基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的陜西省干旱時空變化特征分析

李 斌，解建倉，胡彥華，姜仁貴

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基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的陜西省干旱時空變化特征分析

李 斌1,2，解建倉1，胡彥華2，姜仁貴1※

（1. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048； 2. 陜西省水利廳，西安 710004）

干旱作為當(dāng)今全球范圍內(nèi)危害嚴(yán)重且頻發(fā)的一種自然災(zāi)害之一，對人類和自然系統(tǒng)都產(chǎn)生較大影響。該文基于陜西省長歷時的典型測站逐日降水資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）、干旱頻率、干旱站次比和干旱強(qiáng)度等干旱指標(biāo)，揭示陜西省干旱時間與空間尺度上的變化特征，為區(qū)域水資源合理調(diào)配提供參考。結(jié)果表明：1）研究區(qū)域整體上干旱范圍有擴(kuò)大的趨勢，研究時段內(nèi)干旱較為頻繁且持續(xù)時間較長，其中，區(qū)域內(nèi)各個站點干旱發(fā)生頻率均值為70.0%，輕旱和中旱發(fā)生頻率較高，重旱和特旱發(fā)生頻率相對較低；2）干旱站次比呈現(xiàn)出季節(jié)性特點，其中，春季、冬季干旱站次比呈增加趨勢，夏季、秋季干旱站次比呈減少趨勢；3）干旱強(qiáng)度變化不明顯，其中，春季、冬季的干旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，夏季、秋季干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢；干旱站次比和干旱強(qiáng)度變化趨勢基本一致；4）干旱呈現(xiàn)出較明顯的區(qū)域變化特征，其中，既有覆蓋全省范圍的全域性干旱，也有局部地區(qū)干旱，并且干旱頻率、干旱站次比和干旱強(qiáng)度空間上分布上也存在差異。

氣象；干旱；降水；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；陜西省

0 引 言

干旱作為全球范圍內(nèi)影響范圍最大、災(zāi)害損失最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，對區(qū)域的農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境造成較為嚴(yán)重的負(fù)面影響[1-2]。中國是1個干旱頻發(fā)的國家，尤其是全球氣候變化，引起區(qū)域降雨減少和蒸發(fā)增加，進(jìn)而使干旱呈現(xiàn)出發(fā)生頻率增加、強(qiáng)度加大和范圍不斷擴(kuò)大的變化趨勢，受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，是研究熱點問題[3-6]。陜西省地處中國內(nèi)陸腹地，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，素有“十年九旱”之說，全省每年都有不同程度的旱災(zāi)發(fā)生。特殊的地理位置和復(fù)雜的大氣環(huán)流特征，使得旱災(zāi)成為陜西省主要的自然災(zāi)害之一。根據(jù)國家防汛抗旱總指揮部和水利部聯(lián)合發(fā)布的《2016年中國水旱災(zāi)害公報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：2016年陜西省作物因旱受災(zāi)面積高達(dá)2.40×105hm2，成災(zāi)面積達(dá)到1.11× 105hm2。干旱給城鄉(xiāng)居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不同程度的影響，嚴(yán)重制約著全省經(jīng)濟(jì)社會的健康持續(xù)發(fā)展。

干旱影響因素較多，為了更好對干旱狀況進(jìn)行定量化描述，學(xué)者提出許多用于分析干旱發(fā)生頻率、干旱強(qiáng)度和歷時的干旱指標(biāo)[7-10]。目前在評價氣象干旱時，通常選取標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）、土壤相對濕度指數(shù)、Palmer干旱指數(shù)、綜合氣象干旱指數(shù)、溫度干旱植被指數(shù)、農(nóng)業(yè)干旱參考指數(shù)等[11-14]。基于站點降水量的SPI以其簡單實用和時間序列長而受到眾多青睞[15-16]。張巧鳳等[17]采用SPI分析錫林郭勒盟干旱特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域主要為輕旱和中旱，重旱和特旱頻率較低；高西寧等[18]采用SPI分析遼寧省近54 a干旱時空規(guī)律，發(fā)現(xiàn)春季干旱和秋季干旱發(fā)生的范圍較大，持續(xù)時間較長，夏季干旱發(fā)生的范圍較??；劉梅等[19]發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代以后渭河流域干旱事件的頻率、強(qiáng)度和烈度均有增加趨勢；孫智輝等[20]發(fā)現(xiàn)陜西省黃土高原地區(qū)年度和夏、秋、冬季干旱強(qiáng)度都有不同程度降低，春季干旱有增強(qiáng)趨勢。

