基于CI指数的河北省干旱特征分析及R/S分析
2015-02-28史继清甘臣龙扎西顿珠
史继清， 甘臣龙， 扎西顿珠
(1.西藏高原大气环境科学研究所，西藏拉萨 850000；2.西藏墨竹工卡县气象局，西藏拉萨 850200)
基于CI指数的河北省干旱特征分析及R/S分析
史继清1， 甘臣龙2， 扎西顿珠1
(1.西藏高原大气环境科学研究所，西藏拉萨 850000；2.西藏墨竹工卡县气象局，西藏拉萨 850200)
采用《气象干旱等级》国家标准中推荐使用的CI指数，分析了河北省38年来干旱变化情况、各月干旱指数的年变化过程，并采用R/S分析法预测了河北省各月干旱指数未来的变化趋势。结果表明，河北省干旱发生频率相对较高，但时空分布不均匀，1970～2007年河北省几乎每年均有不同程度的季节干旱发生，春季和冬季干旱较为严重，秋季次之，夏季干旱程度最轻；38年的各月不同干旱指数变化趋势均不显著，但有一定的季节性特征；38年各月不同干旱指数呈现不同的Hurst现象，也有一定的季节性特征。
CI指数；干旱；特征分析；R/S分析；河北省
旱灾是涉及范围最广、历时最长、对农业生产影响最大的自然灾害，每年因旱灾导致的粮食作物减产和经济损失在各种自然灾害中居于首位。河北省作为我国粮食生产大省，粮食生产状况对于确保全省乃至全国的粮食安全具有重要意义。近年来受全球气候变暖的影响，旱灾还有不断加重的趋势，频发而严重的旱灾已经成为制约当地农业生产发展的重要因素。为了全面了解河北省干旱的发生、发展趋势，及时调整当地农业生产结构和实现农业的可持续发展，因此要对其干旱的分布特征进行深入研究[1]。
干旱指标是干旱监测、预警、评估中的关键参数。目前，对气象干旱指标已有大量的研究，不同学者提出了很多气象干旱指标，如Z指数、降水量和降水量距平百分率、相对湿润度指数(MI)、标准化降水指数(SPI)、帕默尔干旱指数(PDSI)等，并利用这些干旱指标对各地干旱的时空变化规律进行了研究[2-7]。PDSI指数主要反映的是土壤干旱状况，可以较好地监测土壤水分以及径流的变化情况，但对资料要求高，计算程序较为复杂，经研究证明其有一定的局限性；袁文平等通过对比分析指出，SPI指数具有更加优越的计算稳定性而优于Z指数[8]，但其理论上假定了旱涝发生概率相同，无法标识旱涝频发的地区，更没有考虑水分的支出[9]。SPI等指数仅考虑降水因素，而造成气象干旱的主要因素除了降水还有蒸发，因此选择同时考虑降水和蒸发因子的综合气象干旱指数(CI)，与单纯利用降水量的干旱指数相比具有较大的优越性。邹旭恺等基于CI指数对我国近50年的干旱趋势进行了研究[10-11]；李树岩等基于CI指数分析了所研究区域的干旱分布的时空变化特征及成因[12-13]；刘玉莲等根据CI指数研究了黑龙江省作物生长关键期的干旱变化[14]。目前，基于CI指数对河北省干旱变化特征、未来变化趋势的研究较少。因此该研究基于SPI指数和MI指数构建的综合气象干旱指数(CI)，分析了河北省38年来的干旱变化特征、各月干旱指数的年变化过程，并采用R/S分析法预测了河北省各月干旱指数未来的变化趋势，以期为当地开展干旱服务业务、减缓干旱灾害影响、保障粮食安全提供一定的参考依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源河北省48个站点(图1)的逐日气象资料(1970～2007年)由河北省气象局提供。
1.2 计算方法
1.2.1综合气象干旱指数(CI)。采用2006年11月开始实施的国家标准《气象干旱等级(GB/T 20481-2006)》[15]中推荐使用的综合气象干旱指数，对河北省1971～2007年的干旱分布特征进行统计分析。综合气象干旱指数CI是利用近30 d(相当月尺度)和近90 d(相当季尺度)降水量标准化降水指数，以及近 30 d相对湿润指数进行综合而得，该指标既反映短时间尺度(月)和长时间尺度(季)降水量气候异常情况，又反映短时间尺度(影响农作物)水分亏欠情况。该指标适合实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估。CI的计算公式为：CI=aZ30+bZ90+cMI30,式中,Z30、Z90分别为近30 d和近90 d标准化降水指数SPI值；MI30为近30 d相对湿润度指数；a为近30 d标准化降水系数，由达轻旱以上级别Z30的平均值除以历史出现的最小Z30值得到，平均取0.4；b为近90 d标准化降水系数，由达轻旱以上级别Z90的平均值除以历史出现最小Z90值得到，平均取0.4；c为近30 d相对湿润系数，由达轻旱以上级别MI30的平均值除以历史出现最小MI30值得到，平均取0.8。通过此公式，利用前期平均气温、降水量可以滚动计算出每天综合干旱指数CI，进行干旱监测。
