基于SPI指数的近55年河南省干旱时空变化特征

李治国， 朱玲玲， 张延伟， 和鹏飞

(1.商丘师范学院测绘与规划学院，河南商丘 476000； 2.济南大学商学院，山东济南 250022；3.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098)

1900年以来，全球超过20亿人受到干旱的影响，每年因干旱造成的经济损失高达60亿～80亿美元[1-2]，严重破坏粮食安全和生态环境，制约社会经济稳定和发展。2011年世界人口突破70亿，人口增长和消费增长急需稳定充足的食物供给。未来全球很多重要的农业区旱灾频率、强度和持续时间将增加[3]，威胁区域乃至全球的粮食生产和安全。因此，研究粮食产区的干旱时空变化特征非常重要。

标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)可以计算不同种类、不同时间尺度的干旱情况，且计算简单易行，在国内外区域干旱监测中得到了广泛应用[4-6]，揭示不同区域干旱时空变化规律和干旱演变过程的时空差异性。

河南省是黄淮海平原的重要组成部分和中原经济区的主体，是我国重要的农副产品和粮食生产基地。河南省过渡性的气候和地形造成干旱是河南省发生最为频繁、危害最大的自然灾害，在全球变化背景下旱灾呈增加趋势[7-8]，严重影响河南省粮食安全生产和国家粮食核心区建设。已有学者对河南省干旱的总体时空特征进行了较为深入的研究[8-9]，但在干旱的演变趋势、周期性和空间差异等方面仍有深化和拓展的空间。本研究选取SPI指数，结合M-K突变检验法、morlet小波分析法和Hurst指数等分析河南省干旱的时间变化特征，并对未来趋势进行分析，在Surfer11软件支持下探究河南省干旱空间变化特征，对于深入探索河南省干旱时空演化规律具有重要的现实意义。

1 研究区概况

河南省地处中国中东部，界于110°21′～116°39′E和 31°23′～36°22′N之间(图1)，属暖温带和亚热带、湿润和半湿润的过渡气候，年均降水量500～900 mm，由东南向西北逐渐减少[8]。地形总的趋势是西高东低，西北和西部为太行山、伏牛山，南部为桐柏山、大别山，东部为大平原，境内的主要水系有黄河、海河、淮河和长江四大水系。特殊的地理位置和地貌格局使得河南省旱灾频发、时空分布较为复杂。

2 数据及方法

2.1 数据来源

使用1961—2015年河南省气象观测站逐月观测资料计算标准化降水指数，所用数据来自中国气象数据网(http：//data.cma.cn/)。选用17个监测连续的基准站(图1)进行研究，这些站点在研究区均匀分布，具有较好区域代表性。

2.2 研究方法

2.2.1 SPI计算与干旱等级划分 SPI可以用于分析多时间尺度干旱特征，本研究主要分析1、3、6、12个月尺度的SPI值，分别用SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12表示。其中，SPI-3 分别选取5月、8月、11月至次年2月作为河南省季节尺度(春季为3—5月、夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月)的干旱特征分析，SPI-6分别选取8月、次年2月的SPI-6作为河南省半年尺度(夏半年为3—8月、冬半年为9月至次年2月)的干旱特征分析，SPI-12选取12月的SPI-12作为河南省年尺度的干旱特征分析。根据气象干旱等级标准[10]，并将重旱和特旱合并为重旱，对SPI计算结果进行划分：无旱(SPI>-0.5)，轻旱(-1.0

2.2.2 干旱特征研究方法

2.2.2.1 干旱发生频率 干旱发生频率(Pi)是用来评价研究区某站近55年发生干旱的频繁程度，计算公式[9]为：

Pi=ni/N×100%。

(1)

式中：N为计算总年数，N=55；ni为i站出现干旱的年数。根据不同干旱等级的发生年数计算各自的发生频率。

2.2.2.2 Mann-Kendall趋势检验法 Mann-Kendall(M-K)趋势分析法是世界气象组织推荐并被广泛用于实际研究的非参数检验方法，是时间序列趋势分析方法之一。U>0，表示时间序列为上升趋势，为湿润趋势；U<0，表示时间序列为下降趋势，为干旱趋势。本研究计算了12月的 SPI-12 的M-K值用来检验干旱趋势。

2.2.2.3 干旱趋势研究 英国水文专家Hurst在研究尼罗河多年水文观测资料时发现并提出该方法[9]，Hurst指数可以表示为：

lg(R/S)=Hlgτ+Hlgα。

(2)

