湖南省不同時間尺度SPI干旱特征研究

吳浩 張劍明 顏鵬程 曾宇星 段麗潔

（1 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，蘭州 730020； 2 湖南省氣候中心，長沙 410118）

0 引言

干旱通常指淡水總量少，不足以滿足人們的生產生活和經濟發(fā)展的一種氣候現(xiàn)象，它普遍存在于世界各地，頻繁發(fā)生于各個歷史時期，是一種長期的現(xiàn)象。干旱不僅是全球氣象科學界研究的焦點科學問題之一，也是世界各國政府和社會公眾關注的重大熱點問題。干旱氣候變化與人類社會的生產生活緊密相關，一方面人類活動在一定程度上加劇了干旱化的進程，同時干旱氣候變化又影響了人類的生存和發(fā)展。干旱相比于其他自然災害，它發(fā)生范圍廣，持續(xù)時間長，季節(jié)性連發(fā)，而且其一旦成災可造成嚴重危害。

我國是一個干旱頻發(fā)的國家，同時旱災是我國最常見、影響最大的氣候災害，每年因干旱造成的糧食減產約占氣象災害糧食總損失的50%。資料統(tǒng)計表明，我國從公元前206年起到1949年的2155年中，全國發(fā)生較大的旱災有1056次，平均每兩年就發(fā)生一次大旱。而我國北方地區(qū)一直以來是干旱災害的多發(fā)區(qū)，如20世紀以來的西北干旱、1922—1932年的黃河流域特大干旱、1980年以來的華北干旱，這些都給人民帶來了深重的災難。較之我國北方地區(qū)，我國南方地區(qū)過去主要是以雨澇災害為主，近年來我國南方地區(qū)干旱頻發(fā)。干旱頻發(fā)的背景下，我國南方地區(qū)近年旱澇事件表現(xiàn)出三個明顯的特征：季節(jié)連旱、旱澇急轉、旱澇并存。例如2009年西南地區(qū)秋冬春連旱、2010年長江中下游地區(qū)在春季異常干旱后6月迅速轉為雨澇，2012年春季我國南方呈現(xiàn)西南旱、而江南和華南澇的旱澇并存特征。因此，也有專家指出，我國原來的北旱南澇分布型正在轉化，華北重大干旱可能在南方地區(qū)復現(xiàn)，因此開展對南方地區(qū)干旱問題的研究勢在必行。

湖南省地處中國中部、長江中游，是我國重要的魚糧生產基地，屬于大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，春夏多雨而秋冬干旱，旱災幾乎年年都有，即使是大水年也同樣會出現(xiàn)干旱。如1998年湖南發(fā)生了特大洪水，但干旱依然存在，全省先澇后旱，北澇南旱特征明顯。干旱是一種多時間尺度的降水異常事件，往往存在年際和年代際的變化特征。因此，開展湖南省多時間尺度干旱監(jiān)測研究意義重大。

以往有關湖南氣象干旱的研究主要集中于分析某次干旱的成因或者影響因子的分析，本研究希望通過計算不同時間尺度的SPI干旱指數(shù)研究湖南省不同時間尺度干旱特征，通過與湖南干旱災情的比對，從而確定適合湖南省特點的干旱指數(shù)，為湖南的旱澇災害的防災減災工作提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

使用了湖南省97個地面氣象站1961—2016年逐月降水數(shù)據(jù)，通過計算得到不同時間尺度標準化降水指數(shù)（SPI），等級劃分標準如表1所示。

表1 基于標準化降水指數(shù)的旱澇等級劃分Tab.le 1 Classification of drought and waterlogging grades based on the standardized precipitation index

1.2 方法

1）EOF分析方法（經驗正交函數(shù)）

EOF分析方法又稱特征向量分析或者主成分分析方法，該方法已在氣象、海洋及其他學科中得到了廣泛的應用。本文利用EOF分析方法對湖南省的SPI指數(shù)進行時空特征分析。

2）區(qū)域平均方法

根據(jù)研究需要，本文利用區(qū)域平均計算方法計算湖南地區(qū)的總的SPI指數(shù)。所使用的區(qū)域SPI平均值計算方法采用Jones網(wǎng)格面積加權平均法，如下式所示：

