湖南省气候干湿特征及气象干旱指标的适用性

符静 ，武荣利

（衡阳师范学院a.古村古镇文化遗产数字化传承协同创新中心，b.地理与旅游学院，湖南 衡阳 421002）

全球气候变暖已成毋庸置疑的事实［1］，长期气候变化影响大气环流［2］，导致高温热浪、干旱和暴雨洪涝等极端气候事件发生频率与强度呈加剧趋势［3］。旱涝灾害不利于水资源安全、农业生态以及社会经济活动，给国民经济尤其是农业生产带来巨大损失［4］。因此，作为中国农业大省的湖南地区，了解区域气候干湿特征，实施气候异常特征监测与评估，对于区域农业规划和管理及农业生态安全有重要意义。

干旱指数是评估和量化旱情的重要指标，当前应用于干旱分析的指数有多种［5］，常见的有降水距平百分率（PrecipitationAnomaly in Percentage，PA）［6］、相对湿润度指数 （Relative Moisture Index，MI）［7］、标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）［8］、综合气象干旱指数（Composite Meteorological Drought Index,CI）［9］、帕尔默 旱度指数 （Palmer Drought Severity Index,PDSI）［10］和标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）［11］等。研究可采用单一因子的干旱指标来监测气候干湿变化状况。例如，Spinoni等利用SPI监测1951 年-2010 年世界各地干旱发生频率、持续时间以及严重程度［7］。胡琦等基于降水和参考作物蒸散量的湿润指数分析了中国干湿气候时空变化特征及其成因［12］。孙宇辉等采用属于水文平衡法的气候湿润指数来研究重庆市各地干旱变化，分析了气温、降水与湿润指数的相关性［13］。高贵生等利用数理统计法分析了降水距平百分率对西宁市农业气象干旱监测的适用性，并建立了农业气象干旱预测预警模型［6］。

研究表明，气象干旱指标有各自的局限性［14］，因此需要检测和比较它们对干旱特征的可靠性和有效性，评估干旱指数的适用性［15］。Zhai J等分析了中国境内10 大区域PDSI和SPI时间序列，认为两种指数均可用于描述干湿趋势及评估气候影响［16］。李红梅等利用标准化降水指数、降水距平百分率、K指数和改进后的综合气象干旱指数监测青海省高原地区干旱发生频率，评估它们对实际干旱的吻合性，得出SPI和K指数较适合区域旱情监测［17］。姚瑶等将标准化降水指数、降水Z 指数和相对湿润度指数所表征的干旱强度和干旱频率与实际干旱进行对比，最终选取相对湿润度指数分析青海省东部农业区干旱特征［18］。王理萍等评估了降水距平百分率、相对湿润度指数、标准化降水指数、标准化降水蒸发指数和改进后的综合气象干旱指数在云南省不同地区、不同季节干旱监测的适用性，得出整体上SPI监测效果相对较好［19］。综上，在有限的空间数据资源条件下，由于不同气象干旱指标对实地气候条件的适应性不同，加之气候变量时空分布不均匀，导致气象干旱指标选取的地域差异较大。

湖南省地处季风气候区，旱涝灾害多发，严重影响区域农业生产，为适应不断变化的环境，因此有必要了解该区域气候干湿特征，评估气象干旱指标对于雨涝和旱情监测的适用性。鉴于湖南省及其附属区域有关气象干旱指标的地区适应性评价研究甚少，本文利用1960 年-2015 年研究区87 个气象站点气候观测资料，选取PA、SPI、MI三种气象干旱指标，分析了湖南省近56 年气候干湿特征，初步评估了气象干旱指标旱涝监测的适用性，进而对比实际干旱，统计评价三种指标在研究区各地气候干旱监测的适用性，最后利用季尺度SPI分区揭示研究区干旱发生频次。研究结果可为相关部门提供决策参考，有助于采取适宜的防灾减灾措施以最大限度地减轻旱涝灾害造成的经济损失。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖南省地处中国中部地区、长江中游，位于北纬 24°38′—30°08′和东经 108°47′—114°15′之间，土地总面积21.18×104km2。该区域地形地貌由平原、丘陵地、山地、盆地及河湖组成，以山地、丘陵为主；属亚热带季风气候，降水变率大，雨热同期，近56年（1960 年-2015 年）年均降水量1 413 mm；河网密布，水源充足；土地类型多样，农林资源丰富。湖南省为中国农业大省，粮食产量富足，湘江流域和洞庭湖平原是该区域重要的农业产区，其中，洞庭湖平原是中国九大商品粮基地之一。湖南省可划分为湘东、湘南、湘西、湘北、湘中五个部分，其中，湘东包括长沙市、株洲市、湘潭市；湘南包括永州市、衡阳市、郴州市；湘西包括湘西土家族苗族自治州、张家界市、怀化市；湘北包括岳阳市、常德市；湘中包括益阳市、邵阳市、娄底市。

