基于SPI指数的甘肃省不同自然气候区干旱特征及变化趋势分析

王莉霞，丁司铎，张红丽，金豆豆

（1.天水师范学院 资源与环境工程学院，甘肃 天水 741001；2.陕西师范大学 地理科学与旅游学院，陕西 西安 7101119；3.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128）

研究表明，过去50年气温上升平均速度比过去100年快了一倍多，近百年来全球平均地表温度上升了0.85℃，中国地表温度上升了0.91℃。[1]甘肃省地跨中国东部季风、西北干旱、青藏高寒三大自然区，是唯一受西风带、东亚季风和高原气候影响的省区，是典型的气候变化敏感区和生态环境脆弱区。在全球气候变暖背景下，甘肃省升温幅度高于全国和全球同期。近60年来，甘肃省平均气温上升了1.6℃，平均降水量减少了14mm且区域降水变化差异大，河西增多，河东减少，暖干化趋势明显。[2]气候变暖使得全球大气环流格局发生变化，极端天气、气候事件和气象灾害发生频率和强度增加，[3-5]许多国家和地区遭受了严重的气象灾害。在各类气象灾害中，干旱因其发生频率高、持续时间长、影响范围广、造成损失大的特点而引起了学者们的广泛关注。我国平均每年干旱受灾面积达2200万hm2，造成的经济损失占GDP的3%～5%。[6]根据《中国气象灾害大典·甘肃卷》记载，1949～2000年的50多年间，轻旱平均2年一次，重旱以上旱灾每4年一次。[7]每年3～10月农作物生长期发生春旱（3～5月）、初夏旱（6月上旬）、伏旱（8月上中旬）和秋旱（9～11月）的频率分别为71%、60%、51%和55%。[1]频发的旱灾不仅严重威胁农牧业生产，也是制约甘肃省经济社会高质量发展的主要障碍。如何有效监测甘肃省干旱的发生和发展规律已成为亟待研究的重要课题。

干旱指标是研究干旱发生和发展规律的依据，是干旱监测和风险评估的基本工具。在《气象干旱等级GB/T 20481-2006》国家标准中，[8]用于干旱监测的指标主要有降水量距平百分率、标准化降水指数、相对湿润度指数、土壤相对湿度干旱指数、帕默尔干旱指数、综合气象干旱指数等。其中标准化降水指数（SPI）因其稳定性强，具有多时间尺度的特征，在全国[9]、不同区域[10-13]、不同省份[14-15]干旱监测和变化特征分析中普遍应用并得到较好的验证。对甘肃省干旱特征，张振伟[16]、成青燕[17]、郭小芹[18]和李亮[19]基于不同年限、不同气象台站观测数据，分别用PDSI指数、MCI指标、Z指数和SPEI指数进行了研究，很好地揭示了干旱在省域尺度的变化规律。但现有研究鲜少考虑甘肃省特殊地理位置和复杂地形条件引起的气温降水等气象要素的地区差异，大多用全省某一类干旱指标的平均值对全省干旱特征进行研究，没有对不同气候区干旱的突变性、周期性和空间特征等做深入探讨，这显然与旱情分析的精准化和智能化要求不匹配。因此，有必要对甘肃省具有明显地域差异的不同气候区干旱的发生特征及未来演变趋势开展深入研究。本文选用世界气象组织推荐的标准化降水指数（SPI）来表征干旱，对甘肃省1961～2017年来不同自然气候区干旱的时间、空间特征和变化趋势进行研究，揭示干旱变化规律，以期为甘肃省各级政府因地制宜制定抗旱计划、完善干旱灾害风险管理和防灾减灾对策提供决策依据。

一、资料与方法

（一）研究区概况

甘肃省地处黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇过渡带，南北跨越10个纬度，东西相距16个经度（图1）。境内地形复杂，山脉纵横交错，海拔相差悬殊，高山、盆地、平川、湿地、沙漠和戈壁等兼而有之，独特的地理位置和地形地貌造就了复杂多样的气候类型。全省多年平均降水量398.5mm，比全国少233.5mm，大致从东南向西北递减，地域差异明显。河西走廊西部年降水量在50mm左右、中东部为100～200mm，陇中北部为180～300mm，陇南和甘南高原为400～750mm；降水变率大，季节分配不均，4～9月集中了年降水量的80%～90%。干旱半干旱地区面积占全省面积的76%，以干旱半干旱为主的气候特征使甘肃省干旱灾害频发。本研究采用李栋梁等的气候分区方案，[20]将甘肃省分为河西、陇中、陇东、陇南和甘南五个自然气候区（图1），分区探讨干旱特征及变化趋势。

