基于SPI指数的四川省甘孜州干旱演变规律分析

2018-11-14丹东

水利规划与设计 2018年10期

丹东

(甘孜州巴塘县水务局，四川巴塘 627650)

干旱是指某一地区长期无雨或高温少雨，导致空气和土壤水分缺失的现象，具有出现频率高、持续时间长、波及范围广的特点。干旱是人类历史上面临的最长久、最严重的自然灾害之一[1]，不仅会带来社会经济方面的损失，还会引发荒漠化加剧、沙尘暴频发等生态环境问题[2- 3]，因此干旱问题研究一直是水利领域的重点课题。近几十年，受气候变化与人类活动的影响，世界各地的干旱频率、持续时间与波及范围均出现了较为明显的变化[4]，因此，有必要对干旱演变规律进行分析。目前，干旱演变规律的评估可以基于许多不同的方法，如水文模型法[5]、Z指数法[6]、非参数化综合法[7]等，其中SPI指数法具有灵活性强、计算简单、数据需求少等优点，成为国际上最为流行的干旱指标之一。目前，基于SPI指数的干旱演变规律研究在我国引起越来越多的重视[1，8- 9]，但在四川高原藏区的应用则几乎没有，因此本文选取甘孜藏族自治州1973年1月1日至2017年12月31日近45年的逐日降水数据，计算5个不同时间尺度的SPI指数，并根据计算结果对甘孜州的干旱年际、季节、月际演变规律进行分析，从而为四川高原藏区的干旱研究提供经验，并为甘孜州的抗旱减灾工作提供有效的科学依据。

1 分析方法

1.1 研究区域概况

甘孜藏族自治州位于四川省西部，地处青藏高原东南缘，横断山脉北段，云贵高原与四川盆地过渡带，属川西高原高山深谷区。总面积14.97万km2，人口116.49万，其中藏族人口占78.3%。甘孜州位于亚热带气候区，由南到北，从深谷到极高山，呈现出亚热带、暖温带、寒温带、亚寒带乃至高山永冻带等完整的气候带谱。干、雨季分明，光照强度大，日照丰富；冬季半年寒冷、干燥、降雨稀少、多大风。除河谷地带的年平均气温在10℃以上外，州内其余地区均在10℃以下，常年日照时数一般为1700～2600h，年平均降水量一般在600～900mm之间。

1.2 SPI指数

SPI指数(The Standardized Precipitation Index)是由美国科学家McKee等人[10]于1993年开发的一种干旱指数，主要是用特定的分布概率来描述降水量的变化，具有功能强大、应用灵活、计算简单、数据需求少等优点。目前，全球超过70个国家的科研机构和气象、水文部门已将SPI指数作为干旱监测和预警工作的一部分予以应用[11]，SPI指数法在我国也得到了越来越广泛的认可与重视，但在四川高原藏区的应用则几乎没有。

计算SPI指数，首先是采用特定的函数(本文选取最常用的函数，即Gamma函数)拟合降雨时间序列：

(1)

式中，x—降雨量；β—时间尺度参数，α>0—谱轮廓参量，Γ(α)—Gamma函数。

本文分别选取1个月、3个月、6个月、9个月和12个月共5种不同的时间尺度，采取最大似然法估算上述参数α和β，其计算公式为：

(2)

(3)

(4)

式中，n—降雨观测数据组数。

基于以上方程，可以用累计概率方程表示降水的分布情况，其表达式为：

(5)

最后，对累计概率进行标准化处理，则得到最终的SPI值，而SPI值与干旱等级的关系可表示为：

(6)

2 分析结果

2.1 SPI指数计算结果

选取甘孜州1973年1月1日至2017年12月31日近45年的逐日降水数据，采用MATLAB软件计算出1973年1月至2017年12月共540个月份的逐月降水量。根据公式(2)—(6)计算出不同时间尺度下的SPI值，分别称为“SPI- 1”、“SPI- 3”、“SPI- 6”、“SPI- 9”、和“SPI- 12”，其中数字表示时间尺度，单位为“月”。近45年的逐月SPI指数计算结果如图1所示。