1.2.2标准化降水指数(SPI)，标准化降水指数SPI(Standard Precipitation Index)由Mckee等于1993年提出[16]。由于不同时间、不同地区降水量变化幅度很大，直接用降水量很难在不同时空尺度上相互比较，且降水分布是一种偏态分布，不是正态分布，所以在降水分析中，采用Γ分布概率来描述降水量的变化，然后再经正态标准化求得SPI值。其具体计算步骤见文献[17-18]。
1.2.4R/S分析法。R/S分析法(重标度极差分析)，是一种描述和刻画非线性时间序列的有效方法[20]。最初由英国水文学家Hurst于1951年在研究尼罗河水坝工程时提出，后经过Mandelbrot[21]等多人的努力逐步得以完善，其具体计算步骤见文献[22-23]。Hurst 指数(H)可反映将来对现有状态的持续性。当0.5 2.1 基于SPI、MI、CI 3个指数的干旱特征分析 2.1.1SPI指数反映的干旱特征分析。从河北省1970～2007年逐月平均SPI30的变化曲线(图2a)可以看出,除2003年外，其他各年均有干旱月份出现，在1988年11月出现峰值，达到了重旱；其中4个月以上出现干旱的年份为1972、1975、1982、1995、1999、2001、2002、2005年，5个月以上出现干旱的年份有1972、1999、2002年，这与历史干旱事实基本一致。经统计，在38年中，干旱月份为100个月，占总数的21.9%，其中有21年出现中旱，34年出现轻旱，未出现特旱。由于时间尺度较短，干旱变化受短时间降水影响较大，数值在0线上下频繁波动，能够反映出短时间内的干旱变化特征[25]。 从SPI90变化过程(图2b)可以看到，出现中旱的年份有1972、1984、1999、2005年，20世纪70年代和90年代后干旱较为严重，80年代干旱程度较轻。3个月尺度的SPI同样受降水影响较大，数值在0线上下波动频繁，但与1个月尺度的SPI相比，波动较缓，主要反映的是干旱的季节变化特征。河北省春冬旱特征显著，夏季干旱程度最轻。 2.1.2MI指数反映的干旱特征分析。从图3可以得到，河北省在1970～2007年期间每年均有不同程度的干旱发生，经统计共有361个月干旱，占总数的79.2%。38年中有35年发生特旱，每年均有重旱、中旱的发生，且波动比较大，出现轻旱、中旱、重旱的频率分别为14.9%、15.8%、31.4%。从逐月的MI指数分析的结果比河北省干旱事实更严重，原因为MI指数是某时段降水量与同时段可能蒸发量之间平衡的指标，只能反映短时间尺度(月)的水分亏缺情况，而干旱是多因子综合作用的结果，所以得到的干旱次数比实际多。 2.1.3CI指数反映的干旱特征分析。统计分析表明，在38年中，河北省每年均有干旱发生，共有236个月份干旱，占总数的50%以上，其中较为干旱的年份有1972、1975、1992、1997、1999年，且每年出现干旱的月份均在8个月以上。从1970～2007年河北省CI指数变化过程(图4)可以看到，CI指数在1999年2月出现峰值，达到了重旱程度。其原因可能是在全球变暖的影响下，从20世纪80年代开始河北省表现出不同程度的升温，冬季气温最快，且降水在90年代后期经历了一次较大幅度的下降过程[26]，所以冬季干旱较为严重。 统计历年四季的CI指数及干旱频率可以发现，河北省干旱在春、夏、秋、冬四季均有发生，其中春季和冬季干旱较为严重，秋季次之，夏季干旱程度最轻，原因是河北省降水多集中在夏季。总的来看，河北全省干旱的出现具有阶段性特征，20世纪70和90年代是比较严重的干旱阶段，70年代春旱严重，到90年代秋冬旱比较严重。 由表1可见，河北省的降水具有明显的季节变化特征，降水多集中在夏季，累积雨量约占全年降水量的70%，1、2、3、11、12月降水稀少，不足10 mm。根据CI指数统计的轻旱以上干旱发生频率(简称干旱频率)年平均为 52.05% ，其中轻旱、中旱、重旱的频率分别为 39.91%、11.92%、2.70%。CI的干旱频率变化动态与降水量分布有关，在连续出现降水量偏少月份后，下一月份的干旱频率会比较高，1、2、3月连续降水量不到10 mm，4月的干旱频率达最高，为71%。11月～翌年3月为干旱频发时段，月干旱频率均在 60%以上，轻旱、中旱和重旱频率的年变化特征与总干旱频率较为一致。由于旱情缓解程度与降水强度相关，故选用能够反映干旱过程对雨季开始有敏感性特征的CI指数具有重要的意义。 