基于華北地區氣象指數SPI干旱時空分析

王江濤

(中煤航測遙感集團有限公司, 西安 710100)

干旱監測在工農業生產和國民經濟發展中具有十分重要的現實作用，對干旱的發生發展進行動態監測，及時掌握其危害程度，便于各級政府和領導及時了解旱情程度和分布，從而采取積極有效的防、抗旱措施，科學指揮農業生產，對防御、減輕干旱災害具有重要的現實意義，近年來，加強干旱監測和風險評估成為學術界關注的熱點之一[1-2]。

旱情監測的傳統方法是采用地面點的觀測記錄數據進行統計分析，如氣象站點的時間序列降水資料或有關土壤水分的稱重法和中子儀探測法[3]等，而測站點的分布并不能完全遍布所有區域，數據不能完全或不能及時獲取，使得大范圍的旱情監測和評估缺乏代表性和時效性，難以認識到干旱發生的空間范圍分布，這對我們提出防災減災措施造成了一定的困難。

標準化降水指數(SPI)由Mckee等在評估美國科羅拉多干旱狀況時提出的，它是表征某時段降雨量出現概率多少的指標之一[4]。許多研究表明[5-7]，SPI指數相對簡單、有較強的空間一致性和時相靈活性，考慮了不同尺度的水分盈虧，因而SPI指數比其他氣象指數有更大的優勢。SPI具有多時間尺度[6](1,3,6,12,24個月等)的特征，如12個月時間尺度的SPI(即SPI12)比較清楚地反映干旱的階段性變化，而SPI3可以反映季節性干旱[8]。與農業干旱關系密切，可以滿足不同地區、不同應用的需求，為我國的水資源評估和不同時間尺度的干旱監測服務，因而得到了廣泛應用[9-12]。國家氣候中心也已經將SPI指數運用到干旱監測的業務中，充分說明它的適用性。

本文針對華北地區近年來發生的嚴重干旱，在介紹SPI的計算原理與等級劃分基礎上，利用1998—2017年的降水資料，分別計算多尺度SPI值。采用從SPI的年、月時序變化和空間尺度的季節性干旱演變分析華北地區這20 a的干旱時空變化特征，為干旱動態監測業務化運行提供數據和技術支撐，其理論意義明確。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本研究的華北地區位于96°—126°E，30°—53°N的地帶，包括內蒙古、河北、山西、山東、河南5省及京津2市(圖1)。華北地區包括4個自然地理單元：東部的遼東山東低山丘陵，中部的黃淮海平原和遼河下游平原，西部的黃土高原和北部的冀北山地。華北地區氣候類型屬暖溫帶半潤濕半干旱季風，大部分地區四季分明，寒暑相差懸殊，雨量集中，干濕期明顯，通常冬季寒冷干旱，雨雪稀少；春季冷暖多變，干旱多風；夏季炎熱潮濕，雨量集中；秋季風和日麗，涼爽少雨。年平均氣溫為5～20℃，年降水約400～800 mm，季節分配不均，年際變化大，旱災發生頻繁。

圖1 研究區域

1.2 研究數據

本研究的氣象數據采用中國地面氣候資料日值、月值降水數據集(1998—2017年)，來源于中國氣象數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/)。檢索下載的數據為華北地區的京津兩市、山西、河北、山東、河南、內蒙古及周邊城市共148個氣象站點，在ArcGIS環境下將氣象站點與華北地區省級行政區劃圖疊加，得到華北地區內部的氣象站點共121個，及各省的氣象臺站詳細分布情況(圖2)。

1.3 SPI的計算原理與等級劃分

由于降水量分布一般不是正態分布[6]，而是一種偏態分布，所以在進行降水分析中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化。標準化降水指數SPI[6]就是將實測的降水量首先擬合成Γ概率分布，然后用高斯函數將其轉換為標準正態分布，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。

圖2 華北地區氣象站點分布

假設某一時段的降水量為x，則其Γ分布的概率密度函數[6]為：

式中：α>0，β>0分別為尺度和形狀參數，可用極大似然估計方法求得。

對于某一年的降水量x，小于x事件的概率為：

由于gamma方程不包括x=0情況，而實際降水量可以為0，因此累計概率為：

P(x)=q+(1-q)G(x)

