基于SPI指数的近50年重庆地区干旱时空分布特征

孙德亮, 吴建峰,2, 李 威, 曹广杰

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院 GIS应用研究重庆市高校重点实验室, 重庆 400047; 2.贵州师范学院 地理与旅游学院,贵州 贵阳 550018; 3.贵州科学院 山地资源研究所, 贵州 贵阳 550004; 4.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 400047)



基于SPI指数的近50年重庆地区干旱时空分布特征

孙德亮1, 吴建峰1,2, 李 威3, 曹广杰4

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院 GIS应用研究重庆市高校重点实验室, 重庆 400047; 2.贵州师范学院 地理与旅游学院,贵州 贵阳 550018; 3.贵州科学院 山地资源研究所, 贵州 贵阳 550004; 4.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 400047)

[目的] 揭示重庆地区年和季度干旱发生的频率和强度的演变特征，为该区应对干旱灾害，制定针对性减灾措施提供科学依据和参考。[方法] 基于重庆地区34个气象观测站1964—2011年逐月降水数据，采用标准化降水指数(SPI)干旱指标方法进行研究。[结果] 干旱强度频率方面，重庆地区干旱发生的频率具有较明显的区域性和季节性；其中年、春、夏和冬季干旱发生频率相差不大，在25.9%～35.1%范围，秋季的发生频率范围幅度较大，介于16.7%～40.0%之间。干旱强度方面，在年和季节尺度上整体呈现一定的增加趋势，其中秋季和年度相对趋势更明显，近50 a研究区年度和四季主要以轻旱和中旱为主，整体上夏季和秋季干旱强度比另外两个季度和年度表现更强一些。[结论] 标准化降水指数(SPI)适用于重庆地区，可以作为气候变化的监测指标；重庆地区干旱发生的频率具有较明显的区域性和季节性。

干旱; 标准化降水指数(SPI); 重庆地区

文献参数： 孙德亮, 吴建峰, 李威, 等.基于SPI指数的近50年重庆地区干旱时空分布特征[J].水土保持通报，2016,36(4)：197-203.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.035

重庆属于气候脆弱区，气象灾害发生频繁，而干旱又是重庆主要的气象灾害之一，出现的频率高，造成的损失大，重庆一年的4个季节均可能出现干旱，且几乎每年都会出现不同程度的干旱，工业、农业、生态环境、人民生活等各个领域都受到干旱影响[1]。例如，2006年重庆市遭受了百年一遇的最大面积特大旱灾，据重庆市救灾办统计，该市除秀山、酉阳、石柱为严重干旱外，其余区县为特大干旱。受灾人口突破2 100万人，农作物受灾面积近1.33×106hm2，其中农业经济损失67.6亿元[2]。因此，加强对该地区干旱状况的研究，客观评估干旱应对旱情具有重要的指导意义。干旱是由于区域内长期无降水或降水异常偏少，导致水分的供求不平衡形成的水分短缺现象[3-4]。在干旱指标研究方面，各部门或学科对干旱的定义存在差异，比较公认干旱定义包括4种类型：气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱[5]。干旱评价指标的适用性受研究区域、时间尺度等诸多因素影响[6-7]，本研究针对气象干旱角度对重庆地区干旱进行研究分析。目前研究气象干旱的指标主要有Z指数[8-9]、相对湿润指数[10]、帕默尔干旱指数[11-12]、标准化降水指数[13-16]、综合气象干旱指数(CI)[17]等，且利用这些指标对各地干旱的时空变化进行了研究。标准化降水指数(SPI)计算过程简单，可很好地反映区域干旱程度的时空变化，应用广泛。因此，本研究以SPI指数作为干旱分析指标，从气象干旱角度分析重庆地区1964—2011年近50 a的干旱频率和干旱强度，摸清研究区干旱的时空演变规律，为应对干旱灾害，制定有针对性的减灾措施提供科学依据和参考。

1　研究区概况

重庆市(105°17′—110°11′E，28°10′—32°13′N),属于典型的喀斯特山地城市，该市土地面积8.24×104km2。气候湿润，年均温度约18 ℃，降水丰富，年均约1 225 mm左右。长江境内流程为665 km，是三峡库区的主体部分，生态环境脆弱，人口众多，是我国典型生态脆弱区之一，也是国家优先支持的欠发达落后地区之一。地貌以山地丘陵为主，平坝面积相对稀少，主要分布在西北部和中部地区。

