基于SPEI指数的西北地区春旱时空分布特征

陈　斐，杨沈斌，王春玲，王润元，王鹤龄，齐　月

(1. 中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃　兰州　730020；2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏　南京　210044)



基于SPEI指数的西北地区春旱时空分布特征

陈斐1，杨沈斌2，王春玲2，王润元1，王鹤龄1，齐月1

(1. 中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃兰州730020；2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京210044)

摘要：利用西北地区128个气象台站1961~2010年的气温和降水数据，计算了标准化降水蒸散指数(SPEI)，并结合气候统计分析和小波分析方法，探讨了西北地区春旱的时空分布特征。结果表明：(1)西北地区春旱程度重、次数多的地区位于新疆吐鲁番盆地、塔里木盆地、青海柴达木盆地和甘肃陇南地区，程度轻、次数少的地区位于新疆天山以北的东部地区；(2)区域平均状况下，春旱强度以0.259/10 a的速率显著增强，中旱发生频次以0.033次/10 a的速率显著增加。1980年代春旱强度和总频次降至最弱(少)，2000年代又增至最强(多)。不同省份内近50 a春旱也普遍呈显著增强趋势；(3)春旱发生频次具有3 a、9 a以及25 a以上尺度的周期波动特征，其中3 a尺度通过红噪声显著性检验，周期信号最可靠。由此可见，西北地区春季干旱具有明显的时空变化规律。

关键词：标准化降水蒸散指数；变化趋势；周期波动；小波分析

引言

干旱是一种常见的自然灾害，其发生频率高、持续时间长、影响范围广，对农业生产、生态环境和社会经济造成很大威胁[1]。近几十年来随着全球变暖，极端干旱事件的发生频率和强度都呈增加趋势，这很可能使旱灾的影响深度和广度进一步增加，使旱灾的突发性进一步增强[2-4]。中国西北地区87%的面积都属于干旱半干旱区[5]，全球变暖的背景下面临的形势更加严峻，因此，研究该区域的干旱发生规律和变化特征，对该区域适应气候变化以及决策部门制定防灾减灾政策具有重要的参考意义。

诸多学者从气候成因、干旱指标、监测预测、数值模拟、灾害评估等方面对西北干旱进行了研究[6-10]。在干旱时空规律方面，也有学者开展了相当多的工作。例如，区域范围上，杨建玲等采用综合干旱指数(CI)分析了西北地区东部1961~2009年不同级别干旱日数的季节时空变化特征，结果表明，西北地区东部春、夏、秋季干旱呈加剧趋势，冬季干旱呈减轻趋势；3~11月重—特旱加剧趋势比轻—中旱显著，南部干旱化趋势比北部更加明显，宁夏同心地区是重—特旱最严重的地区[11]；任余龙等利用标准化降水指数(SPI)计算了相同时期西北5省(区)的干旱频率和面积率，对不同时段、不同级别的干旱时空分布特征进行了研究[12]。省级范围上，蔡新玲等采用CI指数从干旱频率、不同干旱强度等级的干旱日数、干旱强度及持续性干旱时间等方面分析了陕西省1961~2010年的干旱时空分布特征[13]；张耀宗等利用1960~2007年甘肃陇东地区的逐月降水和气温数据分析陇东地区近50 a来的干旱变化时空特征，并将分析结果与历史资料进行对比，发现SPEI指数在陇东地区有很好的适用性[14]；张调风等基于SPEI指数，从干旱面积率、干旱频数及干旱范围等方面系统分析了1961~2012年青海省农作物生长季多时间尺度的干旱时空变化特征，在此基础上分析了气候变化对干旱风险的影响[15]。

