基于SPEI的貴州省近60年干旱時(shí)空特征分析

李 月，白曉永，周運(yùn)超，田義超,4，秦羅義，羅光杰,4

(1.中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000； 3.中國(guó)科學(xué)院 普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，貴州 普定 562100；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于SPEI的貴州省近60年干旱時(shí)空特征分析

李 月1,2,3，白曉永1,3，周運(yùn)超2,3，田義超1,3,4，秦羅義1,3，羅光杰1,3,4

(1.中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000； 3.中國(guó)科學(xué)院 普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，貴州 普定 562100；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)；干旱；時(shí)空特征；貴州省

基于貴州省19個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2013年實(shí)測(cè)氣象資料，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，通過(guò)計(jì)算各站歷年逐月的SPEI指數(shù)值，統(tǒng)計(jì)近60年各站點(diǎn)出現(xiàn)的干旱過(guò)程，分析了貴州省歷年、歷年各季尺度上的干旱年際變化趨勢(shì)、四季變化趨勢(shì)和干旱頻率，揭示了貴州省干旱發(fā)生的時(shí)空演變特征。研究結(jié)果表明：近60年來(lái)尤其是1990年以來(lái)貴州省干旱化趨勢(shì)較為明顯；在空間尺度上，貴州省在年和春、夏、秋、冬尺度上均有干旱發(fā)生，干旱頻率較高的區(qū)域主要集中在遵義市東部地區(qū)、銅仁大部分地區(qū)、黔東南北部和習(xí)水、赤水地區(qū)；在年代際變化方面，貴州省以2009—2013年干旱最為嚴(yán)重，發(fā)生干旱高頻區(qū)向東北部和西部轉(zhuǎn)移。干旱事件的發(fā)生呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性和區(qū)域性，總體分布呈現(xiàn)從西南向東北遞增的特點(diǎn)。

近年來(lái)干旱事件在全球頻繁發(fā)生，嚴(yán)重危及人類(lèi)的生存，引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注[1-6]。目前學(xué)者們普遍使用干旱指數(shù)(PDSI)、作物水分指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)等對(duì)干旱事件進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。PDSI以水分供需平衡為基礎(chǔ)，結(jié)合前期的濕度、蒸發(fā)、降水、水文等因子，將極端干旱和濕潤(rùn)測(cè)量變?yōu)榭赡?，但其在使用中存在一些局限，比如使用區(qū)域主要集中在干旱、半干旱地區(qū)，旱情等級(jí)界定存在較為明顯的主觀因素[7-8]。SPI指數(shù)能較好地反映干旱的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度，應(yīng)用過(guò)程簡(jiǎn)便，但僅考慮了降水資料，未考慮溫度、蒸散量等因素影響[8]。2010年Vicente-Serrano[9]等在SPI的基礎(chǔ)上引入潛在蒸散，構(gòu)建了新的適用于氣候變暖背景下干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估的氣候指數(shù)SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)，它是通過(guò)降水和蒸散量來(lái)反映干旱的程度，是全球變暖背景下研究干旱的新的理想指數(shù)，被許多專(zhuān)家和學(xué)者采用。如王林等[10]以干旱變化的不同時(shí)間尺度特征為出發(fā)點(diǎn)，利用具有多時(shí)間尺度變化并考慮溫度影響的SPEI指數(shù)對(duì)我國(guó)西南地區(qū)近百年的干旱演變特征進(jìn)行了分析；李偉光等[11]運(yùn)用SPEI指數(shù)分析了我國(guó)華南地區(qū)的干旱變化特征；石崇等[12]用SPEI指數(shù)對(duì)東半球陸地干旱變化特征進(jìn)行了研究；周丹等[8]基于SPEI指數(shù)揭示了陜西省干旱發(fā)生的時(shí)空和強(qiáng)度演變特征；秦鵬程等[13]應(yīng)用SPEI指數(shù)分析了在全球氣候變暖背景下東北地區(qū)玉米生長(zhǎng)季的干旱演變特征。

