基于SPI的安徽省1961—2019年干旱演變特征分析

熊世為，邱陽陽，郁凌華，蔣 琳，華俊瑋，凌遵斌

（1.滁州市氣象局，安徽 滁州 239000；2.安徽省氣象局，合肥 230000）

干旱一直是影響人類生存發展的主要自然災害之一，在氣候變化背景下，干旱區域不斷擴大且程度也日益嚴重［1-3］。針對干旱的監測評估可為探索其成因機理和趨勢預測提供基礎，也是政府部門決策部署的重要依據。所謂干旱監測就是利用各類實況監測資料，定量計算出干旱指標，以此來分析評估干旱的強度和范圍［4］。干旱監測已經歷了一百多年的歷史［5］，當今學界從影響的不同層面將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱［6］。因此，針對不同的干旱類型也誕生了許多干旱指數，如Z指數能較好地體現氣象干旱狀態［7］，地表供水指數對水文干旱有不錯的指示性［8］，以土壤含水量和蒸散為基礎的土壤水分指數是指示農業干旱的重要指標［9］，Ohisson［10］基于供水和需水制定的城市干旱指數則能較好地反映經濟社會干旱情況。標準化降水指數（SPI）是對月或季降水量進行標準化處理得到，資料獲取容易且計算相對簡單，同時還具有較好的地區間可比性，是目前國內外應用較多的一種干旱監測指數［11］。此外，SPI還具有時間尺度多的特點（3個月尺度的SPI3、12個月尺度的SPI12等），不同時間尺度的SPI對氣象干旱、農業干旱、水文干旱和經濟社會干旱等都能有所體現［12］。袁文平等［13］分析認為SPI能夠較好地反映中國各區域和各時段的旱澇狀況，優于綜合氣象干旱指數（CI）。

安徽省位于中國南北氣候過渡帶，雖然瀕江近海，但干旱災害也時常發生，根據統計，近50年來該地區旱災出現概率達32%［14］，嚴重影響生產生活和經濟社會發展。本研究以SPI作為監測指標，從發生頻率、站次比和強度3個方面分析1961—2019年安徽省干旱的時空演變特征，可為氣候變化背景下干旱監測預警及政府部門防災減災部署提供決策依據。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

本研究采用的降水數據由安徽省氣象信息中心提供，為安徽省64個國家氣象站1961—2019年逐月降水量，站點分布情況見圖1，個別缺測數據采用空間插值方法補缺。

圖1 研究區氣象站點分布

1.2 標準化降水指數

因為降水量的分布是非正態的，標準化降水指數首先計算降水量的Γ分布概率，再對其Γ分布概率進行正態標準化處理，利用得到的降水量標準化累積頻率分布進行評估分析，計算方法如下［15］。

1）假設某時段內降水量為隨機變量x，且x不為0時（即x＞0），其Γ分布概率密度函數如下。

式中，γ和β分別為Γ分布函數的形狀參數和尺度參數，利用最大似然法來計算。

式中，xi為降水量資料序列為降水量的氣候平均值。于是由某一年的降水量x0，可以得出隨機變量x小于x0事件的概率。

2）假設某時段內降水量為0。

式中，m為降水量為0的樣本數；n為樣本總數。

3）對Γ分布概率密度函數式（5）、式（6）進行正態標準化處理，則有：

對式（7）進行近似求解得：

式中，SPI即為標準化降水指數，其中，t=為式（5）、式（6）中求得的概率密度函數，計算系數分別為c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。利用式（8）計算的SPI，依據《氣象干旱等級》（GB/T 20481—2017）來確定干旱等級，具體分為無旱（SPI＞-0.5）、輕旱（-1.0＜SPI≤-0.5）、中旱（-1.5＜SPI≤-1.0）、重旱（-2.0＜SPI≤-1.5）和特旱（SPI≤-2.0）。

