基于SPI指數的云南省干旱時空特征分析

唐 怡，卯昌書，蘇建廣

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

0 引 言

干旱一般分為氣象干旱、農業(yè)干旱、水文干旱以及經濟社會干旱等，氣象干旱是指某時段內由于蒸散量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成地表水分短缺的現象，是其他類型干旱的起因和監(jiān)測評估的基礎[1]。氣象干旱指數是表征氣象干旱特征的定量化指標，目前國內外已發(fā)展的用以描述干旱事件的干旱指數近上百種[2]，常用的氣象干旱指數主要有降水距平百分率(Pa)、標準化降水指數(SPI)[3]、帕爾默旱度指數(PDSI)、相對濕潤度指數(MI)、綜合氣象干旱指數(CI)和標準化降水蒸散指數(SPEI)等。其中SPI指數由于資料獲取相對簡單、計算成果穩(wěn)定、適用性較好，被廣泛應用于干旱研究中[4-6]。

干旱一直是影響中國農業(yè)生產與經濟發(fā)展的主要自然災害，也是國內學者的研究熱點。李楊等[7]通過分析各年代干旱頻率重心的變化得出，中國的干旱重心由西北部逐步轉移到了西南部地區(qū)。賀晉云等[8]研究發(fā)現，21世紀以來，西南地區(qū)年極端干旱的發(fā)生次數有所增加，區(qū)域間差異卻顯著減小。趙蘭蘭等[9]認為西南地區(qū)干旱呈明顯加重趨勢，其中云南西南部氣象干旱呈顯著加重趨勢；楊蕊等[10]研究了云南省冬春干旱，認為滇中是冬春干旱的主要發(fā)生區(qū)，冬春干旱中重旱與中旱的范圍呈緩慢擴大趨勢。

云南省干旱頻發(fā)，近年來呈現出干旱范圍擴大、程度加重的趨勢，對社會經濟造成嚴重影響。為全面了解云南省氣象干旱的時空演變特征，本文基于云南省104個氣象站點1959～2018年的逐月降雨數據，采用標準化降水指數(SPI)對60 a來云南省干旱的強度變化、空間分布、周期波動等進行分析，旨在為云南省干旱監(jiān)測和防災減災提供參考。

1 研究區(qū)域概況

云南省地處中國西南邊陲，簡稱滇或云，位于東經97°31′～106°11′，北緯21°08′～29°15′，跨越10個經度帶和9個緯度帶，北回歸線橫穿南部。云南省總面積39.41萬km2，占全國陸地總面積的4.1%，居全國第8 位。云南省地處低緯度高原，冬季受干燥大陸季風控制，夏季盛行濕潤海洋季風，屬低緯山原季風氣候。全省氣候類型多樣，由南至北依次分布有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶和高原寒溫帶7個氣候類型。全省多年平均降水量1 278.8 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 057.0 mm，年均日照時數1 000～2 800 h。全省年溫差小，年平均溫度5～24 ℃左右；日溫差大，早晚較涼，中午較熱，日溫差達12～20 ℃。云南省的氣候特點有利于各類農作物生長，但干季和濕季過于集中，垂直變化突出，干旱、洪澇、低溫冷凍、霜凍、冰雹與風災等自然災害頻發(fā)。

2 研究數據及方法

2.1 數據來源

從云南省126個氣象站點中篩選出104個資料系列滿足要求、代表性較好的站點，對其1959～2018年共計60 a的逐月降雨量數據進行分析，部分站點缺失數據進行插值處理。研究區(qū)域范圍和站點分布情況見圖1。

圖1 研究區(qū)域及站點分布Fig.1 Study area and site distribution

2.2 研究方法

2.2.1 標準化降水指數SPI

標準化降水指數SPI 通過計算某時段內的降水量Γ分布概率，并進行正態(tài)標準化處理后，用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。SPI 計算方法如下[1]：

(1)

F(x)由以下Γ分布函數概率密度積分公式得到：

(2)

式中：r，β分別為Γ分布函數的形狀和尺度參數。

GB/T 20481-2017《氣象干旱等級標準》中，依據標準化降水指數劃分的干旱等級見表1。

表1 標準化降水指數干旱等級劃分

2.2.2 Mann-Kendall(M-K)檢驗及小波分析

Mann-Kendall(M-K)檢驗法是世界氣象組織推薦的非參數檢驗方法，常用于氣象、水文等領域，可檢驗時間序列的趨勢變化。本文采用M-K檢驗法分析不同尺度SPI系列的突變性與趨勢性。

小波分析是Morlet 在20 世紀80 年代初提出的一種具有時頻多分辨功能的分析工具，能夠揭示時間序列中的多種變化周期，可以反映系統(tǒng)在不同時間尺度中的變化趨勢，近年來已廣泛應用于時間序列分析[11-12]。本文采用Morlet小波分析不同尺度SPI系列的周期變化規(guī)律。

2.2.3 干旱特征指標

(1) 干旱頻率(Pi)。Pi表示干旱發(fā)生的頻繁程度，計算公式為

Pi=n/N×100%

(3)

