几种旱涝指数在华南春季适用性的对比分析

彭窈，谭勇展，蒋熙，彭劲洪，苏艳雯

（1.清远市清新区气象局，广东清远 511800；2.广东普天防雷检测有限责任公司佛山分公司，广东佛山 528500；3.永福县气象局，广西永福 541899；4.英德市气象局，广东英德 513000）

目前存在多种旱涝计算指标，如Pa指数、Z指数、SPI、SPEI等。Z指数在我国旱涝研究中应用广泛，鞠笑声等［1］利用Pa指数、Z指数和湿度指标分别计算我国单站旱涝程度，认为Z指数比较客观地反应了历史旱涝情况；蒋丽娟等［2］、刘利平等［3］也认为Z指数比Pa指数更适用于评估广西、广东的历史气象旱涝变化；袁文平等［4］比较Z指数和SPI发现，两种指数在全国具有较好的一致性，但SPI具有计算简单、多时间尺度等优势；钱纯纯等［5］讨论南京旱涝时，发现Z指数、降水分级指数在短时间尺度旱涝分析中运用效果良好，而Z指数、降水分级指数和SPI则适用于中、长时间尺度旱涝分析。SPEI在SPI计算的基础上考虑了蒸散作用，徐一丹等［6］、王林等［7］对比了SPEI与其他指数在我国不同地区的变化特征，认为SPEI评估旱涝问题的适用性更好。由此可见，旱涝指标在不同的研究范围和时间尺度可能具有一致性，也可能具有明显的差异性，因此旱涝指标的适用性讨论是旱涝气候研究的前提。华南是我国旱涝灾害频发的地区之一［8-9］，已有不少关于华南旱涝特征研究，但目前对于旱涝指标的对比研究仍有待推进，本研究以春季为研究时间尺度，结合灾害实况对指标适用性展开讨论，以期为华南旱涝研究提供合理的指标参考。

1 资料来源与研究方法

本研究定义的华南地区包括广东、广西。气象资料采用国家气象信息中心提供的观测站点1961—2016年逐月降水、气温资料，剔除资料时间尺度不足的站点，最终选取出42个站点。分别计算各站点逐年春季Pa指数、Z指数、SPI和SPEI，对比分析4种旱涝指标特征，再选取代表单站，结合文献记录的受灾实况，讨论华南春季旱涝研究的适用指标。各旱涝指数等级划分见表1，指标原理和计算方法详见文献［10-11］。

表1 Pa指数、Z指数、SPI、SPEI的旱涝等级

（续上表）

2 旱涝指标的适用性分析

2.1 旱涝指数的时空变化

将1961—2016年华南春季逐年Pa指数、Z指数、SPI、SPEI分别做42个站点的空间平均，得到几种区域旱涝指数等级的时间变化曲线（图1）。

图1 1961—2016年华南春季旱涝指数等级的时间变化

由图1可以看出，各指数能够表现出华南春季干旱和洪涝灾害的典型年份［12-13］，如1963、1977、1991年（干旱年）和1973、1975年（洪涝年）。近56年各指数与降水量的相关系数均通过显著性检验（置信区间99%），表明各指数都能反映降水量的变化趋势；各指数间的相关系数也通过了显著性检验（置信区间99%），即不同指数的变化趋势一致，但等级存在差异。SPEI识别的区域旱涝年份（干旱11年、洪涝12年）最多，敏感性强；Pa指数识别的区域旱涝年份（干旱7年、洪涝6年）最少，敏感性差，旱涝等级偏低，且只能识别轻度洪涝和中度干旱以下等级，等级划分不合理；Z指数（干旱9年、洪涝10年）和SPI（干旱10年、洪涝10年）的敏感性居中。

为分析指数间的空间差异性，分别绘制1961—2016年华南各指数的站点干旱频率和洪涝频率的空间分布。由干旱频率空间分布（图2）发现，SPEI的干旱频率均大于25%，76.2%站点干旱频率大于30%。Pa指数的干旱频率多低于30%，其中桂北和粤西北干旱频率低于20%。Z指数和SPI的干旱频率居中，且空间分布具有相似性。

