湖南省最適干旱指數(shù)研究及近50年干旱演變分析

范嘉智 譚詩琪 羅宇 夏德奇

摘要：作為干旱的評價標準，干旱指數(shù)在旱情監(jiān)測、預警中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，但至今尚沒有適用于大尺度范圍的干旱指數(shù)，因此在特定區(qū)域內(nèi)研究最適干旱指數(shù)有重要的科學意義?；陂L期觀測資料、土壤數(shù)據(jù)庫及歷史干旱記載，對比分析標準化降水指數(shù)（SPI）、標準化降水及蒸散指數(shù)（SPEI）、Palmer干旱指數(shù)（PDSI）、自矯正Palmer干旱指數(shù)（scPDSI）在湖南省的適用性。結(jié)果表明，scPDSI對于干旱事實描述準確率最高，這一指數(shù)在較長時間尺度上表現(xiàn)穩(wěn)定，響應(yīng)敏感，但在旱度標準的適配性上仍有提升空間?；谠撝笖?shù)分析湖南省1960—2011年干旱演變趨勢后發(fā)現(xiàn)，湖南省內(nèi)大部分地區(qū)處于干旱緩解趨勢，湘西中部、湘南永州地區(qū)及湘東北地區(qū)處于變干趨勢，尤以長沙地區(qū)較為嚴重，應(yīng)加強旱情監(jiān)測和預警，應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的嚴重旱災。

關(guān)鍵詞：干旱指數(shù);湖南省;區(qū)域適用性;干旱演變;時間序列分析

中圖分類號： S165+.25

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0291-05

干旱是因生態(tài)系統(tǒng)水分收支不平衡導致的持續(xù)性水分虧缺現(xiàn)象，因其發(fā)生范圍廣、影響人數(shù)多、造成損失大，被列為自然災害之首[1-3]。旱災影響形式較洪澇災害緩慢，但其災害涉及面廣，故后續(xù)和潛在危害較大[4]。相關(guān)研究表明，干旱不僅發(fā)生于降水較少的地區(qū)，近年在我國雨量充沛的地區(qū)，也連續(xù)發(fā)生了嚴重的干旱事件[5]，對經(jīng)濟、社會造成了巨大的危害[6-7]。

湖南省屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，雨水充沛、空氣濕潤，年平均降水量約1 400 mm，但年際變化大，季節(jié)性分布不均，其中70.3%的降水分布在3—8月，6月下旬以后，雨季結(jié)束進入盛夏晴熱少雨季節(jié)，容易發(fā)生干旱[4]。湖南干旱的影響因素有大氣環(huán)流及地形地質(zhì)，常年6月以后因穩(wěn)定而持久的副熱帶高壓影響，天氣晴熱少雨，蒸發(fā)強烈，易形成干旱[8];湖南復雜的地形地質(zhì)導致夏季、秋季各地降水不均，易導致插花性干旱產(chǎn)生，特別是湘西、湘西南的石灰?guī)r地質(zhì)區(qū)較薄的土層不利于蓄水保水，干旱頻率較高[9]。

旱災在降水較少地區(qū)已表現(xiàn)為常態(tài)化特征，但由于災害意識和抗旱能力較為健全，干旱的危害并不顯著，相對而言，湖南水資源較豐富，社會對防旱抗旱的意識并不強，且湖南作為我國歷史悠久的農(nóng)業(yè)大省，全省農(nóng)作物播種面積達800萬hm2，有林地面積988.16萬hm2[10]，水稻種植面積及產(chǎn)量均居全國首位[11]，生產(chǎn)生活依賴水資源，因而旱災危害較大，已成為影響湖南發(fā)展、社會安定的重要因素，限制了湖南農(nóng)業(yè)強省的建設(shè)[8，12]。

