基于SPI的黔东南州近52 a的干旱特征分析

徐德智，张 杰，杨 帆，罗岚心

(1.贵州省施秉县气象局，贵州 施秉 556200；2.贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000；3.中国气象科学研究院，北京 100081)

基于SPI的黔东南州近52 a的干旱特征分析

徐德智1，张 杰2，杨 帆2，罗岚心3

(1.贵州省施秉县气象局，贵州 施秉 556200；2.贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000；3.中国气象科学研究院，北京 100081)

基于1961—2012年黔东南州16站的逐月降水资料，从单站干旱SPI指数出发，分析了黔东南州52 a来年际干旱和季节性干旱的时间变化趋势和空间变化特征，结果表明：①52 a间，年际干旱和季节性干旱呈上升趋势，干旱主要集中在1985—1989年和2001—2012年；②除冬旱以外，无论是年际干旱还是季节性干旱，干旱发生频率较高地区位于黔东南州中部以北地区，州南部年际干旱、春旱、夏旱和秋旱发生频率较低；③森林覆盖率较高的地区发生干旱的频次最低，降水较少地区发生干旱的频次较高。

标准化降水指数；干旱；黔东南

1 引言

全球气温普遍升高[1]必然引起能量上的变化，导致大气环流异常，同时对水资源的循环过程产生影响，造成蒸发、降水等在时空上的重新分配，影响极端气候事件的强度和频率，使极端气候事件所造成的经济损失也呈现显著上升趋势[2]。在各类极端气候事件中，干旱由于持续时间长、受灾面积大，往往造成严重的经济损失。干旱指标可以反应一个地区水份供给的情况和水资源量的变化趋势，因此可以用来表示区域气候的干湿程度，对区域的旱涝特征进行分析。杨娟[3]对SPI指数在贵州旱涝灾害监测中的应用进行了研究，发现在各区域各时段均能有效的反映贵州的旱涝情况。

黔东南州位于云贵高原的东南部，东接湖南，南临广西，在省内与黔南州和铜仁地区毗邻，属亚热带季风湿润气候。随着全球气候变暖、气温升高，近年来黔东南大范围干旱、旱涝急转等事件不断增加，预计今后这种较大范围内的旱涝也会频繁出现，因此应用SPI指数对黔东南州的旱涝特征进行分析，研究近52a黔东南的旱涝特征的变化规律，为干旱监测、预警和防灾减灾工程建设提供依据，为政府决策和适应气候变化服务。

2 资料和方法

本研究采用了黔东南州16个县(市)1961—2012年逐月降水资料，资料来源于黔东南州气象局，对所缺年份的数据进行了差值填补。

标准化降水指数SPI[4]可以用来确定有降水的地区在特定时间尺度上的降雨异常事件，在降水分析中，采用伽马函数拟合降水时间序列，然后在经过标准化处理求得SPI。具体原理及计算方法如下：

(1)

当G(x)>0.5，H(x)=1-G(x)，S=1；当G(x)≤0.5，H(x)=G(x)，S=-1。G(x)由Г分布函数密度积分公式求得：

(2)

(3)

式中：β为Г函数的尺度参数，γ为Г函数的形状参数；C0，C1，C2和d1，d，d3为 Г函数转换为累计频率简化近似求解公式的计算参数，其取值为：

C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

参照国家气候中心的划分标准[5]划分旱涝等级，见表1。

表1 标准化降水指数干旱等级划分

3 SPI在黔东南州适用性检验

3.1 SPI和黔东南州干旱受灾面积的一致性对比

将计算出来的SPI与黔东南州1981—2012年干旱受灾面积进行对比，检查SPI指数的变化能否反映出受灾面积的变化，以及峰值所在的年份。当受灾面积越大时，SPI指数应该越小(趋向于干旱)，用此来检验SPI指数与干旱受灾面积的年际变化是否一致，评价SPI指数的适用性。

