不同氣象干旱指數在北疆綠洲農業(yè)區(qū)適用性分析

摘要 選取北疆綠洲農業(yè)區(qū)11個氣象站1961—2020年的數據，按月尺度計算降水距平百分率（PA）、標準化降水指數（SPI）、標準化降水蒸散指數（SPEI）、K指數和氣象干旱綜合指數（MCI）5種干旱指數，通過比較這些指數的相關性、不同等級的干旱發(fā)生頻率以及在典型干旱年份的識別能力，分析各指數在該區(qū)域的適用性。結果表明，PA和SPI對降水虧缺有敏感的反應，但對溫度的關聯(lián)較弱，未充分考慮增溫對干旱的影響；MCI與溫度和降水的關聯(lián)均較弱，傾向于低估重旱和特旱；SPEI和K指數與溫度和降水均有較好的關聯(lián)，但K指數過多地報告中度至重度干旱，而SPEI則全面考慮了溫度和降水對干旱的綜合影響，其結果更符合實際情況。由于SPEI計算蒸散發(fā)采用的Thornthwaite方法可能高估了溫度對干旱的影響，在降水顯著偏少、溫度偏差較小的情況下，SPI的監(jiān)測結果可能比SPEI更為嚴重，因此，建議結合SPI使用，以彌補這一不足。

關鍵詞 氣象干旱指數；月尺度；適用性；北疆綠洲農業(yè)區(qū)

中圖分類號 S162 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）13-0172-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.042

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Applicability Analysis of Different Meteorological Drought Index in Oasis Agricultural Area of Northern Xinjiang

ZHANG Yan1， XIAO Feng-jin2， ZHANG Xin3 et al

（1.Xinjiang Production and Construction Corps Sixth Division Meteorological Bureau，Wujiaqu，Xinjiang 831300;2.National Climate Center， Beijing 100081;3.Xinjiang Bozhou Meteorological Bureau， Bozhou，Xinjiang 833400）

Abstract Selecting data from the oasis agricultural area 11 stations of Northern Xinjiang from 1961 to 2020， five drought indices were calculated on a monthly scale， including the precipitation anomaly percentage （PA）， standardized precipitation index （SPI）， standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI）， K index and meteorological drought composite index （MCI）. By comparing the correlation， frequency of drought occurrences at different levels and the ability to identify typical drought years among these indices， we analyzed their applicability in the region. The result showed that PA and SPI were sensitive to precipitation deficits but had a weaker correlation with temperature， failing to fully consider the impact of warming on droughts; MCI also had weaker correlations with temperature and precipitation， tending to underestimate severe and exceptional drought situations; both SPEI and K index showed a better correlation with temperature and precipitation， but the K index reported moderate to severe droughts excessively， while SPEI more comprehensively considered the combined effect of temperature and precipitation on droughts， making its results more realistic. However， due to the Thornthwaite method used by SPEI， which may overestimate the impact of temperature on drought， in cases of significantly less precipitation and minor temperature deviations， SPI’s monitoring results may be more severe than SPEI’s. Therefore， it was recommended to use SPI in conjunction with SPEI to compensate for this shortcoming.

Key words Meteorological drought indices;Monthly scale;Applicability;Oasis agricultural area of Northern Xinjiang

基金項目 國家科技重大專項（2022ZD0119500）；第六師五家渠市科技計劃項目（2221）。

作者簡介 張燕（1970—），女，江蘇如東人，高級工程師，碩士，從事農業(yè)氣象干旱監(jiān)測與診斷研究。*通信作者，研究員，博士，從事氣象災害監(jiān)測與風險評估研究。

收稿日期 2023-11-09

干旱災害是制約西北地區(qū)社會經濟發(fā)展、農業(yè)生產和生態(tài)文明建設的重要自然災害，而且隨著氣候變暖，西北地區(qū)極端干旱事件發(fā)生頻率和強度均呈增加趨勢，影響不斷加重［1］，因此，科學應對干旱災害，及時、有效地監(jiān)測干旱的發(fā)生和發(fā)展，客觀、準確地評估干旱的影響程度和范圍，可為區(qū)域范圍制定行之有效的抗旱措施、提高農業(yè)和社會經濟抵御旱災的風險能力提供理論支撐。