图2 1961—2016年华南春季Pa指数（a）、Z指数（b）、SPI（c）、SPEI（d）的干旱频率空间分布

由洪涝频率空间分布（图3）看出，各地Pa指数、Z指数、SPI、SPEI的发生频率总体递增。SPEI的洪涝频率均大于25%，85.7%站点的洪涝频率大于30%。Pa指数的洪涝频率多低于25%，其中桂北洪涝频率低于15%。Z指数的洪涝频率高值区出现在桂东北和广东至广西省界附近地区，而SPI的洪涝频率高值区范围略大于Z指数，出现在桂东北和桂东南以及除雷州半岛和粤东沿海外的广东大部。在空间分析上，各站点SPEI的干旱和洪涝频率总体大于其他指数，更容易识别旱涝发生，而Pa指数的干旱和洪涝频率总体小于其他指数，识别旱涝发生的能力较差，即SPEI的敏感性强、Pa指数的敏感性弱。

图3 1961—2016年华南春季Pa指数（a）、Z指数（b）、SPI（c）、SPEI（d）的洪涝频率空间分布

2.2 旱涝指数的正态分布检验

对区域平均和各站点不同指数进行正态分布偏度系数和峰度系数检验［14］，平均Pa指数近似服从正态分布，靖西、北海不服从正态分布；平均Z指数近似服从正态分布，靖西不服从正态分布；平均SPI不服从正态分布，高要、广州、河源、增城、惠阳不服从正态分布；平均SPEI和所有单站SPEI序列均近似服从正态分布。由此认为，在正态分布检验中，SPI的检验结果较差，SPEI的检验结果最优，旱涝等级分布较合理。

2.3 基于代表站的旱涝指数对比分析

在对华南春季各指数干旱和洪涝频率空间分布规律有初步认识的基础上，选取单站分析指数间的差异性，来探讨各指数反映旱涝灾害的能力。选取佛冈站（23.53°N，113.31°E）、徐闻站（20.2°N，110.11°E）、河池站（24.42°N，108.02°E）作为代表站，分别位于粤中、粤西和桂北，空间分布均匀，能代表华南不同空间区域的降水特征。3个代表站春季降水特征量差异明显（表2），分别为华南多年平均降水量最大站点、最小站点和降水量大致居中站点，它们降水量偏度系数和峰度系数的绝对值都小于1.96，均遵从正态分布（置信区间95%）。离散系数是衡量数据离散程度的相对指标，降水量序列的离散系数越大，可以认为其降水越不稳定，更容易发生干旱或洪涝。徐闻、河池、佛冈的离散系数分别为47.74%、28.71%、33.18%，离散系数间具有明显差异，能表征区域内降水量年际变率各异的站点。

表2 徐闻、河池、佛冈站1961—2016年春季降水特征量

3个代表站1961—2016年春季不同旱涝指数的等级变化如图4所示，各旱涝指数和降水量的相关系数都通过了显著性检验（置信区间99%），说明各指数都能反映降水的变化。

图4 1961—2016年佛冈（a）、河池（b）、徐闻（c）不同旱涝指数等级变化

由图4a可以看出，佛冈春季平均降水量832 mm，降水量最小年份为1963年232.9 mm。据记载，华南多地自1962年入冬后一直少雨，气温偏高、高温日数偏多，出现大范围冬春连旱［12］。各指数均在1963年出现最小值，Pa指数评价佛冈为重旱年，其余指数评价为特旱年，相差1个干旱等级。1963年春季平均气温分别为21.9℃，比常年偏高1℃左右，气温明显偏高则蒸发量大，使得旱情加剧发展，Pa指数评价等级可能偏低。降水量最大年份为1975年1 519.7 mm，其次为1983年1 507.4 mm。1975和1983年各旱涝指数均评价为特涝年，其中Pa指数、Z指数、SPI在1975年出现最大值，SPEI在1983年出现最大值。1983年春季平均气温为20.3℃，比1975年的21.2℃明显低0.9℃，气温低时蒸发量小，土壤含水量大，在降水量持续偏多的背景下，洪涝灾情较难缓解，因而佛冈1983年洪涝程度大于1975年符合灾情实际。由此认为，SPEI能够反映因气温条件不同导致的旱涝程度差异。

