基于SPI的辽阳春夏干旱特征及周期研究

赵琳琳

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

干旱是由于持续降雨量小或持续无降雨，造成降水少且低于正常水平，水资源量不足以满足人类生存、生产等需求，作物生长缺水减产或致死、生活用水受限、影响工业生产、甚至可能带来社会安全问题，从而发生旱灾[1- 3]。旱灾作为全球广泛分布、发生频率高、从古至今人类均面临的自然灾害之一，已然成为全球重点关注问题。通过对干旱、旱灾、抗旱的认识及方略的反思，干旱与人类活动是彼此间互动反馈[4- 6]，对干旱、旱灾应该从被动转为主动，认识、分析、预防干旱，从而有效开展抗旱减灾活动，减少人民群众伤亡及经济损失、保障社会安定等。因此，研究干旱情势动态，分析干旱发生规律及时空特征具有重要意义。为了更有效地评估干旱现象，世界气象组织建议采用标准化降水指数SPI[7- 8]，能够较好地反映干旱强度和持续时间，使得用同一干旱指标反映不同时间尺度和区域的干旱状况成为可能。

辽阳市地处下辽河平原地带，大陆性季风气候，降水时空分布不均。近年来受降水较少、全球气温升高的影响，水资源短缺，水环境问题加剧，农业需水不足，干旱问题日益突出。本文采用标准化降水指数表征辽阳地区干旱情况，并采用小波分析识别标准化降水指数序列的年际震荡特征，分析干旱情势发生规律。

1 材料与方法

选用辽阳地区1951—2015年14站月降水系列数据，采用一个水文年春、夏季为分析时段。14处站点分别为前烟台、邢家窝棚、唐马寨、汤河水库、葠窝水库、商家台、隆昌、辽阳站、梨庇峪、黄腊坨、黄堡、花红沟门、郝家店、二道河子。并采用相关分析法对缺测数据的站点进行插补，构建本次研究所需的水文序列。采用标准化降水指数SPI、小波分析进行计算分析。

(1)SPI：是一种适用于不同尺度表征降水量出现概率的指标，采用Γ分布概率进行降水量描述，将偏态概率分布转换为正态标准化，进而用标准化降水累计频率评估干旱状态，主要计算公式为：

(1)

式中，S—概率密度正负系数；γ，β—Γ函数的尺度参数、形状参数；c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

(2)小波分析：是一种基于Fourier变换，即通过三角函数展示信号，来解释信号时域成分的分析方法[9- 11]，通过小波函数变换分析时间系列的周期振荡特征。基本小波为平方可积函数t，t∈L2

图1 春季干旱过程线图

图2 夏季干旱过程线图

(R)，对t伸缩和平移得一簇函数[12- 14]，即连续小波t，再计算小波变换系数和小波方差[15]，公式为：

(2)

(3)

(4)

式中，a、b—时间平移、尺度伸缩因子，小波变换系数受a、b变化而变化；绘制的等值线图，a、b分别为纵轴、横轴。

2 结果与分析

2.1 干旱频次及干旱特征趋势变化

计算辽阳地区春季、夏季SPI指数，绘制1970—2015年春季、夏季干旱动态过程曲线，如图1—2所示，并绘制代际间春季、夏季平均降水量，如图3所示。从图1可知，1970、1993、2004年春季重旱，1989年春季中旱，2001—2002年连续2年春季中旱，有8年发生轻度干旱，发生年份为1978、1980、1984、1992、2011、2014及1996—1997年连续2年。且根据趋势分析，结合图3，不同代际间春季波动变幅小，辽阳地区春季降水较稳定。从图2可知，1977—1981年连续5年发生不同程度干旱，其中1978—1979年连续2年重旱，此外2009、2014年发生重旱，发生夏季中旱有5年，分别为1972、1989、1992、2000、2007年，发生夏季轻旱有8年，分别为1974、1977、1988、1997、2003、2015、1980—1981年连续2年。且2014—2015年连续2年干旱。根据图2—3知，夏季干旱程度波动较春季剧烈，且代际间波动变幅明显， SPI指数总体呈现逐渐减小趋势。综合图1—2知，1978、1980、1989、1992、1997、2014年6年春旱夏旱同时发生。春季和夏季是农作物生产的关键季节，干旱发生对农作物生长及其产量影响较大，特别是春夏连续干旱，发生时需对农作物进行人工地表、地下调配灌溉补给作物生长用水。