干旱指標是干旱監(jiān)測的基礎與核心［2］，一般分為兩大類，一類是基于衛(wèi)星遙感信息，一類是基于氣候、土壤生態(tài)環(huán)境、作物因子等信息［3］，其中氣候數據表征的氣象干旱被認為是各類干旱中最先發(fā)生的，常將對氣象干旱的監(jiān)測用于干旱預警，但不同干旱指數監(jiān)測能力不同，因此，要開展干旱指數的適用性研究，因地因時選取適宜干旱指數，才能做好氣象干旱的有效監(jiān)測。

新疆位于西北地區(qū)西部，氣候干旱，降水稀少，其干旱狀況一直備受關注。在干旱指數的適用性方面，慈暉等［4］對比分析了標準化降水指數（SPI）、標準化降水蒸散指數（SPEI）、自適應帕默爾指數（scPDSI）和有效干旱指數（EDI）4種指數在新疆5個區(qū)域的適用性，發(fā)現(xiàn)SPEI指數優(yōu)于其他3種指數；王舒等［5］利用K指數、SPI、SPEI和干旱偵測指數（RDI）4種干旱指數對新疆12個分區(qū)進行適用性分析，發(fā)現(xiàn)不同分區(qū)適用的干旱指數不同；郭冬等［6］利用降水距平百分率（PA）、SPEI、scPDSI和氣象干旱綜合指數（MCI）4種干旱指數對新疆5個分區(qū)的適用性進行分析，結果表明，MCI的適用性優(yōu)于其他3種指數。但以上干旱指數的分析都是基于年、季尺度，而干旱事件具有多時間尺度的特征，包括從旬到年代甚至更長時間范圍，短期干旱是經常發(fā)生的［7］，目前基于短時間尺度比如月尺度的干旱指數適用性研究在新疆開展較少。

新疆綠洲農業(yè)經濟是天山南北經濟發(fā)展的重要模式［8］，天山北坡是新疆綠洲最為密集和經濟最發(fā)達的地區(qū)，也是連接我國內地和中亞、歐洲各國的中心區(qū)［9］。筆者以天山北坡的農業(yè)區(qū)域即北疆綠洲農業(yè)區(qū)為研究區(qū)域，對目前應用較為廣泛的5種干旱指數（PA、SPI、SPEI、K指數、MCI）基于月時間尺度在該區(qū)域的適用性進行分析，選擇精確的干旱指數，以期為氣象干旱監(jiān)測、預警提供參考依據，也為北疆綠洲農業(yè)經濟可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北疆綠洲農業(yè)區(qū)地處天山北坡的沖積平原區(qū)，南部為天山山區(qū)，北部為古爾班通古特沙漠，屬大陸性氣候，降水稀少，蒸發(fā)強烈，是典型的干旱綠洲區(qū)，同時也是北疆重要的糧棉產區(qū)。選取該區(qū)內11個國家氣象觀測臺站作為北疆農業(yè)種植區(qū)的代表站，這些站點的海拔在300～800 m，下墊面相對均勻平整。研究區(qū)內氣象臺站位置如圖1所示。

1.2 數據來源

氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，時間為1961—2020年；災情、旱情資料來源于中國氣象局《中國氣象災害大典》（新疆卷）［10］、相關文獻［11-19］和氣象情報；干旱指數PA、SPI、SPEI、K指數的數據是通過程序設計計算得到，MCI數據來源于國家氣候中心。

1.3 研究方法

1.3.1 統(tǒng)計方法。

根據北疆農作物生長特點，計算時段選取4—10月。采用皮爾遜（Pearson）相關系數計算干旱指數之間及與氣象要素之間的相關性，顯著性檢驗采用t檢驗；時間序列的線性變化趨勢采用一元線性回歸進行趨勢傾向估計，并用Mann-Kendall檢驗其趨勢的顯著性。

