基于SPI的1960—2018年山东省冬小麦生长期干旱时空特征分析*

苏 喆， 廉丽姝， 刘元月， 潘 雪， 王云倩， 任 玮

(曲阜师范大学地理与旅游学院，276826，山东省日照市)

在全球变暖的大背景下，由于气候变化与人类活动的影响，世界各地干旱发生频率、持续时间与波及范围均出现了较为明显的变化[1].中国东部地区处于东亚季风区，由于地理条件和气候变化复杂，农业气象灾害频发，特别是旱灾，严重影响了中国粮食产量[2-8].山东省作为中国粮食大省，是冬小麦的主要产区之一，2016年山东省冬小麦产量占全国夏收粮食总产量的16.7%[9].因此，加强农业干旱监测对于山东省农业发展尤为重要，成为学术界的热点之一.

监测干旱的指标很多，如帕尔默干旱指数(Palmer Drought Severity Index，PDSI)(Palme 1965)、标准化降水指数(Standardized Precipitation Index，SPI)(McKee, et al. 1993)、气象干旱综合指数(Composite Meteorological Drought Index CI)(Zhang, et al. 2006)、标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)(Vicente-Serrano, et al. 2010)、归一化植被供水指数(Normalized Vegetation Supply Water Index，NVSWI)(Abbas, et al. 2014)等.其中SPI指标能够较好地反映干旱强度和持续时间，对干旱变化反应较敏感，同时多时间尺度应用的特性可以为不同时间尺度的干旱监测服务[10,11]，目前已经得到广泛的应用.而今，人们对山东省农业干旱愈加重视，已取得一定的研究成果，如王兆雪等[12]采用归一化植被供水指数(NVSWI)研究了2001—2015年山东地区的干旱时空特征，得出受干旱影响的区域主要集中在鲁西和鲁南地区；徐泽华等[13]基于山东省15个气象台站1964—2010年的逐月降水和平均气温资料，采用标准化降水蒸散发指数(SPEI)定量分析了山东省不同时间尺度干旱发生频率，得出山东省年SPEI总体呈现出西部变湿、东部变干的趋势；苑文华等[14]分析了2010—2011年秋冬季山东特大气象干旱的特征，得出2010—2011年秋冬季气象干旱具有持续时间长、范围大、强度强等特点.但目前的研究普遍存在研究时段较短，对特定农作物生长期研究没有针对性的问题.

本文选取SPI这一干旱指数分析山东省近59年来冬小麦生长期干旱频率和站次比的时空特征，旨在揭示冬小麦生长期内干旱强度及范围的时空分布规律，为山东省冬小麦的干旱防御及稳定增收提供参考.

1 研究资料与方法

1.1 研究区概况

山东省地处34°N～38°N，114°E～122°E(图1)，土地辽阔，以平原和丘陵为主.全省位于暖温带季风气候区，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量一般在600～750 mm之间，由东南向西北递减，年平均气温在13 ℃左右.山东省是中国重要的冬小麦种植区，1960—2018年山东省总农作物播种面积的平均值为1.09×107hm2，其中冬小麦3.75×106hm2，占比34.5%[9].

图1 研究区位置及气象站点分布

1.2 数据来源

本文使用的降水量数据是由中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/data/index)提供的山东省25个气象观测站1960—2018年的逐月降水量数据.由于个别气象站点存在严重的数据缺失，通过筛选最后选取18个站点数据，其分布如图1所示.

1.3 研究方法

依据前人的研究，将山东省冬小麦的生长期划分为4个阶段[15]：冬前生长期(GPW1)：10—11月；越冬期(GPW2)：12月—翌年1月；返青抽穗期(GPW3)：2—4月和灌浆成熟期(GPW4)：5月.并由此将10月至次年5月定义为山东省冬小麦生长期.

1.3.1 标准化降水指数SPI

SPI是表征某时段降雨量出现概率多少的指标，在使用中用Γ分布概率来描述降水量的变化，将偏态概率分布的降水量进行正态标准化处理，最终用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级[10]，适用于月及以上尺度气候干旱的检测与评估.

由于SPI是多尺度的，可以以月或年为尺度进行界定，根据刘彦平等[16]的研究结论，SPI3-SPI9与冬小麦气候产量关系最密切，且SPI3以季度为周期，更适于农作物的研究，故本文将SPI3作为冬小麦生长期干旱的评价指标，按高超等[15]的划分标准，取各阶段的SPI3的均值作为冬小麦各生长阶段对应的SPI值.参考《气象干旱等级GB/T20481—2006》的相关标准[17]，SPI指数干旱等级划分如下(表1).

