基于SPEI干旱指數(shù)的陜西省干旱時(shí)空分布特征分析

郭 夢(mèng)， 張奇瑩， 錢(qián) 會(huì)， 徐盼盼， 陳 垚

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

近年來(lái)，全球氣溫明顯升高，IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出全球氣候變暖己成為事實(shí)[1]。在過(guò)去的100多年，全球升溫0.85℃，陸地的增溫速率明顯高于海洋[2]，氣候變暖使得各地干旱問(wèn)題日趨嚴(yán)重，干旱已成為全球影響最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。干旱有著發(fā)生面積廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大的特點(diǎn)[3]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上超過(guò) 120 個(gè)國(guó)家在不同程度上存在干旱問(wèn)題，而我國(guó)70%的氣象災(zāi)害中，近一半為干旱災(zāi)害，局地或區(qū)域性的干旱災(zāi)害時(shí)常發(fā)生，每年因干旱造成的損失可達(dá)9.1×1010元[4-6]。干旱問(wèn)題近年來(lái)成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，目前學(xué)者們大多用干旱指數(shù)描述區(qū)域干旱程度，相繼提出了帕默爾干旱指數(shù)PDSI(Palmer, 1965)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI(McKee等,1993)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI(Vicente-Serrano等, 2010)等指標(biāo)，其中PDSI指數(shù)和SPI指數(shù)運(yùn)用較廣泛，但PDSI指數(shù)、SPI指數(shù)都各有其缺陷，如PDSI指數(shù)在干旱等級(jí)的界定上主觀性較強(qiáng)[7]，SPI僅考慮降水因素而忽略了溫度等因素對(duì)其本身的影響[8]，而SPEI指數(shù)融合了PDSI和SPI的優(yōu)點(diǎn)，不僅保留了PDSI考慮蒸散量對(duì)溫度敏感的優(yōu)點(diǎn)，又可表現(xiàn)出SPI的多尺度特征且計(jì)算結(jié)果較為可靠，因此被廣泛應(yīng)用于世界各地的干旱研究中。

SPEI指數(shù)中計(jì)算參考作物蒸散量主要有兩種方法，一種是僅考慮溫度因素的 Thornthwaite模型，另一種是考慮眾多因素的Penman-Monteith方法。采用Thornthwaite方法計(jì)算參考作物蒸散量?jī)H需月平均氣溫及緯度資料，該方法因輸入?yún)?shù)少、對(duì)數(shù)據(jù)要求低且計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單而使得應(yīng)用較為廣泛，如蔡思揚(yáng)等[9]應(yīng)用SPEI分析東北地區(qū)干旱特征，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)干旱發(fā)生范圍隨時(shí)間尺度增加而逐漸擴(kuò)大，且東北三省在春、夏季和秋季均有干旱事件發(fā)生；熊光潔等[10]利用SPEI指標(biāo)研究了中國(guó)西南地區(qū)12個(gè)月尺度、6個(gè)月尺度和3個(gè)月尺度的干旱變化特征，結(jié)果表明西南地區(qū)12個(gè)月尺度的干旱變化較為復(fù)雜，12個(gè)月尺度干旱頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的區(qū)域較多，6個(gè)月尺度的干旱頻率在全區(qū)顯著增加，3個(gè)月尺度的干旱頻率在秋冬季顯著增加；任啟偉等[11]應(yīng)用SPEI識(shí)別位于東南部的廣東省干旱發(fā)生情況，結(jié)果表明3個(gè)月和6個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI較準(zhǔn)確地識(shí)別出了廣東省春旱、秋旱以及冬春連旱的年份。

