基于ＳＰＥＩ 的豫北地區干旱演變特征分析

晉超杰 姜寧 孟凡香 田肖冉 施巧

摘 要：為給豫北地區的抗旱減災與加強水資源規劃提供參考，分析該地區氣象干旱時空演變特征。基于１９９１—２０２１ 年豫北地區２３ 個氣象站點逐月氣象數據，計算標準化降水蒸散指數（ＳＰＥＩ），結合線性回歸、Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 突變檢驗、反距離權重插值（ＩＤＷ）、Ｍｏｒｌｅｔ 小波分析等方法進行豫北地區干旱時空演變特征分析。結果表明：１９９１—２０２１ 年豫北地區不同時間尺度所有干旱事件以輕度和中度干旱為主，重度與極端干旱次之。在不同時間尺度干旱指數的變化程度差異性顯著，干旱與濕潤交替出現，有逐漸濕潤趨勢；時空上，不同尺度各站點干旱頻率為２２．５８％～４１．９３％。豫北地區以９ ａ 為一個干濕變化周期，春、秋季節干旱集中在豫北地區中部，而夏、冬季節在豫北地區東部與西部。豫北地區干旱情況有減弱趨勢，主要以輕度與中度干旱為主，季節干旱頻率分布差異顯著。

關鍵詞：標準化降水蒸散指數（ＳＰＥＩ）；突變檢驗；反權重插值（ＩＤＷ）；豫北地區

中圖分類號：Ｓ１６６ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２０

引用格式：晉超杰，姜寧，孟凡香，等．基于ＳＰＥＩ 的豫北地區干旱演變特征分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１１１－１１７．

０ 引言

聯合國政府間氣候變化專門委員會（ＩＰＣＣ）第六次評估報告指出在過去的一個世紀里，全球氣溫平均上升１．０９ ℃，與第五次報告的０．７８ ℃相比提高了０．３１℃［１］ 。這意味著氣候變化已成為當今及未來全球尤其是干旱和半干旱地區農業生產面臨的嚴峻問題和重大挑戰。因此，研究干旱的發生規律和變化特征，對于各地區適應氣候變化以及防災減災決策具有重要意義。

干旱是指水分異常缺少造成長時間的收支與供求不平衡現象，一般分為氣象、水文、農業與社會經濟干旱［２］ 。其中，氣象干旱是水文、農業與社會經濟干旱的源頭，對氣象干旱的研究顯得尤為重要。干旱指數是定量分析干旱的基礎。不同地區的氣候、水文、地下水條件的不同，及干旱原因的復雜性，使我們很難用一個干旱指數來描述不同地區和不同特點的干旱狀況［３－４］ 。目前，常用的干旱指標有ＰＤＳＩ 帕默爾干旱指數［５］ 、ＳＰＩ 標準化降水指數［６］ 、ＳＰＥＩ 標準化降水蒸散指數［７］ 、ＣＩ 綜合指數［８］ 等。Ｖｉｃｅｎｔｅ －Ｓｅｒｒａｎｏ 等［９］ 在２０１０ 年提出的ＳＰＥＩ 干旱指數考慮了降水與蒸發的影響，該指數多時間尺度計算簡單且有空間橫向或縱向比較等優點，有較強的適用性。曹永強等［１０］ 運用ＳＰＥＩ 對遼寧省氣象干旱進行了分析，結果表明干旱事件交替出現，總體向濕潤化方向發展，以及空間上ＳＰＥＩ 分布區域性明顯。梁守真等［１１］ 研究表明黃河流域氣溫與ＳＰＥＩ 相關性較弱，ＳＰＥＩ 與降水有更好相關性。陳淑紅等［１２］ 研究表明雖近幾十年來涇河流域總體較干旱，但年際及春夏干旱趨勢有所減輕。任建成等［１３］ 運用ＳＰＥＩ 研究表明山東省的氣溫上升趨勢顯著，降水變化趨勢不顯著，干濕狀態變化交替出現且具有明顯的周期性。王芝蘭等［１４－１５］ 研究表明，ＳＰＥＩ 在西北地區具有良好的適用性，且高溫對干旱的影響不可輕視。近年來，ＳＰＥＩ 被大多學者應用于干旱相關研究，同時針對計算ＳＰＥＩ 中的蒸散模型Ｔｈｏｒｎｔｈｗａｉｔｅ 與Ｐｅｎｍａｎ 方法被廣泛應用于國內干旱研究且二者計算結果相近，根據黃婷婷等［１６］ 在黃河流域、路金強等［１７］在河南省的研究中基于Ｔｈｏｒｎｔｈｗａｉｔｅ 方法計算ＳＰＥＩ 驗證其在豫北地區（暖溫帶）同樣有良好的適用性。

