基于SPI的黔東南州近52 a的干旱特征分析

徐德智，張 杰，楊 帆，羅嵐心

(1.貴州省施秉縣氣象局，貴州 施秉 556200；2.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000；3.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

基于SPI的黔東南州近52 a的干旱特征分析

徐德智1，張 杰2，楊 帆2，羅嵐心3

(1.貴州省施秉縣氣象局，貴州 施秉 556200；2.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000；3.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

基于1961—2012年黔東南州16站的逐月降水資料，從單站干旱SPI指數(shù)出發(fā)，分析了黔東南州52 a來年際干旱和季節(jié)性干旱的時間變化趨勢和空間變化特征，結(jié)果表明：①52 a間，年際干旱和季節(jié)性干旱呈上升趨勢，干旱主要集中在1985—1989年和2001—2012年；②除冬旱以外，無論是年際干旱還是季節(jié)性干旱，干旱發(fā)生頻率較高地區(qū)位于黔東南州中部以北地區(qū)，州南部年際干旱、春旱、夏旱和秋旱發(fā)生頻率較低；③森林覆蓋率較高的地區(qū)發(fā)生干旱的頻次最低，降水較少地區(qū)發(fā)生干旱的頻次較高。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；干旱；黔東南

1 引言

全球氣溫普遍升高[1]必然引起能量上的變化，導(dǎo)致大氣環(huán)流異常，同時對水資源的循環(huán)過程產(chǎn)生影響，造成蒸發(fā)、降水等在時空上的重新分配，影響極端氣候事件的強(qiáng)度和頻率，使極端氣候事件所造成的經(jīng)濟(jì)損失也呈現(xiàn)顯著上升趨勢[2]。在各類極端氣候事件中，干旱由于持續(xù)時間長、受災(zāi)面積大，往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。干旱指標(biāo)可以反應(yīng)一個地區(qū)水份供給的情況和水資源量的變化趨勢，因此可以用來表示區(qū)域氣候的干濕程度，對區(qū)域的旱澇特征進(jìn)行分析。楊娟[3]對SPI指數(shù)在貴州旱澇災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在各區(qū)域各時段均能有效的反映貴州的旱澇情況。

黔東南州位于云貴高原的東南部，東接湖南，南臨廣西，在省內(nèi)與黔南州和銅仁地區(qū)毗鄰，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。隨著全球氣候變暖、氣溫升高，近年來黔東南大范圍干旱、旱澇急轉(zhuǎn)等事件不斷增加，預(yù)計(jì)今后這種較大范圍內(nèi)的旱澇也會頻繁出現(xiàn)，因此應(yīng)用SPI指數(shù)對黔東南州的旱澇特征進(jìn)行分析，研究近52a黔東南的旱澇特征的變化規(guī)律，為干旱監(jiān)測、預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工程建設(shè)提供依據(jù)，為政府決策和適應(yīng)氣候變化服務(wù)。

2 資料和方法

本研究采用了黔東南州16個縣(市)1961—2012年逐月降水資料，資料來源于黔東南州氣象局，對所缺年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行了差值填補(bǔ)。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI[4]可以用來確定有降水的地區(qū)在特定時間尺度上的降雨異常事件，在降水分析中，采用伽馬函數(shù)擬合降水時間序列，然后在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理求得SPI。具體原理及計(jì)算方法如下：

(1)

當(dāng)G(x)>0.5，H(x)=1-G(x)，S=1；當(dāng)G(x)≤0.5，H(x)=G(x)，S=-1。G(x)由Г分布函數(shù)密度積分公式求得：

(2)

(3)

式中：β為Г函數(shù)的尺度參數(shù)，γ為Г函數(shù)的形狀參數(shù)；C0，C1，C2和d1，d，d3為 Г函數(shù)轉(zhuǎn)換為累計(jì)頻率簡化近似求解公式的計(jì)算參數(shù)，其取值為：

C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

參照國家氣候中心的劃分標(biāo)準(zhǔn)[5]劃分旱澇等級，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)干旱等級劃分

3 SPI在黔東南州適用性檢驗(yàn)

3.1 SPI和黔東南州干旱受災(zāi)面積的一致性對比

將計(jì)算出來的SPI與黔東南州1981—2012年干旱受災(zāi)面積進(jìn)行對比，檢查SPI指數(shù)的變化能否反映出受災(zāi)面積的變化，以及峰值所在的年份。當(dāng)受災(zāi)面積越大時，SPI指數(shù)應(yīng)該越小(趨向于干旱)，用此來檢驗(yàn)SPI指數(shù)與干旱受災(zāi)面積的年際變化是否一致，評價(jià)SPI指數(shù)的適用性。

