基于標準化降水指數(shù)的魯西地區(qū)干旱時空特征分析

李楠+李慧+李強+楊志勇+韓學蕾

摘要：利用魯西地區(qū)1962—2015年8個國家氣象觀測站逐月的降水資料，采用標準化降水指數(shù)（SPI）、主成分分析和ArcGIS空間插值方法，分析了該地區(qū)的年度和季節(jié)干旱演變特征。結(jié)果表明：（1）魯西地區(qū)的干旱發(fā)生較為頻繁且持續(xù)時間較長，年度和季節(jié)干旱發(fā)生頻率均為30%左右，主要以輕旱和中旱為主，重旱和特旱發(fā)生頻率較低；年度和季節(jié)的干旱站次比中，春旱和冬旱呈減少趨勢，夏旱和秋旱呈增加趨勢。（2）主成分分析中前兩個特征向量的空間分布與干旱頻率站次比的區(qū)域分布較為一致。

關(guān)鍵詞：魯西地區(qū)；干旱；標準化降水指數(shù)；時空特征

中圖分類號：S161.6 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2017）07-0131-08

Abstract The annual and seasonal drought evolution characteristics in Western Shandong were analyzed based on the monthly precipitation data of 8 national meteorological stations from 1962 to 2015 by the standardized precipitation index （SPI）， principal component analysis and spatial interpolation method of ArcGIS. The results showed that in Western Shandong， the drought had rather high occurrence frequency and lasted a long time. The annual and seasonal drought frequency fluctuated around 30%.The drought degree usually was light drought and moderate drought， and the heavy drought and excessive drought had lower occurrence frequency. In the station number ratio of annual and seasonal drought， the drought in spring and winter showed a decline trend， and the drought in summer and autumn showed an increase trend. The spatial distribution of the first two feature vectors in principal component analysis was in accordance with the regional distribution of station number ratio of drought frequency.

Keywords Western Shandong； Drought； Standardized precipitation index； Temporal and spatial characteristics

人類活動對旱澇災(zāi)害的影響十分顯著[1]。全球氣候變暖，大氣中能量分布發(fā)生變化，導(dǎo)致降雨時空分布不均勻，干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，極端事件偏多[2]，嚴重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全[3]。而城市化的加劇進一步加重了干旱災(zāi)害的發(fā)生和程度[4]。聊城地處中原腹地、山東省西部，地形單一，以平原為主，故有魯西平原之稱[5]。該地區(qū)自然災(zāi)害時有發(fā)生，其中旱災(zāi)危害面積最大且頻繁。目前，常用的干旱評價指標有降水距平、Z指數(shù)、標準化降水指數(shù)、帕默爾干旱指數(shù)等[6-8]，以標準化降水指數(shù)（SPI）方法評價魯西地區(qū)干旱情況的研究尚未見報道。SPI是采用Γ函數(shù)的標準化降水累積分布來描述降水量的變化，該指數(shù)是中國氣象局推薦的氣象干旱分析指標，以月為評價尺度。本文應(yīng)用該指數(shù)從氣象干旱的角度分析了魯西地區(qū)年及季節(jié)性干旱發(fā)生頻率和強度的時空演變規(guī)律，明確了魯西地區(qū)干旱發(fā)生的時空變化規(guī)律，以期為應(yīng)對氣候變化和抗旱減災(zāi)提供理論依據(jù)[9]。

1 研究區(qū)域概況

聊城市地處山東省西部（魯西），北緯35°47′～37°03′，東經(jīng)115°16′～116°30′。 共8個縣（市、區(qū)）。處于暖溫帶季風氣候區(qū)，屬半干旱大陸性氣候，光熱資源充足，但降水缺乏，且時空分布不均。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取1962—2015年聊城市8個氣象觀測站點（見圖1）經(jīng)質(zhì)控后的逐月降水資料。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時間尺度的SPI值比較