河南省位于南北氣候過渡帶，降水區域分布不均，受季風影響，降水年際、年內變化較大，一年中干旱時間很長［１８］ 。豫北地區是受干旱影響的重要地區，也是河南省重要的農副產品產區之一。隨著時代的發展，干旱已成為制約豫北地區經濟發展的一大瓶頸。為應對干旱并促進抗旱資源的高效利用，本文對１９９１—２０２１ 年豫北地區氣象干旱變化特征進行分析，以期為管理層提供決策依據，也為制定防旱抗災工作的必要性和現實性措施提供一定的數據參考。

１ 材料與方法

１．１ 研究區概況

豫北包括河南省北部的安陽、新鄉、焦作、濮陽、鶴壁和濟源６ 個市。西臨太行山，與山西省長治市、晉城市接壤；北臨漳河，與河北省接壤；南、東臨黃河，與洛陽、鄭州、開封三市接壤。豫北地區是重要的工業基地且經濟發展較好，總面積為２８ ０００ ｋｍ２；人口數為２ １００萬人；屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，年平均氣溫１５ ℃左右；年均降水量為１ １６８．４～２４１．８ｍｍ，夏、秋兩季降水較多（占全年降水量的７５％）。

１．２ 數據來源與處理

選取２３ 個均勻分布在豫北地區的氣象站點作為數據樣本點，具體包括：安陽市（安陽市區、滑縣、內黃縣、林州市）４ 個站點，鶴壁市（鶴壁市區、浚縣、淇縣）３ 個站點，新鄉市（新鄉市區、原陽縣、延津縣、封丘縣、衛輝市、輝縣市、長垣市）７ 個站點，焦作市（焦作市區、武陟縣、溫縣、沁陽市）４ 個站點，濮陽市（濮陽市區、清豐縣、南樂縣、范縣）４ 個站點與濟源市１ 個站點（見圖１）。１９９１—２０２１ 年各氣象站點逐月氣象數據（月降水量、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫）來源于“國家青藏高原科學數據中心”及國家地球系統科學數據中心；ＤＥＭ 數據來自地理空間數據云，該數據為ＳＲＴＭＤＥ?ＭＵＴＭ ９０ ｍ 分辨率數字高程產品。

２ 結果與分析

２．１ 不同時間尺度ＳＰＥＩ 變化趨勢

ＳＰＥＩ 值大小可以反映干旱等級及干旱事件的嚴重性，ＳＰＥＩ 變化趨勢反映干旱演變趨勢。圖２ 為豫北地區１９９１—２０２１ 年不同時間尺度下ＳＰＥＩ 時間序列的波動情況。

從月尺度的ＳＰＥＩ［見圖２（ａ）］可以看出，短時間的強降水對土地的水分收支影響劇烈，ＳＰＥＩ 的波動頻率較大。在月尺度ＳＰＥＩ 變化趨勢平緩，傾向率為１．１５×１０－３，干旱趨勢不明顯。輕度、中度、重度、極端干旱在１９９１—２０２１ 年豫北地區的所有干旱事件中占比分別為４９．６％、３９．２％、８．０％、３．２％，從而看出１９９１—２０２１ 年以輕度、中度干旱為主。

２） 從季尺度的ＳＰＥＩ ［見圖２ （ｂ）］ 可以看出，１９９１—２０２１ 年干旱整體呈上升趨勢，ＳＰＥＩ 傾向率為１．９２×１０－３。１９９１—１９９８ 年波動幅度逐漸增大，相應干旱嚴重程度加劇，最嚴重的一次在１９９８ 年；在１９９８—２０２１ 年波動呈現出平緩，其他極端干旱事件發生于１９９７ 年、１９９９ 年、２００１ 年，其中輕度、中度、重度、極端干旱占所有干旱事件百分比分別為４８．５７％、３４．２９％、５．７０％、１１．４４％。

３）從年尺度的ＳＰＥＩ［見圖２（ｃ）］可以看出，豫北干旱整體趨勢明顯呈上升趨勢，傾向率為１．０４５×１０－１。ＳＰＥＩ 曲線的趨勢在１９９１—２００２ 年呈現出下降趨勢，２００３—２０２１ 年呈現出上升趨勢，輕度、中度、重度干旱占所有干旱事件百分比為５５．５６％、２２．２２％、２２．２２％。豫北地區１９９１—２００２ 年干旱事件以中度、重度干旱為主，２００３—２０２１ 年出現的干旱事件以輕度干旱為主，沒有極端干旱事件發生。