表1 标准化降水指数干旱等级划分

1.3.2 干旱评价指标

采用干旱频率和干旱站次比两个指标来评价山东省近59年冬小麦干旱的时空分布特征.

(1)干旱频率

指给定时间段内干旱发生的频率，即根据SPI干旱等级指标，计算某站点在指定时间段内发生干旱的月数与指定时间段内总月数之比，常用于评价一定时段内干旱影响程度的强弱.计算公式[18]为：

(1)

式中，Fi表示某气象站点的干旱频率，Mi表示该站点在研究时段内发生某级别干旱的月份数，M表示研究时段的总月份数.根据标准化降水指数干旱等级划分的标准，分别统计各站点总干旱、轻旱、中旱、重旱及其以上(以下简称重旱)的发生频率.

(2)干旱站次比

指研究区域中发生干旱的站点数占该区域所有站点数的比值，常用于评价干旱影响范围的大小.计算公式[19]如下：

(2)

式中，Y是干旱站次比，n是某一年发生干旱的气象站数，N是研究区内的总气象站数.本文参照黄晚华等[19]对干旱站次比的分类标准，结合山东省气候特点，将干旱的影响范围分为：无干旱(Y=0)、无明显干旱(0

2 结果与分析

2.1 山东省冬小麦生长期干旱分布情况

2.1.1 山东省冬小麦生长期干旱频率

基于山东省18个气象站点的数据，计算得到各站点的干旱频率，然后运用ArcGIS软件的反距离权重法进行空间插值，得到1960—2018年间各年代冬小麦生长期干旱频率(轻旱及以上)分布(图2).1960—2018年干旱频率多集中于10%～20%，山东省中东部和西南部干旱发生频率较高，为20%～30%.1960—1969年山东省的中部和中东部地区干旱频率较高，为20%～30%；1970—1979年山东省干旱频率整体较低，相对高值区集中于山东省的中东部地区，其发生频率为10%～20%；1980—1989年山东省干旱频率整体较高，多集中于30%～40%，山东省中东部和西南部一带干旱发生频率最高，为40%～50%；1990—1999年山东省干旱发生频率多集中于10%～20%，西北部干旱频率较高，为30%～40%；2000—2009年山东省干旱频率整体较低，西北部干旱频率相对较高，为10%～20%；2010—2018年山东省东南部干旱频率较高，为20%～30%.从中可以看出，1980—1989年干旱频率最高，1990—2018年间，干旱频率的高值区呈现出由西北向东南转移的趋势.徐泽华等[13]基于山东省15个气象台站数据，利用SPEI研究了山东省干旱的时空分布，得出1964—2010年间山东省呈现出西部变湿、东部变干的趋势，与本文的研究结论基本一致.

图2 1960—2018年山东省各年代冬小麦生长期干旱频率空间分布

图3显示了1960—2018年山东省冬小麦生长期总干旱、轻旱、中旱和重旱的频率分布.统计结果显示，整个生长期干旱频率多集中于15%～20%之间，山东省的中东部(潍坊)和西南部(济宁、菏泽交界处)地区干旱频率较高，为20%～23%，田丰等[20]基于SPEI的结果也表明山东省西部地区为干旱分布“集聚”区；山东省的西部(济南、济宁以西)和中东部地区(潍坊、日照)轻旱发生频率较高，为15%～20%；山东省东北部地区(即威海、烟台以及青岛)中旱发生频率较高，为3%～5%；重旱发生频率整体较低，仅西北部局部地区(德州)有1%～2%的发生频率.

图3 山东省冬小麦生长期总干旱、轻旱、中旱、重旱发生频率的空间分布

2.1.2 冬小麦不同生长阶段的干旱频率

由山东省冬小麦不同生长阶段总干旱和轻旱、中旱、重旱发生频率的空间分布(图4)和干旱频率统计(表2)可知，GPW1阶段，总干旱发生频率在24%～38%之间，轻旱发生频率在9%～34%之间，中旱发生频率在2%～12%之间，重旱发生频率在0～7%之间.空间上，山东省的东北部(烟台、威海一带)和西南部(菏泽大部)总干旱发生频率较高，集中在30%～38%之间.山东省东北部和西南部，尤其是烟台北部、济宁菏泽交界处等地区，轻旱发生频率较高，集中在20%～35%之间.山东省的东北部(威海)和西北部地区(德州、滨州交界处)中旱发生频率较高，集中在10%～12%之间.重旱发生频率的高值区位于山东省的中西部地区，从德州、聊城至临沂东南部，呈现条带状分布，发生频率在5%～7%之间.

