基于SPEI指数的华南春季旱涝时空特征

彭窈，彭劲洪，何彬，毛文书，杨鑑斌

（1.清远市清新区气象局，广东清远 511800；2.清远市气象公共安全技术支持中心英德分中心，广东英德 513000；3.连南瑶族自治县气象局，广东连南 513300；4.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都 610000）

华南汛期一般为4到9月，期间常引发严重的洪涝灾害，而华南干旱主要发生在秋末、冬季及前春，严重时甚至出现秋、冬、春3季持续性干旱事件［1-3］。春季仍有较明显冷空气抵达华南沿海，但强度逐渐减弱，同时西南季风逐步爆发影响华南，导致降水不稳定性增大，更容易引发洪涝、干旱灾害。在时间变化上，黄晚华［4］发现华南春旱总体呈略增加趋势，其中20世纪60年代春旱严重，20世纪80年代春旱发生频率低，21世纪以来春旱又有所增加，其他学者对于珠江流域春旱的研究也发现了相似的特征［5］。在空间分布上，陈云［6］发现珠江流域春旱发生频率大值区包括兴义、望谟、灵山、玉林、罗定和南雄几个地区。

因研究方向和时空差异，存在不同指标讨论华南各地旱涝气候变化［7-10］。2010年，Vicente-Serrano［11］构建了标准化降水蒸散指数（SPEI指数），该指数引入潜在蒸发项，考虑了水分平衡对旱涝的影响，消除了降水和气温的时空分布差异，能较好地体现华南旱涝特征［12］。目前对华南春季旱涝研究仍不深入，尤其缺乏SPEI指数的研究，本研究基于SPEI指数讨论华南春季旱涝问题，以期为区域气象防灾减灾、气候资源利用提供有价值的参考。

1 资料与方法

本研究中华南地区包括广东和广西，采用国家气象信息中心提供的气象观测站1961—2016年逐月降水、气温资料，剔除气候资料时间尺度不足56年的站点，最后选取出42个站点。

计算逐年华南春季标准化降水蒸散指数（SPEI指数），通过讨论指数的时空特征来分析旱涝气候特征，SPEI指数旱涝等级见表1。

表1 SPEI指数的旱涝等级划分表

研究采用正态分布检验、滑动t检验、Mann-Kendall非参数趋势检验法、Morlet小波分析等方法［13］，分析华南春季旱涝的时间和周期变化特征；采用经验正交函数分解（EOF）方法［13］，分析华南春季旱涝的空间分布特征。

标准化降水蒸散指数（SPEI指数）的计算步骤［11，14］如下：

第1步：基于Thornthwaite方法计算潜在蒸散量，计算逐月降水量和潜在蒸散量的差值

其中，i为某月；Pi为月降水量（mm）；PETi为月潜在蒸散量（mm）。

第2步：对Di数据序列进行正态化，计算每个数值对应的SPEI指数。计算采用3个参数的Log-Logistic概率分布，其表达式为

其中α、β、γ分别为尺度参数、形状参数和位置参数，采用线性矩的方法拟合获得。

第3步：对累积概率密度进行正态标准化处理：

式（4）、式（5）中其他常数项取值：c0＝2.515 517、c1＝0.802 853、c2＝0.010 328、d1＝1.432 788、d2＝0.189 269、d3＝0.001 308。

2 华南春季旱涝时间变化特征

将华南42个站点的春季SPEI指数值求平均作为一个点（平均SPEI值），代表华南区域春季旱涝值，以此来讨论1961—2016年区域整体的旱涝时间变化特征。对区域平均SPEI序列进行正态分布偏度和峰度检验，其偏度系数-0.778、峰度系数0.597，两者的绝对值均小于1.96，认为在95%的显著性水平下，平均SPEI序列服从正态分布。华南春季平均SPEI序列与平均降水量的相关系数为0.961，表明该指数能反映降水量的变化趋势。平均SPEI序列与平均气温的相关系数为-0.315，两者存在显著负相关关系，气温高则蒸发量大，容易发生干旱，气温低则蒸发量有限，容易发生洪涝，这种负相关关系与实况相符。

2.1 平均SPEI值的年际变化特征

统计1961—2016年华南春季平均SPEI值及滑动平均，如图1所示。

图1 1961—2016年华南春季平均SPEI值的年际变化（a）和5年滑动t检验（b）

由近56年华南春季平均SPEI值及其5年滑动平均的时间变化（图1a）发现，20世纪60年代滑动平均值总体小于0，处于干旱期，其中1963年（重旱）旱情最重；20世纪70年代至90年代初，滑动平均值总体大于0，处于雨涝期，其中1978年（中涝）涝害最重；20世纪90年代初至21世纪初，滑动平均值在0值附近变动，SPEI值围绕0值线上下波动明显，即这10余年旱涝转换频繁；21世纪后，滑动平均值小于0值为主，进入干旱期；2014—2016年，滑动平均值均大于0，可能存在由干旱期向雨涝期过渡的趋势。