由于Vicente-Serrano的研究區(qū)域中未包含干旱區(qū)，Thornthwaite方法僅在濕潤(rùn)地區(qū)蒸散量的計(jì)算中適用性較好，并不適用于我國(guó)廣大的干旱半干旱地區(qū)，而采用 FAO Penman-Monteith法計(jì)算參考作物騰發(fā)量彌補(bǔ)了傳統(tǒng)Thornthwaite法在我國(guó)干旱半干旱區(qū)干旱評(píng)估能力較差的缺點(diǎn)，更適用于我國(guó)干旱半干旱地區(qū)的干旱評(píng)估[12]。如徐晗[13]基于Penman-Monteith法計(jì)算了位于西北地區(qū)的陜西省SPEI指數(shù)，并結(jié)合《陜西省干旱統(tǒng)計(jì)年鑒》記錄的實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了基于Penman-Monteith法的SPEI指數(shù)適用性更好；郭旭新等[14]基于Hargreaves、Thornthwaite和Penman-Monteith蒸散模型計(jì)算了陜北黃土丘陵區(qū)不同時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于Penman-Monteith法的SPEI指數(shù)能夠準(zhǔn)確反映陜北黃土丘陵區(qū)干旱事件，而基于Hargreaves和Thornthwaite的SPEI值偏低；軒俊偉等[15]基于Penman-Monteith模型計(jì)算了 近50 年來(lái)新疆12個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI序列， 結(jié)果表明該方法在新疆適用性較好，該地區(qū)自 1987年由干旱期轉(zhuǎn)為濕潤(rùn)期，但近10年又出現(xiàn)顯著的變干趨勢(shì)，預(yù)示著新疆有可能會(huì)重新進(jìn)入干旱期。此外，由于干旱半干旱地區(qū)無(wú)降水月份偏多，而參考作物騰發(fā)量多為0，在計(jì)算短時(shí)間尺度的水分虧缺量時(shí)使得SPEI值偏大，無(wú)法表征干旱半干旱地區(qū)的實(shí)際干旱程度，降低了SPEI在干旱半干旱區(qū)域小尺度分析的適用性[16]。莊少偉等[17]等研究發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間尺度的SPEI在干旱區(qū)適用性較差，只有大于12個(gè)月的大尺度SPEI適用較好；趙靜等[12]也發(fā)現(xiàn)對(duì)于典型干旱年的識(shí)別能力，12個(gè)月尺度的SPEI較強(qiáng)， 而短尺度的SPEI較弱。綜上所述，本文采用適用于干旱半干旱地區(qū)的Penman-Monteith法計(jì)算參考作物蒸散量，并借鑒前人的研究結(jié)果，以尺度較長(zhǎng)的12個(gè)月尺度為指標(biāo)來(lái)計(jì)算陜西省標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)。

陜西作為典型的生態(tài)脆弱區(qū)[18]，對(duì)于氣候的變化十分敏感，研究該區(qū)域在全球氣候變暖背景下的干旱特征及其演變趨勢(shì)就顯得尤為重要，本文將SPEI指數(shù)應(yīng)用于陜西省干旱的時(shí)空特征研究中，確定陜西省干旱現(xiàn)狀，為全省干旱防治、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和制定應(yīng)對(duì)政策提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

陜西省位于我國(guó)中西部地區(qū)，在105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N(xiāo)間，省內(nèi)山地、高原、平原交錯(cuò)，南北狹長(zhǎng)，根據(jù)地理氣候可由北向南分為陜北、關(guān)中和陜南三大區(qū)域。受大陸性季風(fēng)氣候的影響，全省的年平均降水量呈現(xiàn)明顯的南多北少趨勢(shì)，多年平均降水量為 666.9mm；年平均氣溫呈現(xiàn)明顯的南低北高趨勢(shì)，多年平均氣溫 5.9～15.7℃，極端氣溫相差懸殊。

3 資料與方法

3.1 資料來(lái)源

選取中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1956-2016年陜西省18個(gè)氣象觀測(cè)站的逐月觀測(cè)資料，分別位于陜北(榆林、吳旗、橫山、綏德、延安、洛川)、關(guān)中(長(zhǎng)武、銅川、武功、西安、寶雞、華山)和陜南(漢中、略陽(yáng)、佛坪、商州、鎮(zhèn)安、安康)，各臺(tái)站均勻分布于全省各地區(qū)，對(duì)陜西省氣候變化具有很好的區(qū)域代表性。觀測(cè)資料主要有氣溫、降水量、濕度等，少數(shù)站點(diǎn)部分年份氣象資料缺失，建立相鄰站點(diǎn)月降水量相關(guān)關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)處理。陜西省氣象站點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1。

3.2 研究方法

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI) 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是指對(duì)降水量與參考作物蒸散量差值序列的累積概率值進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)在SPI干旱指數(shù)的基礎(chǔ)上引入?yún)⒖甲魑镎羯⒘康贸觥Ｔ撝笖?shù)基于降水、氣溫、濕度等資料計(jì)算蒸散量，用降水量和蒸散量之間的差值與其平均狀態(tài)的偏離程度來(lái)揭示區(qū)域的干旱特征[13]。陜西全年蒸散量較大，而該方法考慮到了多種氣象因子對(duì)蒸散量的影響，更適用于全省的干旱評(píng)估。SPEI干旱程度劃分見(jiàn)表1。