干旱指數(shù)作為衡量干旱的工具，在干旱監(jiān)測、預測、評價中發(fā)揮重要作用[13]。干旱指數(shù)可分為單因子指數(shù)和多因子指數(shù)，單因子指數(shù)如標準化降水指數(shù)（SPI）[14]，這類指數(shù)的優(yōu)勢在于只考慮降水而不涉及干旱機制，計算簡單，在多種時空尺度下均能有效反映旱澇狀況，但因其考慮因子單一，在描述干旱的準確性上尚存差異，且這樣的差異性在不同時間、不同地區(qū)難以估計[15-17]。多因子指數(shù)如帕莫爾干旱指數(shù)（PDSI）[18]和標準化降水及蒸散指數(shù)（SPEI）[19]，前者依據(jù)土壤水分平衡原理，表征一段時間內(nèi)的實際水分供應(yīng)持續(xù)地少于當?shù)貧夂蜻m宜水分供應(yīng)的水分虧缺;后者在SPI的基礎(chǔ)上引入了潛在蒸散，能夠反映全球變暖背景下干旱的發(fā)生、發(fā)展[20]。這一類指標優(yōu)勢在于涉及相關(guān)的機制，對旱澇狀況反映較為準確，但其計算相對復雜、對資料要求高的特點限制了這一類指標的利用及推廣。

全球性的干旱指數(shù)分析使用的降水[21]和氣溫[22]資料往往來自周邊觀測站點的擬合計算或估值，并非人工觀測所得，且分辨率粗糙，計算所得的干旱指數(shù)無法反映中小尺度上的干旱狀況分布及發(fā)展規(guī)律。而目前幾乎沒有針對湖南省的干旱指數(shù)適用性研究，多數(shù)研究僅基于單個指數(shù)[23-25]。

由于干旱的機制異常復雜，影響因子較多，并且目前的研究還不能準確解釋干旱的形成機制，至今仍未有完全機理性的干旱模型。所以目前應(yīng)用的干旱指數(shù)模型種類較多且均有顯著的地域性特征。故有必要對各干旱指數(shù)在湖南省的監(jiān)測效果進行檢驗，找出最為適用的干旱指數(shù)，并基于該指數(shù)分析湖南省歷史干旱變化趨勢，為預測未來旱情演變趨勢提供可靠的依據(jù)。本研究選取SPI、SPEI、PDSI、scPDSI 4種廣泛使用的干旱指數(shù)，通過與歷史干旱事實的對比篩選最適宜湖南地區(qū)干旱評價的指數(shù)，以提高干旱監(jiān)測準確性，并為環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、政策制定等提供科學依據(jù)。

1 資料來源和方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于國家氣象信息中心提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括1951—2011年全國752個基本、基準地面氣象觀測站及自動站日值觀測資料，本研究從中選取湖南省內(nèi)25個觀測站資料進行分析。土壤有效持水量數(shù)據(jù)來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”基于世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）的中國土壤數(shù)據(jù)集（v1.1）[26]。歷史干旱資料來源于《中國氣象災害大典（湖南卷）》[4]。

1.2 方法

統(tǒng)計分析及作圖均在R語言中進行，計算分別運用了由Cszang所編寫的pdsi包（http：//github.com/cszang/pdsi）和由Begueria等所編寫的SPEI包[27]。

1.2.1 干旱指數(shù)簡介 Palmer干旱指數(shù)（the palmerdrought severity index，PDSI）：由Palmer于1965年提出，依據(jù)土壤水分平衡原理，表征在一段時間內(nèi)，該地實際水分供應(yīng)持續(xù)地少于當?shù)貧夂蜻m宜水分供應(yīng)的水分虧缺[18]。該指數(shù)物理意義明晰，基于月值資料，經(jīng)標準化處理，一般在-6（干）和+6（濕）之間變化，可以針對不同時空尺度下的土壤水分狀況進行評價比較。

自矯正Palmer干旱指數(shù)（the self-calibrating palmerdrought severity index，scPDSI）：Wells等于2004年對Palmer干旱指數(shù)進行了較大程度的改善，建立了自矯正Palmer干旱指數(shù)，使得持續(xù)因子和氣候權(quán)重因子根據(jù)站點的氣候特征自動修正，提高了Palmer干旱指數(shù)在不同空間尺度下的可比性[28-29]。

