基于SPI指數的黑河地區5—9月干旱趨勢分析

趙山山 王志國 孫波

摘要 利用黑河地區1968—2015年5—9月的降水資料對時間尺度為12個月的SPI指數進行了計算，探討了黑河地區干旱發展特征及變化趨勢。結果表明，近48年內SPI最大值出現在2013年，最小值出現在2008年；2007年以后總趨勢在向干旱發展，2015年前后達到頂點，未來幾年黑河地區有向干旱發展的趨勢。從旱澇趨勢的變化周期來看，16年的時間尺度為旱澇變化的第1主要周期。2015年黑河地區處于豐水期，預計未來將逐漸向枯水期轉換。干旱指數變化的突變點發生在1980年，20世紀80年代以后轉入多水年，2000年以后，趨勢向少水發展，到2010年前后，再次出現突變點，氣候轉向濕潤。從黑河地區干旱發生頻次來看，20世紀80年代開始，中旱和重旱頻次一直在增加，到2000—2010年，旱情達到最重，中旱和重旱頻次顯著高于其他年代。

關鍵詞 SPI指數；干旱趨勢；變化周期；發生頻次；黑河地區

中圖分類號 S423 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）25-0183-02

Abstract We calculated the standardized precipitation index（SPI） of time scales for 12 months by using the precipitation data in Heihe area from May to September during 1968-2015，and discussed the development characteristics and trends of drought in Heihe area.The results showed that in the past 48 years，the maximum value of SPI appeared in 2013，and the minimum value appeared in 2008. Since 2007，the general trend was to the development of the drought，and the peak was around 2015，in the next few years in Heihe area had to be the trend of the drought.From the perspective of the change cycle of drought and flood trend，16 years of time scales was for the first major cycle.In 2015，Heihe area was in the wet cycle，and the future was expected gradually to the dry season conversion.The changepoint of drought index took place in 1980，after 1980s，the trend toward the development of wet cycle，after 2000s ，the trend to developed less water，by 2010 before and after，there would be a sudden change point，the weather turned to wet.From the frequency of the drought in Heihe area，since 1980s，the frequency of the moderate drought and the heavy drought had been increasing，until to 2000-2010，the drought reached the most drought，the frequency of moderate drought and the heavy drought was significantly higher than other years.

Key words Standardized precipitation index（SPI）；Drought trend； Change period； Occurrence frequency； Heihe area

近年來，氣候變化已經成為熱門話題，而由氣候變化引起的水分條件在區域內的干濕變化影響力卻更為廣泛。一旦水分條件發生極端變化而導致旱澇成災，則對農業生產威脅極大。定量化表征干旱開始時間、強度變化的干旱指數，一直是干旱監測、預測和研究中的重要工具。基于降水資料的SPI指數計算簡單、穩定性好，具有多時間尺度和時空適用性等優勢[1]，而且不涉及具體的干旱機理，在國內外的干旱監測中廣受應用。筆者根據黑河地區1968—2015年逐月降水觀測數據，采用SPI指數分析黑河地區干旱特征， 摸索其發展趨勢，嘗試將SPI指數應用到當地干旱監測評估工作中，旨在為當地防災減災工作提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況和資料選取

黑河市位于黑龍江省北部邊陲（47°42′～51°03′N、124°45′～129°18′E），地處大興安嶺東端、小興安嶺北部，地勢西北高、東南低，總體地貌為中、低山丘陵類型，境內有近100個農場。全市呈寒溫帶大陸性季風氣候特征，冬長夏短、四季分明。在此選取黑河地區1968—2015年逐月降水觀測資料。

1.2 研究方法

1.2.1 標準化降水指數（SPI）。

采用《氣象干旱等級》（GB/T 20481—2006）中SPI的計算方法，可以計算不同時間尺度下（1、3、6、12個月）的標準化降水指數，記為SPI。在此計算的是1968—2015年逐月SPI12，并以某年5—9月SPI12的平均值作為該年的SPI值。根據（GB/T20481—2006）國家氣象干旱等級劃分評價標準，認為當-1.0

1.2.2 氣候周期變化統計方法。

利用Matlab（8.5版本）軟件，采用Morlet小波分析[2-3]和Mann-Kendall（M-K）非參數檢驗方法[4-5]分析

1968—2015年黑河地區干旱的周期變化和突變趨勢。

1.2.3 干旱頻率（Pi）計算。

按公式Pi=n/N×100%計算，其中，n表示作物生長季發生干旱的月份總數，N表示總月數（文中N=240），i表示不同年份。為了便于比較，在此將輕旱（含輕旱）以上的干旱都記為干旱。

2 結果與分析

2.1 指數SPI12變化趨勢

在對干旱或洪澇做評價時，影響程度和時間都是對水分變化的影響因子。SPI12可以代表長時間內各地區平均的水分盈虧情況，同時也可以反映地下水位等狀況[1，6]。翟祿新等[7]認為，較大時間尺度的SPI指數對短時間內降水量較少或接近于0值的地區影響不大，因此筆者利用指數SPI12對旱澇的判斷不會對短時間內降水為0時產生數據限制。