式中：Pi為某站點的干旱頻率；n為某站點發(fā)生不同程度干旱的年數；N為某站點計算總年數。

(2) 干旱站次比(Pj)。Pj用于評價干旱影響范圍的大小，計算公式為

Pj=m/M×100%

(4)

式中：Pj為干旱站次比；m為發(fā)生不同程度干旱的站點數；M為總站點數。當Pj≥50% 時，為全域性干旱；當 50%>Pj≥33%時，為區(qū)域性干旱；當 33%>Pj≥25%時，為部分區(qū)域性干旱；當 25%>Pj≥10%時，為局域性干旱；當Pj<10%時，為無明顯干旱[11]。

(3) 干旱強度(Sij)。Sij用于評價干旱嚴重程度，單站的某時段內的干旱強度可由SPI的絕對值表示，SPI絕對值越大，表示干旱越嚴重。Sij計算公式為

(5)

式中：SPIi為發(fā)生干旱時SPI的絕對值。當1>Sij≥0.5時，為輕度干旱；當1.5>Sij≥1時，為中度干旱；當2>Sij≥1.5時，為重度干旱；當Sij≥2時，為特旱。

3 結果分析

3.1 時間變化特征

3.1.1 多尺度SPI時間變化特征

根據云南省面雨量計算月尺度、季尺度和年尺度的SPI值(圖2)，即SPI1，SPI3，SPI12，從圖2可以看出SPI1受短期降雨影響大，在0值上下頻繁轉換，波動幅度最大，SPI3變化幅度逐漸減緩，SPI12綜合前期降雨變化的累計影響，變化幅度最小，較為穩(wěn)定。

圖2 云南省多尺度SPI時間變化趨勢Fig.2 Multi-scale SPI temporal variation trend in Yunnan Province

從M-K檢驗結果來看，月尺度的突變點在1961，2000年附近，1959～1967年總體呈下降趨勢，1960年下降趨勢明顯，1968～1979年呈上升趨勢，1980～2018年總體呈下降趨勢，2008年以后下降趨勢明顯。季尺度的突變點在1961，2002年附近，1959～1966年總體呈下降趨勢，1960年下降趨勢明顯，1967～1979年呈上升趨勢，1980～1996年總體呈下降趨勢，1997～2009年呈上升趨勢，2009年以后呈下降趨勢，且下降趨勢明顯。年尺度的突變點在1961，2003年附近，1959～1966年總體呈下降趨勢，1960年下降趨勢明顯，1967～1979年呈上升趨勢，1980～2000年總體呈下降趨勢，2001～2009年呈上升趨勢，2009年以后呈下降趨勢，且下降趨勢明顯。各尺度M-K檢驗結果均反映出1959～1966年、1980～1996年、2009～2018年云南省干旱呈加重趨勢，特別是2009年以后加重趨勢明顯。

對不同尺度SPI值進行小波分析計算，結果顯示各尺度SPI值均呈現出一定的周期性變化規(guī)律(圖3)。從小波系數實部圖(圖4)看出：SPI1值在5～10 a，10～15 a，20～30 a時間尺度上均有較明顯的周期變化，其中20～30 a尺度表現最明顯，中心時間尺度為27 a左右，旱澇交替變化；SPI3值在5～10 a，10～15 a，20～30 a時間尺度上均有較明顯的周期變化，其中20～30 a尺度表現最明顯，中心時間尺度為26 a左右，旱澇交替變化；SPI12值在10～15 a，15～30 a時間尺度上均有較明顯的周期變化，其中15～30 a尺度表現最明顯，中心時間尺度為24 a左右，旱澇交替變化。由圖3可知：SPI1在4，7，14，27 a附近存在震蕩周期，其中27 a為主周期；SPI3在14，26 a附近存在震蕩周期，其中26 a為主周期；SPI12在7，24 a附近存在震蕩周期，其中24 a為主周期。

圖3 不同尺度小波方差Fig.3 Square difference of wavelets of different scales

圖4 不同尺度小波系數實部圖Fig.4 Real part diagram of wavelet coefficients at different scales

3.1.2 干旱強度時間變化特征

根據各站降雨量，計算年尺度、季尺度的SPI值。從年尺度來看，1959～2018年間云南省干旱強度在0.59～1.77之間變化，平均為1.03；基本上每年都發(fā)生干旱，大部分為中、輕度干旱，2009，2011年發(fā)生重度干旱(圖5)。

圖5 年尺度干旱強度趨勢Fig.5 Trend of drought intensity at annual scale

從季節(jié)來看，春季干旱強度在0～2.13之間變化，平均為0.90，多為中度以下干旱，干旱強度呈緩慢下降趨勢。夏季干旱強度在0.77～1.73之間變化，平均為1.04，多為中度以下干旱，干旱強度呈緩慢上升趨勢。秋季干旱強度在0.54～2.02之間變化，平均為1.04，多為中度以下干旱，干旱強度呈緩慢上升趨勢。冬季干旱強度在0～1.84之間變化，平均為0.96，多為中度以下干旱，干旱強度呈緩慢下降趨勢(圖6)。