1.2 数据来源及预处理

气象数据采用湖南省1960 年-2015 年87 个气象站点的逐月气候资料，来源于湖南省气象局。针对部分无效值的降雨量数据，利用该站点多年月平均值进行代替。计算降水距平百分率、标准化降水指数、相对湿润度指数三种指标值，以对比分析湖南省多年气候干湿状况。根据研究区各气象站点经纬度坐标信息，利用ArcGIS 10.2 软件平台转换为Shapefile点矢量数据，以挂接相应的非空间数据，进行空间插值。湖南省年、季尺度蒸散量数据，来源于文献［2］。其他数据还包括湖南省范围矢量数据、行政区矢量文件、土地利用矢量数据、DEM 栅格影像、地形图等。统计《中国气象灾害大典（湖南卷）》（以下简称《大典》）中关于湖南省1960年-2000年的实际干旱事件（以夏旱、秋旱、夏秋连旱为主），选取其中具有重大干旱事件的1960年、1963年和1985年3 个典型年作为参考依据，以评价各指标干旱监测的适用性。

1.3 研究方法

1.3.1 气象干旱等级

利用降水距平百分率、标准化降水指数、相对湿润度指数三种指标监测湖南省气候干湿状况，依据《气象干旱等级》（GB/T 20481—2017）国家标准将干旱等级进行划分，详见表1。将计算得到的湖南省年、季尺度干旱指标数值与该区域历史上实际发生的气象灾害事件进行对比，分析研究区基于不同指标的干旱分布特征，以找出适合湖南省旱情监测的指标。

表1 气象干旱等级Table 1 Grades of meteorological drought

1.3.2 降水距平百分率

降水距平百分率多用于评估月、季、年尺度的气候异常特征，公式表示为［6］：

式中：PA为某尺度的降水距平百分率；P为降水量（mm）；表示气候常年值（mm），即世界气象组织规定的1981 年—2010 年气候平均值。

1.3.3 标准化降水指数

标准化降水指数具体计算过程如下［20］：

假定某一时段降雨量为随机变量x，且服从Γ 分布，则其概率密度函数可表示为：

式中：β＞0，γ＞0 分别表示尺度参数和形状参数，x表示降雨量。β和γ可采用极大似然估计方法求取：

式中：xi表示降水样本，表示降雨量平均值，n表示计算序列长度，则给定时间尺度下的累积概率可计算为：

鉴于上式不包含x=0 的情况，而实际降雨量可以为0，则降雨量为0 的事件概率表示为：

式中：m表示降雨量为0时的样本数，n表示降雨量平均值。

对Γ 分布概率作正态标准化处理，近似求解可得：

1.3.4 相对湿润度

相对湿润度指数是某时段降雨量与蒸发量之间平衡状况的衡量指标之一，公式如下［7］：

式中：MI表示相对湿润度指数；P表示某时段降水量（mm）；E表示某时段潜在蒸散量（mm），来源于文献［2］。

2 结果分析

2.1 湖南省干湿时间变化特征

依据表1，结合湖南省地区实际，将降水距平百分率阈值设定为|PA|=15%、30%、40%、45%，相对湿润度指数设定为|MI|=40%、65%、80%、95%，标准化降水指数设定为|SPI|=0.5、1、1.5、2，由此将旱情和雨涝等级划分为正常与轻、中、重、特旱（或涝）。

