基于SPI的鄭州市近60年旱澇特征分析

王志良，曹 蕾

(華北水利水電學院，河南鄭州450011)

干旱指標可以反映水份供給的多少，因此可用來表示區(qū)域氣候的干濕變化以及水資源量的變化趨勢.目前已有的干旱指標各有優(yōu)缺點，如降水距平百分率計算簡單，應用廣泛;帕默爾旱情指數(shù)考慮因子全面，被各國應用多年，但時間相對滯后，計算復雜.Z指數(shù)在我國應用較多，袁文平等［1］比較了Z指數(shù)和標準化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)，認為SPI優(yōu)于Z指數(shù)，能較好地預測旱澇災害.使用SPI進行分析，資料易得，計算簡單，可以較好地反映干旱強度和持續(xù)時間，具有相同的干旱等級標準，可進行多時間尺度的旱澇等級對比分析，而且在不同地區(qū)和不同時段均具有良好的穩(wěn)定性，因而被廣泛應用［2］.

鄭州市位于河南省中部偏北，北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原.鄭州地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明.隨著全球氣候變暖，近年來鄭州市的強降雨、旱澇急轉等事件不斷增多，預計今后這種較大旱澇情形的出現(xiàn)將更加頻繁.1999年冶林茂等［3］利用近50年的降水數(shù)據(jù)分析了厄爾尼諾事件對鄭州年降水量的影響.2007年焦建麗和康雯瑛［4］運用奇異譜分析方法對鄭州市近56年來的年降水資料進行了分析.筆者應用SPI對鄭州市的旱澇特征進行分析，研究了鄭州市旱澇特征的變化規(guī)律，對城市防洪、工程設計與維護、避災減災具有一定的參考價值.

1 SPI的計算原理與等級劃分

McKee等［5］為了監(jiān)測氣候干旱的變化情況，提出了標準化的降雨指數(shù)(SPI)，可以用來確定有降雨量記錄的任何地區(qū)特定時間尺度的降雨異常事件.在降水分析中，采用伽馬函數(shù)擬合降雨時間序列，然后再經標準化處理求得SPI.具體原理及計算方法如下.

假設某一時段的降水量為x，則其伽馬分布的概率密度函數(shù)為:

式中:Γ(α)為伽馬函數(shù);α為形狀參數(shù)，α ＞0;β為尺度參數(shù)，β＞0;x為降水量，x＞0.

α，β可以采用最大似然估計法估算:

式中n為計算系列的長度.于是給定時間尺度的累積概率為

令t=x/β，上式可變?yōu)椴煌耆馁ゑR函數(shù)，

由于伽馬方程不包含x=0的情況，而實際的降水量x可以為0，所以累計概率可以表示為

式中q為降水為0的概率.如果m表示時間系列中降水量為0的數(shù)量，則q=m/n.累積概率H(x)可以通過下式轉換為標準正態(tài)分布函數(shù):d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308.

計算過程在MATLAB軟件中編程實現(xiàn).參照國家氣候中心的劃分標準［6］劃分旱澇等級，見表1.

表1 標準化降水指數(shù)干旱等級劃分

2 實例分析

以鄭州市1951—2010年月降水資料(來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網)進行分析，得到鄭州市1951—2010年時間尺度分別為 1，6，12，24 個月的SPI變化過程曲線，其中時間尺度為6，12，24個月的變化曲線經過了簡單平滑處理，如圖1所示.

圖1 鄭州市1951—2010年多時間尺度SPI過程線

從圖1可以看出，鄭州市在1960年1月至1965年12月出現(xiàn)了干旱指數(shù)的劇烈波動，在6 a內經歷了特旱到特濕再到特旱的變化過程，即這一時段內鄭州市旱澇變化明顯.這一點可以從同期降水量的變化得到解釋.圖2為鄭州市1960年1月至1965年12月的月降水量過程線，1960年和1965年降水明顯偏少，而1962—1964年的降水明顯偏大，以致于形成了短時期內氣候的干濕急劇變化.

另外從圖2可以看出，鄭州市旱澇特征的具體表現(xiàn)為:①總體上干旱占主導，而且多為持續(xù)性干旱，如1988—2003年連續(xù)多年一直持續(xù)小旱;②旱澇急劇交替變化顯示周期性特征，1958—1965年、1982—1988年為急劇變化期，2005至今也處于一個急劇變化期，近年內有較大旱澇災害的可能性較大.

圖2 鄭州市1960年1月至1965年12月的月降水量過程線

3 結語

不同時間尺度的標準化降水指數(shù)可較好地反映鄭州市干旱洪澇的發(fā)展演變狀況和趨勢.分析結果有助于全面了解鄭州市旱澇變化規(guī)律，為旱澇監(jiān)測、預警和防災減災工程建設提供依據(jù)，也為應對氣候變化、制定抗旱抗?jié)硿p災作物布局和技術措施提供理論依據(jù).

另一方面，在計算過程中認為降水量服從伽馬分布的假設，在不同的地域上還要進行檢驗，必要時可提出更好的概率分布用于計算.這里對鄭州市進行分析只是得到了鄭州市旱澇變化的一些規(guī)律，如需分析包含多個站點的更大區(qū)域，在分析單站之后還需結合地理信息系統(tǒng)相關知識進行空間關聯(lián)分析.

［1］袁文平，周廣勝.標準化降水指標與Z指數(shù)在我國應用的對比分析［J］.植物生態(tài)學報，2004，28(4):523－529.

［2］李春強，姚樹然，董占強，等.基于標準化降水指數(shù)(SPI)的河北省旱澇分析［C］.2008年全國農業(yè)氣象學術年會，2008.

［3］冶林茂，李朝興，喬春貴.厄爾尼諾事件對鄭州年降水量的影響［J］.河南氣象，1999(4):12.

［4］焦建麗，康雯瑛.鄭州市年降水的奇異譜分析［J］.氣象與環(huán)境科學，2007(4):54－56.

［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.