结合近56年华南春季平均SPEI值的5年滑动t检验（图1b）发现，SPEI值表现出“升-降-升”的变化趋势。起初平均SPEI值呈上升趋势，即趋湿润化；在1983年其t统计量为-2.6，经历了由上升到下降的明显突变，置信区间达95%，即呈现趋干旱化；在2011年其t统计量为3.09，经历了由下降到上升的明显突变，置信区间达95%，旱情趋于缓解，即呈现趋湿润化。上述的旱涝时间变化特征，在实况记录和诸多研究中同样得到印证［3-5］。

2.2 平均SPEI值的小波分析

由近56年华南春季平均SPEI值小波变换图（图2a）可知，华南春季旱涝在20世纪70年代存在3年左右的周期变化，其余年代存在4～6年的周期变化，其中20世纪60年代前中期、20世纪80年代至21世纪初周期振荡信号最强；7～11年的周期变化主要出现在20世纪80年代以后，存在准5次周期振荡；还存在14～25年的周期变化，存在准4次周期振荡，其中20世纪70至90年代前中期周期振荡信号最强。由小波功率谱图（图2b）发现（阴影部分通过95%的显著性检验），20世纪70年代中期，存在3年左右的显著周期变化；20世纪60年代前中期和20世纪90年代，存在4～6年的显著周期变化。

图2 1961—2016年华南春季平均SPEI值的小波变换系数实部图（a）和小波功率谱图（b）

3 华南春季旱涝空间分布特征

3.1 SPEI指数变化趋势的空间分布

华南春季SPEI指数随时间的变化存在站点间差异，可能导致旱涝空间分布特征的变化。由56年华南春季SPEI值M-K趋势检验的空间分布（图3）发现，正值主要分布在广东中部、梅县至汕头粤东地区、阳江至电白的粤西沿海地区，其中仅韶关站具有显著洪涝化趋势，置信区间达95%；负值主要分布在广西、广东东部和西部，其中仅南宁站具有显著干旱趋势，置信区间95%。可见，在空间分布上华南春季旱涝多年变化趋势并不显著，这与罗岚心等［5］的研究结果相符。

图3 1961—2016年华南春季SPEI值M-K趋势检验结果的空间分布

3.2 SPEI指数场的EOF分解

对近56年华南春季SPEI指数场作EOF分解，分析结果郑彬等［15］、张凌云等［16］的研究结果相似，表明该指数同样可以表现华南春季旱涝空间分布特征。

EOF分解第1模态的方差贡献为42.3%，其空间分布型态（图4a）表现为华南春季SPEI指数全区一致型，即一致洪涝或一致干旱。当各地SPEI指数均为负值时，全区域一致干旱，且自西向东的干旱程度加重；当各地SPEI指数均为正值时，全区域一致洪涝，且自西向东的洪涝程度加重。第1模态时间系数与平均SPEI序列的时间变化趋势大体一致，该模态表现的是华南春季旱涝最主要的空间分布型态。

EOF分解第2模态的方差贡献为14%，其空间分布型态（图4b）大约以112°E为界表现为东西反位相变化。当SPEI指数在华南112°E以西为正值、以东为负值时，西部洪涝区自西向东洪涝程度降低，至112°E逐渐过渡到干旱区，东部干旱区自西向东干旱程度加重；当SPEI指数在华南112°E以西为负值、以东为正值时，西部干旱区自西向东干旱程度降低，至112°E逐渐过渡到洪涝区，东部洪涝区自西向东洪涝程度加重。第2模态反映出春季旱涝在华南东西部之间的空间差异性，其方差贡献较第1模态明显减小，为次要空间分布型态。

图4 华南春季SPEI指数EOF分解第1模态（a）和第2模态（b）空间分布型

4 结论

1）20世纪60年代华南春季处于干旱期，70年代至90年代初处于雨涝期，90年代初至21世纪初出现大幅度旱涝转换，21世纪后又进入干旱期。华南春季平均SPEI值在1983年前以上升趋势为主，即呈现趋湿润化；在1983年经历了由上升到下降的显著突变，后呈现趋干旱化；在2011年经历了由下降到上升的显著突变，后呈现趋湿润化。

2）华南春季旱涝具有3、4～6、7～11和14～25年的周期变化特征，其中3年左右的周期变化在20世纪70年代中后期振荡信号最强；4～6年的周期变化在20世纪60年代前中期和90年代振荡信号最强。

3）在空间分布上，华南春季SPEI指数与SPI指数的多年变化趋势相符，旱涝变化趋势并不显著，仅韶关站具有显著洪涝化趋势、南宁站具有显著干旱化趋势。

4）SPEI指数场EOF分解得到的第1模态揭示华南春季旱涝全区一致型，第2模态为华南春季旱涝东西反位相变化型。