利用聊城市8個氣象觀測站1962—2015年逐月降水數(shù)據(jù)，計算得出54年來各站SPI1、SPI3、SPI12值。結(jié)果（圖2）表明，短時間尺度的SPI值（SPI1）受較短時間降水影響大，沒有考慮前期降水的影響，隨機性較強，時間持續(xù)很弱，旱澇轉(zhuǎn)換很突然，SPI1值頻繁地在0線上下波動，各月間變化比較大。SPI3考慮了短時間內(nèi)水分盈虧情況，反映了季節(jié)干旱狀況。隨著時間尺度的進一步延長，一次降水對SPI12的影響變小，只有在持續(xù)多次降水的情況下才能使SPI12值發(fā)生波動。

3.2 魯西地區(qū)干旱發(fā)生的年度特征分析

3.2.1 干旱發(fā)生頻率 基于12個月時間尺度的SPI序列表明，1962—2015年間干旱較為頻繁，8個站點平均出現(xiàn)17.25次干旱事件，平均每三年一次，以輕旱和中旱為主?；赟PI12序列計算年尺度各等級干旱頻率，各站點干旱總頻率平均為31%左右，輕旱的發(fā)生頻率平均為10.38%，中旱發(fā)生頻率為14.56%，重旱發(fā)生頻率為6.01%。

3.2.2 干旱發(fā)生范圍 基于SPI12序列計算年尺度干旱站次比，結(jié)果（圖3）表明，54年來魯西地區(qū)干旱站次比在0～100%之間波動變化，共24年無明顯干旱，占總年數(shù)的44.4%。

由圖3和表1可知，54年中共有12年發(fā)生全域性干旱，主要集中在20世紀80年代和90年代，其中1986、1988、1995、1997、1999、2002、2006年干旱站次比達到100%；1986—1989連續(xù)四年發(fā)生全域性或區(qū)域性干旱。20世紀60—70年代干旱發(fā)生的區(qū)域較少，1962—1970年間未發(fā)生全域性干旱，但有兩次區(qū)域性干旱。1971—1980年間，只有1972年發(fā)生一次全域性干旱。2000年以后全域性干旱有所減少，干旱有減輕趨勢。

3.2.3 干旱發(fā)生強度 54年來魯西地區(qū)的干旱強度在0～1.73之間波動，平均1.13，共有10年干旱強度在1.0以上，其中1986年干旱強度值最高，達1.73，為重度干旱；其中，魯西地區(qū)發(fā)生的干旱等級主要是輕旱和中旱（圖3）。由表2可知，輕旱和中旱發(fā)生次數(shù)較多，各年代均未有特旱的發(fā)生；20世紀80年代旱情較重，發(fā)生重旱14次，中旱10次，輕旱11次。輕旱多集中在20世紀60年代和80年代，中旱集中在20世紀80年代和90年代?？傮w來看，20世紀80年代和90年代是干旱的高發(fā)期，并且干旱的量級也相對較重。

3.3 魯西地區(qū)干旱發(fā)生的季節(jié)特征分析

基于SPI3的各氣象站點干旱事件發(fā)生次數(shù)平均為64.62次。季節(jié)干旱總頻率平均為30%左右，輕旱發(fā)生頻率14.35%，中旱發(fā)生頻率8.55%，重旱發(fā)生頻率4.44%，特旱發(fā)生頻率2.65%。以下從各季節(jié)干旱發(fā)生特征詳細分析。

（1）春旱：魯西地區(qū)1962—2015年共發(fā)生春旱15次，分別出現(xiàn)在1962、1965—1967、1972—1974、1976—1978、1981、1995—1996、2000—2001、2010年，呈階段連續(xù)性分布，平均3～4 a出現(xiàn)一次。其中，1981和2001年為重旱，SPI值分別為-1.79和-1.81，1962、1967、1973、1976、1978、2000年為中旱，其余年份為輕旱。