图1 甘肃省自然气候分区及气象站点分布图

（二）资料来源

本文选用1961～2017年甘肃省27个气象站点（图1）逐日的降水量观测数据，资料来自中国气象数据共享网(www.http://data.cma.cn)和甘肃省气象局。本研究对所有站点资料进行了质量检测，剔除错误记录，对缺失的数据利用五点滑动平均进行插补，确保各站点降水数据的准确性、连续性和可靠性。甘肃省干旱灾害历史资料来自《中国气象灾害大典·甘肃卷》和甘肃农村年鉴（2000～2018年）。

（三）研究方法

1.标准化降水指数

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，将偏态概率分布的降水量进行正态标准化处理，用Γ分布概率来描述降水量的变化，再用标准化降水累积频率分布对干旱等级进行划分（表1），计算公式[8]如下：

表1 标准化降水指数SPI干旱等级划分

本研究利用甘肃省27个站点1961～2017年逐日降水资料，计算了月尺度的SPI指数，同时引入干旱频率来分析甘肃省不同自然气候区干旱特征。

2.重标极差分析方法（R/S）

重标极差分析方法（R/S）用来分析时间序列的分形特征和长期记忆过程。最初由英国水文学家赫斯特（Hurst，1951年）在研究尼罗河水坝工程时提出，后来被用在各种时间序列的分析中。Hurst在研究尼罗河水库水流量和贮存能力的关系时，发现用有偏的随机游走（分形布朗运动）能够更好地描述水库的长期存贮能力，在此基础上提出了用重标极差（R/S）分析方法来建立赫斯特指数（H），作为判断时间序列数据遵从随机游走还是有偏的随机游走过程的指标，计算方法见参考文献。[14]赫斯特指数H的大小反映时间序列发展趋势和持续特点。当0＜H＜0.5，SPI时间序列具有反持续性，即将来与过去变化趋势相反，H值越小，反持续性越强；当H=0.5，SPI时间序列为随机序列，具有随机游走特征，将来与过去变化趋势无关；当0.5＜H＜1，SPI时间序列为持续序列，即将来与过去变化趋势相同，H值越大，持续性越强。本研究利用赫斯特指数来判断甘肃省不同自然气候区未来干旱发生的趋势和持续性。

