基于SPI的安徽省1961—2019年干旱演變特征分析

熊世為，邱陽陽，郁凌華，蔣 琳，華俊瑋，凌遵斌

（1.滁州市氣象局，安徽 滁州 239000；2.安徽省氣象局，合肥 230000）

干旱一直是影響人類生存發(fā)展的主要自然災害之一，在氣候變化背景下，干旱區(qū)域不斷擴大且程度也日益嚴重［1-3］。針對干旱的監(jiān)測評估可為探索其成因機理和趨勢預測提供基礎(chǔ)，也是政府部門決策部署的重要依據(jù)。所謂干旱監(jiān)測就是利用各類實況監(jiān)測資料，定量計算出干旱指標，以此來分析評估干旱的強度和范圍［4］。干旱監(jiān)測已經(jīng)歷了一百多年的歷史［5］，當今學界從影響的不同層面將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟干旱［6］。因此，針對不同的干旱類型也誕生了許多干旱指數(shù)，如Z指數(shù)能較好地體現(xiàn)氣象干旱狀態(tài)［7］，地表供水指數(shù)對水文干旱有不錯的指示性［8］，以土壤含水量和蒸散為基礎(chǔ)的土壤水分指數(shù)是指示農(nóng)業(yè)干旱的重要指標［9］，Ohisson［10］基于供水和需水制定的城市干旱指數(shù)則能較好地反映經(jīng)濟社會干旱情況。標準化降水指數(shù)（SPI）是對月或季降水量進行標準化處理得到，資料獲取容易且計算相對簡單，同時還具有較好的地區(qū)間可比性，是目前國內(nèi)外應用較多的一種干旱監(jiān)測指數(shù)［11］。此外，SPI還具有時間尺度多的特點（3個月尺度的SPI3、12個月尺度的SPI12等），不同時間尺度的SPI對氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和經(jīng)濟社會干旱等都能有所體現(xiàn)［12］。袁文平等［13］分析認為SPI能夠較好地反映中國各區(qū)域和各時段的旱澇狀況，優(yōu)于綜合氣象干旱指數(shù)（CI）。

安徽省位于中國南北氣候過渡帶，雖然瀕江近海，但干旱災害也時常發(fā)生，根據(jù)統(tǒng)計，近50年來該地區(qū)旱災出現(xiàn)概率達32%［14］，嚴重影響生產(chǎn)生活和經(jīng)濟社會發(fā)展。本研究以SPI作為監(jiān)測指標，從發(fā)生頻率、站次比和強度3個方面分析1961—2019年安徽省干旱的時空演變特征，可為氣候變化背景下干旱監(jiān)測預警及政府部門防災減災部署提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的降水數(shù)據(jù)由安徽省氣象信息中心提供，為安徽省64個國家氣象站1961—2019年逐月降水量，站點分布情況見圖1，個別缺測數(shù)據(jù)采用空間插值方法補缺。

圖1 研究區(qū)氣象站點分布

1.2 標準化降水指數(shù)

因為降水量的分布是非正態(tài)的，標準化降水指數(shù)首先計算降水量的Γ分布概率，再對其Γ分布概率進行正態(tài)標準化處理，利用得到的降水量標準化累積頻率分布進行評估分析，計算方法如下［15］。

1）假設(shè)某時段內(nèi)降水量為隨機變量x，且x不為0時（即x＞0），其Γ分布概率密度函數(shù)如下。

式中，γ和β分別為Γ分布函數(shù)的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，利用最大似然法來計算。

式中，xi為降水量資料序列為降水量的氣候平均值。于是由某一年的降水量x0，可以得出隨機變量x小于x0事件的概率。

2）假設(shè)某時段內(nèi)降水量為0。

式中，m為降水量為0的樣本數(shù)；n為樣本總數(shù)。

3）對Γ分布概率密度函數(shù)式（5）、式（6）進行正態(tài)標準化處理，則有：

對式（7）進行近似求解得：

式中，SPI即為標準化降水指數(shù)，其中，t=為式（5）、式（6）中求得的概率密度函數(shù)，計算系數(shù)分別為c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。利用式（8）計算的SPI，依據(jù)《氣象干旱等級》（GB/T 20481—2017）來確定干旱等級，具體分為無旱（SPI＞-0.5）、輕旱（-1.0＜SPI≤-0.5）、中旱（-1.5＜SPI≤-1.0）、重旱（-2.0＜SPI≤-1.5）和特旱（SPI≤-2.0）。

