基于SPEI的广西干旱时空变化特征分析

张景扬，卢 远，李嘉力，华 璀

(1.广西师范学院 地理科学与规划学院，广西 南宁 530001；2.广西师范学院 国土与测绘学院，广西 南宁 530001)



基于SPEI的广西干旱时空变化特征分析

张景扬1，卢 远1，李嘉力1，华 璀2*

(1.广西师范学院 地理科学与规划学院，广西 南宁 530001；2.广西师范学院 国土与测绘学院，广西 南宁 530001)

以标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)作为干旱的评价指标，通过对1961-2013年广西地区87个气象站逐月降水量和平均气温的计算，得出各个站点不同尺度SPEI值，根据不同尺度SPEI值的变化规律、各个季节发生频率、空间分布、周期及变化趋势，分析广西干旱的时空变化特征。结果表明，受季风环流和地形分布影响，广西夏季发生干旱的概率较小，冬季普遍发生干旱，而春季和秋季干旱空间分布格局显著，桂西北地区和北部湾地区形成春季干旱格局，桂东北形成秋季干旱格局，且秋旱发生严重旱情的几率比春旱大。春旱区存在3 a、7 a和13 a的周期变化，秋旱区存在2 a、4 a、7 a和17 a的周期变化，且均在21世纪进入干旱周期。

干旱；标准化降水蒸散指数(SPEI)；广西；时空变化

广西地处低纬度地区，属亚热带季风气候区。受季风气候的影响，全区大部地区气候温暖，热量丰富，雨水丰沛，干湿分明。但由于广西西北部紧靠云贵高原，东边为两广丘陵，南部面朝北部湾，四周多山地与高原，导致水汽来源不断受阻。此外，广西岩溶分布面积广，在西部、中部和东北部的33个县市均有分布[1]，岩溶地区由于成土母岩大部分是石灰岩，土壤结构松散、保水能力差且多属降水偏少区域，旱情一般较为严重。因受季风和地形地貌的共同影响，广西降雨量的时空分布很不均匀，使得广西旱情也呈现相似的时空规律。李耀先等[2]利用降水距平值作为干旱评价指标，分析了广西干旱时空变化规律，得出了桂西的春秋旱最严重，桂中的夏冬旱最为严重。李艳兰等[3]采用气温、降水量、逐日干旱指数和广西干旱受灾面积等资料，分析了广西气温、降水量和干旱的变化特征以及气候变化对干旱灾害的影响，认为广西干旱存在年际、年代际变化且呈上升趋势，特别是秋旱更为突出。张凌云等[4]利用广西长时间序列逐日降水量资料，应用降水平均等待时间(AWTP)指数分析了广西农业干旱的时空分布特征，认为空间分布为全区一致型，秋、冬季干旱频数较其他季节高。

根据统计，目前，人们所应用的干旱指数多达55种，但并没有一种干旱指标能适用于所有情况[5]。常用的干旱指数包括气象干旱复合指数指数(CI)、降水平均等待时间(AWTP)、帕默尔干旱指数(PDSI)、Z指数、降水距平百分比以及标准化降水指数(SPI)等。CI指数考虑因子较为全面，能够及时监测干旱的发生和发展，但对旱情的表现发展过快，以及对降水比较敏感，容易造成连续性干旱中断[6]。AWTP能够反映干旱周期时长及其在整个时间序列中的分布情况，它能较好的体现干期的长短，可用于分析干旱的趋势，但却不能用于定性的描述降水量多少或判断旱涝[7]。PDSI考虑因子较全面，综合了降水和蒸散对干旱的影响，能够很好地反映中长期干旱。但PDSI也有其局限性，如主要适用于干旱、半干旱地区，对湿润区的适用性较差。Z指数对湿润区的干湿事件的反映较好，对干旱区的适用性较差[8]。降水距平值仅考虑降水分布对干旱形成的影响，且对平均值的依赖性较大，在降水空间分布不均匀的地区适应性较差。SPI对不同时间尺度的降水异常反映较好，能够较好地评价旱涝状况，但SPI指数的主要缺点是在计算过程中仅参考了降水量这一个因子，而温度、蒸发等其它因素对干旱的影响没有考虑[9]。