表2 山东省冬小麦各生长阶段干旱频率范围(%)

图4 山东省冬小麦不同生长阶段总干旱、轻旱、中旱、重旱发生频率的空间分布

GPW2阶段，总干旱发生频率在19%～81%之间，轻旱、中旱和重旱发生频率分别为9%～81%、0～10%、0～9%.空间上，山东省的东北部一带(潍坊至烟台)总干旱发生频率较高，集中在40%～60%之间.山东省的中东部地区(潍坊、日照以东)，尤其是潍坊中部、烟台的西北部，轻旱的发生频率较高，大于60%.中旱发生频率的高值区主要位于山东省东北部(青岛南部、威海)和中西部地区(滨州、东营至菏泽一带)，其值在5%～10%之间.重旱发生频率的高值区在空间上呈点状分布，集中在山东省的东部(威海)和西北部地区(德州、滨州及济南北部)，其值大于5%.

GPW3阶段，总干旱发生频率在0～38%之间，轻旱、中旱、重旱发生频率分别为0～36%、0～12%和0～7%.从空间来看，山东省的北部(东营)和东北部(青岛)总干旱发生频率较高，大于30%.轻旱发生频率的高值区呈现点状分布，主要集中于山东省的东部(威海)和中南部地区(泰安、枣庄).中旱发生频率普遍较高，除山东省的西南部(济宁、菏泽交界处)和中部(潍坊西部、淄博南部)外，发生频率均大于5%，其中德州东北部中旱发生频率最高，超过10%.重旱发生频率的高值区位于山东省的中东部地区(潍坊、青岛、日照)，其值大于5%.

GPW4阶段，总干旱发生频率在0～38%之间，轻旱、中旱和重旱发生频率分别为0～24%、0～14%和0～10%.空间上，山东省的中北部地区(聊城至烟台以北)总干旱发生频率较高，大于30%.山东省的西北部地区(德州、滨州交界处)，轻旱发生频率较高，大于20%.中旱发生频率普遍较高，除山东省的西南部(菏泽)和东部(青岛中部)外，发生频率均大于5%，其中山东省的西北部(德州、聊城交界处)中旱发生频率最高，大于10%.重旱发生频率普遍较高，除山东省西南部(济宁、菏泽交界处)外，发生频率均大于5%.

2.2 山东省冬小麦生长期干旱影响范围

2.2.1 山东省冬小麦生长期干旱站次比

图5呈现了山东省近59年的生长期干旱站次比变化.干旱站次比均值为17%，属于局域性干旱.干旱站次比随时间波动较大，从移动平均曲线可以看出，冬小麦生长期干旱站次比的波动变化表现出较明显的阶段性特征：1977—1991年、1998—2002年和2010—2014年为受干旱影响范围较大的时段；其他时段为受干旱影响范围较小的时段.这在一定程度上表明了山东省冬小麦生长期干旱影响范围在不同时间段的变化较大.

图5 1960—2018年山东省冬小麦生长期干旱站次比与降水量对比

运用SPSS软件，通过对生长期降水量和干旱站次比相关系数进行计算，得出降水量和干旱站次比相关系数为-0.592，p<0.05，通过显著性检验.由此可知，降水量减少时，干旱站次比增大，这意味着干旱严重时，其影响范围也在扩大，马露等[21]研究山东省SPEI指数和干旱站次比变化的关系时，也得到了同样的结论，这进一步验证了本文结论的可靠性.

2.2.2 山东省冬小麦各生长阶段干旱站次比

GPW1阶段，干旱站次比比值在0～83%之间，均值为26%(图6(a))，属于局域性干旱.表3显示，在1960—2018年间，局域性干旱、无明显干旱、全域性干旱、无干旱和区域性干旱的比重分别为33%、22%、22%、14%和9%.

表3 冬小麦各生长阶段干旱站次比等级比重(%)

从图6(a)的5年移动平均曲线可以看出，山东省冬小麦干旱站次比在一定程度上表现出阶段性的特征，1966—1969年、1988—1993年和2001—2006年为受干旱影响范围较大的时段，其他时段受干旱影响的范围相对较小.