式中，

S

表示第

i

個站點第

k

月的值，

w

表示第

i

站點上的緯度值，

S

表示某區(qū)域第

k

月的區(qū)域平均值，

n

為某區(qū)域包含的站點數(shù)目。

3）不同時間尺度干旱監(jiān)測模型的構建

由于降水量的分布一般不是正態(tài)分布，而是一種偏態(tài)分布。所以在進行降水分析和干旱監(jiān)測、評估中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化。SPI就是在計算出某時段內降水量的Γ分布概率后，再進行正態(tài)標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。

本文旨在研究不同時間尺度的SPI，主要選取月、季、年三種時間尺度，將樣本量定義為月、季、年三種時間尺度便能得到不同時間尺度的SPI干旱監(jiān)測模型。

2 湖南省三種時間尺度干旱特征分析

2.1 湖南省年尺度干旱特征分析

2.1.1 湖南省年尺度旱澇站分布特征

1961—2016年年尺度多年平均旱澇發(fā)生站次如圖1所示，多年平均年尺度干旱發(fā)生站次為30.7站，1961—1990年、2003—2012年干旱站次發(fā)生較多，其中較多年份有1963，1966，1971，1974，1978，1985，1986，2009和2011年；多年平均年尺度洪澇發(fā)生站次為29.8站，1990—2002年、2012—2016年為濕潤站次發(fā)生較多，其中較多年份有1970，1994，2002，2012和2016年。

2.1.2 湖南年尺度SPI的變化趨勢

1961—2016年湖南年尺度干濕變化具有明顯的年代際變化特征（圖2），可以劃分為4個時段，分別為：1961—1990年、1991—2004年、2005—2011年、2012—2016年，分別經歷了干—濕—干—濕等（圖3）。其中1961—1990年湘中和湘東南干旱強度較強，1991—2004年湘西、湘北濕潤強度較強，2005—2011年湘中偏東干旱強度較強，2012—2016年湘中一帶濕潤強度較強。

圖1 湖南省年尺度不同級別旱（a）、澇（b）發(fā)生站次的逐年變化Fig. 1 The annual variation of drought (a) and waterlogging (b) on annual scale in Hunan Province

圖2 1961—2016年湖南年尺度平均SPI的逐年變化Fig. 2 The annual variation of annual scale average SPI in Hunan Province during 1961-2016

圖3 不同年代際SPI的空間分布Fig. 3 The spatial distribution of SPI in different decades

2.1.3 湖南年尺度干旱空間分布型

為了分析湖南年尺度干旱的空間分布型，對1961—2016年湖南歷年SPI進行EOF分解得到前10個模態(tài)，其中前2個空間模態(tài)的累計方差貢獻率達到63.5%，可以較好地表現(xiàn)年尺度干旱的空間分布特征。

第一模態(tài)（方差貢獻為47.5%）在湖南均為正值，表明湖南歷年SPI具有較好的空間一致性，普遍偏干或偏澇，其中第一模態(tài)正值的大值區(qū)主要分布在湘中一帶（圖4）。采用超過±1.5倍標準差，得到第一模態(tài)時間系數(shù)異常年份，其中1994、2002年超過1.5倍標準差，為全省濕潤型；1963，1971，2011年超過-1.5倍標準差，為全省干旱型（圖5a、表2、圖6）。

第二模態(tài)（方差貢獻為16.0%）在湖南呈北負南正分布，零等值線基本沿湖南省中部一線分布，說明湖南歷年SPI呈南北反位相的關系，即南部偏澇、北部偏旱或南部偏旱、北部偏澇。采用超過±1.5倍標準差，得到第二模態(tài)時間系數(shù)異常年份，其中1981，1994，1997，2006年超過1.5倍標準差，為北部干旱型；1967，1969，1977，1980，1998年超過-1.5倍標準差，為南部干旱型（圖 5b、表2、圖 6）。

