基于SPEI指數的甘肅河東地區近56年干旱時空變化分析

張建華 王志豪 王玉貴

[摘要]干旱在中國發生較為頻繁，對農業以及社會經濟的發展影響較大。以甘肅省河東地區作為研究區，基于1960～2015年20個氣象站點的氣溫與降水數據，利用標準化降水蒸散指數（SPEI），分析河東地區四季和年際的干旱時空分布變化特征，以及極端干旱和中度干旱的發生頻次。結果表明，①隨著時間尺度的不斷增加，標準化降水蒸散指數的持續性在加強。②20世紀90年代以前，河東地區的SPEI數值處于波動狀態，但總體偏向于濕潤，從90年代后期，開始呈干旱化態勢，雖出現干濕適中的年份，但為數不多。③20世紀60～80年代，春季和冬季SPEI指數波動比較頻繁，變化趨勢不顯著。春季80年代中期至90年代初、秋季60年初代至70年代末、冬季80年代末至90年代中期是河東地區的相對濕潤期，從春、夏季80年代中期，秋季70年代末期、冬季90年代末期至20世紀整體呈現干旱化特征。④空間年際變化南部和北部干旱趨勢顯著，西北部較弱；季節變化春季和夏季的干旱化趨勢顯著，秋季和冬季干旱趨勢較弱。

[關鍵詞]時空分析；標準化降水蒸散指數；甘肅?。缓訓|地區

[中圖分類號]P467 [文獻標識碼]A

近年來我國自然災害頻繁發生，對工農業生產乃至整個社會經濟發展都產生了重要的影響。據統計，我國70%的自然災害為氣象災害，而干旱災害就占據了其中的二分之一。旱災對農業的影響最為顯著，我國每年因旱災造成的糧食損失量高達300億kg，占所有自然災害損失總量的五分之三。我國在 20 世紀 50 年代的旱災面積為每年1000多萬hm2，成災面積為 330 多萬hm2，最近幾十年增加到旱災面積為每年 3000多萬hm2，成災面積為每年1200多萬hm2。旱災不但會造成各種農產品的大幅度減產，影響糧食安全，而且也會嚴重威脅到生物的生存環境以及社會經濟的發展，造成巨大的生態經濟損失，其已經成為當前氣象界探討的熱點。

本研究利用標準化降水蒸散指數（SPEI）來研究河東地區干旱的時空變化規律，從而能更加有效的服務于本區域農業發展和生態環境建設，對河東地區干旱預警、糧食安全、生態環境建設以及社會經濟的發展具有重要的現實意義。

1 研究區概況

河東地區行政上包括白銀、蘭州、定西、天水、臨夏、平涼、慶陽、隴南、甘南9個州市，面積為。地處青藏高原的東北邊緣與黃土高原的最西端，西起拉脊山、西傾山，東臨屈吳山、六盤山、子午嶺、秦嶺，北靠烏鞘嶺，南依迭山、岷山，涵蓋隴南山區、甘南高原、隴中高原和隴東高原。該地區自北向南分別位于干旱、半干旱和半濕潤區，年降水量240～750mm，西部和北部水資源匱乏。人們習慣將河東地區稱為旱作區或雨養農業區，它是一個依靠自然降水來維持農業生產的區域，降水的時空分布對農作物的生長起著決定性的作用。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文運用來源于中國氣象數據共享網（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do）以及甘肅省氣象局提供的甘肅省河東地區1960～201520個氣象站點的降水、氣溫以及各站點的經緯度作為計算標準化降水蒸散指數的基礎資料。

2.2 研究方法

Standardized Precipitation Evaporatranspiration（SPEI）是在標準化降水指數SPI的基礎上發展來的。標準化降水指數是McKee等在評估美國科羅拉多州干旱狀況時提出的。對于某一地區而言，確定時間段內的降水量一般呈規律性的波動變化。基于這個事實，認為某一地區確定時間段內的降水量若比該時間段內多年平均降水量（可以認為是正常降水量）偏少到一定程度，就認為該地區該時段發生了干旱；反之，發生洪澇。2010年，Vicente-Serrano提出了標準化降水蒸散指數，該指數基于降水和蒸散，既保留了PDSI考慮蒸散對溫度敏感的特點，又具有SPI計算簡單、適合多尺度、多空間比較的優點（表1）。