标准化降水蒸散指数(SPEI)是由Vicente Serrano[10]在2009年提出的用于干旱过程的监测与分析的计量指标。SPEI指数既保留了SPI指数的多尺度特征，又在SPI的基础上加入了温度因子来计算干旱程度，是监测干旱及研究增温影响干旱化过程较为理想的工具。中国不少学者利用SPEI研究了南方干旱的变化特征，如熊光洁等[11]以SPEI指数为评价指标分析了中国西南地区在1961～2012年的干旱变化特征，发现西南地区干旱化趋于严重，与运用其它指数所得结果一致。李伟光等[12]用SPEI指数分析了华南地区近50年来的干旱趋势、干旱空间分布、极端干旱事件发生频次和持续时长，发现该地区普遍存在旱情，且最近10年中2010年旱情最为严重，较好地体现了气候变暖导致的干旱化趋势。

笔者以SPEI指数作为干旱等级划分指标，对广西近50年的干旱时空变化特征进行分析，为干旱监测、预警找到可靠指标，为防旱、抗旱工作提供指导，减轻干旱对生产生活造成的影响。

1 数据资料与研究方法

1.1 数据资料

本文以资料序列连续且不少于40 a为原则，选取了1961～2013年广西87个气象站点的气温及降水等气象要素的实测资料。由于建站年份不同且建站初期缺测值较多，对个别台站的缺测数据采用均值替换法进行了插补处理，补充了缺失的数据。

厄尔尼诺指数(Oceanic Nino Index，ONI)是监测、评估及预测厄尔尼诺现象和拉尼娜现象的理论指标，定义为Nino3.4海域海水温度偏离平均值的异动值。本文所用ONI指数资料来自美国国家海洋和大气管理局。

1.2 研究方法

1.2.1 标准化降水蒸发指数

标准化降水蒸发指数(SPEI)是在SPI和PDSI的基础上计算的，计算SPEI首先要根据Thornthwait方法计算潜在蒸发量(PET)，再计算降水和潜在蒸发量(PET)的差值，以这个差值作为输入因子计算干旱指数[13]，详细的计算步骤如下：

第一步，计算潜在蒸发量，计算公式为：

EPET=16K(10T/I)m

(1)

式中：K为根据纬度计算的修正系数；T为月平均气温；I为累加值；m为以I为基础的系数。

第二步，计算当月降水值与潜在蒸发量的差值，该差值可以说明当月的水分盈余和亏缺状况，公式为：

Di=Pi-EPETi

(2)

式中：Di为降水与蒸散的差值，Pi为月降水量，EPETi为月蒸散量。

第三步，正态化处理；由于降水量的分布本身是一种偏态分布，不是正态分布，因此要对Di数据序列进行正态化处理。

用x代表当月差值，计算其于Log-logistic分布的概率密度函数为：

(3)

其中:

(4)

(5)

γ=ω0-αΓ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(6)

式中：α、β、γ分别为形状、尺度、原点参数；Γ(β)为β的Gamma分布；ω0、ω1、ω2均为参数，为原始数据序列Di的概率加权矩。

根据Log-logistic分布得到Di的概率分布函数为：

(7)

对式(7)近似求解即可得：

(8)

其中：

(9)

式中：F为超过一个定值D的概率，当F>0.5时，F=F(x)，当F≤0.5时，F=1-F(X)；C0=2.515 517；c1=0.802 853；c2=0.010 328；d1=1.432 788；d2=0.189 269；d3=0.001 388。

SPEI具有多种时间尺度(1、3、6、12个月等)，不同尺度的SPEI可以实现对不同类型干旱的监测评估。SPEI-1对短时间内的干旱变化情况比较敏感，可反映短期干旱的变化情况；SPEI-3和SPEI-6可体现出干湿季变化规律；SPEI-12的则适合分析长期的干旱趋势变化特征[14]。本文分别利用3个月和12个月尺度的SPEI进行计算研究，四季的划分采用传统的季节划分方法，即：3至5月为春季，6至8月为夏季，9至11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