根據(jù)湖南省氣候分析圖集記載，湖南2002年年平均降水量為1884.2 mm，為1951—2014年第一高值，暴雨頻發(fā)。湘江7次洪峰致災重。根據(jù)湖南農業(yè)統(tǒng)計年鑒記錄，2002年湖南水災受災面積達95.2萬 hm，屬于大澇年，這與本文研究結果一致。根據(jù)湖南災害大典記錄，1994年湖南屬于基本無旱年，僅在湘西自治州、懷化、張家界等地出現(xiàn)春夏、夏秋連旱。這與研究結果1994年屬于全省濕潤型，僅在湘西北出現(xiàn)干旱的結論相符合；1981，1997，2006年湖南岳陽、常德、懷化等地干旱嚴重，這與研究結果1981，1994，1997，2006年為北部干旱型的結論相符合；1967年湖南整體無旱，僅永州干旱，1969年湖南整體無旱，僅郴州干旱，1977年湖南整體無旱，僅郴州、婁底、株洲、湘潭干旱，1980年湖南整體輕旱，湘中湘南干旱嚴重，1998年湖南北澇南旱，先澇后旱，湘南干旱嚴重，這與本文研究結果基本相符合。

圖4 湖南1961—2016年SPI指數(shù)EOF第一（a）和第二（b）個空間模態(tài)Fig. 4 The first (a) and the second (b) spatial modes of EOF of SPI index in Hunan Province during 1961－2016

圖5 第一（a）和第二（b）模態(tài)時間系數(shù)逐年變化（年尺度）Fig. 5 The annual variation of time coefficients of the first (a) and the second (b) spatial modes (Annual scale)

表2 1961—2016年湖南年尺度3類異常干旱型發(fā)生年份Table 2 The occurrence years of three drought patterns on annual scale in Hunan Province from 1961 to 2016

2.2 湖南省季尺度（7—9月）干旱特征分析

季尺度主要指持續(xù)時間3個月的干旱，實際監(jiān)測表明湖南地區(qū)夏秋季節(jié)干旱比較嚴重，特征較明顯，其中夏秋時段又以7—9月干旱比較明顯，因此本文此部分主要分析7—9月干旱特征。

2.2.1 湖南省季尺度（7—9月）旱澇站分布特征

1961—2016年季尺度多年平均旱澇發(fā)生站次如圖7所示，多年平均季尺度干旱發(fā)生站次為30.5站，1962—1967年、2001—2011年干旱站次發(fā)生較多，其中較多年份有1964，2003，2011，1966，2005，1963，1981，1992，1978和2001年；多年平均季尺度洪澇發(fā)生站次為30.2站，1988—2000年為濕潤站次發(fā)生較多，其中較多年份有1996，1999，2002，1993和1994年。

2.2.2 湖南季尺度（7—9月）SPI的變化趨勢

1961—2016年湖南季尺度干濕變化具有明顯的年代際變化（圖8），可以劃分為6個時段分別為：1961—1966年、1967—1970年、1971—1992年、1993—2002年、2003—2011年、2012—2016年，分別經歷了干—濕—干—濕—干—濕等（圖9），其中1961—1966年湘中和湘東南干旱強度較強，1967—1970年湘西、湘北濕潤強度較強，1971—1992年湘中偏東干旱強度較強，1993—2002年湘中、湘東北濕潤強度較強，2003—2011年湘西南、湘東南干旱強度較強，2012—2016年湘中一帶濕潤強度較強。

圖6 1961—2016年湖南年尺度3類異常干旱型空間分布Fig. 6 The spatial distribution of three drought patterns on annual scale in Hunan Province during 1961－2016

圖7 湖南省季尺度不同級別旱（a）和澇（b）發(fā)生站次的逐年變化Fig. 7 The annual variation of drought (a) and waterlogging (b) on seasonal scales in Hunan Province

2.2.3 湖南季尺度（7—9月）干旱空間分布型

為了分析湖南季尺度（7—9月）干旱的空間分布型，對1961—2016年湖南7—9月SPI進行EOF分解得到前10個模態(tài)，其中前2個空間模態(tài)的累計方差貢獻率達到63.8%，可以較好地表現(xiàn)湖南季尺度干旱的主要空間分布特征。

第一模態(tài)（方差貢獻為45.1%）在湖南均為正值，表明9月SPI具有較好的空間一致性，普遍偏干或偏澇，其中第一模態(tài)正值的大值區(qū)主要分布在湘中一帶（圖10）。采用超過±1.5倍標準差，得到第一模態(tài)時間系數(shù)異常年份，其中1994，1996，1992，2002年超過1.5倍標準差，為全省濕潤型；1964，1966，2003，2005，2011年超過-1.5倍標準差，為全省干旱型（圖11a、表3、圖12）。