由圖1可見，5—9月黑河地區SPI具有明顯的波動形式。在2000年以前，出現過2次接近±1的極值，即1977年的中旱（-1.09）和1988年的中澇（1.09），而20世紀70年代以前及90年代旱澇波動的振幅較緩和。近48年內SPI最大值為2013年重澇的1.76，最小值為2008年出現中旱的-1.16。2次最大極值出現的時間僅間隔了5年，這種極端干旱或洪澇在2000年以后出現的頻率在增加，且持續時間明顯較長，甚至影響到次年。長時間段的SPI指數對旱澇的長期影響指示作用較好，且前期降水變化的累積影響對后期干旱或雨澇的起始和結束時間都具有相應的響應。縱觀近10年的滑動平均曲線，2007年以后總趨勢是上升的，即向干旱發展，2015年前后達到頂點后，可能轉為下降趨勢，可以認為未來幾年黑河地區向干旱發展的可能性較大。

2.2 旱澇趨勢的周期變化 由圖2可知，1968—2015年黑河地區SPI12指數存在3個較為明顯的峰值，它們從高到低依次為16、8和24年的時間尺度。小波方差最大的峰值對應著16年的時間尺度，即16年左右的周期振蕩最強，為旱澇變化的第1主要周期；8年時間尺度對應第2峰值，為旱澇變化的第2主周期；第3峰值對應著24年的時間尺度。

根據小波方差檢驗的結果，繪制了黑河地區旱澇演變的第1主周期16年周期特征的小波系數圖（圖3）。在16年特征的時間尺度下，旱澇演變存在的平均周期為12年左右，大約經歷了4個周期的澇—旱循環轉換，而且直到2015年黑河仍然處于多水期（澇期），預計未來一段時間內將逐漸向枯水期（旱）轉換。

2.3 突變趨勢檢驗

從M-K檢驗結果（圖4）來看，近48年黑河地區SPI12（年際變化）指數的UF與UB 2條曲線在1980、2000、2002、2003、2009、2011年都出現交叉點；其中UF曲線的變化總體表現為1980年以前有蹺蹺板狀波動，但基本在負值區變化，曲線在1980年交叉點后向正方向發展，并達到1.96以上，說明1980年以后增加趨勢是顯著的，因此認為1980年為突變年。UF曲線在2000年以后向負方向變化，在2009和2011年交點前后接近于0線，后又轉為上升走勢，并且曲線一直在±1.96之間，說明2010年前后突變趨勢不顯著。

M-K檢驗曲線顯示的突變點主要在1980年，1980年以后曲線上的正面積明顯偏多，說明20世紀80年代以后進入多水年，以濕潤為主，且趨勢顯著；2000年以后，趨勢向少水發展，以干旱為主，到2010年前后，再次出現突變點，氣候轉向濕潤，從UF曲線特點看近幾年的變化趨勢不顯著。

2.4 干旱發生頻率的變化

由表1可知，黑河地區1981—2015年發生干旱的總頻率為23%，其中輕旱頻率為15%，中旱和重旱分別為6%和2%。1980年以前發生干旱的總頻率為41%，其中輕旱頻率為32%，中旱為9%，無重旱發生，但輕旱和中旱發生頻次均高于1980年以后時段的頻次。

從不同干旱程度的年代變化情況來看，2001—2010年發生干旱的總頻次最高，為44%，其次是1968—1980年，為41%，但前者發生的干旱程度明顯高于后一時段，前者發生中旱頻率為14%，重旱為8%，顯著高于其他年代時段。

從同一年代內不同干旱程度來看，20世紀80年代開始，中旱和重旱頻次一直在增加，到2001—2010年，旱情達到最重，中旱和重旱頻次顯著高于其他年代。2011年至今，干旱頻次較前期開始出現減弱趨勢，這可能與黑河地區目前處于多水期有關。

3 結論

利用黑河地區1968—2015年5—9月6個基本氣象站的逐月降水資料對時間尺度為12個月的SPI指數進行了研究，并對干旱特征及發展趨勢進行了探討，得出以下主要結論：

（1）近48年內SPI最大值為2013年重澇的1.76，最小值為2008年出現中旱的-1.16。2007年以后總趨勢在向干旱發展，2015年前后達到頂點后，可能轉為下降趨勢，未來幾年黑河地區向干旱發展的可能性較大。

（2）從旱澇趨勢的變化周期來看，16年的時間尺度為旱澇變化的第1主要周期。在16年特征的時間尺度下，旱澇演變存在的平均周期為12年左右， 2015年黑河處于多水期，預計未來將逐漸向枯水期轉換。

（3）M-K檢驗顯示，近48年黑河地區SPI指數的突變點主要在1980年，20世紀80年代以后進入多水年，以濕潤為主，且趨勢顯著；2000年以后，趨勢向少水發展，以干旱為主，到2010年前后，再次出現突變點，氣候轉向濕潤，從UF曲線特點看近幾年的變化趨勢不顯著。

（4）從干旱發生頻次來看， 黑河地區20世紀80年代開始，中旱和重旱頻次一直在增加，到2001—2010年，旱情達到最重，中旱和重旱頻次顯著高于其他年代。2011年至今，干旱頻次較前期開始出現減弱趨勢，這可能與黑河地區目前處于多水周期內有關。

參考文獻

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