甘肃省近48年春旱时空变化趋势分析

马建琴，韩 曦

(华北水利水电学院，河南郑州450045)

随着近年来全球气候变暖，干旱事件已成为各国政府及科学界关注的全球环境变化的焦点之一［1］.中国西北地区干旱、半干旱面积约占国土面积的47%，是我国受干旱影响较重的区域.甘肃省地处西北内陆地区，是气候变化敏感和生态环境脆弱区，由于当地农作物灌溉方式主要为雨养，农业生产对降水量的变化响应最为敏感.春旱是指3—5月期间出现的气象灾害，此时正值甘肃冬小麦拔节、春小麦和大秋作物播种的农业生产关键时期，对水分的要求极高［2］.所以研究甘肃省春季干旱变化特征对防灾减灾、粮食安全、农业可持续发展有着重要的意义.

近年来我国学者对甘肃省干旱进行了多角度的研究，王燕等［3］利用EOF方法对甘肃省近37年的逐月降水数据进行了分析，指出甘肃省干旱区降水具有少且不稳定的特点.在EOF方法的基础上，韩晖等［4］结合降水距平百分率等指标对甘肃省降水结构特征进行了分析，认为甘肃省区域降水不具有统一特征.尹宪志等［5］利用甘肃省近50年的旱灾统计资料，分析了旱灾的特征并提出了旱灾应对措施.但是现有研究多集中在甘肃省降水量空间分布规律及旱灾统计规律分析上，对季节性干旱特别是春季干旱的时空规律特征和周期特征研究不足.

标准化降水指数(Standard Precipitation Index，SPI)是表征某时段降水量出现概率的指标之一.由于其计算简便、时间尺度灵活，因而更能适用于季节性干旱的监测与评估.目前常用的气候序列趋势变化分析方法以参数趋势检验法为主.此方法要求样本遵从一定分布，且常受异常值的干扰，而降水序列通常不遵从特定的分布且波动较大，因此并不适用于降水序列的趋势变化分析.Mann-Kendall非参数趋势检验法(简称M-K法)克服了参数趋势检验法的缺点，适用于降水趋势变化研究［6］.小波函数可以将时间序列分解成为时间和频率，从而获取复杂时间序列的周期规律，还可分辨时间序列在不同时间尺度上的演变特征.

因此，笔者采用Mann-Kendall非参数趋势检验法和小波分析法对甘肃省春季SPI的时空趋势变化和周期特征进行分析，旨在为当地农业的健康发展提供理论参考.

1 研究资料

甘肃省地处青藏、黄土高原和内蒙古三大高原交汇地带，处于我国气候自东南多雨带向西北内陆少雨带逐渐过渡的地带，降雨稀少，水资源匮乏，气候变化格局复杂，导致气象灾害频发［5］.近年来，甘肃省春季干旱频发，对农业生产和社会经济产生了巨大的影响.2007年甘肃陇东、陇南东部和甘南地区出现了严重的春旱，受灾面积达30万hm2，导致直接经济损失5 600万元.2009年甘肃爆发大面积春旱，全省农业受旱面积1 500万hm2，其中重旱面积600万hm2.

这里采用中国气象科学数据信息共享网提供的甘肃省境内30个气象站点1962—2010年的春季降水数据，进行变化特征和周期特征分析.甘肃省内气象站点的分布如图1所示.

图1 甘肃省内气象站点分布

2 研究方法

2.1 标准化降水指数法

由于降水量一般呈偏态分布，所以在干旱监测和评估中，需对研究区域内30个气象站1962—2010年共48 a的春季降水数据进行变换处理.首先计算出时段内降水量的Γ分布概率，再进行正态标准化处理，最终用标准化降水累计频率分布来划分干旱等级［7－8］.

假设某时段降水量为随机变量x，则其Γ分布的概率密度函数为

式中β，γ分别为尺度和形状参数，β＞0，γ＞0.实际计算中，β和γ可由极大似然估计法求得，即

确定概率密度函数中的参数后，可求出随机变量x小于某一年降水量x0的概率，即

对Γ分布概率进行正态标准化处理，即将由式(1)—(2)计算的结果代入标准化正态分布函数式(3)求得Z值.Z值即为SPI值.

实际计算中，可按式(4)来计算Z值.

式中:当F ＞ 0.5时，S=1;当 F ≤0.5时，

2.2 Mann-Kendall非参数趋势检验法

Mann-Kendall非参数统计检验方法不要求变量服从正态分布，也不受样本异常值的干扰，在气候变量趋势检验中得到了广泛应用.

设x1，x2，…，xn为降水时间序列变量，n为时间序列长度，则有［9］:

式中:xj，xk分别为第j年和第k年的降水测量值，且k＞j;Var(s)为s的方差;z为正态分布统计量，若z≥1.64，表示通过信度为95% 的显著性趋势检验，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势.

变化趋势的大小用β表示，

式中Median为取中位数.β＞0表示上升趋势，β＜0则表示下降趋势.

2.3 小波分析法

小波分析具有时频多分辨率功能，局部分析性能优越，可以展现时间序列的精细结构，从而可以对不同时间尺度上的变化情况进行分析，更准确地确定干旱的变化周期［8］.小波方差反映波动随尺度的分布，可以用来确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度［9］.