图1分别为黔东南州1981—2012年干旱受灾面积年际变化(上)和计算出的SPI指数的年际变化(下)。上图中显示了黔东南州受灾面积的年际变化，可以看出： 1980s黔东南州的干旱比较严重，其中1981、1985和1989年的受灾面积都超过了10万hm2，而在1990s黔东南州的干旱受灾面积相对较小，仅1992年的受灾面积超过了10万hm2，进入到21世纪后，黔东南州的干旱又趋于严重，其中2003、2005、2010和2011年都超过了10万hm2，2011年更是达到了历史极值，为22.5万hm2。将SPI指数的年际变化与受灾面积进行对比可以看出：20世纪80年代，当黔东南州干旱较严重时，同期SPI指数基本小于-0.5，极值为1981、1985、1986和1989年，与受灾面积的年际变化一致性较高；20世纪90年代，黔东南州干旱较轻，同期SPI指数基本大于0，最小值也位于1992年，与受灾面积的变化一致；进入到21世纪后，黔东南州干旱加剧，同期SPI指数的也趋向于小于-0.5，极值为2003、2005、2010和2011年，其中2011年也为历史最小值，这与受灾面积的年际变化完全一致。综上说明，SPI指数基本可以反映出黔东南州干旱的年际变化，当受灾面积大于10万hm2时，SPI指数表现为小于-1，受灾面积越大，SPI指数越小，这说明SPI指数可以反映出干旱年际变化，而且对缺少干旱受灾面积数据的年份有一定的指导意义。

图1 1981—2012年黔东南州干旱受灾面积和SPI指数的年际变化

3.2 SPI和黔东南州干旱成灾率空间分布的一致性对比

成灾率是指成灾面积占受灾面积的比例，在对不同地区做相互对比时，使用成灾率可以避免耕地面积不同对受灾面积的影响。根据黔东南州1981—2012年的干旱受灾面积和干旱成灾面积计算得出成灾率，并绘制成空间分布图(图2左)。根据单站季节性SPI指数在轻旱以上的年份，按照轻旱代表数值为1、中旱代表数值为2、重旱代表数值为3，特旱代表数值为4，计算单站干旱频率，绘制成1981—2012年黔东南州干旱频率的空间分布图(图2右)。

图2 1981—2012年黔东南州干旱成灾率和频率的空间分布

由图2左可知，1981—2012年黔东南州成灾率较高地区位于州北部的施秉县、镇远县和黄平县，东部的麻江县和雷山县以及南部的黎平县，而岑巩县、三穗县、凯里市、榕江县和从江县的成灾率相对较低，呈现不规律的空间分布。将根据SPI指数计算得出的干旱频率的空间分布图与成灾率空间分布图进行对比，发现干旱频率较高区域也位于州北部，中心值区位于黄平县，周边的施秉县、麻江县、雷山县和镇远县的干旱频率相对都较高，而岑巩县、凯里市、榕江县和从江县的干旱频率都比较低，这与干旱成灾率的空间基本分布一致，说明SPI指数反映出的干旱空间分布与实际情况一致。

4 旱涝特征分析

4.1 年际干旱时空变化特征

利用1961—2012年12个月时间尺度的SPI指数，对黔东南16个县(市)12个月时间尺度的SPI进行了平均，平均值代表黔东南州区域的干旱程度。1961—2012年黔东南州年际SPI时间序列变化曲线，见图3。

图3 1961—2012年黔东南州年际SPI时间序列变化曲线

由图3可知：黔东南州近52a发生了7次轻旱(1962年、1963年、1981年、2001年、2003年、2006年和2009年)、3次中旱(1966年、1985年、和1986年)、和3次重旱(1989年、2005年和2011年)。20世纪60年代，黔东南州的雨水较少，10 a发生了3次干旱，其中1966年的干旱较为严重，20世纪70年代，黔东南州受干旱影响不大，到了80年代，黔东南州处于少雨时期，出现了3次较严重干旱，而90年代为丰水期，雨水较为充沛，受干旱影响的程度较轻，进入2000年后黔东南州干旱出现的频次明显增加，12a间共出现旱灾6次。近52a来SPI指数呈逐渐下降的趋势，说明黔东南州干旱呈增加趋势。

