基于SPI的安徽省1961—2019年干旱演变特征分析

熊世为，邱阳阳，郁凌华，蒋 琳，华俊玮，凌遵斌

（1.滁州市气象局，安徽 滁州 239000；2.安徽省气象局，合肥 230000）

干旱一直是影响人类生存发展的主要自然灾害之一，在气候变化背景下，干旱区域不断扩大且程度也日益严重［1-3］。针对干旱的监测评估可为探索其成因机理和趋势预测提供基础，也是政府部门决策部署的重要依据。所谓干旱监测就是利用各类实况监测资料，定量计算出干旱指标，以此来分析评估干旱的强度和范围［4］。干旱监测已经历了一百多年的历史［5］，当今学界从影响的不同层面将干旱分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱［6］。因此，针对不同的干旱类型也诞生了许多干旱指数，如Z指数能较好地体现气象干旱状态［7］，地表供水指数对水文干旱有不错的指示性［8］，以土壤含水量和蒸散为基础的土壤水分指数是指示农业干旱的重要指标［9］，Ohisson［10］基于供水和需水制定的城市干旱指数则能较好地反映经济社会干旱情况。标准化降水指数（SPI）是对月或季降水量进行标准化处理得到，资料获取容易且计算相对简单，同时还具有较好的地区间可比性，是目前国内外应用较多的一种干旱监测指数［11］。此外，SPI还具有时间尺度多的特点（3个月尺度的SPI3、12个月尺度的SPI12等），不同时间尺度的SPI对气象干旱、农业干旱、水文干旱和经济社会干旱等都能有所体现［12］。袁文平等［13］分析认为SPI能够较好地反映中国各区域和各时段的旱涝状况，优于综合气象干旱指数（CI）。

安徽省位于中国南北气候过渡带，虽然濒江近海，但干旱灾害也时常发生，根据统计，近50年来该地区旱灾出现概率达32%［14］，严重影响生产生活和经济社会发展。本研究以SPI作为监测指标，从发生频率、站次比和强度3个方面分析1961—2019年安徽省干旱的时空演变特征，可为气候变化背景下干旱监测预警及政府部门防灾减灾部署提供决策依据。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本研究采用的降水数据由安徽省气象信息中心提供，为安徽省64个国家气象站1961—2019年逐月降水量，站点分布情况见图1，个别缺测数据采用空间插值方法补缺。

图1 研究区气象站点分布

1.2 标准化降水指数

因为降水量的分布是非正态的，标准化降水指数首先计算降水量的Γ分布概率，再对其Γ分布概率进行正态标准化处理，利用得到的降水量标准化累积频率分布进行评估分析，计算方法如下［15］。

1）假设某时段内降水量为随机变量x，且x不为0时（即x＞0），其Γ分布概率密度函数如下。

式中，γ和β分别为Γ分布函数的形状参数和尺度参数，利用最大似然法来计算。

式中，xi为降水量资料序列为降水量的气候平均值。于是由某一年的降水量x0，可以得出随机变量x小于x0事件的概率。

2）假设某时段内降水量为0。

式中，m为降水量为0的样本数；n为样本总数。

3）对Γ分布概率密度函数式（5）、式（6）进行正态标准化处理，则有：

对式（7）进行近似求解得：

式中，SPI即为标准化降水指数，其中，t=为式（5）、式（6）中求得的概率密度函数，计算系数分别为c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。利用式（8）计算的SPI，依据《气象干旱等级》（GB/T 20481—2017）来确定干旱等级，具体分为无旱（SPI＞-0.5）、轻旱（-1.0＜SPI≤-0.5）、中旱（-1.5＜SPI≤-1.0）、重旱（-2.0＜SPI≤-1.5）和特旱（SPI≤-2.0）。

1.3 评价方法

参照黄晚华等［16］的方法，从干旱的发生频率（Pi）、站次比（Pj）和强度（Sij）来评价安徽省1961—2019年干旱的时空变化特征，具体表示如下。

1）发生频率，即某站在某时间段内发生干旱的频率，计算公式为Pi=（n/N）×100%，其中，n为该站发生干旱的年份。

2）站次比，即某一范围内干旱发生站数与总站数之比，计算公式为Pj=（m/M）×100%，其中，m为干旱发生站数，M为总站数。

依据Pj的大小作如下规定，Pj≥50%时为全域性干旱；50%＞Pj≥33%时为区域性干旱；33%＞Pj≥25%时为部分区域性干旱；25%＞Pj≥10%时为局域性干旱；Pj＜10%时为无明显干旱。