图3 代际间降水变化图

统计不同年份各站干旱发生情况，绘制站次比变化曲线如图4—5所示。从图4可知，辽阳发生

图4 春季干旱占次比图

图5 夏季干旱占次比图

全面性春旱有7年，分别为1970、1978、1980、1990、1993、2002、2004年，其中1970、1990、1994年重度干旱覆盖率达80%以上。1990—2015年干旱发生较频繁，且重旱覆盖率高。2005年以后干旱发生少，且覆盖率小，但局部干旱情况较严重，2014年春旱局部连续无雨日超过50d，2007、2011年局部连续无雨日超过40d。从图5可知，发生夏季全面性干旱有10a，分别为1972、1979、1981、1989、1992、1997、2000、2007、2009、2014年，且其中70%年份夏季重旱覆盖率超60%，2014年局部夏旱连续无雨日达33d，2007年局部干旱连续无雨日29d，2009年局部干旱连续无雨日27d。辽阳地区春旱夏旱覆盖率均呈现减弱趋势，且春季重旱覆盖率呈减弱趋势。

2.2 周期成分识别

从小波实部系数等值线图如图6—7所示可知，在约10a时间尺度上，小波信号震荡较明显，小波实部系数虚实周期变换较清晰，春旱、夏旱SPI系列显示了6组完整的小波实部虚实交替周期过程。夏旱小波实部变换图中还显示出约25a时间尺度的信号震荡，表现出约25a的周期性，1960—2010年显示2次完整的虚实更替周期过程，其中20世纪70年代总体为干旱状态，且较2000年左右的干旱程度大。在约50a尺度上，也见有小波实部系数虚实变换。1960—2010年间春旱小波实部系数为先实后虚，而1960—2010年间夏旱小波实部系数为先虚后实，在约50a尺度上春旱夏旱表现出相反的特征。

图6 春旱小波实部系数等值线图

图7 夏旱小波实部系数等值线图

图8 春旱小波方差曲线图

图9 夏旱小波方差曲线图

小波方差曲线图如图8—9所示进一步识别春旱、夏旱的周期性。小波方差密度曲线上升下降，峰值拐点则为周期成分，曲线变化愈急剧，周期成分愈明显。春旱方差密度有2次急剧变化过程，峰值分别为约12a时间尺度和约50a时间尺度，且50a时间尺度信号周期震荡更显著。图9中夏旱小波方差密度曲线有3个峰值存在，最明显峰值位置为约11a，说明约11a时间尺度的信号周期震荡最显著，此外在约27、45a时间尺度亦有方差密度曲线的升降拐点。因此，春季干旱特征为约10～12a及约50a周期相互作用，夏季干旱特征中有约10～11、25～27、45～50a时间尺度的周期成分。

结合小波系数实部等值线及小波方差密度曲线，辽阳地区春旱存在约10～12a、约50a周期相互嵌套的周期变化，约50a的周期震荡较强烈；辽阳地区夏旱存在3个时间尺度的周期成分，约45～50a尺度的SPI周期震荡中隐匿约25～27a尺度的周期震荡，约25～27a尺度的周期震荡中隐藏约10～11a尺度的周期震荡，其中约10～11a周期震荡强烈且稳定，贯穿整个夏旱研究时段。

3 结语

辽阳地区春旱、夏旱年际间连旱概率均较小，且年内春旱、夏旱同时发生少。夏旱呈逐渐增强趋势，且夏季严重干旱和极端干旱更易发生，需要注意夏季干旱的预警预报。春、夏旱覆盖率均呈现减弱趋势，春季重旱覆盖率呈减弱趋势。春季干旱波有约10～12a、约50a的周期性，夏季干旱有约10～11a、约25～27a、约45～50a的周期震荡，不同周期振相互嵌套体现辽阳地区春旱夏旱状态变化。春夏干旱的研究分析对干旱预报、抗旱调度减灾具有指导意义。