已有研究表明［7，9］，小波分析实部的变化趋势与降雨的起伏是一致的，能反映时间序列的时频局部变化特征和任意时刻各周期所在时间的位置.因此这里采用复值morlet小波进行周期分析，其表达式为

3 春季SPI时间变化特征分析

采用M-K法、小波分析法对甘肃省春季干旱的时间变化特征(包括趋势、频率、周期)进行研究.

3.1 春季干旱趋势

计算甘肃省1962—2010年的春季SPI值，结果如图2所示.在研究时段内，甘肃省春季SPI值的变率β为－0.116/10 a，呈现下降趋势，说明甘肃省春季干旱趋势加快.标准化降水指数的正态分布统计量z值为3.14，通过了95%的显著性检验，表明甘肃春季干旱加快趋势明显.

图2 甘肃省春季各年SPI值

3.2 春季干旱频率

对春季干旱频率进行统计分析发现，甘肃省春季干旱发生频率较高，约为41%，其中发生中旱以上的频率约为20%，发生重旱以上的频率约为3.6%.图2中画圈部分显示，中等及中等以上干旱多集中于1980s初期和2000s后期.

3.3 春季干旱周期

对甘肃省春季SPI值进行分析，研究其周期规律特征，分析结果如图3—4所示.由图3可知，在13 a的时间尺度上，甘肃春季SPI周期变化比较明显，经历着一减一增的交替循环，且随着年际变化振荡幅度愈加强烈;2010年春季SPI等值线仍未闭合，预计在未来的一段时间内春季干旱还会呈现加剧趋势.由图4可知，甘肃省春季SPI小波方差在13 a的时间尺度上均出现峰值，则甘肃省春季SPI以13 a为主周期.

4 春季SPI空间变化特征分析

利用M-K趋势分析法计算得到的各站点春季SPI的β值.将甘肃省地图数字化，并将β值导入ArcGIS软件中进行插值计算，得到甘肃省春季SPI趋势分布，如图5所示.

图5 甘肃省春季SPI趋势分布

由图5可见，陇东、陇南、甘南高原所在的河东地区多年春季SPI值均呈现降低趋势，说明该地区春旱趋势加速;祁连山地、河西走廊沿线所在的河西地区多年春季SPI值呈现微弱上升趋势，说明该地区春旱趋势减缓.总体来看，全省春旱趋势在空间上的分布特征是:自西北地区向东南地区，春旱趋势逐步加速;陇南地区春季SPI以平均0.189/10 a的速度下降，春旱加速趋势最为明显;海拔较高的祁连山地和河西走廊西南部春季SPI分别以0.152/10 a，0.700/10 a的速度上升，春旱趋势暂时放缓.

5 结语

针对甘肃春旱频发，而以往对春旱趋势特征研究不足的情况，以甘肃省春季降雨为研究对象，利用该地区30个气象站1962—2010年的春季降水资料，基于标准化降水指数，采用Mann-Kendall非参数趋势检验法和小波分析等方法对甘肃省春季SPI的时空变化特征和周期特征进行了研究.结果显示:甘肃省春季SPI以－1.16/10 a速度下降，春季干旱趋势加快;甘肃省春季干旱发生频率为41%，中旱以上发生频率约为20%，重旱以上发生频率约为3.6%;春季SPI以13 a为主周期变化;全省春旱呈现自西北地区向东南地区加速的趋势，其中以陇南地区春旱加速趋势最为明显;河东地区春旱趋势加速，河西地区春旱趋势减缓.

河东地区是旱作农业区，农作物所需的水分主要依靠自然降水，是春旱对农业生产影响最严重的区域.鉴于河东地区春旱趋势加速，河西地区春旱趋势减缓的情况，建议河东地区，特别是甘南东南、陇东西北及陇南地区加强干旱监测，合理安排农业生产结构调整.

该研究成果可为当地春旱的发生和发展趋势提供预测，为防旱抗旱减灾决策以及生态环境的健康发展等提供理论支持和决策依据.

［1］ Milly P C D，Wetherald R T，Dunne K A，et al.Increasing risk of great floods in a changing climate［J］.Nature，2002，415:514 －517.

［2］林婧婧，申恩青，刘德祥，等.甘肃省58 a春末夏初旱变化特征及其对夏粮的影响［J］.干旱气象，2012，30(1):77－80.

［3］王燕，王润元，王毅荣，等.近37年甘肃省降水特征分析［J］.干旱区资源与环境，2009，23(4):94 －99.

［4］韩晖，孟丽霞.甘肃省近46年降水结构空间变化分析［J］.干旱气象，2010，28(1):30 －33.

［5］尹宪志，邓振镛，徐启运，等.甘肃省近50年干旱灾情研究［J］.干旱研究，2005，22(1):120 －124.

［6］闫桂霞，陆桂华，吴志勇.塔里木河流域降水特性时空分析［J］.水电能源科学，2009，27(2):1 －4.

［7］黄晚华，杨晓光，李茂松，等.基于标准化降水指数的中国南方季节性干旱近58 a演变特征［J］.农业工程学报，2010，26(7):50 －59.

［8］国家气候中心.GB/T20481—2006气象干旱等级［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［9］康淑媛，张勃，柳景峰，等.基于Mann-Kendall法的张掖市降水量时空分布规律分析［J］.资源科学，2009，31(3):501－508.