基于SPI的怀化市气象干旱时空特征分析

张 坤，欧小锋，王新发

(湖南省怀化市气象局，湖南 怀化 418000)

0 引言

气象干旱是指某时段内，由于蒸发量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象。目前，国内外评价气象干旱的指标有Palmer指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)、Z指数、水分亏缺指数和干燥度指数等[1]。其中，标准化降水指数(SPI)可消除降水的时空差异，对干旱变化反映敏感，具有多时间尺度的计算特性及资料来源方便等优势，是目前应用最广泛的气象干旱指标之一[2]。同时，许多专家学者开展了对某一区域的干旱特征及趋势的分析。怀化市属中亚热带季风湿润气候，小气候多样，垂直差异大，山地气候带明显，自然灾害频发[3]。因此研究气象干旱时空变化特征，揭示其时空演变规律，对加强气象防灾减灾工作，减少干旱对农牧业生产影响具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 数据来源

数据来源于1962—2015年怀化市11个气象台站(沅陵、辰溪、溆浦、怀化、芷江、新晃、麻阳、洪江、会同、靖州、通道)逐月降水数据。怀化市气象站点分布如图1所示。

图1 怀化市气象站点分布图Fig.1 Distribution Map of Meteorological Stations in Huaihua City

1.2 标准化降水指数(SPI)

根据《气象干旱等级GB/T 20481-2017》[4]的定义，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，其适用于月以上尺度相对于当地气候状况的干旱监测与评估，根据SPI值的干旱等级划分，如表1所示。

表1 标准化降水指数SPI干旱等级划分Tab.1 Standardized Precipitation Index SPI Drought Classification

1.3 干旱评价指标

本文基于干旱频率、干旱强度两个评价指标，采用线性趋势分析、滑动平均、GIS空间分析等方法对怀化市干旱特征进行分析，各指标具体定义[5]如下：

①干旱频率(Pi)：表示干旱发生的频繁程度，即干旱发生的年数与总样本数之比。为便于比较，本文所指干旱频率是指轻旱以上(含轻旱)干旱发生的频率，中旱频率是指中旱以上(含中旱)干旱发生的频率，重旱频率是指重旱以上(含重旱)干旱发生的频率，特旱频率是指特旱发生的频率。

②干旱强度(H)：用于描述干旱的严重程度，单站某时段内的干旱强度一般可直接由标准化降水指数SPI直接反映。

2 怀化市气象干旱时空特征分析

2.1 干旱频率时空分布特征

2.1.1 年干旱频率时空分布特征 根据干旱等级划分和干旱频率定义，1962—2015年怀化市年尺度整体干旱频率(轻旱及以上干旱发生频率，下同)为29.6%，中旱频率14.8%，重旱频率5.6%，特旱频率3.7%。从不同等级干旱频率空间分布看(图2)，1962—2015年怀化干旱频率在24.1%～33.3%之间，频率较高的地区主要在靖州及通道，芷江、麻阳及会同等区域次之；中旱频率在11.1%～16.7%之间，频率较高的地区主要是沅陵、新晃及通道，溆浦、芷江、会同等区域次之；重旱频率在1.9%～7.4%之间，频率较高的区域主要为辰溪，沅陵、新晃、洪江等区域次之；特旱频率在0.0%～3.7%之间，频率较高的区域为芷江、麻阳、洪江、辰溪以及怀化城区。

图2 怀化市年干旱频率空间分布(a.干旱频率；b.中旱频率；c.重旱频率；d.特旱频率)Fig.2 Spatial Distribution of Annual Drought Frequency in Huaihua City (a. Drought Frequency; b. Moderate Drought Frequency; c. Severe Drought Frequency; d. Special Drought Frequency)

2.1.2 季干旱频率时空分布特征 统计可知，怀化市1962—2015年春季干旱频率(轻旱及以上干旱发生的频率，下同)在25.9%～37.0%之间，平均值为30.3%，中旱频率在11.1%～18.5%之间，平均值为15.7%，重旱频率在3.7%～9.3%之间，平均值为6.1%，特旱频率在1.9%～5.6%之间，平均值为2.7%，从图3a可知，春季干旱频率较高的区域为怀化北部的沅陵；夏季干旱频率在27.8%～33.3%之间，平均值为30.8%，中旱频率在11.1%～18.5%之间，平均值为15.2%，重旱频率在5.6%～9.3%之间，平均值为7.6%，特旱频率在0.0%～3.7%之间平均值为2.0%，从图3b可知，夏季干旱频率较高的区域为洪江及南部的靖州；秋季干旱频率在27.8%～35.2%之间，平均值为31.1%，中旱频率在11.1%～20.4%之间，平均值为15.8%，重旱频率在5.6%～9.3%之间，平均值为6.6%，特旱频率在0.0%～3.7%之间，平均值为2.0%，从图3c可知，秋季干旱频率较高的区域为芷江和洪江；冬季干旱频率在27.8%～35.2%之间，平均值为30.0%，中旱频率在11.1%～16.7%之间，平均值为14.0%，重旱频率在5.6%～9.3%之间，平均值为6.6%，特旱频率在0.0%～3.7%之间，平均值为1.9%，从图3d可知，南部的会同干旱频率最高。

