干旱指数在四川省的适用性分析

潘妮+卫仁娟+詹存+梁川+徐正东

摘要：干旱灾害频发严重制约着四川省的农业发展，为合理分析四川省干旱情况，干旱指数的选择尤为重要。本文基于四川省39个气象站点1960年-2013年的气象资料，分别计算1961年、1994年、2006年和2009年-2010年各站点相对湿润指数M、气象干旱综合指數CI、标准化降水指数SPI和标准化降水蒸散指数SPEI，利用Arcgis反距离插值法进行空间插值，并与中国气象灾害大典记录的四川省典型年干旱情况进行对比分析，进而评价四种干旱指数在四川省的适用性。结果表明：对于1961年夏旱，M指数和CI指数均表现出无旱或轻旱，SPI指数结果较实际情况偏小，SPEI指数监测出了干旱的重灾区，效果在四个干旱指标中最好；1994年夏伏旱，M指数监测结果偏小；CI指数出现了空报，对川东地区和川西高原的监测结果偏小，SPEI指数在达县、巴中一带结果偏小，而SPI指数在成都、绵阳一带的结果偏小。2006年伏旱，M指数监测结果偏小；CI指数比M指数效果稍好，但结果仍然偏小；SPI指数和SPEI指数监测出的干旱特征与实际一致；2009年-2010年的冬春连旱，SPEI指数效果最好，M指数次之，SPI指数效果最差。SPEI指数最能反映四川省典型干旱年干旱的空间分布特征。

关键词：四川省；干旱；相对湿润指数M；标准化降水指数SPI；标准化降水蒸散指数SPEI；气象干旱综合指数CI

中图分类号：S42 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0071-08

Abstract：The selection of drought indexes is very important to the reasonable analysis of drought situation in Sichuan Province.Based on the daily meteorological data from 1960 to 2013 of 39 meteorological stations of Sichuan Province，we calculated the Relative Humidity Index （M），Composite Index of Meteorological Drought （CI），Standardized Precipitation Index （SPI），and Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index （SPEI） of each station in 1961，1994，2006，and 2009-2010.We used inverse distance interpolation of Arcgis to conduct spatial interpolation，and compared the situation with the records of typical Sichuan drought disasters in the Encyclopedia of Meteorological Disasters in China.Thus，we evaluated the applicability of the four drought indexes in Sichuan Province.Results showed that：for the summer drought in 1961，the M index and CI index both indicated no drought or slight drought；the results of SPI index were smaller than the actual situation；and SPEI index reported the severely afflicted areas，showing the best effect of the four indexes.For the summer drought in 1994，the monitoring results of M index were small；CI index made false prediction，and reported smaller results in the eastern Sichuan area and western Sichuan Plateau；SPEI index showed smaller results in Bazhong and Daxian；and SPI index showed smaller results in Chengdu and Mianyang.For the midsummer drought in 2006，the results of M index were small；the results of CI index were a little better than M index，but were still smaller than the actual situation；the monitoring results of SPI and SPEI were in accordance with the actual situation.For the winter to spring drought in 2009 and 2010，SPEI showed the best results，M index came second，and SPI index was the worst.In a word，SPEI was the best drought index reflecting the spatial distribution of droughts in Sichuan Province.

Key words：Sichuan Province，drought；relative humidity index M；composite index of meteorological drought；standardized precipitation index；standardized precipitation-evapotranspiration index

由于全球气候的持续变暖，极端气候事件频繁发生，青藏高原周边地区气候异常现象出现频率增大，，其中干旱发生频率上升趋势尤为明显，制约着经济社会的可持续发展，影响了人类正常生产和生活[1-3]。在众多极端气候事件中，干旱灾害以其持续时间长，致灾范围广、发生频率大等特点被认为是最严重的自然灾害之一[4]。四川盆地地处青藏高原与长江中下游平原之间的过度区，受复杂地形及大气环流季节转换的影响，四川省干旱频繁发生，严重破坏该农业大省的农业和经济发展。因此，研究干旱对于四川省防旱减灾具有重要意义[5-6]。