降水量為0時的事件概率q由m/n估計，m為降水量為0的樣本數；n為總樣本數。

累計概率P(x)通過下式轉換為標準正態分布函數：

c0=2.515517，c1=0.8028，c2=0.010328，

d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

本文利用氣象站月降水數據計算了1998—2017年SPI1，SPI2，SPI3，SPI6，SPI12時間尺度的SPI值，SPIi表示第i月和向前i-1個月降水量之和計算的SPI值(i=1，2，3，6，12)，分析華北地區1998—2017年干旱時空分布特征，按照國家氣候中心的劃分標準劃分干旱等級(表1)。

表1 標準化降水指數干旱分級

注：表中數據來源于國家氣候中心《氣象干旱等級》(GB/T20481—2006)。

2 結果與分析

2.1 氣象干旱時間分析

2.1.1 時間序列年變化特征分析 分別對華北地區121個站點同一年12個月尺度的SPI(即SPI12)取平均值，提取1998—2017年SPI變化曲線(圖3)，可以看到2000年以后SPI負值的出現頻率較高，除2003年和2008年SPI為正值外其他年份都為負值，均有一定程度的降水虧缺。其中干旱較為嚴重的年份為2000年、2001年、2002年、2006年、2015年、2016年、2017年。近幾年來，干旱情況呈遞增趨勢。

圖3 華北地區年SPI變化曲線

從各省市干旱程度變化曲線圖(圖4)來看，從1998—2017年華北地區各省表現出相似的變化趨勢。在2000年、2001年、2002年、2006年、2015年、2016年、2017年大多省份均發生不同程度的干旱，甚至出現了2000年、2001年、2002年、2015年、2016年、2017年連續干旱的情況，總體以河北、內蒙古、山西、河南干旱較為嚴重。而在2003年大多省份(除北京)年SPI值較高，均未發生干旱。

2.1.2 月平均值時間序列特征分析 對華北地區121個站點同1年內的1個月尺度SPI(SPI1)取平均值得到華北地區1998—2017年月SPI值變化曲線圖(圖5)。從圖5中可以看出干旱較為嚴重(SPI<-1.0)的年份為2001年、2002年、2006年、2015年、2016年及2017年。由于時間尺度較短，干旱變化受短時間降水影響較大，SPI值頻繁地上下波動，并且呈現周期性(以1 a為周期)特點，大多每年的1月份出現峰值，6—8月份達到谷值。

圖4 華北地區各省年SPI變化曲線

圖5 華北地區1998-2017年月尺度SPI變化過程

對1998—2017年SPI值按月統計均值，得到了華北地區月平均SPI變化直方圖(圖6)，從圖中可以看出月平均SPI值變化趨勢為先下降后上升然后再下降再上升的過程。干旱的發生有著明顯的季節性變化，表現在植被生長的不同階段，冬季的12月、1月、2月SPI值較高，11月干旱嚴重；春季3月份出現谷值；在夏季7月、8月份SPI月均值達到最低，干旱最為嚴重。

2.1.3 季節多年平均變化特征分析 圖7為對華北地區1998—2017年121個站點3個月尺度SPI(SPI3)均值變化曲線圖。SPI3變化可較好地反映季節的干旱，1998—2017年發生春、夏旱較高。發生春旱的年份有2000年、2001年、2002年、2005年、2006年、2009年、2015年、2017年，其中2001年、2015年及2017年春旱最嚴重，SPI值達到-1.33；發生夏旱的年份有1998年、2000年、2001年、2006年、2009年、2015年、2016年、2017年；發生秋旱的年份有2002年、2006年，其中2002年秋旱最嚴重，SPI值為-1.15。而2003年為濕潤年、12個月SPI值均為正值，最大SPI值達到1.13，1999年、2004年、2007年、2008年、2010年、2012年、2013年、2014年為正常年。