標準化降水指數(shù)（the standardized precipitation index，SPI）：由McKee等于1993年提出[30]，基于該地多年月降水資料，計算降水的累積概率密度函數(shù)，并進行標準化處理消除降水的時空分布差異[15，31]，以降水量出現(xiàn)的概率多少表征當?shù)馗珊禒顩r[24]。

標準化降水及蒸散指數(shù)（the standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）：由Vicente-Serrano等基于SPI指數(shù)與潛在蒸散發(fā)的概念構(gòu)建，采用降水與蒸散之差代替SPI指數(shù)中的單一降水異常指標，考慮了水分平衡異常[19];并采用了合適的單變量概率分布函數(shù)將降水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布，融合了SPI指數(shù)和PDSI指數(shù)的優(yōu)點[32]。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理及分析方法 研究選取1960年、1963年和1985年3個特大干旱年中遭受干旱較嚴重的9月份數(shù)據(jù)，分別對比4種干旱指數(shù)在湖南省內(nèi)各區(qū)域的表現(xiàn)與歷史旱災情況記載的一致性;并選取湖南省內(nèi)較易遭受干旱的芷江站，分析不同干旱指數(shù)在50年尺度下的演變情況。結(jié)合干旱歷史記載，篩選4種干旱指數(shù)中對湖南受旱情況描述最為準確的指數(shù)，并以該指數(shù)為參照，使用M-K檢驗法計算湖南各觀測站1960—2011年scPDSI變化趨勢，利用ArcGIS進行插值，分析湖南省50年干旱時空特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱指數(shù)與歷史干旱事件對比分析

根據(jù)《中國氣象災害大典（湖南卷）》記載，在1951—2000年的50年間，湖南省共出現(xiàn)特大旱災年4次，分別是1956年、1960年、1963年和1985年[4]。常年6月下旬后，因氣候影響，湖南進入晴熱缺水季節(jié)[8]，而此時正處于水稻等作物需水時候，旱災易生[33]。因1956年觀測資料不全，故選取旱災在全省大部發(fā)展旺盛的1960年、1963年及1985年的9月份數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史資料總結(jié)湖南省各地受旱情況（表2），分析SPI、SPEI、PDSI、scPDSI 4種干旱指數(shù)對各地干旱的描述準確性。

根據(jù)歷史干旱事實與同期干旱指數(shù)圖（圖1）對比，1960年在湘西、湘中南、湘西南重旱區(qū)，4種干旱指數(shù)均能有效反映受災情況，但對于湘北受旱情況的描述有所差異。根據(jù)資料記載，岳陽、常德當年夏秋季節(jié)發(fā)生嚴重干旱，而4種干旱指數(shù)中，SPEI反映出2地旱情較輕;SPI反映出2地均為無旱;PDSI反映出2地均為輕旱;只有scPDSI反映出2地9月均為中旱等級，與干旱事實較接近。1960年9月湘南永州和郴州地區(qū)，經(jīng)過夏旱至秋天已無旱災發(fā)生，4種指數(shù)均能有效反映郴州地區(qū)干旱狀況，但SPI和SPEI在永州地區(qū)表現(xiàn)為輕旱及中旱，與事實不符。

在1963年特大干旱背景下，僅有SPEI準確反映了湘南、湘中、湘北的嚴重干旱情況，SPI在常德、PDSI在永州、scPDSI在長沙對旱情的描述均有明顯偏差（圖2）。4種指數(shù)均反映出了郴州、衡陽、邵陽、婁底、懷化、岳陽各地的受旱情況，對于湘西州秋季旱情緩解的情況僅有SPI較為準確。

1985年特大旱情主要出現(xiàn)在春、夏2季，秋季部分地區(qū)旱情已經(jīng)緩解，尤其是湘西南地區(qū)，史料并未記載當?shù)赜泻登槌霈F(xiàn)（圖3）。對于湘南地區(qū)永州市1985年9月旱災已緩解的事實，4種指數(shù)中PDSI、SPI均能準確反映，scPDSI也表明旱情由重減輕的情況。而對于石門、岳陽、常德、芷江、邵陽等旱情較重的站點，SPEI和scPDSI反映的準確率高于PDSI和SPI。