干旱指标是描述干旱特征的量，是定量研究干旱的基础。不同地区由于气象、水文和下垫面条件的不同造成了干旱成因的复杂性，因此，不同地区和不同特征的干旱情况难以用一种特定干旱指标描述，即干旱指标具有不同时空尺度，是在特定的区域和时间上建立的[7-8]。气象干旱指标是基于气象观测站不同时间尺度的数据，利用数学、物理等方法进行干旱指标的计算，用于监测特定地区特定时段由于气候异常而出现的干旱[9]。1965年，Palmer提出了干旱指数PDSI，该指数具有明确的物理意义，综合考虑了水分蒸发、径流、土壤前期降水量、水分转化以及水分供求对后期的影响，然而，Palmer干旱指数也有其局限性，该指数是为处理半干燥和干湿气候区的干旱问题而设计的，前提是降水是该地区唯一或者主要来源[10]。1980年，Bhalme和Mooley提出Bhalme-Mooley干旱指标BMDI，该指标以月尺度的降雨资料进行计算，并且考虑了降水量的年内分配，与采用年尺度降水量的指标相比较，其计算更为合理[11-12]。湿润度指数M于1992年由Humle提出，该指数为降水量和蒸发能力的比值[13]。姚玉壁，王劲松等将干燥度定义为多年平均水面蒸发量和多年平均降水量的比值，并在此基础上重新定义相对湿润指数M，确定干旱等级，广泛应用于西南地区的干旱监测[14]。Mckee（1993，1995）定义的标准化降水指数SPI是實测降水量相对于降水概率分布函数的标准差。其计算简单，对干旱较为敏感，可以进行多尺度干旱分析，广泛应用于美国干旱监测研究[15]。2010年，Vicente-Serrano等引入潜在蒸散量，在标准化降水指数SPI的基础上构建了基于气候变暖背景的标准化降水蒸散指数SPEI，目前广泛应用于气候变化背景下的干旱分析中[16]。基于国外的干旱指标的研究，张强等提出了综合干旱指数CI[2，17]，该指数综合考虑了相对湿润指数M和标准化降水指数SPI指数，适用于中国研究，已被广泛应用[18]。本文基于国内外应用最广泛的四种干旱指数：标准化降水指数SPI、相对湿润指数M、气象干旱综合指数CI和标准化降水蒸散指数SPEI，结合中国气象灾害大典和中国气象局干旱灾害数据集记载，对比分析四川省干旱特征，分别选择1961、1994、2006、2009年-2010年等干旱灾害影响严重的年份作为干旱典型年，利用典型年的降水和气温资料，分析四种干旱指标在四川省的适用性，并选取最适合四川省的干旱指标。

1 区域概况

四川省位于我国西南部，地理位置为东经97°21′-108°31′，北纬26°03′-34°19′，地处长江上游，地势呈西高东低走势，地貌类型以平原、丘陵山地和高原为主，东部为四川盆地，盆周为山地，西部是向青藏高原过度的川西高原[19]。四川省位于低纬度地区，气候类型为亚热带气候，气候上明显分为西、东两大部分，受东南和西南季风的共同影响。区域分布上，盆周山区降水相对丰沛，多年平均降水量介于1 200～1 600 mm，川西北高原、盆地腹部、金沙江干热河谷降水量较低，降水量介于300～800 mm之间。年流出省境水量3 800多亿m3[20]。四川省地理位置见图1。

2.2.3 标准化降水蒸散指数SPEI

标准化降水蒸散指数SPEI[16]，是在SPI指数的基础上，通过引入潜在蒸散而构建。月平均降水和气温作为标准化降水蒸散指数SPEI计算的输入，计算得月降水与潜在蒸散的差值，并对差值做标准化处理，使其在不同地域间可以作比较，其步骤参考文献[6]。

SPEI划分的干旱等级[26]见表3。

3 结果与分析

3.1 四川省典型年干旱分析

1961年四川盆地发生严重夏旱，主要分布在内江、成都、自贡区（市）、温江、绵阳、宜宾、达县、南充5专区大部，雅安、乐山两专区的局部，共115县（市），旱期长达20～29 d的有42个县（市），30～39 d的有25个县（市），40～52 d的有24个县[28]。[HJ2.1mm]

1994年四川盆地发生大范围严重夏伏连旱，夏旱主要分布在宜宾、自贡、遂宁、绵阳、德阳、内江、南充7地，乐山、广元、泸州、广安、巴中、雅安、成都大部分地方以及万源。伏旱主要分布在自贡、绵阳、遂宁、广元、巴中、南充、达州和广元、德阳、内江、泸州及雅安、成都、宜宾、乐山等地方[14]。