式中：α为常数；H为赫斯特指数，可根据R/S重标极差序列和子区间长度τ值在双对数坐标系中用最小二乘法拟合回归方程得到。0.5

3 结果与分析

3.1 连旱事件分析

定义单次持续时间超过3个月的干旱事件为1次连旱。河南省各站点、各年代出现的连旱次数和持续时间计算结果见表1。1961—1970年有1个站点(南阳)无连旱，29.4%的站点出现3次以上的连旱，且开封、商丘、西华、安阳、郑州、信阳等6个站点共出现了8次持续时间超过5个月的干旱；29.4%的站点出现2次连旱。1971—1980年(1970s)有4个站点没有出现连旱，70.6%的站点为2次及以下连旱，仅1个站点(信阳)出现了3次连旱，但该年代每次连旱持续时间不超过4月。1981—1990年(1980s)各站点均出现连旱，有29.4%的站点出现了3次及以上的连旱，70.6%的站点有2次及以下连旱，开封、郑州、孟津等3个站点共出现了3次持续时间超过5个月的干旱。1991—2000年(1990s)有1个站点(孟津)无连旱，有52.9%的站点出现了3次及以上连续干旱，其中固始出现了6次连旱，仅驻马店出现了持续时间超过5个月的连旱。2001—2010年(2000s)各站点均出现连旱情况，58.8%的站点出现了3次及以上连旱，商丘和信阳各出现1次持续时间超过5个月的连旱。2011—2015年有18%的站点出现连续干旱，有4个站点没出现连续干旱。1990s年均干旱次数和干旱月份值最高；1970s年均干旱次数和干旱月份值最低；1960s年均干旱次数和月数虽然较小，但单次超过5个月连旱的数量和站点数量多。1990s以来为连旱高发期。

近55年连旱发生次数最多和累计持续月数最多的是郑州站，分别为21次、75个月；其次是固始站，分别为18次、56个月；连旱发生次数最少的是新乡、南阳、三门峡，均为8次；连旱累计持续月数最少的是南阳站，为25个月，其次是三门峡站，为27个月。历时最长的连旱为7个月，分别发生在1968年的郑州站和2001年的固始站。持续干旱时间在5个月以上的连旱出现了14次，其中商丘最多，发生了3次；其次是郑州、开封和信阳，发生了2次，郑州、开封、商丘一带是持续干旱发生的集中地区。

3.2 干旱周期分析

利用小波方法对各站SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12分别进行周期分析，结果见表2。SPI-1出现4～28个月的周期，4月的较普遍；SPI-3出现7～28个月的周期，16个月的较普遍；SPI-6出现16～32个月的周期，16个月的较普遍；SPI-12 出现2～7年的周期，2年的较普遍。SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12的短周期干旱均较多，干旱频发。

3.3 干旱频率分析

3.3.1 干旱频率的时间变化 由图2可知，干旱频率的最大值出现在2011—2020年(2010s)的栾川站，干旱频率达到46.7%；最小值出现在1960s的新乡站，为24.2%。各年代际干旱频率平均值排序为：2010s(36.57%)>1990s(31.67%)>1960s(30.29%)>2000s(29.12%)>1970s(28.77%)>1980s(28.28%)。

3.3.2 干旱频率的空间变化规律 基于各站点SPI-1干旱统计的河南省近55年干旱频率及各等级干旱频率分布见图3。图3-a显示，近55年来干旱频率的高值区域主要位于郑州、栾川、卢氏一带(31.52%～33.64%)，豫北安阳(28.79%)、新乡(27.42%)发生干旱频率较其他地区较低，但17个站点干旱频率平均值为31%，最低值27%，表明河南省各地受干旱影响比较大。分析发现，轻旱频率在 13.03%～17.27%之间波动，高值区集中分布于孟津、宝丰、郑州和开封一带，低值区分散位于南部的南阳和东部的商丘等地(图3-b)；中旱频率在6.97%～11.52%之间波动，高值区分散分布于卢氏、郑州和商丘等地，低值区集中分布于以西华为中心连接新乡和南阳的地带(图3-c)；重旱频率在4.55%～7.12%之间波动，高值区集中分布于以西华为中心的东南部，低值区位于安阳、宝丰为中心的西北部(图3-d)。

表1 各站点不同年代连旱次数和干早持续的时间

注：“—”表示无持续干旱事件。1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2015年分别以1960s、1970s、1980s、1990s、2000s、2010s表示。下表同。