SPEI指數(shù)基于降水與蒸散，既保留了PDSI考慮蒸散、對(duì)溫度敏感的特點(diǎn)，又具備SPI指數(shù)適合多尺度、多空間比較、準(zhǔn)確性較高的優(yōu)點(diǎn)，但之前的研究區(qū)域主要集中在非喀斯特地區(qū)，尤其是運(yùn)用SPEI指數(shù)分析下墊面分散破碎的典型喀斯特地區(qū)在長(zhǎng)時(shí)間序列下的干旱變化趨勢(shì)的研究相對(duì)較少。鑒于此，本研究選取貴州省作為研究區(qū)，運(yùn)用SPEI指數(shù)反演該地區(qū)近60年來(lái)的干旱特征，對(duì)干旱的時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為貴州省氣候變化研究和干旱減災(zāi)決策提供依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

貴州省地處中國(guó)西南云貴高原東部山區(qū)，位于E103°36′～109°35′、N24°37′～29°13′，境內(nèi)地勢(shì)西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔1 100 m左右，地形地貌復(fù)雜。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15 ℃左右，降水較多，雨季明顯，陰天多，日照少，年陰天日數(shù)一般超過(guò)150 d，常年相對(duì)濕度在70%以上。受大氣環(huán)流、地形等影響，氣候地域差異較大，氣候不穩(wěn)定，災(zāi)害性天氣種類(lèi)較多。

選用貴州省19個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)臺(tái)站(威寧、望謨、興義、羅甸、獨(dú)山、凱里、榕江、三穗、遵義、思南、銅仁、畢節(jié)、安順、貴陽(yáng)、湄潭、習(xí)水、黔西、盤(pán)縣、桐梓)1960—2013年的逐月降水和氣溫等常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)個(gè)別臺(tái)站的缺測(cè)數(shù)據(jù)采用均值替換法進(jìn)行插補(bǔ)處理。對(duì)有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，確定錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或者斷點(diǎn)，給予剔除或用多年平均值取代，訂正處理后各臺(tái)站的要素資料具有較好的連續(xù)性。分別以年、季作為研究尺度，以當(dāng)年的1、2月和上一年的12月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

2 研究方法

(1)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)。SPEI指數(shù)計(jì)算方法原理是用降水量與蒸散量的差值偏離平均狀態(tài)的程度來(lái)表征某地區(qū)的干旱程度[14]。具體步驟如下：

第一步，計(jì)算潛在蒸散。Vicente-Serrano采用Thornthwaite方法

PET=16.0×(10Ti/H)A

(1)

式中：PET為可能蒸散量；Ti為月平均氣溫，℃，i=1,2,…,12；H為年熱量指數(shù)；A為常數(shù)。

第二步，計(jì)算逐月降水與蒸散的差值

Di=Pi-PETi

(2)

式中：Di為降水量與蒸散量的差值，mm；Pi為月降水量，mm；PETi為月蒸散量，mm；i=1,2,…,12。

第三步，同SPI方法，對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化，計(jì)算每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI指數(shù)。由于原始數(shù)據(jù)序列中可能存在負(fù)值，所以SPEI指數(shù)采用了3個(gè)參數(shù)的log-logistic概率分布。log-logistic概率分布的累積函數(shù)為

(3)

(4)

(5)

γ=w0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

上四式中：α、β、γ為參數(shù)；Γ為階乘函數(shù)；w0、w1、w2為原始數(shù)據(jù)序列Di概率加權(quán)矩。

對(duì)累積概率密度P進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化

P=1-F(x)

(7)

當(dāng)累積概率P≤0.5時(shí)

(8)

(9)

當(dāng)P>0.5時(shí)

(10)

上三式中：w為原始數(shù)據(jù)序列的概率加權(quán)矩；c0、c1、c2、d1、d2、d3為參數(shù)，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI具有多時(shí)間尺度(1、3、6、12、24、36個(gè)月等)特征，選用3、12個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI分析研究區(qū)季節(jié)和年際干旱時(shí)空演變特征。

(2)干旱發(fā)生頻率。統(tǒng)計(jì)了近60年來(lái)貴州省歷年及歷年各季干旱事件 (SPEI<-0.5)，干旱發(fā)生頻率P的計(jì)算公式為

