基于SPI指數(shù)對天柱縣近52年的旱澇特征分析

田孟勤 張杰 羅陽 沈揚迪 吳有恒

摘要：基于1961年～2012年天柱縣的逐月降水資料，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI分析了天柱縣近52年來的旱澇變化狀況。研究結(jié)果表明：天柱縣近52年干濕變化的主要特點從特旱到特澇再到特旱，這種極端的旱澇轉(zhuǎn)換共經(jīng)歷了4次，基本上每年內(nèi)都有不同程度的季節(jié)性干旱和濕潤，年均干旱月數(shù)為3.5個月，年均濕潤月數(shù)為4.0個月;干旱期主要集中在20世紀(jì)60年代前期（1961年～1963年），20世紀(jì)80年代，20世紀(jì)90年代后期（1995年～1999年）以及21世紀(jì)初，濕潤期主要集中在20世紀(jì)60年代中期（1964年～1967年），20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)90年代前期（1991年～1994年）;干濕變化具有階段性特征，20世紀(jì)60～70年代相對較為濕潤，20世紀(jì)80年代全縣向干旱方向發(fā)展，20世紀(jì)90年代全縣持續(xù)濕潤，進入到21世紀(jì)后，全縣由極端濕潤向極端干旱發(fā)展。政府部門根據(jù)旱澇特征，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，因地制宜、旱澇兼治、興修水利，以降低旱澇災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來的不利影響。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù);旱澇;天柱縣

中圖分類號： P462 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.14.073

干旱作為常見的氣象災(zāi)害之一，具有持續(xù)時間長，影響范圍廣等特點，而干旱的成因極其復(fù)雜，所以學(xué)術(shù)界還未能對干旱進行全面精確的定義。目前，世界氣象組織承認(rèn)的幾種干旱類型中就包括氣象干旱，而氣象干旱也是我國當(dāng)前面臨的主要氣象災(zāi)害。2013年政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，以下簡稱IPCC）發(fā)布了第五次氣候變化評估報告（the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱AR5）[1]，IPCC在報告中指出：過去1400年來全球氣候變暖，氣溫將不斷升高，干旱風(fēng)險持續(xù)增加。旱澇指標(biāo)可以反映一個地區(qū)的降水情況，因此，可用來分析區(qū)域氣候的干濕變化以及水資源的變化趨勢。目前，被廣泛使用的干旱指標(biāo)有很多，比如帕默爾指數(shù)，降水距平百分率，Z指數(shù)和SPI指數(shù)。侯英雨[2]在對干旱指數(shù)進行研究后發(fā)現(xiàn)：帕默爾指數(shù)考慮因子全面，但時間相對滯后，計算復(fù)雜。袁文平[3]等比較了Z指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，以下簡稱SPI）后認(rèn)為，SPI指數(shù)能夠較好地反映和預(yù)測旱澇災(zāi)害。徐德智[4]應(yīng)用SPI指數(shù)對黔東南州干旱特征進行分析，發(fā)現(xiàn)其能有效地反映黔東南州各時段的旱澇情況。

天柱縣位于黔東南州東部，年均降水量1220mm左右，多年平均氣溫16℃左右，為亞熱帶季風(fēng)氣候，其境內(nèi)多低山丘陵，山高坡陡，并受水土流失的影響，全縣森林覆蓋率不高。近年來，隨著全球氣候持續(xù)變暖，氣溫不斷增加，天柱縣大范圍干旱、旱澇急轉(zhuǎn)等事件日益加劇。因此，運用SPI指數(shù)對天柱縣近52年來的旱澇特征進行分析，研究旱澇特征的變化規(guī)律，不僅能夠為防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)，更可以為政府提前應(yīng)對全球氣候變化服務(wù)。