圖1分別為黔東南州1981—2012年干旱受災(zāi)面積年際變化(上)和計(jì)算出的SPI指數(shù)的年際變化(下)。上圖中顯示了黔東南州受災(zāi)面積的年際變化，可以看出： 1980s黔東南州的干旱比較嚴(yán)重，其中1981、1985和1989年的受災(zāi)面積都超過了10萬hm2，而在1990s黔東南州的干旱受災(zāi)面積相對較小，僅1992年的受災(zāi)面積超過了10萬hm2，進(jìn)入到21世紀(jì)后，黔東南州的干旱又趨于嚴(yán)重，其中2003、2005、2010和2011年都超過了10萬hm2，2011年更是達(dá)到了歷史極值，為22.5萬hm2。將SPI指數(shù)的年際變化與受災(zāi)面積進(jìn)行對比可以看出：20世紀(jì)80年代，當(dāng)黔東南州干旱較嚴(yán)重時，同期SPI指數(shù)基本小于-0.5，極值為1981、1985、1986和1989年，與受災(zāi)面積的年際變化一致性較高；20世紀(jì)90年代，黔東南州干旱較輕，同期SPI指數(shù)基本大于0，最小值也位于1992年，與受災(zāi)面積的變化一致；進(jìn)入到21世紀(jì)后，黔東南州干旱加劇，同期SPI指數(shù)的也趨向于小于-0.5，極值為2003、2005、2010和2011年，其中2011年也為歷史最小值，這與受災(zāi)面積的年際變化完全一致。綜上說明，SPI指數(shù)基本可以反映出黔東南州干旱的年際變化，當(dāng)受災(zāi)面積大于10萬hm2時，SPI指數(shù)表現(xiàn)為小于-1，受災(zāi)面積越大，SPI指數(shù)越小，這說明SPI指數(shù)可以反映出干旱年際變化，而且對缺少干旱受災(zāi)面積數(shù)據(jù)的年份有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 1981—2012年黔東南州干旱受災(zāi)面積和SPI指數(shù)的年際變化

3.2 SPI和黔東南州干旱成災(zāi)率空間分布的一致性對比

成災(zāi)率是指成災(zāi)面積占受災(zāi)面積的比例，在對不同地區(qū)做相互對比時，使用成災(zāi)率可以避免耕地面積不同對受災(zāi)面積的影響。根據(jù)黔東南州1981—2012年的干旱受災(zāi)面積和干旱成災(zāi)面積計(jì)算得出成災(zāi)率，并繪制成空間分布圖(圖2左)。根據(jù)單站季節(jié)性SPI指數(shù)在輕旱以上的年份，按照輕旱代表數(shù)值為1、中旱代表數(shù)值為2、重旱代表數(shù)值為3，特旱代表數(shù)值為4，計(jì)算單站干旱頻率，繪制成1981—2012年黔東南州干旱頻率的空間分布圖(圖2右)。

圖2 1981—2012年黔東南州干旱成災(zāi)率和頻率的空間分布

由圖2左可知，1981—2012年黔東南州成災(zāi)率較高地區(qū)位于州北部的施秉縣、鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣和黃平縣，東部的麻江縣和雷山縣以及南部的黎平縣，而岑鞏縣、三穗縣、凱里市、榕江縣和從江縣的成災(zāi)率相對較低，呈現(xiàn)不規(guī)律的空間分布。將根據(jù)SPI指數(shù)計(jì)算得出的干旱頻率的空間分布圖與成災(zāi)率空間分布圖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)干旱頻率較高區(qū)域也位于州北部，中心值區(qū)位于黃平縣，周邊的施秉縣、麻江縣、雷山縣和鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣的干旱頻率相對都較高，而岑鞏縣、凱里市、榕江縣和從江縣的干旱頻率都比較低，這與干旱成災(zāi)率的空間基本分布一致，說明SPI指數(shù)反映出的干旱空間分布與實(shí)際情況一致。

4 旱澇特征分析

4.1 年際干旱時空變化特征

利用1961—2012年12個月時間尺度的SPI指數(shù)，對黔東南16個縣(市)12個月時間尺度的SPI進(jìn)行了平均，平均值代表黔東南州區(qū)域的干旱程度。1961—2012年黔東南州年際SPI時間序列變化曲線，見圖3。

圖3 1961—2012年黔東南州年際SPI時間序列變化曲線

由圖3可知：黔東南州近52a發(fā)生了7次輕旱(1962年、1963年、1981年、2001年、2003年、2006年和2009年)、3次中旱(1966年、1985年、和1986年)、和3次重旱(1989年、2005年和2011年)。20世紀(jì)60年代，黔東南州的雨水較少，10 a發(fā)生了3次干旱，其中1966年的干旱較為嚴(yán)重，20世紀(jì)70年代，黔東南州受干旱影響不大，到了80年代，黔東南州處于少雨時期，出現(xiàn)了3次較嚴(yán)重干旱，而90年代為豐水期，雨水較為充沛，受干旱影響的程度較輕，進(jìn)入2000年后黔東南州干旱出現(xiàn)的頻次明顯增加，12a間共出現(xiàn)旱災(zāi)6次。近52a來SPI指數(shù)呈逐漸下降的趨勢，說明黔東南州干旱呈增加趨勢。