根據(jù)干旱指數(shù)對事實描述情況，采用準確率這一定性指標進行描述。湖南省干旱指數(shù)與史料記載干旱事實對比結(jié)果（表3）表明，scPDSI的準確率均遠高于其他3種指數(shù)。根據(jù)歷史同期干旱指數(shù)與干旱事實對比的結(jié)果，4種指數(shù)在湖南省適用性以scPDSI最優(yōu)，SPEI次之，SPI和PDSI最次。

2.2 芷江站1952—2000年干旱指數(shù)時間序列分析

根據(jù)歷史旱災記載，湖南省各地均可發(fā)生干旱，而因土壤質(zhì)地差異，湘西南的石灰?guī)r地質(zhì)區(qū)土層薄，不利于蓄水保水，較易發(fā)生干旱，因此選擇湘西南的芷江站1952—2000年觀測數(shù)據(jù)作4種干旱指數(shù)時間序列分析。結(jié)果（圖4）顯示，4種干旱指數(shù)均具有波動性，存在年際連續(xù)干旱現(xiàn)象，且季節(jié)性干旱頻繁，幾乎每年固定季節(jié)都有干旱發(fā)生，4種指數(shù)中scPDSI在波動幅度上明顯小于其他3種指數(shù)，在較長的時間尺度上表現(xiàn)大致穩(wěn)定。

4種干旱指數(shù)在重大干旱的描述上較為一致，對于季節(jié)性、插花性干旱的描述，通過與歷史記載對比，scPDSI與SPEI 2種指數(shù)相對準確。根據(jù)干旱記載，1957年、1959年、1961年、1971年、1972年、1978年、1981年、1984年、1986年、1988年、1990年、1991年、1992年、1998年均為大旱年份，芷江站時間序列圖顯示其中10個年份，4種干旱指數(shù)均表現(xiàn)出明顯低谷，而1971年、1981年和1992年scPDSI、PDSI表現(xiàn)優(yōu)于SPEI和SPI，1991年和1998年4種指數(shù)均沒能準確描述旱情。相對而言，scPDSI指數(shù)在芷江站對旱情的描述準確性優(yōu)于其他3種干旱指數(shù)，特別是在1980—1989年的10年間表現(xiàn)得尤為明顯，10年中出現(xiàn)了1年屬特大旱年，4年屬大旱年，其他5年屬輕旱年，沒有基本無旱年存在，而這段時間也處于scPDSI指數(shù)低谷期，大部分時間該指數(shù)都位于受旱標準以下。

2.3 湖南省1960—2011年干旱時空特征分析

根據(jù)湖南省50年干旱時空特征分析（圖5）發(fā)現(xiàn)，湖南各地干濕變化趨勢存在明顯差異，大部分地區(qū)處于較弱的變濕趨勢，湘北及湘中變濕趨勢明顯，對當?shù)貧夂颦h(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一大利好;省內(nèi)存在變干趨勢的地區(qū)多集中在省區(qū)邊界，湘南永州地區(qū)有較弱的變干趨勢，干旱易生的湘西中部也處于加重趨勢，湘中東部變干趨勢十分明顯，可能與長沙、株洲地區(qū)快速發(fā)展的城市化建設(shè)有關(guān)，需要增加抗旱意識以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的嚴重旱災。

3 結(jié)論與討論

湖南省氣候較為濕潤，各地防旱抗旱的意識不強，而生產(chǎn)生活依賴水資源，所以旱災對湖南社會經(jīng)濟的影響巨大[8]。最早在公元前980年已有關(guān)于湖南旱災的歷史記錄，從15世紀到20世紀的600年間，旱災年的概率達到72.5%。建國以后，對于旱災的監(jiān)測日趨完善，據(jù)資料統(tǒng)計，1951—2000年湖南省每年干旱受災面積及成災面積占全省耕地面積的 12.5%和6.7%，干旱對湖南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活乃至經(jīng)濟發(fā)展造成了巨大的影響。只有加深了解、提高防旱抗旱能力，才能最大限度降低干旱造成的損失，最適干旱指數(shù)的研究有助于監(jiān)測、預測旱情，為防旱抗旱提供科學依據(jù)。