SPI通過概率密度函數(shù)求解累積概率，進(jìn)一步將累積概率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除了降水的時空分布差異，具有穩(wěn)定的計算特性且計算相對簡單，在國內(nèi)外有廣泛的應(yīng)用[14-20]，但在陜西省應(yīng)用相對較少。本文選取SPI作為干旱指標(biāo)，基于近40 a日值降水?dāng)?shù)據(jù)，從氣象干旱角度，分析陜西省干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度的時空變化特征，揭示區(qū)域干旱時空演變規(guī)律，可為區(qū)域抗旱減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

陜西省位于105°29′－111°15′ E，31°42′－39°35′ N之間，地處中國東南濕潤地區(qū)到西北干旱地區(qū)的過渡帶，地勢特點是南北高、中間低，由西向東傾斜，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。全省分為陜北高原、關(guān)中平原和陜南秦巴山地3個自然區(qū)域。陜北黃土高原區(qū)由深厚的黃土覆蓋，海拔在900～1 500 m之間，占全省土地總面積約45%；關(guān)中平原區(qū)由渭河干流以及兩岸支流日久沖積、沉積形成，海拔在300～800 m之間，占全省土地總面積約19%；陜南秦巴山地處于秦嶺和大巴山系，海拔200～1 200 m，占全省總面積約36%[21]。

本文所采用的數(shù)據(jù)為1971－2013年陜西省內(nèi)的34個氣象站點逐日降水資料，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn）。采用SPI計算年尺度和季節(jié)尺度的干旱指數(shù)，分析陜西省年度和季節(jié)干旱變化特征，統(tǒng)計其干旱頻率、干旱站次比和干旱強(qiáng)度，分析研究區(qū)干旱的時空變化特征。研究區(qū)域及氣象站空間分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及氣象站空間分布

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)

由于不同時間、不同地區(qū)降水量變化幅度很大，直接用降水量很難在不同時空尺度上相互比較，而且降水分布是一種偏態(tài)分布，不是正態(tài)分布，所以在降水分析中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化，然后再經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化求得SPI值[22-25]。SPI的計算步驟為：

假設(shè)某時段降水量服從Γ分布，則其概率密度計算公式為：

式中為形狀參數(shù)，為尺度參數(shù)，采用極大似然估計（maximum likelihood estimation，MLE）可知

式（2）中計算式如下

式中為降水?dāng)?shù)據(jù)的時間序列長度。

確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后，對于某一年的降水量0可求出多年平均降水量小于該年降水量事件的概率為

降水量為0時的概率為

(=0)=/（6）

式中為樣本數(shù)，為總樣本數(shù)。對Γ分布概率從一般正態(tài)分布轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，近似求解可得

根據(jù)干旱等級標(biāo)準(zhǔn)（GB/T20481-2006氣象干旱等級），?1.0

1.2.2 干旱評估指標(biāo)

除了SPI[26]，本文還采用干旱發(fā)生頻率、干旱發(fā)生站次比和干旱強(qiáng)度等干旱指標(biāo)分析陜西省干旱變化特征[27]。

1）干旱頻率（P）

P是用來評價研究區(qū)某站一段時期內(nèi)發(fā)生干旱的頻繁程度，計算公式為[17,26]

P=(S/)×100% （8）

式中為計算總年數(shù)，=43；S為站出現(xiàn)干旱的年數(shù)，文中為1到34。根據(jù)不同干旱等級的發(fā)生年數(shù)計算各自的發(fā)生頻率。

2）干旱站次比（Q）

Q為研究區(qū)內(nèi)發(fā)生干旱站數(shù)占全部站數(shù)的比例，用來評價干旱影響范圍，計算公式為[17]

θ=(Z/) （9）

式中為總站數(shù)，Z為年發(fā)生干旱的測站數(shù)量，文中為1到43。干旱的影響范圍定義：當(dāng)絕大部分測站數(shù)據(jù)指標(biāo)均顯示為干旱時，即θ≥70%時，定義為全域性干旱；當(dāng)50%≤θ<70%，定義為區(qū)域性干旱；當(dāng)30%≤θ<50%，定義為部分地區(qū)干旱；當(dāng)10%≤θ<30%，定義為局部地區(qū)干旱；當(dāng)θ＜10%時，定義為無明顯干旱。

3）干旱強(qiáng)度()

S用來評價干旱嚴(yán)重程度，計算公式為[17,27]

式中SPI為年發(fā)生干旱的站的SPI值，為發(fā)生干旱的站數(shù)，當(dāng)0.5≤S<1時為輕旱、1≤S<1.5為中旱，S≥1.5為重旱，S越大，干旱越嚴(yán)重。