1 資料和方法

本研究采用了黔東南州天柱縣1961年～2012年的氣象觀測資料，主要選取月累計降水資料，對所缺數(shù)據(jù)進行了氣象標(biāo)準(zhǔn)化處理。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI[5]由McKEE等在1993年提出，多運用于研究某個地區(qū)在有降水記錄的背景下，特定時間尺度上的降雨異常事件。其原理為采用伽馬函數(shù)對降水時間序列進行擬合，然后，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理求得SPI。該指標(biāo)適合于月以上尺度資料，考慮到降水為造成農(nóng)業(yè)干旱的主要影響因素，本文著重分析SPI指數(shù)的時間尺度確定為3個月，具體原理及計算方法如下：

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式中：x為累計降水量，■為伽馬函數(shù);α為形狀函數(shù)，α>0;β為尺度參數(shù)，β>0;x為降水量，x>0。

對α，β采用最大概似估計（Maximum Likelihood）進行計算：

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式中：n為計算系列的長度。于是，給定時間尺度的累計概率為：

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令t=x/β，上面公式則轉(zhuǎn)換為不完全的歐拉第二積分：

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由于伽馬方程不包含x=0的情況，而在日常觀測中，降水量是可以為0的，所以累計概率可表示為：

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式中，q為降水為0的概率。如果m表示時間系列中降水為0的數(shù)量，則q=m/n。累計概率H（x）可以采用下列公式變化為標(biāo)準(zhǔn)正太分布函數(shù)：

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C0=2.515517，C1=0.802853，C2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

SPI的計算過程運用fortran軟件編程實現(xiàn)，SPI劃分標(biāo)準(zhǔn)[6]見表1。

表1 ?SPI干旱等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 各年度干濕特征分析

利用1961年～2012年3個月時間尺度的SPI指數(shù)，對天柱縣的干濕特征進行分析，圖1為1961年～2012年天柱縣的逐月SPI時間序列變化曲線，對圖1進行分析可以得出：天柱縣近52年來旱澇特征的轉(zhuǎn)換較大，主要特點從特旱到特澇再到特旱，這種極端的旱澇轉(zhuǎn)換一共經(jīng)歷了4次，分別為1962年～1965年、1972年～1975年、1988年～1992年和2007年～2011年。這種極端的旱澇急轉(zhuǎn)，由于變化快，急轉(zhuǎn)過程中前期的干旱容易使人產(chǎn)生錯覺，放松防災(zāi)減災(zāi)的警惕思想，再加上天柱縣境內(nèi)多低山丘陵、山高坡陡、水土流失嚴(yán)重、森林覆蓋率低，若集中強降水發(fā)生后，容易造成山洪、滑坡、泥石流，對人的生命和生產(chǎn)建設(shè)安全構(gòu)成重大的威脅。

天柱縣的干旱期主要集中在20世紀(jì)60年代前期（1961年～1963年），20世紀(jì)80年代，20世紀(jì)90年代后期（1995年～1999年）以及21世紀(jì)初，嚴(yán)重的干旱對天柱縣農(nóng)業(yè)、工業(yè)、社會生產(chǎn)和居民生活造成了嚴(yán)重的影響，其他年代也偶爾有干旱年份出現(xiàn)，例如，70年代的1974年冬旱、1978年的春夏連旱，20世紀(jì)90年代的1992年的秋旱和1994年的冬旱。持續(xù)干旱時間較重的時段有：1963年3月～8月，1985年6月～9月，1988年4～8月，2007年9月～12月和2009年10月～2012年3月。

天柱縣的濕潤期主要集中在20世紀(jì)60年代中期（1964年～1967年），20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)90年代前期（1991年～1994年）。持續(xù)濕潤較重的時間段有：1964年1～5月，1972年10月～1973年1月，1982年9月～1983年2月以及1991年1月～3月。

