基于SPI的遼陽春夏干旱特征及周期研究

趙琳琳

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

干旱是由于持續降雨量小或持續無降雨，造成降水少且低于正常水平，水資源量不足以滿足人類生存、生產等需求，作物生長缺水減產或致死、生活用水受限、影響工業生產、甚至可能帶來社會安全問題，從而發生旱災[1- 3]。旱災作為全球廣泛分布、發生頻率高、從古至今人類均面臨的自然災害之一，已然成為全球重點關注問題。通過對干旱、旱災、抗旱的認識及方略的反思，干旱與人類活動是彼此間互動反饋[4- 6]，對干旱、旱災應該從被動轉為主動，認識、分析、預防干旱，從而有效開展抗旱減災活動，減少人民群眾傷亡及經濟損失、保障社會安定等。因此，研究干旱情勢動態，分析干旱發生規律及時空特征具有重要意義。為了更有效地評估干旱現象，世界氣象組織建議采用標準化降水指數SPI[7- 8]，能夠較好地反映干旱強度和持續時間，使得用同一干旱指標反映不同時間尺度和區域的干旱狀況成為可能。

遼陽市地處下遼河平原地帶，大陸性季風氣候，降水時空分布不均。近年來受降水較少、全球氣溫升高的影響，水資源短缺，水環境問題加劇，農業需水不足，干旱問題日益突出。本文采用標準化降水指數表征遼陽地區干旱情況，并采用小波分析識別標準化降水指數序列的年際震蕩特征，分析干旱情勢發生規律。

1 材料與方法

選用遼陽地區1951—2015年14站月降水系列數據，采用一個水文年春、夏季為分析時段。14處站點分別為前煙臺、邢家窩棚、唐馬寨、湯河水庫、葠窩水庫、商家臺、隆昌、遼陽站、梨庇峪、黃臘坨、黃堡、花紅溝門、郝家店、二道河子。并采用相關分析法對缺測數據的站點進行插補，構建本次研究所需的水文序列。采用標準化降水指數SPI、小波分析進行計算分析。

(1)SPI：是一種適用于不同尺度表征降水量出現概率的指標，采用Γ分布概率進行降水量描述，將偏態概率分布轉換為正態標準化，進而用標準化降水累計頻率評估干旱狀態，主要計算公式為：

(1)

式中，S—概率密度正負系數；γ，β—Γ函數的尺度參數、形狀參數；c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

(2)小波分析：是一種基于Fourier變換，即通過三角函數展示信號，來解釋信號時域成分的分析方法[9- 11]，通過小波函數變換分析時間系列的周期振蕩特征。基本小波為平方可積函數t，t∈L2

圖1 春季干旱過程線圖

圖2 夏季干旱過程線圖

(R)，對t伸縮和平移得一簇函數[12- 14]，即連續小波t，再計算小波變換系數和小波方差[15]，公式為：

(2)

(3)

(4)

式中，a、b—時間平移、尺度伸縮因子，小波變換系數受a、b變化而變化；繪制的等值線圖，a、b分別為縱軸、橫軸。

2 結果與分析

2.1 干旱頻次及干旱特征趨勢變化

計算遼陽地區春季、夏季SPI指數，繪制1970—2015年春季、夏季干旱動態過程曲線，如圖1—2所示，并繪制代際間春季、夏季平均降水量，如圖3所示。從圖1可知，1970、1993、2004年春季重旱，1989年春季中旱，2001—2002年連續2年春季中旱，有8年發生輕度干旱，發生年份為1978、1980、1984、1992、2011、2014及1996—1997年連續2年。且根據趨勢分析，結合圖3，不同代際間春季波動變幅小，遼陽地區春季降水較穩定。從圖2可知，1977—1981年連續5年發生不同程度干旱，其中1978—1979年連續2年重旱，此外2009、2014年發生重旱，發生夏季中旱有5年，分別為1972、1989、1992、2000、2007年，發生夏季輕旱有8年，分別為1974、1977、1988、1997、2003、2015、1980—1981年連續2年。且2014—2015年連續2年干旱。根據圖2—3知，夏季干旱程度波動較春季劇烈，且代際間波動變幅明顯， SPI指數總體呈現逐漸減小趨勢。綜合圖1—2知，1978、1980、1989、1992、1997、2014年6年春旱夏旱同時發生。春季和夏季是農作物生產的關鍵季節，干旱發生對農作物生長及其產量影響較大，特別是春夏連續干旱，發生時需對農作物進行人工地表、地下調配灌溉補給作物生長用水。