1.3 評價方法

參照黃晚華等［16］的方法，從干旱的發(fā)生頻率（Pi）、站次比（Pj）和強度（Sij）來評價安徽省1961—2019年干旱的時空變化特征，具體表示如下。

1）發(fā)生頻率，即某站在某時間段內(nèi)發(fā)生干旱的頻率，計算公式為Pi=（n/N）×100%，其中，n為該站發(fā)生干旱的年份。

2）站次比，即某一范圍內(nèi)干旱發(fā)生站數(shù)與總站數(shù)之比，計算公式為Pj=（m/M）×100%，其中，m為干旱發(fā)生站數(shù)，M為總站數(shù)。

依據(jù)Pj的大小作如下規(guī)定，Pj≥50%時為全域性干旱；50%＞Pj≥33%時為區(qū)域性干旱；33%＞Pj≥25%時為部分區(qū)域性干旱；25%＞Pj≥10%時為局域性干旱；Pj＜10%時為無明顯干旱。

3）干旱強度，即干旱的嚴重程度，用SPI的絕對值表示，某區(qū)域某年的干旱強度可表示為：

|SPIi|為計算所得SPI的絕對值。根據(jù)前文干旱劃分標準可推知，Sij≥2時為特旱；2＞Sij≥1.5時為重旱；1.5＞Sij≥1.0時為中旱；1.0＞Sij≥0.5時為輕旱；Sij＜0.5時為無旱。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱頻率

1961—2019年安徽省各地區(qū)干旱（輕旱以上）頻率總體呈南高北低分布（圖2），最大為南部的黟縣站41.4%，頻率最小為北部的靈璧站25.9%，平均頻率為31.7%，與前人結(jié)論基本一致［14-16］。中旱以上頻率在8.6%～22.4%，平均值為15.7%。重旱以上頻率在1.7%～13.8%，平均值為6.1%。

圖2 安徽省1961—2019年輕旱以上發(fā)生頻率

從不同季節(jié)來看，1961—2019年安徽省各季節(jié)輕旱以上頻率分布空間差異不大（圖3），其中，春、夏、秋旱表現(xiàn)為南北部大、中部小的特點，冬旱的南北差異不大，四季輕旱以上平均頻率分別為31.7%、30.4%、30.7%和30.5%，各季節(jié)中旱以上頻率分別為14.4%、15.4%、16.4%和17.2%，各季節(jié)重旱以上頻率分別為6.6%、6.5%、6.7%和7.4%。

圖3 安徽省1961—2019年各季節(jié)輕旱以上發(fā)生頻率

2.2 干旱站次比

2.2.1 輕度以上干旱發(fā)生的站次比 由圖4可以看出，安徽省自1961年以來平均站次比高達31.7%，其中有15年發(fā)生全域性輕度以上干旱，站次比由高到低依次為1978、1966、1994、1976、2001、1968、1992、1988、2019、1967、2013、1997、1986、2004、1995年，其中1978年站次比高達98.4%，有7年發(fā)生區(qū)域性輕度以上干旱，有20年無明顯干旱。

圖4 安徽省1961—2019年輕旱以上發(fā)生站次比

安徽省1961—2019年有7年發(fā)生全域性中等以上干旱（圖略），分別為1978、1966、2001、2019、1976、1994、1968年，其中1978年有93.8%的站點發(fā)生中度以上干旱，有8年發(fā)生區(qū)域性中度以上干旱。1978年和1966年發(fā)生全域性重度以上干旱，其中1978年的重旱以上站次比達85.9%，同時1978年達特旱標準的站次比也高達68.8%（圖略）。綜上，1978年是安徽省1961年以來干旱范圍最廣的年份。

2.2.2 春季輕旱以上發(fā)生站次比 1961年以來安徽省共發(fā)生18次全域性春旱（輕度以上，圖5），其中2000年站次比為100.0%，發(fā)生5次區(qū)域性輕度以上春旱，有22年無明顯春旱。發(fā)生4次全域性中度以上春旱，分別為2011、2001、1978、2000年。其中2011年中旱站次比為92.2%（圖略）。發(fā)生2次全域性春季重旱，分別為2011年（站次比76.6%）和2001年（站次比71.9%），此外，2011年春季特旱站次比為57.8%，也達全域性干旱級別（圖略）。綜上，2011年是安徽省1961年以來春旱范圍最廣的年份。

圖5 安徽省1961—2019年春季輕旱以上發(fā)生站次比

2.2.3 夏季輕旱以上發(fā)生站次比 1961年以來安徽省共發(fā)生14次全域性夏旱（輕度以上，圖6），其中1966年站次比為93.8%，其次為1978年（站次比為87.5%），發(fā)生6次區(qū)域性輕度以上夏旱，有16年無明顯夏旱。發(fā)生4次全域性中度以上夏旱，分別為1978、1967、1966、1985年，其中1978年中旱站次比為79.7%（圖略）。發(fā)生1次全域性夏季重旱，為1978年（站次比為67.2%），此外，1978年夏季特旱站次比為45.3%，達區(qū)域性干旱級別（圖略）。綜上，1978年是安徽省1961年以來夏旱范圍最廣的年份。

