SPI在遼陽季節(jié)性干旱評價中的應(yīng)用研究

畢 海

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

干旱是一種降水少、水資源量少，不足以滿足人的生存和經(jīng)濟發(fā)展的氣候現(xiàn)象[1-5]。干旱一經(jīng)發(fā)生，嚴重時農(nóng)業(yè)致災(zāi)、工業(yè)建設(shè)受制約、生態(tài)環(huán)境破壞、人類生存面臨困難。干旱作為一種環(huán)境問題，近年來全國各地頻發(fā)，極端干旱頻現(xiàn)，是制約社會經(jīng)濟發(fā)展的重要自然災(zāi)害之一[6-9]。因此干旱的預(yù)警預(yù)測、抗旱治旱是十分重要且必要的。干旱評價作為干旱預(yù)警及抗旱的基礎(chǔ)，是不可缺少的，同時季節(jié)尺度的干旱評價對農(nóng)業(yè)抗旱具有重要的參考意義[10-15]。

遼陽市位于遼寧省中部，大陸性季風(fēng)氣候，東部山區(qū)，西部平原，降水時空分布不均。近年來受氣象因素影響，水資源短缺，水環(huán)境問題加劇，農(nóng)業(yè)需水不足，干旱問題日益突出。

1 材料與方法

采用遼陽地區(qū)氣象監(jiān)測月數(shù)據(jù)，選取1970—2015年46年系列數(shù)據(jù)，采用一個水文年四季劃分時段，3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年2月為冬季，并采用相關(guān)分析法對缺測數(shù)據(jù)的站點進行插補，構(gòu)建遼陽地區(qū)季尺度的水文序列。

SPI指數(shù)是一種基于降水量及其平均值之間的偏離程度對干旱情況進行計算評價的方法。

SPI是一種適用于不同尺度的表征降水量出現(xiàn)概率的一種指標，采用Γ分布概率進行降水量描述，將偏態(tài)概率分布轉(zhuǎn)換為正態(tài)標準化，進而用標準化降水累計頻率評估干旱狀態(tài)，主要計算公式為：

(1)

其中:S為概率密度正負系數(shù)，γ、β分別為Γ函數(shù)的尺度參數(shù)、形狀參數(shù)；c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。G(x)為與Γ函數(shù)相關(guān)的降水分布概率；x為降水量樣本值。當(dāng)SPI>-0.5，為無旱；-0.5≥SPI>-1，為輕旱；-1≥SPI>-1.5，為中旱；-1.5≥SPI>-2，為重旱；SPI≤-2，為特旱。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)干旱發(fā)生情況

繪制季節(jié)SPI干旱指數(shù)曲線，見圖1、圖2。從圖可知，遼陽地區(qū)1970—2015年季節(jié)尺度SPI指數(shù)波動明顯，遼陽地區(qū)季節(jié)性旱澇變化劇烈。春季干旱指數(shù)顯示，1970年、1993年、2004年春季重旱；1989年中旱、2001—2002年連續(xù)2年中旱；1978年、1980年、1984年、1992年、2011年、2014年及1996—1997年，共8年春季輕旱。夏季干旱指數(shù)顯示，1977—1981年發(fā)生連續(xù)5年干旱，1988—1989年、2014—2015年兩次發(fā)生連續(xù)2年干旱；1978—1979年連續(xù)重旱、2009年、2014年發(fā)生重旱或特旱；1972年、1989年、1992年、2000年、2007年，共5年中旱；1974年、1977年、1988年、1997年、2003年、2015年及1980—1981年，共8年夏季輕旱。秋季干旱指數(shù)顯示，1997年、2008年發(fā)生重旱；有4年中旱發(fā)生；有7年輕旱發(fā)生；2001—2002年連續(xù)2年輕旱，未發(fā)生連續(xù)多年干旱；冬季干旱指數(shù)顯示，1974年、2012年冬季特旱或重旱；有4年發(fā)生中旱；有9年發(fā)生輕旱；且1973—1975年發(fā)生連續(xù)3年干旱，1995—1996年連續(xù)2年輕度干旱。

