基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的魯西地區(qū)旱澇時(shí)空特征分析

李慧 李楠 韓學(xué)蕾 王小亞

摘要 利用魯西地區(qū)8個(gè)臺(tái)站1962—2015年逐月降水資料，計(jì)算了魯西地區(qū)各月的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI），在此基礎(chǔ)上分析了全年及各季節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，應(yīng)用M-K突變檢驗(yàn)、小波分析和ArcGIS空間插值方法分析了旱澇的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明，春季SPI呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其余各季節(jié)及全年SPI均呈減少趨勢(shì)?？臻g分布，年尺度干旱分布中東部縣干旱次數(shù)高于西部縣；雨澇呈現(xiàn)南北分布，南部縣次數(shù)高于北部縣。季節(jié)旱澇分布，春夏干旱多發(fā)生在東部及南部縣，秋冬干旱集中在西北部縣；季節(jié)雨澇次數(shù)較多發(fā)生在南部及東部縣。

關(guān)鍵詞 旱澇；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；時(shí)空特征；魯西地區(qū)

中圖分類號(hào) P426.616 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）06-0190-04

Analysis of Spatial and Temporal Characteristics of Drought and Flood in Luxi Area Based on Standardized Precipitation Index

LI Hui， LI Nan*， HAN Xue-lei et al

（Liaocheng Meteorological Bureau， Liaocheng， Shandong 252000）

Abstract By using monthly precipitation data of 8 stations in Luxi area during 1962-2015， standard precipitation index （SPI） in each month was calculated. On the basis of this， SPI of whole year and each season was analyzed. The spatial and temporal distribution characteristics of drought and flood were analyzed by using M-K mutation test， wavelet analysis， and ArcGIS spatial interpolation method. The results showed that： SPI in spring presented an increasing trend， and the rest of the season and the average annual showed a decreasing trend. In spatial distribution， drought times in eastern counties was higher than that of western counties， waterlogging presented south-north distribution， and the occurrence times in southern counties was higher than that in northern counties. As for seasonal drought and flood distribution， spring and summer drought occurred in eastern and southern counties， autumn and winter drought concentrated in northwestern counties；seasonal floods more frequently occurred in southern and eastern counties.

Key words Drought and flood；Standardized precipitation index（SPI）；Temporal and spatial characteristics；Luxi area

21世紀(jì)以來極端氣候事件頻發(fā)，我國生態(tài)環(huán)境具有復(fù)雜多變、敏感脆弱及人類活動(dòng)影響顯著的特點(diǎn)[1]。我國是世界上受氣象災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一[2]。近年來，我國自然災(zāi)害發(fā)生的頻率和造成的損失有明顯增加的趨勢(shì)[3]。為了定量表達(dá)旱澇程度，學(xué)者們先后提出了降水距平百分率、帕默爾干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index，PDSI）、地表水分供應(yīng)指數(shù)（Surface Water Supply Index，SWSI）和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）等[4-7]?；诮邓Y料的SPI指數(shù)具有計(jì)算簡單、資料容易獲取及多時(shí)間尺度的優(yōu)勢(shì)，已在國內(nèi)外干旱監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用。

聊城地處中原腹地、山東省西部（35°47′～37°03′ N、115°16′～116°30′ E），是主要的糧食產(chǎn)區(qū)[8]。處于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季高溫多雨，易出現(xiàn)局部內(nèi)澇；冬季寒冷干燥，春秋季降水偏少、干旱多風(fēng)[9]。該地區(qū)旱澇災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。筆者根據(jù)聊城地區(qū)54年來的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，采用SPI分析了該地區(qū)的旱澇時(shí)間特征及規(guī)律，以期為減輕旱澇災(zāi)害損失和政府防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取聊城市氣象局8個(gè)觀測(cè)站（臨清、冠縣、聊城、陽谷、莘縣、高唐、茌平、東阿）1962—2015年的逐月降水資料。四季劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。

1.2 分析方法

采用SPI結(jié)合氣候傾向率分析聊城地區(qū)的旱澇時(shí)間特征[10]。基于1962—2015年8個(gè)氣象站的年尺度及季節(jié)SPI指數(shù)分析得到各氣象站點(diǎn)旱澇次數(shù)，利用ArcGIS空間插值法分析聊城地區(qū)旱澇災(zāi)害空間分布特征。

SPI是基于降水量的分布，一般不是正態(tài)分布，而是一種偏態(tài)分布[11]。在計(jì)算出某時(shí)段內(nèi)降水量的分布概率后，再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分旱澇等級(jí)[11]。該研究根據(jù)干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T20481 氣象干旱等級(jí)）規(guī)定了氣象干旱指數(shù)的計(jì)算方法、等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)、等級(jí)命名、使用方法等。旱澇指標(biāo)劃分為：-0.5標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的計(jì)算步驟：假設(shè)某時(shí)段降水量為隨機(jī)變量x，則其分布概率密度函數(shù)如下：

f（x）=1βγΓ（γ）xγ-1e-x/β（1）其中，x>0；β>0、γ>0，分別為尺度和形狀參數(shù)，可用極大似然估計(jì)方法求得：

γ=1+1+4A/34A（2）

β=/（3）

A=lg-1nni=1lgxi（4）式中，xi為降水量資料樣本；為降水量氣候平均值。概率密度函數(shù)中的參數(shù)確定后，對(duì)于某一年的降水量x0，可求出隨機(jī)變量x小于x0事件的概率：