經(jīng)過對比4種干旱指數(shù)在湖南地區(qū)的適用性，發(fā)現(xiàn)scPDSI歷史干旱事實的描述準確率遠高于其他3種指數(shù)，通過應(yīng)用多因子干旱指數(shù)scPDSI可以提高旱情監(jiān)測及預警的準確性，這一結(jié)果與楊慶等的研究結(jié)論[31]一致。相對其他3種干旱指數(shù)，scPDSI的大幅度波動少，指數(shù)表現(xiàn)整體上較為穩(wěn)定，小波動較多，對于干旱的響應(yīng)敏感，能體現(xiàn)出在嚴重干旱后的緩解趨勢，但對于部分時空尺度下干旱情況的反映也有偏差，對于湘東長沙地區(qū)的描述準確性有待加強。目前scPDSI與PDSI使用統(tǒng)一旱度分級標準，這一點對scPDSI的描述準確性有所影響，因scPDSI能夠相對站點氣候特征自行修正指數(shù)，應(yīng)開發(fā)出適用于scPDSI的自矯正旱度標準，這一方面仍需進一步研究。

湖南省內(nèi)各地1960—2011年干旱趨勢存在明顯差異，湘西、湘南永州地區(qū)及湘東長沙、株洲地區(qū)處于變干趨勢，尤其是長沙、株洲地區(qū)變干趨勢明顯，這一點可能與氣候變暖及城市化有關(guān)[34-35]，未來有發(fā)生嚴重旱災的可能?；趕cPDSI計算所得近50年湖南省干旱時空變化趨勢可以為各級地方政府對旱情趨勢的判斷提供理論依據(jù)，從而為防災減災風險管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理布局、相關(guān)政策的制定提供幫助。

參考文獻：

[1]王 文，李 亮，蔡曉軍. CI指數(shù)及SPEI指數(shù)在長江中下游地區(qū)的適用性分析[J]. 熱帶氣象學報，2015，31（3）：403-416.

[2]He B，Lü A F，Wu J J，et al. Drought hazard assessment and spatial characteristics analysis in China[J]. Journal of Geographical Sciences，2011，21（2）：235-249.

[3]Wilhite D A. Drought as a natural hazard：concepts and definitions[M]//Drought：a global assessment. London：Routledge，2000，1：3-18.

[4]溫克剛，曾慶華. 中國氣象災害大典（湖南卷）[M]. 北京：氣象出版社，2006：128-211.

[5]吳賢云，丁一匯，王 琪，等. 近40年長江中游地區(qū)旱澇特點分析[J]. 應(yīng)用氣象學報，2006，17（1）：19-28.

[6]王素萍，段海霞，馮建英. 2011年春季全國干旱狀況及其影響與成因[J]. 干旱氣象，2011，29（2）：261-268.

[7]王素萍，段海霞，馮建英. 2009/2010年冬季全國干旱狀況及其影響與成因[J]. 干旱氣象，2010，28（1）：107-112.

[8]左利芳，仇財興. 湖南干旱特征及其對經(jīng)濟的影響[J]. 經(jīng)濟地理，2000，20（2）：36-39.

[9]陳元貞. 試論湖南的干旱[J]. 熱帶地理，1990（1）：55-62.

[10]朱玉林，李明杰，侯茂章，等. 湖南農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值結(jié)構(gòu)功能效率分析[J]. 中國農(nóng)學通報，2012，28（20）：270-277.

[11]青先國，艾治勇. 湖南水稻種植區(qū)域化布局研究[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2007，28（6）：704-708.

[12]王勁松，李憶平，任余龍，等. 多種干旱監(jiān)測指標在黃河流域應(yīng)用的比較[J]. 自然資源學報，2013，28（8）：1337-1349.

