基于SPI的1961～2016年陜西省干旱特征分析

劉璨然,陳 浩,2*,寧 忱,丁永建

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院,陜西 寶雞 721013;2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室,陜西 寶雞 721013;3.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅 蘭州 730000)

世界氣象組織的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,氣象災(zāi)害中有50%以上為干旱災(zāi)害[1]。陜西省降水量的年際變化大,空間分布不均勻,干旱災(zāi)害頻發(fā)。在全球氣候變化的背景下,近年來陜西省降水量的年際波動和空間差異性還在逐漸增強[2]。因此,研究陜西地區(qū)氣象干旱的時空變化特征,對評估干旱災(zāi)害的發(fā)展趨勢,科學(xué)開展抗旱救災(zāi)工作具有重要意義。

已有許多研究通過各種干旱指標(biāo)對陜西地區(qū)氣象干旱的狀況進行了評估,常用的干旱指標(biāo)有:帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)、降水距平指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)、地表濕潤指數(shù)和Z指數(shù)等[3]。相關(guān)研究表明： PDSI對西北地區(qū)的干旱變化不敏感；地表濕潤指數(shù)受夏季降水和氣溫的影響比較大[4]；降水距平指數(shù)對干旱的響應(yīng)慢,在西北地區(qū)的應(yīng)用具有局限性[5]； SPI計算簡單,參數(shù)量較少,具有良好的計算穩(wěn)定性,優(yōu)于Z指數(shù)等指標(biāo)[6-7]；在西北地區(qū)12個月尺度以下干旱與SPEI波動變化一致[8], SPEI是氣象部門廣泛采用的指標(biāo),常被用于氣象干旱的預(yù)測和評估[9-10]。已有大量研究采用SPI分析了重慶、甘肅和陜西等西部省份在過去幾十年內(nèi)的干旱狀況[11-13]。

目前對陜西省氣象干旱的空間分析主要集中在單個干旱指標(biāo)的空間分布和空間傾向率上,例如：周丹等[14]采用SPEI分析了1961～2010年陜西省的干旱范圍和干旱強度,結(jié)果表明陜西省頻發(fā)全局性干旱和區(qū)域性干旱；劉宇峰等[15]采用地表濕潤指數(shù)分析了陜西省1959～2014年的地表干濕特征,指出多年平均地表濕潤指數(shù)具有南高北低、西南高東北低的空間分布特點；蔡新玲等[16]分析了陜西區(qū)域性氣象干旱事件及其變化特征,指出關(guān)中地區(qū)是陜西干旱事件發(fā)生的高頻、高強中心區(qū)域。但目前還沒有學(xué)者對陜西省干旱頻率、干旱強度和干旱范圍等干旱指標(biāo)的相互關(guān)系進行綜合分析。陜西省氣象干旱發(fā)生的空間差異大,需要評估各地區(qū)發(fā)生干旱的頻率和強度；另外,近年來陜西省的年降水量出現(xiàn)增長趨勢[17]，需要進一步評估陜西省氣象干旱的時空變化特征。

本文以SPI為干旱指標(biāo),整理了1961～2016年56年間陜西省35個標(biāo)準(zhǔn)氣象站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù),從年、季兩個尺度對陜西省1961～2016年氣象干旱的變化特征進行了分析，并評估了陜西省各地區(qū)基于干旱范圍等級的干旱頻率和干旱強度的空間分布特征,以期為陜西省的防旱抗災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

