基于SPI指數(shù)的近55年河南省干旱時(shí)空變化特征

李治國， 朱玲玲， 張延偉， 和鵬飛

(1.商丘師范學(xué)院測繪與規(guī)劃學(xué)院，河南商丘 476000； 2.濟(jì)南大學(xué)商學(xué)院，山東濟(jì)南 250022；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098)

1900年以來，全球超過20億人受到干旱的影響，每年因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60億～80億美元[1-2]，嚴(yán)重破壞糧食安全和生態(tài)環(huán)境，制約社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定和發(fā)展。2011年世界人口突破70億，人口增長和消費(fèi)增長急需穩(wěn)定充足的食物供給。未來全球很多重要的農(nóng)業(yè)區(qū)旱災(zāi)頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間將增加[3]，威脅區(qū)域乃至全球的糧食生產(chǎn)和安全。因此，研究糧食產(chǎn)區(qū)的干旱時(shí)空變化特征非常重要。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)可以計(jì)算不同種類、不同時(shí)間尺度的干旱情況，且計(jì)算簡單易行，在國內(nèi)外區(qū)域干旱監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]，揭示不同區(qū)域干旱時(shí)空變化規(guī)律和干旱演變過程的時(shí)空差異性。

河南省是黃淮海平原的重要組成部分和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的主體，是我國重要的農(nóng)副產(chǎn)品和糧食生產(chǎn)基地。河南省過渡性的氣候和地形造成干旱是河南省發(fā)生最為頻繁、危害最大的自然災(zāi)害，在全球變化背景下旱災(zāi)呈增加趨勢[7-8]，嚴(yán)重影響河南省糧食安全生產(chǎn)和國家糧食核心區(qū)建設(shè)。已有學(xué)者對河南省干旱的總體時(shí)空特征進(jìn)行了較為深入的研究[8-9]，但在干旱的演變趨勢、周期性和空間差異等方面仍有深化和拓展的空間。本研究選取SPI指數(shù)，結(jié)合M-K突變檢驗(yàn)法、morlet小波分析法和Hurst指數(shù)等分析河南省干旱的時(shí)間變化特征，并對未來趨勢進(jìn)行分析，在Surfer11軟件支持下探究河南省干旱空間變化特征，對于深入探索河南省干旱時(shí)空演化規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

河南省地處中國中東部，界于110°21′～116°39′E和 31°23′～36°22′N之間(圖1)，屬暖溫帶和亞熱帶、濕潤和半濕潤的過渡氣候，年均降水量500～900 mm，由東南向西北逐漸減少[8]。地形總的趨勢是西高東低，西北和西部為太行山、伏牛山，南部為桐柏山、大別山，東部為大平原，境內(nèi)的主要水系有黃河、海河、淮河和長江四大水系。特殊的地理位置和地貌格局使得河南省旱災(zāi)頻發(fā)、時(shí)空分布較為復(fù)雜。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

使用1961—2015年河南省氣象觀測站逐月觀測資料計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，所用數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)。選用17個(gè)監(jiān)測連續(xù)的基準(zhǔn)站(圖1)進(jìn)行研究，這些站點(diǎn)在研究區(qū)均勻分布，具有較好區(qū)域代表性。

2.2 研究方法

2.2.1 SPI計(jì)算與干旱等級劃分 SPI可以用于分析多時(shí)間尺度干旱特征，本研究主要分析1、3、6、12個(gè)月尺度的SPI值，分別用SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12表示。其中，SPI-3 分別選取5月、8月、11月至次年2月作為河南省季節(jié)尺度(春季為3—5月、夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月)的干旱特征分析，SPI-6分別選取8月、次年2月的SPI-6作為河南省半年尺度(夏半年為3—8月、冬半年為9月至次年2月)的干旱特征分析，SPI-12選取12月的SPI-12作為河南省年尺度的干旱特征分析。根據(jù)氣象干旱等級標(biāo)準(zhǔn)[10]，并將重旱和特旱合并為重旱，對SPI計(jì)算結(jié)果進(jìn)行劃分：無旱(SPI>-0.5)，輕旱(-1.0

2.2.2 干旱特征研究方法

2.2.2.1 干旱發(fā)生頻率 干旱發(fā)生頻率(Pi)是用來評價(jià)研究區(qū)某站近55年發(fā)生干旱的頻繁程度，計(jì)算公式[9]為：

Pi=ni/N×100%。

(1)

式中：N為計(jì)算總年數(shù)，N=55；ni為i站出現(xiàn)干旱的年數(shù)。根據(jù)不同干旱等級的發(fā)生年數(shù)計(jì)算各自的發(fā)生頻率。

