基于SPI指數(shù)的塔城市氣象干旱變化特征分析

侯文娟

（新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州昭蘇縣水利局，新疆 昭蘇 835600）

塔城市位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣的塔城盆地，屬溫帶大陸干旱氣候區(qū)。由于其獨(dú)特的地理位置和氣候環(huán)境，干旱已成為塔城市最常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。本文利用塔城市1984年～2016年的逐月降水資料計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI），對(duì)塔城市的氣象干旱指數(shù)的變化特征進(jìn)行分析，為地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、水利工程建設(shè)和水資源可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

塔城市SPI指數(shù)由降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得來(lái)，降水?dāng)?shù)據(jù)選用塔城氣象站1984年～2016年的逐月降水資料（數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)中心網(wǎng)，http：//data.cma.cn/）。文中季節(jié)劃分采用氣象學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行:3月～5月為春季，6月～8月為夏季，9月～11月為秋季，12月～次年2月為冬季。

1.2 研究方法

（1）SPI指數(shù)計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）是由美國(guó)學(xué)者M(jìn)ckee等1993年提出，用于監(jiān)測(cè)干旱情況[2]，可以定量化地表示對(duì)不同時(shí)段內(nèi)降水量的缺乏程度。具體計(jì)算過(guò)程如下[3]:

式中:c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

其中:F是與Γ分布函數(shù)相關(guān)的概率函數(shù):

通過(guò)上述過(guò)程求得SPI指數(shù)后，可按表1[3]劃分干旱等級(jí)。

表1 SPI指數(shù)干旱等級(jí)劃分

（2）Pettitt突變檢驗(yàn)法

Pettitt檢驗(yàn)法最先由Pettitt[4]用于檢驗(yàn)變異點(diǎn)，定義統(tǒng)計(jì)量Ut,N公式如下[5]:

式中:xt、xk分別為第t、k個(gè)時(shí)序樣本，sgn（·）為符號(hào)函數(shù)。

通過(guò)Ut序列的最大值定義統(tǒng)計(jì)量Kt表示最可能的突變點(diǎn):

通過(guò)建立檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量P判別突變點(diǎn)是否顯著:

如果P的計(jì)算結(jié)果P≤0.05，則認(rèn)為檢驗(yàn)出的突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的，否則，突變點(diǎn)不顯著。

2 結(jié)果分析

2.1 SPI指數(shù)年際變化特征

（1）干旱統(tǒng)計(jì)分析

采用式（1）對(duì)塔城市1984年～2016年的降水資料進(jìn)行計(jì)算，得到SPI-12指數(shù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，不同年代各干旱等級(jí)出現(xiàn)的頻率百分比見(jiàn)表2。

表2 塔城市不同年代各干旱等級(jí)出現(xiàn)的頻率 單位：%

由表2可以看出，近33年來(lái)塔城市的干旱情況正常和濕潤(rùn)居多，濕潤(rùn)情況逐漸增加，到2010年～2016年階段出現(xiàn)最多，說(shuō)明塔城市的氣象是向增濕發(fā)展的，這與邵進(jìn)等[6]的研究結(jié)論一致。輕微干旱和中等干旱情況在1984年～1989年和1990年～1999年出現(xiàn)的頻率相差不大，在2000年～2009年出現(xiàn)的頻率增加到最大，之后出現(xiàn)頻率降低至最低，說(shuō)明2000年～2009年發(fā)生中等及以下的干旱情況最多。中等以上的干旱情況（嚴(yán)重干旱和極端干旱）總體來(lái)說(shuō)發(fā)生次數(shù)較少，其中1984年～1989年和2010年～2016年無(wú)極端干旱情況出現(xiàn)，1990年～1999年發(fā)生極端干旱的次數(shù)最多。

（2）趨勢(shì)變化分析

基于SPI-12指數(shù)，得到了塔城市的SPI指數(shù)年際變化趨勢(shì)，結(jié)果見(jiàn)圖1。根據(jù)線性趨勢(shì)線（y=0.0083x-0.1423）可知，塔城市年尺度SPI指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，SPI趨勢(shì)線傾向率為0.083/10 a；根據(jù)R2=0.0422可知，相關(guān)系數(shù)，小于5%顯著水平下的臨界值0.344（通過(guò)查相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表獲得，自由度n-2=31），該增加趨勢(shì)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。表明塔城市1984年～2016年的SPI指數(shù)的增加趨勢(shì)不顯著，即有不顯著的向濕潤(rùn)發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 塔城市SPI指數(shù)年際變化