P=n/N×100%

(11)

式中：n為實(shí)際有干旱發(fā)生的次數(shù)；N為資料序列數(shù)。

(3)SPEI指數(shù)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)?；赟PEI多時(shí)間尺度的特征，主要分析3個(gè)月、12個(gè)月尺度的季節(jié)干旱狀況。干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1[15]。

表1 SPEI指數(shù)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 平均SPEI指數(shù)年際變化

圖1反映了1960—2013年貴州省平均SPEI指數(shù)的年際變化。貴州省年平均SPEI指數(shù)值是全省19個(gè)氣象臺(tái)站年平均SPEI值的平均值，各臺(tái)站均勻分布在省內(nèi)各地區(qū)，因而數(shù)據(jù)具有很好的代表性。從圖1可以看出，1960—2013年貴州省的年平均SPEI指數(shù)總體上呈逐漸下降趨勢(shì)。5年滑動(dòng)平均曲線表明，SPEI指數(shù)值是在波動(dòng)中逐漸下降的，其中1963—1968年、1986—1994年呈上升趨勢(shì)，1996年以后下降趨勢(shì)較為明顯。2000年以來(lái)，曾于2006年出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，之后2009年一次新的厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致印度季風(fēng)衰退，貴州受其影響降水偏少[16]，在這樣的氣候趨勢(shì)下，2011、2013年均出現(xiàn)嚴(yán)重干旱事件。

圖1 貴州省平均SPEI指數(shù)年際變化

3.2 干旱的時(shí)間變化特征

3個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)可以反映干旱的季節(jié)特征。1960—2013年貴州省SPEI指數(shù)的四季變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2知，近60年貴州省四季SPEI指數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，即四季均呈干旱趨勢(shì)，其中夏季最為明顯。春季[圖2(a)]在20世紀(jì)80年代之前干旱趨勢(shì)不是特別明顯，但從1994年開(kāi)始5年滑動(dòng)平均曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，SPEI指數(shù)值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，表明干旱頻發(fā)，以2006年最為明顯 (SPEI=-1.08)。夏季[圖2(b)]干旱趨勢(shì)較春季明顯，趨勢(shì)線斜率為-0.12/10a，干旱趨勢(shì)較為顯著，其中1986年 (SPEI=-2.01)發(fā)生了極端干旱事件，從1988年開(kāi)始滑動(dòng)平均曲線波動(dòng)緩慢上升，但輕度和中度干旱仍頻繁發(fā)生。秋季[圖2(c)]干旱趨勢(shì)較春季不明顯，但根據(jù)5年滑動(dòng)平均曲線，2001年以后SPEI指數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)，主要是由于影響我國(guó)西南地區(qū)降水的主要天氣系統(tǒng)——南支槽活動(dòng)較弱，導(dǎo)致我國(guó)西南地區(qū)降水偏少，秋旱發(fā)生頻率升高。冬季[圖2(d)]SPEI指數(shù)以0.1/10a的速度下降，但干旱少有發(fā)生，可能是因?yàn)槎緶囟鹊?、蒸發(fā)少所致。

圖2 1960—2013年貴州省SPEI四季變化趨勢(shì)

3.3 連續(xù)干旱分布特征

當(dāng)SPEI月尺度數(shù)值連續(xù)3個(gè)月為輕度干旱以上，則確定為發(fā)生一次連續(xù)干旱過(guò)程[8]。表2為1961—2013年貴州省各站點(diǎn)干旱持續(xù)時(shí)間。由表2知，干旱持續(xù)時(shí)間達(dá)到3個(gè)月以上次數(shù)最多的是銅仁地區(qū)，近60 年來(lái)出現(xiàn)了34次干旱；次數(shù)最少的是興義地區(qū)，只有8次。最長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)干旱為10個(gè)月，出現(xiàn)過(guò)15次，出現(xiàn)次數(shù)最多的是威寧地區(qū)，分別出現(xiàn)在2005、2006和2010年；干旱持續(xù)時(shí)間超過(guò)8個(gè)月的出現(xiàn)過(guò)28次，均發(fā)生在2000年之后，由此可見(jiàn)2000年以來(lái)全省發(fā)生了多次大范圍的持續(xù)性干旱。