圖3 代際間降水變化圖

統計不同年份各站干旱發生情況，繪制站次比變化曲線如圖4—5所示。從圖4可知，遼陽發生

圖4 春季干旱占次比圖

圖5 夏季干旱占次比圖

全面性春旱有7年，分別為1970、1978、1980、1990、1993、2002、2004年，其中1970、1990、1994年重度干旱覆蓋率達80%以上。1990—2015年干旱發生較頻繁，且重旱覆蓋率高。2005年以后干旱發生少，且覆蓋率小，但局部干旱情況較嚴重，2014年春旱局部連續無雨日超過50d，2007、2011年局部連續無雨日超過40d。從圖5可知，發生夏季全面性干旱有10a，分別為1972、1979、1981、1989、1992、1997、2000、2007、2009、2014年，且其中70%年份夏季重旱覆蓋率超60%，2014年局部夏旱連續無雨日達33d，2007年局部干旱連續無雨日29d，2009年局部干旱連續無雨日27d。遼陽地區春旱夏旱覆蓋率均呈現減弱趨勢，且春季重旱覆蓋率呈減弱趨勢。

2.2 周期成分識別

從小波實部系數等值線圖如圖6—7所示可知，在約10a時間尺度上，小波信號震蕩較明顯，小波實部系數虛實周期變換較清晰，春旱、夏旱SPI系列顯示了6組完整的小波實部虛實交替周期過程。夏旱小波實部變換圖中還顯示出約25a時間尺度的信號震蕩，表現出約25a的周期性，1960—2010年顯示2次完整的虛實更替周期過程，其中20世紀70年代總體為干旱狀態，且較2000年左右的干旱程度大。在約50a尺度上，也見有小波實部系數虛實變換。1960—2010年間春旱小波實部系數為先實后虛，而1960—2010年間夏旱小波實部系數為先虛后實，在約50a尺度上春旱夏旱表現出相反的特征。

圖6 春旱小波實部系數等值線圖

圖7 夏旱小波實部系數等值線圖

圖8 春旱小波方差曲線圖

圖9 夏旱小波方差曲線圖

小波方差曲線圖如圖8—9所示進一步識別春旱、夏旱的周期性。小波方差密度曲線上升下降，峰值拐點則為周期成分，曲線變化愈急劇，周期成分愈明顯。春旱方差密度有2次急劇變化過程，峰值分別為約12a時間尺度和約50a時間尺度，且50a時間尺度信號周期震蕩更顯著。圖9中夏旱小波方差密度曲線有3個峰值存在，最明顯峰值位置為約11a，說明約11a時間尺度的信號周期震蕩最顯著，此外在約27、45a時間尺度亦有方差密度曲線的升降拐點。因此，春季干旱特征為約10～12a及約50a周期相互作用，夏季干旱特征中有約10～11、25～27、45～50a時間尺度的周期成分。

結合小波系數實部等值線及小波方差密度曲線，遼陽地區春旱存在約10～12a、約50a周期相互嵌套的周期變化，約50a的周期震蕩較強烈；遼陽地區夏旱存在3個時間尺度的周期成分，約45～50a尺度的SPI周期震蕩中隱匿約25～27a尺度的周期震蕩，約25～27a尺度的周期震蕩中隱藏約10～11a尺度的周期震蕩，其中約10～11a周期震蕩強烈且穩定，貫穿整個夏旱研究時段。

3 結語

遼陽地區春旱、夏旱年際間連旱概率均較小，且年內春旱、夏旱同時發生少。夏旱呈逐漸增強趨勢，且夏季嚴重干旱和極端干旱更易發生，需要注意夏季干旱的預警預報。春、夏旱覆蓋率均呈現減弱趨勢，春季重旱覆蓋率呈減弱趨勢。春季干旱波有約10～12a、約50a的周期性，夏季干旱有約10～11a、約25～27a、約45～50a的周期震蕩，不同周期振相互嵌套體現遼陽地區春旱夏旱狀態變化。春夏干旱的研究分析對干旱預報、抗旱調度減災具有指導意義。