3）干旱强度，即干旱的严重程度，用SPI的绝对值表示，某区域某年的干旱强度可表示为：

|SPIi|为计算所得SPI的绝对值。根据前文干旱划分标准可推知，Sij≥2时为特旱；2＞Sij≥1.5时为重旱；1.5＞Sij≥1.0时为中旱；1.0＞Sij≥0.5时为轻旱；Sij＜0.5时为无旱。

2 结果与分析

2.1 干旱频率

1961—2019年安徽省各地区干旱（轻旱以上）频率总体呈南高北低分布（图2），最大为南部的黟县站41.4%，频率最小为北部的灵璧站25.9%，平均频率为31.7%，与前人结论基本一致［14-16］。中旱以上频率在8.6%～22.4%，平均值为15.7%。重旱以上频率在1.7%～13.8%，平均值为6.1%。

图2 安徽省1961—2019年轻旱以上发生频率

从不同季节来看，1961—2019年安徽省各季节轻旱以上频率分布空间差异不大（图3），其中，春、夏、秋旱表现为南北部大、中部小的特点，冬旱的南北差异不大，四季轻旱以上平均频率分别为31.7%、30.4%、30.7%和30.5%，各季节中旱以上频率分别为14.4%、15.4%、16.4%和17.2%，各季节重旱以上频率分别为6.6%、6.5%、6.7%和7.4%。

图3 安徽省1961—2019年各季节轻旱以上发生频率

2.2 干旱站次比

2.2.1 轻度以上干旱发生的站次比 由图4可以看出，安徽省自1961年以来平均站次比高达31.7%，其中有15年发生全域性轻度以上干旱，站次比由高到低依次为1978、1966、1994、1976、2001、1968、1992、1988、2019、1967、2013、1997、1986、2004、1995年，其中1978年站次比高达98.4%，有7年发生区域性轻度以上干旱，有20年无明显干旱。

图4 安徽省1961—2019年轻旱以上发生站次比

安徽省1961—2019年有7年发生全域性中等以上干旱（图略），分别为1978、1966、2001、2019、1976、1994、1968年，其中1978年有93.8%的站点发生中度以上干旱，有8年发生区域性中度以上干旱。1978年和1966年发生全域性重度以上干旱，其中1978年的重旱以上站次比达85.9%，同时1978年达特旱标准的站次比也高达68.8%（图略）。综上，1978年是安徽省1961年以来干旱范围最广的年份。

2.2.2 春季轻旱以上发生站次比 1961年以来安徽省共发生18次全域性春旱（轻度以上，图5），其中2000年站次比为100.0%，发生5次区域性轻度以上春旱，有22年无明显春旱。发生4次全域性中度以上春旱，分别为2011、2001、1978、2000年。其中2011年中旱站次比为92.2%（图略）。发生2次全域性春季重旱，分别为2011年（站次比76.6%）和2001年（站次比71.9%），此外，2011年春季特旱站次比为57.8%，也达全域性干旱级别（图略）。综上，2011年是安徽省1961年以来春旱范围最广的年份。

图5 安徽省1961—2019年春季轻旱以上发生站次比

2.2.3 夏季轻旱以上发生站次比 1961年以来安徽省共发生14次全域性夏旱（轻度以上，图6），其中1966年站次比为93.8%，其次为1978年（站次比为87.5%），发生6次区域性轻度以上夏旱，有16年无明显夏旱。发生4次全域性中度以上夏旱，分别为1978、1967、1966、1985年，其中1978年中旱站次比为79.7%（图略）。发生1次全域性夏季重旱，为1978年（站次比为67.2%），此外，1978年夏季特旱站次比为45.3%，达区域性干旱级别（图略）。综上，1978年是安徽省1961年以来夏旱范围最广的年份。