2.2.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法 Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法是世界氣象組織推薦并被廣泛用于實(shí)際研究的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，是時(shí)間序列趨勢分析方法之一。U>0，表示時(shí)間序列為上升趨勢，為濕潤趨勢；U<0，表示時(shí)間序列為下降趨勢，為干旱趨勢。本研究計(jì)算了12月的 SPI-12 的M-K值用來檢驗(yàn)干旱趨勢。

2.2.2.3 干旱趨勢研究 英國水文專家Hurst在研究尼羅河多年水文觀測資料時(shí)發(fā)現(xiàn)并提出該方法[9]，Hurst指數(shù)可以表示為：

lg(R/S)=Hlgτ+Hlgα。

(2)

式中：α為常數(shù)；H為赫斯特指數(shù)，可根據(jù)R/S重標(biāo)極差序列和子區(qū)間長度τ值在雙對數(shù)坐標(biāo)系中用最小二乘法擬合回歸方程得到。0.5

3 結(jié)果與分析

3.1 連旱事件分析

定義單次持續(xù)時(shí)間超過3個(gè)月的干旱事件為1次連旱。河南省各站點(diǎn)、各年代出現(xiàn)的連旱次數(shù)和持續(xù)時(shí)間計(jì)算結(jié)果見表1。1961—1970年有1個(gè)站點(diǎn)(南陽)無連旱，29.4%的站點(diǎn)出現(xiàn)3次以上的連旱，且開封、商丘、西華、安陽、鄭州、信陽等6個(gè)站點(diǎn)共出現(xiàn)了8次持續(xù)時(shí)間超過5個(gè)月的干旱；29.4%的站點(diǎn)出現(xiàn)2次連旱。1971—1980年(1970s)有4個(gè)站點(diǎn)沒有出現(xiàn)連旱，70.6%的站點(diǎn)為2次及以下連旱，僅1個(gè)站點(diǎn)(信陽)出現(xiàn)了3次連旱，但該年代每次連旱持續(xù)時(shí)間不超過4月。1981—1990年(1980s)各站點(diǎn)均出現(xiàn)連旱，有29.4%的站點(diǎn)出現(xiàn)了3次及以上的連旱，70.6%的站點(diǎn)有2次及以下連旱，開封、鄭州、孟津等3個(gè)站點(diǎn)共出現(xiàn)了3次持續(xù)時(shí)間超過5個(gè)月的干旱。1991—2000年(1990s)有1個(gè)站點(diǎn)(孟津)無連旱，有52.9%的站點(diǎn)出現(xiàn)了3次及以上連續(xù)干旱，其中固始出現(xiàn)了6次連旱，僅駐馬店出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間超過5個(gè)月的連旱。2001—2010年(2000s)各站點(diǎn)均出現(xiàn)連旱情況，58.8%的站點(diǎn)出現(xiàn)了3次及以上連旱，商丘和信陽各出現(xiàn)1次持續(xù)時(shí)間超過5個(gè)月的連旱。2011—2015年有18%的站點(diǎn)出現(xiàn)連續(xù)干旱，有4個(gè)站點(diǎn)沒出現(xiàn)連續(xù)干旱。1990s年均干旱次數(shù)和干旱月份值最高；1970s年均干旱次數(shù)和干旱月份值最低；1960s年均干旱次數(shù)和月數(shù)雖然較小，但單次超過5個(gè)月連旱的數(shù)量和站點(diǎn)數(shù)量多。1990s以來為連旱高發(fā)期。

近55年連旱發(fā)生次數(shù)最多和累計(jì)持續(xù)月數(shù)最多的是鄭州站，分別為21次、75個(gè)月；其次是固始站，分別為18次、56個(gè)月；連旱發(fā)生次數(shù)最少的是新鄉(xiāng)、南陽、三門峽，均為8次；連旱累計(jì)持續(xù)月數(shù)最少的是南陽站，為25個(gè)月，其次是三門峽站，為27個(gè)月。歷時(shí)最長的連旱為7個(gè)月，分別發(fā)生在1968年的鄭州站和2001年的固始站。持續(xù)干旱時(shí)間在5個(gè)月以上的連旱出現(xiàn)了14次，其中商丘最多，發(fā)生了3次；其次是鄭州、開封和信陽，發(fā)生了2次，鄭州、開封、商丘一帶是持續(xù)干旱發(fā)生的集中地區(qū)。

3.2 干旱周期分析

利用小波方法對各站SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12分別進(jìn)行周期分析，結(jié)果見表2。SPI-1出現(xiàn)4～28個(gè)月的周期，4月的較普遍；SPI-3出現(xiàn)7～28個(gè)月的周期，16個(gè)月的較普遍；SPI-6出現(xiàn)16～32個(gè)月的周期，16個(gè)月的較普遍；SPI-12 出現(xiàn)2～7年的周期，2年的較普遍。SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12的短周期干旱均較多，干旱頻發(fā)。