根据单站年度SPI指数在轻旱以上的年份，按照轻旱代表数值为1、中旱代表数值为2、重旱代表数值为3、特旱代表数值为4，计算单站干旱频率，结果表明(图4)：黔东南州干旱发生频率最高的地区为东部的天柱县，其次是北部的施秉县、黄平县和西部的凯里市，干旱发生频率较低的地区为南部的从江县、榕江县、黎平县和东部的锦屏县。

图4 1961—2012年黔东南州干旱频率的空间分布

究其原因主要有以下两点：①黔东南州降水主要集中在夏季，因此夏季降水的空间分布与干旱发生有着密切的联系，黔东南州夏季降水主要受西太平洋副热带高压、高空槽、西南低空急流和西南涡的影响，当西太平洋副热带高压西侧的西南急流带来了暖湿气流，造成清水江流域以及以南地区的丰富降水，所以州中部以南地区发生干旱的概率较小；当西南涡东移，由于地形的抬升作用，系统加强，易在州西南部地区造成强降水天气；州北部地区位于武陵山脉南侧，苗岭山脉东北侧，处于背风区，南来的暖湿气流北上后气流下沉，并伴有焚风效应，故降水偏小。②黔东南州南部的森林覆盖率较高，根据贵州省林业厅2012年的统计数据，州南部的黎平县、从江县、榕江县和锦屏县的森林覆盖率在68%以上，高森林覆盖率使得土壤的保水性较好，发生干旱的频率较小。

4.2 季节性干旱时空变化特征

为了对黔东南地区季节性干旱的时空变化特征进行分析，采用气候学上常用的季节划分方法对12个月进行划分，即：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—翌年2月为冬季。利用1961—2012年12个月时间尺度的SPI指数，对黔东南16个县(市)季节尺度的SPI进行了平均，平均值代表黔东南州四季的干旱程度，见图5。

由图5可知，1961—2012年黔东南州季节干旱的多年变化与年际干旱相似：1961—1984年，黔东南州气候相对湿润、降水偏多，处于丰水期，除1963年发生了一次夏秋连续重旱和1967年冬季中旱外，其他年份均为无旱或轻级干旱，对农业生产的影响不大；1985—1989年，黔东南地区的降水偏少导致气象干旱频繁发生，1985年和1989年为夏秋连旱，1986年和1987年为春夏秋冬四季连旱，其中1986年干旱的程度最重，春季为重旱，夏季和冬季为重旱；进入到21世纪，从2001年开始黔东南州气象干旱发生频繁，12a间发生春季干旱的有5a，春旱最为严重的为2010年，发生夏旱的有5a，2010年的夏旱最为严重，出现秋旱的有5a，秋旱最为严重的为2011年，冬旱发生的年数最多，共有6a，其中以2006年的冬旱最为严重，2012年的冬旱次之。从52a的变化趋势来看，黔东南州四季的SPI指数均呈现减少趋势，说明黔东南地区的气候逐渐向干旱方向发展。

图5 1961—2012年黔东南州四季SPI时间序列变化曲线

图6 1961—2012年黔东南州季节性干旱频率的空间分布

根据单站季节性SPI指数在轻旱以上的年份，按照轻旱1、中旱2、重旱3，特旱4的权重比例，计算单站干旱频率。在ArcGIS中绘制黔东南州季节性干旱频率空间分布图(图6)，结果表明：黔东南州东部和西部的春旱发生的频率较高，其中东部的天柱县，西部的凯里市和麻江县是两个强度相当的高值中心；夏旱与年际干旱的空间分布较类似，这是因为黔东南州降水主要集中在夏季，其中天柱县、施秉县和黄平县发生的概率最高；秋旱发生的高频率区有明显的从南向北逐渐深入的趋势，高值区位于州北部的岑巩县、施秉县和黄平县；冬旱发生频率较高的地区为州西南部丹寨县、榕江县和从江县，三穗县和黄平县发生冬旱的概率最小。

