幾種旱澇指數(shù)在華南春季適用性的對比分析

彭窈，譚勇展，蔣熙，彭勁洪，蘇艷雯

（1.清遠市清新區(qū)氣象局，廣東清遠 511800；2.廣東普天防雷檢測有限責任公司佛山分公司，廣東佛山 528500；3.永?？h氣象局，廣西永福 541899；4.英德市氣象局，廣東英德 513000）

目前存在多種旱澇計算指標，如Pa指數(shù)、Z指數(shù)、SPI、SPEI等。Z指數(shù)在我國旱澇研究中應(yīng)用廣泛，鞠笑聲等［1］利用Pa指數(shù)、Z指數(shù)和濕度指標分別計算我國單站旱澇程度，認為Z指數(shù)比較客觀地反應(yīng)了歷史旱澇情況；蔣麗娟等［2］、劉利平等［3］也認為Z指數(shù)比Pa指數(shù)更適用于評估廣西、廣東的歷史氣象旱澇變化；袁文平等［4］比較Z指數(shù)和SPI發(fā)現(xiàn)，兩種指數(shù)在全國具有較好的一致性，但SPI具有計算簡單、多時間尺度等優(yōu)勢；錢純純等［5］討論南京旱澇時，發(fā)現(xiàn)Z指數(shù)、降水分級指數(shù)在短時間尺度旱澇分析中運用效果良好，而Z指數(shù)、降水分級指數(shù)和SPI則適用于中、長時間尺度旱澇分析。SPEI在SPI計算的基礎(chǔ)上考慮了蒸散作用，徐一丹等［6］、王林等［7］對比了SPEI與其他指數(shù)在我國不同地區(qū)的變化特征，認為SPEI評估旱澇問題的適用性更好。由此可見，旱澇指標在不同的研究范圍和時間尺度可能具有一致性，也可能具有明顯的差異性，因此旱澇指標的適用性討論是旱澇氣候研究的前提。華南是我國旱澇災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)之一［8-9］，已有不少關(guān)于華南旱澇特征研究，但目前對于旱澇指標的對比研究仍有待推進，本研究以春季為研究時間尺度，結(jié)合災(zāi)害實況對指標適用性展開討論，以期為華南旱澇研究提供合理的指標參考。

1 資料來源與研究方法

本研究定義的華南地區(qū)包括廣東、廣西。氣象資料采用國家氣象信息中心提供的觀測站點1961—2016年逐月降水、氣溫資料，剔除資料時間尺度不足的站點，最終選取出42個站點。分別計算各站點逐年春季Pa指數(shù)、Z指數(shù)、SPI和SPEI，對比分析4種旱澇指標特征，再選取代表單站，結(jié)合文獻記錄的受災(zāi)實況，討論華南春季旱澇研究的適用指標。各旱澇指數(shù)等級劃分見表1，指標原理和計算方法詳見文獻［10-11］。

表1 Pa指數(shù)、Z指數(shù)、SPI、SPEI的旱澇等級

（續(xù)上表）

2 旱澇指標的適用性分析

2.1 旱澇指數(shù)的時空變化

將1961—2016年華南春季逐年P(guān)a指數(shù)、Z指數(shù)、SPI、SPEI分別做42個站點的空間平均，得到幾種區(qū)域旱澇指數(shù)等級的時間變化曲線（圖1）。

圖1 1961—2016年華南春季旱澇指數(shù)等級的時間變化

由圖1可以看出，各指數(shù)能夠表現(xiàn)出華南春季干旱和洪澇災(zāi)害的典型年份［12-13］，如1963、1977、1991年（干旱年）和1973、1975年（洪澇年）。近56年各指數(shù)與降水量的相關(guān)系數(shù)均通過顯著性檢驗（置信區(qū)間99%），表明各指數(shù)都能反映降水量的變化趨勢；各指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)也通過了顯著性檢驗（置信區(qū)間99%），即不同指數(shù)的變化趨勢一致，但等級存在差異。SPEI識別的區(qū)域旱澇年份（干旱11年、洪澇12年）最多，敏感性強；Pa指數(shù)識別的區(qū)域旱澇年份（干旱7年、洪澇6年）最少，敏感性差，旱澇等級偏低，且只能識別輕度洪澇和中度干旱以下等級，等級劃分不合理；Z指數(shù)（干旱9年、洪澇10年）和SPI（干旱10年、洪澇10年）的敏感性居中。

為分析指數(shù)間的空間差異性，分別繪制1961—2016年華南各指數(shù)的站點干旱頻率和洪澇頻率的空間分布。由干旱頻率空間分布（圖2）發(fā)現(xiàn)，SPEI的干旱頻率均大于25%，76.2%站點干旱頻率大于30%。Pa指數(shù)的干旱頻率多低于30%，其中桂北和粵西北干旱頻率低于20%。Z指數(shù)和SPI的干旱頻率居中，且空間分布具有相似性。

