基于SPI的山西省1972—2012年春夏干旱特征及對玉米產(chǎn)量的影響分析

郭 偉，李 瑩，杜莉麗

(1.山西省氣象科學(xué)研究所， 山西 太原 030002; 2.陜西省氣象臺， 陜西 西安 710014)

在對干旱的研究和旱情的評價中，干旱指標的選取和運用最為關(guān)鍵[1]。造成干旱的原因多樣，降水量少，蒸發(fā)量大是形成干旱的直接原因[2]，而大氣環(huán)流異常，海氣和陸氣相互作用導(dǎo)致的降雨偏少是干旱發(fā)生的根本原因[3-4]，此外，暴雨增多、水土流失等也會形成干旱[5]。對于干旱監(jiān)測和干旱指標的研究也從這些方面著手，基于降水量的干旱指標有降水距平百分率、標準化降水指數(shù)、Z指數(shù)[6-7]；基于降水量與蒸發(fā)量的指標有相對濕潤度指數(shù)、標準化降水蒸散指數(shù)[8-9]；基于降水量與氣溫的指標有Ped干旱指數(shù)、德馬頓干旱指標[10-11]，以及多種因素均考慮在內(nèi)的PDSI干旱指標[12]和CI指數(shù)[13]等。這些基于干旱成因的指標在干旱評估過程中各有優(yōu)勢，并在干旱研究中取得了積極的成果。

受海陸分布、地形等因素影響[14]，降水量在區(qū)域間、季節(jié)間和多年間分布很不均衡，因此旱災(zāi)發(fā)生的時期和程度有明顯的地區(qū)分布特點。基于降水資料的標準化降水指數(shù)(SPI)是采用Γ函數(shù)的標準化降水累積頻率分布來描述降水量變化，表征某時段降水量出現(xiàn)的概率多少的指標[15]。該指數(shù)使不同地區(qū)或不同時段發(fā)生的干旱具有可比性且有多時間尺度的優(yōu)勢，能夠?qū)Σ煌臻g的旱澇進行比較，穩(wěn)定性較好，在干旱監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。

山西省地處黃土高原干旱半干旱地區(qū)，經(jīng)向上地處沿海濕潤季風(fēng)氣候向內(nèi)陸荒漠干旱草原氣候的過渡帶，緯向上由溫暖帶過渡到溫帶氣候，境內(nèi)地形復(fù)雜，高差懸殊，因此造成水熱條件的顯著差異[16]。SPI的優(yōu)勢正是在于可以比較不同干濕地區(qū)的干旱變化規(guī)律，以季為評價時間尺度，從氣象干旱角度分析山西省季節(jié)性干旱發(fā)生頻率、強度、干旱范圍的時空變化規(guī)律，為全球氣候變化背景下制定抗旱減災(zāi)作物布局、合理利用水資源提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 站點的選擇

山西省有109個縣地面氣象資料，考慮到資料的完整性及區(qū)域代表性，選取了50個氣象站為研究對象，站點分布見圖1，時間序列為1972—2012年。

1.2 標準化降水指數(shù)的計算

標準化降水指數(shù)是由McKee等[15]1993年提出的一個相對簡單的干旱指數(shù)，其基本特點是：只需要較長時間的降水量(一般應(yīng)超過30年)資料，即可計算不同時間尺度的干旱指數(shù)。其主要是基于自然降水為Γ分布，然后經(jīng)過正態(tài)分布標準化變換而得出。具體計算步驟如下：

假設(shè)某時段降水量為隨機變量x，則其Γ分布的概率密度函數(shù)為：

(1)

式中，β>0，γ>0分別為尺度和形狀參數(shù)，β和γ可用極大似然估算方法求得：

(2)

(3)

(4)

(5)

利用數(shù)值積分可以計算用式(1)代入式(5)后的事件概率近似估計值。

圖1 氣象站點分布

Fig.1WeatherstationdistributioninShanxiProvince

降水量為0時的事件概率由下式估計：

F(x=0)=m/n

(6)