圖8 1961—2016年湖南季尺度平均SPI的逐年變化Fig. 8 The annual variation of seasonal scale average SPI in Hunan Province during 1961－2016

第二模態(tài)（方差貢獻為18.7%）在湖南呈北負南正分布，零等值線基本沿湖南省中部一線分布，說明7—9月湖南SPI呈南北反位相的關系，即南部偏澇、北部偏旱或南部偏旱、北部偏澇。采用超過±1.5倍標準差，得到第二模態(tài)時間系數(shù)異常年份，其中1961，1981，1997，2006年超過1.5倍標準差，為北部干旱型；1965，1969，1998，2010年超過-1.5倍標準差，為南部干旱型（圖11b、表3、圖12）。

圖9 不同年代際SPI的空間分布Fig. 9 The spatial distribution of SPI in different decades

圖 10 湖南1961—2016年季尺度（7—9月）SPI指數(shù)EOF第一（a）和第二（b）個空間模態(tài)Fig. 10 The first (a) and the second (b) spatial modes of EOF of SPI index in Hunan Province during 1961－2016 seasonal scale (July to September)

根據(jù)湖南災害大典記錄，1964年湖南屬于輕旱年，重災區(qū)在岳陽、邵陽、衡陽、長沙等市，基本都屬于夏秋干旱。1966年湖南輕旱，湘北、湘西、湘中、湘南都有夏秋干旱發(fā)生。根據(jù)湖南省氣候分析圖集記載，湖南省2003，2005，2011年均出現(xiàn)嚴重的夏秋連旱。根據(jù)本文研究結果，1964，1966，2003，2005，2011年為全省一致的夏秋干旱型，與湖南災情記錄基本一致。根據(jù)湖南災害大典記錄，1961年湖南為大旱年，尤其以湘西、湘北干旱嚴重；1981年湖南大旱，湘西、湘北夏秋干旱特別嚴重；1997年湖南輕旱，干旱主要發(fā)生在湘西及湘北地區(qū)；2006年湖南基本無旱。根據(jù)本文研究結果，1961，1981，1997，2006年為北部干旱型，除了2006年外，其他研究結論與湖南災情基本一致。根據(jù)湖南災害大典記錄，1965年湖南輕旱，湘西、湘北、湘中局部出現(xiàn)春旱，湘南出現(xiàn)夏秋干旱；1969年湖南基本無旱，僅婁底、郴州出現(xiàn)夏秋干旱；1998年湖南南旱北澇，旱情較重。根據(jù)湖南省氣候分析圖集記載，湖南2010年四季有旱重在夏秋，郴州、永州干旱嚴重。根據(jù)本文研究結果，1965，1969，1998，2010年為南部干旱型，與湖南災情統(tǒng)計相符合。

圖11 第一（a）和第二（b）模態(tài)時間系數(shù)逐年變化（季節(jié)尺度）Fig. 11 The annual variation of time coefficients of first two spatial modes（the time coefficients of the first(a) and second modes(b)）(seasonal scale)

表3 1961—2016年湖南季尺度3類異常干旱型發(fā)生年份Table 3 The occurrence years of three drought patterns on seasonal scale in Hunan Province from 1961 to 2016

2.3 湖南省月尺度（8月）干旱特征分析

月尺度主要指持續(xù)時間1個月的干旱，前面提及湖南地區(qū)7—9月干旱比較嚴重，特征較明顯，監(jiān)測表明湖南地區(qū)又以8月干旱比較明顯，因此本文此部分主要分析8月干旱特征。鑒于篇幅問題，此部分圖表省略，分析類似于年、季尺度干旱特征。

2.3.1 湖南省月尺度（8月）旱澇站分布特征

1961—2016年月尺度多年平均年尺度干旱發(fā)生站次為30.7站，1961—1973年、1985—2000年干旱站次發(fā)生較多，其中較多年份有1966，1992，1974，1986，1998，1990，1981，2009和1963年；多年平均年尺度洪澇發(fā)生站次為27.7站，1979—1984、1994—2003年為濕潤站次發(fā)生較多，其中較多年份有2002，1999，1980，1988和1996年。