表1 逐月降水量及根据CI指数的各等级干旱频率 2.2 基于SPI、MI、CI 3个指数的R/S分析根据近30 d(相当月尺度)、近90 d(相当季尺度)降水量标准化降水指数和近 30 d相对湿润指数以及三者综合得到的综合气象干旱指数，建立了河北省1971～2007年1～12月指数的R/S分析结果(图5～8)，由此得到对应的Hurst指数，预测其未来短时间内的变化趋势。从河北省1971～2007年各月不同指数的斜率结果(表2)可以看出，38年来河北省的不同干旱指数各月变化趋势均不显著，但有一定的季节性特征。其中，SPI30指数在4、5、9、10、12月分别以0.109、0.174、0.004、0.024、0.045%/10a的速率缓慢上升，在1、2、3、6、7、8、11月分别以0.051、0.087、0.093、0.011、0.134、0.150、0.089%/10a的速率缓慢下降，可见该指数在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的变化趋势；SPI90指数在1、4、5、6、11月分别以0.014、0.082、0.197、0.096、0.021%/10a的速率缓慢上升，在2、3、7、8、9、10、12月分别以0.055、0.057、0.069、0.184、0.182、0.099、0.002%/10a的速率缓慢下降，可见该指数在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的变化趋势；MI指数在3、4、5、9、10、11月分别以0.010、0.012、0.034、0.007、0.024、0.009%/10a的速率缓慢上升，在1、2、6、7、8、12月分别以0.006、0.009、0.001、0.086、0.071、0.006%/10a的速率缓慢下降，可见该指数在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的变化趋势；CI指数在4、5、6、12月分别以0.091、0.180、0.034、0.012%/10a的速率缓慢上升，在1、2、3、7、8、9、10、11月分别以0.020、0.064、0.049、0.149、0.190、0.069、0.011、0.019%/10a的速率缓慢上升，可见该指数在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的变化趋势。 表2 河北省1971～2007年各月不同干旱指数的斜率结果 河北省1971～2007年1～12月SPI30、SPI90、MI指数和CI指数的R/S分析结果(图5～8)结合表2可以看出，38年来河北省各月的干旱指数呈现不同的Hurst现象，但有一定的季节性特征。其中，SPI30指数在2、3、8、10、11月的Hurst指数(H)处于0.5 (1)SPI指数可以反映不同尺度的干旱变化特点，但其仅考虑降水因素，且对降水过于敏感，对不同程度的降水过程表现出频繁波动，而MI指数代表的是某时段降水量与同时段可能蒸发量之间的平衡，只能反映短时间尺度(月)的水分亏缺情况，得到的干旱情况比实际严重。根据对计算的CI指数的统计分析得到，河北省干旱发生频率相对较高，但时空分布不均匀。1970～2007年河北省几乎每年均有不同程度的季节干旱发生，其中春季和冬季干旱较为严重，秋季次之，夏季干旱程度最轻；干旱随时间具有阶段性变化特征，比较严重的干旱阶段出现在20世纪70和90年代，80年代为持续的干旱期，但主要以轻旱为主。 (2)河北省1971～2007年各月不同指数的年变化过程表明，38年来各月不同干旱指数变化趋势均不显著，但有一定的季节性特征。SPI30指数在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的变化趋势，SPI90指数在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的变化趋势，MI指数在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的变化趋势，CI指数在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的变化趋势。 (3)河北省1971～2007年各月不同指数的R/S分析结果表明，38年来各月不同干旱指数呈现不同的Hurst现象，但有一定的季节性特征。