然而以上研究中，关于整个西北地区的研究，选择的指标仅考虑了降水(水分)因素，而采用考虑温度和水分平衡的指标研究中，又多限于对某一省份或小区域进行分析。为此，本文以西北地区作为研究区域，选取Vicente-Serrano等发展的兼具SPI指数和帕尔默指数优点的SPEI指数[16-17]，计算了1961~2010年该区域发生较多，且对冬小麦分蘖、拔节、抽穗及春小麦、玉米和棉花播种阶段影响较大的春季干旱的发生强度和频次，分析其时空变化规律，明确西北地区近50 a来的春季气候干旱特征，从而为该地区合理利用水资源、预防和减轻农业干旱提供参考和理论依据。

1资料和方法

1.1研究区概况

西北地区位于73°25′E~110°55′ E、31°35′N~49°15′ N之间，行政上包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西5省(区)，面积约占全国陆地面积的32%。该区大部属中温带和暖温带，由于深居内陆，加上地形对湿润气流的阻挡，该区仅东南部为温带季风气候，其他区域为温带大陆性气候，冬季严寒而干燥，夏季高温且降水稀少，水热状况分布很不均匀，自东南向西北递减[18]。气温的日较差和年较差都很大；年降水量从东部的400 mm左右，往西减少到200 mm，甚至50 mm以下。地形以高原、盆地和山地为主，自然景观由东向西依次为森林草原、典型草原、荒漠草原和荒漠。

1.2数据来源

选取中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)提供的1961~2010年西北地区162个气象观测站的逐日常规观测资料。在对数据计算处理前，首先进行缺测订正与插补，剔除温度和降水序列中缺测较多的站点，对缺测较少的台站则进行插补，插补值取多年平均值，最终得到序列完整连续的128站，台站分布如图1所示。

图1　研究区观测站点分布

1.3研究方法

1.3.1标准化降水蒸散指数SPEI的计算

SPEI指数通过计算降水与潜在蒸散量的差值偏离平均状态的程度，从而表征某地区的干旱状况[19]，计算方法如下：

计算逐月降水与潜在蒸散的差值Di：

(1)

式中，i为月份，Pi为月降水量(单位：mm)，PEi为月潜在蒸发量(单位：mm)，潜在蒸发量利用Thornthwaite方法[20]计算。

构造不同时间尺度下的Di序列X：

(2)

式中，k为时间尺度，k=1，...，48。

(3)

(4)

式中，α、β和γ分别是尺度参数、形状参数和位置参数。

对概率分布函数F(x)进行标准化处理，即可得到SPEI指数值：

(5)

(6)

式中，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

参考前人研究[21]， SPEI干旱等级划分标准与国家标准化管理委员会提出的SPI干旱等级划分标准相同，具体见表1[22]。

表1　SPEI指数干旱等级划分

1.3.2研究时段和时间尺度

选取的研究时段为春季，即每年的3~5月。对于具有多时间尺度特征的SPEI指数，3个月时间尺度可以反映季节的干旱状况[16]，所以本文主要计算研究区1961~2010年3个月时间尺度的SPEI值，并选用其中3~5月的值进行干旱分析。

1.3.3干旱强度的计算

将某年3~5月SPEI值≤-0.5的值进行求和，得到该年的干旱发生强度值，其值越小，干旱程度越强。空间分析时，某站的干旱强度为该站50 a的平均值。整个研究区某年的干旱强度为该年所有台站的平均值。

1.3.4干旱频次的计算

根据SPEI干旱等级划分标准，当某年的SPEI值落在哪个等级内，则该等级的干旱发生频次记为一次。空间分析时，某站的干旱频次为该站50 a的平均值。整个研究区某年的干旱频次为该年所有台站的平均值，在此基础上，某年代的干旱频次通过该

年代所有年份求和得到。

1.3.5时空分析方法

利用ArcGIS10软件和反距离权重法(IDW)插值绘制春季干旱空间分布图，采用线性趋势分析法分析春季干旱的时间变化趋势[23]，选用Morlet连续小波分析法分析春季干旱的周期特性[24]。

2结果分析

2.1SPEI指数在西北地区的适用性

已有研究证明SPEI及其分级标准在甘肃陇东、甘肃黄土高原区、陕西、青海等地均具有较好的适用性[14-15，25-26]，这些地区基本囊括了西北地区所有气候类型，即干旱、半干旱、半湿润、高原气候等，因此将研究区扩展至整个西北地区，利用SPEI进行干旱分析是可行的。