二、结果分析

（一）甘肃省不同自然气候区干旱的时间变化特征

1.干旱发生的年际变化特征

考虑到甘肃省地形条件复杂和气候类型多样的特点和SPI指数的适用性，用五个自然气候区内各站点月尺度SPI指数的平均值来分析不同区域干旱的年际变化特征。图2显示了甘肃省57年来不同自然气候区SPI指数年际变化及其Mann-Kendall（M-K）检验曲线。从图2（a,d,e）可以看出河西、陇南、甘南SPI指数总体呈上升趋势，表明这三个区域干旱发生的程度在减弱，其中河西地区SPI指数的线性倾向率为0.11·(10a)-1，增加趋势最为明显，与近50年来河西地区降水量增加有一定关系；[21]陇中、陇东SPI指数则呈下降趋势，SPI指数的线性倾向率均为-0.08·(10a)-1，表明这两个区域干旱程度在加剧，与近30年来甘肃省中部地区和东部地区降水量减少，气温升高，蒸发量增大有关。[22]从图2（a）UF曲线的变化趋势可知近57年来河西地区干旱年际波动显著，在α=0.05显著性水平的临界值之间，UF、UB曲线共有12个交点，主要集中在1964～1980年和2007～2017年，说明这两个时间段内干旱强度变化频繁；其中1978年为最显著的干旱突变点，1961～1978年曲线在波动中上升，河西地区干旱强度减弱；1978～1992年曲线在波动中下降，干旱有增强趋势，1992年以后UF曲线在波动中上升，表明自1992年之后河西地区干旱强度持续减弱。图2（b）中陇中地区UF曲线呈现出波动中下降的变化趋势，在α=0.05显著性水平的临界值之间，UF、UB曲线共有10个交点，集中在1961～1986年间，1986年为显著的突变点。1986年前UF曲线在波动中下降，1986年以后UF曲线持续下降，表明1986年以后陇中地区干旱发生程度持续增强。图2（c）中陇东地区UF曲线的变化趋势和突变点出现的时间和陇中地区相似，表明陇东地区在1986年以后干旱发生程度也呈现出持续增强的趋势。图2（d）中陇南UF曲线在波动中呈上升趋势，在α=0.05显著性水平的临界值之间，UF、UB曲线共有10个交点，主要集中在1964～1978年和2009～2017年，说明这两个时间段内干旱发生情况变化频繁；其中1978年和2009年为显著的突变点，1961～1978年间陇南干旱发生概率有增加趋势，1978～1994年在波动中上升，干旱发生程度减弱，1994～2009年在波动中下降，干旱发生程度增强，2009年以后持续上升，干旱发生程度减弱。图2（e）中甘南地区UF曲线在波动中呈现出微弱的上升趋势，在α=0.05显著性水平的临界值之间，UF、UB曲线共有10个交点，主要集中在1964～1981年和2011～2017年，说明这两个时间段内干旱发生情况变化频繁；其中1975年为最显著的突变点，1975年前UF曲线在波动中下降，说明此前陇南干旱发生次数增多，1975年以后UF曲线在波动中上升，表明1975年以后干旱发生程度有减弱趋势。从Mann-Kendall突变检验的分析可以看出，甘肃省不同自然气候区干旱发生的年际变化趋势具有明显的差异性和不稳定性。

图2 1961～2017年甘肃省自然气候区SPI指数的变化及M-K突变检验

2.干旱发生的年代际变化特征

根据表1中SPI指数划分等级，利用27个站点月尺度SPI值统计了57年来不同干旱等级发生次数的年代际变化。河西、陇中和陇东在1980s发生干旱次数最多，甘南和陇南发生干旱次数最多的年代则出现在1970s。河西地区（图3（a））不同等级干旱发生的频率在1980s前呈上升趋势，1980s发生各级干旱的频率最高，为20%，之后呈下降趋势；中旱发生频率与总趋势正好相反，1980s前呈下降趋势，之后呈上升趋势。陇中（图3（b））是研究时段内甘肃省发生干旱次数最多的区域，不同等级干旱发生总次数高达219次，其中1980s、1990s和2000s不同等级干旱发生总频率均在20%以上。陇东（图3（c））轻旱、中旱发生频率在1980s前呈上升趋势，之后呈下降趋势；重旱发生频率自1960s以来一直呈增加趋势，2010s后各级干旱发生频率均有所降低，是干旱发生频率最少（11%）的年代。陇南（图3（d））是研究时段内甘肃省发生干旱次数（160次）最少的区域，1970s后各级干旱发生频率均呈下降趋势。甘南（图3（e））重旱发生频率呈增加趋势，以1990s最为显著。