未来SPI30指数在河北省春秋冬季呈现下降趋势、夏季呈现上升趋势，未来SPI90指数在河北省春夏冬季呈现下降趋势、秋季呈现上升趋势，未来MI指数在河北省春夏季呈现下降趋势、秋冬季呈现上升趋势、未来CI指数在河北省春夏季呈现下降趋势、秋冬季呈现上升趋势。R/S法定量地预测了未来不同指数各月的变化趋势，是一种有用的数学工具[27]，对于河北省干旱检测指标的选取提供了重要的理论依据。 [1] 闫峰,王艳姣,吴波.近50年河北省干旱时空分布特征[J].地理研究,2010,29(3):423-430. [2] 包云轩,孟翠丽,申双和,等.基于CI指数的江苏省近50年干旱的时空分布规律[J].地理学报,2011,66(5):599-608. [3] 邵晓梅,刘劲松,许月卿.河北省旱涝指标的确定及其时空分布特征研究[J].自然灾害学报,2001,10(4):133-136. [4] PALMER W C. Meteorological drought[R].Research Paper No 45.WeatherBureau,1965:45-58. [5] 安顺清,邢久星.帕默尔旱度模式的修正[J].气象科学研究院院刊,1986,1(1):17-19. [6] 刘巍巍,安顺清,刘庚山,等.帕默尔旱度模式的进一步修正[J].应用气象学报,2004,15(2):207-216. [7] 车少静,李春强,申双和.基于SPI的近41年(1965-2005)河北省旱涝时空特征分析[J].中国农业气象,2010,31(1):137-143. [8] 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. [9] 韩海涛,胡文超,陈学君,等.三种气象干旱指标的应用比较研究[J].干旱地区农业研究,2009,27(1):237-242. [10] 邹旭恺,张强.近半个世纪我国干旱变化的初步研究[J].应用气象学报,2008,19(6):679-687． [11] 邹旭恺,任国玉,张强.基于综合气象干旱指数的中国干旱变化趋势研究[J].气候与环境研究,2010,15(4):371-378. [12] 李树岩,刘荣花,师丽魁,等.基于CI指数的河南省近40a干旱特征分析[J].干旱气象,2009,27(2):97-102. [13] 张金龙,刘学锋,于长文.河北省干旱分布特征和变化规律分析[J].干旱区研究,2012,29(1):41-46. [14] 刘玉莲,于宏敏.基于CI指数的黑龙江省作物生长关键期干旱变化[J].气象与环境学报,2012,28(1):48-54. [15] 张强,邹旭恺,肖风劲,等.GB/T20481-2006 气象干旱等级[S].北京:中国标准出版社,2006:12-17. [16] MCKEE T B, DOESKEN N J,KLEIST J. The relationship of drought frequency and duration to time scales[C]//Preprints, eighth conference on applied climatology.American Meteorological Society,1993:179-184． [17] GUTHNANN N B.Comparing the Palmer Drought Index and the Standardized Precipitation Index[J].Journal of the American Water Resources Association,1998,34(1):113-121. [18] MISHRA A K,DESAI V R.Drought forecasting using stochastic models[J].Stochastic Environmental Research and Risk Assessment,2005,19(S1):326-339. [19] ALLEN R G, PEREIRA L S, RAES D, et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements[M]. FAO Irrigation and drainage paper 56, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome,1998. [20] 李远耀,殷坤龙,程温鸣.R/S分析在滑坡变形趋势预测中的应用[J].