表1 基于SPEI的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 其他方法 計(jì)算出SPEI標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)后，結(jié)合線(xiàn)性回歸、滑動(dòng)平均、M-K突變檢驗(yàn)以及滑動(dòng)T檢驗(yàn)來(lái)分析全省的SPEI變化趨勢(shì)[19]；用干旱頻率來(lái)評(píng)價(jià)全省發(fā)生干旱的頻繁程度；用干旱站次比來(lái)表示干旱影響范圍的大小[13]；用Morlet小波分析研究全省SPEI的變化周期[20]。

4 結(jié)果與分析

4.1 干旱的時(shí)間特征分析

4.1.1SPEI變化趨勢(shì) 計(jì)算陜西省1956-2016年的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)，并利用線(xiàn)性回歸、5年滑動(dòng)平均分析其變化趨勢(shì)，繪制變化趨勢(shì)圖見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，陜西省61 aSPEI指數(shù)年代間差異較大，線(xiàn)性趨勢(shì)以0.001/a的速度減少，未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明下降趨勢(shì)不顯著，但總體呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。SPEI指數(shù)值顯示全省在1956-2016年中整體并未出現(xiàn)中旱及以上的的干旱災(zāi)害。全省18個(gè)氣象站點(diǎn)的年SPEI指數(shù)多年平均值為0.17，61 a中SPEI值較小的3個(gè)年份分別為1964、1985以及1988年，最小值出現(xiàn)在1964年，說(shuō)明全省在1964年干旱程度最大；SPEI值較大的3個(gè)年份分別為1959、1977以及1997年，最大值出現(xiàn)在1997年，說(shuō)明全省在1997年無(wú)旱程度最大，且1997年與1964年SPEI值的極值差為2.7， 1997年偏離臨界線(xiàn)(SPEI=-0.5)的程度要大于1964年。陜西省干旱變化在20世紀(jì)較21世紀(jì)明顯，20世紀(jì)90年代以前，全省的SPEI數(shù)值處于波動(dòng)狀態(tài)，從90年代到21世紀(jì)開(kāi)始，除1997年外基本呈現(xiàn)由無(wú)旱向干旱轉(zhuǎn)變態(tài)勢(shì)。5 a滑動(dòng)平均曲線(xiàn)也表明，陜西省標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)是在波動(dòng)中逐漸下降的，其中1960-1977年、1981-1990年呈上升趨勢(shì)，其余時(shí)段均呈下降趨勢(shì)，且1990年以后下降趨勢(shì)較為穩(wěn)定，表明全省自20世紀(jì)90年代后開(kāi)始慢慢向干旱化發(fā)展。

為進(jìn)一步說(shuō)明干旱變化趨勢(shì)，利用干旱站次比來(lái)描述陜西省61 a干旱的影響范圍變化，干旱站次比越大則影響范圍越大。陜西省1956-2016年干旱影響范圍變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3，從圖3看出，全省干旱影響范圍在0～72%之間變化，年際差異大，干旱影響范圍在1964年出現(xiàn)最高值(72%)，在1997和2004年出現(xiàn)最低值(0)，干旱影響范圍較大的年份(1964、1985和2003年)與SPEI計(jì)算的干旱年份結(jié)果基本一致，表明隨干旱程度增大，干旱影響范圍也相應(yīng)擴(kuò)大。此外，對(duì)1956-2016年陜西省干旱站次比，以每10 a取一次平均值來(lái)分析其變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，全省干旱影響范圍的10 a平均值在61 a間呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的變化趨勢(shì)，自1986年起連續(xù)上升，上升速率為6.11/10a，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98，表明自1986年全省干旱影響范圍呈現(xiàn)顯著擴(kuò)大趨勢(shì)。

4.1.2 突變特征 采用M-K突變檢驗(yàn)結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)來(lái)分析各時(shí)段的突變情況，兩種方法均采用95%的置信水平(圖4、5)。