1960 年—2015 年，湖南省PA最高值为35%，最低值为-30%，分别发生在2002 年和2011 年，表现为中涝与中旱。轻旱发生的年份有1963 年、1971 年、1974 年、1978 年、1985 年和 2009 年；轻涝发生的年份有 1970 年、1973 年、1994 年和 2012 年，其余年份为正常年（图1-a）。据统计，湖南省各气象站点PA介于-47%～68%之间，最大值于2014 年出现在麻阳苗族自治县，为特涝；最小值于2011 年出现在常德市，为特旱。据《大典》记载，1963 年、1971 年、1974年、1978年和1985年湖南省旱灾面积较为广泛，与轻旱发生年份基本相符。

图1 1960 年－2015 年湖南省气象干旱指数时间变化Fig.1 Time series of annual meteorological drought indexes in Hunan Province in the past decades （1960-2015）

近56 年，研究区MI最高值为100%，最低值为-2.5%，分别发生在2002 年和2011 年，表现为特涝与无旱。轻涝出现在1961 年、1975 年、1980 年、1999年、2015年等，合计22 a；中涝出现在1970年、1973 年、1993 年和1994 年，其余年份为正常年（图1-b）。据统计，湖南省各气象站点MI介于-40%～311%之间，最大值于1970年出现在南岳区，为特涝；最小值于1963 年出现在茶陵县（无旱）。据《大典》记载，1970 年、1973 年、1993 年和 1994 年水灾面积范围较广，与中涝发生年份相符合。

近56 年，研究区SPI最高值为1.88，最低值为-1.85，分别发生在2002年和2011年，表现为重涝与重旱。轻涝出现在1961年、1973年、1980年、1997年、2012年等，合计14 a；轻旱出现在1963年、1974年、1985年、2013年等，合计13 a；中涝出现在1994年；中旱出现在1978 年，其余年份为正常年（图1-c）。据统计，湖南省各气象站点SPI介于-3.1～3.3 之间，最大值于1994 年出现在新邵县，为特涝；最小值于1985 年出现在洪江市，为特旱。据《大典》记载，1978 年旱灾面积为133.3×104hm2,与中旱发生年份相符合。

2.2 湖南省干旱空间特征

依据《大典》，选取发生重大干旱事件的1960年、1963年和1985年3个典型年，计算降水距平百分率、相对湿润度指数、标准化降水指数三种指标值，借助ArcGIS10.2 软件平台进行空间插值，划分相应的气象干旱等级（图2）。并将计算结果与《大典》中记载的实际干旱事件进行对比分析，以评价各指标在湖南省气候干旱监测的适用性。

图2 湖南省气象干旱监测Fig.2 Monitoring meteorological drought in Hunan Province based on meteorological drought indexes

从降水距平百分率来看，1960 年，该指标对湘中干旱监测结果较为准确，但未能监测到湘南地区的旱情（图2-A1）。1963 年，PA对于湘南的监测效果较好，对于湘东、湘北与湘中的监测偏轻，未能监测到湘西地区旱情（图2-A2）。1985 年，PA在湘西地区的监测结果与实际旱情基本吻合，在湘东、湘北、湘中地区的监测结果比实际旱情偏轻，对于湘南地区却未能监测到旱情（图2-A3）。

从标准化降水指数来看，1960 年，该指标显示衡邵盆地、洞庭湖区、湘西中南部为重旱区，与实际旱情基本相符，其他地区如浏阳市、茶陵县、娄底市夏秋季节干旱与指标监测结果基本一致，但SPI对于湘南地区的永州市与郴州市等地干旱监测结果与实际不符（图2-B1）。1963 年，SPI显示湘东部分地区、湘南的衡阳市和郴州市大部分地区、湘北的岳阳市部分地区等，均为严重的干旱区，与实际旱情基本一致，但对于湘中娄底市旱情监测结果比实际旱情偏轻，对于湘西怀化地区却未监测到旱情（图2-B2）。1985 年，SPI在湘中的娄底市、邵阳市，湘西的怀化大部分地区、凤凰县，以及湘南的永州市和衡阳市部分地区监测结果与实际旱情基本吻合，同时在湘东、湘北的监测结果也与实际旱情基本一致（图2-B3）。