圖2 1961—2016年華南春季Pa指數(shù)（a）、Z指數(shù)（b）、SPI（c）、SPEI（d）的干旱頻率空間分布

由洪澇頻率空間分布（圖3）看出，各地Pa指數(shù)、Z指數(shù)、SPI、SPEI的發(fā)生頻率總體遞增。SPEI的洪澇頻率均大于25%，85.7%站點的洪澇頻率大于30%。Pa指數(shù)的洪澇頻率多低于25%，其中桂北洪澇頻率低于15%。Z指數(shù)的洪澇頻率高值區(qū)出現(xiàn)在桂東北和廣東至廣西省界附近地區(qū)，而SPI的洪澇頻率高值區(qū)范圍略大于Z指數(shù)，出現(xiàn)在桂東北和桂東南以及除雷州半島和粵東沿海外的廣東大部。在空間分析上，各站點SPEI的干旱和洪澇頻率總體大于其他指數(shù)，更容易識別旱澇發(fā)生，而Pa指數(shù)的干旱和洪澇頻率總體小于其他指數(shù)，識別旱澇發(fā)生的能力較差，即SPEI的敏感性強、Pa指數(shù)的敏感性弱。

圖3 1961—2016年華南春季Pa指數(shù)（a）、Z指數(shù)（b）、SPI（c）、SPEI（d）的洪澇頻率空間分布

2.2 旱澇指數(shù)的正態(tài)分布檢驗

對區(qū)域平均和各站點不同指數(shù)進行正態(tài)分布偏度系數(shù)和峰度系數(shù)檢驗［14］，平均Pa指數(shù)近似服從正態(tài)分布，靖西、北海不服從正態(tài)分布；平均Z指數(shù)近似服從正態(tài)分布，靖西不服從正態(tài)分布；平均SPI不服從正態(tài)分布，高要、廣州、河源、增城、惠陽不服從正態(tài)分布；平均SPEI和所有單站SPEI序列均近似服從正態(tài)分布。由此認為，在正態(tài)分布檢驗中，SPI的檢驗結(jié)果較差，SPEI的檢驗結(jié)果最優(yōu)，旱澇等級分布較合理。

2.3 基于代表站的旱澇指數(shù)對比分析

在對華南春季各指數(shù)干旱和洪澇頻率空間分布規(guī)律有初步認識的基礎(chǔ)上，選取單站分析指數(shù)間的差異性，來探討各指數(shù)反映旱澇災(zāi)害的能力。選取佛岡站（23.53°N，113.31°E）、徐聞?wù)荆?0.2°N，110.11°E）、河池站（24.42°N，108.02°E）作為代表站，分別位于粵中、粵西和桂北，空間分布均勻，能代表華南不同空間區(qū)域的降水特征。3個代表站春季降水特征量差異明顯（表2），分別為華南多年平均降水量最大站點、最小站點和降水量大致居中站點，它們降水量偏度系數(shù)和峰度系數(shù)的絕對值都小于1.96，均遵從正態(tài)分布（置信區(qū)間95%）。離散系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)離散程度的相對指標，降水量序列的離散系數(shù)越大，可以認為其降水越不穩(wěn)定，更容易發(fā)生干旱或洪澇。徐聞、河池、佛岡的離散系數(shù)分別為47.74%、28.71%、33.18%，離散系數(shù)間具有明顯差異，能表征區(qū)域內(nèi)降水量年際變率各異的站點。

表2 徐聞、河池、佛岡站1961—2016年春季降水特征量

3個代表站1961—2016年春季不同旱澇指數(shù)的等級變化如圖4所示，各旱澇指數(shù)和降水量的相關(guān)系數(shù)都通過了顯著性檢驗（置信區(qū)間99%），說明各指數(shù)都能反映降水的變化。

圖4 1961—2016年佛岡（a）、河池（b）、徐聞（c）不同旱澇指數(shù)等級變化

由圖4a可以看出，佛岡春季平均降水量832 mm，降水量最小年份為1963年232.9 mm。據(jù)記載，華南多地自1962年入冬后一直少雨，氣溫偏高、高溫日數(shù)偏多，出現(xiàn)大范圍冬春連旱［12］。各指數(shù)均在1963年出現(xiàn)最小值，Pa指數(shù)評價佛岡為重旱年，其余指數(shù)評價為特旱年，相差1個干旱等級。1963年春季平均氣溫分別為21.9℃，比常年偏高1℃左右，氣溫明顯偏高則蒸發(fā)量大，使得旱情加劇發(fā)展，Pa指數(shù)評價等級可能偏低。降水量最大年份為1975年1 519.7 mm，其次為1983年1 507.4 mm。1975和1983年各旱澇指數(shù)均評價為特澇年，其中Pa指數(shù)、Z指數(shù)、SPI在1975年出現(xiàn)最大值，SPEI在1983年出現(xiàn)最大值。1983年春季平均氣溫為20.3℃，比1975年的21.2℃明顯低0.9℃，氣溫低時蒸發(fā)量小，土壤含水量大，在降水量持續(xù)偏多的背景下，洪澇災(zāi)情較難緩解，因而佛岡1983年洪澇程度大于1975年符合災(zāi)情實際。由此認為，SPEI能夠反映因氣溫條件不同導致的旱澇程度差異。