通過上述分析可知，豫北地區１９９１—２０２１ 年干旱呈增加趨勢，且波動周期與干旱歷時隨時間尺度延長而增加，傾向率從高至低，依次為年尺度、季尺度、月尺度。

２．２ 季節性與年際間ＳＰＥＩ 的突變性檢驗

利用Ｍ－Ｋ 突變性檢驗對豫北地區年尺度的ＳＰＥＩ的突變情況進行分析。從圖３（ｅ）可以看出，年尺度以０．１０４ ５／１０ ａ 的速率呈上升趨勢。１９９１—２０００ 年ＵＦ與ＵＢ 出現３ 個交點，并且ＳＰＥＩ 值正負交替出現，說明這段時間干旱狀態不穩定。２００１—２０２１ 年ＵＦ 與ＵＢ 出現５ 個交點，并且ＳＰＥＩ 值正負的反復出現表示了干旱與濕潤交替出現的規律。

為了進一步分析豫北地區四季ＳＰＥＩ 變化趨勢，繪制了季尺度ＳＰＥＩ 突變檢驗曲線。春季［見圖３（ａ）］ＳＰＥＩ 以－０．２７９ ７／１０ ａ 的速率呈下降趨勢，夏季［見圖３（ｂ）］、秋季［見圖３（ｃ）］和冬季［見圖３（ｄ）］分別以０．１２４／１０ ａ、０．１４３ ６／１０ ａ 和０．３０９／１０ ａ 的速率呈上升趨勢。春季在１９９１—１９９９ 年僅有１ ａ 的ＳＰＥＩ 為負值，其中１９９８ 年達到顯著濕潤，說明這段時間春季偏濕潤狀態；２０００—２０２１ 年ＵＦ 與ＵＢ 共出現６ 個交點，并且ＵＦ 曲線在０ 以下，說明春季干旱情況多變且呈干旱化。夏季ＳＰＥＩ 正負交替出現，ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現２ 個交點分布在１９９１—１９９９ 年，１９９２ 年、１９９８ 年為突變年說明夏季從濕潤到干旱的變化；兩條曲線共出現５ 個交點分布在２０００—２０１０ 年，表明這段時間夏季干濕狀態不穩定；在２０１０—２０２１ 年出現２ 個交點，２０１６ 年和２０１９ 年突變表明豫北地區夏季干—濕反復的變化過程。秋季ＵＦ 和ＵＢ 曲線出現８ 個交點，１９９１—２０００ 年ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現２ 個交點，在１９９３年交點處豫北從濕潤轉為干旱，１９９８ 年達到極端干旱狀態，１９９８ 年后干旱狀態減弱；２００１—２０１０ 年出現２個交點；秋季８ 個交點中有４ 個分布在２０１１—２０２１年，說明這段時間秋季干旱與濕潤狀態不穩定。冬季１９９１—２０００ 年ＳＰＥＩ 負值居多，這段時間豫北呈偏干旱狀態，其中１９９９ 年達到極端干旱狀態；在２００１—２０２１ 年ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現１３ 個交點，說明豫北冬季干濕狀態不穩定，但總體來說在２００１ 年后有偏濕潤化趨勢。

２．３ 干旱空間分布特征

根據計算得出的月尺度ＳＰＥＩ 值以及年尺度ＳＰＥＩ值計算季節發生干旱的頻率和年尺度發生干旱頻率，運用反權重插值法制作干旱頻率時空分布圖。１９９１—２０２１ 年豫北地區不同干旱事件的發生頻率空間分布如圖４ 所示。由圖４（ｅ）可見豫北年尺度干旱頻率為２９．００％ ～３８．７１％，平均為３３．８６％。干旱頻發集中在豫北東部（臺前縣、范縣、清豐縣、南樂縣及濮陽市區等干旱頻率達到３５．４８％）和偏西部（焦作市區和溫縣干旱頻率達３８．７１％），豫北南部與濟源市干旱發生頻率較低（為２９．００％）。由圖４（ａ）可知春季干旱發生頻率為２５．８０％～３２．５０％，其中整個豫北地區重度與極端干旱發生頻率為６．４５％。豫北地區的中間部位安陽市區干旱頻率達到３２．５０％，湯陰縣、鶴壁市區、淇縣、衛輝市、長垣市發生干旱頻率較高（為３２．５０％），林州市干旱發生頻率最低（為２５．８０％）。由圖４（ｂ）可知夏季干旱發生頻率為２２．５８％～４１．９３％，沁陽市、溫縣、長垣市干旱發生頻率最高（為４１．９３％），而武陟縣、淇縣、鶴壁市區、內黃縣干旱發生頻率最低（為２２．５８％）；整個豫北地區夏季的極端干旱頻率為３．２２％。由圖４（ｃ）可知秋季發生干旱頻率為２５．８０％～４１．９３％，鶴壁市區、衛輝市、輝縣市發生干旱頻率最高（為４１．９３％），其以輕度與中度干旱為主，極端干旱的發生頻率在３．２３％左右；范縣和臺前縣的干旱發生頻率較低（ 為２５． ８０％）， 同時秋季極端干旱頻率為３．２３％。由圖４ （ ｄ） 可知冬季發生干旱的頻率為２５．８０％～３５．４８％，其中濟源、沁陽、焦作、范縣等地區干旱發生頻率較高（為３５．４８％左右），安陽市區干旱發生頻率為２５．８０％；整個豫北冬季重度與極端干旱發生概率為３．２２％左右。