陜西省位于東經(jīng)105°29′～111°15′,北緯31°42′～39°35′之間。年平均降水量576.9 mm,夏季降水量約占全年的50%～70%,冬季降水稀少。各地區(qū)降水的多少,主要取決于冬、夏季風(fēng)來去的時間及強弱?？筛鶕?jù)地理環(huán)境特征將陜西省劃分為4個區(qū)域:陜北風(fēng)沙區(qū)、陜北黃土高原區(qū)、關(guān)中區(qū)和陜南區(qū)(圖1)。陜北風(fēng)沙區(qū)年降水量在300～450 mm,降水量東部多于西部;陜北黃土高原區(qū)年降水量在450～700 mm,大致由西南部向東北部遞減;關(guān)中區(qū)多年平均降水量為500～900 mm,降水量一般是山地多于平原,西部多于東部;陜南區(qū)年平均降水量在600～900 mm,部分地區(qū)可達1400 mm以上[18]。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1　數(shù)據(jù)資料及處理方法

整理1961～2016年陜西省35個地面標(biāo)準(zhǔn)站的逐日降水量實測數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng), http://data.cma.cn/)。其中,5個站點位于陜北風(fēng)沙區(qū),5個站點位于陜北黃土高原區(qū),11個站點位于關(guān)中地區(qū),14個站點位于陜南地區(qū)。這些站點均勻分布于陜西省各地區(qū),研究區(qū)范圍及氣象站點分布如圖1所示。將各氣象站點每年降水量之和除以站點總數(shù)得到當(dāng)年陜西省的年均降水量。

圖1　陜西省地形和氣象站點分布

2.2　研究方法

2.2.1SPI和干旱強度等級SPI通過量化不同時間尺度下降水的盈虧變化情況來衡量某地區(qū)的降水異常程度[19-20]。SPI假設(shè)某時段內(nèi)降水量的概率密度服從某種分布函數(shù),如gamma分布、Pearson III分布和正態(tài)分布等；經(jīng)過正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理,計算得出降水累積頻率；對其進行近似求解得到SPI值,基于SPI值可以劃分旱澇等級[21]。本文采用氣象部門常用的gamma分布,計算SPI的公式[22-23]如下:

(1)

式(1)中:c0=2.515517;c1=0.802853;c2=0.010328;d1=1.432788;d2=0.189269;d3=0.001308。

(2)

式(2)中F(x)是與gamma分布函數(shù)相關(guān)的概率密度函數(shù),其表達式如下：

(3)

式(3)中：x為降水量樣本；α為gamma分布函數(shù)的形狀參數(shù)；β為尺度參數(shù)；當(dāng)F>0.5時,F=1.0-F,S=1；當(dāng)F≤0.5時,S=-1。

本文計算了3個月(SPI3)和12個月(SPI12)尺度的SPI值,分別表示季度和年際的干旱變化情況。根據(jù)SPI值確定的干旱強度等級[21]如表1所示。

表1　基于SPI的干旱程度等級

2.2.2干旱頻率干旱頻率是指干旱發(fā)生的頻繁程度。統(tǒng)計各站點歷年來干旱等級屬于輕微干旱及輕旱以上(即SPI<-0.5)的干旱事件,利用公式(4)計算干旱發(fā)生頻率P[21]。

Pj=n/N×100%

(4)

式(4)中:n為某等級干旱事件發(fā)生的次數(shù);N為資料時間序列數(shù);j為第j個站點。

2.2.3干旱站次比干旱站次比是指有干旱事件發(fā)生的站點數(shù)占總站點數(shù)的百分比。統(tǒng)計各年所有站點干旱等級屬于輕微干旱及以上(即SPI<-0.5)的干旱事件,利用公式(5)計算每年不同干旱等級的站次比，以此來衡量區(qū)域內(nèi)發(fā)生干旱的范圍大小,并確定相應(yīng)的干旱范圍等級[21](表2)。

Pi=m/M×100%

(5)

式(5)中：m為研究區(qū)內(nèi)有干旱事件發(fā)生的站點數(shù);M為研究區(qū)內(nèi)的總站數(shù);i表示第i年份。

3　結(jié)果與分析

3.1　基于SPI的氣象干旱的時間分布特征

圖2A顯示,在1961～2016年間,陜西地區(qū)SPI12值的年際波動較大,總體呈下降趨勢。多項式擬合曲線顯示：在1959～2000年間,SPI12值處于下降區(qū)間,其中在1997年出現(xiàn)極端干旱,SPI12值達-4.32；而從2000年至今,SPI12值呈上升趨勢,尤其在2006年之后上升趨勢明顯。