4）變化趨勢率

變化趨勢率通常為測站歷年氣候要素時間序列擬合直線的斜率，降水的變化趨勢率單位為mm/10 a。一般來講，降水的氣候趨勢用一次直線方程和二次曲線方程就能滿足擬合要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱年際變化特征

SPI 12表示12個月尺度的SPI值，采用SPI 12可以對陜西省干旱的年際變化特征進(jìn)行分析，如圖2所示，可以看出陜西省在研究時段內(nèi)干旱變化的總體情況。其中，1971－1973年這3 a之中每年都有干旱發(fā)生，1993年之后的12 a內(nèi)發(fā)生干旱頻率也相對較高（7 a發(fā)生干旱）；1971年3月－1973年12月這33個月；1993年9月－1996年12月這39個月每個月都發(fā)生干旱；干旱持續(xù)時間最長的時間出現(xiàn)在1999年2月，直至2003年7月結(jié)束。

干旱發(fā)生的主要年份有1971－1973年、1977－1978年、1986－1987年、1991－1992年、1993－1997年、1999－2002年、2006－2009年。從干旱發(fā)生的等級來看，最嚴(yán)重的年份為1997、1998年，其中1997年11月－1998年12月的SPI 12值達(dá)到了?1.5，等級為重旱。綜上可知，從全省范圍上看，陜西省在研究時段內(nèi)干旱發(fā)生較頻繁，持續(xù)時間也較長。

注：SPI 12表示12個月的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)。

2.2 干旱年度變化特征

2.2.1 干旱發(fā)生頻率(P)

基于SPI 12可計算得到陜西省不同區(qū)域干旱發(fā)生頻率，如表1所示。各個站點發(fā)生干旱的頻率約為70.0%，其中，發(fā)生輕旱、中旱、重旱和特旱的頻率分布為23.7%、23.3%、14.2%和8.8%。從不同等級干旱發(fā)生的頻率可知，隨著干旱強(qiáng)度增加，發(fā)生頻率呈現(xiàn)遞減的趨勢。

表1 陜西省及省內(nèi)各區(qū)域的干旱發(fā)生頻率

由表1可知，陜西省各個地區(qū)干旱發(fā)生頻率接近，陜北平均為70%，關(guān)中平均為72.1%，陜南平均為68%；不同區(qū)域發(fā)生不同類型的干旱的最大頻率則存在較大差異。

2.2.2 干旱站次比(Q)

采用SPI 12時間序列，根據(jù)式（8）可計算得到陜西省干旱站次比，結(jié)果表明：陜西省在研究時段內(nèi)每年均出現(xiàn)了不同等級的干旱；1971－2013年，共發(fā)生全域性干旱25次，比例最大；區(qū)域性的干旱事件相對較少，占到陜西省干旱的一半左右（12次），部分地區(qū)和局部地區(qū)的較少，分別為4次和2次。其中1992年、2000年干旱站次比為100%，1973年、1986－1987年、1997－1999年和2001年干旱站次比達(dá)到90%。20世紀(jì)90年代干旱嚴(yán)重，1991－2000年除1993年發(fā)生區(qū)域性干旱外，其余年份均發(fā)生全域性干旱。

由圖3可知，陜西省各年代中發(fā)生不同等級干旱的年均站次比存在差異，而上世紀(jì)90年代年均干旱站次比最高，達(dá)到了70%。1971－2013年，干旱站次比的線性傾向率為0.36%/10 a，表明從長期來看陜西省干旱站次比呈增加趨勢。干旱范圍有擴(kuò)大的趨勢；輕旱、中旱站次比呈微弱減少趨勢；特旱、重旱站次比呈增加趨勢。

2.2.3干旱發(fā)生強(qiáng)度()

基于各站SPI 12序列計算陜西省干旱強(qiáng)度S，如圖4所示，結(jié)果表明：陜西省在研究時段內(nèi)年均干旱S為0.87，其中1998年的S達(dá)到1.79，為重度干旱。70年代6 a為輕度干旱，4 a為中旱；80年代6 a為輕度干旱，4 a為中旱；90年代6 a為輕度干旱，2 a為中旱，2 a為重旱；2000年以后的13 a中，9 a為輕度干旱，4 a為中旱。43 a中，有27 a為輕度干旱，14 a為中旱，2 a為重旱，說明陜西省的干旱主要為輕旱和中旱。陜西省干旱強(qiáng)度變化趨勢不明顯。20世紀(jì)90年代平均干旱強(qiáng)度最大。