表2 不同时间尺度干旱周期

1961—2015年河南省春旱频率在23.64%～36.36%之间波动，除豫北新乡、豫南西峡春季干旱发生的频率较低外，其余地区干旱发生的频率均较高，最高值在宝丰(图4-a)。轻旱波动范围为7.27%～20.00%，从东向西高值与低值相间分布，最高值也出现在宝丰，最低值出现在西峡(图4-b)。中旱波动范围为3.64%～16.36%，许昌和驻马店一带是显著的高值区，低值分布在周围其他地区(图4-c)。重旱频率波动范围为1.82%～12.73%，高值区分布在河南省西部边缘，最高值出现在西华，最低值出现在许昌(图4-d)。

1961—2015年，河南省夏旱频率在23.64%～38.18%之间波动，总体呈南高北低的空间分布，最低值出现在豫西孟津，最高值出现在豫东西华(图5-a)。轻旱波动范围为 7.27%～25.45%，总体也呈南高北低态势，最低值出现在孟津，最高值出现在南阳(图5-b)。中旱波动范围为 5.45%～14.55%，西峡和宝丰是2个高值区，低值分布在信阳、南阳、栾川一带(图5-c)。重旱波动范围为3.64%～10.91%，高值区分布在郑州、开封一带，最低值出现在西峡、西华和三门峡(图5-d)。

1961—2015年河南省秋旱频率在23.64%～40.00%之间波动，西北高、东南低，最高值在卢氏、孟津，最低值在固始(图6-a)。轻旱频率波动范围为10.91%～29.09%，西高东低，最高值在孟津，最低值在信阳(图6-b)。中旱频率波动范围为3.64%～10.91%，孟津、新乡、安阳一带是高值集中分布区，另外1个高值在驻马店，最低值分布在许昌和固始(图6-c)。重旱波动范围为3.64%～9.09%，高值区分布在河南省东南的西华、固始，最低值出现在孟津、新乡、卢氏、栾川和南阳(图6-d)。

1961—2015年河南省冬旱频率在25.45%～34.55%之间波动，中间低、两侧高，最高值在栾川，最低值在三门峡(图7-a)。轻旱频率波动范围为10.91%～20.00%， 也呈中间低、两侧高趋势，最高值在豫东商丘，最低值在豫北安阳和豫南驻马店(图7-b)。中旱频率波动范围为0.00%～10.91%，最高值出现在栾川和西峡，最低值出现在三门峡(图7-c)。重旱频率波动范围为5.45%～10.91%，南北高、中间低，高值区分布在北部的安阳和西北的三门峡以及西华和驻马店，最低值出现在许昌和商丘(图7-d)。

3.4 干旱趋势分析与预测

Mann-Kendall趋势分析表明，河南省17个站点中有12个站点的SPI-12的M-K值均小于0，分别通过了0.05的显著性检验，卢氏、商丘和西华3个站点的SPI-12的M-K值均大于0，各站SPI-12的M-K平均值也小于0，总体呈干旱化趋势。对各年代SPI-12的M-K值进行分析显示，1960s、1970s、1980s、1990s、2000s以及2011—2015年分别有82%、71%、53%、29%、35%、59%站点出现干旱化趋势。M-K 与Hurst趋势判断综合判断结果见表3，年、春、夏、秋、冬的总体趋势分别为干旱化、干旱化、湿润化、 干旱化和湿润化，秋季所有站点都呈干旱化趋势，干旱特征显著。

表3 1961—2015年河南省年和季节干旱趋势

4 结论

本研究表明，1961—2015年河南省全年、春、夏、秋、冬干旱趋势分别为干旱化、干旱化、湿润化、干旱化和湿润化，秋季所有的站点都呈干旱化趋势，干旱特征显著。1990s以来为连旱高发期，近55年连旱发生次数最多和累计持续月数最多的是郑州站，分别为21次、75个月；连旱发生次数最少的是新乡、南阳和三门峡，均为8次；连旱累计持续月数最少的是南阳站，为25个月。郑州、开封、商丘一带是持续5个月以上的连旱发生的集中地区。各地市SPI-1、SPI-3、SPI-6、SPI-12 的主要周期分别为4、16、16、24个月，短周期干旱较多，间隔时间短，干旱频发。土壤水分、连续无降水日、大气环流和ENSO(厄尔尼诺与南方涛动的合称)对河南省干旱的影响有待进一步研究。

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