根据SPEI值的大小可以指示不同级别的干旱，相关的SPEI分级标准[11]见表1。

表1 SEPI干旱等级划分

1.2.2 干旱频率

干旱频率可以在一定程度上衡量这一地区发生干旱的几率，干旱频率越大，则代表该地区越容易发生干旱，计算公式如下：

(10)

式中：n为SPEI值小于0的个数，N为SPEI序列长度。

1.2.3 集合经验模态分解

本文采用集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)[15]分析SPEI序列在时间尺度上的周期变化。针对经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)方法的不足，EEMD算法在原始数据序列中加入了强度很低的白噪声，这样的求均值处理既消除了信号本身可能存在的噪声影像，又避免了EMD存在的尺度混合的问题。EEMD在原始数据序列中加入了强度很低的白噪声，再将序列分解成有限个不同时间尺度的本征模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)及残差。分解出来的每个IMF则代表了原始数据序列所包含的在不同时间尺度上的波动情况，IMF分量按顺序一次表示震荡周期由小到大，体现原始序列的局部化特性。而残差也是趋势项，表示了原始数据序列总体上随时间变化的趋势。

2 结果与分析

2.1 广西干旱频率空间格局

利用3个月尺度的SPEI值求出各个站点在4个季节的干旱频率，并利用ARCGIS 10.1软件进行空间插值，结果如下(图1)。

广西春季干旱呈现西高东低的分布规律，春旱发生频率最大值在桂西北和桂南地区，其中凌云县、那坡县、德保县以及东兴市干旱频率值最高，均达100%，也就是说该站点近50年所有春季SPEI数据都显示该区域为干旱。而桂东北地区干旱频率则在20%以下。

到了夏季雨水增多，各个监测站点的干旱频率均有所下降，全广西发生干旱的概率都不算高，比春季要低很多，干旱频率最小的站点在灵川县，其干旱频率为0，也就是该站点近50 a所有夏季SPEI值均显示为不干旱，干旱频率最大的站点在涠洲岛，其发生干旱的频率为63%。

进入秋季之后，桂西北和桂南的干旱频率相对较低，而桂东北的干旱频率相对于夏季却大幅度升高，总体上和春季的全广西干旱频率格局呈现相反的态势。干旱频率最高的站点在全州县，其频率为94%，频率最低的站点在东兴市，其干旱频率为0。

进入冬季之后，桂东北的干旱频率依然处于较高水平，且干旱开始向全广西蔓延，全广西的干旱频率跟秋季相比都大幅升高，最高值为96%，最低值也达到了54%。

综合4个季节的全广西干旱频率可以看出，在夏季全广西发生干旱的概率都很小，大部分地区在60%以下；而冬季全广西发生干旱的概率都比较大，大部分地区都在60%以上。由于广西在夏季和冬季的干旱格局并不显著，为了进一步探索广西的干旱变化规律，接下来的研究将针对春季干旱和秋季干旱进行研究。而春季和秋季的干旱分布格局明显，春季极易发生干旱的地区为桂西北地区和桂南地区，形成春季干旱格局；秋季极易发生干旱的地区为桂西北地区，形成秋季干旱格局。

2.2 不同类型干旱与干旱等级关系

从不同类型干旱与干旱等级关系来看，在春旱型灾害中，轻旱发生的概率最大，而更为严重的干旱发生概率较小，说明广西春季干旱灾害并不严重；秋旱型灾害中，随着干旱的等级增加，其发生的概率也在一定程度下减小，但发生中旱和重旱还有特旱的概率都比春季大，说明广西秋季发生严重干旱的概率较大(表2)。