图1 四川省甘孜州近45年SPI指数计算结果

根据图1可知，采用不同时间尺度计算的SPI结果在总体趋势上保持一致，但在数值大小上存在一定的差别。总体而言，当时间尺度较短时，SPI值的浮动范围较大，主要是因为短时间尺度的SPI指数受短期降水的影响比较大，因此更适宜反映短时间内的降水量变化情况，如SPI- 1可成功捕捉到研究时间范围内第12和第20个月的特旱事件，而其它时间尺度的SPI值则无法对此进行识别。长时间尺度的SPI指数受短时间降水的影响较小，因此其变化比较平缓，无法追踪短期的降水变化，因此其周期性更为明显，可较为清楚地体现出长期的旱涝演变规律。因此，在基于SPI指数进行干旱演变规律分析时，须根据分析目的不同而选取适宜的时间尺度。本文分别研究甘孜州的年际、季节、和月际干旱演变规律，因此分别选取SPI- 1、SPI- 3、和SPI- 12的计算结果进行分析。

2.2 干旱年际演变规律分析

根据图1所示的SPI- 12计算结果，计算各年内的逐月SPI指数的平均值，得到1973—2017年共45年的年均SPI指数，结果如图2所示。

图2 四川省甘孜州近45年年均SPI指数时间序列

图中点实线为SPI时间序列，表示SPI的逐年变化情况；点虚线为5年滑动平均值，可表示SPI指数的中期变化趋势；而虚线为线性趋势线，表示45年内的整体变化趋势。结果表明，在1973—1993年近20年的时间内，甘孜州的SPI指数均大于或接近于0，说明此期间干旱年份的出现频率较低且其干旱程度也较轻，但自1994—2004年近10年时间内，甘孜州的干旱状况明显恶化，期间内的SPI指数均小于0，出现连续的干旱年份，且其干旱等级也较高。自2005年至今，甘孜州的干旱状况相对于前一阶段的10年有所好转，SPI指数在0上下浮动，干旱频繁但程度较轻。线性趋势线整体呈现下降趋势，说明在近45年内，甘孜州的干旱状况整体呈现恶化趋势，因此该地区应加强抗旱减灾工作以应对日益严重的旱灾风险。SPI指数序列的倾向率为-0.0202，说明其SPI指数平均每年下降约0.02。

2.3 干旱季节演变规律分析

对各月份按季节进行划分，本文将春、夏、秋、冬的月份确定为3—5月、6—8月、9—11月、12—2月。对图1所示的SPI- 3计算结果按季节进行汇总，再分别统计各季节内不同等级干旱出现的频率，结果如图3所示。

图3 四川省甘孜州近45年不同等级干旱事件的发生频率

从图3可知，甘孜州在各个季节出现干旱事件的频率较为接近，其中出现秋旱的概率最高，为29.63%，因此应探索积极的措施来重点改善该地区的秋旱问题；春旱次之，为28.88%，夏旱出现的概率相对前者较少，为26.67%，而冬旱出现频率最低，为24.81%。

2.4 干旱月际演变规律分析

对图1所示的SPI- 1计算结果按月份进行划分，得到各个月份的SPI指数变化曲线，如图4所示。

图4 四川省甘孜州近45年月均SPI指数时间序列

对图4所示数据进行分析可知，“M8”曲线各数值的平均值最大，为0.00024，而“M4”曲线各数值的平均值最小，为-0.89，由此可知在近45年内，甘孜州在8月份的干旱状况平均最好，而在4月份最差；3—6月的平均值小于0，说明甘孜州在这些月份总体上处于干旱状态，而其它月份均为正值，即总体上处于非干旱状态。对各个月份的SPI时间序列分别做趋势分析，可知1月、8月、11月、和12月份的SPI指数呈现上升趋势，其中12月份的上升速度最快，年均上升率为0.013；其它各月份的SPI指数呈现下降趋势，其中3月份的下降速度最快，年均下降率为0.042。综上，大多月份的干旱状况呈恶化趋势，且演变幅度不同，因此在注重水资源开发与保护的同时，也应该优化各月份之间的水资源调配工作以得到最大的综合效益。