为了更直观地反映SPEI指数的适用性，本文进一步利用《西北干旱监测指标数据集》[27]和相关文献[28]中记载的历史干旱事件来进行论证。选择春季发生过重大干旱事件的1972年和2000年作为论证年份。据记载，1972年春季新疆、甘肃中东部、宁夏、青海中部、陕西大部均干旱少雨，2000年则发生了新中国成立以来最为严重的春夏干旱，除青海外几乎整个西北地区发生了严重的春旱，旱情严重。为此，利用SPEI指数计算出干旱强度，绘制了1972和2000年西北地区的春旱强度分布图(图2)，可以看出，利用SPEI得到的干旱分布与西北地区实际旱情除细节差异外基本一致，由此表明SPEI指数能够较好地表征西北地区的春旱，在该地区具有较好的适用性。

图2　1972(a)、2000(b)年西北地区基于SPEI的春旱强度空间分布

2.2西北地区春旱空间分布

由图3可以看出，1961~2010年西北地区春旱的年平均发生强度为0~-2.3，干旱程度从无旱—特旱均存在。空间上大致呈东西分布，西部的新疆强度大于东部其他4省(区)，高值中心位于新疆吐鲁番盆地，低值中心位于新疆天山以北东部地区。其中，新疆大致以天山为界，天山以北为轻、中旱区，以南为重、特旱区；其余东部4省(区)中，干旱强度空间差异较小，多以中旱为主，大值区分布于青海柴达木盆地和甘肃天水、陇南一带，为重旱区。从50 a的春旱平均发生频次来看，轻旱的发生频次为0~0.915次/a，地区之间差异较小，大片区域的发生频次集中在0.284~0.495次/a，即大约每10 a发生3次轻旱；中旱发生频次为0~0.604次/a，以0.24~0.36次/a为主，有4个高值区分别位于新疆塔里木盆地、青海柴达木盆地、甘肃乌鞘岭和陇南，低值区位于新疆阿克苏地区和青海格尔木西部；重旱发生频次为0~0.4次/a，以0.08~0.16次/a为主，新疆天山以南、青海北部、甘肃河西、宁夏西北和陕南陕北东部等区域频次稍高，新疆吐鲁番盆地为最高值区，天山以北中、东部为2个低值区；特旱发生频次相对较少，为0~0.259次/a，大致呈东西分布，包括新疆大部、甘肃河西西部地区—青海柴达木盆地一线以西的干旱区发生频次在0.05次/a以上，其余以东地区多在0.05次/a以下；总频次为0~1.557次/a，全区以0.75~1次/a为主，新疆天山以北、吐鲁番盆地、塔里木盆地、青海柴达木盆地、甘肃陇南、宁夏北部、陕西东部次数偏高，在1次/a以上，新疆天山以北东部地区为低值中心。由此可见，西北地区新疆天山以南的塔里木盆地、吐鲁番盆地和青海西部柴达木盆地，因远离海洋、水汽较少、降水稀少，加之蒸散相对较大[29-30]，所以春旱程度重、次数多；甘肃陇南地区是另外一个春旱相对频发、程度较为严重的地区，这可能与其处于黄土高原、青藏高原和秦巴山区交汇区域的地形以及近年来气候变化导致的降雨和温度的地区差异有关；天山以北的东部地区受西风带以及天山地形、北部河流湖泊的影响，水汽输送充沛，降水较多[31]，所以春旱程度轻、次数少。