[13]王 文，許志麗，蔡曉軍，等. 基于PDSI的長江中下游地區(qū)干旱分布特征[J]. 高原氣象，2016，35（3）：693-707.

[14]Mckee T B N，Doesken N J，Kleist J. Drought monitoring with multiple time scales[C]//Proceedings of the 9th conference on applied climatology. Dallas，TX：American Meteordogical Society，1995：233-236.

[15]袁文平，周廣勝. 標準化降水指標與Z指數(shù)在我國應(yīng)用的對比分析[J]. 植物生態(tài)學報，2004，28（4）：523-529.

[16]王春林，陳慧華，唐力生，等. 基于前期降水指數(shù)的氣象干旱指標及其應(yīng)用[J]. 氣候變化研究進展，2012，8（3）：157-163.

[17]孫智輝，雷延鵬，曹雪梅，等. 氣象干旱精細化監(jiān)測指數(shù)在陜西黃土高原的研究與應(yīng)用[J]. 高原氣象，2011，30（1）：142-149.

[18]Palmer W C. Meteorological drought[M]. Washington DC：US Department of Commerce，Weather Bureau，1965.

[19]Vicente-Serrano S M. Beguería S，López-Moreno J I. A multiscalar drought index sensitive to global warming：the standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate，2010，23（7）：1696-1718.

[20]王 東，張 勃，安美玲，等. 基于SPEI的西南地區(qū)近53年干旱時空特征分析[J]. 自然資源學報，2014，29（6）：1003-1016.

[21]Dai A G，F(xiàn)ung I Y，Del Genio A D. Surface observed global land precipitation variations during 1900—1988[J]. Journal of Climate，1997，10（11）：2943-2962.

[22]Jones P D，Moberg A. Hemispheric and large-scale surface air temperature variations：an extensive revision and an update to 2001[J]. Journal of Climate，2003，16（2）：206-223.

[23]張劍明，廖玉芳，彭嘉棟，等. 湖南氣象干旱日數(shù)的時空變化特征[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（6）：621-628.

[24]黃晚華，楊曉光，李茂松，等. 基于標準化降水指數(shù)的中國南方季節(jié)性干旱近58年演變特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（7）：50-59.

[25]羅伯良，李易芝. 2013年夏季湖南嚴重高溫干旱及其大氣環(huán)流異常[J]. 干旱氣象，2014，32（4）：593-598.

[26]Fischer G，Nachtergaele F，Prieler S. Global agro-ecological zones assessment for agriculture （GAEZ 2008）[J]. IIASA，Laxenburg，Austria and FAO，Rome，Italy，2008：10.

[27]Begueria S，Vicente-Serrano S M，Reig F，et al. Standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） revisited：parameter fitting，evapotranspiration models，tools，datasets and drought monitoring[J]. International Journal of Climatology，2014，34（10）：3001-3023.

[28]Wells N，Goddard S，Hayes M J. A self-calibrating Palmer drought severity index[J]. Journal of Climate，2004，17（12）：2335-2351.

[29]Dai A G. Drought under global warming：a review[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews Climate Change，2011，2：45-65.

[30]McKee T B，Doesken N J，Kleist J. The relationship of drought frequency and duration to time scales[C]//Proceedings of the 8th conference on applied climatology. Anaheim：American Meteorological Society，1993：179-183.

[31]楊 慶，李明星，鄭子彥，等. 7種氣象干旱指數(shù)的中國區(qū)域適應(yīng)性[J]. 中國科學：地球科學，2017，47（3）：337-353.

[32]熊光潔，張博凱，李崇銀，等. 基于SPEI的中國西南地區(qū)1961—2012年干旱變化特征分析[J]. 氣候變化研究進展，2013，9（3）：192-198.

[33]谷洪波，劉芷妤. 湖南農(nóng)業(yè)干旱災害的時空分布、社會經(jīng)濟影響及形成機理探究[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學學報（社會科學版），2015，14（11）：1081-1085.

[34]廖玉芳，彭嘉棟，郭 慶. 湖南氣候?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)[J]. 大氣科學學報，2014，37（1）：75-81.