季的土壤水分條件。地區之間來看，西部地區的仍是吉林省干旱高發地區，但是應引起注意的是中部地區出現干旱化的趨勢，東部地區受干旱影響相對較小。

本研究通過標準化降水指數(SPI)得出的吉林省干旱變化特征與實際狀況較為吻合，基于SPI指數分析得到的吉林省地區干旱發生頻率和作用強度情況的研究結果可靠，分析結果有助于了解吉林省干旱變化特征，為今后的干旱監測、預警、防災減災以及應對吉林省日趨嚴重的干旱化提供科學依據。SPI指數作為氣象干旱指數，雖然可在一定程度上反映干旱對農業的影響，但由于其僅考慮逐月降水資料，其他對干旱有影響的氣象因子并未考慮在內，忽略了如氣溫、風速、蒸發、連續無雨日數等其他氣象要素的影響。所以仍有必要參考其他綜合性干旱指數，對本省干旱的情況進行更深入的研究。

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