基于SPI指數(shù)近57年肇慶市干旱特征分析

袁業(yè)溶，周義昌

（1.肇慶市高要區(qū)氣象局，廣東肇慶 526000；2.肇慶市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東肇慶 526000）

干旱是全球最常見的氣象災害之一，在全球氣候變暖的背景下，極端旱澇災害事件發(fā)生頻繁［1-2］。

近年來國內(nèi)外學者根據(jù)不同干旱指標對干旱現(xiàn)象做了大量的研究工作，致力于從不同角度了解其成因及發(fā)生發(fā)展規(guī)律［3-4］。目前應用較為廣泛的指標主要有Z指數(shù)、相對濕潤度指數(shù)（M）和標準化降水指數(shù)（SPI）等［5］。廣東省內(nèi)較多使用逐日氣象干旱指數(shù)（DI）和標準化降水指數(shù)（SPI）進行干旱特征分析，如王春林等［6］、郭晶等［7］使用DI指數(shù)分析了廣東省的干旱特征，結(jié)果均表明廣東省整體屬于較濕潤的狀態(tài)且年平均干旱指數(shù)變化趨勢不明顯；江濤等［8］基于SPI指數(shù)分析認為廣東省整體較為濕潤，但局部干旱常有發(fā)生且干旱在空間分布上存在較大差異。由于不同區(qū)域?qū)夂蜃兓捻憫哂胁町愋裕嵄虻龋?］認為在對廣東省不同區(qū)域的氣候變化進行分析時更應進行局地考慮。而標準化降水指數(shù)（SPI）消除了降水在時空分布上的差異，對不同水資源可用量具有多時間尺度的優(yōu)勢，計算簡單，目前被廣泛運用到區(qū)域性干旱的時空分析中［10］。

肇慶市位于西江流域下游。近年來西江流域干旱頻發(fā)，影響范圍廣［10］，制約著肇慶的經(jīng)濟社會發(fā)展，目前對肇慶市干旱監(jiān)測方面的研究較少，本研究通過運用SPI指數(shù)研究肇慶市干旱的時空變化特征，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、科學蓄水等具有重要的實用價值，為抗旱救災提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料選取及說明

本研究所用數(shù)據(jù)選自肇慶市6個國家基本氣象站近57年（1962—2018年）的逐月降水資料，采用6個站的平均值代表肇慶市的整體情況。該數(shù)據(jù)時間跨度較大、連續(xù)且無缺值，在反映肇慶市降水變化情況上有很好的代表性。

1.2 研究方法

標準化降水指數(shù) SPI是由 MCKEE等［11］于1993年提出的基于不同時間尺度內(nèi)降雨量累積概率的干旱指標，可用于反映多個時間尺度的干旱特征，其所獲取的降雨數(shù)據(jù)記錄時間越長，SPI結(jié)果可信程度越高。本研究主要計算 SPI3、SPI12，分別用于分析肇慶市季節(jié)干旱特征、年際干旱特征和空間變化特征。以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；季節(jié)尺度的干旱分別取5、8、11和次年2月的SPI3值進行分析。年際干旱特征和空間變化特征分析使用每年12月的SPI12值進行分析。其詳細計算步驟及方法可參考文獻［12-13］。

本研究參照文獻引入干旱發(fā)生頻率P［14］i，通過計算6個站點不同等級的干旱發(fā)生頻率來評價肇慶市發(fā)生干旱的頻繁程度。旱澇等級劃分標準參照《氣象干旱等級GB/T20481—2006》，如表1所示。

表1 標準化降水指數(shù)干旱等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 年際變化

1962—2018 年肇慶市SPI12呈震蕩上升趨勢，但線性趨勢不顯著（圖1），年平均干旱頻率為28.07%，其中出現(xiàn)輕旱、中旱、重旱和特旱的頻率分別為10.52%、5.26%、10.52%和1.75%。SPI12最低值出現(xiàn)在1977年，為特旱級別，據(jù)廣東省氣象災害大典記載，1977年廣東省大旱，降雨量與同期相比減少40% ～70%，部分地區(qū)偏少70%～90%，屬40～70年一遇，流經(jīng)肇慶的西江低于歷史最低水位［15］。

11年滑動平均曲線顯示，SPI12在1999年之前波動平緩；在1999—2008年呈下降趨勢；2009—2011年顯著上升（圖1）。從各等級干旱發(fā)生頻率可以看出：1999年之前中旱以上發(fā)生頻率為10.81%；1999—2011年中旱以上發(fā)生頻率為46.15%，頻率明顯上升。由此可見，雖然肇慶市SPI12呈震蕩上升趨勢，干旱趨于緩解，但嚴重干旱事件發(fā)生更加頻繁。

圖1 1962—2018年肇慶市SPI12年際變化

對1962—2018年肇慶市SPI12值進行MK突變檢驗（圖2），從圖2可以看出，1964—2018年UF曲線均處于零值以上，表明SPI12整體是一個逐漸上升的趨勢；在1972—1976年這種上升趨勢超過臨界線（α＝0.05），表明在此期間SPI12上升趨勢顯著，且 UF和 UB曲線在1964相交，因此可以確定肇慶市SPI12在1964年發(fā)生突變。1967年附近和1999—2009年間SPI12的UF、UB曲線存在多個交點，但由于UF曲線都位于臨界線（α＝0.05）以內(nèi)，因此此期間SPI12不存在嚴格意義上的突變點［16］。