圖6 華北地區1998-2017年月平均SPI變化

圖7 華北地區1998-2017年3個月尺度平均SPI變化曲線

2.2 氣象干旱空間分析

2.2.1 華北各省干旱變化分析 為分析方便，采用12個月尺度的SPI均值繪制華北地區內蒙古、河北(包括北京、天津在內)、山西、河南、山東5省1998—2017年SPI12變化曲線圖(圖8)。華北各省份在1998—2017年都發生過不同程度的干旱。主要表現為：內蒙古地區從1998—2017年干旱發生頻繁，除了2003年其他年份都出現了不同程度的干旱，甚至發生2000年、2001年、2002年和2006年、2007年、2008年及2015年、2016年、2017年3年連續干旱的情況，干旱最嚴重的發生在2001年的夏季6—8月份及2017年的3—5月，SPI值達到-1.17與-1.21。河北地區出現干旱(SPI<-0.5)的年份有2000年、2001年、2002年、2003年、2006年、2007年、2013年、2015年、2016年及2017年，干旱主要發生在春、夏季節，最嚴重干旱發生在2000年春季與2017年春季，SPI達到-1.56。山西干旱相比河北稍輕，主要發生在1998年、2000年、2001年、2002年、2005年、2006年、2009年、2010年、2015年、2016年及2017年，主要干旱發生在春季。河南干旱主要發生在1998年夏季、2000年的春季、2001年秋冬、2002年春季、2003年秋季、2008年秋季、2015年秋季及2017年春季時段。山東發生干旱的年份主要有2000年、2002年、2003年、2007年、2008年、2014年、2015年、2016年及2017年，發生嚴重干旱時段為2002年夏季到2003年初春，月SPI12值最低位-1.52，達到重旱程度。

圖8 華北地區各省1998-2017年12個月尺度平均SPI變化曲線

圖9為華北地區各省月尺度平均SPI變化曲線圖，可見，干旱主要發生月份為3月、7月、8月。河南、山東干旱主要發生在3月份，內蒙古、河北、山西干旱主要發生在7月、8月份，在冬季的12月、1月、2月華北各省都沒有明顯旱情發生。

圖9 華北各省月尺度平均SPI變化曲線

2.2.2 華北各省干旱空間分布 考慮到華北地區農作物生長發育和農事活動的季節性特征，采用SPI3對華北地區1998—2017年干旱空間特征進行分析。

對華北地區121個氣象站點1998—2017年SPI均值采用克里格內插按照0.05°×0.05°進行空間插值，然后將其轉化為柵格數據，得到華北地區季節(3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—2月為冬季)干旱分布圖(附圖4)。從干旱的空間分布來看，華北地區的干旱主要發生在春、夏、秋3個季節，但受地理位置、地形、植被等多方面因素的影響，各區域之間發生干旱的情況存在著較明顯的季節差異。春旱主要發生在山西、河南、山東西部及內蒙古中東部一帶，其中河南、山西兩省發生春旱較為嚴重，干旱面積最大。華北地區夏季發生干旱的面積最廣，但各區域之間存在著較明顯的差異，其中內蒙古、河北、山西夏季干旱嚴重。發生秋旱較重的主要區域為內蒙古，河北、河南、山東也出現了輕微干旱現象。相比春、夏、秋3個季節，華北地區冬季干旱很少，幾乎沒有干旱現象。

3 結 論

(1) 華北地區1998—2017年干旱發生頻繁，在年與年之間發生干旱的程度和范圍有所不同，干旱較嚴重的發生在1998年、2000年、2001年、2009年、2015年、2016年及2017年。

(2) 在時間尺度上，華北地區干旱主要發生在春、夏、秋3個季節：河南、山東干旱主要發生在3月份，內蒙古、河北、山西干旱主要發生在7月、8月份，在冬季的12月、1月、2月華北各省都沒有明顯旱情發生。整體看來，整個華北地區春、夏旱發生頻率較高：在2—5月份旱情較輕，6—8月份旱情加重，9—10月份旱情有所緩解。

(3) 在空間尺度上，由于受地理位置、植被等多方面因素的影響，各區域發生干旱情況存在著較明顯的差異：河南、山西、山東部分地區春旱較為嚴重，內蒙古西部地區旱情比較輕，其中春旱主要發生在山西、河南、山東西部及內蒙古中東部一帶，內蒙古、河北、山西夏季干旱嚴重，內蒙古，河北、河南、山東的秋旱較重。