3.3 干旱頻率分析

3.3.1 干旱頻率的時(shí)間變化 由圖2可知，干旱頻率的最大值出現(xiàn)在2011—2020年(2010s)的欒川站，干旱頻率達(dá)到46.7%；最小值出現(xiàn)在1960s的新鄉(xiāng)站，為24.2%。各年代際干旱頻率平均值排序?yàn)椋?010s(36.57%)>1990s(31.67%)>1960s(30.29%)>2000s(29.12%)>1970s(28.77%)>1980s(28.28%)。

3.3.2 干旱頻率的空間變化規(guī)律 基于各站點(diǎn)SPI-1干旱統(tǒng)計(jì)的河南省近55年干旱頻率及各等級干旱頻率分布見圖3。圖3-a顯示，近55年來干旱頻率的高值區(qū)域主要位于鄭州、欒川、盧氏一帶(31.52%～33.64%)，豫北安陽(28.79%)、新鄉(xiāng)(27.42%)發(fā)生干旱頻率較其他地區(qū)較低，但17個(gè)站點(diǎn)干旱頻率平均值為31%，最低值27%，表明河南省各地受干旱影響比較大。分析發(fā)現(xiàn)，輕旱頻率在 13.03%～17.27%之間波動(dòng)，高值區(qū)集中分布于孟津、寶豐、鄭州和開封一帶，低值區(qū)分散位于南部的南陽和東部的商丘等地(圖3-b)；中旱頻率在6.97%～11.52%之間波動(dòng)，高值區(qū)分散分布于盧氏、鄭州和商丘等地，低值區(qū)集中分布于以西華為中心連接新鄉(xiāng)和南陽的地帶(圖3-c)；重旱頻率在4.55%～7.12%之間波動(dòng)，高值區(qū)集中分布于以西華為中心的東南部，低值區(qū)位于安陽、寶豐為中心的西北部(圖3-d)。

表1 各站點(diǎn)不同年代連旱次數(shù)和干早持續(xù)的時(shí)間

注：“—”表示無持續(xù)干旱事件。1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2015年分別以1960s、1970s、1980s、1990s、2000s、2010s表示。下表同。

表2 不同時(shí)間尺度干旱周期

1961—2015年河南省春旱頻率在23.64%～36.36%之間波動(dòng)，除豫北新鄉(xiāng)、豫南西峽春季干旱發(fā)生的頻率較低外，其余地區(qū)干旱發(fā)生的頻率均較高，最高值在寶豐(圖4-a)。輕旱波動(dòng)范圍為7.27%～20.00%，從東向西高值與低值相間分布，最高值也出現(xiàn)在寶豐，最低值出現(xiàn)在西峽(圖4-b)。中旱波動(dòng)范圍為3.64%～16.36%，許昌和駐馬店一帶是顯著的高值區(qū)，低值分布在周圍其他地區(qū)(圖4-c)。重旱頻率波動(dòng)范圍為1.82%～12.73%，高值區(qū)分布在河南省西部邊緣，最高值出現(xiàn)在西華，最低值出現(xiàn)在許昌(圖4-d)。

1961—2015年，河南省夏旱頻率在23.64%～38.18%之間波動(dòng)，總體呈南高北低的空間分布，最低值出現(xiàn)在豫西孟津，最高值出現(xiàn)在豫東西華(圖5-a)。輕旱波動(dòng)范圍為 7.27%～25.45%，總體也呈南高北低態(tài)勢，最低值出現(xiàn)在孟津，最高值出現(xiàn)在南陽(圖5-b)。中旱波動(dòng)范圍為 5.45%～14.55%，西峽和寶豐是2個(gè)高值區(qū)，低值分布在信陽、南陽、欒川一帶(圖5-c)。重旱波動(dòng)范圍為3.64%～10.91%，高值區(qū)分布在鄭州、開封一帶，最低值出現(xiàn)在西峽、西華和三門峽(圖5-d)。

1961—2015年河南省秋旱頻率在23.64%～40.00%之間波動(dòng)，西北高、東南低，最高值在盧氏、孟津，最低值在固始(圖6-a)。輕旱頻率波動(dòng)范圍為10.91%～29.09%，西高東低，最高值在孟津，最低值在信陽(圖6-b)。中旱頻率波動(dòng)范圍為3.64%～10.91%，孟津、新鄉(xiāng)、安陽一帶是高值集中分布區(qū)，另外1個(gè)高值在駐馬店，最低值分布在許昌和固始(圖6-c)。重旱波動(dòng)范圍為3.64%～9.09%，高值區(qū)分布在河南省東南的西華、固始，最低值出現(xiàn)在孟津、新鄉(xiāng)、盧氏、欒川和南陽(圖6-d)。

