基于SPI指数对天柱县近52年的旱涝特征分析

田孟勤 张杰 罗阳 沈扬迪 吴有恒

摘要：基于1961年～2012年天柱县的逐月降水资料，根据标准化降水指数SPI分析了天柱县近52年来的旱涝变化状况。研究结果表明：天柱县近52年干湿变化的主要特点从特旱到特涝再到特旱，这种极端的旱涝转换共经历了4次，基本上每年内都有不同程度的季节性干旱和湿润，年均干旱月数为3.5个月，年均湿润月数为4.0个月;干旱期主要集中在20世纪60年代前期（1961年～1963年），20世纪80年代，20世纪90年代后期（1995年～1999年）以及21世纪初，湿润期主要集中在20世纪60年代中期（1964年～1967年），20世纪70年代和20世纪90年代前期（1991年～1994年）;干湿变化具有阶段性特征，20世纪60～70年代相对较为湿润，20世纪80年代全县向干旱方向发展，20世纪90年代全县持续湿润，进入到21世纪后，全县由极端湿润向极端干旱发展。政府部门根据旱涝特征，结合当地情况，因地制宜、旱涝兼治、兴修水利，以降低旱涝灾害对农业生产和人民生活带来的不利影响。

关键词：标准化降水指数;旱涝;天柱县

中图分类号： P462                                 文献标识码：  A                   DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2019.14.073

干旱作为常见的气象灾害之一，具有持續时间长，影响范围广等特点，而干旱的成因极其复杂，所以学术界还未能对干旱进行全面精确的定义。目前，世界气象组织承认的几种干旱类型中就包括气象干旱，而气象干旱也是我国当前面临的主要气象灾害。2013年政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，以下简称IPCC）发布了第五次气候变化评估报告（the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change，简称AR5）[1]，IPCC在报告中指出：过去1400年来全球气候变暖，气温将不断升高，干旱风险持续增加。旱涝指标可以反映一个地区的降水情况，因此，可用来分析区域气候的干湿变化以及水资源的变化趋势。目前，被广泛使用的干旱指标有很多，比如帕默尔指数，降水距平百分率，Z指数和SPI指数。侯英雨[2]在对干旱指数进行研究后发现：帕默尔指数考虑因子全面，但时间相对滞后，计算复杂。袁文平[3]等比较了Z指数和标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，以下简称SPI）后认为，SPI指数能够较好地反映和预测旱涝灾害。徐德智[4]应用SPI指数对黔东南州干旱特征进行分析，发现其能有效地反映黔东南州各时段的旱涝情况。

天柱县位于黔东南州东部，年均降水量1220mm左右，多年平均气温16℃左右，为亚热带季风气候，其境内多低山丘陵，山高坡陡，并受水土流失的影响，全县森林覆盖率不高。近年来，随着全球气候持续变暖，气温不断增加，天柱县大范围干旱、旱涝急转等事件日益加剧。因此，运用SPI指数对天柱县近52年来的旱涝特征进行分析，研究旱涝特征的变化规律，不仅能够为防灾减灾提供理论依据，更可以为政府提前应对全球气候变化服务。

1 资料和方法

本研究采用了黔东南州天柱县1961年～2012年的气象观测资料，主要选取月累计降水资料，对所缺数据进行了气象标准化处理。

标准化降水指数SPI[5]由McKEE等在1993年提出，多运用于研究某个地区在有降水记录的背景下，特定时间尺度上的降雨异常事件。其原理为采用伽马函数对降水时间序列进行拟合，然后，经过标准化处理求得SPI。该指标适合于月以上尺度资料，考虑到降水为造成农业干旱的主要影响因素，本文着重分析SPI指数的时间尺度确定为3个月，具体原理及计算方法如下：

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式中：x为累计降水量，■为伽马函数;α为形状函数，α>0;β为尺度参数，β>0;x为降水量，x>0。

对α，β采用最大概似估计（Maximum Likelihood）进行计算：

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式中：n为计算系列的长度。于是，给定时间尺度的累计概率为：

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令t=x/β，上面公式则转换为不完全的欧拉第二积分：

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由于伽马方程不包含x=0的情况，而在日常观测中，降水量是可以为0的，所以累计概率可表示为：

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式中，q为降水为0的概率。如果m表示时间系列中降水为0的数量，则q=m/n。累计概率H（x）可以采用下列公式变化为标准正太分布函数：

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C0=2.515517，C1=0.802853，C2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

SPI的计算过程运用fortran软件编程实现，SPI划分标准[6]见表1。

表1  SPI干旱等级划分

2 结果与分析

2.1 各年度干湿特征分析

利用1961年～2012年3个月时间尺度的SPI指数，对天柱县的干湿特征进行分析，图1为1961年～2012年天柱县的逐月SPI时间序列变化曲线，对图1进行分析可以得出：天柱县近52年来旱涝特征的转换较大，主要特点从特旱到特涝再到特旱，这种极端的旱涝转换一共经历了4次，分别为1962年～1965年、1972年～1975年、1988年～1992年和2007年～2011年。这种极端的旱涝急转，由于变化快，急转过程中前期的干旱容易使人产生错觉，放松防灾减灾的警惕思想，再加上天柱县境内多低山丘陵、山高坡陡、水土流失严重、森林覆盖率低，若集中强降水发生后，容易造成山洪、滑坡、泥石流，对人的生命和生产建设安全构成重大的威胁。