表2　基于干旱站次比的干旱范圍等級

圖2B、C、D、E分別顯示了春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12～2月)的SPI3變化情況。從趨勢線可以看出春季、秋季的SPI3值呈顯著下降趨勢,而夏、冬兩季的SPI3值總體趨勢不明顯,說明陜西地區(qū)的春旱、秋旱情況總體趨向加重。從多項式擬合曲線可看出春、秋兩季的SPI3的變化趨勢有明顯的變化區(qū)間,1959～2000年呈下降趨勢,2000年以后呈上升趨勢。

根據(jù)公式(5)計算出1961～2016年間陜西省各年的干旱站次比,并繪制出年際干旱站次比折線圖(圖3)。如圖3顯示,陜西省56年間干旱站次比在0～91.4%之間浮動,平均值為28.9%。趨勢線顯示,干旱站次比歷年來呈緩慢上升趨勢,與SPI12的變化趨勢相同,說明56年來,陜西地區(qū)的干旱范圍在擴大,干旱狀況在加劇。從多項式擬合曲線可以看出,干旱范圍在1993～1999年形成較高峰值,2000年左右開始逐漸下降,2005年以后干旱站次比均未超過50%,說明近年來干旱范圍有一定程度的縮小。

提取56年間不同干旱范圍的發(fā)生情況，如表3所示,全年基本無旱的情況有16年,占總年份的29.6%；全局干旱有4年,其中1997年的干旱站次比達91.4%,為歷年最大；局部性干旱和部分區(qū)域性干旱為陜西地區(qū)氣象干旱的主要形式,兩者年份之和為27年,占總年份的50%。

表3　基于干旱范圍等級的陜西省各時間尺度干旱事件的年份數(shù)

根據(jù)公式(5)計算出年度及各季節(jié)的干旱站次比,與相應(yīng)的SPI值做皮爾遜相關(guān)分析。結(jié)果(表4)表明：陜西省年度和各季的SPI值與干旱站次比均呈高度負相關(guān),干旱強度越高,則干旱范圍越大。

3.2　基于干旱范圍等級的氣象干旱的空間分布特征

陜西省發(fā)生干旱事件的空間分異性較大,因此基于各個干旱范圍等級,對全省不同地區(qū)氣象干旱的發(fā)生頻率和平均干旱強度進行了分析。首先根據(jù)表3統(tǒng)計出的陜西省發(fā)生局部干旱、部分區(qū)域性干旱、區(qū)域性干旱和全局干旱的次數(shù),再統(tǒng)計各個站點在以上4個干旱范圍等級內(nèi)發(fā)生氣象干旱的頻率,利用克里金插值法繪制干旱頻率的空間分布圖。根據(jù)表1,計算各個站點在各個干旱范圍等級內(nèi)的多年平均SPI值,作為該站點在該干旱范圍等級內(nèi)的干旱強度。

圖2　1961～2016年陜西省SPI12和SPI3的年際變化表4　SPI和干旱站次比的皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果

項目年際春季夏季秋季冬季Pearson相關(guān)性-0.894**-0.918**-0.906**-0.912**-0.907**顯著性(雙側(cè))0.000.000.000.000.00