1.3.2 干旱指數的計算。

（1）降水距平百分率（PA）。反映某時段降水量相對于常年同期平均降水量的偏離程度，計算公式如下：

PA=P-×100%（1）

式中：P為某時段降水量（mm）；為計算時段同期平均降水量（mm）。

（2）標準化降水指數（SPI）。Mckee等［20］提出的基于降水量的指標，由世界氣象組織推薦使用，采用雙參數的Γ分布概率密度函數擬合降水量的分布，然后再經正態(tài)標準化求得SPI值，計算公式如下：

當累積概率H（x）在（0，0.5］時，

SPI=-（t-c0+c1t+c2t21+d1t+d2t2+d3t3），t=ln1H（x）2（2）

當H（x）在（0.5，1.0）時，

SPI=t-c0+c1t+c2t21+d1t+d2t2+d3t3，t=ln1（1-H（x））2（3）

式中：c0=2.515 517；c1=0.802 853；c2=0.010 328；d1=1.432 788；d2=0.189 269；d3=0.001 308。

（3）標準化降水蒸散指數（SPEI）。SPEI是Vicente-Serrano等［21］在SPI的基礎上引入潛在蒸散發(fā)的概念構建的。首先計算逐月潛在蒸散發(fā)，潛在蒸散發(fā)的計算采用Thornthwaite方法［22］，然后采用Log-Logistic概率密度函數f（x）來描述月降水量與潛在蒸散量差值的變化，得到月水分平衡量的概率分布函數F（x），經正態(tài)標準化處理后得到SPEI指數，計算公式如下：

SPEI=

ω-c0+c1ω+c2ω21+d1ω+d2ω2+d3ω3P≤0.5

-（ω-c0+c1ω+c2ω21+d1ω+d2ω2+d3ω3）P>0.5

（4）

式中：ω=-2lnP;c0、c1、c2、d1、d2、d3的值與SPI的相同。

（4）K指數。根據某時段內降水量和蒸發(fā)量的相對變率來確定旱澇狀況［23］，計算公式如下：

K=R′/E′（5）

式中：R′為某時段降水的相對變率；E′為某時段潛在蒸散發(fā)的相對變率。

（5）氣象干旱綜合指數（MCI）。在綜合氣象干旱指數（CI）的基礎上修正的綜合指數［24］，計算公式如下：

MCI=Ka×（a×SPIW60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150）（6）

式中：SPIW60是近60 d標準化權重降水指數；MI30是近30 d相對濕潤度指數；SPI90和 SPI150分別是近90和150 d標準化降水指數；a、b、c、d是各指數的權重系數；Ka是季節(jié)調節(jié)系數。由于MCI得到的是逐日的監(jiān)測結果，參考王素萍等［25］的方法，得到各站逐月的MCI，新疆4—10月的Ka值分別為0.6、1.0、1.2、1.2、1.0、0.9、0.4［24］，因此要恢復原值，即各站的月值除以對應月的Ka值。

1.3.3 不同干旱指數等級劃分標準。

該研究將干旱劃分為無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱5個等級，各指數干旱等級的劃分標準見表1。

2 結果與分析

2.1 相關性分析

氣象上通常以4、7、10月代表春季、夏季、秋季，故選取4、7、10月分析各指數之間的相關性。由表2可見，MCI與其他4種指數相關性均較弱，而其他4種指數之間的相關性均較好，均在接近0.8或0.8以上。

各指數與月降水量的相關性分析（PA是降水量本身，故不需討論），除MCI與降水量的正相關較弱外，SPI、SPEI、K指數與月降水量的正相關均較好，均在接近0.8或0.8以上，相關系數由大到小的順序是SPI、K指數、SPEI（7月略有不同，順序是K指數、SPI、SPEI），說明SPI、K指數對降水量的變化較SPEI更敏感。