表2 不同类型干旱与干旱等级关系

图1 广西4季干旱频率分布

2.3 干旱时间变化特征

2.3.1 SPEI指数变化规律

根据得到的广西4季干旱频率图，将春季和秋季发生干旱频率在80%以上的地区分别定义为春旱区和秋旱区，选取具有代表性的站点对该干旱类型区进行进一步的干旱时间变化特征研究。本文分别选取广西西北部的田林县、那坡县和广西南部的钦州市代表春旱类型区；选取广西东北部的全州县、灌阳县、和恭城瑶族自治县代表秋旱类型区。本研究利用12个月尺度的SPEI值来分析各类型区的干旱变化特点，分别对不同干旱类型区的SPEI值进行五年滑动平均处理，以便观察其变化趋势，研究发现：

春旱区的5年滑动平均和SPEI变化曲线表明(图2a)，春旱区在1970年之前滑动平均值小于0，仅有个别时间段的SPEI值大于0，处于一个较长的干旱期；进入20世纪70年代春旱区滑动平均值处于0值以上，SPEI值在前期变化较为平缓，且在0值以上，而到1975年左右有个大幅度的下降，之后又回到0值以上，说明20世纪70年代初春旱区处在一个非干旱期，但在中期旱情增强，后期旱情减缓；从1980年至2000年，春旱区的滑动平均曲线都在0值附近，SPEI值围绕0值的上下波动较为明显且幅度较大，说明春旱区在20世纪80、90年代都旱涝转换频繁，且幅度较大；进入21世纪以来，春旱区的滑动平均值处于下降的趋势，并在0值附近放缓，SPEI值除了在前3年处于围绕0值上下波动外，其余时期都处于0值以下，说明春旱区已经进入一段相对干旱的时期。

秋旱区的五年滑动平均和SPEI变化曲线表明(图2b)，秋旱区在20世纪70年之前滑动平均值小于0，仅有个别时间段的SPEI值大于0，处于一个较长的干旱期；进入20世纪70年代，秋旱区滑动平均值处在0值附近，SPEI值则在0值上下变化幅度较大，说明秋旱区在20世纪70年代前期处于干旱期，但到后期干旱的状况得到缓解；进入20世纪80年代，秋旱区的滑动平均曲线都处于0值之上，SPEI在1980年代前期处于0值之上并保持较高水平，到了后期则下降到0值之下，说明在前期处于洪涝期，在后期转变为干旱期；进入20世纪90年代，秋旱区的滑动平均值均小于0，SPEI值以5年为周期，在0值上下进行较大的波动，说明秋旱区处在旱涝变化的时期；进入21世纪以来，秋旱区的滑动平均值处于下降的趋势，并在0值附近放缓，SPEI值除了2003～2005年处于0值之上，其余时期都处于较低水平，说明秋旱区同样进入了干旱期。

图2 不同干旱区SPEI变化规律

图3 不同干旱区EEMD分解对比

2.3.2 SPEI指数对广西干旱事件的响应

据资料记载[16]：新中国成立以来，广西几乎年年有干旱，最严重的干旱年是1963年，全广西发生严重的春、夏、秋连旱。20世纪80年代末以来是广西干旱频发的时期，特大干旱灾害有：1998～1999年秋冬春连旱、2003～2004年夏秋冬春连旱、2004～2005年秋冬春连旱。春旱区与秋旱区在1963年的SPEI均处于0值以下，其中春旱区平均值为-1.48，秋旱区平均值为-1.08；在1998～1999年，春旱区SPEI平均值为-0.65，秋旱区为-0.96，同样处于0值以下；在2003～2005年，春旱区SPEI平均值为-0.46，秋旱区为-0.34，同样处于0值以下。由此可见，SPEI指数对广西干旱有较好的响应，在表征广西地区干旱方面具有较好的适用性。

2.3.3 EEMD周期变化分析

为了进一步了解春旱区和秋旱区的干旱变化周期，本研究采用EEMD方法对分别春旱区和秋旱区的SPEI序列进行逐步分解，各得到6个IMF(固有模态函数)和1个RES(趋势项)。并利用快速傅氏变换(Fast Fourier Transformation，FFT)求平均周期方法[17]对各个IMF分量进行计算(图3)，研究发现：

