基于SPI指數對天柱縣近52年的旱澇特征分析

田孟勤 張杰 羅陽 沈揚迪 吳有恒

摘要：基于1961年～2012年天柱縣的逐月降水資料，根據標準化降水指數SPI分析了天柱縣近52年來的旱澇變化狀況。研究結果表明：天柱縣近52年干濕變化的主要特點從特旱到特澇再到特旱，這種極端的旱澇轉換共經歷了4次，基本上每年內都有不同程度的季節性干旱和濕潤，年均干旱月數為3.5個月，年均濕潤月數為4.0個月;干旱期主要集中在20世紀60年代前期（1961年～1963年），20世紀80年代，20世紀90年代后期（1995年～1999年）以及21世紀初，濕潤期主要集中在20世紀60年代中期（1964年～1967年），20世紀70年代和20世紀90年代前期（1991年～1994年）;干濕變化具有階段性特征，20世紀60～70年代相對較為濕潤，20世紀80年代全縣向干旱方向發展，20世紀90年代全縣持續濕潤，進入到21世紀后，全縣由極端濕潤向極端干旱發展。政府部門根據旱澇特征，結合當地情況，因地制宜、旱澇兼治、興修水利，以降低旱澇災害對農業生產和人民生活帶來的不利影響。

關鍵詞：標準化降水指數;旱澇;天柱縣

中圖分類號： P462 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.14.073

干旱作為常見的氣象災害之一，具有持續時間長，影響范圍廣等特點，而干旱的成因極其復雜，所以學術界還未能對干旱進行全面精確的定義。目前，世界氣象組織承認的幾種干旱類型中就包括氣象干旱，而氣象干旱也是我國當前面臨的主要氣象災害。2013年政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，以下簡稱IPCC）發布了第五次氣候變化評估報告（the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱AR5）[1]，IPCC在報告中指出：過去1400年來全球氣候變暖，氣溫將不斷升高，干旱風險持續增加。旱澇指標可以反映一個地區的降水情況，因此，可用來分析區域氣候的干濕變化以及水資源的變化趨勢。目前，被廣泛使用的干旱指標有很多，比如帕默爾指數，降水距平百分率，Z指數和SPI指數。侯英雨[2]在對干旱指數進行研究后發現：帕默爾指數考慮因子全面，但時間相對滯后，計算復雜。袁文平[3]等比較了Z指數和標準化降水指數（Standardized Precipitation Index，以下簡稱SPI）后認為，SPI指數能夠較好地反映和預測旱澇災害。徐德智[4]應用SPI指數對黔東南州干旱特征進行分析，發現其能有效地反映黔東南州各時段的旱澇情況。

天柱縣位于黔東南州東部，年均降水量1220mm左右，多年平均氣溫16℃左右，為亞熱帶季風氣候，其境內多低山丘陵，山高坡陡，并受水土流失的影響，全縣森林覆蓋率不高。近年來，隨著全球氣候持續變暖，氣溫不斷增加，天柱縣大范圍干旱、旱澇急轉等事件日益加劇。因此，運用SPI指數對天柱縣近52年來的旱澇特征進行分析，研究旱澇特征的變化規律，不僅能夠為防災減災提供理論依據，更可以為政府提前應對全球氣候變化服務。

1 資料和方法

本研究采用了黔東南州天柱縣1961年～2012年的氣象觀測資料，主要選取月累計降水資料，對所缺數據進行了氣象標準化處理。

標準化降水指數SPI[5]由McKEE等在1993年提出，多運用于研究某個地區在有降水記錄的背景下，特定時間尺度上的降雨異常事件。其原理為采用伽馬函數對降水時間序列進行擬合，然后，經過標準化處理求得SPI。該指標適合于月以上尺度資料，考慮到降水為造成農業干旱的主要影響因素，本文著重分析SPI指數的時間尺度確定為3個月，具體原理及計算方法如下：

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式中：x為累計降水量，■為伽馬函數;α為形狀函數，α>0;β為尺度參數，β>0;x為降水量，x>0。

對α，β采用最大概似估計（Maximum Likelihood）進行計算：

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式中：n為計算系列的長度。于是，給定時間尺度的累計概率為：

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令t=x/β，上面公式則轉換為不完全的歐拉第二積分：

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由于伽馬方程不包含x=0的情況，而在日常觀測中，降水量是可以為0的，所以累計概率可表示為：

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式中，q為降水為0的概率。如果m表示時間系列中降水為0的數量，則q=m/n。累計概率H（x）可以采用下列公式變化為標準正太分布函數：

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C0=2.515517，C1=0.802853，C2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

SPI的計算過程運用fortran軟件編程實現，SPI劃分標準[6]見表1。

表1 ?SPI干旱等級劃分

2 結果與分析

2.1 各年度干濕特征分析

利用1961年～2012年3個月時間尺度的SPI指數，對天柱縣的干濕特征進行分析，圖1為1961年～2012年天柱縣的逐月SPI時間序列變化曲線，對圖1進行分析可以得出：天柱縣近52年來旱澇特征的轉換較大，主要特點從特旱到特澇再到特旱，這種極端的旱澇轉換一共經歷了4次，分別為1962年～1965年、1972年～1975年、1988年～1992年和2007年～2011年。這種極端的旱澇急轉，由于變化快，急轉過程中前期的干旱容易使人產生錯覺，放松防災減災的警惕思想，再加上天柱縣境內多低山丘陵、山高坡陡、水土流失嚴重、森林覆蓋率低，若集中強降水發生后，容易造成山洪、滑坡、泥石流，對人的生命和生產建設安全構成重大的威脅。