圖6 季尺度干旱強度趨勢Fig.6 Trend of seasonal drought intensity

3.1.3 干旱站次比時間變化特征

從年尺度的干旱站次比來看，云南省多為部分區(qū)域性干旱，干旱站次比多年平均為30.8%。1959～2000年間干旱站次比大于50%的有7次，全省平均每10 a有2次全域性干旱，2000年以后全域性干旱次數明顯增加，2000～2018年共發(fā)生6次，2009～2012年連續(xù)4 a發(fā)生了全域性干旱，其中2009年干旱站次比高達86.5%(圖7)。

從不同干旱強度的站次比來看，輕旱站次比最高，多年平均為14.4%、其次為中旱，為9.31%，重旱、特旱分別為4.73%，2.39%，各種程度的干旱均呈現緩慢上升趨勢；干旱站次比越高的年份，重旱、特旱比例越大，以2011年為例，干旱站次比83.65%，特旱、重旱站次比分別為31.7%，19.2%。這說明發(fā)生干旱的范圍越大，干旱的強度越大(圖7)。

圖7 年尺度干旱范圍(站次比)趨勢Fig.7 Trend of annual scale drought extent (station’s drought proportions)

從季節(jié)尺度的干旱站次比來看，春季干旱站次比在0～91.2%之間變化，平均為29.8%，總體呈下降趨勢；夏季干旱站次比在2.88%～87.5%之間變化，平均為30.3%，總體呈上升趨勢；秋季干旱站次比在0～92.3%之間變化，平均為29.7%，總體呈上升趨勢；冬季干旱站次比在0～94.2%之間變化，平均為28.6%，總體呈下降趨勢(圖8)。

圖8 不同季節(jié)干旱范圍(站次比)趨勢Fig.8 Trend of drought range (station’s drought proportions) in different seasons

3.2 干旱空間分布特征

近60 a來，云南省各站點發(fā)生干旱的頻率為21.7%～40.0%，平均為30.8%。其中發(fā)生輕旱的頻率在3.3%～23.3%之間，平均為14.4%；發(fā)生中旱的頻率在3.3%～20.0%之間，平均為9.3%；發(fā)生重旱的頻率在0～13.3%之間，平均為4.7%；發(fā)生特旱的頻率在0～6.7%之間，平均為2.4%(圖9)。發(fā)生輕旱頻率較高的州市有德宏州、保山市、臨滄市、昭通市，主要集中在長江、瀾滄江、怒江流域；發(fā)生中旱頻率較高的有楚雄州、昆明市、西雙版納州、文山州，主要集中在長江、瀾滄江、紅河流域；發(fā)生重旱頻率較高的有玉溪市、普洱市、臨滄市、怒江州，主要集中在紅河、瀾滄江、怒江流域；發(fā)生特旱頻率較高的有昭通市、曲靖市、玉溪市、紅河州，主要集中在長江、珠江、紅河流域。整體來看，全省干旱以中、輕度為主，重旱以上干旱發(fā)生的頻率不高，但基本每個州市都會發(fā)生。

圖9 云南省干旱頻率(單位：%)Fig.9 Drought frequency map of Yunnan Province

圖10 云南省不同時段干旱頻率(單位：%)Fig.10 Drought frequency map of Yunnan Province in different years

從不同年代的干旱頻率(圖10)來看，20世紀60～70年代云南省干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)主要分布在昆明、楚雄、麗江、臨滄、文山、德宏等州市，干旱頻率為28%～33%；20世紀80～90年代主要分布在昆明、玉溪、楚雄、西雙版納、昭通等州市，干旱頻率為30%～37%之間；進入21世紀以后，德宏、保山、文山、紅河等州市成為干旱頻率發(fā)生較高的地區(qū)，近20 a干旱頻率為40%～46%。

4 結 論

本文利用云南省104個氣象站點1959～2018年共60 a的逐月降雨量數據，計算出云南省面雨量不同尺度的SPI值及各站點不同尺度的SPI值，分析云南省干旱的時空變化特征，得到如下結論。

(1) 不同尺度的SPI值隨時間尺度的增加波動逐漸減小，M-K檢驗結果反映出1959～1966年、1980～1996年、2009～2018年云南省干旱呈加重趨勢，特別是2009年以后加重趨勢明顯。不同尺度的SPI值呈現出一定的周期性變化特征，其中月尺度以27 a為主周期，季尺度以26 a為主周期；年尺度以24 a為主周期。

(2) 從時間上來看，云南省基本每年都會有地區(qū)發(fā)生干旱，大部分以輕旱、中旱為主，但重旱、特旱發(fā)生的比例也在增加；近60 a來干旱強度和范圍均呈緩慢上升趨勢，且干旱的范圍越大，干旱的強度越強。近60 a來，云南省夏、秋季節(jié)干旱強度、干旱范圍均呈上升趨勢，春、冬季節(jié)呈下降趨勢。

(3) 從空間上來看，云南省重度以上干旱在各州市均有發(fā)生，極端干旱主要集中在長江、珠江、紅河流域；近年來，文山、紅河等滇東南區(qū)，德宏、保山等滇西南區(qū)成為云南省干旱高發(fā)區(qū)。