各指數與月平均氣溫的相關性分析，SPEI、K指數與溫度的負相關均較好，其中SPEI最強，其與平均氣溫的相關程度接近其與降水量的，4月甚至高于降水量的，這會高估溫度對干旱的影響，可能原因是SPEI計算蒸散發(fā)選用的Thornthwaite方法所致［26］，SPI、PA、MCI與溫度的負相關偏弱。眾所周知，降水是主要的致旱因子，但溫度對干旱的影響是不能忽視的。

2.2 各指數不同等級干旱發(fā)生頻率和干旱總頻率分析

為進一步比較各指數對于干旱的確定情況，分析各指數不同等級干旱發(fā)生頻率和干旱總頻率的分布。依舊選取4、7、10月，分析結果見圖2。結果表明，PA、SPI、SPEI這3種指數的不同等級干旱頻率分布相對合理，與王舒等［5］研究得出的干旱指數不同等級干旱頻率分布（特旱2%、重旱5%、中旱8%、輕旱15%）較接近，均表現(xiàn)為輕旱＞中旱＞重旱＞特旱，這與實際情況是相符的，但3種指數具體的干旱等級值有差異；干旱總頻率與史玉光［10］研究得出的北疆干旱年的頻率（36.8%）也較接近。

K指數的干旱總頻率最高（近80%），不同等級干旱頻率均偏多，與PA、SPI、SPEI 3種指數相比，干旱總頻率偏多2.2～2.7倍，輕旱偏多1.2～1.8倍、中旱偏多2.4～5.2倍、重旱偏多3.1～6.9倍、特旱偏多1.8～3.9倍；不同等級干旱分布上表現(xiàn)為中旱頻率均高于輕旱，甚至7月的重旱頻率也高于輕旱，說明K指數的干旱總頻率和不同等級干旱頻率分布都不合理。

MCI的7月干旱總頻率是5種指數中最少的，不同等級干旱頻率雖然也表現(xiàn)為由輕旱至特旱依次減少，但輕旱太多，重旱、特旱太少，分布上也是不合理的，其中，重旱、特旱頻率與PA、SPI、SPEI相比分別偏少了120%～350%和380%～1 100%，比K指數偏少更多；輕旱頻率比K指數偏少，比其他指數偏多。

2.3 各指數對典型干旱事件的反應能力對比分析

為了解各干旱指數在實際旱情中的表現(xiàn)，從典型干旱事件反應能力上進行分析。根據相關文獻［10-19］的災情、旱情描述，選取21個典型干旱事件，其中嚴重春旱7次，嚴重夏旱8次，嚴重秋旱6次，具體年份見表3。由于現(xiàn)有文獻材料中對歷史旱情、災情的文字描述與干旱指數的數值和等級之間無法建立準確的一一對應［2］，在這里通過比較各指數不同等級干旱出現(xiàn)的站次比評估對干旱反應的敏感程度［23］，然后采用相關文獻［27］對恰當指數的選取方法，即多個干旱指數對干旱的判定等級表現(xiàn)為指數1＞指數2＞指數3時，則選取指數2為恰當指數的方法來確定適宜指數。

首先計算各指數不同等級的干旱站次比（P）：P=nk/n×100%，式中，n為總臺站數，nk為第k等級干旱臺站數。根據P的大小定義如下［28］：當P≥70%，為全域性干旱；當50%≤P＜70%時，為區(qū)域性干旱；30%≤P＜50%時，為部分區(qū)域性干旱；10%≤P＜30%時，為局域性干旱；P＜10%時，基本無旱。為了便于分析，每個干旱事件只選取一個月做對比，并選取旱情最嚴重的月份，如果不在同一個月，則以相關文獻描述為準。統(tǒng)計結果是春旱最重的月份都是出現(xiàn)在5月，夏旱主要是在7、8月，個別在6月，秋旱主要是10月，但2006和2008年5種指數不在同一個月，根據文獻［11-12］旱情時段選定9月。