圖6 安徽省1961—2019年夏季輕旱以上發(fā)生站次比

2.2.4 秋季輕旱以上發(fā)生站次比 1961年以來安徽省共發(fā)生17次全域性秋旱（輕度以上，圖7），其中2001年站次比為100.0%，發(fā)生8次區(qū)域性輕度以上秋旱，有22年無明顯秋旱。發(fā)生6次全域性中度以上秋旱，分別為2001、1998、2019、1966、1995、2002年，其中2001年中旱站次比為92.2%（圖略）。發(fā)生3次全域性秋季重旱，分別為2019、1998、2001年，其中2019年秋季重旱站次比為71.9%，此外，1998年秋季特旱站次比為42.2%，達區(qū)域性特旱標準（圖略）。綜上，1998年是安徽省1961年以來秋旱范圍最廣的年份。

圖7 安徽省1961—2019年秋季輕旱以上發(fā)生站次比

2.2.5 冬季輕旱以上發(fā)生站次比 1961年以來安徽省共發(fā)生16次全域性冬旱（輕度以上，圖8），其中1963、1968、1983、1999年站次比均為100.0%，發(fā)生5次區(qū)域性輕度以上冬旱，有25年無明顯冬旱。發(fā)生9次全域性中度以上冬旱，其中1968年中旱站次比為100.0%。發(fā)生3次全域性冬季重旱，分別為1968、1963、1986年，其中1968年冬季重旱站次比為100.0%，此外，1968年冬季特旱站次比為75.0%，達全域性特旱標準。綜上，1968年是安徽省1961年以來冬旱范圍最廣的年份。

圖8 安徽省1961—2019年冬季輕旱以上發(fā)生站次比

2.3 干旱強度

從歷年的干旱強度演變來看，1961年以來安徽省干旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢（圖9），最強年份為1978年，強度達2.2，是僅有的特旱年份，1966年為僅有的重旱年份，2019年干旱強度排1961年以來第三。

圖9 安徽省1961—2019年干旱強度變化

從不同季節(jié)來看，1961年以來安徽省春旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱上升趨勢（圖10a），最強年份2011年是僅有的特旱年份，2001年為僅有的重旱年份，2019年干旱強度排1961年以來第四；1961年以來安徽省夏旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢（圖10b），最強年份1978年是僅有的特旱年份，1967、1966、1982年為夏旱重旱年份；1961年以來安徽省秋旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱上升趨勢（圖10c），2019、1969、2001年為夏旱重旱年份，其中2019年是1961年以來秋旱最重年份；1961年以來安徽省冬旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢（圖10d），最強年份1968年是僅有的特旱年份，1963、1986、1977年為冬旱重旱年份。各季節(jié)干旱強度表現(xiàn)為夏旱（0.98）＞秋旱（0.79）、春旱（0.78）＞冬旱（0.60）。

圖10 安徽省1961—2019年各季節(jié)干旱強度變化

3 小結(jié)

基于SPI，從干旱頻率、站次比和干旱強度3個方面分析了1961—2019年安徽省干旱時空演變特征，主要結(jié)論如下。

1）1961—2019年安徽省各地區(qū)干旱頻率總體呈南高北低分布，平均輕旱以上頻率為31.7%，中旱以上頻率為15.7%。重旱以上平均頻率為6.1%。

2）1961年以來安徽省輕旱以上平均站次比高達31.7%，有15年發(fā)生全域性干旱，1978年是干旱發(fā)生面積最廣的年份。共發(fā)生18次全域性春旱、14次全域性夏旱、17次全域性秋旱和16次全域性冬旱。

3）1961年以來安徽省干旱總體以輕旱到中旱為主，且呈微弱下降趨勢，最強年份1978年為特旱級別。各季節(jié)干旱強度表現(xiàn)為夏旱＞秋旱、春旱＞冬旱，2011年的春旱、1978年的夏旱、2019年的秋旱和1968年的冬旱是1961年各季節(jié)性干旱最強年份。

上述結(jié)論與文獻［14］基本一致，說明SPI可有效反映安徽省的干旱演變特征，此外，SPI所需數(shù)據(jù)方便獲取，計算相對簡單，還具有多時間尺度的優(yōu)勢，可用于該地區(qū)的干旱監(jiān)測評估，也可為防汛抗旱、水資源管理等決策提供技術(shù)支撐。