根據(jù)單站年度SPI指數(shù)在輕旱以上的年份，按照輕旱代表數(shù)值為1、中旱代表數(shù)值為2、重旱代表數(shù)值為3、特旱代表數(shù)值為4，計(jì)算單站干旱頻率，結(jié)果表明(圖4)：黔東南州干旱發(fā)生頻率最高的地區(qū)為東部的天柱縣，其次是北部的施秉縣、黃平縣和西部的凱里市，干旱發(fā)生頻率較低的地區(qū)為南部的從江縣、榕江縣、黎平縣和東部的錦屏縣。

圖4 1961—2012年黔東南州干旱頻率的空間分布

究其原因主要有以下兩點(diǎn)：①黔東南州降水主要集中在夏季，因此夏季降水的空間分布與干旱發(fā)生有著密切的聯(lián)系，黔東南州夏季降水主要受西太平洋副熱帶高壓、高空槽、西南低空急流和西南渦的影響，當(dāng)西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的西南急流帶來了暖濕氣流，造成清水江流域以及以南地區(qū)的豐富降水，所以州中部以南地區(qū)發(fā)生干旱的概率較??；當(dāng)西南渦東移，由于地形的抬升作用，系統(tǒng)加強(qiáng)，易在州西南部地區(qū)造成強(qiáng)降水天氣；州北部地區(qū)位于武陵山脈南側(cè)，苗嶺山脈東北側(cè)，處于背風(fēng)區(qū)，南來的暖濕氣流北上后氣流下沉，并伴有焚風(fēng)效應(yīng)，故降水偏小。②黔東南州南部的森林覆蓋率較高，根據(jù)貴州省林業(yè)廳2012年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，州南部的黎平縣、從江縣、榕江縣和錦屏縣的森林覆蓋率在68%以上，高森林覆蓋率使得土壤的保水性較好，發(fā)生干旱的頻率較小。

4.2 季節(jié)性干旱時空變化特征

為了對黔東南地區(qū)季節(jié)性干旱的時空變化特征進(jìn)行分析，采用氣候?qū)W上常用的季節(jié)劃分方法對12個月進(jìn)行劃分，即：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季。利用1961—2012年12個月時間尺度的SPI指數(shù)，對黔東南16個縣(市)季節(jié)尺度的SPI進(jìn)行了平均，平均值代表黔東南州四季的干旱程度，見圖5。

由圖5可知，1961—2012年黔東南州季節(jié)干旱的多年變化與年際干旱相似：1961—1984年，黔東南州氣候相對濕潤、降水偏多，處于豐水期，除1963年發(fā)生了一次夏秋連續(xù)重旱和1967年冬季中旱外，其他年份均為無旱或輕級干旱，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響不大；1985—1989年，黔東南地區(qū)的降水偏少導(dǎo)致氣象干旱頻繁發(fā)生，1985年和1989年為夏秋連旱，1986年和1987年為春夏秋冬四季連旱，其中1986年干旱的程度最重，春季為重旱，夏季和冬季為重旱；進(jìn)入到21世紀(jì)，從2001年開始黔東南州氣象干旱發(fā)生頻繁，12a間發(fā)生春季干旱的有5a，春旱最為嚴(yán)重的為2010年，發(fā)生夏旱的有5a，2010年的夏旱最為嚴(yán)重，出現(xiàn)秋旱的有5a，秋旱最為嚴(yán)重的為2011年，冬旱發(fā)生的年數(shù)最多，共有6a，其中以2006年的冬旱最為嚴(yán)重，2012年的冬旱次之。從52a的變化趨勢來看，黔東南州四季的SPI指數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢，說明黔東南地區(qū)的氣候逐漸向干旱方向發(fā)展。