天柱县的干旱期主要集中在20世纪60年代前期（1961年～1963年），20世纪80年代，20世纪90年代后期（1995年～1999年）以及21世纪初，严重的干旱对天柱县农业、工业、社会生产和居民生活造成了严重的影响，其他年代也偶尔有干旱年份出现，例如，70年代的1974年冬旱、1978年的春夏连旱，20世纪90年代的1992年的秋旱和1994年的冬旱。持续干旱时间较重的时段有：1963年3月～8月，1985年6月～9月，1988年4～8月，2007年9月～12月和2009年10月～2012年3月。

天柱县的湿润期主要集中在20世纪60年代中期（1964年～1967年），20世纪70年代和20世纪90年代前期（1991年～1994年）。持续湿润较重的时间段有：1964年1～5月，1972年10月～1973年1月，1982年9月～1983年2月以及1991年1月～3月。

2.2 干湿月数及频率变化特征

图2是1961～2012年不同等级干旱时间变化序列图，图3为1961年～2012年不同等级湿润时间变化序列图。对图2进行分析，可以得知：天柱县52a来的年均干旱月数为3.5个月/年，其中，轻旱月占比最重，为1.4个月/年，中旱月占比最轻，为0.3个月/年，而重旱月为1.2个月/年，特旱月数为0.6个月/年。对图3进行分析，可以得知：天柱县52年来的年均濕润月数为4.0个月/年，其中，轻湿占比最多，为2.3个月/年，中湿占比最少，为0.2个月/年，而重湿为1.0个月/年，特湿0.5个月/年。

根据定义将SPI<-0.5记为干旱，而将SPI>0.5记为湿润，为了进一步对干湿发生频率进行分析，对天柱县逐月干湿发生次数分别进行统计，结果见表2。由表2得知，天柱县干湿月的发生频率比较接近，干旱频率在25%（13/52）～33%（17/52）之间，湿润频率在28%（15/52）～36%（19/52）之间。52年间，2月、5月、9月、10月和12月的干旱湿润发生频率之间相差超过3个月，其他各月干旱湿润发生频率基本相同，但是各年代际间的月、季干旱湿润发生频率区别较大。52年来各年代干湿发生的频率比分别为27%/32%（20世纪60年代），23%/37%（20世纪70年代），34%/32%（20世纪80年代），26%/40%（20世纪90年代），36%/29%（2001年～2012年）。说明2001年～2012年天柱县干旱比较严重，1980年代干旱比较轻，而其他年代相对湿润。

3 结论与讨论

本文采用天柱县1962年～2012年逐月降水资料，将标准化降水指数（SPI）作为旱涝指标对天柱县52年来旱涝特征进行分析，结论为：天柱县近52年干湿变化的主要特点从特旱到特涝再到特旱，这种极端的旱涝转换一共经历了4次，基本上每年内都有不同程度的季节性干旱和湿润，年均干旱月数为3.5个月，年均湿润月数为4.0个月;干旱期主要集中在20世纪60年代前期（1961年～1963年），20世纪80年代，20世纪90年代后期（1995年～1999年）以及21世纪初，湿润期主要集中在20世纪60年代中期（1964年～1967年），20世纪70年代和20世纪90年代前期（1991年～1994年）;干湿变化具有阶段性特征，20世纪60年代、70年代相对较为湿润，20世纪80年代全县向干旱方向发展，20世纪90年代全县持续湿润，进入到21世纪后，全县由极端湿润向极端干旱发展。因此，政府部门根据分析的旱涝特征，结合当地情况，因地制宜、旱涝兼治、兴修水利以减轻旱涝灾害对农业生产和人们生活带来的不利影响。

参考文献

[1]ALEXANDER L， ALLEN S， Bindoff NL， et al.Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report Climate Change 2013： The Physical Science Basis Summary for Policymakers，2013，Sweden.

[2]侯英雨，何延波，柳钦火，等.干旱监测指数研究[J].生态学杂志，2007，26（06）：892-897.

[3]袁文平，周广胜.标准化降水指数与Z指数在我国应用的对比分析[J].植物生态学报，2004，28（04）：523-529.

[4]徐德智，张杰，杨帆，罗岚心.基于SPI的黔东南州近52 年的干旱特征分析[J].贵州气象，2015，39（01）：9-13.

[5]Edwards D C，McKee T B.Characteristics of 20th Century Drought in the United States at Multiple Time Scales[R].Fort Colling： Department of Atmospheric Science Colorado State University，1997.

[6]国家气候中心，中国气象科学研究院，国家气象中心，等.GB/T 20481-2006气象干旱等级[S].北京：中国标准出版社，2006.

作者简介：田孟勤，本科学历，助理工程师，研究方向：应用气象研究。