綜合來看，豫北地區１９９１—２０２１ 年干旱發生頻率季節之間存在顯著差異，整體干旱發生頻率為秋季＞夏季＞ 冬季＞ 春季。不同尺度各站點干旱頻率為２２．５８％～４１．９３％，春秋季節干旱發生頻率集中在豫北地區中部的安陽市與鶴壁市等地區，并且秋季干旱面積較大；而夏季、冬季干旱發生頻率在豫北地區東部與西部濟源市、焦作市與濮陽市等地較高。

２．４ 小波分析

為分析豫北地區干旱周期的變化特征，對年尺度ＳＰＥＩ 值進行Ｍｏｒｌｅｔ 小波分析，得出小波系數實部和小波方差圖（見圖５）。由小波系數實部圖［見圖５（ａ）］看出，豫北地區氣候演變過程在不同時間尺度上呈現出較為明顯的干濕變化，近３２ ａ 中，豫北在３～１５ ａ 時間尺度上出現８ 次干濕震蕩，且干濕演變周期性特征比較穩定。由小波方差圖［見圖５（ｂ）］看出，豫北地區年尺度ＳＰＥＩ 在３～１５ ａ 時間尺度上出現１ 個明顯峰值與１ 個小峰值，分別對應９ ａ 時間尺度與４ ａ 時間尺度，其中９ ａ 時間尺度為豫北地區干旱變化主周期、４ ａ時間尺度為豫北地區干旱變化次周期。由小波分析可知，豫北地區每９ ａ 經過一個明顯干濕變化、４ ａ 經過一個較小干濕變化。

３ 討論

本文在研究中存在一些不足之處：１）氣象數據的時間序列不夠長，不能充分反映豫北地區干旱的時空變化趨勢， 且周期性變化不夠明顯。２ ） 采用Ｔｈｏｒｎｔｈｗａｉｔｅ 方法計算蒸散量，只考慮了降水量、氣溫與經緯度等因素，未深入研究蒸散發與濕度、風速等其他氣象因素的相關性，今后可采用Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ方法計算蒸散量。３）影響干旱的因素很多，干旱過程較為復雜，今后研究還需要考慮植被對干旱響應、干旱持續時間、干旱影響范圍與干旱強度等方面對干旱的影響進行全面分析。

４ 結論

以豫北地區２３ 個均勻分布的氣象站點月降水量與氣溫數據資料為依據，計算干旱指數ＳＰＥＩ，并通過趨勢分析、Ｍ－Ｋ 檢驗、干旱頻率（反權重法ＩＤＷ）和小波分析等方法分析１９９１—２０２１ 年豫北地區時空演變特征。具體結論如下：

１）時間上，１９９１—２０２１ 年干旱指數ＳＰＥＩ 隨時間變化顯著，月尺度與季尺度的波動頻率較大、對降水量與氣溫等因素的敏感性突出，而年尺度干旱指數相對穩定，反映了氣象干旱的年際變化特征。同時，月尺度ＳＰＥＩ 有較小上升趨勢，季、年尺度ＳＰＥＩ 呈顯著上升趨勢，說明豫北地區干旱有減輕趨勢。另外由Ｍ－Ｋ 突變檢驗可知，年、季尺度ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現多個交點說明了豫北地區干旱情況不穩定。

２）空間上，豫北地區的干旱發生頻率區域分布存在差異， 各市整體的干旱發生頻率為２２． ５８％ ～４１．９３％。春、秋季干旱頻率較高發生在中部地區安陽市與鶴壁市等，而夏、冬季干旱頻率較高發生在東部與西部地區濟源、焦作與濮陽等；干旱強度多輕度與中度干旱，而重度與極端干旱發生頻率較低，年尺度干旱頻率空間上與夏、冬季干旱頻率分布相似。３）Ｍｏｒｌｅｔ 小波分析時間周期性顯示，豫北地區干旱發生時間呈９ ａ 一個明顯干濕變化周期與４ ａ 一個較小干濕變化周期。

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