由圖4b可以看出，河池春季平均降水量395.8 mm，降水量最小年份為1977年153.2 mm，各旱澇指數(shù)均在1977年出現(xiàn)最小值，Pa指數(shù)評價為中旱年，其余指數(shù)評價為特旱年，相差2個干旱等級。降水量最大年份為1994年720.2 mm，各旱澇指數(shù)均在此年出現(xiàn)最大值，一致評價為特澇年。河池1993、2015年春季降水量分別為342.8、342.7 mm，降水量無明顯差異，其中SPEI評價2015年為輕旱年，其余指數(shù)評價為正常年；各指數(shù)均評價1993年為正常年。進一步分析發(fā)現(xiàn)，2015年（21.7℃）春季平均氣溫較1993年（20.5℃）高出1.2℃，在降水量持平的基礎(chǔ)上，氣溫高則蒸發(fā)量大，有利于干旱災(zāi)害發(fā)生。由此認為，在降水量差異小的情況下，SPEI識別輕旱的能力更強。

徐聞地處中國大陸最南端，氣象條件與其他站點差異明顯［15-16］，導致其春季氣候變化常與華南其他地區(qū)不一致，干旱災(zāi)害尤為突出［12］。由圖4c可以看出，徐聞春季平均降水量210.4 mm，56年來降水量最少的5年的旱澇指數(shù)對比情況見表3。降水量最小年份為2005年66.8 mm，Pa指數(shù)、Z指數(shù)評價為中旱年，SPI、SPEI評價為重旱年，相差1個等級。1973和2015年為最暖的2個年份，平均氣溫分別為26.2和25.9℃，同時降水量偏少，蒸散作用明顯，干旱災(zāi)情加劇，SPEI評價均為特旱年，比其他指數(shù)高1到2個等級；2011和2015年的降水量相差不到3 mm，2011年春季平均氣溫明顯偏低（第2冷年），蒸發(fā)放緩，土壤失水程度有限，SPEI評價2011年為輕旱年，比其他指數(shù)低1到2個等級。由此認為，在降水量差異不明顯、蒸散條件不同的情況下，SPEI的高敏感性更有利于識別局地旱澇差異。

表3 1961—2016年徐聞降水量少年的旱澇指數(shù)對比

由各代表站不同指數(shù)的差異發(fā)現(xiàn)，Pa指數(shù)對平均降水量的依賴性較大，其敏感性差，時常無法反映其他指數(shù)指出的單站干旱或洪澇年份，對重旱和特旱的識別能力很差；旱澇等級普遍偏低1到2個等級，這種偏低并不合理；穩(wěn)定性差，等級劃分不符合實際，各級頻率分布很不合理，難以反映旱澇的真實變化。Z指數(shù)、SPI和SPEI的旱澇等級變化趨勢較為一致，反映旱澇的一致性較好，代表站各級發(fā)生頻率分布接近正態(tài)分布，其中SPEI的偏度系數(shù)接近于0，表明該指數(shù)等級劃分符合實際，各級頻率分布最為合理。SPEI敏感性最強，能夠表現(xiàn)氣溫和降水對旱澇的影響，可以甄別因氣溫微小變化而導致的指數(shù)差異，識別輕旱的能力更強，能夠明確表現(xiàn)旱澇的局地差異性，可用于討論各地旱澇特征。綜上所述，SPEI反映的干旱、洪澇事件和等級最符合災(zāi)害實際，適用于評價華南春季旱澇事件。

3 結(jié)論

通過對比分析各旱澇指數(shù)的差異性，綜合認為SPEI更適用于華南春季旱澇研究。

1）在華南春季區(qū)域指數(shù)的時間變化上，SPEI識別的區(qū)域旱澇年份最多，敏感性較強；Pa指數(shù)識別的區(qū)域旱澇年份最少，敏感性較差，旱澇等級偏低。

2）在站點旱澇頻率的空間分布上，發(fā)現(xiàn)SPEI更容易識別旱澇發(fā)生，Pa指數(shù)識別旱澇發(fā)生的能力較差，即SPEI的敏感性強、Pa指數(shù)的敏感性弱，這與區(qū)域平均指數(shù)的分析結(jié)果一致。

3）對56年華南春季各指數(shù)的區(qū)域平均序列、42個站點的各指數(shù)序列進行正態(tài)分布檢驗，發(fā)現(xiàn)SPI的檢驗結(jié)果較差，SPEI的檢驗結(jié)果最優(yōu)，旱澇等級分布較合理。

4）通過對比分析佛岡、徐聞、河池的各指數(shù)特征，認為Pa指數(shù)的敏感性和穩(wěn)定性差，各等級劃分不合理，反映的旱澇程度普遍偏輕，用于華南春季旱澇的分析效果較差；Z指數(shù)和SPI能夠大致描述華南春季旱澇特征，但不能體現(xiàn)蒸散作用對旱澇的影響；SPEI敏感性強，可以體現(xiàn)降水和氣溫差異對于旱澇的影響，識別輕旱的能力更強，能夠表現(xiàn)旱澇的局地差異性。