图3　1961~2010年西北地区春旱发生强度和频次空间分布

2.3西北地区春旱时间变化

2.3.1年代和年代际变化

由图4可以看出，西北地区1961~2010年春旱强度在1996年以前波动较小，强度也较弱(基本都>-2)，1990年为最低值(-0.19)，1996年之后开始呈现大幅波动上升趋势，2008年达到最高值为-3.587，50 a均值为-1.33。50 a来春旱发生强度整体呈显著增强趋势(P<0.05)，增强速率为0.259/10 a。春旱发生频次中，轻旱波动较大，但其值都围绕50 a均值(0.41次)在0.2~0.6次之间振荡，1990年次数最少(0.07次)，2000年和2001年最多(0.695次)。中旱1961~1990年呈波动减少趋势，1990年以后呈波动增加趋势，其发生频次最少的年份为1988年和1990年(0.023次)，最多的为2008年和2009年(0.633次)，50 a均值为0.31次。重旱和特旱与春旱强度特征类似，1996年以前波动较小、发生次数较少，1996年以后呈大幅波动增加趋势。其中，重旱在1970、1988、1989、1990年发生次数均为0，2008年为发生次数最多年(0.594次)，50 a均值为0.16次；特旱发生次数相对较少，50 a中有13 a都没有发生，1997年出现了一次极大值(0.5)，其50 a均值为0.07次。干旱发生频次中，轻旱>中旱>重旱>特旱。50 a来，春季不同等级的干旱发生频次均呈增加趋势，增加速率分别为0.016次/10 a、0.033次/10 a、0.027次/10 a、0.018次/10 a，但只有中旱通过了95%的显著性水平检验。

图4　1961~2010年西北地区春旱强度和频次的年际变化

从表2可以看出，西北地区春旱发生强度(总频次)的年代际变化均表现为1960年代为次强(大)值，1970年代有所减弱(减小)，1980年代持续减弱(减小)，为50 a中最弱值(最小值)，1990年代有所回升，其中强度值与1960年代持平，总频次仍小于1960年代，到2000年代继续增强(增大)，达到50 a来最强值(最大值)，强度值约为最弱值(1980年代)的3倍，总频次约为最小值(1980年代)的2倍多。不同等级的干旱频次中，中旱、重旱、特旱与春旱强度和总频次的变化特征一致，即经历了“减小—减小—增大—增大至最大值”的波动过程，其2000年代的值分别增长至1980年代值的2.5倍、5倍和10倍。轻旱发生频次则表现为“增大—减小—减小至最小值—增大至最大值”的波动特征，最大值比最小值增大了约1/2。整体来说，与前40 a相比，西北地区2000年代春旱呈现加重、频发的变化特征，且以轻旱为主，中旱次之，重旱再次之，特旱最少。

2.3.2变化趋势空间分布

图5为1961~2010年西北地区春旱强度和总频次的气候倾向率空间分布，用以反映50 a来不同地区春旱发生强度和总频次随时间变化的趋势特征。可以看出，西北地区的春旱强度以增加为主，有57站的气候倾向率呈不同程度的显著增加趋势，分布于西北各省，占研究台站的44.5%，增加范围为0.231~0.700/10 a，平均为0.466/10 a，其中新疆显著增加的台站分布于天山以南，青海分布于该省东南部，甘肃主要分布于河东地区，宁夏除北部1站外均呈显著增加趋势，陕西则主要分布于西部地区；其余71站变化趋势不显著。春旱频次大部分台站变化趋势不显著，仅有23站的气候倾向率有显著增加趋势，新疆天山以北有8站，青海南部5站，甘肃河东地区3站，宁夏中南部5站，陕南、陕北各1站，增加幅度为0.195~0.425次/10 a，平均为0.31次/10 a。由此可见，西北地区近50 a来春旱强度普遍显著增强，频次增加但大部分地区的增加趋势不显著。