（3）突變分析

采用Pettitt突變檢驗(yàn)方法對(duì)年尺度的SPI指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和表3。通過(guò)Pettitt檢驗(yàn)圖可以看出年尺度SPI指數(shù)序列的最大值對(duì)應(yīng)為1994年，表明塔城市年尺度SPI指數(shù)在1994年發(fā)生突變。由表3可知，Pettitt統(tǒng)計(jì)量顯著性概率P的計(jì)算結(jié)果為P=0.904＞0.05，即表明檢驗(yàn)出的突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上不顯著。

圖2 塔城市年尺度SPI指數(shù)突變檢驗(yàn)

表3 年尺度SPI指數(shù)突變點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)

2.2 SPI指數(shù)季節(jié)變化特征

（1）干旱統(tǒng)計(jì)分析

塔城市不同季節(jié)的干旱情況出現(xiàn)頻率百分比見(jiàn)表4。由表4可知，春季大多呈現(xiàn)正常和濕潤(rùn)狀態(tài)，有較少輕微干旱和中等干旱情況，無(wú)嚴(yán)重干旱和極端干旱情況出現(xiàn)，表明塔城市發(fā)生春旱的情況較少。夏季的干旱情況與春季相比，濕潤(rùn)情況一致，正常情況減少，輕微干旱情況增多，中等干旱情況減少；說(shuō)明從春季到夏季，塔城市的部分正常情況向輕微干旱轉(zhuǎn)變。秋季和冬季的濕潤(rùn)情況、正常情況和中等干旱情況發(fā)生頻率一致，但秋季有頻率為3.03%的嚴(yán)重干旱事件發(fā)生，而冬季無(wú)嚴(yán)重干旱情況?？傮w看來(lái)，塔城市季節(jié)尺度的旱澇情況為濕潤(rùn)和正常情況居多，發(fā)生中等以上干旱情況較少，且僅有秋季發(fā)生了嚴(yán)重干旱現(xiàn)象。

表4 各干旱等級(jí)的季節(jié)分布

（2）趨勢(shì)分析

根據(jù)SPI-12指數(shù)計(jì)算得到了塔城市1984年～2016年的季尺度SPI指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖3。通過(guò)線性趨勢(shì)線可知，春季SPI指數(shù)以0.111/10 a的傾向率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2010年的出現(xiàn)最大值1.373；相關(guān)系數(shù)，小于0.05顯著性水平0.344，表明春季SPI指數(shù)的濕潤(rùn)傾向不顯著。夏季SPI指數(shù)以0.023/10 a的傾向率呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，其相關(guān)系數(shù)，小于0.05顯著性水平0.344，表明夏季SPI指數(shù)的干旱傾向也不顯著。秋季SPI指數(shù)以0.054/10 a的傾向率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其相關(guān)系數(shù)，小于0.05顯著性水平0.344，表明秋季SPI指數(shù)的濕潤(rùn)傾向不顯著。冬季SPI指數(shù)以0.189/10 a的傾向率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其相關(guān)系數(shù)，小于0.05顯著性水平0.344，表明冬季SPI指數(shù)的濕潤(rùn)傾向不顯著。

圖3 塔城市季尺度SPI指數(shù)的趨勢(shì)變化

（3）突變檢驗(yàn)

采用Pettitt突變檢驗(yàn)方法對(duì)季尺度的SPI指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4和表5。通過(guò)Pettitt檢驗(yàn)圖可以看出四季SPI指數(shù)序列的最大值分別對(duì)應(yīng)為2001年、1993年、1994年和1995年，表明四季SPI指數(shù)分別在2001年、1993年、1994年和1995年發(fā)生了突變。通過(guò)計(jì)算四季SPI指數(shù)的顯著性概率P可知，塔城市春夏秋冬四季SPI指數(shù)的突變顯著性概率分別為1.0298、0.8235、1.1813和0.226，均大于0.05顯著性水平，表明塔城市四季SPI指數(shù)的突變均不顯著。

圖4 塔城市季尺度SPI指數(shù)突變檢驗(yàn)

表5 季尺度SPI指數(shù)突變點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

（1）1984年～2016年塔城市氣象整體向增濕方向發(fā)展，1990年～1999年相對(duì)來(lái)說(shuō)是干旱情況發(fā)生較多的10年。從季節(jié)尺度上來(lái)看，整體上濕潤(rùn)情況和正常情況較多，四季中秋季相對(duì)較為干旱。

（2）塔城市年尺度SPI指數(shù)呈不顯著增加趨勢(shì)；季尺度SPI指數(shù)中，春季、秋季和冬季均呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢(shì)，夏季呈現(xiàn)不顯著的減小趨勢(shì)。

（3）年尺度上，塔城市SPI指數(shù)在1994年發(fā)生了不顯著的突變；季節(jié)尺度上，四季分別在2001年、1993年、1994年和1995年處發(fā)生了不顯著的突變；表明塔城市1984年～2016年的SPI指數(shù)未發(fā)生顯著的突變。