从相对湿润度指数来看，在三个典型干旱年，该指标均显示无旱，表明其对整个研究区旱情监测效果较差（图2-C1～C3），不适合作为该区域气候干旱监测指标。

2.3 湖南省季节性干旱特征

依据《大典》，湖南省四季皆有可能发生干旱，春旱对于整地耕田、播种育秧有很大影响，但最频繁、危害最大的还是夏秋季节干旱［21］。结合图1 和图2，鉴于标准化降水指数对于湖南省气候干旱监测效果相对较好，因此选取研究区1960 年—2015 年各站点季节性SPI指标，利用Excel 2013软件统计湘东、湘南、湘西、湘北和湘中五个区域四季干旱发生频次，详见表2。

表2 湖南省1960 年—2015 年季节性干旱发生频次Table 2 Drought frequency of Hunan Province in four seasons from 1960 to 2015

近56 年，湖南省各地春、夏、秋、冬四季皆有不同程度的旱情发生，湘东地区、湘西地区、湘中地区的夏旱和冬旱，湘南地区夏秋季节干旱以及湘北地区的春旱和冬旱相对严重（表2）。同时，春、夏、秋、冬四季不同程度旱情发生频次以及干旱总频次最多的是湘南地区，其次是湘西地区，湘东最少（表2），表明湘南地区和湘西地区发生旱灾的概率较大，湘东地区最小。此外，利用ArcGIS 10.2 软件平台对研究区标准化降水指数季节性多年均值进行插值，显示出该指标未能监测到旱情，表明SPI指标季节性多年均值不适合作为气候干旱监测的依据。

3 结论

基于湖南省1960 年—2015 年87 个气象站点逐月气候资料，选取降水距平百分率、相对湿润度指数、标准化降水指数三种指标，分析了湖南省近56 年气候干湿特征，初步评估了气象干旱指标旱涝监测的适用性，并结合实际干旱事件，进一步研究了各指标干旱监测的地区适用性。主要结论如下：

（1）近56年，湖南省PA最高值为35%（中涝），最低值为-30%（中旱），分别发生在2002 年和2011年，轻旱年份有1963年、1971年、1974年、1978年、1985年和2009年，轻涝年份有1970年、1973年、1994年和2012 年。MI最高值为100%（特涝），最低值为-2.5%（无旱），分别发生在2002 年和2011 年，轻涝出现在1961 年、1975 年、1980 年等合计22 a，中涝出现在 1970 年、1973 年、1993 年和 1994 年。SPI最高值为1.88（重涝），最低值为-1.85（重旱），分别发生在2002年和2011年，轻涝出现在1961年、1973年、2012 年等合计14 a，轻旱出现在1963 年、1985年、2013 年等合计13 a，中涝出现在1994 年，中旱出现在1978 年。

（2）从年尺度PA、MI、SPI来看，三种指标均适合分析湖南省雨涝特征，其中，MI指标监测效果相对较好。而对于研究区气候干旱特征，选择PA或SPI监测较为合适。

（3）空间上，在典型干旱年，对比实际干旱事件，对整个湖南地区旱情进行监测，选择SPI指标效果最好，其次是PA指标，而MI指标不适合该区域的旱情监测。由此可见，研究区气候干旱监测选择SPI指标较为合适。

（4）从季尺度SPI来看，近56年，春、夏、秋、冬四季不同程度旱情发生频次以及干旱总频次最多的是湘南地区，其次是湘西地区，湘东最少，表明湘南地区和湘西地区发生旱灾的概率较大，湘东地区最小。