選取的這21個嚴重干旱事件，有的干旱事件范圍廣、強度強，比如1962年大旱年，研究區(qū)中旱以上站次比達到全局性干旱的范圍，就認為與實際相符；有的干旱事件是區(qū)域范圍比較嚴重，比如1976年的夏旱，旱情描述是研究區(qū)的偏西地區(qū)，1971年的秋旱，旱情描述是研究區(qū)的偏東地區(qū)，那么中旱以上站次比只要達到了局域性干旱或部分局域性干旱的范圍，就認為與實際相符。經統(tǒng)計，發(fā)生局域范圍的干旱事件有4次，分別是1968和1976年的夏旱，1971和1985年的秋旱，其他17次均為全局性干旱事件。由表3可見，17次全局性干旱事件中，達到中旱及以上等級的次數PA有10次，SPI有9次，SPEI有15次，K指數有17次，MCI有8次，其中SPEI的2006年和2008年的秋旱在9月的干旱范圍偏小，但10月份達到了全局性干旱的范圍；4次區(qū)域范圍的干旱事件中，PA、SPI的4次都符合，SPEI有2次符合，MCI有3次符合，K指數的4次均不符合，范圍均偏大。以上分析說明，對典型干旱年的旱情判識，K指數偏重，MCI偏輕，PA、SPI和SPEI介于2種指數之間，因此對該農業(yè)區(qū)來說，恰當指數就是PA、SPI和SPEI，該研究再對這3種指數進一步分析。

新疆是變暖最顯著的區(qū)域之一，研究表明，1961—2017年新疆年平均氣溫升溫速率遠遠高于全球和全國的升溫速率，1997年開始全疆明顯增暖［29］。PA、SPI和SPEI這3種指數，只有SPEI能夠綜合反映溫度、降水對干旱的影響［4］。在21個干旱事件中，1997年之后出現(xiàn)的干旱事件共有7次，其中6次都表現(xiàn)為SPEI對旱情的描述較PA、SPI好，說明SPEI對該區(qū)域的干旱監(jiān)測優(yōu)于PA、SPI。分析具體干旱年份發(fā)現(xiàn)，當月平均溫度偏低或偏高幅度偏小時，PA、SPI的判識優(yōu)于SPEI，比如1985年研究區(qū)中西部秋旱嚴重，降水量偏少70%以上，但平均氣溫較多年平均值偏低-0.8 ℃［10，17-18］；2006年研究區(qū)秋旱嚴重，降水量偏少80%以上，但平均氣溫較多年平均值偏高0.1 ℃［11，17-18］。由表3可見，對旱情的描述，PA、SPI均比SPEI更符合實際，說明應該從PA、SPI中再選擇一種指數，與SPEI共同監(jiān)測，以彌補其不足。

PA是將降水量當作正態(tài)分布來考慮，SPI則考慮降水量是偏態(tài)分布［2］。相關文獻［30］表明，偏態(tài)系數可以用來檢驗樣本資料序列是否服從正態(tài)分布。在α=0.05的顯著水平下，有偏態(tài)系數（Cs）：|Cs|<1.966（n-2）（n+1）（n+3），則認為該序列服從正態(tài)分布。對于該研究來講n=60，計算得到的偏態(tài)系數小于0.590時，則序列服從正態(tài)分布。由圖3可見，只有個別站個別月服從正態(tài)分布，大部分站的月降水量均不服從正態(tài)分布，即研究區(qū)各站的月降水量基本都是偏態(tài)分布，因此宜選擇SPI作為補充。

3 討論

該研究對PA、SPI、SPEI、K指數和MCI這5種干旱指數在北疆綠洲農業(yè)區(qū)的適用性進行分析，結果表明SPEI較優(yōu)，與慈暉等［4］、王舒等［5］基于年、季尺度干旱指數的適用性分析結果是基本一致的，但與郭冬等［6］的研究結果不一致，可能原因是文獻中給出的適宜干旱指數MCI是適用于新疆整個區(qū)域的，范圍較大，而新疆地形地貌較為復雜，氣候差異明顯，該研究選取的研究區(qū)域是北疆的一部分，下墊面較為均勻平整，選取的干旱指數更適用，文獻中指出MCI各等級干旱頻率比其他指數均偏低，與該研究的結果是一致的。