表2　1961~2010年西北地区春旱强度和频次的年代际变化

图5　1961~2010年西北地区春旱强度(a)和频次(b)的气候倾向率空间分布

2.3.3周期波动特征

对西北地区1961~2010年的春旱发生总频次进行小波分析，结果如图6所示。由小波系数图可见，春旱发生频次具有3个尺度的周期波动特征。在10 a以下的年际尺度上，存在3 a周期的小尺度信号，该信号具有全域性，振荡中心1998年后由3 a逐渐向上偏移至4 a尺度上。另一个年际尺度是9 a尺度，分布于整个研究时段，振荡中心由初始的9 a尺度逐渐偏移到7 a，1985年后又恢复至9 a，呈反抛物线形，振荡能量也在后期加强。年代际尺度上仅存在一个25 a以上的大尺度信号，在整个研究时段经历了“多—少—多—少—多—少”的3次往复循环，从等值线密度来看，25 a以上尺度的振荡能量要强于年际尺度信号。从方差图可以看出，在整个时间域的平均状况下，春旱发生频次具有3 a、9 a和25 a以上周期波动信号，9 a尺度能量最弱，3 a尺度次之，25 a以上尺度最强。3个尺度中，3 a尺度信号最可靠，通过了α=0.05显著性水平的红噪声标准谱检验，由此说明，大约每3 a西北地区的春旱就会出现一次由多发到少发或由少发到多发的转变。

图6　1961~2010年西北地区春旱发生频次的小波系数(a)和方差(b)

3结论与讨论

3.1结论

(1)西北地区春旱的年平均发生强度为0~-2.3，新疆特别是南疆程度较重，其他4省(区)空间差异较小，多以中旱为主；年平均发生频次在不同等级表现出各自不同的空间分布特征。综合来看，新疆吐鲁番盆地、塔里木盆地、青海西部柴达木盆地和甘肃陇南地区春旱程度重、次数多，新疆天山以北的东部地区程度轻、次数少。

(2)西北地区平均状况下，春旱强度在1996年以前波动较小，1996年之后波动加大且呈显著增强趋势。轻旱频次围绕多年均值呈缓慢增加趋势；中旱1990年前、后由减少变为增加趋势；重旱和特旱也是1996年以后波动增大且呈增加趋势；各等级频次的增加趋势以中旱最为显著。1980年代春旱发生强度和总频次最弱(少)，2000年代最强(多)。近50 a来不同省份的春旱普遍显著增强，频次增加但大多趋势不显著。

(3)春旱发生频次具有准3 a、9 a 以及25 a以上3个尺度的周期波动特征。其中，25 a以上尺度振荡能量最强，3 a尺度信号最可靠。

3.2讨论

任余龙等[12]利用SPI指数对西北地区1961~2009年干旱的时空变化分析结果显示，西北地区春季干旱发生频率最高的区域是新疆北部、甘肃河西及青海中部，而本文则认为是新疆吐鲁番盆地、塔里木盆地、青海西部柴达木盆地和甘肃陇南地区，造成这一结论差异的原因主要是吐鲁番盆地、塔里木盆地和柴达木盆地的蒸散要高于西北其他地区，基本都在1 200 mm以上，同时新疆东北部和塔里木盆地南部、柴达木盆地、甘肃陇南地区这段时期春季升温显著[32]，这势必会使蒸散量进一步加大，SPI仅考虑了降水因素，而蒸散与土壤湿度、作物蒸耗有很好的相关性[33]，与干旱程度密切相关，因此用SPEI来表征西北干旱程度会更加合理。另外，其结果也显示，相比于1980年代，1990年代后干旱发生率呈一定的上升趋势，干旱趋势有所增强，与本研究结果一致，也与全国春季干旱平均趋势一致[34]。

