基于SPI的懷化市氣象干旱時(shí)空特征分析

張 坤，歐小鋒，王新發(fā)

(湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000)

0 引言

氣象干旱是指某時(shí)段內(nèi)，由于蒸發(fā)量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)氣象干旱的指標(biāo)有Palmer指數(shù)(PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、Z指數(shù)、水分虧缺指數(shù)和干燥度指數(shù)等[1]。其中，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)可消除降水的時(shí)空差異，對(duì)干旱變化反映敏感，具有多時(shí)間尺度的計(jì)算特性及資料來(lái)源方便等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最廣泛的氣象干旱指標(biāo)之一[2]。同時(shí)，許多專家學(xué)者開(kāi)展了對(duì)某一區(qū)域的干旱特征及趨勢(shì)的分析。懷化市屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，小氣候多樣，垂直差異大，山地氣候帶明顯，自然災(zāi)害頻發(fā)[3]。因此研究氣象干旱時(shí)空變化特征，揭示其時(shí)空演變規(guī)律，對(duì)加強(qiáng)氣象防災(zāi)減災(zāi)工作，減少干旱對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)影響具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于1962—2015年懷化市11個(gè)氣象臺(tái)站(沅陵、辰溪、溆浦、懷化、芷江、新晃、麻陽(yáng)、洪江、會(huì)同、靖州、通道)逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。懷化市氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 懷化市氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution Map of Meteorological Stations in Huaihua City

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)

根據(jù)《氣象干旱等級(jí)GB/T 20481-2017》[4]的定義，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)是表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)，其適用于月以上尺度相對(duì)于當(dāng)?shù)貧夂驙顩r的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估，根據(jù)SPI值的干旱等級(jí)劃分，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI干旱等級(jí)劃分Tab.1 Standardized Precipitation Index SPI Drought Classification

1.3 干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文基于干旱頻率、干旱強(qiáng)度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用線性趨勢(shì)分析、滑動(dòng)平均、GIS空間分析等方法對(duì)懷化市干旱特征進(jìn)行分析，各指標(biāo)具體定義[5]如下：

①干旱頻率(Pi)：表示干旱發(fā)生的頻繁程度，即干旱發(fā)生的年數(shù)與總樣本數(shù)之比。為便于比較，本文所指干旱頻率是指輕旱以上(含輕旱)干旱發(fā)生的頻率，中旱頻率是指中旱以上(含中旱)干旱發(fā)生的頻率，重旱頻率是指重旱以上(含重旱)干旱發(fā)生的頻率，特旱頻率是指特旱發(fā)生的頻率。

②干旱強(qiáng)度(H)：用于描述干旱的嚴(yán)重程度，單站某時(shí)段內(nèi)的干旱強(qiáng)度一般可直接由標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI直接反映。

2 懷化市氣象干旱時(shí)空特征分析

2.1 干旱頻率時(shí)空分布特征

2.1.1 年干旱頻率時(shí)空分布特征 根據(jù)干旱等級(jí)劃分和干旱頻率定義，1962—2015年懷化市年尺度整體干旱頻率(輕旱及以上干旱發(fā)生頻率，下同)為29.6%，中旱頻率14.8%，重旱頻率5.6%，特旱頻率3.7%。從不同等級(jí)干旱頻率空間分布看(圖2)，1962—2015年懷化干旱頻率在24.1%～33.3%之間，頻率較高的地區(qū)主要在靖州及通道，芷江、麻陽(yáng)及會(huì)同等區(qū)域次之；中旱頻率在11.1%～16.7%之間，頻率較高的地區(qū)主要是沅陵、新晃及通道，溆浦、芷江、會(huì)同等區(qū)域次之；重旱頻率在1.9%～7.4%之間，頻率較高的區(qū)域主要為辰溪，沅陵、新晃、洪江等區(qū)域次之；特旱頻率在0.0%～3.7%之間，頻率較高的區(qū)域?yàn)檐平?、麻?yáng)、洪江、辰溪以及懷化城區(qū)。

