SPI干旱指數在遼寧中南部地區干旱評價中的運用研究

于保慧

SPI干旱指數在遼寧中南部地區干旱評價中的運用研究

于保慧

（遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003）

文章以遼寧中南部區域內各氣象站點1954～2014年氣象監測數據，采用SPI干旱指數對遼寧中南部1954～2012年的干旱情況進行評價，并結合SPT干旱指數旱澇評定標準，分別統計了年尺度和季節尺度區域不同程度干旱發生的頻次。研究結果表明：從1954年～2014年，遼寧中部發生總干旱的頻率為60.1%，發生極端干旱的頻率為1.7%，南部區域發生總干旱的頻率總體低于中部區域，為55.7%；遼寧中部和南部均在冬季較易發生干旱，頻率分別為72.8%和66.8%，在夏季出現極端干旱的頻率最高，且中部高于南部，分別為3.2%和2.8%。研究成果對于遼寧南部和中部區域干旱評估研究提供參考價值。

SPI干旱指數；氣象干旱評價；干旱頻次分析；遼寧中南部區域

我國干旱頻繁，受干旱影響較大，干旱評價對于區域干旱趨勢的預測和預警至關重要。對于干旱評價主要的方式為采用干旱指標進行評價。當前，在我國應用較為廣泛的依舊為氣象干旱指數［1-6］，氣象干旱指數主要依據氣象要素資料進行干旱的評價和分析，在國內運用較為成熟的干旱指數為SPI降水干旱指數，該干旱指數主要集合降水和蒸發量這兩項對區域干旱影響較大的兩個要素進行干旱評價分析，在國內許多區域的干旱得到具體應用［7-9］，并取得較為適用的研究成果，但是在遼寧省中南部區域應用較少，近些年來，隨著氣候變化大背景下，遼寧中南部區域也出現干旱情況，而遼寧中南部作為遼寧省農作物產量較大的區域，對于區域干旱情況的準確評估對于農作物生產十分重要，為此本文結合在國內應用較為成熟的SPI降水干旱指數，結合遼寧中南部氣象站點氣象要素數據，對遼寧中南部區域的干旱進行了定量評價和分析，研究成果對于遼寧中南部氣象干旱評估和預警平臺的構建提供參考價值。

1 SPT干旱指數的計算原理

SPI干旱指數結合蒸發量和降水量和其各自的平均值之間的偏離程度來進行區域干旱評價，SPI干旱指數具體計算的公式如下。

（1）SPI標準化降水指數將區域干旱評價時間尺度的降水量設置為隨機的變量，本文的計算尺度為年尺度和季節尺度，并運用概率統計分布的τ函數進行降水隨機可能發生的概率分布函數，概率分布函數計算方程為：

式中，β＞0，γ＞0—降水量隨機概率分布密度函數的尺度以及形狀系數，該參數主要采用極大似然參數估計方法進行估算，該參數極大似然估算方程為。

式中，xi—氣象監測站點的實測降水系列的樣本；ˉx—氣象監測站點的降水量均值。

通過極大似然估算方程對參數 β，γ進行估算后，對某一年份的降水量x0，都可以推求出降水隨機變量x＜x0發生的可能概率計算方程。

通過數值積分的方法可以計算該降水時間可能發生的概率值。

（2）對于任何一個降水量為x0=0發生的可能概率計算方程為。

式中，m—降水量為0的樣本系列數，n—樣本的總體個數。

（3）在確定降水時間的可能概率后，需要才有Γ概率密度分布函數對概率進行正態分布的標準化處理，結合方程（5）和（6）可以推求得到任一時間可能降水時間發生的概率的標準正態分布函數，計算方程為。

采用近似解方法對方程（7）進行近似求解，計算方程為。

其中，

式中，F—方程（5）和（7）得到的降水可能發生的概率，當計算的可能概率F＞0.5時，方程（8）中的S=1；當計算的可能概率F0.5＜時，方程（8）中的S=-1。方程（8）中其他計算變量本文采用值分別為 c0=2.7415267；c1=0.784594；c2=0.042831； d1=1.324578； d2=1.62541； d3=0.0032184。

在以上參數確定后，代入方程（8）計算得到的Z值即為SPI標準化干旱指數。

2 計算結果及干旱評價分析

基于遼寧中南部氣象監測站數據，結合SPI干旱指數計算方法分別計算了遼寧南部和中部區域1954～2014年和季節SPI干旱指數，結合表1不同干旱程度劃分標準統計了遼寧中部和南部地區發生不同程度年干旱和季節干旱的頻率。