2.2 干旱强度时空分布特征

2.2.1 年干旱强度时空分布特征 从图4a可知，1962—2015年怀化市年干旱强度(SPI值，下同)在-2.5～1.9之间，变化趋势不显著，变化率仅为0.01/10 a，但干旱强度年际波动较大，1962—2015年怀化市共16 a发生干旱，干旱频率为29.6%，其中1978年发生重旱，1985年、2011年发生特旱。从5 a滑动曲线可知，1969年之后怀化市SPI值急剧下降，干旱增加趋势显著，并一直持续到1985年，1985—1995年SPI呈增加趋势，1995—2011年SPI值呈明显下降趋势，说明在此阶段怀化市干旱增加趋势显著。从干旱强度变化趋势的空间分布(图4b)可以看出，1962—2015年怀化市干旱强度变化趋势空间上分布在-0.08/10 a～0.05/10 a之间，干旱强度显著增加(SPI值减小)的区域为北部的沅陵、南部的靖州及芷江区域，其他区域SPI值基本呈增加趋势，即干旱强度呈减弱趋势。

2.2.2 季干旱强度时空分布特征 从图5a可知，1962—2015年怀化市春季干旱强度在-2.4～2.1之间，呈显著增加趋势，共14 a发生干旱，其中，1986年发生重旱，2011发生特旱，从5 a滑动曲线可知，1974—1988年怀化市SPI值急剧下降，干旱强度呈增加趋势，1988—2013年，SPI值呈增加趋势，干旱强度持续减弱。从图6a可以看出，干旱强度变化趋势空间上分布在-0.19/10 a～0.01/10 a之间，除通道部分区域外，怀化市大部分区域干旱强度呈显著增加(SPI值减小)的趋势。

图3 怀化市季干旱频率空间分布(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.3 Spatial Distribution of Drought Frequency in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

图4 怀化市年干旱强度年际变化趋势及空间分布(a.年际变化趋势；b.空间分布)Fig.4 Interannual Variation Trend and Spatial Distribution of Annual Drought Intensity in Huaihua City (a.Interannual Variation Trend; b.Spatial Distribution)

从图5b可知，夏季干旱强度在-2.4～2.0之间，SPI值呈增加趋势，干旱强度呈减弱趋势，共13 a发生干旱，其中3 a发生重旱，分别是1963、1978及1981年，2 a发生特旱，分别是1972、 2013年，从5 a滑动曲线可知，1985—1996年怀化市SPI呈增加趋势，干旱强度有所缓和，1985—2013年，SPI值呈下降趋势，说明在此时期内，怀化市干旱强度持续增强。从图6b可以看出，干旱强度变化趋势空间上分布在0/10 a～0.16/10 a之间，说明怀化市大部分区域干旱强度呈减弱趋势。

从图5c可知，秋季干旱强度在-2.1～2.2之间，呈增加趋势，变化率为-0.04/10 a，1962—2015年共19 a发生干旱，其中，1974、1992年发生特旱，从5 a滑动曲线可知，1990年开始怀化市SPI值呈急剧下降趋势，说明干旱程度持续增强，2007年之后，SPI值呈显著增加趋势，干旱强度持续减弱。从图6c可以看出，干旱强度变化趋势空间上分布在-0.11/10 a～0.05/10 a之间，干旱强度呈显著增加趋势的主要为怀化市南部的会同及通道。

从图5d可知，冬季干旱强度在-1.9～1.8之间，SPI值呈增加趋势，变化率为0.02/10 a，1962—2015年共16 a发生干旱，其中3 a发生重旱，分别是1977、1998及1999年，从5 a滑动曲线可知，1991—1998年，2004—2009年两个时期，怀化市SPI值均呈急剧下降，干旱强度增加趋势显著。从图6d可以看出，干旱强度变化趋势空间上分布在-0.08/10 a～0.1/10 a之间，怀化市北部的沅陵、辰溪、溆浦等区域干旱强度呈显著增加(SPI值变化率为负值)的趋势。

总体而言，怀化市秋旱最为严重，在1962—2015年的54 a中分共有19 a发生干旱，其次为冬旱和春旱，分别有16 a和14 a发生干旱，而夏旱最轻，共有13 a发生干旱。

图5 怀化市季干旱强度年际变化趋势(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.5 Interannual Trend of Drought Intensity in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

图6 怀化市季干旱强度变化趋势空间分布(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.6 Spatial Distribution of Drought Intensity Change Trend in Huaihua City (a.Spring; b.Summer; c.Autumn; d.Winter)

3 结论

采用线性趋势分析、滑动平均、空间分析等方法对怀化市近54 a气象干旱特征进行分析，结果表明：

①1962—2015年怀化市年尺度整体干旱频率(轻旱及以上干旱发生频率)为29.6%，中旱频率14.8%，重旱频率5.6%，特旱频率3.7%。从四季看，春季干旱频率在25.9%～37.0%之间，平均值为30.3%，夏季干旱频率在27.8%～33.3%之间，平均值为30.8%，秋季干旱频率在27.8%～35.2%之间，平均值为31.1%，冬季干旱频率在27.8%～35.2%之间，平均值为30.0%。

②1962—2015年怀化市年干旱强度(SPI)在-2.5～1.9之间，变化趋势不显著，变化率仅为0.01/10 a，但干旱强度年际波动较大，54 a来共有16 a发生干旱，干旱频率为29.6%，其中1978年发生重旱，1985年、2011年发生特旱。从四季看，秋旱最为严重， 54 a中共有19 a发生干旱，其次为冬旱和春旱，分别有16 a和14 a发生干旱，而夏旱最轻，共有13 a。