3.4 干旱的空間分布特征

從空間分布上看，貴州省干旱分布呈現(xiàn)自東北向西南逐漸減少的特點(diǎn)，銅仁、湄潭、畢節(jié)地區(qū)發(fā)生頻率最高，達(dá)25%以上，安順、望謨、羅甸以南地區(qū)普遍偏低，最低20%左右，其余地區(qū)多在22%～25%。春季干旱呈東多西少的分布規(guī)律，干旱主要發(fā)生在黔東南地區(qū)，發(fā)生頻率在22%以上，發(fā)生頻率最高的是三穗、銅仁地區(qū)，達(dá)25%以上，其余地區(qū)為12%～18%，發(fā)生頻率最低的是黔西南地區(qū)，不到10%。夏季受副熱帶暖性高壓控制，干旱主要發(fā)生在貴州省東北的部分地區(qū)，發(fā)生頻率在45%以上，發(fā)生頻率最高的是安順、畢節(jié)、盤(pán)縣地區(qū)，達(dá)55%以上，發(fā)生頻率最低的是黔西南州地區(qū)，約為20%，其余地區(qū)為20%～35%。秋季干旱呈現(xiàn)南少北多的特點(diǎn)，全省差異不是很大，主要發(fā)生在貴州省北部和中部地區(qū)，發(fā)生頻率最高的是銅仁、思南地區(qū)，達(dá)20%以上，北部地區(qū)為18%～23%，黔東南地區(qū)為10%～15%，發(fā)生頻率最低的是望謨和羅甸地區(qū)，在8%～10%，其余地區(qū)為16%～20%。冬季干旱西多東少的特點(diǎn)比較明顯，全省差異很大，主要發(fā)生在貴州省北部、西部的部分地區(qū)，發(fā)生頻率為15%～17%，發(fā)生頻率最高的是畢節(jié)、思南地區(qū)，達(dá)18%以上，發(fā)生頻率最低的是羅甸、銅仁、習(xí)水地區(qū)，不到5%，其余地區(qū)在10%～15%。

表2 1960—2013年貴州省各站點(diǎn)干旱持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與討論

通過(guò)計(jì)算各站歷年逐月SPEI值，揭示了貴州省近60年干旱時(shí)空分布變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：①近60年來(lái)，貴州省干旱發(fā)生頻率呈較為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其是20世紀(jì)80年代以來(lái)干旱發(fā)生頻率明顯增多，強(qiáng)度也呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)。②研究時(shí)段內(nèi)時(shí)間尺度上，貴州省干旱發(fā)生頻率的季節(jié)性十分明顯，春、夏季區(qū)域性干旱頻率明顯高于其他季節(jié)；空間尺度上，干旱發(fā)生區(qū)域差異顯著，干旱發(fā)生集中于東部地區(qū)，并呈現(xiàn)自西南向東北遞增的分布特點(diǎn)。

從研究結(jié)果還可以看出春夏季干旱對(duì)貴州省影響最大，故有關(guān)部門(mén)應(yīng)充分重視春夏季干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失和影響。值得注意的是，雖然SPEI指數(shù)在運(yùn)用過(guò)程中考慮了降水、持續(xù)時(shí)間和蒸散量因素，但是干旱事件的出現(xiàn)還受到地形、植被、風(fēng)速和環(huán)流等綜合因素的影響，而目前SPEI指數(shù)針對(duì)干旱發(fā)生的驅(qū)動(dòng)機(jī)制還不能給予很好的解釋?zhuān)又绊戀F州地區(qū)干旱的因素較多，物理機(jī)制較為復(fù)雜，因此在今后的研究中，對(duì)貴州地區(qū)干旱發(fā)生的機(jī)制和干旱的預(yù)測(cè)還需進(jìn)一步分析和研究。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

P462

A

1000-0941(2015)07-0057-04

李月(1991—)，女，貴州貴陽(yáng)市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗帘３?；通信作者白曉?1978—)，男，河北石家莊市人，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)閹r溶環(huán)境與水土保持。

2015-02-25