從新疆農業(yè)生產角度來說，春旱的威脅是很大的，特別是5月份，正是農作物需水關鍵期，如果前冬降雪偏少，春季降水再嚴重偏少，將對農業(yè)生產帶來很大影響。從上文的統(tǒng)計可知，5月各指數旱情描述一致性較好，5種指數（PA、SPI、SPEI、K指數、MCI）在該月的線性變化趨勢分別是6.23、0.11、0.00、0.05、0.05/10 a（P＞0.05），趨勢差異不大，但相對來講，SPEI、K指數、MCI的趨勢變化較為接近，計算中都包含溫度、降水2個致旱因子，PA、Swba9d6udzDf2/2I39dKSOlg8wN5f5Tg3pAdTMkXrOW0=PI的計算中只有一個降水致旱因子，表征旱情減輕的趨勢要大些，換言之，就是對旱情的描述偏輕。氣候變化是干旱演變的重要驅動因素［31］，以新疆發(fā)生明顯增暖的1997年為界，分段統(tǒng)計5月平均氣溫、降水量和潛在蒸散發(fā)的距平變化，平均氣溫1997—2020年與1961—1996年相比增加了1.1 ℃，同期降水量雖有增多，但仍為負距平，同時潛在蒸散發(fā)由偏少轉為偏多，從水分收支來看，降水增加說明水分收入增加了，但并未改變干旱局面，溫度升高、蒸散發(fā)增加說明水分支出也增加了，所以干旱強度的變化不會太大，只是氣候背景從冷干轉為暖干，與SPEI、K指數、MCI反映的趨勢變化較一致；經統(tǒng)計，各指數不同等級干旱年數上，PA、SPI、SPEI、K指數、MCI輕旱以上等級分別有14、15、20、50、20年，中旱以上等級分別有10、11、11、38、5年，重旱以上等級分別有3、3、4、15、1年，特旱以上等級分別有1、1、1、1、0年，可見對干旱的確定，K指數偏重，MCI偏輕，SPEI更合適，以上分析也表明，SPEI在研究區(qū)的適用性優(yōu)于其他4種指數。

4 結論

該研究選取PA、SPI、SPEI、K指數、MCI 5種干旱指數在北疆綠洲農業(yè)區(qū)進行對比分析，優(yōu)選出更適用于該區(qū)域的干旱指數，結論如下：

（1）各指數之間，除MCI外，其他4種指數之間的相關均比較好；各指數與氣象要素之間，PA、SPI與降水的相關最好，與溫度的相關偏弱，MCI與溫度、降水的相關均偏弱，K指數、SPEI與降水、溫度的相關均比較好。

（2）PA、SPI、SPEI干旱總頻率和不同等級干旱頻率分布相對合理，較符合實際，但每個指數干旱等級值有差異；K指數干旱頻率分布不合理，干旱總頻率偏多，中旱、重旱明顯偏多；MCI各等級干旱頻率分布也不合理，其中輕旱偏多，重旱、特旱明顯偏少。

（3）對典型干旱年的判識，K指數偏重，MCI偏輕，PA、SPI對增溫引起干旱的變化不敏感，而SPEI能綜合考慮溫度、降水的共同影響，監(jiān)測結果較符合實際。需要注意的是，SPEI計算蒸散發(fā)選用的Thornthwaite方法可能高估溫度對干旱的影響，當降水量明顯偏少，而溫度偏低或偏高幅度較小時，會出現(xiàn)SPI監(jiān)測結果較SPEI偏強的情況，基于月降水量偏態(tài)分布的事實，要結合SPI一起使用，以彌補其不足。

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