春旱区IMF1以及IMF2与原始SPEI序列具有较高的一致性(图3(a))。其中，IMF1存在着2.21个月的周期波动，在总体上变化平稳，波动比较小。IMF2的波动周期为9.47个月，在20世纪80年代中期以前波动较小，从20世纪80年代中期开始到20世纪90年代初期波动较大，之后波动又开始减小，一直持续至21世纪以后；随着阶数增加，波长变长，IMF3存在3.47 a的周期波动，且在20世纪70年代以前波动幅度较大，从20世纪70年代到20世纪90年代中期波动减小，变化趋于平稳，之后波动加剧，持续到21世纪初，之后开始减小到趋于0；IMF4存在7.44 a的周期波动，在整个时间跨度上波动幅度较稳定，但在21世纪后波动略有减小。IMF5包含13.02 a的年代际周期波动，在70年代中期以前波动较大，之后趋于平稳；IMF6包含15.69 a的年代际周期波动，波动幅度整体比较稳定，进入在20世纪90年代后稍有增长。从趋势分量R看，春旱区以20世纪80年代中期为分界点呈现先增加后减小的趋势变化。

秋旱区的IMF1以及IMF2同样与原始SPEI序列具有较高的一致性(图3(b))。其中，IMF1的波动周期为4.43个月，变化平稳；IMF2呈现9.19个月周期波动，并在20世纪90年代中期有较大波动，其余时间则波动平稳；IMF3波动较大的时期为20世纪70年代以前以及21世纪之后，其他时段波动表现比较平稳，体现2.48 a的周期波动；IMF4波动较稳定，存在4.01年的周期波动；IMF5在20世纪80年代中期以前周期大约在6 a左右，但之后周期变大至10 a左右，平均周期则为6.51 a；IMF6包含17.36 a的周期波动，整个时间跨度上波动幅度较稳定。从趋势分量R看，秋旱区以20世纪90年代初为分界点呈现先增加后减小的趋势变化。

3 干旱成因分析

3.1 干旱格局成因

春旱区是在桂西北和桂南地区，桂西北为云贵高原边缘，海拔高度较高，大气中水汽含量较少。同时，该地区喀斯特广布，地表植被覆盖率低，多石山、裸岩，较低的植被覆盖使得地表蓄水能力差，地表水很容易渗入地下减少了可供蒸发的地表水，从而影响降水的形成，容易造成干旱灾害的发生。桂南地区多为低丘和平原，地势较低，且面向北部湾，来自海洋的水汽很好到达，因此，地形不是桂南成为春旱区的主要影响因素。而大气环境是影响春旱格局形成的重要因素。统计表明，从每年的10月至次年5月，南岭以北和长江以南地区之间通常有一条大雨带来回摆动[18]。春季，这条雨带开始南移，桂北、桂中开始进入雨季，而桂南进入雨季的时间最迟。在春旱年，副热带高压偏强且位置偏西，呈纬向条带状分布，阻挡了桂西北水汽的到达，不利于该地区降水形成。高空长波槽的南部环流平直，偏北的冬季风沿着宽槽自西向东传播，多从多从东路进入南岭与南方暖气团交汇，对桂西北影响偏弱[19]。因此，桂西的降水要晚于桂东地区，形成春季干旱格局。

位于桂东北的秋旱区为南岭山地，地形地貌条件与桂西北类似，引起干旱差异的原因是降水。桂东北的雨汛时期较早，在3～8月。在秋旱年，大陆副热带高压增强，控制桂东北地区，加之秋季高温，在强盛干热的东北风影响下，降水减少[20]。同时，来自西太平洋和南海的水汽受到南岭的阻挡，桂东北地区处于背风坡，使得该地区秋季降水骤减，形成秋季干旱格局。

3.2 干旱周期规律成因

前面的分析表明，春旱区和秋旱区均存在年代季周期变化，厄尔尼诺作为全球气候异常的信号也存在年纪周期变化。已有大量研究表明，厄尔尼诺现象与对广西的气温、降水影响明显。通过研究春旱区和秋旱区的SPEI变化规律与厄尔尼诺的相关性可以在一定程度上解释干旱周期规律的成因。