GPW2阶段，干旱站次比比值在0～89%之间，均值为33%(图6(b))，属于区域性干旱.表3显示，干旱站次比从高到低呈现出局域性干旱、全域性干旱、无明显干旱、区域性干旱、无干旱的特征，比重分别为42%、29%、12%、10%和7%.从图6(b)的5年移动平均曲线可知，这一阶段受干旱影响的范围普遍较大，且持续时间较长，但从2010年开始，干旱站次比的比值陡然下降，受干旱影响的范围大幅减小.

GPW3阶段，干旱站次比比值在0～94%之间，均值为26%(图6(c))，属于局域性干旱.表3显示，局域性干旱与无明显干旱的比重分别为23%和22%，全域性干旱和区域性干旱比重为19%，无干旱所占比重最低，为17%.由图6(c)的5年移动平均曲线来看，1969—1973年、1976—1980年、1983—1989年和1994—2003年干旱影响范围较大，干旱站次比的比值较高且持续时间较长.从2005年开始，干旱站次比比值开始减小，之后一直维持在较低水平.

GPW4阶段，干旱站次比比值在0～89%之间，均值为28%(图6(d))，属于局域性干旱.由表3可知，1960—2018年全域性干旱发生比例为24%，局域性干旱发生比例为23%，无干旱发生比例为19%，无明显干旱和区域性干旱发生比例为17%.从图6(d)的5年移动平均曲线来看，1973—1981年和1994—2003年干旱影响范围较大，持续时间较长.2005—2009年干旱影响范围较小，干旱站次比比值处于“低谷期”，小于10%.近年来，干旱站次比的比值呈现上升趋势，干旱影响范围不断扩大.

图6 1960—2018年山东省冬小麦不同生长阶段干旱站次比变化

综上，从干旱站次比均值和等级所占比重来看，均以局域性干旱为主.由图6中的5年移动平均可以看出，在冬小麦4个生长阶段中，GPW1阶段干旱站次比表现出较明显的阶段性特征，但自2007年起，干旱站次比比值趋于稳定，整体变动不大.GPW2、GPW3阶段干旱站次比总体维持在较高水平，但分别于2010年和2005年出现站次比比值下降，干旱影响范围不断减小.GPW4阶段于2009年到达所研究时段的“谷值期”，此后干旱站次比比值不断增大，干旱影响的覆盖面不断扩大.

3 结 论

(1)从时间上来看，1980—1989年干旱频率最高，1990—2018年干旱高值区呈现由西北向东南转移的趋势.在整个生长期内，干旱站次比的波动变化表现出较明显的阶段性特征：1977—1991年、1998—2002年和2010—2014年为干旱影响范围较大的时段；其他时段为干旱影响范围较小的时段.就生长阶段而言，GPW1阶段表现出较明显的阶段性特征，但自2007年起，干旱站次比比值逐步趋于稳定，整体变动不大.GPW2、GPW3阶段干旱站次比总体维持在较高水平，但分别于2010年和2005年开始下降，此后干旱影响范围不断减小.GPW4阶段于2009年到达所研究时段的“谷值期”，此后干旱站次比比值不断增大，干旱影响覆盖面不断扩大.

(2)从空间上来看，冬小麦生长期内总干旱(轻旱、中旱和重旱)发生频率的高值区位于山东省的中东部(潍坊)和西南部(济宁、菏泽交界处)，轻旱发生频率的高值区位于山东省的西部(济南、济宁以西)和中东部地区(潍坊、日照)，中旱发生频率的高值区位于山东省东北部地区(威海、烟台以及青岛)，重旱发生频率整体较低.就生长阶段而言，GPW1阶段总干旱发生频率的高值区位于山东省的东北部(烟台、威海一带)和西南部(菏泽大部)，GPW2阶段总干旱发生频率的高值区位于山东省的东北部(潍坊至烟台)，GPW3阶段总干旱发生频率的高值区位于山东省的北部(东营)和东北部(青岛)，GPW4阶段总干旱发生频率的高值区位于山东省的中北部(聊城至烟台以北).

本文通过对山东省冬小麦生长期59年来的干旱发生情况的研究，得出了冬小麦生长期受灾范围以及干旱发生频率的一般规律，可用于冬小麦生长期内干旱范围和等级的预测，以加强其对干旱影响的控制与防治，减少冬小麦的受灾面积.研究中还存在一些不足，如为保证数据的完整性和连续性，仅选择了18个站点作为数据源，数据量偏少，对干旱情况的判断存在一定的影响.在以后的研究中，还需采用多种指标对冬小麦生长期干旱特征进行分析，建立干旱预测模型，从而对冬小麦生长期进行较为精准的预测和评估.