基于SPI的郑州市近60年旱涝特征分析

王志良，曹 蕾

(华北水利水电学院，河南郑州450011)

干旱指标可以反映水份供给的多少，因此可用来表示区域气候的干湿变化以及水资源量的变化趋势.目前已有的干旱指标各有优缺点，如降水距平百分率计算简单，应用广泛;帕默尔旱情指数考虑因子全面，被各国应用多年，但时间相对滞后，计算复杂.Z指数在我国应用较多，袁文平等［1］比较了Z指数和标准化降水指数(Standardized Precipitation Index，SPI)，认为SPI优于Z指数，能较好地预测旱涝灾害.使用SPI进行分析，资料易得，计算简单，可以较好地反映干旱强度和持续时间，具有相同的干旱等级标准，可进行多时间尺度的旱涝等级对比分析，而且在不同地区和不同时段均具有良好的稳定性，因而被广泛应用［2］.

郑州市位于河南省中部偏北，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原.郑州地区属暖温带大陆性气候，四季分明.随着全球气候变暖，近年来郑州市的强降雨、旱涝急转等事件不断增多，预计今后这种较大旱涝情形的出现将更加频繁.1999年冶林茂等［3］利用近50年的降水数据分析了厄尔尼诺事件对郑州年降水量的影响.2007年焦建丽和康雯瑛［4］运用奇异谱分析方法对郑州市近56年来的年降水资料进行了分析.笔者应用SPI对郑州市的旱涝特征进行分析，研究了郑州市旱涝特征的变化规律，对城市防洪、工程设计与维护、避灾减灾具有一定的参考价值.

1 SPI的计算原理与等级划分

McKee等［5］为了监测气候干旱的变化情况，提出了标准化的降雨指数(SPI)，可以用来确定有降雨量记录的任何地区特定时间尺度的降雨异常事件.在降水分析中，采用伽马函数拟合降雨时间序列，然后再经标准化处理求得SPI.具体原理及计算方法如下.

假设某一时段的降水量为x，则其伽马分布的概率密度函数为:

式中:Γ(α)为伽马函数;α为形状参数，α ＞0;β为尺度参数，β＞0;x为降水量，x＞0.

α，β可以采用最大似然估计法估算:

式中n为计算系列的长度.于是给定时间尺度的累积概率为

令t=x/β，上式可变为不完全的伽马函数，

由于伽马方程不包含x=0的情况，而实际的降水量x可以为0，所以累计概率可以表示为

式中q为降水为0的概率.如果m表示时间系列中降水量为0的数量，则q=m/n.累积概率H(x)可以通过下式转换为标准正态分布函数:d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308.

计算过程在MATLAB软件中编程实现.参照国家气候中心的划分标准［6］划分旱涝等级，见表1.

表1 标准化降水指数干旱等级划分

2 实例分析

以郑州市1951—2010年月降水资料(来源于中国气象科学数据共享服务网)进行分析，得到郑州市1951—2010年时间尺度分别为 1，6，12，24 个月的SPI变化过程曲线，其中时间尺度为6，12，24个月的变化曲线经过了简单平滑处理，如图1所示.

图1 郑州市1951—2010年多时间尺度SPI过程线

从图1可以看出，郑州市在1960年1月至1965年12月出现了干旱指数的剧烈波动，在6 a内经历了特旱到特湿再到特旱的变化过程，即这一时段内郑州市旱涝变化明显.这一点可以从同期降水量的变化得到解释.图2为郑州市1960年1月至1965年12月的月降水量过程线，1960年和1965年降水明显偏少，而1962—1964年的降水明显偏大，以致于形成了短时期内气候的干湿急剧变化.

另外从图2可以看出，郑州市旱涝特征的具体表现为:①总体上干旱占主导，而且多为持续性干旱，如1988—2003年连续多年一直持续小旱;②旱涝急剧交替变化显示周期性特征，1958—1965年、1982—1988年为急剧变化期，2005至今也处于一个急剧变化期，近年内有较大旱涝灾害的可能性较大.

图2 郑州市1960年1月至1965年12月的月降水量过程线

3 结语

不同时间尺度的标准化降水指数可较好地反映郑州市干旱洪涝的发展演变状况和趋势.分析结果有助于全面了解郑州市旱涝变化规律，为旱涝监测、预警和防灾减灾工程建设提供依据，也为应对气候变化、制定抗旱抗涝减灾作物布局和技术措施提供理论依据.

另一方面，在计算过程中认为降水量服从伽马分布的假设，在不同的地域上还要进行检验，必要时可提出更好的概率分布用于计算.这里对郑州市进行分析只是得到了郑州市旱涝变化的一些规律，如需分析包含多个站点的更大区域，在分析单站之后还需结合地理信息系统相关知识进行空间关联分析.

［1］袁文平，周广胜.标准化降水指标与Z指数在我国应用的对比分析［J］.植物生态学报，2004，28(4):523－529.

［2］李春强，姚树然，董占强，等.基于标准化降水指数(SPI)的河北省旱涝分析［C］.2008年全国农业气象学术年会，2008.

［3］冶林茂，李朝兴，乔春贵.厄尔尼诺事件对郑州年降水量的影响［J］.河南气象，1999(4):12.

［4］焦建丽，康雯瑛.郑州市年降水的奇异谱分析［J］.气象与环境科学，2007(4):54－56.

［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］国家气候中心，中国气象科学研究院，国家气象中心，等.GB/T 20481—2006气象干旱等级［S］.北京:中国标准出版社，2006.