2　数据来源与研究方法

2.1研究数据

利用重庆地区34个气象站点1964—2011年逐月降水观测数据计算标准化降水指数SPI(其中万盛站点数据为1966—2011年，对SPI结果的基本无影响，可以忽略)，34个气象站点均匀分布在研究区范围。所有数据来自中国气象科学数据共享网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。利用SPI指数所确定的干旱等级结合干旱频率公式计算出研究区所有站点各干旱等级的发生频率，再利用ArcGIS软件中Kriging插值方法得出研究区干旱的空间分布图，同时利用干旱强度公式计算研究区的干旱强度，评价干旱的严重程度。

2.2研究方法

标准化降水指数能够计算1，3，6个月等短时间尺度,也可以计算9，12，24或48个月等长时间尺度，但不同尺度的标准化降水指数表现水分亏盈状况的侧重点具有差异性。短时间尺度的标准化降水指数代表的是区域短时间内的水分亏盈情况(可用于判断农作物生长水分供给情况、干旱监测等)；而长时间尺度的标准化降水指数表征的是长时间的水分亏盈情况。标准化降水指数(SPI)是表征某时段降水量出现概率多少的指标，由McKee等[18]于1993年提出，它适合于月以上尺度相对于当地气候状况的干旱监测与评估。一定时期内的月降水量变化一般不服从正态分布，而是一种Gamma分布，因此计算标准化降水指数时，需将偏态概率分布的降水量进行正态标准化处理，即采用 函数的标准化降水累积频率分布划分干旱等级。通过计算，得出SPI指数划分干旱等级情况详见表1[19]。

表1　SPI指数干旱等级划分

2.3干旱评价指标

为全面地评价研究区的干旱特征，从干旱发生频率和干旱发生的强度两个方面对重庆地区近50 a的干旱特征进行研究，其中选取干旱频率(Pi)和干旱强度(Sij)作为办研究干旱程度评价的两个主要评价指标，其具体计算步骤及含义，参见参考文献[15]，在此不再进行赘述。

3　结果分析

3.1重庆地区年度干旱特征

基于重庆市38个气象站近50 a来SPI3指数所得到的各站点干旱频率，干旱(含轻旱及其以上)发生的频率在27.2%～32.4%之间，平均值约为30.3%。根据所计算的干旱发生频率，使用ArcGIS 10.1中克里金方法(Kriging)得到研究区干旱频率分布图如图1所示。由图1可以看出，重庆市大部分地区干旱发生频率较高，其中研究区中部区域如丰都、涪陵、武隆和东南绝大部分地区干旱发生的频率相对较高，干旱频率都高于31.5%；研究区东北部如云阳、巫溪、奉节等干旱发生频率相对较低，干旱频率在28.2%以下。中旱发生频率在13.5%～17.9%之间，平均值在15.4%左右，其中发生频率较高的地区主要集中在渝东北的城口、巫溪和渝东南大部分区域，渝东北的万州、云阳区域和渝西荣昌、大足等地中旱发生频率相对较低(图1)。重旱发生频率5.2%～9.6%之间，平均干旱频率约为7.3%，其中研究区东北部发生频率高于研究区的其他区域(图1)。特旱发生频率较低，介于0.1%～5.2%之间，平均频率1.9%，主要发生在研究区东北部的奉节县、中部的石柱县和西部的部分地区。综上分析来看，干旱、中旱、发生频率较高的集中在研究区的东南部区域，重旱、特旱在研究区东北部部分区域和西部少部区域更为常见。

图1　重庆地区年度干旱频率分布

从干旱强度来看(图2)，近50 a来重庆市的干旱强度介于0～1.59之间，平均干旱强度约为0.93；从趋势线来看，干旱强度整体上呈现上升趋势，但趋势不明显。从曲线图可以得到，研究区近50 a里干旱主要是轻旱和中旱，其中有21 a的干旱强度大于1.0，只有两年干旱强度小于0.5，表明近约1/2年份为中旱；1998，2001，2006和2011年干旱强度值大于1.5，达到了重旱程度，其中2006年干旱强度值最大，为近50 a来最严重的一次干旱，这与实际干旱情况和其他学者[2,20]研究结论吻合。