式中，m為降水量為0的樣本數(shù)；n總樣本數(shù)。

對Γ分布概率進行正態(tài)標準化處理，即將式(5)、式(6)求得的概率值代入標準化正態(tài)分布函數(shù)，即：

(7)

對式(7)進行近似求解可得：

(8)

由式(8)求得的值就是標準化降水指數(shù)SPI。

SPI具有多時間尺度(1、3、6、12、24、48個月等)的特征，本文主要分析了3個月時間尺度的SPI，因為3個月時間尺度的SPI可以清楚地反映季節(jié)干旱，與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切。干旱等級劃分參照McKee等干旱等級標準[15]。

1.3 干旱站次比

Pj是用某一區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生站數(shù)多少占全部站數(shù)的比例來評價干旱影響范圍的大小，可用以下公式表示：

Pj=m/M×100%

式中，M為研究區(qū)域內(nèi)總氣象站數(shù)；m為發(fā)生干旱的站數(shù)；下標j指代不同年份的代號。干旱發(fā)生站次比(Pj)表示一定區(qū)域干旱發(fā)生的范圍的大小，也間接反映干旱影響范圍的嚴重程度。干旱的影響范圍定義參考黃晚華等[17]的研究：當Pj≥50%時，為全域性干旱；當50%>Pj≥33%時為區(qū)域性干旱；當33%>Pj≥25%時為部分區(qū)域性干旱；當25%>Pj≥10%時為局域性干旱；當Pj<10%時可認為無明顯干旱發(fā)生。

1.4 干旱強度(Si)

Si用來評價干旱嚴重程度，單站的某時段內(nèi)的干旱強度一般可由SPI值反映，SPI絕對值越大，表示干旱越嚴重。某區(qū)域內(nèi)多年的干旱程度可由下式得到，即

式中，|SPIi|為發(fā)生干旱時的SPI的絕對值。根據(jù)干旱分級可推出，當1>Si≥0.5 時為輕度干旱；當1.5>Si≥1 時為中度干旱；當Si≥1.5 時，干旱強度為重度干旱。

2 結(jié)果與分析

2.1 1972—2012年SPI變化特征

運用氣候傾向率和Mann-Kendall突變檢驗來分析1972—2012年山西省春季和夏季SPI變化特征。從圖2A中可以看出，春季SPI呈增大趨勢，有濕潤傾向，氣候傾向率為0.15·10a-1；運用Mann-Kendall突變檢驗來分析春季SPI的變化特征(圖2a)，結(jié)果顯示，春季在90年代中期以前SPI有增大趨勢，突變點位于1975年左右，2000年左右有下降的突變點，但是曲線(實線)后續(xù)變化未超過信度線，突變信號較弱。夏季SPI呈減少趨勢(圖2B)，有干旱傾向，氣候傾向率為-0.14·10a-1；夏季M-K突變檢驗顯示(圖2b)，夏季曲線未超過信度線，表明夏季SPI下降趨勢未到達顯著水平。相對來說，春季降水量低于夏季，因此，夏季的干旱影響更大。由于SPI指數(shù)是根據(jù)概率密度設(shè)定的干旱等級，即假定了不同地點發(fā)生干旱概率相同：1972—2012年內(nèi)出現(xiàn)輕微干旱的年份有6年(11.8%)，出現(xiàn)中度干旱的年份有4年(6.6%)，出現(xiàn)重度和極端干旱的年份分別為1年(2%)，干旱發(fā)生概率約為23.5%。山西省春季和夏季不同等級干旱的年份見表1，其中僅2003年春季和夏季同時發(fā)生了輕微干旱，即很少出現(xiàn)春、夏同時干旱的現(xiàn)象。

表1 山西省春季和夏季不同等級干旱發(fā)生年份Table 1 The years of different levels for spring and summer drought from 1972 to 2012