從圖4可以看出，1956-1976年、1980-1993年以及2008-2016年UF曲線(xiàn)小于0，呈下降趨勢(shì)，且在1960-1968年間UF曲線(xiàn)超過(guò)了0.05顯著性水平線(xiàn)，說(shuō)明此時(shí)間段內(nèi)全省SPEI指數(shù)下降趨勢(shì)顯著；1976-1980年、1993-2008年UF曲線(xiàn)大于0，呈上升趨勢(shì)，但曲線(xiàn)未超過(guò)α=0.05顯著性水平線(xiàn)，說(shuō)明上升趨勢(shì)不顯著，可見(jiàn)全省SPEI指數(shù)總體上呈現(xiàn)在波動(dòng)中下降的干旱化趨勢(shì)。此外，M-K檢驗(yàn)的UF、UB曲線(xiàn)有多個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)(圖5)，取滑動(dòng)步長(zhǎng)為10，自由度為18，SPEI序列在1980年出現(xiàn)顯著減小的變異點(diǎn)，最終確定1980年為陜西省SPEI干旱指數(shù)的突變年。

圖1 陜西省氣象站點(diǎn)分布圖

圖2陜西省1956-2016年SPEI指數(shù)及滑動(dòng)平均變化趨勢(shì) 圖3陜西省1956-2016年干旱影響范圍變化趨勢(shì)

圖4陜西省1956-2016年SPEI序列M-K曲線(xiàn) 圖5陜西省1956-2016年SPEI序列滑動(dòng)T檢驗(yàn)曲線(xiàn)

4.2 干旱的空間特征分析

4.2.1 陜西省各站點(diǎn)不同程度干旱發(fā)生頻率分析 為進(jìn)一步分析陜西省各個(gè)地區(qū)的干旱狀況，繪制各個(gè)站點(diǎn)不同程度干旱頻率變化圖，見(jiàn)圖6。

圖6表明，陜西省各個(gè)站點(diǎn)61 a發(fā)生干旱的頻率為中旱>輕旱>特旱>重旱，重旱所占比例最低，各站點(diǎn)發(fā)生重旱的比例均未超過(guò)10%，在以榆林、橫山、綏德、吳起、延安和洛川為代表的陜北一帶發(fā)生頻率相對(duì)較高，最大值發(fā)生在延安站(7%)；中旱所占比例最高，在陜南一帶發(fā)生頻率相對(duì)最高，最大值發(fā)生在漢中站(31%)，其中，有15個(gè)站點(diǎn)發(fā)生中旱的頻率超過(guò)了50%，所占比例最大的為榆林站和洛川站，均超過(guò)了80%。其次，由圖6中看出，陜北地區(qū)干旱以特旱、中旱、重旱為主，而輕旱頻率較低，說(shuō)明陜北地區(qū)干旱一旦發(fā)生等級(jí)都較高。

4.2.2 陜西省不同程度干旱頻率空間分布特征 全省各個(gè)等級(jí)的干旱頻率空間分布圖(圖7)表明，陜西省61 a來(lái)年干旱發(fā)生頻率地區(qū)差異較大且分布不平衡，干旱程度從無(wú)旱-特旱均存在。其中，特旱主要分布在陜北中部、關(guān)中西部以及陜南西部，高值中心位于武功地區(qū)，發(fā)生頻率達(dá)11%(圖7(a))；重旱分布較集中，主要在陜北一帶，以延安站最高，陜南和關(guān)中地區(qū)重旱發(fā)生頻率較低(圖7(b))；中旱分布范圍較其他幾種干旱大，主要分布在陜北南部、關(guān)中及陜南西部，以略陽(yáng)、漢中發(fā)生頻率最高，分別為30%和31%，而關(guān)中除西安站外其余各站均有不同程度的中旱發(fā)生(圖7(c))；輕旱主要分布在關(guān)中東部及陜南，關(guān)中的高值中心位于華山(13%)，陜南的高值中心位于略陽(yáng)(13%)，陜北西部有輕微輕旱發(fā)生(圖7(d))。由此可見(jiàn)，位于西北地區(qū)的陜西省常年因降水稀少而蒸散量相對(duì)較大導(dǎo)致干旱頻發(fā)。

4.3 干旱周期特征

為揭示陜西省干旱的周期規(guī)律，對(duì)SPEI干旱頻率進(jìn)行Morlet小波分析。小波分析可反映陜西省SPEI指數(shù)的多尺度周期特征，采用小波變換系數(shù)和小波方差圖來(lái)確定區(qū)域干旱的主要周期以及各時(shí)間尺度的波動(dòng)能量隨該尺度的分布情況[21]。小波系數(shù)實(shí)部等值線(xiàn)圖和其方差圖見(jiàn)圖8、9所示。