綜合分析四個季節(jié)干旱發(fā)生情況，四個季節(jié)中同時發(fā)生干旱次數(shù)僅1年，即2014年出現(xiàn)四個季節(jié)發(fā)生干旱，有11年中四個季節(jié)均為無旱，為1971年、1976年、1983年、1987年、1990年、1994年、1997年、1998年、2006年、2010年、2013年。其他年份在不同季節(jié)發(fā)生干旱，其中1997年春夏秋3個季度連續(xù)干旱，1978年、1980年、1989年、1992年、1997年、2014年6年春旱夏旱同時發(fā)生，3年夏旱秋旱同時發(fā)生、5年秋旱冬旱同時發(fā)生，3年冬旱春旱同時發(fā)生。經(jīng)過對旱情調(diào)查史志分析和實地走訪調(diào)查，SPI指數(shù)評價結(jié)果合理。

圖1 秋季、冬季SPI指數(shù)曲線

圖2 春季、夏季SPI指數(shù)曲線

2.2 干旱發(fā)生頻次分析

1970—2015年系列中76%占比的年份中在不同季節(jié)發(fā)生干旱，統(tǒng)計各季節(jié)1970—2015年干旱發(fā)生頻數(shù)，結(jié)果見表1。遼陽地區(qū)夏季發(fā)生干旱頻率最高，次之為冬季，再次為春季與秋季。遼陽地區(qū)夏季與冬季發(fā)生過特旱，夏季特旱出現(xiàn)在2014年，冬季特旱出現(xiàn)在1974年；重旱發(fā)生頻率在春季與夏季較高；中度干旱在夏季發(fā)生頻率最大，春季最小。在遼陽地區(qū)，對于作物生長而言，秋季是收割的季節(jié)，干旱對作物的影響是最小的。根據(jù)SPI指數(shù)統(tǒng)計可知，雖然冬旱發(fā)生頻率較高，但遼陽地區(qū)冬季種植農(nóng)作物較少，且僅冬季土壤的含水對春季耕作稍有影響，故冬旱對農(nóng)作物影響較小。夏旱、春旱對農(nóng)作物的影響是較大的，雖然夏季雨水較多，但夏季極端天氣較容易出現(xiàn)，故夏季重旱、特旱頻率高于其他季節(jié)；春季重旱發(fā)生的概率較秋冬季重旱發(fā)生概率大。春季和夏季是農(nóng)作物生產(chǎn)的關(guān)鍵季節(jié)，發(fā)生干旱對農(nóng)作物生長及其產(chǎn)量影響較大，特別是春夏連續(xù)干旱，此時則需對農(nóng)作物進行人工地表、地下調(diào)配灌溉補給作物生產(chǎn)用水。

表1 不同季節(jié)發(fā)生不同程度干旱頻率統(tǒng)計表 %

2.3 干旱趨勢分析

根據(jù)遼陽地區(qū)春季、夏季、秋季、冬季SPI指數(shù)，同時采用曲線趨勢斜率共同檢驗遼陽季節(jié)尺度干旱的趨勢演變。計算結(jié)果見表2。SPI指數(shù)趨勢分析結(jié)果表明，46年系列中春季、冬季干旱趨勢特征一致，SPI指數(shù)總體呈現(xiàn)增大趨勢，說明春旱、冬旱呈減弱趨勢，且春旱波動變幅小，冬旱減弱幅度大；夏秋季節(jié)干旱趨勢特征一致，SPI指數(shù)總體呈減小趨勢，說明夏旱、秋旱呈增強趨勢，且夏旱增強趨勢更大。

表2 遼陽地區(qū)1970—2015年干旱趨勢特征值

3 結(jié) 語

以1970—2015年氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用SPI指數(shù)，以季度為尺度，研究遼陽地區(qū)干旱情況。1970—2015年遼陽地區(qū)季節(jié)尺度旱澇變化劇烈，極端干旱頻率發(fā)生較低；各季節(jié)年際間連續(xù)干旱發(fā)生概率小，均未出現(xiàn)有連續(xù)2年嚴重干旱；且未出現(xiàn)年內(nèi)連續(xù)2個季節(jié)嚴重干旱，且四個季節(jié)連續(xù)發(fā)生干旱頻率較低。夏季干旱事件更易發(fā)生，且春季、夏季重旱發(fā)生概率較大，需要對春季、夏季干旱預(yù)警防范。46年間冬季、春季干旱呈減弱趨勢，夏季和秋季干旱呈現(xiàn)增強趨勢。季節(jié)性干旱研究可以更好服務(wù)抗旱減災(zāi)、水資源調(diào)度。