3.2重庆地区季节性干旱特征

3.2.1春季干旱特征重庆地区春季干旱频率在26.9%～33.1%之间，平均值约为30.6%。春季干旱发生频率数值与年度干旱发生频率值相差不大，但在空间分布上存在差异。干旱发生频率相对较大的主要集中在研究区东南部、西部偏南区域和东北部的开县、巫溪、巫山区域，发生频率都在30%以上。中旱发生频率范围为15.1%～16.5%，平均值在15.9%左右，从数字上看，发生频率相差不大，说明整个研究区中旱发生频率相当。研究区重旱发生频率介于2.6%～10.0%之间，平均发生频率约为6.0%，从重旱发生频率空间分布图来看，重旱发生频率较高的主要集中在研究区西部区域、中部的垫江、丰都、武隆区域和东北部的城口区域，发生频率都高于6.3%。重庆地区春季特旱发生频率在0.1%～4.2%范围内，平均值为2.0%，从发生频率分布可以看出，特旱主要发生研究区的中部，也零星分布在研究区东北不的巫山和西部的潼南区域，但总体上特旱发生频率都不大。可见，春季各干旱类型空间分布存在差异性，春季各干旱类型频率空间分布如图3所示。

图2　重庆地区1964-2011年干旱强度变化

图3　重庆地区春旱频率分布

从干旱强度图(图4)可以看出，重庆地区春季的干旱强度在0～1.68之间，干旱类型包括重旱、中旱、轻旱、无旱。根据干旱等级划分和趋势图可以得出，整体上，干旱强度有极小的增加态势；研究区在1969年和1994年的春季发生过重旱，在1968，1973，1976，1977，1990和2002年的春季基本未发生干旱，除此之外，研究区近50内，春季中有15 a发生了中旱，有25 a发生轻旱。综上可知，研究区在近50 a的春季，除了有6 a未发生干旱以外，其他年份都在不同程度上受到干旱的影响。

图4　重庆地区1964-2011年四季干旱强度变化

3.2.2夏季干旱特征研究区夏季干旱频率范围介于25.9%～35.0%之间，平均干旱频率约为29.9%，干旱频率范围略大于春季干旱频率，平均值略小于春季；在空间分布上，发生频率相对较高的分布在研究区的西部区域、东北部的城口和东南部的秀山、酉阳，发生频率都在30%以上。重庆地区夏季中旱发生频率在8.7%～20.9%，平均值为14.9%左右，其中高于平均发生频率的区域主要分布在研究区的偏南部、东南方的秀山和东北部的城口区域；研究区夏季重旱发生频率与春季相比，频率范围有所增加，数值介于5.4%～7.5%之间，平均值略大于春季和年度的重旱频率，数值达6.5%。重庆地区夏季特旱发生频率空间分布与春季特旱发生频率分布有较大部分重复区域，但范围要大于春季，并且夏季范围也主要集中在研究区的中部区域，数值在1.6%～3.5%之间，平均频率为2.7%左右(由于版面限制，图省略)。分析研究区夏季的干旱强度，夏季干旱强度在0～2.0之间波动(图4)，与春季干旱强度相比，夏季达到了特级干旱程度，从图中也可以看出，干旱强度的趋势虽然呈现略微的增加趋势，但变化不明显；特旱发生在2006年(与实际吻合)，干旱强度达到2.0；在2011年，重庆市的夏季也发生了重度干旱；在1980，1983，1987和2007年几乎未出现干旱现象；1964，1966，1968，1970—1972，1976，1982，1990，1992，1993，1996，1997，2001和2009年共15 a受到中度干旱，其中1970—1972年连续3 a遭受中度干旱影响；剩下28 a研究区均受到轻度干旱困扰，数值介于0.5～1.0之间。

3.2.3秋季干旱特征研究区的秋季干旱频率范围是4个季度中范围最广的，其最大干旱频率达到40.0%，干旱频率范围为16.7%～40.0%，平均值为31.6%；空间分布上，除了东北部的云阳、奉节、巫山、巫溪和西南部部分区域外，其他区域干旱频率都达到30%。中旱发生频率也居4个季度之首，频率值介于10.4%～22.9%之间，平均值超过17%；其中高于平均值的区域分布在研究区东南部、中部偏南大部分区域以及东北部局部区域。重旱发生频率相对较高区域主要分布在研究区中部偏南地区、重庆西部的潼南、铜梁和东北部的城口、巫山区域，重旱频率平均值约为5.9%，范围在2.1%～10.4%之间。特旱发生频率也要高于另外3个季度，最高频率达到6.2%，主要集中在东北部的奉节局部区域，其次相对较高的频率集中在研究区中部部分区域和西部局部区域，频率数值在3.0%～6.2%之间，整个研究区的特旱频率范围在0%～6.2%之间(由于版面限制，此处图省略)。从重庆地区秋季干旱强度来看(图4)，近50 a研究区的干旱强度在0～2.1之间，从无旱到特旱都发生过，从趋势图来看，与其他季节比较，干旱强度增加趋势更明显一些。干旱强度最强发生在1970年，干旱强度值达到2.1的特旱强度；研究区在秋季未遭遇重旱袭击；重庆地区发生中旱强度有19 a，占到40%；1967，1972，1975，1982和1989年未受到明显干旱的影响。整体上，研究区在近50 a秋季中，还是主要以轻旱和中旱为住，也存在极端干旱年份。