2.3.2 湖南月尺度（8月）SPI的變化趨勢

1961—2016年湖南月尺度干濕變化具有明顯的年代際變化，可以劃分為4個時段分別為：1961—1966年、1967—1985年、1986—1992年、1993—2016年，分別經歷了干—濕—干—濕等。

2.3.3 湖南月尺度（8月）干旱空間分布型

為了分析湖南月尺度（8月）干旱的空間分布型，對1961—2016年湖南歷年8月SPI進行EOF分解得到前10個模態(tài)，其中前2個空間模態(tài)的累計方差貢獻率達到59.4%，可以較好地表現(xiàn)月尺度干旱的主要空間分布特征。

第一模態(tài)（方差貢獻為45.4%）在湖南均為正值，表明湖南歷年8月SPI具有較好的空間一致性，普遍偏干或偏澇，其中第一模態(tài)正值的大值區(qū)主要分布在湘中一帶。采用超過±1.5倍標準差，得到第一模態(tài)時間系數(shù)異常年份，其中1969，1980，1988，1999，2002年超過1.5倍標準差，為全省濕潤型；1966，1974，1992年超過-1.5倍標準差，為全省干旱型。

第二模態(tài)（方差貢獻為14.0%）在湖南呈北負南正分布，零等值線基本沿湖南省中部一線分布，說明湖南歷年8月SPI呈南北反位相的關系，即南部偏澇、北部偏旱或南部偏旱、北部偏澇。采用超過±1.5倍標準差，得到第二模態(tài)時間系數(shù)異常年份，其中1972，1994，1997年超過1.5倍標準差，為北部干旱型；1965，1969，1989，1998，2008年超過－1.5倍標準差，為南部干旱型。

由于湖南災害年鑒數(shù)據(jù)主要記錄年、季數(shù)據(jù)，針對月尺度干旱記錄較少，因此對月尺度干旱特征與月尺度干旱災情進行對比分析的工作沒有開展。

3 結果與討論

1）多年平均年尺度干旱發(fā)生站次為30.7站，多年平均年尺度洪澇發(fā)生站次為29.8站；湖南年尺度干濕變化具有明顯的年代際變化特征，經歷了干—濕—干—濕轉換；湖南年尺度干旱的空間分布型可以分為全省一致旱澇分布型、南北反向旱澇分布型，且前兩個模態(tài)解釋方差達到63.5%，可以較好地表現(xiàn)年尺度干旱的主要空間分布特征。

圖12 1961—2016年湖南季尺度3類異常干旱型空間分布Fig. 12 The spatial distribution of three drought patterns on seasonal scale in Hunan Province from 1961 to 2016

2）多年平均季尺度干旱發(fā)生站次為30.5站，多年平均季尺度洪澇發(fā)生站次為30.2站；湖南季尺度干濕變化同樣具有明顯的年代際變化特征，經歷了干—濕—干—濕—干—濕轉換；湖南季尺度（7—9月）干旱的空間分布型可以分為全省一致旱澇分布型、南北反向旱澇分布型，且前兩個模態(tài)解釋方差達到63.8%，可以較好地表現(xiàn)季尺度干旱的主要空間分布特征。

3）多年平均月尺度干旱發(fā)生站次為30.7站，多年平均月尺度洪澇發(fā)生站次為27.7站；湖南月尺度干濕變化具有明顯的年代際變化特征，經歷了干—濕—干—濕轉換；湖南月尺度（8月）干旱的空間分布型可以分為全省一致旱澇分布型、南北反向旱澇分布型，且前兩個模態(tài)解釋方差達到59.4%，可以較好地表現(xiàn)月尺度干旱的主要空間分布特征。

4）通過與湖南災情數(shù)據(jù)的對比分析可知，不同時間尺度干旱與湖南災情基本吻合，計算所得不同時間尺度干旱指數(shù)能夠反映湖南的干旱特征，具有實用性。

5）對比分析不同時間尺度下的典型干濕年，能夠發(fā)現(xiàn)湖南省2002年為全省一致濕潤年，1997年為北旱南澇年，1969和1998年為北澇南旱年。

本文基于長時間序列不同時間尺度的SPI指數(shù)，對湖南省的干旱特征進行研究，得到了一些有意義的結論，下一步將開展同類干旱指數(shù)的對比分析，并分析典型旱澇年的環(huán)流特征。