1.3 評價方法

參照黃晚華等［16］的方法，從干旱的發生頻率（Pi）、站次比（Pj）和強度（Sij）來評價安徽省1961—2019年干旱的時空變化特征，具體表示如下。

1）發生頻率，即某站在某時間段內發生干旱的頻率，計算公式為Pi=（n/N）×100%，其中，n為該站發生干旱的年份。

2）站次比，即某一范圍內干旱發生站數與總站數之比，計算公式為Pj=（m/M）×100%，其中，m為干旱發生站數，M為總站數。

依據Pj的大小作如下規定，Pj≥50%時為全域性干旱；50%＞Pj≥33%時為區域性干旱；33%＞Pj≥25%時為部分區域性干旱；25%＞Pj≥10%時為局域性干旱；Pj＜10%時為無明顯干旱。

3）干旱強度，即干旱的嚴重程度，用SPI的絕對值表示，某區域某年的干旱強度可表示為：

|SPIi|為計算所得SPI的絕對值。根據前文干旱劃分標準可推知，Sij≥2時為特旱；2＞Sij≥1.5時為重旱；1.5＞Sij≥1.0時為中旱；1.0＞Sij≥0.5時為輕旱；Sij＜0.5時為無旱。

2 結果與分析

2.1 干旱頻率

1961—2019年安徽省各地區干旱（輕旱以上）頻率總體呈南高北低分布（圖2），最大為南部的黟縣站41.4%，頻率最小為北部的靈璧站25.9%，平均頻率為31.7%，與前人結論基本一致［14-16］。中旱以上頻率在8.6%～22.4%，平均值為15.7%。重旱以上頻率在1.7%～13.8%，平均值為6.1%。

圖2 安徽省1961—2019年輕旱以上發生頻率

從不同季節來看，1961—2019年安徽省各季節輕旱以上頻率分布空間差異不大（圖3），其中，春、夏、秋旱表現為南北部大、中部小的特點，冬旱的南北差異不大，四季輕旱以上平均頻率分別為31.7%、30.4%、30.7%和30.5%，各季節中旱以上頻率分別為14.4%、15.4%、16.4%和17.2%，各季節重旱以上頻率分別為6.6%、6.5%、6.7%和7.4%。

圖3 安徽省1961—2019年各季節輕旱以上發生頻率

2.2 干旱站次比

2.2.1 輕度以上干旱發生的站次比 由圖4可以看出，安徽省自1961年以來平均站次比高達31.7%，其中有15年發生全域性輕度以上干旱，站次比由高到低依次為1978、1966、1994、1976、2001、1968、1992、1988、2019、1967、2013、1997、1986、2004、1995年，其中1978年站次比高達98.4%，有7年發生區域性輕度以上干旱，有20年無明顯干旱。

圖4 安徽省1961—2019年輕旱以上發生站次比

安徽省1961—2019年有7年發生全域性中等以上干旱（圖略），分別為1978、1966、2001、2019、1976、1994、1968年，其中1978年有93.8%的站點發生中度以上干旱，有8年發生區域性中度以上干旱。1978年和1966年發生全域性重度以上干旱，其中1978年的重旱以上站次比達85.9%，同時1978年達特旱標準的站次比也高達68.8%（圖略）。綜上，1978年是安徽省1961年以來干旱范圍最廣的年份。

2.2.2 春季輕旱以上發生站次比 1961年以來安徽省共發生18次全域性春旱（輕度以上，圖5），其中2000年站次比為100.0%，發生5次區域性輕度以上春旱，有22年無明顯春旱。發生4次全域性中度以上春旱，分別為2011、2001、1978、2000年。其中2011年中旱站次比為92.2%（圖略）。發生2次全域性春季重旱，分別為2011年（站次比76.6%）和2001年（站次比71.9%），此外，2011年春季特旱站次比為57.8%，也達全域性干旱級別（圖略）。綜上，2011年是安徽省1961年以來春旱范圍最廣的年份。

圖5 安徽省1961—2019年春季輕旱以上發生站次比

2.2.3 夏季輕旱以上發生站次比 1961年以來安徽省共發生14次全域性夏旱（輕度以上，圖6），其中1966年站次比為93.8%，其次為1978年（站次比為87.5%），發生6次區域性輕度以上夏旱，有16年無明顯夏旱。發生4次全域性中度以上夏旱，分別為1978、1967、1966、1985年，其中1978年中旱站次比為79.7%（圖略）。發生1次全域性夏季重旱，為1978年（站次比為67.2%），此外，1978年夏季特旱站次比為45.3%，達區域性干旱級別（圖略）。綜上，1978年是安徽省1961年以來夏旱范圍最廣的年份。