3.2.4冬季干旱特征研究区冬季干旱发生频率与其他3个季节和年干旱频率相当，数值介于31.6%～35.1%之间，平均值约为33.6%；空间分布上，研究区东北部和东南部干旱发生频率高于研究区的其他区域，呈现出从西部向东北部和东南部增加趋势。重庆地区冬季中旱频率范围为15.6%～19.2%，出现东北(酉阳、万州)向西南(江津)倾斜沿线区域中旱发生频率相对较小，其他区域空间分布差别不大，整个区域中旱频率平均值为17.7%。冬季重旱频率介于5.5%～10.5%的范围，冬季重旱发生频率呈现出西部大于东部沿线区域，平均频率约大于2%，重旱发生频率相对较大区域集中在研究区的中部及中部偏南地区。研究区冬季特旱发生频率整体上出现西部高于东北部，最高值出现在研究区东南部区域，特旱频率范围在2.3%～5.3%之间，平均值为3.6%。可见，冬季发生干旱整体上是西部区域发生频率高于东部区域。从冬季干旱强度来分析(图4)，近50 a研究区冬季干旱强度范围在0～1.6之间，干旱类型从无旱到重旱，从趋势线来看，干旱趋势几乎未发生变化。研究区在冬季发生过两次重旱，分别出现1969和1991年，干旱强度值分别为1.5，1.6；近50 a有9 a未遭遇干旱影响，分别是1964，1966，1971，1980，1989，1990，1993，2004和2006年，比例占到19%。近50 a中有15 a遭受中旱影响，所占比例为32%。有22 a遭遇轻旱影响，干旱强度范围在0.5～1.0之间，比例占到47%，接近1/2的比例。综上可得，研究区冬季干旱强度排序依次为轻旱、中旱、无旱和重旱，其中轻旱接近50%的比例。

综上所述，重庆地区干旱发生的频率具有较明显的区域性和季节性，其中年度、春、夏和冬季干旱发生频率相差不大，在25.9%～35.1%范围之间，秋季的发生频率范围幅度较大，介于16.7%～40.0%之间，说明秋季干旱发生频率波动性更大。干旱强度趋势变化来看，在年尺度和季节尺度上整体上都呈现一定的增加趋势，其中秋季和年度相对趋势更明显；干旱强度类型上，近50 a研究区年度和四季主要以轻旱和中旱为主，其中季度中重旱和特旱发生次数更多，整体上夏季和秋季干旱强度比另外两个季度和年度表现更强一些。

4　讨论与结论

依据重庆地区34个气象观测站1964—2011年逐月降水数据，采用标准化降水指数(SPI)作为干旱指标，分析重庆地区年和季度干旱发生的频率和干旱强度的演变特征。结果表明，标准化降水指数(SPI)作为一种干旱重建指标，适用于重庆地区，也可以作为气候变化的监测指标。重庆地区干旱发生的频率具有较明显的区域性和季节性；干旱强度趋势变化来看，在年尺度和季节尺度上总体上都呈现一定的增加趋势，其中秋季和年度相对趋势更明显。

(1) 年度干旱(含轻旱及其以上)发生的频率在27.2%～32.4%之间，平均值约为30.3%，干旱、中旱、发生频率较高区域主要集中在研究区的东南部，重旱、特旱在研究区的东北部部分区域和西部少部分区域更常见。从干旱强度来看，近50 a来重庆市的干旱强度介于0～1.59之间，平均干旱强度约为0.93，干旱强度整体上呈现上升趋势，但趋势不明显。

