基于SPI指数的塔城市气象干旱变化特征分析

2020-08-17侯文娟

陕西水利 2020年5期

侯文娟

（新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州昭苏县水利局，新疆昭苏 835600）

塔城市位于新疆维吾尔自治区西北部，准噶尔盆地西北边缘的塔城盆地，属温带大陆干旱气候区。由于其独特的地理位置和气候环境，干旱已成为塔城市最常见的自然灾害之一，严重威胁着地区农牧业生产和国民经济的发展[1]。本文利用塔城市1984年～2016年的逐月降水资料计算标准化降水指数（SPI），对塔城市的气象干旱指数的变化特征进行分析，为地区农业灌溉、水利工程建设和水资源可持续发展提供参考依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

塔城市SPI指数由降水数据计算得来，降水数据选用塔城气象站1984年～2016年的逐月降水资料（数据来源于中国气象数据中心网，http：//data.cma.cn/）。文中季节划分采用气象学的标准进行:3月～5月为春季，6月～8月为夏季，9月～11月为秋季，12月～次年2月为冬季。

1.2 研究方法

（1）SPI指数计算方法

标准化降水指数（SPI）是由美国学者Mckee等1993年提出，用于监测干旱情况[2]，可以定量化地表示对不同时段内降水量的缺乏程度。具体计算过程如下[3]:

式中:c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

其中:F是与Γ分布函数相关的概率函数:

通过上述过程求得SPI指数后，可按表1[3]划分干旱等级。

表1 SPI指数干旱等级划分

（2）Pettitt突变检验法

Pettitt检验法最先由Pettitt[4]用于检验变异点，定义统计量Ut,N公式如下[5]:

式中:xt、xk分别为第t、k个时序样本，sgn（·）为符号函数。

通过Ut序列的最大值定义统计量Kt表示最可能的突变点:

通过建立检验统计量P判别突变点是否显著:

如果P的计算结果P≤0.05，则认为检验出的突变点在统计意义上是显著的，否则，突变点不显著。

2 结果分析

2.1 SPI指数年际变化特征

（1）干旱统计分析

采用式（1）对塔城市1984年～2016年的降水资料进行计算，得到SPI-12指数。通过统计分析，不同年代各干旱等级出现的频率百分比见表2。

表2 塔城市不同年代各干旱等级出现的频率单位：%

由表2可以看出，近33年来塔城市的干旱情况正常和湿润居多，湿润情况逐渐增加，到2010年～2016年阶段出现最多，说明塔城市的气象是向增湿发展的，这与邵进等[6]的研究结论一致。轻微干旱和中等干旱情况在1984年～1989年和1990年～1999年出现的频率相差不大，在2000年～2009年出现的频率增加到最大，之后出现频率降低至最低，说明2000年～2009年发生中等及以下的干旱情况最多。中等以上的干旱情况（严重干旱和极端干旱）总体来说发生次数较少，其中1984年～1989年和2010年～2016年无极端干旱情况出现，1990年～1999年发生极端干旱的次数最多。

（2）趋势变化分析

基于SPI-12指数，得到了塔城市的SPI指数年际变化趋势，结果见图1。根据线性趋势线（y=0.0083x-0.1423）可知，塔城市年尺度SPI指数呈现上升趋势，SPI趋势线倾向率为0.083/10 a；根据R2=0.0422可知，相关系数，小于5%显著水平下的临界值0.344（通过查相关系数显著性检验表获得，自由度n-2=31），该增加趋势未通过显著性检验。表明塔城市1984年～2016年的SPI指数的增加趋势不显著，即有不显著的向湿润发展的趋势。

图1 塔城市SPI指数年际变化

（3）突变分析

采用Pettitt突变检验方法对年尺度的SPI指数进行突变检验，检验结果见图2和表3。通过Pettitt检验图可以看出年尺度SPI指数序列的最大值对应为1994年，表明塔城市年尺度SPI指数在1994年发生突变。由表3可知，Pettitt统计量显著性概率P的计算结果为P=0.904＞0.05，即表明检验出的突变点在统计意义上不显著。

图2 塔城市年尺度SPI指数突变检验

表3 年尺度SPI指数突变点显著性检验

2.2 SPI指数季节变化特征

（1）干旱统计分析

塔城市不同季节的干旱情况出现频率百分比见表4。由表4可知，春季大多呈现正常和湿润状态，有较少轻微干旱和中等干旱情况，无严重干旱和极端干旱情况出现，表明塔城市发生春旱的情况较少。夏季的干旱情况与春季相比，湿润情况一致，正常情况减少，轻微干旱情况增多，中等干旱情况减少；说明从春季到夏季，塔城市的部分正常情况向轻微干旱转变。秋季和冬季的湿润情况、正常情况和中等干旱情况发生频率一致，但秋季有频率为3.03%的严重干旱事件发生，而冬季无严重干旱情况。总体看来，塔城市季节尺度的旱涝情况为湿润和正常情况居多，发生中等以上干旱情况较少，且仅有秋季发生了严重干旱现象。

表4 各干旱等级的季节分布

（2）趋势分析

根据SPI-12指数计算得到了塔城市1984年～2016年的季尺度SPI指数，结果见图3。通过线性趋势线可知，春季SPI指数以0.111/10 a的倾向率呈现增加趋势，2010年的出现最大值1.373；相关系数，小于0.05显著性水平0.344，表明春季SPI指数的湿润倾向不显著。夏季SPI指数以0.023/10 a的倾向率呈现减小趋势，其相关系数，小于0.05显著性水平0.344，表明夏季SPI指数的干旱倾向也不显著。秋季SPI指数以0.054/10 a的倾向率呈现增大趋势，其相关系数，小于0.05显著性水平0.344，表明秋季SPI指数的湿润倾向不显著。冬季SPI指数以0.189/10 a的倾向率呈现增大趋势，其相关系数，小于0.05显著性水平0.344，表明冬季SPI指数的湿润倾向不显著。

图3 塔城市季尺度SPI指数的趋势变化

（3）突变检验

采用Pettitt突变检验方法对季尺度的SPI指数进行突变检验，检验结果见图4和表5。通过Pettitt检验图可以看出四季SPI指数序列的最大值分别对应为2001年、1993年、1994年和1995年，表明四季SPI指数分别在2001年、1993年、1994年和1995年发生了突变。通过计算四季SPI指数的显著性概率P可知，塔城市春夏秋冬四季SPI指数的突变显著性概率分别为1.0298、0.8235、1.1813和0.226，均大于0.05显著性水平，表明塔城市四季SPI指数的突变均不显著。