由圖8知，陜西省1956-2016年的SPEI指數(shù)包含了不同尺度的周期變化，全省在年際和年代際上均可看出較明顯的周期變化。在年際上存在4～7 a周期的小尺度信號(hào)，在年代際上存在15～20 a和28～32 a的大尺度信號(hào)，3個(gè)尺度正負(fù)相位周期明顯，均具有全域性且表現(xiàn)穩(wěn)定。其中，4～7 a周期的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了18.5個(gè)干濕交替過(guò)程，震蕩中心在1971年逐漸減小，在1980年由4 a尺度又逐漸向上偏移至7 a尺度，震蕩能量由弱到強(qiáng)； 15～20 a周期的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了 4.5個(gè)干濕交替過(guò)程，1997年由15 a尺度向上偏移至20 a尺度，且在2000年后震蕩能量較弱；27～32 a的時(shí)間尺度上，隨著時(shí)間的推移，震蕩周期中心時(shí)間尺度越來(lái)越大，在2006年由27 a尺度擴(kuò)大至32 a尺度，經(jīng)歷了 3.5個(gè)干濕交替過(guò)程，該周期在2011年以前表現(xiàn)的較為穩(wěn)定 ，震蕩能量后期較弱。

圖6 陜西省各個(gè)站點(diǎn)不同程度干旱頻率

圖7 陜西省不同等級(jí)干旱頻率的空間分布

圖9 陜西省年尺度SPEI小波系數(shù)實(shí)部方差圖

由圖9知，SPEI指數(shù)小波實(shí)部方差圖中共有3個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為5、16和30 a，表明這3個(gè)周期在陜西省61 a的干旱變化中起主要作用。 其中，第一峰值為 30 a的時(shí)間尺度，該尺度周期波動(dòng)能量最強(qiáng)，且存在SPEI指數(shù)正負(fù)循環(huán)交替變化，對(duì)干旱的影響最強(qiáng)烈，30 a的時(shí)間尺度為全省干旱變化的第一主周期；5 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第二峰值，為第二主周期；第三峰值對(duì)應(yīng)著16 a的時(shí)間尺度，為第三主周期，上述3個(gè)周期的波動(dòng)控制著陜西省整個(gè)時(shí)間域內(nèi)干旱變化特征。

5 結(jié) 論

本文以陜西省18個(gè)氣象站點(diǎn)61 a的逐月氣溫、降水、濕度、日照等資料作為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算了SPEI干旱指數(shù)，并結(jié)合滑動(dòng)平均、突變檢驗(yàn)和Morlet小波分析等方法對(duì)其干旱時(shí)空演變特征進(jìn)行了深入分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)陜西省1956-2016年SPEI指數(shù)年代差異較大，總體呈在波動(dòng)中下降的趨勢(shì)，線(xiàn)性趨勢(shì)和滑動(dòng)平均值均表明全省自20世紀(jì)90年代后慢慢向干旱化發(fā)展。此外，陜西省年干旱影響范圍在0～72%之間變化，全省干旱影響范圍的10 a平均值在61 a間呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的變化趨勢(shì)。

(2)M-K突變檢驗(yàn)顯示全省SPEI有多個(gè)突變點(diǎn)，但總體上呈現(xiàn)波動(dòng)中緩慢下降的干旱化趨勢(shì)，滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果表明SPEI序列在1980年出現(xiàn)顯著減小的變異點(diǎn)，由此確定1980年為陜西省年SPEI干旱指數(shù)的突變年。

(3)全省各站點(diǎn)干旱發(fā)生頻率中重旱所占比例最低，中旱所占比例最高；全省干旱發(fā)生頻率地區(qū)差異較大且分布不均衡，大范圍干旱與局部干旱均存在，其中，相較于其他幾種干旱等級(jí)，中旱分布范圍較大，主要分布在陜北南部、關(guān)中及陜南西部，重旱分布較集中，主要在陜北一帶。

(5)小波方差圖表明全省存在著3個(gè)主周期，分別為30 a左右的第一主周期，5 a左右的第二主周期和16 a左右的第三主周期。此外，全省在年代和年際上共存在3個(gè)時(shí)間尺度信號(hào)，且3個(gè)時(shí)間尺度信號(hào)均具有全域性，表現(xiàn)較為穩(wěn)定。