(2) 季节上，春旱(含轻旱及其以上)频率在26.9%～33.1%之间，平均值约为30.6%，各干旱类型空间分布存在差异性；从干旱强度图来看，研究区春季的干旱强度在0～1.68之间，干旱强度有极小的增加态势，除了有6 a春季未发生干旱以外，其他年份都在不同程度上受到干旱的影响。夏季干旱频率范围介于25.9%～35.0%之间，平均干旱频率约为29.9%，干旱频率范围略大于春季干旱频率，平均值略小于春季；夏季的干旱强度，夏季干旱强度在0～2.0之间波动，与春季干旱强度相比，夏季达到了特级干旱程度，夏季干旱强度的趋势虽然呈现略微的增加趋势，但变化不明显。秋季干旱频率范围是4个季度中范围最广的，其最大干旱频率达到40.0%，干旱频率范围为16.7%～40.0%，平均值为31.6%；干旱强度来看，近50 a研究区的干旱强度在0～2.1之间，从无旱到特旱都发生过，从趋势图来看，与其他季节比较，干旱强度增加趋势更明显一些。冬季干旱发生频率与其他3个季节和年干旱频率相当，数值介于31.6%～35.1%之间，平均值约为33.6%，冬季干旱整体上是西部区域发生频率高于东部区域。干旱强度来分析，近50 a研究区冬季干旱强度范围在0～1.6之间，干旱类型从无旱到重旱，从趋势线来看，干旱趋势几乎未发生变化。

基于标准化降水指数(SPI)评价重庆地区干旱发生的频率和强度具有重要的影响，评价结果能够为该地区制定气候变化措施提供一定科学参考。然而，研究中存在一些不足，本研究仅以重庆地区的降水量为基础，分析该地区干旱发生的频率和强度，而未考虑土壤水分、连续无降水日、植被、地形等诸多因素对干旱的影响。因此，结合实际区域的情况，进一步考虑综合植被、土壤相对湿度、连续无雨日、降雨日数、地形等指标对重庆地区的干旱演变特征进行深入全面地研究。

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Temporal and Spatial Patterns of Droughts in Recent 50 Years of Chongqing City Based on Standardied Precipitation Index

SUN Deliang1, WU Jianfeng1,2, LI Wei3, CAO Guangjie4

(1.CollegeofGeographyScience,KeyLaboratoryofGISApplication,ChongqingNormalUniversity,Chongqing40047,China; 2.CollegeofGeography&Tourism,GuizhouNormalCollage,Guiyang,Guizhou550018,China; 3.InstituteofMountainResource,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang,Guizhou550001,China; 4.CollegeofGeography&Tourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China)

[Objective] The evolution of drought frequency and intensity was demonstrated yearly and quarterly in Chongqing City to provide scientific basis and reference for drought mitigation. [Methods] Standardized precipitation index(SPI) drought index method was used, and the monthly precipitation data collected from 34 meteorological stations in 1964—2011 were dealt. [Results] Frequency of drought had obvious regional and seasonal traits. The seasonal frequency of droughts varied differently. In spring, summer and winter, it had a range of 25.9%～35.1%; In fall, it had a big range from 16.7% to 40.0%. Either for yearly drought intensity or seasonal intensity, they both had an overall increasing trend, among which, annual drought intensity and the autumn one were more obvious. In the past 50 years, the study area was prevailed by intensity grades of mild drought and drought, either counted by years or by seasons. Drought occurred in summer and autumn were more severe than that in other seasons and in a whole year. [Conclusion] Standardized precipitation index(SPI) can be used as indicators for monitoring the climate change of Chongqing City. The frequency of drought in Chongqing City has obvious regional and seasonal traits.

drought; standardized precipitation index(SPI); Chongqing City

2015-02-02

2016-03-16

贵州省科技厅自然科学基金项目“基于遥感和GIS技术的喀斯特地区泥石流灾害分布预测及危险度评价”(黔科合J字[2011]2048号)； 国家自然科学基金项目(41271411)； 重庆市自然科学基金(cstc2013jcyjA40047)； 教育部人文社科基金(11YJCZH023)

孙德亮(1976—),男(汉族),山东省临沂市人,博士,副教授，主要从事资源环境遥感与GIS研究。E-mail:892525771@qq.com。

吴建峰(1985—),男(汉族),重庆市人,硕士研究生，助教,主要从事资源环境遥感与GIS研究。E-mail:wujianfeng74623@sina.com。

A

1000-288X(2016)04-0197-07

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