岩土工程学报,2010,32(8):1291-1296. [21] MANDELBROT B. Statistical methodology for non-periodic cycles: from the covariance to R/S analysis[J]. Annals of Economic and Social Measurement,1972,1(12): 257-288. [22] 冯新灵,冯自立,罗隆诚,等.青藏高原冷暖气候变化趋势的R /S分析及Hurst指数试验研究[J].干旱区地理,2008,31(2)：175-181. [23] 庄晓翠,赵正波,杨森,等.西北干旱区阿勒泰地区暖季干湿气候变化及R/S分析[J].干旱地区农业研究,2010,28(5):259-265. [24] 马建勇,许吟隆,潘婕.东北地区农业气象灾害的趋势变化及其对粮食产量的影响[J].中国农业气象,2012，33(2):283-288. [25] 秦丽杰,张辉,李明,等.基于SPI的1958-2009年吉林省旱涝时空特征分析[C]//中国视角的风险分析和危机反应”-中国灾害防御协会风险分析专业委员会第四届年会论文集，2010. [26] 李春强,杜毅光,李保国,等.河北省近四十年(1965-2005)气温和降水变化特征分析[J].干旱区资源与环境，2009,23(7):1-7. [27] 王波雷,马孝义,范严伟,等.近51a西安气候变化的R/S分析[J].干旱区资源与环境,2007,21(12):121-125. Analysis of Drought Characteristics of Hebei Province and R/S Based on theCIIndex SHI Ji-qing1, GAN Chen-long2, ZHAXI Dunzhu1 (1. Tibet Plateau Atmospheric Environmental Science Research Institute, Lhasa, Tibet 850000; 2. Maizhokunggar Meteorological Bureau, Lhasa, Tibet 850200) This article selectedCIindex recommended by Meteorological Drought Level, drought changes, the annual change of each month drought index in recent 38 years in Hebei Province were analyzed, the variation trend of each month drought index was predicted by using R/S analysis method. The results showed that drought occurs relatively frequent in Hebei Province, but the distribution is uneven. From 1970 to 2007, different degree of seasonal drought nearly occurs in every year, winter and spring drought is severe, autumn drought is the second and summer drought is the lightest. Each month different drought index trends are not significant in recent 38 years, but there is a certain seasonal characteristics; Each month different drought index presents a different Hurst phenomenon, there are certain seasonal characteristics in recent 38 years. CIindex; Drought; Characteristics analysis; R/S analysis; Hebei Province 西藏科技厅地区自然科学基金项目“基于3S的西藏森林火灾监测研究” 史继清(1988- )，女，山东菏泽人，助理工程师，硕士，从事农业气象灾害研究。 2014-11-25 S 423 A 0517-6611(2015)02-221-072 结果与分析
3 结论