由圖2可見，1960～2015年，整個河東地區干旱最嚴重的3個年份為1996、2008以及2014年，最濕潤的三個年份為1963、1966以及1977年。從SPEI數值上可以看出，最濕潤的年份偏離正常年份的程度要大于最干旱的年份。20世紀60年代至90年代中期，河東地區的SPEI數值處于波動狀態，但總體趨勢偏向于濕潤，從90年代后期開始，開始呈干旱化態勢，雖出現干濕適中的年份，但為數不多。由趨勢線可以得知，預計其未來干旱趨勢會進一步增強。

3.2 河東地區干旱的空間分布特征

依據甘肅河東地區近56年的氣溫、降水以及各氣象站點的經度和維度，計算出每個站點近56年來SPEI值對應的斜率，運用ARCGIS軟件進行空間插值（反距離加權重法）分析，進而得出河東地區近56年來各個站點年際和四季干旱的空間變化趨勢。由河東地區各季節的SPEI值斜率空進行空間插值可以看出，從1960-2015年，甘肅河東地區四季呈現不同程度的干旱化趨勢?？傮w而言，春季和夏季的干旱化趨勢顯著，各地區干旱趨勢也比較均勻，秋季和冬季干旱趨勢不太明顯，不過各地區干旱趨勢分布不均勻，有極端干旱區以及相對濕潤區。

3.2.1 春季河東地區西北部分的郎木寺、皋蘭、武都以及松山SPEI斜率大于零，說明其有濕潤化的趨勢，其余部分SPEI斜率均小于零，說明其呈現干旱化趨勢。其中瑪曲、靖遠以及西峰區相比其他地區而言干旱化趨勢顯著（圖3a）。

3.2.2 夏季同樣除西北部分的藍色顯示區皋蘭、武都以及松山有微弱的濕潤化趨勢外，其他部分都呈現干旱化態勢。其中以瑪曲、郎木寺、合作、臨洮、岷縣以華家嶺以及天水一線干旱化趨勢最為明顯，蘭州、榆中、靖遠、會寧、平涼以及西峰區次之，臨夏干旱化趨勢最不明顯（圖3b）。

3.2.3 河東地區秋季以蘭州、皋蘭、會寧、靖遠以及郎木寺這一線干旱化趨勢最為嚴重，岷縣、武都、天水平涼以及西峰區次之，瑪曲、合作、臨夏、榆中以及華家嶺這一帶最變化最不明顯（圖3c）。

3.2.4 河東地區冬季的松山、景泰、臨洮、會寧以及合作呈現濕潤化趨勢，皋蘭干旱化趨勢最為顯著，臨夏、靖遠、岷縣、武都以及天水次之，華家嶺、平涼以及西峰區干旱趨勢比較平緩（圖3d）。

4 結果

基于1960～2015年甘肅河東地區20個站點的實測氣象數據，利用SPEI指數分析了河東地區不同時間和空間尺度干旱發生的規律，以此來揭示河東地區干旱發生的時空變化特征。主要結論如下：

近56年來河東地區干旱化趨勢在時間上的分布非常明顯。從年際總體變化趨勢來看，1960年至2015年，河東地區整體呈干旱化態勢。細化來看，20世紀60年代至90年代中期，河東地區的SPEI數值處于波動狀態，但總體趨勢偏向于濕潤，從90年代后期開始，開始呈干旱化態勢，雖出現干濕適中的年份，但為數不多。

近56年來河東地區各站點持續干旱月份增加，持續干旱累計時間增長。在年際以及春、夏、秋、冬四季季節尺度上的干旱發生強度不盡相同，但總體都是趨向于干旱的。其中夏季和冬季較為嚴重，秋季次之，春季較弱。在年際變化方面，全區以20世紀90年代中后期以及21世紀初干旱發生最為頻繁。

從空間變化來看，1960～2015年，河東地區年際變化方面中部以及東部干旱趨勢明顯，其他部分趨勢較弱，季節變化方面春季和夏季干旱化趨勢顯著，秋季和冬季較弱。

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