圖2 1962—2018年肇慶市SPI12 M-K突變檢驗

從小波實部圖（圖3a）可以看出，肇慶市SPI12在近57年不同時間尺度的周期性震蕩十分明顯，存在多時間尺度特征。SPI12在演變過程中具有16～21、10～13和5～7年的3類尺度的變化周期，其中16～21年周期具有局部性，在1970—1997年間較明顯，經(jīng)歷了“澇-旱-澇-旱-澇”交替的5次震蕩；10～13年周期在近57年中具有全域性，但強度不穩(wěn)定，其在1990年后趨于減弱，2006年后重新趨于明顯加強，肇慶市正處于10～13年周期的干旱期；5～7年周期在1994年后開始趨于明顯，并于2009年后逐漸減弱。

從小波方差圖（圖3b）中可以發(fā)現(xiàn)3個明顯峰值，分別對應6、11和18年的時間尺度，其中18年為SPI12年際變化的第1主周期，11、6年分別為第2和第3主周期。

2.2 季節(jié)變化

結(jié)合廣東省地理氣候特征，一般認為當干旱達到一定程度才會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響［15］，因此在分析干旱季節(jié)變化時主要統(tǒng)計重旱以上程度的干旱。對1962—2018年肇慶市SPI3值進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示，各季節(jié)重旱以上發(fā)生頻率為春季10.53%、秋季7.02%、夏季5.26%、冬季3.51%，嚴重干旱事件主要集中在春、秋兩季（圖略）。近57年SPI3最低值出現(xiàn)在1963年春季，達特旱級別，廣東省氣象災害大典描述1963年全省發(fā)生春旱且旱情長，大部地區(qū)冬春連旱，部分地區(qū)秋冬春連旱［15］。夏季干旱也常有發(fā)生，但干旱程度相對較輕，冬季旱情最輕。

圖3 1962—2018年肇慶市SPI12 Morlet連續(xù)復小波實部（a）和方差（b）

由線性趨勢看出，除春季SPI3呈下降趨勢，干旱趨于加強外，其余季節(jié)SPI3均呈上升趨勢，干旱趨于緩解。11年滑動平均顯示，春季SPI3在1984—2000經(jīng)歷了較明顯的波動下降；夏季SPI3呈“下降-上升-再下降”的波浪狀變化趨勢；秋、冬季SPI3滑動平均曲線波動較平緩。

2.3 空間變化

1962—2018 年肇慶市各縣（市、區(qū)）重旱以上發(fā)生頻率分別為德慶縣14.04%、懷集縣10.53%、高要區(qū)7.02%、封開縣7.02%、四會市5.26%、廣寧縣5.26%，德慶縣、懷集縣極端干旱頻率明顯高于其他地區(qū)。從SPI12平均強度和傾向率分布（圖4a）上看，肇慶市各縣（市、區(qū)）平均SPI12均接近0，屬于較濕潤狀態(tài)，其呈現(xiàn)出自東南向西北逐漸增強的分布特征，即西北較東南略濕潤；中部SPI12上升趨勢高于南北部，除懷集縣傾向率為負值外，其余均為正值，表明懷集縣干旱趨于加強。其余地區(qū)干旱趨于緩解。

對肇慶市各縣（市、區(qū)）近57年的SPI12指數(shù)進行EOF分解，僅第1、2模態(tài)通過了North檢驗，第1模態(tài)方差貢獻率高達73.9%，第2模態(tài)方差貢獻率僅為7.5%，因此本研究只對第1模態(tài)進行分析。第1模態(tài)的空間特征向量場如圖4b所示，表現(xiàn)為肇慶全市一致性的旱澇變化特征。第1模態(tài)的空間向量場正值中心位于懷集縣，表明懷集縣的旱澇變化相對其他縣（市、區(qū)）較顯著，屬于旱澇敏感區(qū)。第1模態(tài)對應的時間系數(shù)變化特征（圖略）與SPI12年際變化特征基本一致，時間系數(shù)的斜率為每年0.010 4（R2為0.006 6，未通過顯著性檢驗），表現(xiàn)出一定的上升趨勢，說明從長期趨勢來看，該模態(tài)下肇慶市干旱趨于緩解，但趨勢并不顯著。

圖4 1962—2018年肇慶市各縣（市、區(qū)）SPI12平均強度（填色）和傾向率（等值線）分布（a）以及SPI12第1模態(tài)特征向量空間分布（b）

3 結(jié)論

1）肇慶市年平均干旱頻率為28.07%，SPI12呈震蕩上升趨勢，但線性趨勢不顯著。

2）肇慶市SPI12值在1964年前后發(fā)生突變，且存在6、11、18年的周期變化，其中以18年為第1主周期。目前肇慶市正處于11年周期的干旱期。

3）肇慶市干旱主要發(fā)生在春、秋兩季。春季干旱趨于加強；夏季SPI3呈顯著波浪狀變化趨勢；秋、冬季變化不明顯。

4）SPI12平均強度呈自東南向西北逐漸增強的分布特征。懷集縣SPI12呈下降趨勢且旱澇變化相對其他地區(qū)較敏感。未來需加強做好懷集縣的干旱防御工作。