2.2 基于SPI的山西省降水量區(qū)域分布特征

由于SPI為-0.5(干旱臨界值)時在不同地區(qū)代表的降水量值是不同的，即有的站點低于300mm降水量即為干旱，而有的站點低于200mm才為干旱。因此，為了直觀體現(xiàn)SPI反映的山西省各地區(qū)干旱量值，取SPI≈-0.5時各地區(qū)降水量值即為該地區(qū)干旱的臨界值(圖3)。

從圖3可以看出，春季山西省降水量區(qū)域分布呈南高北低的狀況，南部地區(qū)干旱臨界降水量為83mm，而北部地區(qū)為36mm。山西省春季平均降水量除五臺山外，均在50～120mm之間，其中北、中部在50～80mm之間，南部在80～120mm之間。運城地區(qū)(圖中深色區(qū)域)春季降水約占全年的20%以上，其它大部地區(qū)約占年降水量的13%～17%。與春季降水分布不同，山西省夏季降水量呈東高西低的狀況，東部地區(qū)干旱臨界值超過300mm，而中部、南部、北部地區(qū)干旱臨界值低于200mm，西部呂梁山區(qū)干旱臨界值接近東部地區(qū)，降水量分布差異顯著。山西省夏季降水量除五臺山外，全省各地在230～400mm之間，約占全年部降水量的50%～60%。由圖可見，降水量自東南向西北逐漸減少，太行山、呂梁山和中條山區(qū)雨量均在300mm以上(多于河谷盆地區(qū))；雁北大多數(shù)地區(qū)、太原、忻州盆地和運城盆地大部降水量均少于250mm，其余地區(qū)在250～300mm之間。由此可以也反映出山西降水的成因，春季降水量與暖濕空氣活動程度有關(guān)，而夏季降水則與地形因素更為密切。

圖2 基于SPI的春季(A/a)和夏季(B/b)山西省干旱變化趨勢Fig.2 Characteristic of drought variations based on SPI in spring (A/a) and summer (B/b) in Shanxi Province

圖3 山西省春季(A)和夏季(B)干旱臨界的降水量空間分布

Fig.3Thespatialdistributionofthresholdprecipitationforspring(A)andsummer(B)droughtinShanxiProvince

2.3 1972—2012年干旱強度變化趨勢

干旱強度反映干旱的嚴重程度。圖4給出了山西省春季和夏季干旱強度的變化趨勢。從圖4A可知，1972—2012年間山西省春季干旱強度呈弱的下降趨勢，氣候傾向率為-0.016·10a-1，山西省春季干旱強度在0.32～1.45之間，其中達到中等以上干旱的有9年(干旱強度大于1.0)，均出現(xiàn)在2002年以前。圖4B顯示，夏季干旱強度呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.055·10a-1，下降幅度較春季明顯，干旱強度在0.35～1.45之間，其中干旱強度達到中等干旱以上的年份均出現(xiàn)在2000年之前，即近年來山西省整體干旱嚴重強度有所下降。

2.4 干旱站次比變化趨勢

干旱站次比可以表示山西省干旱面積的大小。山西省春季干旱發(fā)生的站次比見圖5A。山西省春季站次比波動范圍為0～98%，從圖中可以看出，春季干旱面積呈下降趨勢。其中全省各站未發(fā)生干旱(<10%)的年份為1980、1983、1985、1990、1991年和1998年；發(fā)生全域性干旱(>50%)的年份有10年，分別為1972—1974、1978、1981、1989、1993、1995、2000—2001年，即近40年山西省春季出現(xiàn)了兩次持續(xù)性全域性干旱。從中旱發(fā)生站次比看，歷年在0～88%之間波動，其中1972、1981、1995、2000—2001年發(fā)生了全域性中等干旱，另外，1973—1974年、1996年發(fā)生了區(qū)域性中等干旱(33%～50%)。

夏季站次比波動范圍為0～42%，有增加趨勢。未發(fā)生干旱的年份有1973、1976、1981、1988年和1996年，沒有與春季相同的年份。發(fā)生區(qū)域性干旱的年份有1972、1986、1991、1997、1999年和2001年，其中1992年發(fā)生干旱的站次比達到42%，為近40年來夏季干旱發(fā)生范圍最大的一年。從夏季中等干旱站次比來看，僅1997年發(fā)生了區(qū)域性干旱，干旱站次比達到33%。