圖6 安徽省1961—2019年夏季輕旱以上發生站次比

2.2.4 秋季輕旱以上發生站次比 1961年以來安徽省共發生17次全域性秋旱（輕度以上，圖7），其中2001年站次比為100.0%，發生8次區域性輕度以上秋旱，有22年無明顯秋旱。發生6次全域性中度以上秋旱，分別為2001、1998、2019、1966、1995、2002年，其中2001年中旱站次比為92.2%（圖略）。發生3次全域性秋季重旱，分別為2019、1998、2001年，其中2019年秋季重旱站次比為71.9%，此外，1998年秋季特旱站次比為42.2%，達區域性特旱標準（圖略）。綜上，1998年是安徽省1961年以來秋旱范圍最廣的年份。

圖7 安徽省1961—2019年秋季輕旱以上發生站次比

2.2.5 冬季輕旱以上發生站次比 1961年以來安徽省共發生16次全域性冬旱（輕度以上，圖8），其中1963、1968、1983、1999年站次比均為100.0%，發生5次區域性輕度以上冬旱，有25年無明顯冬旱。發生9次全域性中度以上冬旱，其中1968年中旱站次比為100.0%。發生3次全域性冬季重旱，分別為1968、1963、1986年，其中1968年冬季重旱站次比為100.0%，此外，1968年冬季特旱站次比為75.0%，達全域性特旱標準。綜上，1968年是安徽省1961年以來冬旱范圍最廣的年份。

圖8 安徽省1961—2019年冬季輕旱以上發生站次比

2.3 干旱強度

從歷年的干旱強度演變來看，1961年以來安徽省干旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢（圖9），最強年份為1978年，強度達2.2，是僅有的特旱年份，1966年為僅有的重旱年份，2019年干旱強度排1961年以來第三。

圖9 安徽省1961—2019年干旱強度變化

從不同季節來看，1961年以來安徽省春旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱上升趨勢（圖10a），最強年份2011年是僅有的特旱年份，2001年為僅有的重旱年份，2019年干旱強度排1961年以來第四；1961年以來安徽省夏旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢（圖10b），最強年份1978年是僅有的特旱年份，1967、1966、1982年為夏旱重旱年份；1961年以來安徽省秋旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱上升趨勢（圖10c），2019、1969、2001年為夏旱重旱年份，其中2019年是1961年以來秋旱最重年份；1961年以來安徽省冬旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢（圖10d），最強年份1968年是僅有的特旱年份，1963、1986、1977年為冬旱重旱年份。各季節干旱強度表現為夏旱（0.98）＞秋旱（0.79）、春旱（0.78）＞冬旱（0.60）。

圖10 安徽省1961—2019年各季節干旱強度變化

3 小結

基于SPI，從干旱頻率、站次比和干旱強度3個方面分析了1961—2019年安徽省干旱時空演變特征，主要結論如下。

1）1961—2019年安徽省各地區干旱頻率總體呈南高北低分布，平均輕旱以上頻率為31.7%，中旱以上頻率為15.7%。重旱以上平均頻率為6.1%。

2）1961年以來安徽省輕旱以上平均站次比高達31.7%，有15年發生全域性干旱，1978年是干旱發生面積最廣的年份。共發生18次全域性春旱、14次全域性夏旱、17次全域性秋旱和16次全域性冬旱。

3）1961年以來安徽省干旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢，最強年份1978年為特旱級別。各季節干旱強度表現為夏旱＞秋旱、春旱＞冬旱，2011年的春旱、1978年的夏旱、2019年的秋旱和1968年的冬旱是1961年各季節性干旱最強年份。

上述結論與文獻［14］基本一致，說明SPI可有效反映安徽省的干旱演變特征，此外，SPI所需數據方便獲取，計算相對簡單，還具有多時間尺度的優勢，可用于該地區的干旱監測評估，也可為防汛抗旱、水資源管理等決策提供技術支撐。