圖3 陜西省各年代年均干旱站次比

圖4 陜西省干旱強(qiáng)度變化

2.3 季節(jié)性干旱特征分析

1971－2013年陜西省發(fā)生的季節(jié)性干旱如表2所示，采用3個月的SPI值SPI 3來分析陜西省季節(jié)性的干旱。結(jié)果表明：43 a間，陜西省共發(fā)生春旱25次，18 a無明顯春旱；發(fā)生夏旱22次，21 a無明顯夏旱；發(fā)生秋旱24次，19 a無明顯秋旱；發(fā)生冬旱27次，16 a無明顯秋旱。

表2 陜西省1971－2013年季節(jié)干旱次數(shù)統(tǒng)計

為了進(jìn)一步揭示陜西省季節(jié)性干旱變化特征，將1971－2013年劃分為5個時段，計算不同年代不同季節(jié)和全年的干旱站次比和干旱強(qiáng)度情況，計算結(jié)果如表3所示。

1）春旱。由表2可知，1971－2013年發(fā)生25次春旱，全域性春旱8次，其中，20世紀(jì)80和90年代分別發(fā)生2次全域性春旱；2000年后共發(fā)生4次全域性春旱，其中1984、2000、2004和2005年春旱最嚴(yán)重，干旱站次比達(dá)到79%，其次為1995年，春旱站次比為77%。春季干旱站次比的線性傾向率為4.317/10 a，表明陜西省春季干旱范圍有擴(kuò)大趨勢。春旱強(qiáng)度在0.75～1.71之間波動變化，與干旱站次比變化曲線較為類似。

表3 各年代陜西省不同季節(jié)干旱站次比和和干旱強(qiáng)度

2）夏旱。相比春旱，夏旱發(fā)生頻率也較為頻繁，主要集中在1972－1977、1979、1981－1982、1985－1986、1991、1994－1997、1999、2001、2004－2008年，其中，1974、1976、1982、1999和2004年為夏季中旱年，1995和1997年為夏季重旱年。夏旱站次比在2%～79%之間變化，占總年數(shù)的4.7%。共發(fā)生4次全域性夏旱，分別發(fā)生在上世紀(jì)1976、1982年和90年代的1995和1997年，80年代和21世紀(jì)以來未發(fā)生全域性夏旱。夏旱強(qiáng)度在0.73～1.89之間波動變化，上世紀(jì)90年代最重，其中1997和1995年干旱強(qiáng)度分別為1.89和1.55。夏旱強(qiáng)度的線性傾向率為?0.01/10 a，表明陜西省夏季干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢。

3）秋旱。1971－2013年發(fā)生秋旱24次，集中在1971－1972、1976－1977、1979、1986－1991、1993－1995、1997－2000、2006－2007、2010和2013年，其中，1972、1977、1986、1994、1999和2002年為秋季中旱年，1991、1997和1998年為秋季重旱年。發(fā)生4次全域性秋旱，其中，1991年秋旱站次比最高，達(dá)到79%，1997和1998年秋旱站次比為77%，1986 年全域性秋旱站次比為72%。秋旱站次比在0～79%之間變化，占總年數(shù)的9.3%。90年代陜西省秋旱站次比最高，年平均秋旱站次比達(dá)到73.5%。秋旱站次比的線性傾向率為?1.439%/10 a，表明陜西省秋旱范圍呈微弱減少趨勢。

4）冬旱。1971－2013年發(fā)生冬旱次數(shù)高達(dá)27次，集中在1973、1976、1978－1988、1990－1991、1995、1997－2001、2005－2006、2008、2010－2013年。發(fā)生8次全域性冬旱，其中，1982和1998年冬旱站次比最高，達(dá)到79%，1985年冬旱站次比為77%，1979和1995年全域性冬旱站次比為74%。上世紀(jì)80年代冬旱站次比最高，年平均達(dá)到69.7%。冬旱站次比的線性傾向率為2.891%/10 a，干旱強(qiáng)度在0.66～2.13之間波動變化，其中，1998、1979和2013年冬旱最重，干旱強(qiáng)度分別為2.13、1.37和1.37。上述結(jié)果表明陜西省冬旱范圍有擴(kuò)大趨勢。