1961—2015年河南省冬旱頻率在25.45%～34.55%之間波動(dòng)，中間低、兩側(cè)高，最高值在欒川，最低值在三門峽(圖7-a)。輕旱頻率波動(dòng)范圍為10.91%～20.00%， 也呈中間低、兩側(cè)高趨勢，最高值在豫東商丘，最低值在豫北安陽和豫南駐馬店(圖7-b)。中旱頻率波動(dòng)范圍為0.00%～10.91%，最高值出現(xiàn)在欒川和西峽，最低值出現(xiàn)在三門峽(圖7-c)。重旱頻率波動(dòng)范圍為5.45%～10.91%，南北高、中間低，高值區(qū)分布在北部的安陽和西北的三門峽以及西華和駐馬店，最低值出現(xiàn)在許昌和商丘(圖7-d)。

3.4 干旱趨勢分析與預(yù)測

Mann-Kendall趨勢分析表明，河南省17個(gè)站點(diǎn)中有12個(gè)站點(diǎn)的SPI-12的M-K值均小于0，分別通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，盧氏、商丘和西華3個(gè)站點(diǎn)的SPI-12的M-K值均大于0，各站SPI-12的M-K平均值也小于0，總體呈干旱化趨勢。對各年代SPI-12的M-K值進(jìn)行分析顯示，1960s、1970s、1980s、1990s、2000s以及2011—2015年分別有82%、71%、53%、29%、35%、59%站點(diǎn)出現(xiàn)干旱化趨勢。M-K 與Hurst趨勢判斷綜合判斷結(jié)果見表3，年、春、夏、秋、冬的總體趨勢分別為干旱化、干旱化、濕潤化、 干旱化和濕潤化，秋季所有站點(diǎn)都呈干旱化趨勢，干旱特征顯著。

表3 1961—2015年河南省年和季節(jié)干旱趨勢

4 結(jié)論

本研究表明，1961—2015年河南省全年、春、夏、秋、冬干旱趨勢分別為干旱化、干旱化、濕潤化、干旱化和濕潤化，秋季所有的站點(diǎn)都呈干旱化趨勢，干旱特征顯著。1990s以來為連旱高發(fā)期，近55年連旱發(fā)生次數(shù)最多和累計(jì)持續(xù)月數(shù)最多的是鄭州站，分別為21次、75個(gè)月；連旱發(fā)生次數(shù)最少的是新鄉(xiāng)、南陽和三門峽，均為8次；連旱累計(jì)持續(xù)月數(shù)最少的是南陽站，為25個(gè)月。鄭州、開封、商丘一帶是持續(xù)5個(gè)月以上的連旱發(fā)生的集中地區(qū)。各地市SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12 的主要周期分別為4、16、16、24個(gè)月，短周期干旱較多，間隔時(shí)間短，干旱頻發(fā)。土壤水分、連續(xù)無降水日、大氣環(huán)流和ENSO(厄爾尼諾與南方濤動(dòng)的合稱)對河南省干旱的影響有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Food U N，Agriculture Organization. UN lays foundations for more drought resilient societies[EB/OL]. (2013-03-15)[2017-03-06]. http：//fao.org/news/story/en/item/172030/icode.

[2]Lobell D B，Roberts M J，Schlenker W，et al. Greater sensitivity to drought accompanies maize yield increase in the U.S. Midwest[J]. Science，2014，344(6183)：516-519.

[3]Dai A G. Increasing drought under global warming in observations and models[J]. Nature Climate Change，2013，3(1)：52-58.

[4]Buttafuoco G，Caloiero T，Coscarelli R. Analyses of drought events in Calabria (southern Italy) using standardized precipitation index[J]. Water Resources Management，2015，29(2)：557-573.

[5]Manatsa D，Mukwada G，Siziba E，et al. Analysis of multidimensional aspects of agricultural droughts in Zimbabwe using the standardized precipitation index (SPI)[J]. Theoretical and Applied Climatology，2010，102(3/4)：287-305.

[6]張巧鳳，劉桂香，于紅博，等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的錫林郭勒盟干旱特征分析[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2015，24(5)：119-128.

[7]唐 僥，孫 睿. 基于氣象和遙感數(shù)據(jù)的河南省干旱特征分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2013，28(4)：646-655.

[8]史本林，朱新玉，胡云川，等. 基于SPEI指數(shù)的近53年河南省干旱時(shí)空變化特征[J]. 地理研究，2015，34(8)：1547-1558.

[9]劉 琳，徐宗學(xué). 西南地區(qū)旱澇特征及其趨勢預(yù)測[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2015，29(10)：1792-1801.