圖2 懷化市年干旱頻率空間分布(a.干旱頻率；b.中旱頻率；c.重旱頻率；d.特旱頻率)Fig.2 Spatial Distribution of Annual Drought Frequency in Huaihua City (a. Drought Frequency; b. Moderate Drought Frequency; c. Severe Drought Frequency; d. Special Drought Frequency)

2.1.2 季干旱頻率時(shí)空分布特征 統(tǒng)計(jì)可知，懷化市1962—2015年春季干旱頻率(輕旱及以上干旱發(fā)生的頻率，下同)在25.9%～37.0%之間，平均值為30.3%，中旱頻率在11.1%～18.5%之間，平均值為15.7%，重旱頻率在3.7%～9.3%之間，平均值為6.1%，特旱頻率在1.9%～5.6%之間，平均值為2.7%，從圖3a可知，春季干旱頻率較高的區(qū)域?yàn)閼鸦辈康你淞?；夏季干旱頻率在27.8%～33.3%之間，平均值為30.8%，中旱頻率在11.1%～18.5%之間，平均值為15.2%，重旱頻率在5.6%～9.3%之間，平均值為7.6%，特旱頻率在0.0%～3.7%之間平均值為2.0%，從圖3b可知，夏季干旱頻率較高的區(qū)域?yàn)楹榻澳喜康木钢?；秋季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為31.1%，中旱頻率在11.1%～20.4%之間，平均值為15.8%，重旱頻率在5.6%～9.3%之間，平均值為6.6%，特旱頻率在0.0%～3.7%之間，平均值為2.0%，從圖3c可知，秋季干旱頻率較高的區(qū)域?yàn)檐平秃榻?；冬季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為30.0%，中旱頻率在11.1%～16.7%之間，平均值為14.0%，重旱頻率在5.6%～9.3%之間，平均值為6.6%，特旱頻率在0.0%～3.7%之間，平均值為1.9%，從圖3d可知，南部的會(huì)同干旱頻率最高。

2.2 干旱強(qiáng)度時(shí)空分布特征

2.2.1 年干旱強(qiáng)度時(shí)空分布特征 從圖4a可知，1962—2015年懷化市年干旱強(qiáng)度(SPI值，下同)在-2.5～1.9之間，變化趨勢(shì)不顯著，變化率僅為0.01/10 a，但干旱強(qiáng)度年際波動(dòng)較大，1962—2015年懷化市共16 a發(fā)生干旱，干旱頻率為29.6%，其中1978年發(fā)生重旱，1985年、2011年發(fā)生特旱。從5 a滑動(dòng)曲線可知，1969年之后懷化市SPI值急劇下降，干旱增加趨勢(shì)顯著，并一直持續(xù)到1985年，1985—1995年SPI呈增加趨勢(shì)，1995—2011年SPI值呈明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明在此階段懷化市干旱增加趨勢(shì)顯著。從干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)的空間分布(圖4b)可以看出，1962—2015年懷化市干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)空間上分布在-0.08/10 a～0.05/10 a之間，干旱強(qiáng)度顯著增加(SPI值減小)的區(qū)域?yàn)楸辈康你淞?、南部的靖州及芷江區(qū)域，其他區(qū)域SPI值基本呈增加趨勢(shì)，即干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)。

2.2.2 季干旱強(qiáng)度時(shí)空分布特征 從圖5a可知，1962—2015年懷化市春季干旱強(qiáng)度在-2.4～2.1之間，呈顯著增加趨勢(shì)，共14 a發(fā)生干旱，其中，1986年發(fā)生重旱，2011發(fā)生特旱，從5 a滑動(dòng)曲線可知，1974—1988年懷化市SPI值急劇下降，干旱強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，1988—2013年，SPI值呈增加趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度持續(xù)減弱。從圖6a可以看出，干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)空間上分布在-0.19/10 a～0.01/10 a之間，除通道部分區(qū)域外，懷化市大部分區(qū)域干旱強(qiáng)度呈顯著增加(SPI值減小)的趨勢(shì)。

圖3 懷化市季干旱頻率空間分布(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.3 Spatial Distribution of Drought Frequency in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