姜仁貴等[14]研究表明陜西省總體呈現(xiàn)出干旱化趨勢增強(qiáng)的特征。孫智輝等[20]采用SPI分析陜西黃土高原地區(qū)1971－2010年干旱月、季度和年度干旱變化特征。結(jié)果表明：不同時段和不同區(qū)域干旱變化趨勢存在一定差異。周丹等[28]研究結(jié)果表明陜西省干旱發(fā)生頻率呈明顯的增長趨勢；全省以20世紀(jì)90年代干旱最為嚴(yán)重，2000年以來的干旱次之。王曉峰等[29]基于1960－2015年9個測站月降雨數(shù)據(jù)，采用Copula函數(shù)和游程理論分析陜北黃土高原地區(qū)干旱事件發(fā)生的強(qiáng)度和歷時，結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)不同測站發(fā)生干旱的強(qiáng)度、歷時及其聯(lián)合重現(xiàn)期變化趨勢存在差異。

3 結(jié) 論

1）1971－2013年期間，陜西省干旱范圍總體上有擴(kuò)大的趨勢；其中，春季和冬季干旱范圍呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢；夏季和秋季干旱范圍有減小趨勢。

2）研究區(qū)各站點發(fā)生干旱頻率均值為70.0%，輕旱、中旱、重旱和特旱的頻率分布為23.7%、23.3%、14.2%和8.8%；輕旱和中旱頻率較高，而重旱和特旱頻率較低。干旱發(fā)生頻率隨著干旱強(qiáng)度增加呈現(xiàn)遞減趨勢。

3）研究區(qū)干旱站次比在17.6%～100%之間變化；輕旱、中旱站次比呈微弱減少趨勢，特旱、重旱站次比呈增加趨勢。陜西整體干旱強(qiáng)度變化趨勢不明顯；20世紀(jì)90年代平均干旱強(qiáng)度最大。干旱強(qiáng)度和干旱站次比變化趨勢基本一致。

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Analysis on spatiotemporal variability characteristics of drought in Shaanxi Province using standardized precipitation index

Li Bin1,2, Xie Jiancang1, Hu Yanhua2, Jiang Rengui1※

(1.,,710048,; 2.,710004,)

Drought has become one of the most severe and frequent natural hazards, with major impacts on both human and natural systems. The large spatial coverage and long duration characteristics make it one of the most widespread and costliest hazards. With the rapid development of the economy and society, the acceleration of the urbanization process, and the sharp increase of the urban population, the water consumption of the various industries has increased rapidly, which puts forward higher requirements for the limited water resources. The increase of urban living and industrial water consumption occupies the agricultural water consumption, which makes the agricultural drought and water shortage more severe. Taking Shaanxi Province in the Northwest China, located in the 105°29′E-111°15′E and 31°42′N-39°35′N as the study area, the paper uses the standardized precipitation index (SPI), the drought frequency, ratio of number of stations with drought to total number of stations and drought intensity to analyze the spatial and temporal change patterns of drought at different time scales in Shaanxi Province based on the long-term daily observed precipitation data, provided by the China National Climate Center (CNCC). The study on the regional spatial and temporal variability of agriculture drought helps to promote the efficient use of the regional water resources and improve the regional drought resistance. The results showed that: 1) Generally, the drought in Shaanxi Province had an expanding tendency for the period of 1971-2013. The drought over the studied time period occurred frequently and the duration of drought was relatively long. The average drought frequency for the 34 meteorological stations was 70.0%. The frequencies of light drought and moderate drought were 23.7% and 23.3%, respectively, and the frequencies of severe drought and specially severe drought were relatively low, with the values of 14.2% and 8.8%, respectively. 2) The ratio of number of stations with drought to total number of stations had a seasonal change pattern. It had increasing trends in spring and winter, while had decreasing trends in summer and autumn. 3) The change pattern for drought intensity was not obvious. The drought intensity in spring and winter increased, while decreased in summer and autumn. We can conclude that the change patterns for ratio of number of stations with drought to total number of stations and drought intensity were similar. 4) Different regions had different drought change patterns, including provincial drought, regional drought and single station drought. The spatial distributions of drought frequency, ratio of number of stations with drought to total number of stations anddrought intensity also had difference.

meteorology; drought; precipitation; standardized precipitation index; Shaanxi Province

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.015

P429

A

1002-6819(2017)-17-0113-07

2017-05-25

2017-08-29

國家重點研發(fā)計劃資助（2016YFC0401409）；國家自然科學(xué)基金項目（51509201，51679188）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2016M590964）；陜西省高?？茀f(xié)青年人才托舉計劃項目（20160217）。

李 斌，陜西西安人，博士生，高級工程師，研究方向為水利信息化。西安 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，710048。Email：157506520@qq.com

姜仁貴，江西玉山人，博士，副教授，主要從事城市防災(zāi)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究。西安 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，710048。Email：jrengui@163.com