綜上，山西省春季干旱面積有所下降，但極端干旱事件時有發(fā)生，夏季干旱面積有上升趨勢，但較少出現(xiàn)全域性或區(qū)域性干旱事件。

圖4 山西省春季(A)和夏季(B)干旱強度變化趨勢(1972—2012)Fig.4 Spring (A) and summer (B) variations drought intensity from 1972-2012 in Shanxi Province

圖5 山西省春季(A)和夏季(B)干旱站次比(1972—2012)

Fig.5Spring(A)andsummer(B)variationsofdroughtstationsproportionfrom1972—2012inShanxiProvince

2.5 山西省干旱發(fā)生的持續(xù)性特征

為了分析山西省干旱發(fā)生的持續(xù)性特征，分析了5年SPI值的變化趨勢。圖6給出了山西省春季5年SPI值的分布圖。從圖6中可以看出，1972—1976年，山西省春季中北部地區(qū)大面積呈現(xiàn)干旱狀態(tài)，南部地區(qū)也稍好；1977—1981年，山西省大部地區(qū)沒有出現(xiàn)顯著的干旱狀況，僅東南和西北局部地區(qū)出現(xiàn)干旱；1982—1991年這10年間，山西省春季的降水量偏多，尤其后5年，山西省大部呈現(xiàn)濕潤狀況；1992—1996年，山西省北部地區(qū)呈現(xiàn)干旱狀況，中南部地區(qū)降水量處于正常范圍；1997—2001年山西省干旱分布不均，主要出現(xiàn)在中南部部分地區(qū)；近11年(2002—2012)山西省春季降水量較為正常，沒有出現(xiàn)持續(xù)性大面積干旱狀況，近年來部分地區(qū)降水量還有所偏多。

圖7給出了山西省夏季5年SPI值分布圖，圖中直觀體現(xiàn)了山西省夏季出現(xiàn)持續(xù)性干旱或濕潤的狀態(tài)。從圖中可以看出，1972—1976年，山西省大部干濕處于正常狀態(tài)，僅東南部局部、東北部局部呈濕潤狀態(tài)；1977—1981年山西省中北部地區(qū)降水量偏多，呈濕潤狀態(tài)，其它大部降水量呈正常狀態(tài)，1982—1991年，山西省大部地區(qū)沒有出現(xiàn)降水量的虧缺，呈正常狀況；1992—1996年，山西省中西部地區(qū)和北部局部地區(qū)呈濕潤狀態(tài)，其余大部呈正常狀態(tài)；1997—2001年山西省中北部部分地區(qū)干旱狀況明顯，且分布區(qū)域廣大；2002—2012年近11年來，山西省大部分地區(qū)沒有出現(xiàn)持續(xù)性的干旱或濕潤，僅有局部地區(qū)降水量偏少。綜上，山西省春季在70年代前中期出現(xiàn)了持續(xù)的干旱，在80年末出現(xiàn)了持續(xù)性降雨偏多現(xiàn)象；而夏季的1997—2001出現(xiàn)了持續(xù)性的干旱，其余時間段旱情較弱。