圖4（A）表明，春季干旱站次比在0～100%之間變化，共21年全域未出現(xiàn)春旱，占總年數(shù)的38.8%。20世紀60年代和70年代春旱較為頻繁而且發(fā)生區(qū)域較大，其中出現(xiàn)全域性干旱5次，區(qū)域性干旱4次。20世紀80—90年代干旱的發(fā)生較為緩和，只發(fā)生全域性干旱1次，區(qū)域性干旱3次。2000年以后發(fā)生全域性干旱2次，區(qū)域性干旱2次。春季干旱站次比的線性傾向率為-5.67/10a，表明魯西地區(qū)春季干旱站次比呈現(xiàn)減少的趨勢。

（2）夏旱：1962—2015年間夏旱亦較頻繁，共發(fā)生夏旱14次，分別出現(xiàn)在1965、1968、1972、1983、1985、1989、1992、1997、1999、2001、2002、2006、2014、2015年，其中1983、2002年為重旱，1997年為特旱，SPI值為-2.11。

圖4（B）表明，夏季干旱的站次比也在0～100%之間變化，共22年全域未出現(xiàn)夏旱，占總年數(shù)的40.7%。20世紀60年代初期到80年代初期近二十年的時間里，夏旱發(fā)生區(qū)域較少，全域性夏旱只有1次，部分地區(qū)夏旱1次，其余均為局部地區(qū)干旱。20世紀80年代初到90年代末，夏旱的發(fā)生區(qū)域相對較廣，全域性干旱5次，區(qū)域性干旱2次。2000年以后夏旱發(fā)生區(qū)域相對上個時期有所減少，其中全域性干旱3次，部分地區(qū)干旱3次。夏旱站次比的線性傾向率為3.77/10a，呈增加趨勢。

（3）秋旱：1962—2015年間秋季干旱發(fā)生16次，分布在1963、1966、1970、1978、1979、1981、1986、1988、1989、1996、1998、2001、2002、2006、2012、2013年。其中，重旱年份為1966、1981年，特旱年份1988和1998年，其SPI值分別為-2.31和-2.07。

圖4（C）表明，秋季發(fā)生的干旱站次比也在0～100%之間變化。共27年未有全域性秋旱的發(fā)生，占總年數(shù)的50%。20世紀60和70年代發(fā)生全域性干旱4次，區(qū)域性干旱2次，局部地區(qū)秋旱1次。20世紀80年代和90年代共發(fā)生6次全域性干旱，1次部分地區(qū)干旱，4次局部地區(qū)干旱。21世紀初的16年間，出現(xiàn)全域性干旱3次，區(qū)域性干旱2次，局部地區(qū)干旱4次。秋旱站次比的線性傾向率為1.01/10a，表明魯西地區(qū)發(fā)生秋旱的站次比呈現(xiàn)增加趨勢。

（4）冬旱：1962—2015年間出現(xiàn)冬季干旱17次，分別分布在1963、1966、1968、1970、1974、1977、1983、1984、1986、1988、1991、1994、1996、1999、2006、2007、2012年。其中重旱年份有1984、1996年；特旱年份為1977年和1988年，其SPI值分別為-2.05和-2.00。

圖4（D）表明，冬季干旱的站次比在0～100%之間變化。共33年全域未有明顯冬旱發(fā)生，占總年數(shù)的61.1%。全域性干旱17次，占總年數(shù)的31.48%。20世紀60年代和70年代全域性干旱6次，局部干旱2次。20世紀80年代和90年代干旱發(fā)生站次較高且量級相對較重，共出現(xiàn)全域性干旱8次。21世紀以后發(fā)生全域性干旱3次，局部干旱1次。冬旱站次比的線性傾向率為-3.51/10a，表明聊城地區(qū)冬旱的站次比呈現(xiàn)下降趨勢。

