基于SPEI的干旱时间演变特征研究

田青青，连海东，黄莎莎

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南 郑州 450046；3.河南豫信招标有限责任公司，河南 郑州 450046）

干旱是全球最常见、最广泛的自然灾害，其具有发展速度缓慢、持续时间较长、影响范围广和危害严重的特点[1-3]。在全球气候变暖的背景下，干旱越来越严重，近几年，中国跨月、跨季节甚至跨年度的重大干旱事件更是频发[4]。我国受地理位置和季风性气候的影响，水文气象条件复杂多变，社会经济、农业生产以及生态环境对气候条件的依赖性强，是世界上干旱灾害发生最为频繁和严重的国家之一。本文以标准化降水蒸散指数SPEI作为干旱指数，从干旱的时间演变方面分析了我国1960-2019年的干旱演变特征，以期为全国防旱抗旱减灾提供科学决策的依据。

1 数据与方法

1.1 研究区域与数据

我国位于亚洲东部，太平洋西岸，陆地面积约960万平方千米。我国降水的时空分布并不均匀，夏秋季降水较多而冬春季降水较少，并且降水量在空间分布上由东南沿海向西北内陆逐渐递减。本文选取的气象站点数据是1960-2019年全国共613个气象站点的月值降水、气温数据，数据来源于国家气象科学数据中心制作的地面气候资料月值数据集（http：//data.cma.cn/）。

1.2 方法

1.2.1 标准化降水蒸散指数SPEI

标准化降水蒸散指数SPEI是用降水量与潜在蒸散发量的差值偏离平均状态的程度来表征某地区的干旱状况，它融合了帕默尔干旱指数PDSI和标准化降水指数SPI的优点，不仅具有多时间尺度的特征，而且还考虑了气温因素对干旱变化的影响[5]。SPEI的计算步骤参照文献[6]。

1.2.2 极点对称模态分解方法ESMD

极点对称模态分解方法ESMD是借鉴了傅里叶变换的思想并将希尔伯特-黄变换方法进行改进，可用于气象学、水文学、信息科学、生态学等所有涉及数据处理的学科[7]。ESMD方法是通过一系列的变换将原始时间序列分解成为几个IMF分量和一个趋势项R，其中趋势项R即可反映原始时间序列的整体变化趋势。该方法的具体步骤参照文献[8]。

2 结果与分析

图1为全国不同时间尺度SPEI及干旱站次比，从图中可以看出SPEI可反映不同时间尺度的干旱特征。其中，图1（a）反映的月尺度SPEI的波动最为频繁，因为它没有考虑前期的降水、气温变化情况，所以受到短期降水、气温的影响较大，反映的是月度的干旱变化特征。图1（b）与图1（c）分别反映的是季节干旱与年度干旱变化特征。月、季、年尺度SPEI均呈下降趋势，且干旱站次比呈上升趋势，表明1960-2019年全国干旱呈增加趋势。由年尺度SPEI可知，共有6年的SPEI值小于-0.5，即这6年发生了干旱现象，这些年份分别为2001年、2006年、2007年、2009年、2011年、2019年，其中2006年发生干旱现象最为严重，SPEI达到最小值-0.80。此外，1960-2019年SPEI的线性倾向率为-0.121/10a，Mann-Kendall趋势检验法计算得到的趋势特征值Zs=-2.61，通过了α=0.01的显著性检验，表明年SPEI呈现出显著的下降趋势，即1960-2019年全国干旱大体呈显著增加趋势。干旱站次比表示发生干旱的影响范围程度，由图1（d）可知全国干旱站次比的均值为32.3%，共有4年的干旱站次比超过了50%，这些年份分别为2001年、2006年、2009年、2011年，可以看出这些年份也都是发生干旱的年份，其中2006年的干旱站次比达到了最大值58.3%。1960-2019年全国干旱站次比的线性倾向率为3.444/10a，且Mann-Kendall趋势特征值Zs=3.31，通过了α=0.01的显著性检验，表明全国干旱发生范围也呈显著增加趋势。

图1 不同时间尺度SPEI及干旱站次比

对全国年SPEI时间序列进行ESMD分解，当最佳筛选次数达到16次时，ESMD分解自动停止，由此可得到4个IMF分量和1个趋势项R，最终得到的趋势项R即可反映原始SPEI序列的整体波动特征，计算结果如图2所示。为了验证ESMD分解结果的可靠性，将分解得到的4个IMF分量和1个趋势项R求和，据此可得到1个重构序列，发现该重构序列与原始SPEI序列完全相同，表明ESMD方法分解得到的结果是可靠的。运用快速傅里叶变换求出各个IMF分量的平均周期，可以识别SPEI序列中存在的多时间尺度振荡特征，经计算发现IMF1-IMF4的主周期分别为2.07年、5年、10年、30年，表明全国干旱在年际尺度内具有准2.07年和准5年的周期特征，在年代际尺度内具有准10年和准30年的周期特征。由方差贡献率可得到各个IMF分量相对于原始SPEI序列的重要程度，从表1可知IMF1的准2.07年的方差贡献率最大，其值为32.92%，IMF3的准10年的方差贡献率最小，其值为4.57%，因此年际尺度振荡在SPEI序列变化中占有主导地位，SPEI序列的变化主要是由IMF1所决定的，第一主周期为2.07年。由SPEI序列与各个IMF分量和趋势项R的相关系数可知，最终得到的趋势项R与原始SPEI序列的相关性最高，相关系数达到0.65，且通过了α=0.01的显著性检验。

图2 基于ESMD分解的各个IMF分量及趋势项R

表1 年SPEI序列分解的各个IMF分量

3 结束语

针对我国干旱现象日益严重的问题，本文基于1960-2019年全国613个气象站点的降水、气温数据，以标准化降水蒸散指数SPEI作为干旱指数分析了我国的干旱时间演变特征。1960-2019年全国的月、季、年尺度SPEI呈下降趋势，干旱站次比呈增加趋势，表明全国的干旱大体上呈增加趋势。对全国年SPEI时间序列进行ESMD分解，可知全国干旱具有准2.07年、准5年、准10年、准30年的周期特征，且第一主周期为2.07年。