2.1 年尺度干旱評價

基于遼寧中南部氣象監測站數據，結合SPI干旱指數計算方法分別計算了遼寧南部和中部區域1954～2014年干旱指數，見圖1，并結合表1中SPI干旱指數旱澇評定標準，統計不同旱情發生的頻率，結果見表2。

表1 標準化指數旱澇等級劃分表

圖1 遼南地區1954～2014年年干旱指數

表2 遼中地區1954～2014年干旱頻率統計

圖1為遼寧中部以及遼寧南部1952～2014年SPI干旱降水指數，從圖中可以看出，遼陽地區分別在1986、1992和2009年出現極端和嚴重干旱的情況，且為出現連續2年的干旱情況，大連地區分別在1996年、2009年、2012年和2014年出現極端和嚴重的干旱情況，且也同樣未出現連續2年的干旱情況。經過對當地干旱調查史志的分析和實地走訪調查表明，SPI干旱指數評價結果較為合理。結合兩個區域1952～2014年 SPI干旱指數分析數據，結合表1不同干旱評定標準，分別統計了兩個區域不同程度干旱發生的頻率，從表2中可以看出，中部區域發生總干旱的頻率為64.2%，其中發生嚴重干旱和極端干旱的頻率為3.4%和1.7%，而在南部區域發生總干旱的頻率為55.7%，南部區域發生極端干旱的頻率和中部區域相同，但是發生中等干旱和嚴重干旱的頻率高于中部區域。

2.2 季尺度干旱評價

對于區域農作物生長而言，對于季節尺度干旱的評價較為重要，為此本文還結合兩處氣象監測站點1954～2012年逐月的干旱數據，計算了研究區域1954～2012年逐月的干旱指數，基于逐月SPI干旱指數，結合表1中SPI干旱指數旱澇評定的標準，統計了研究區域2處氣象監測站點不同季節發生不同干旱程度的頻率，結果詳見表3、4。

表3 遼寧中部地區不同季節發生不同程度干旱的頻次

表4 遼寧南部地區不同季節發生不同程度干旱的頻次

從表3中可以看出，遼寧中部區域在冬季出現總干旱的頻率最高，但是在遼寧中部區域農作物在冬季基本不種植，因此干旱在冬季對農作物生產較小。其次在遼寧中部區域春季出現干旱的頻率高于秋季和夏季，而在春季是農作播種的時間，因此在出現干旱的情況，需要農業灌溉用水來解決春季干旱的情況，但在春季出現極端干旱的頻率最低。而在夏季，遼寧中部區域雖然發生干旱的頻率低于其他三個季節，但是發生嚴重干旱和極端干旱的頻率均高于其他三個季節，這主要是因為雨季一般集中在夏季，因此夏季出現干旱的頻率較少，但是一旦夏季出現極端降水時間，降水量偏少，而蒸發較大，就易出現極端干旱的事件發生。在秋季由于農作物處于收獲時間，干旱情況對農作物生長影響較少。從表4中可以看出，遼寧南部區域，在冬季發生干旱的頻率最高，但是冬季農作物種植較少，因此南部冬季干旱對農作物生長影響較小。在遼寧中部區域，春季出現干旱的頻率僅低于冬季，而在遼寧南部區域，秋季出現干旱的頻率僅低于冬季，因此在南部區域秋季出現干旱的幾率較大，同樣在南部區域夏季出現極端干旱和嚴重干旱的頻率高于其他三個季節，雖然雨季集中在夏季，也同樣容易出現降水極端偏少的事件，因此發生嚴重干旱的頻率和極端干旱的頻率高于其他三個季節，在夏季出現嚴重干旱和極端干旱的情況，需要借助于農業灌溉用水解決干旱的情況。

3 結語

本文結合遼寧中南部區域氣象站點1954～2012年氣象監測數據，結合SPI降水干旱指數，對遼寧中南部區域干旱進行了評價，研究取得以下結論：遼寧中南部發生年極端干旱的頻率較低，并且未出現過連續2年的嚴重干旱情況；遼寧中南部在冬季出現干旱頻率最大，但均在夏季較容易出現嚴重干旱和極端干旱的事件，需要對夏季干旱進行預警預測。

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P429

A

1008-1305（2017）05-0069-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.023

2017-03-08

于保慧（1983年—），男，高級工程師。