圖4 懷化市年干旱強(qiáng)度年際變化趨勢(shì)及空間分布(a.年際變化趨勢(shì)；b.空間分布)Fig.4 Interannual Variation Trend and Spatial Distribution of Annual Drought Intensity in Huaihua City (a.Interannual Variation Trend; b.Spatial Distribution)

從圖5b可知，夏季干旱強(qiáng)度在-2.4～2.0之間，SPI值呈增加趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，共13 a發(fā)生干旱，其中3 a發(fā)生重旱，分別是1963、1978及1981年，2 a發(fā)生特旱，分別是1972、 2013年，從5 a滑動(dòng)曲線可知，1985—1996年懷化市SPI呈增加趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度有所緩和，1985—2013年，SPI值呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明在此時(shí)期內(nèi)，懷化市干旱強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)。從圖6b可以看出，干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)空間上分布在0/10 a～0.16/10 a之間，說(shuō)明懷化市大部分區(qū)域干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)。

從圖5c可知，秋季干旱強(qiáng)度在-2.1～2.2之間，呈增加趨勢(shì)，變化率為-0.04/10 a，1962—2015年共19 a發(fā)生干旱，其中，1974、1992年發(fā)生特旱，從5 a滑動(dòng)曲線可知，1990年開(kāi)始懷化市SPI值呈急劇下降趨勢(shì)，說(shuō)明干旱程度持續(xù)增強(qiáng)，2007年之后，SPI值呈顯著增加趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度持續(xù)減弱。從圖6c可以看出，干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)空間上分布在-0.11/10 a～0.05/10 a之間，干旱強(qiáng)度呈顯著增加趨勢(shì)的主要為懷化市南部的會(huì)同及通道。

從圖5d可知，冬季干旱強(qiáng)度在-1.9～1.8之間，SPI值呈增加趨勢(shì)，變化率為0.02/10 a，1962—2015年共16 a發(fā)生干旱，其中3 a發(fā)生重旱，分別是1977、1998及1999年，從5 a滑動(dòng)曲線可知，1991—1998年，2004—2009年兩個(gè)時(shí)期，懷化市SPI值均呈急劇下降，干旱強(qiáng)度增加趨勢(shì)顯著。從圖6d可以看出，干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)空間上分布在-0.08/10 a～0.1/10 a之間，懷化市北部的沅陵、辰溪、溆浦等區(qū)域干旱強(qiáng)度呈顯著增加(SPI值變化率為負(fù)值)的趨勢(shì)。

總體而言，懷化市秋旱最為嚴(yán)重，在1962—2015年的54 a中分共有19 a發(fā)生干旱，其次為冬旱和春旱，分別有16 a和14 a發(fā)生干旱，而夏旱最輕，共有13 a發(fā)生干旱。

圖5 懷化市季干旱強(qiáng)度年際變化趨勢(shì)(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.5 Interannual Trend of Drought Intensity in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

圖6 懷化市季干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)空間分布(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.6 Spatial Distribution of Drought Intensity Change Trend in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

3 結(jié)論

采用線性趨勢(shì)分析、滑動(dòng)平均、空間分析等方法對(duì)懷化市近54 a氣象干旱特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

①1962—2015年懷化市年尺度整體干旱頻率(輕旱及以上干旱發(fā)生頻率)為29.6%，中旱頻率14.8%，重旱頻率5.6%，特旱頻率3.7%。從四季看，春季干旱頻率在25.9%～37.0%之間，平均值為30.3%，夏季干旱頻率在27.8%～33.3%之間，平均值為30.8%，秋季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為31.1%，冬季干旱頻率在27.8%～35.2%之間，平均值為30.0%。

②1962—2015年懷化市年干旱強(qiáng)度(SPI)在-2.5～1.9之間，變化趨勢(shì)不顯著，變化率僅為0.01/10 a，但干旱強(qiáng)度年際波動(dòng)較大，54 a來(lái)共有16 a發(fā)生干旱，干旱頻率為29.6%，其中1978年發(fā)生重旱，1985年、2011年發(fā)生特旱。從四季看，秋旱最為嚴(yán)重， 54 a中共有19 a發(fā)生干旱，其次為冬旱和春旱，分別有16 a和14 a發(fā)生干旱，而夏旱最輕，共有13 a。