綜上可見，聊城地區(qū)發(fā)生的干旱以輕旱和中旱較為頻繁，且伴隨有季節(jié)性連旱；春旱和夏旱發(fā)生的頻率高于秋旱及冬旱，但秋旱和冬旱的干旱程度要重于夏旱及春旱，其中秋季干旱程度最為嚴重。

3.4 魯西地區(qū)干旱發(fā)生的空間特征分析

基于SPI12值進行主成分分析，方差貢獻率見表 3，由于前兩個特征量值的累積貢獻率等于0.866，大于0.7，所以取前兩個代表性的主成分，使用ArcGIS中的反距離加權(quán)插值法對前兩個主成分特征向量系數(shù)做空間分布，如圖5所示。

第一主成分各特征向量的系數(shù)均為正值且相差較小，說明各站降水對干旱的貢獻較為均衡，較大值出現(xiàn)在臨清和莘縣，低值中心位于陽谷和冠縣，表明臨清、莘縣的降水量對于魯西地區(qū)干旱發(fā)生的影響程度相對較大。第一主成分所代表的降水空間變化特征可以視為魯西地區(qū)干旱空間分布的主要形態(tài)。第二主成分各特征向量的系數(shù)值由中東部縣向西部縣市逐漸減小，最低值位于冠縣（-0.469），說明從東部縣市到西部縣市干旱發(fā)生呈現(xiàn)增加趨勢。

為了更好地了解魯西地區(qū)干旱的分布情況，利用8個氣象站點54年來SPI12指數(shù)所得的各站點干旱頻率進行反距離加權(quán)插值，得到研究區(qū)干旱頻率分布圖（圖6）。可見，高唐、茌平、東阿的總干旱發(fā)生頻率較高，輕旱發(fā)生頻率的各縣分布與總干旱發(fā)生頻率的分布較為一致。茌平、冠縣、陽谷的中旱發(fā)生頻率均為18.5%。中西部縣重旱的發(fā)生頻率高于東部的高唐、茌平、東阿。

基于SPI12的干旱分析結(jié)果總體顯示，魯西地區(qū)以輕旱和中旱為主，重旱以上發(fā)生概率相對較低；第一主成分各特征向量的空間分布中，冠縣和陽谷位于低值中心，其次為莘縣，說明其對降水的貢獻相對較小。不同級別干旱發(fā)生頻率的空間分布結(jié)果也顯示，冠縣、陽谷、莘縣的中旱及重旱發(fā)生頻率較高，與主成分分析的冠縣、陽谷、莘縣處于低值中心的結(jié)果有較好的一致性。

4 討論與結(jié)論

分析近54年來魯西地區(qū)年度和季節(jié)干旱發(fā)生的頻率、范圍、強度和空間分布等特征得出以下結(jié)論。

（1）魯西地區(qū)月、季、年的SPI值在波動中均呈現(xiàn)降低趨勢，表明該地區(qū)有朝干旱發(fā)展的趨勢；年度和季節(jié)干旱較為頻繁且持續(xù)時間較長，年度及季節(jié)總干旱頻率均在30%左右，主要以輕旱和中旱為主。

（2）基于12個月尺度的SPI序列干旱中，發(fā)生全域性干旱12年，主要集中在20世紀80年代和90年代，其中1986—1989年連續(xù)四年發(fā)生區(qū)域性及全域性干旱。年尺度干旱強度平均值為1.73。

（3）春季和冬季干旱站次比線性傾向率均為負值，表現(xiàn)為干旱站次比下降趨勢；夏季和秋季的干旱站次線性傾向率為正值，呈增加趨勢。

（4）主成分分析的特征向量空間分布與各站不同級別干旱發(fā)生頻率分布情況存在較好的相關(guān)性。

干旱的發(fā)生是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈共同作用的結(jié)果[13]，本文僅從降水因素分析干旱的發(fā)生和分布特征，沒有考慮水文及灌溉等因素的影響[14]，以后將結(jié)合其他干旱指標[15]進一步深入研究魯西地區(qū)干旱發(fā)生的時空演變特征。

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