图3 1961～2017年甘肃省不同自然气候区不同年代干旱发生频率

（二）甘肃省不同自然气候区干旱的空间分布特征

甘肃省地理位置的特殊性决定了其降水量在时间和空间上都存在明显的地域差异，加之地貌类型多样和下垫面性质等因素综合影响，使干旱发生在空间上表现出复杂性和不统一性。本研究基于年尺度SPI指数，利用ARCGIS10.2反距离权重差值法得到甘肃省干旱发生频率空间分布图（图4）。从图4可以看出甘肃省年尺度不同等级的干旱频率存在明显的地域差异。轻旱发生频率（图4（a））在21.1%～45.6%，五个自然气候区中轻旱发生频率都比较高，自西北向东南整体呈现“高—低—高”的分布规律，河西西部轻旱发生频率达36%～46%，陇中、陇东大部分地区轻旱发生频率在34%～38%，河西中部的张掖市、东部的武威市，陇中的兰州市周边以及甘南大部分地区轻旱发生频率较低（21%～30%）；其中轻旱频率最高值出现在河西的玉门市，发生频率高达45.6%，最低值出现在甘南北部的碌曲县，为21.1%。中旱发生频率（图4（b））远低于轻旱，介于3.5%～19.2%，呈现出河西低（3.5%～8.9%），陇中、陇南、甘南较高（8.9%～10.7%），陇东高的格局。中旱高值区出现在陇东北部大部分地区，最高值达19.2%。重旱发生频率（图4（c））为0%～8.7%，相对而言，河西的嘉峪关市、甘南大部、陇中大部和陇东西部重旱发生频率较高（5.2%～8.7%）。特旱发生频率（图4（d））出现了两个高值中心，分别位于河西中部的张掖市和陇东东南部，发生频率在1.8%～3.5%，最低值出现在陇中的天水市，该地区几乎没有特旱发生。综合对比图4的四幅图可以看出，甘肃省年尺度上不同等级干旱发生频率为轻旱＞中旱＞重旱＞特旱，轻旱发生频率普遍较高。年尺度上不同自然气候区干旱发生具有如下特点：各气候区干旱发生均以轻旱为主，其中河西重旱和特旱发生频率是五个气候区中最高的；陇中中旱和重旱发生区域广；陇东特旱面积大；陇南重旱和特旱发生频率最低；甘南重旱频率相对于其他气候区较高。

图4 1961～2017年甘肃省年尺度不同等级干旱发生频率分布图

（三）甘肃省不同自然气候区干旱趋势分析

1.干旱的周期性分析

基于甘肃省五个自然气候区57年年尺度的SPI值，选用气象研究中常用的Morlet连续复小波变换分析干旱的振荡周期（图5），小波系数实部等值线中心为负值表示该年份偏旱，为正值表示该年份偏湿。由图5（a）小波系数实部等值线的变化来看，河西在4～10年、21～28年和42～49年尺度上明显存在正负值交替现象，从小波方差图可以看出，8年、22年和45年分别为第一主周期和第二主周期。在8年的第一主周期上，河西经历了9次干湿交替的周期，当前该地区处于偏湿期且即将结束。图5（b）陇中小波系数实部等值线图和方差图显示该地区存在5年、9年、15年、22年和45年的振荡周期，其中9年上的信号最强，为第一主周期，5年和15年信号相同，为第二主周期。在9年主周期上，陇中目前处于偏湿期；15年和22年尺度上正处于偏干期。陇东（图5（c））小波方差图中存在4个较为明显的峰值，从大到小依次对应着15年、27年、5年和43年的时间尺度，其中15年的峰值最大为第一周期，27年次之为第二周期。在15年和27年的周期上，目前均处于偏湿期。陇南（图5（d））小波方差图有一个明显的峰值出现在45年处，为第一主周期，18年和7年处的信号值相差不大，为第二主周期。在45年的第一主周期上处于偏湿期。从图5（e）甘南小波系数实部等值线图和方差图容易发现，在15年和5年存在明显的振荡周期，其中15年为第一主周期，5年为第二主周期。在15年尺度的第一主周期上甘南目前处于偏湿期。从五个自然气候区干旱的周期分析可以得出两个结论：一是五个自然气候区均存在不同时间尺度的干旱变化周期，其中河西、陇南和甘南存在2个干旱变化主周期，陇中和陇东存在4个干旱变化主周期，且不同的干旱变化主周期下对应着不同的干旱变化周期；二是五个自然气候区均存在不同时间尺度的第一主周期，且在该主周期下目前均处于偏湿期。

图5 1960～2017年甘肃省不同自然气候区SPI指数小波分析图

2.未来干旱趋势分析

根据年尺度SPI值计算出57年甘肃省五个自然气候区的赫斯特指数H（表2），用以分析不同气候区干旱的未来趋势。从表2可以看出，河西的Hurst指数：0.4＜H=0.485≤0.5，表明河西地区SPI指数未来变化趋势与过去57年相反，干旱发生的趋势在未来会出现较弱的逆转，即干旱指数会增大，干旱化的态势会减弱，这与8年和45年的小波分析结果一致；陇中、陇东、甘南3个气候区的Hurst指数：0.5＜H≤0.6，未来这三个区SPI指数的趋势会保持较弱的持续性，与短时间尺度的小波分析一致；陇南的Hurst指数：H=0.827＞0.7，该区干旱指数的趋势会保持较强持续，即干旱化的态势会加剧，与8年的小波分析结果一致。