F（x

2.3 旱澇空間變化特征

從圖4可以看出，高唐縣干旱發(fā)生次數(shù)最多，其次為陽谷縣及東阿縣，中西部縣干旱發(fā)生次數(shù)相對(duì)較少；年尺度的雨澇呈現(xiàn)南北分布，南部的陽谷縣、東阿及莘縣雨澇次數(shù)高于北部縣，其中位于中間位置的聊城市次數(shù)相對(duì)較少。

季節(jié)尺度干旱次數(shù)分布（圖5）顯示，近54年聊城地區(qū)春季干旱發(fā)生次數(shù)最多，為19次，夏季干旱相對(duì)少，冬季與秋季發(fā)生干旱次數(shù)相差不大，但量級(jí)上秋季略大于冬季。春季干旱：中部及東部縣發(fā)生干旱次數(shù)多于西南部縣；夏季干旱：北部縣發(fā)生頻率高于南部縣；秋季與冬季干旱分布較為一致，都是西部縣發(fā)生干旱次數(shù)高于東部縣。

季節(jié)尺度雨澇次數(shù)分布（圖6）顯示，近54年聊城地區(qū)夏季雨澇發(fā)生頻率最高且量級(jí)最大；春季雨澇次數(shù)較少，量級(jí)也最小，基本上處于輕澇的級(jí)別；冬季與秋季發(fā)生雨澇次數(shù)基本相當(dāng)，量級(jí)上冬季的雨澇大于秋季，主要是聊城地區(qū)冬季降雪較為明顯?？臻g分布，春季雨澇發(fā)生次數(shù)較多的集中在中部及東部縣；夏季雨澇發(fā)生次數(shù)最多的為陽谷，臨清及高唐次之；秋季雨澇次數(shù)最多的為臨清，其次為南部幾個(gè)縣；冬季雨澇分布較多的為南部的莘縣、陽谷，北部縣發(fā)生雨澇次數(shù)相對(duì)較少。

3 結(jié)論

采用SPI作為旱澇評(píng)價(jià)因子，對(duì)1962—2015年聊城地區(qū)54年旱澇時(shí)空特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，SPI年均值呈減少趨勢(shì)，小波分析中年尺度SPI中存在較為顯著的3、4年低頻主振蕩周期及44年未閉合長周期，表明未來干旱的趨勢(shì)還將繼續(xù)。

旱澇季節(jié)變化：春季降水呈現(xiàn)不明顯的增加趨勢(shì)，春旱趨勢(shì)轉(zhuǎn)弱；夏季降水整體趨勢(shì)減少，但夏季突發(fā)性旱澇增加；秋、冬季節(jié)整體均呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢(shì)，秋季干旱呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，冬季降水在近幾年開始有增加的趨勢(shì)，冬旱近幾年及未來趨勢(shì)會(huì)有所減弱。

年均旱澇空間變化：年尺度干旱分布中，高唐縣干旱發(fā)生次數(shù)最多，其次為陽谷縣及東阿縣，中西部縣干旱發(fā)生次數(shù)相對(duì)較少；年尺度的雨澇分布中，陽谷縣及東阿縣雨澇較多，聊城市次數(shù)分布相對(duì)較少。季節(jié)旱澇空間變化：春季雨澇發(fā)生次數(shù)較多的集中在中部及東部縣，夏季雨澇發(fā)生次數(shù)較多的為北部及南部縣；秋季雨澇次數(shù)最多的為臨清，其次為南部幾個(gè)縣；冬季雨澇分布較多的為南部的莘縣、陽谷。

旱澇是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈共同作用的過程[12]，該研究僅從降水因素分析旱澇特征，沒有考慮水文及灌溉等因素的影響，以后將結(jié)合其他旱澇指標(biāo)進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步研究魯西地區(qū)旱澇時(shí)空演變特征。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜海波.全球氣候變化背景下東北地區(qū)極端氣候事件研究[D].長春：東北師范大學(xué)，2015.

[2] 章國材.防御和減輕氣象災(zāi)害：2006年世界氣象日主題[J].氣象，2006，32（3）：3-5.

[3] 翟祿新，馮起.基于SPI的西北地區(qū)氣候干濕變化[J].自然資源學(xué)報(bào)，2011，26（5）：847-857.

[4] 黃榮輝，蔡榕碩，陳際龍，等.我國旱澇氣候?yàn)?zāi)害的年代際變化及其與東亞氣候系統(tǒng)變化的關(guān)系[J].大氣科學(xué)，2006，30（5）：730-743.

[5] 安華.華北地區(qū)旱澇時(shí)空變化特征及趨勢(shì)判斷[D].西安：陜西師范大學(xué)，2013.

[6] 林琳.近30年我國主要?dú)庀鬄?zāi)害影響特征分析[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2013.

[7]

王芝蘭，王勁松，李耀輝，等.標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)與廣義極值分布干旱指數(shù)在西北地區(qū)應(yīng)用的對(duì)比分析[J].高原氣象，2013，32（3）：839-847.

[8] 李楠，邱新法，紀(jì)凡華，等.魯西平原參考作物蒸散量變化及氣候影響分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（8）：1852-1856.

[9] 孫澤龍.聊城市水資源評(píng)價(jià)與供需平衡分析[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[10] 王媛媛，張勃.基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的近40a隴東地區(qū)旱澇時(shí)空特征[J].自然資源學(xué)報(bào)，2012，27（12）：2135-2144.

[11] 黃晚華，楊曉光，李茂松，等.基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的中國南方季節(jié)性干旱近58a演變特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（7）：50-59.

[12] 馮明.氣候變化對(duì)水文水資源的影響研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.