图6 安徽省1961—2019年夏季轻旱以上发生站次比

2.2.4 秋季轻旱以上发生站次比 1961年以来安徽省共发生17次全域性秋旱（轻度以上，图7），其中2001年站次比为100.0%，发生8次区域性轻度以上秋旱，有22年无明显秋旱。发生6次全域性中度以上秋旱，分别为2001、1998、2019、1966、1995、2002年，其中2001年中旱站次比为92.2%（图略）。发生3次全域性秋季重旱，分别为2019、1998、2001年，其中2019年秋季重旱站次比为71.9%，此外，1998年秋季特旱站次比为42.2%，达区域性特旱标准（图略）。综上，1998年是安徽省1961年以来秋旱范围最广的年份。

图7 安徽省1961—2019年秋季轻旱以上发生站次比

2.2.5 冬季轻旱以上发生站次比 1961年以来安徽省共发生16次全域性冬旱（轻度以上，图8），其中1963、1968、1983、1999年站次比均为100.0%，发生5次区域性轻度以上冬旱，有25年无明显冬旱。发生9次全域性中度以上冬旱，其中1968年中旱站次比为100.0%。发生3次全域性冬季重旱，分别为1968、1963、1986年，其中1968年冬季重旱站次比为100.0%，此外，1968年冬季特旱站次比为75.0%，达全域性特旱标准。综上，1968年是安徽省1961年以来冬旱范围最广的年份。

图8 安徽省1961—2019年冬季轻旱以上发生站次比

2.3 干旱强度

从历年的干旱强度演变来看，1961年以来安徽省干旱总体以轻旱到中旱为主，且呈微弱下降趋势（图9），最强年份为1978年，强度达2.2，是仅有的特旱年份，1966年为仅有的重旱年份，2019年干旱强度排1961年以来第三。

图9 安徽省1961—2019年干旱强度变化

从不同季节来看，1961年以来安徽省春旱总体以轻旱到中旱为主，且呈微弱上升趋势（图10a），最强年份2011年是仅有的特旱年份，2001年为仅有的重旱年份，2019年干旱强度排1961年以来第四；1961年以来安徽省夏旱总体以轻旱到中旱为主，且呈微弱下降趋势（图10b），最强年份1978年是仅有的特旱年份，1967、1966、1982年为夏旱重旱年份；1961年以来安徽省秋旱总体以轻旱到中旱为主，且呈微弱上升趋势（图10c），2019、1969、2001年为夏旱重旱年份，其中2019年是1961年以来秋旱最重年份；1961年以来安徽省冬旱总体以轻旱到中旱为主，且呈微弱下降趋势（图10d），最强年份1968年是仅有的特旱年份，1963、1986、1977年为冬旱重旱年份。各季节干旱强度表现为夏旱（0.98）＞秋旱（0.79）、春旱（0.78）＞冬旱（0.60）。

图10 安徽省1961—2019年各季节干旱强度变化

3 小结

基于SPI，从干旱频率、站次比和干旱强度3个方面分析了1961—2019年安徽省干旱时空演变特征，主要结论如下。

1）1961—2019年安徽省各地区干旱频率总体呈南高北低分布，平均轻旱以上频率为31.7%，中旱以上频率为15.7%。重旱以上平均频率为6.1%。

2）1961年以来安徽省轻旱以上平均站次比高达31.7%，有15年发生全域性干旱，1978年是干旱发生面积最广的年份。共发生18次全域性春旱、14次全域性夏旱、17次全域性秋旱和16次全域性冬旱。

3）1961年以来安徽省干旱总体以轻旱到中旱为主，且呈微弱下降趋势，最强年份1978年为特旱级别。各季节干旱强度表现为夏旱＞秋旱、春旱＞冬旱，2011年的春旱、1978年的夏旱、2019年的秋旱和1968年的冬旱是1961年各季节性干旱最强年份。

上述结论与文献［14］基本一致，说明SPI可有效反映安徽省的干旱演变特征，此外，SPI所需数据方便获取，计算相对简单，还具有多时间尺度的优势，可用于该地区的干旱监测评估，也可为防汛抗旱、水资源管理等决策提供技术支撑。