2.2 干濕月數(shù)及頻率變化特征

圖2是1961～2012年不同等級干旱時間變化序列圖，圖3為1961年～2012年不同等級濕潤時間變化序列圖。對圖2進行分析，可以得知：天柱縣52a來的年均干旱月數(shù)為3.5個月/年，其中，輕旱月占比最重，為1.4個月/年，中旱月占比最輕，為0.3個月/年，而重旱月為1.2個月/年，特旱月數(shù)為0.6個月/年。對圖3進行分析，可以得知：天柱縣52年來的年均濕潤月數(shù)為4.0個月/年，其中，輕濕占比最多，為2.3個月/年，中濕占比最少，為0.2個月/年，而重濕為1.0個月/年，特濕0.5個月/年。

根據(jù)定義將SPI<-0.5記為干旱，而將SPI>0.5記為濕潤，為了進一步對干濕發(fā)生頻率進行分析，對天柱縣逐月干濕發(fā)生次數(shù)分別進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2得知，天柱縣干濕月的發(fā)生頻率比較接近，干旱頻率在25%（13/52）～33%（17/52）之間，濕潤頻率在28%（15/52）～36%（19/52）之間。52年間，2月、5月、9月、10月和12月的干旱濕潤發(fā)生頻率之間相差超過3個月，其他各月干旱濕潤發(fā)生頻率基本相同，但是各年代際間的月、季干旱濕潤發(fā)生頻率區(qū)別較大。52年來各年代干濕發(fā)生的頻率比分別為27%/32%（20世紀(jì)60年代），23%/37%（20世紀(jì)70年代），34%/32%（20世紀(jì)80年代），26%/40%（20世紀(jì)90年代），36%/29%（2001年～2012年）。說明2001年～2012年天柱縣干旱比較嚴(yán)重，1980年代干旱比較輕，而其他年代相對濕潤。

3 結(jié)論與討論

本文采用天柱縣1962年～2012年逐月降水資料，將標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）作為旱澇指標(biāo)對天柱縣52年來旱澇特征進行分析，結(jié)論為：天柱縣近52年干濕變化的主要特點從特旱到特澇再到特旱，這種極端的旱澇轉(zhuǎn)換一共經(jīng)歷了4次，基本上每年內(nèi)都有不同程度的季節(jié)性干旱和濕潤，年均干旱月數(shù)為3.5個月，年均濕潤月數(shù)為4.0個月;干旱期主要集中在20世紀(jì)60年代前期（1961年～1963年），20世紀(jì)80年代，20世紀(jì)90年代后期（1995年～1999年）以及21世紀(jì)初，濕潤期主要集中在20世紀(jì)60年代中期（1964年～1967年），20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)90年代前期（1991年～1994年）;干濕變化具有階段性特征，20世紀(jì)60年代、70年代相對較為濕潤，20世紀(jì)80年代全縣向干旱方向發(fā)展，20世紀(jì)90年代全縣持續(xù)濕潤，進入到21世紀(jì)后，全縣由極端濕潤向極端干旱發(fā)展。因此，政府部門根據(jù)分析的旱澇特征，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，因地制宜、旱澇兼治、興修水利以減輕旱澇災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活帶來的不利影響。

參考文獻

[1]ALEXANDER L， ALLEN S， Bindoff NL， et al.Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report Climate Change 2013： The Physical Science Basis Summary for Policymakers，2013，Sweden.

[2]侯英雨，何延波，柳欽火，等.干旱監(jiān)測指數(shù)研究[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26（06）：892-897.

[3]袁文平，周廣勝.標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)與Z指數(shù)在我國應(yīng)用的對比分析[J].植物生態(tài)學(xué)報，2004，28（04）：523-529.

[4]徐德智，張杰，楊帆，羅嵐心.基于SPI的黔東南州近52 年的干旱特征分析[J].貴州氣象，2015，39（01）：9-13.

[5]Edwards D C，McKee T B.Characteristics of 20th Century Drought in the United States at Multiple Time Scales[R].Fort Colling： Department of Atmospheric Science Colorado State University，1997.

[6]國家氣候中心，中國氣象科學(xué)研究院，國家氣象中心，等.GB/T 20481-2006氣象干旱等級[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

作者簡介：田孟勤，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：應(yīng)用氣象研究。