2.6 對玉米產(chǎn)量的影響

山西省玉米種植區(qū)域廣泛，是最主要的農(nóng)作物，氣候變化對玉米產(chǎn)量的影響也可以反映對其它農(nóng)作物的影響效果。為了更直觀描述氣候變化對玉米產(chǎn)量的影響，引入氣候產(chǎn)量進行分析，氣候產(chǎn)量是利用實際產(chǎn)量數(shù)據(jù)擬合出以時間為變量的趨勢產(chǎn)量，實際產(chǎn)量與趨勢產(chǎn)量的差值即為氣候產(chǎn)量，本研究中，玉米的趨勢產(chǎn)量是通過玉米單產(chǎn)5年滑動平均計算得出的。表2給出了降水量、SPI值與玉米單產(chǎn)、玉米氣候產(chǎn)量之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，SPI值與玉米產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)要高于降水量，因此，SPI值能更好地表示氣候干濕狀態(tài)。由表2可以看出，對作物產(chǎn)量有顯著影響的是夏季干旱而非春季干旱。夏季SPI、干旱強度和中旱強度對玉米單產(chǎn)有顯著影響，即夏季干旱強度的增加會減少玉米產(chǎn)量。所有指標均對玉米氣候產(chǎn)量都有顯著影響，SPI、降水量、干旱強度和中旱強度對玉米氣候產(chǎn)量的影響都達到0.01水平上的顯著性，其中中旱及以上強度的干旱對玉米氣候產(chǎn)量的影響最為明顯。

圖6 山西省春季5年干濕狀況分布

Fig.6Distributionofdry-wetconditionsatfive-yearintervalinspringinShanxiProvince

圖7 山西省夏季5年干濕狀況分布Fig.7 Distribution of dry-wet conditions at five-year interval in summer in Shanxi Province表2 降水量、SPI與玉米單產(chǎn)和氣候產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Table 2 Relationship between SPI, precipitationand maize yield, climate yield

注：* 表示在0.05水平上顯著；**表示在0.01水平上顯著。

Note：*significantat0.05levels；**significantat0.01levels.

3 結(jié)論與討論

標準化降水指數(shù)可以較好地反映山西省不同地區(qū)在不同時間階段內(nèi)的干濕狀況，本文以3個月為時間尺度，從山西省整體干旱趨勢、干旱面積變化趨勢、干旱強度變化趨勢、干旱持續(xù)時間特征和干旱空間變化等方面，深入研究了山西省近40年來春夏干旱特征，并結(jié)合玉米產(chǎn)量，揭示了SPI指數(shù)表征干旱特征的優(yōu)勢。

近40年來山西省春季有濕潤傾向，氣候傾向率為0.15·10a-1，干旱強度呈下降趨勢；從空間區(qū)域干旱面積變化看，山西省春季干旱面積也有所下降，1982年以前約為42%，而近10年為26%，表明山西省春季干旱狀態(tài)有緩解趨向，但山西省春季降水量整體偏少，區(qū)域性甚至全域性干旱事件頻發(fā)，部分地區(qū)出現(xiàn)了4次持續(xù)性干旱事件，因此，春季的干旱并未得到有效緩解。由于降水的輕微減少和溫度的明顯升高，華北、西北、西南等多地也曾出現(xiàn)較為嚴重的春旱[9]。

近40年來山西省夏季表現(xiàn)為干旱傾向，氣候傾向率為-0.14·10a-1，但干旱強度有所下降，特別是近10年，幾乎沒有發(fā)生中等及以上干旱事件；夏季干旱面積有所上升，70年代約為11%，而近10年上升到14%，但較少出現(xiàn)區(qū)域性或持續(xù)性干旱事件。由于山西省夏季降水量遠超春季，因此，夏季干旱影響更大。我國不同地區(qū)夏季干旱趨勢差異顯著，華中、華南地區(qū)都有濕潤傾向，存在2～3a和5～6a的震蕩周期[18-19]。由于地形作用和大氣環(huán)流特征，春季南部地區(qū)較為濕潤，而夏季東部地區(qū)更加濕潤。

基于玉米產(chǎn)量和SPI指數(shù)的研究表明，對其產(chǎn)量有顯著影響的是夏季干旱而非春季干旱，夏季干旱特別是中等以上強度的干旱對玉米產(chǎn)量影響更加顯著，因此，未來的研究應(yīng)重點關(guān)注夏季降水的變化。在研究干旱和干旱指標的過程中，與作物生產(chǎn)更加密切的指標可能更有指導(dǎo)意義，SPI值與玉米產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)要高于降水量，表明基于標準化降水指標的干旱分析在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面更具指導(dǎo)意義。

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