表2 甘肃省不同自然气候区R/S分析结果

三、讨论和结论

（一）讨论

甘肃省地跨湿润、半湿润、半干旱和干旱4个气候区，地形复杂，在多种天气系统和下垫面性质的共同影响下，该省干旱具有明显的区域性和复杂性特征。年尺度上，河西的干旱指数呈上升趋势，说明近年来河西地区干旱化趋势减弱；年代际尺度上，河西地区在1980s发生干旱次数最多，这与王春林等[23]的研究结果一致；陇中、陇东SPI指数呈下降趋势，说明这两个区域发生干旱的程度加剧；年代际尺度上1980s、1990s和2000s不同等级干旱发生总频率均在20%以上，与莎莉等[13]的研究结果具有一致性。李亮等[19]基于标准化降水蒸散指数研究，表明甘肃省陇南、甘南干旱有加剧趋势，与本研究结论存在差异。这一方面是因为本研究考虑到地理环境的复杂性，基于分区干旱指标的计算分析而得出结论，而李亮等的研究是用甘肃省干旱指标的平均值在空间插值的基础上得到的结论；另一方面可能是由于选用的干旱指标不同而造成差异。

在研究方法上，Morlet连续复小波虽然可以从时间序列中识别出多个不同时间尺度的周期，但是多个周期之间往往存在着复杂的嵌套关系，而且在不同时间尺度的周期下干湿振荡的规律不同，结果具有一定的不确定性。Hurst指数在一定程度上可以判别五个气候区未来干旱趋势的持续性，但对干旱趋势所持续的时间无法判别。本研究将Morlet连续复小波分析与Hurst指数相结合，有利于提高五个自然气候区干旱预测的准确性，更好地服务于防旱抗旱决策。

值得一提的是尽管SPI指数在甘肃省不同自然气候区中得到了较好的验证，但不能忽略干旱具有发生的异常性、成因的复杂性和变化的多尺度性特征，这使干旱的预测富有挑战性。另外本研究中没有剖析不同气候区干旱发生的动力机制，也忽略了不同气候区之间、气候区内部气象站点位置和数量不同而引起的空间差异性对研究结果的影响，因此在今后的研究中应综合考虑影响干旱发生的降水、温度、蒸散量、相对湿度等自然因素和灌溉、耕作等社会经济因素，结合高光谱遥感数据为特定区域构建综合干旱指数，更科学精准地分析干旱发生规律，揭示干旱发生机理。

（二）结论

从不同气候区干旱年际变化特征来看，河西、陇南、甘南SPI指数呈上升趋势，这三个区域干旱发生的程度减弱，其中河西地区SPI指数的线性倾向率为0.11·(10a)-1，增加趋势最为明显；陇中、陇东SPI指数则呈下降趋势，这两个区域干旱发生的程度加剧。Mann-Kendall突变检验表明不同自然气候区干旱年际变化趋势具有多变性和不稳定性。年代际尺度上，河西、陇中和陇东地区在1980s发生干旱次数最多，甘南和陇南发生干旱次数最多的年代则出现在1970s，各气候区2010s后各级干旱发生频率均有所降低，是干旱发生频率最低的年代。

从干旱空间特征来看，各自然气候区不同年代干旱等级均以轻旱为主、中旱次之，特旱极少，其中河西重旱和特旱发生频率是五个气候区中最高的；陇中中旱和重旱范围广；陇东特旱面积大；陇南重旱和特旱发生频率最低；甘南重旱频率相对于其他气候区而言较高。陇中是甘肃省发生干旱次数最多的区域，陇南是甘肃省发生干旱次数最少的区域。

通过Morlet小波分析表明五个自然气候区均存在不同时间尺度的干旱变化周期，不同的干旱变化主周期下对应着不同的干旱变化周期；五个自然气候区均存在不同时间尺度的第一主周期，且在该主周期下目前均处于偏湿期。Hurst指数表明河西干旱发生的趋势在未来会出现较弱的逆转，陇中、陇东、甘南三个气候区干旱增强的趋势会保持较弱的持续性，陇南干旱增强的趋势会保持较强持续。