2006年四川盆地伏旱，四川省东部被高温天气笼罩，广安、遂宁、内江、泸州、资阳五市和宜宾、自贡、南充三市大部、达州市及三台、巴中共45县（市）7yue -8月日极端最高气温均突破40 ℃，特别是四川省东部和中部地区，温度平均偏高3～4 ℃[29]。

2009年冬季-2010年春季冬春连旱，四川省有13个市（州）、71个县、市（区）受灾，攀枝花，凉山州占受灾人数大部，直接经济损失13.8亿元[30]。

3.2 典型年干旱指数对比分析结果

分别计算1961年、1994年、2006年、2009年-2010年的相对湿润指数M、标准化降水指数SPI、标准化降水蒸散指数SPEI、和气象干旱综合指数CI，并利用Arcgis进行空间插值作四种干旱指数在四川省各典型年的空间分布，见图2-图5。

由图2可以看出，整个四川，相对湿润指数M和气象干旱综合指数CI均表现为无旱或者轻旱，不能反映出典型年1961年5月-6月四川省的夏旱特征，特别是未能反映此次干旱灾害的重灾区（川东地区）的干旱特征。相对而言，标准化降水指数SPI和标准化降水蒸散指数SPEI对1961年干旱的监测效果较好，SPI指数监测出了高坪、宜宾、内江等重旱区，而对达县、绵阳和雅安部分地区的监测结果较实际情况小，川西地区的甘孜、道孚等地以及川西南地区监测结果偏高。SPEI指数监测出了1961年四川省夏季干旱的重灾区内江、成都、自贡区（市）、温江、绵阳、宜宾、达县、南充等地，同时也监测出了雅安、乐山东部地区的干旱特征，效果在四个干旱指标中最好。

由图3可知，M指数的效果最差，在川东地区的重旱区出现空报，对整个四川省的干旱监测结果偏小，未能反映出此次夏伏连旱的特征。CI指数效果次之差，对雅安、成都等地出现了空报，对川东地区和川西高原的监测结果偏小。SPI指数和SPEI指数对1994年夏伏连旱的监测效果最好，均能够反映出此次干旱的特征，相比较而言，SPEI指數在达县、巴中一带结果偏小，而SPI指数在成都、绵阳一带的监测结果偏小。

由图4可以看出，M指数的效果最差，对2006年伏旱监测结果整体偏小，川中部分地区出现漏报，川中丘陵区及川西南山地地区干旱强度监测结果偏小；CI指数比M指数效果稍好，虽然监测出了川西南山地和川中丘陵区的干旱，但监测出的干旱强度较实际情况仍然偏小；SPI指数和SPEI指数监测出的干旱特征与实际的干旱结果一致，SPI指数对达县、成都、叙永附近出现了轻报，而对乐山的部分地区出现了重报。

2009年-2010年的冬春连旱主要发生在川南地区的攀枝花、凉山一带，干旱等级达到重旱。由图5可以看出，SPEI指数效果最好，M指数次之，SPI指数效果最差。M指数和SPEI指数可以反映攀枝花和凉山一带的干旱特征。M指数对川西北高原和川中丘陵区形成重报，SPI指数和CI指数未能监测出攀枝花地区的重旱，SPI指数对川北若尔盖等地监测结果偏小。

4 结论

通过计算四川省各气象站点四种干旱指数，利用Arcgis进行四种干旱指数的空间分析，并与中国气象灾害大典记录的四川省典型年干旱情况进行对比分析，得出以下结论：

（1）对于1961年夏旱，相对湿润指数M和气象干旱综合指数CI均表现出无旱或者轻旱，标准化降水指数SPI和标准化降水蒸散指数SPEI对此次干旱的监测效果较好，SPEI指数监测效果在四个干旱指标中最好。

（2）1994年夏旱，M指数的效果最差，CI指数效果次之差，SPI指数和SPEI指数对1994年夏伏连旱的监测效果最好。

（3）2006年伏旱，M指数的效果最差，CI指数比M指数效果稍好，SPI指数和SPEI指数监测出的干旱特征与实际的干旱结果一致。

（4）2009年-2010年的冬春连旱，SPEI指数效果最好，M指数次之，SPI指数效果最差。

综合而言，SPEI指数是四个指数中最能描述四川省典型年干旱空间分布的干旱指标，相较而言是最适合四川省的干旱指标。干旱指数适用性研究为合理分析四川省干旱提供基础，对推进四川省农业发展有重要的研究意义。

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