天柱縣的干旱期主要集中在20世紀60年代前期（1961年～1963年），20世紀80年代，20世紀90年代后期（1995年～1999年）以及21世紀初，嚴重的干旱對天柱縣農業、工業、社會生產和居民生活造成了嚴重的影響，其他年代也偶爾有干旱年份出現，例如，70年代的1974年冬旱、1978年的春夏連旱，20世紀90年代的1992年的秋旱和1994年的冬旱。持續干旱時間較重的時段有：1963年3月～8月，1985年6月～9月，1988年4～8月，2007年9月～12月和2009年10月～2012年3月。

天柱縣的濕潤期主要集中在20世紀60年代中期（1964年～1967年），20世紀70年代和20世紀90年代前期（1991年～1994年）。持續濕潤較重的時間段有：1964年1～5月，1972年10月～1973年1月，1982年9月～1983年2月以及1991年1月～3月。

2.2 干濕月數及頻率變化特征

圖2是1961～2012年不同等級干旱時間變化序列圖，圖3為1961年～2012年不同等級濕潤時間變化序列圖。對圖2進行分析，可以得知：天柱縣52a來的年均干旱月數為3.5個月/年，其中，輕旱月占比最重，為1.4個月/年，中旱月占比最輕，為0.3個月/年，而重旱月為1.2個月/年，特旱月數為0.6個月/年。對圖3進行分析，可以得知：天柱縣52年來的年均濕潤月數為4.0個月/年，其中，輕濕占比最多，為2.3個月/年，中濕占比最少，為0.2個月/年，而重濕為1.0個月/年，特濕0.5個月/年。

根據定義將SPI<-0.5記為干旱，而將SPI>0.5記為濕潤，為了進一步對干濕發生頻率進行分析，對天柱縣逐月干濕發生次數分別進行統計，結果見表2。由表2得知，天柱縣干濕月的發生頻率比較接近，干旱頻率在25%（13/52）～33%（17/52）之間，濕潤頻率在28%（15/52）～36%（19/52）之間。52年間，2月、5月、9月、10月和12月的干旱濕潤發生頻率之間相差超過3個月，其他各月干旱濕潤發生頻率基本相同，但是各年代際間的月、季干旱濕潤發生頻率區別較大。52年來各年代干濕發生的頻率比分別為27%/32%（20世紀60年代），23%/37%（20世紀70年代），34%/32%（20世紀80年代），26%/40%（20世紀90年代），36%/29%（2001年～2012年）。說明2001年～2012年天柱縣干旱比較嚴重，1980年代干旱比較輕，而其他年代相對濕潤。

3 結論與討論

本文采用天柱縣1962年～2012年逐月降水資料，將標準化降水指數（SPI）作為旱澇指標對天柱縣52年來旱澇特征進行分析，結論為：天柱縣近52年干濕變化的主要特點從特旱到特澇再到特旱，這種極端的旱澇轉換一共經歷了4次，基本上每年內都有不同程度的季節性干旱和濕潤，年均干旱月數為3.5個月，年均濕潤月數為4.0個月;干旱期主要集中在20世紀60年代前期（1961年～1963年），20世紀80年代，20世紀90年代后期（1995年～1999年）以及21世紀初，濕潤期主要集中在20世紀60年代中期（1964年～1967年），20世紀70年代和20世紀90年代前期（1991年～1994年）;干濕變化具有階段性特征，20世紀60年代、70年代相對較為濕潤，20世紀80年代全縣向干旱方向發展，20世紀90年代全縣持續濕潤，進入到21世紀后，全縣由極端濕潤向極端干旱發展。因此，政府部門根據分析的旱澇特征，結合當地情況，因地制宜、旱澇兼治、興修水利以減輕旱澇災害對農業生產和人們生活帶來的不利影響。

參考文獻

[1]ALEXANDER L， ALLEN S， Bindoff NL， et al.Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report Climate Change 2013： The Physical Science Basis Summary for Policymakers，2013，Sweden.

[2]侯英雨，何延波，柳欽火，等.干旱監測指數研究[J].生態學雜志，2007，26（06）：892-897.

[3]袁文平，周廣勝.標準化降水指數與Z指數在我國應用的對比分析[J].植物生態學報，2004，28（04）：523-529.

[4]徐德智，張杰，楊帆，羅嵐心.基于SPI的黔東南州近52 年的干旱特征分析[J].貴州氣象，2015，39（01）：9-13.

[5]Edwards D C，McKee T B.Characteristics of 20th Century Drought in the United States at Multiple Time Scales[R].Fort Colling： Department of Atmospheric Science Colorado State University，1997.

[6]國家氣候中心，中國氣象科學研究院，國家氣象中心，等.GB/T 20481-2006氣象干旱等級[S].北京：中國標準出版社，2006.

作者簡介：田孟勤，本科學歷，助理工程師，研究方向：應用氣象研究。