从省级尺度来看，马琼等[25]利用SPEI分析认为甘肃黄土高原区天水、平凉、庆阳的西部和定西东部的环六盘山地区春旱发生频率高，而乌鞘岭和陇东南部频率稍低；陇东地区以庆阳、崆峒、西峰为中心，包括其周围区域呈干旱化趋势；春季干旱从20世纪90年代起干旱频繁发生且强度增强，这些研究结论与本文一致。周丹等[26]研究发现陕西全省春旱普遍，关中中西部和陕北中部地区频次较高，这与本文结论一致。蔡新玲等[35]通过CI指数分析也认为陕北和关中干旱频率较高，但其认为陕北北部和关中中东部地区是干旱高发区，与本文结果不太一致，说明不同指数在西北地区结论会有所差异，采用适用于本区域的指数是分析的关键。对于新疆地区，普宗朝等[36]认为年降水量南疆大于北疆、东部大于西部、盆(谷)地大于山区，年潜在蒸散量正好相反，受二者共同影响，年干燥度指数K总体表现为南疆大于北疆、东部大于西部、盆(谷)地大于山区，与本文结果一致，但其认为年平均降水的增加和蒸散的减少造成干燥度呈减小趋势与本文有所差异，这说明由于降水、温度在空间和各个季节分配上的不均及变化差异，新疆地区春季与年水平上的干旱变化趋势不一致，因此，新疆乃至西北地区其他季节是否也有如相关研究指出的在年水平上一样表现出暖湿化迹象还有待论证。

本文仅引用相关文献来说明SPEI指数干旱等级划分标准在西北地区的适用性，并没有用实际干旱事件来对其适用性进行论证，这有赖于今后进一步收集相应的历史资料来完成。另外，气候变暖背景下，由于考虑了蒸散因素，SPEI指数相对于只考虑降水的干旱指标显然能更加合理地表征干旱状况，但是干旱发生、发展机理复杂，风速、地形、植被及环流等都会对其产生影响。因此，今后应深入研究干旱的发生机制，开发更为合理、可靠和具有可比性的干旱指标。

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Spatial and Temporal Distribution of Spring Drought in Northwest China Based on Standardized Precipitation Evapotranspiration Index

CHEN Fei1，YANG Shenbin2，WANG Chunling2，WANG Runyuan1，WANG Heling1， QI Yue1

(1.InstituteofAridMeteorology，ChinaMeteorologicalAdministration,KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince/KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandDisasterReductionofChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020，China；2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters，NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology，Nanjing210044，China)

Abstract:In this paper temperature and precipitation data observed from 128 meteorological stations in Northwest China from 1961 to 2010 were used to explore the spatial and temporal distribution of spring droughts. For this purpose, the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI), the intensity and frequency of spring drought were calculated and analyzed with methods of climate statistical analysis and wavelet analysis. The results are as follows: (1) In Turpan Depression, Tarim Basin of Xinjiang, Qaidam Basin of Qinghai and Longnan of Gansu Province, the spring droughts were most serious and occurred frequently, while in the eastern region of north Tianshan Mountain in Xinjiang it occurred least. (2) The average intensity of spring droughts over the study area strengthened significantly with a rate of 0.259 per 10 years, and the frequency of moderate drought events increased significantly at a rate of 0.033 times per 10 years. In the 1980s the intensity of spring droughts fell to the weakest and the total frequency reduced, while in the 2000s both of them rose to the strongest and the maximum. Meanwhile, spring droughts presented general increasing trend in these 5 provinces in recent 50 years. (3) The frequency of spring droughts displayed cyclical oscillation with scales of 3 years, 9 years and 25 years above, and among them, the 3 years period passed through the significant test of red noise. The above results indicated that spring droughts in Northwest China presented distinct spatial and temporal variations.

Key words:standardized precipitation evapotranspiration index; variation trends；cyclical oscillation；wavelet analysis

中图分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0034-09

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0034

作者简介：陈斐(1988-)，女，陕西渭南人，助理工程师，主要从事农业气象研究. E-mail：huizhaydxx@126.com

基金项目：中国气象局兰州干旱气象研究所科研启动项目(KYS2014SSKY03)及江苏高校优势学科建设工程(PAPD)项目共同资助

收稿日期：2014-12-29；改回日期：2015-01-27

陈斐，杨沈斌，王春玲，等.基于SPEI指数的西北地区春旱时空分布特征[J].干旱气象，2016，34(1)：34-42, [CHEN Fei, YANG Shenbin, WANG Chunling, et al. Spatial and Temporal Distribution of Spring Drought in Northwest China Based on Standardized Precipitation Evapotranspiration Index[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):34-42], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0034