由图4b可以看出，河池春季平均降水量395.8 mm，降水量最小年份为1977年153.2 mm，各旱涝指数均在1977年出现最小值，Pa指数评价为中旱年，其余指数评价为特旱年，相差2个干旱等级。降水量最大年份为1994年720.2 mm，各旱涝指数均在此年出现最大值，一致评价为特涝年。河池1993、2015年春季降水量分别为342.8、342.7 mm，降水量无明显差异，其中SPEI评价2015年为轻旱年，其余指数评价为正常年；各指数均评价1993年为正常年。进一步分析发现，2015年（21.7℃）春季平均气温较1993年（20.5℃）高出1.2℃，在降水量持平的基础上，气温高则蒸发量大，有利于干旱灾害发生。由此认为，在降水量差异小的情况下，SPEI识别轻旱的能力更强。

徐闻地处中国大陆最南端，气象条件与其他站点差异明显［15-16］，导致其春季气候变化常与华南其他地区不一致，干旱灾害尤为突出［12］。由图4c可以看出，徐闻春季平均降水量210.4 mm，56年来降水量最少的5年的旱涝指数对比情况见表3。降水量最小年份为2005年66.8 mm，Pa指数、Z指数评价为中旱年，SPI、SPEI评价为重旱年，相差1个等级。1973和2015年为最暖的2个年份，平均气温分别为26.2和25.9℃，同时降水量偏少，蒸散作用明显，干旱灾情加剧，SPEI评价均为特旱年，比其他指数高1到2个等级；2011和2015年的降水量相差不到3 mm，2011年春季平均气温明显偏低（第2冷年），蒸发放缓，土壤失水程度有限，SPEI评价2011年为轻旱年，比其他指数低1到2个等级。由此认为，在降水量差异不明显、蒸散条件不同的情况下，SPEI的高敏感性更有利于识别局地旱涝差异。

表3 1961—2016年徐闻降水量少年的旱涝指数对比

由各代表站不同指数的差异发现，Pa指数对平均降水量的依赖性较大，其敏感性差，时常无法反映其他指数指出的单站干旱或洪涝年份，对重旱和特旱的识别能力很差；旱涝等级普遍偏低1到2个等级，这种偏低并不合理；稳定性差，等级划分不符合实际，各级频率分布很不合理，难以反映旱涝的真实变化。Z指数、SPI和SPEI的旱涝等级变化趋势较为一致，反映旱涝的一致性较好，代表站各级发生频率分布接近正态分布，其中SPEI的偏度系数接近于0，表明该指数等级划分符合实际，各级频率分布最为合理。SPEI敏感性最强，能够表现气温和降水对旱涝的影响，可以甄别因气温微小变化而导致的指数差异，识别轻旱的能力更强，能够明确表现旱涝的局地差异性，可用于讨论各地旱涝特征。综上所述，SPEI反映的干旱、洪涝事件和等级最符合灾害实际，适用于评价华南春季旱涝事件。

3 结论

通过对比分析各旱涝指数的差异性，综合认为SPEI更适用于华南春季旱涝研究。

1）在华南春季区域指数的时间变化上，SPEI识别的区域旱涝年份最多，敏感性较强；Pa指数识别的区域旱涝年份最少，敏感性较差，旱涝等级偏低。

2）在站点旱涝频率的空间分布上，发现SPEI更容易识别旱涝发生，Pa指数识别旱涝发生的能力较差，即SPEI的敏感性强、Pa指数的敏感性弱，这与区域平均指数的分析结果一致。

3）对56年华南春季各指数的区域平均序列、42个站点的各指数序列进行正态分布检验，发现SPI的检验结果较差，SPEI的检验结果最优，旱涝等级分布较合理。

4）通过对比分析佛冈、徐闻、河池的各指数特征，认为Pa指数的敏感性和稳定性差，各等级划分不合理，反映的旱涝程度普遍偏轻，用于华南春季旱涝的分析效果较差；Z指数和SPI能够大致描述华南春季旱涝特征，但不能体现蒸散作用对旱涝的影响；SPEI敏感性强，可以体现降水和气温差异对于旱涝的影响，识别轻旱的能力更强，能够表现旱涝的局地差异性。