图4是春旱区与秋旱区SPEI序列和ONI指数序列年际变化序列对比图。从近52 a的情况看，春旱区SPEI序列与ONI指数序列的相关系数为0.19，秋旱区SPEI序列与ONI指数序列的相关系数为0.04，均通过α= 0.01信度的显著性检验。说明，厄尔尼诺是春旱区和秋旱区的年际变化周期规律形成的影响因素，且对春旱区影响较大。

图4 不同干旱区SPEI序列与ONI指数序列年际变化序列对比

4 结论与讨论

通过对广西近50 a的气温和降水进行计算，得出不同站点多年的SPEI值，利用不同尺度的SPEI值对广西地区干旱的空间分布和时间演变特征作了分析，主要结论如下：

(1)广西夏季发生干旱概率较小，冬季则普遍发生干旱，而春季和秋季干旱空间分布格局显著，桂西北地区和桂南地区，形成春季干旱格局，桂东北地区形成秋季干旱格局。其中，春季发生严重干旱的概率较低，秋季发生严重干旱的概率较大。

(2)春旱区干旱存在3 a与7 a左右的年际周期，13 a的年代际周期，秋旱区干旱存在2 a、4 a和7 a左右的年际周期，17 a的年代际周期。春旱区和秋旱区均在20世纪90年代后均呈现旱情增强趋势，并在21世纪以来进入干旱周期。

(3)大气环流对干旱格局的形成起了重要作用，厄尔尼诺是干旱周期规律的形成的影响因素，且对春旱影响较秋旱大。

本文以不同时间尺度SPEI指数为评价指标分析了广西52 a的干旱空间特征及干旱成因，所得结论将为广西的旱情预防、水利资源调控、农作物生产科学管理等提供重要科学参考。此外，影响干旱的因子除了温度和降水还有很多，地表保水能力差和不合理的土地利用方式等都会造成干旱，因此对广西地区的干旱成因还需进一步探讨。

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SPATIAL AND TEMPORAL VARIATION CHARACTERISTICS OF DROUGHT IN GUANGXI BASED ONSPEI

ZHANG Jing-yang1，LU Yuan1，LI Jia-li1，HUA Cui2

(1.SchoolofGeographyandPlanning，GuangxiTeachersEducationUniversity，Nanning530001，Guangxi，China；2.SchoolofLandResourcesandSurveying，GuangxiTeachersEducationUniversity，Nanning530001，Guangxi，China)

The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index(SPEI)was used as evaluation index of drought to calculate the monthly precipitation and average temperature among the 87 weather stations in Guangxi region from 1961 to 2013，which showed different scales of SPEI values in each site.According to the change rule of different scales of SPEI values，the frequency of each season，spatial distribution，cycle and the change trend，the authors analyzed the temporal and spatial variation characteristics of drought in Guangxi.The results showed that affected by the monsoon circulation and topography distribution，the odds of summer drought are quite low but high in the winter，while the spatial distribution pattern of spring and autumn drought in Guangxi was obvious.The pattern of spring drought occurs in the northwest of Guangxi and the Beibu Gulf region，while the pattern of autumn drought occurs in the northeast of Guangxi，and the probability of severe drought in autumn is larger than that of in spring.There exist the periodic variations of 4 years，11 years and 15 years in the spring drought while the autumn drought has the periodic variations of 2 years，4 years，11 years as well as 23 years.It has entered into a drought cycle in 21stcentury.

drought；standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI)；Guangxi；spatial and temporal variation

2015-09-29；

2015-10-26．

广西自然科学基金资助项目(2014GXNSFAA118293)

张景扬(1991-)，男，广西钦州人，硕士研究生，主要从事GIS应用方面的研究.

*通信作者：华璀(1962-)，女，广西南宁人，副教授，硕士，主要从事资源环境遥感、土地资源管理与规划.

P467

A

1001-7852(2015)06-0015-10