基于SPEI指數(shù)的河南省干旱變化研究

摘 要：基于河南省及周邊區(qū)域的38個(gè)氣象站點(diǎn)1986-2015年月降水量和平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算季尺度下的降水年蒸發(fā)力標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)（SPEI），分析河南省干旱的季節(jié)特征。結(jié)果表明：1986-2015年河南省的SPEI值在季尺度上表現(xiàn)為緩慢濕潤(rùn)化。春夏秋冬四季節(jié)發(fā)生干旱年的頻數(shù)為6年、6年、8年和7年，河南省極易發(fā)生干旱災(zāi)害，其中，輕微干旱發(fā)生頻率最高，其后依次為中度干旱，嚴(yán)重干旱和極端干旱。在1986-2015年內(nèi)，鄭州出現(xiàn)干旱情況的概率性最大，洛陽(yáng)發(fā)生干旱的頻數(shù)最小。

關(guān)鍵詞：干旱；河南??；降水年蒸發(fā)力標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)；

干旱是一種常見的、繁雜的自然災(zāi)害，其維持周期長(zhǎng)，發(fā)生頻率高，影響程度深，成為提高植被生產(chǎn)力、維持生態(tài)系統(tǒng)安全和加快農(nóng)業(yè)發(fā)展等的巨大絆腳石，阻礙了我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的共同發(fā)展。2014年我國(guó)干旱范圍廣、程度深，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的糧食損失和經(jīng)濟(jì)作物減產(chǎn)，直接引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失有910億元。河南省是我國(guó)糧食供給大省，近年來(lái)，由于地形地貌、氣候狀況和人類活動(dòng)等的綜合影響，干旱普遍化和頻繁化，對(duì)各區(qū)不同方向發(fā)展均產(chǎn)生了嚴(yán)重消極影響。關(guān)于河南省干旱化分析，胡實(shí)等通過(guò)估算在A1B，B1和A2三種情境下基于降水年蒸發(fā)力標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)（SPEI）預(yù)估中國(guó)北方地區(qū)未來(lái)40年呈現(xiàn)干旱化傾向；陳少丹等利用SPEI指數(shù)定量分析了河南省不同時(shí)間尺度的干旱分布特征和強(qiáng)度，并認(rèn)為河南省各地區(qū)干旱分布不均勻；唐僥等認(rèn)為近60a河南省農(nóng)業(yè)干旱頻率呈輕微上升趨勢(shì)，主要發(fā)生在秋冬兩季。目前基于SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)干旱的研究較普遍，但對(duì)于年內(nèi)的干旱分析較少，因此，本研究基于SPEI指數(shù)分析了河南省1986-2015年的季尺度干旱情況，以此為河南省干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省位于黃河中下游、華北平原腹部，介于110°22′～116°38′E和31°23′～36°22′N間，面積16.7×104km2，屬于北亞熱帶濕潤(rùn)氣候和暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候的過(guò)渡帶，年平均降水量為600～1200mm，地形總的趨勢(shì)是西高東低，西北和西部為太行山、伏牛山，南部為桐柏山、大別山，東部為廣闊的平原，西南部是南陽(yáng)盆地。省內(nèi)主要水系有黃河水系、海河水系、淮河水系和長(zhǎng)江水系。農(nóng)作物以冬小麥和夏玉米為主，其次為水稻，各分區(qū)降水不均，旱澇災(zāi)害發(fā)生，更不利于作物產(chǎn)量提升。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），統(tǒng)計(jì)了包含河南省及周邊區(qū)域的38個(gè)氣象站點(diǎn)的月尺度降水和平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)河南省1986-2015年的季尺度上降水年蒸發(fā)力標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 研究方法

SPEI是根據(jù)降水量和潛在蒸散發(fā)的差值偏離平均狀態(tài)的程度來(lái)計(jì)算研究區(qū)域的干旱狀況，具有多時(shí)間尺度的優(yōu)勢(shì)，能都對(duì)不同時(shí)間尺度的旱澇情勢(shì)進(jìn)行比較。

Vicente-Serrano提出的SPEI計(jì)算過(guò)程如下：

1）計(jì)算逐月的降水與潛在蒸散發(fā)的插值

Di=Pi-PETi

式中Di為降水量與潛在蒸散量的差值，Pi為月降水，PETi是根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算的月潛在蒸散量，Di、Pi和PETi單位均是mm。

2）計(jì)算不同時(shí)間尺度的水分盈虧累計(jì)序列

式中n是計(jì)算的次數(shù)，k是計(jì)算的時(shí)間尺度。

3）Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化。采用log-logistic概率密度函數(shù)分布對(duì)Di進(jìn)行擬合，并求出累計(jì)函數(shù)

式中α、β和γ分別表示尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和起始參數(shù)，可通過(guò)線性矩的方法計(jì)算得到。f（x）是概率密度函數(shù)，F(xiàn)（x）是概率分布函數(shù)。

4）SPEI是通過(guò)對(duì)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布轉(zhuǎn)換獲得

P=1-F（x）

式中，常數(shù)C0=2.5155，C1=0.8029，C2=0.0103，d1=1.4328，d2=0.1893，d3=0.0013。

按照國(guó)家氣象局制定的SPEI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)的干旱等級(jí)進(jìn)行分析（表1）。

采用干旱頻率來(lái)表示研究區(qū)干旱發(fā)生的概率，公式如下：

Pi = （n/N） ×100%

式中，n為季時(shí)間尺度上干旱發(fā)生的次數(shù)，N是總研究月份數(shù)。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)季尺度上降水年蒸發(fā)力標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，1986-2015年河南省的干旱情況如表2：

由干旱發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，春夏秋冬四季節(jié)發(fā)生干旱年的頻數(shù)為6年、6年、8年和7年，表明河南省極易發(fā)生干旱災(zāi)害，其中，輕微干旱發(fā)生頻率最高（高于16%），其后依次為中度干旱（8%），嚴(yán)重干旱和極端干旱（3%）。在1986-2015年內(nèi)，鄭州出現(xiàn)干旱情況的概率性最大（30.20%），洛陽(yáng)發(fā)生干旱的頻數(shù)最?。?2.59%）。同時(shí)，1986-2015年河南省的SPEI值在季尺度上表現(xiàn)為緩慢濕潤(rùn)化。

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作者簡(jiǎn)介

鄭飛鴿（1993-），女，在讀研究生，成都理工大學(xué)，生態(tài)遙感；