5 结论与讨论

①通过SPI指数在黔东南州的适应性检验发现，SPI指数可以反映出的干旱年际变化和空间分布与实际情况基本一致，并对缺少干旱受灾面积数据的年份有一定的指导意义。 运用SPI指数对黔南州旱涝特征进行分析，发现20世纪60年代，黔东南州的雨水较少，10 a间共经历了3次干旱，其中1966年的干旱较为严重，70年代，黔东南州受干旱影响不大， 80年代，黔东南州处于少雨时期，共出现了3次较严重干旱，而90年代为丰水期，受干旱影响的程度较轻，进入2000年后黔东南州干旱出现的频次明显增加，12a共出现旱灾6次，近52a黔东南州年际干旱指标呈上升趋势。

②从干旱发生概率的空间分布来看：无论是年际干旱还是除冬旱以外的季节性干旱，黔东南州中部以北地区发生干旱的频率较高；州南部黎平县、从江县和榕江县的年度干旱、春旱、夏旱和秋旱出现的频率较低；年度干旱、春旱和夏旱出现频率最高的地区为州东部的天柱县。

③黔东南州森林覆盖率最高的从江县、榕江县、黎平县和锦屏县发生干旱的频次最低，处于背风区的州北部地区因降水偏少，发生干旱的频次较高。

运用不同时间尺度的SPI指数对黔东南州的干旱特征进行分析，分析结果较好的反映了黔东南州干旱的发展演变情况和趋势，另一方面，干旱的发生与降水多少、土壤墒情、水份蒸发、水利设施等诸多因素有关，本研究中只考虑了降水因素，而忽略了气温、蒸发等因素的影响，单一的用SPI指数进行分析，存在一定的片面性。在今后的研究中，可以采用国家气候中心最新的综合干旱指数(MCI)进行分析研究，结果也会更加全面。

[1] IPCC.Climate Change 2007：The Physical Science Basis.Contribution of Working Group1to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge.UK；Nw York，USA：Cambridge University Press，2007.

[2] 气候变化国家评估报告编写委员会.第二次气候变化国家评估报告.北京，科学出版社，2011，pp710.

[3] 杨娟.贵州旱涝灾害监测指标及其应用[J].贵州气象，2009，33(6)：3-6.

[4] 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.

[5] 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.

Drought characteristic analysis according SPI in recent 52 years in Southeast Guizhou

XU Dezhi1,ZHANG Jie2,YANG Fan2,LUO Lanxin3

(1.Meteorological Bureau of Shibing, Shibing Guizhou 556200;2.Meteorological Bureau of Qiandongnan,Kaili Guizhou 556000;3.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081)

Based on the monthly precipitation data from 16 meteorological stations in Qiandongnan, the temporal and spatial distribution characteristics of annual and seasonal droughts of 52 years (1961-2012) were analyzed with the standardized precipitation index (SPI). The results showed that：①the annual and seasonal droughts increased in 52 years and concentrated from 1985 to 1989 and from 2001 to 2012;②in addition to the winter drought,whether annual or seasonal drought, high frequency area was located to the north of central state and low frequency area was located to the southern state;③the frequency of drought was highest in less precipitation area and lowest in high forest coverage area.

Standardized Precipitation Index(SPI); droughts; Qiandongnan

2013-11-26

徐德智(1964—)，男，助工，主要从事县级精细化预报气象服务、均等化城乡气象服务等工作。

1003-6598(2015)01-0009-05

P466

A