圖5 1961—2012年黔東南州四季SPI時間序列變化曲線

圖6 1961—2012年黔東南州季節(jié)性干旱頻率的空間分布

根據(jù)單站季節(jié)性SPI指數(shù)在輕旱以上的年份，按照輕旱1、中旱2、重旱3，特旱4的權(quán)重比例，計(jì)算單站干旱頻率。在ArcGIS中繪制黔東南州季節(jié)性干旱頻率空間分布圖(圖6)，結(jié)果表明：黔東南州東部和西部的春旱發(fā)生的頻率較高，其中東部的天柱縣，西部的凱里市和麻江縣是兩個強(qiáng)度相當(dāng)?shù)母咧抵行模幌暮蹬c年際干旱的空間分布較類似，這是因?yàn)榍瓥|南州降水主要集中在夏季，其中天柱縣、施秉縣和黃平縣發(fā)生的概率最高；秋旱發(fā)生的高頻率區(qū)有明顯的從南向北逐漸深入的趨勢，高值區(qū)位于州北部的岑鞏縣、施秉縣和黃平縣；冬旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)為州西南部丹寨縣、榕江縣和從江縣，三穗縣和黃平縣發(fā)生冬旱的概率最小。

5 結(jié)論與討論

①通過SPI指數(shù)在黔東南州的適應(yīng)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SPI指數(shù)可以反映出的干旱年際變化和空間分布與實(shí)際情況基本一致，并對缺少干旱受災(zāi)面積數(shù)據(jù)的年份有一定的指導(dǎo)意義。 運(yùn)用SPI指數(shù)對黔南州旱澇特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)60年代，黔東南州的雨水較少，10 a間共經(jīng)歷了3次干旱，其中1966年的干旱較為嚴(yán)重，70年代，黔東南州受干旱影響不大， 80年代，黔東南州處于少雨時期，共出現(xiàn)了3次較嚴(yán)重干旱，而90年代為豐水期，受干旱影響的程度較輕，進(jìn)入2000年后黔東南州干旱出現(xiàn)的頻次明顯增加，12a共出現(xiàn)旱災(zāi)6次，近52a黔東南州年際干旱指標(biāo)呈上升趨勢。

②從干旱發(fā)生概率的空間分布來看：無論是年際干旱還是除冬旱以外的季節(jié)性干旱，黔東南州中部以北地區(qū)發(fā)生干旱的頻率較高；州南部黎平縣、從江縣和榕江縣的年度干旱、春旱、夏旱和秋旱出現(xiàn)的頻率較低；年度干旱、春旱和夏旱出現(xiàn)頻率最高的地區(qū)為州東部的天柱縣。

③黔東南州森林覆蓋率最高的從江縣、榕江縣、黎平縣和錦屏縣發(fā)生干旱的頻次最低，處于背風(fēng)區(qū)的州北部地區(qū)因降水偏少，發(fā)生干旱的頻次較高。

運(yùn)用不同時間尺度的SPI指數(shù)對黔東南州的干旱特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果較好的反映了黔東南州干旱的發(fā)展演變情況和趨勢，另一方面，干旱的發(fā)生與降水多少、土壤墑情、水份蒸發(fā)、水利設(shè)施等諸多因素有關(guān)，本研究中只考慮了降水因素，而忽略了氣溫、蒸發(fā)等因素的影響，單一的用SPI指數(shù)進(jìn)行分析，存在一定的片面性。在今后的研究中，可以采用國家氣候中心最新的綜合干旱指數(shù)(MCI)進(jìn)行分析研究，結(jié)果也會更加全面。

[1] IPCC.Climate Change 2007：The Physical Science Basis.Contribution of Working Group1to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge.UK；Nw York，USA：Cambridge University Press，2007.

[2] 氣候變化國家評估報(bào)告編寫委員會.第二次氣候變化國家評估報(bào)告.北京，科學(xué)出版社，2011，pp710.

[3] 楊娟.貴州旱澇災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)及其應(yīng)用[J].貴州氣象，2009，33(6)：3-6.

[4] 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.

[5] 國家氣候中心，中國氣象科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Drought characteristic analysis according SPI in recent 52 years in Southeast Guizhou

XU Dezhi1,ZHANG Jie2,YANG Fan2,LUO Lanxin3

(1.Meteorological Bureau of Shibing, Shibing Guizhou 556200;2.Meteorological Bureau of Qiandongnan,Kaili Guizhou 556000;3.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081)

Based on the monthly precipitation data from 16 meteorological stations in Qiandongnan, the temporal and spatial distribution characteristics of annual and seasonal droughts of 52 years (1961-2012) were analyzed with the standardized precipitation index (SPI). The results showed that：①the annual and seasonal droughts increased in 52 years and concentrated from 1985 to 1989 and from 2001 to 2012;②in addition to the winter drought,whether annual or seasonal drought, high frequency area was located to the north of central state and low frequency area was located to the southern state;③the frequency of drought was highest in less precipitation area and lowest in high forest coverage area.

Standardized Precipitation Index(SPI); droughts; Qiandongnan

2013-11-26

徐德智(1964—)，男，助工，主要從事縣級精細(xì)化預(yù)報(bào)氣象服務(wù)、均等化城鄉(xiāng)氣象服務(wù)等工作。

1003-6598(2015)01-0009-05

P466

A