注：“**”表示在0.01水平上相關(guān)顯著(雙側(cè))。

圖3　1961～2016年陜西省年際干旱站次比的變化

如圖4A所示,當(dāng)陜西省發(fā)生局部干旱(4

如圖4B、圖4C顯示,當(dāng)陜西省發(fā)生部分區(qū)域性干旱和區(qū)域性干旱(11

如圖4D顯示,當(dāng)陜西省發(fā)生全局性干旱(26

圖4　不同干旱范圍等級的干旱頻率、干旱強度的空間分布

從上述結(jié)果可以看出，陜北風(fēng)沙區(qū)和關(guān)中地區(qū)的干旱特征相反，即在全省發(fā)生局部干旱時, 關(guān)中地區(qū)的干旱頻率和強度為省內(nèi)最低，而陜北風(fēng)沙區(qū)的為省內(nèi)最高；當(dāng)全省發(fā)生全局干旱時,關(guān)中地區(qū)的干旱頻率和強度為省內(nèi)最高，而陜北風(fēng)沙區(qū)的為省內(nèi)最低。但陜北風(fēng)沙區(qū)和關(guān)中地區(qū)干旱特征的變化趨勢不同,當(dāng)全省年際干旱強度加大、干旱范圍從局部干旱擴張為全局干旱時,關(guān)中地區(qū)呈現(xiàn)明顯的干旱強度上升、干旱頻率加大的趨勢，而陜北風(fēng)沙區(qū)則呈現(xiàn)干旱強度和干旱頻率先升后降的趨勢,在發(fā)生區(qū)域干旱時,陜北風(fēng)沙區(qū)的干旱頻率和干旱強度最高,當(dāng)發(fā)生全局干旱時,卻出現(xiàn)了干旱頻率和干旱強度下降的趨勢。

4　討論和結(jié)論

4.1　干旱事件的時間分布特征

陜西省在1961～2016年期間,整體上呈干旱化的趨勢,干旱范圍逐漸擴大,其中春、秋季的干旱化趨勢明顯。但自2000年以來,干旱化狀況好轉(zhuǎn),干旱范圍呈縮小趨勢。

陜西地區(qū)干旱事件的年際和季節(jié)性波動較大,多項式曲線擬合顯示,1990～2000年為較為嚴(yán)重的干旱期,2000年之后雖然呈現(xiàn)濕潤化趨勢,但是季節(jié)性干旱仍時有發(fā)生,短期的濕潤化趨勢難以改變陜西地區(qū)旱災(zāi)頻繁的格局,全省抗旱工作依然繁重。

4.2　干旱事件的空間分布特征

許多學(xué)者采用經(jīng)驗正交函數(shù)分析(EOF)法研究了陜西省的降水空間分布類型,如杜佳等[24]指出陜西全省降水主要呈4種雨型,依次為“整體一致”、“中部相反”、“南北一致”、“東西相反”型；影響陜西地區(qū)的氣候系統(tǒng)主要包括東南季風(fēng)、西南季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流等,這些氣候系統(tǒng)的環(huán)流因子的周期性年內(nèi)和年際變化是產(chǎn)生這些雨型的主要因素,也是陜西地區(qū)干旱事件頻發(fā)的重要原因。

表3和圖4顯示,在區(qū)域性干旱的年份均有夏季干旱發(fā)生。關(guān)中和陜南屬典型季風(fēng)性氣候區(qū),受季風(fēng)環(huán)流年際變化的影響,常同時發(fā)生夏季的伏旱。當(dāng)關(guān)中、陜南出現(xiàn)伏旱時,雨帶北移,陜北風(fēng)沙區(qū)降水量增多[13],這可能是區(qū)域性干旱呈現(xiàn)干旱頻率北低南高的原因。

本研究顯示,陜西地區(qū)干旱事件的空間分布特征與該地區(qū)的主要雨型具有一定的相似性,局部干旱時的干旱頻率呈中部低、南北高的特征，全局干旱時干旱頻率呈現(xiàn)中部高、南北低的特征,屬于“中部相反”型;區(qū)域性干旱時干旱頻率呈北低南高,屬于“南北相反”型;部分區(qū)域干旱時干旱頻率在空間上大致相同,屬“整體一致”型;區(qū)域干旱和全局干旱時,漢中地區(qū)和安康地區(qū)的干旱頻率和干旱強度均相反,屬于“東西相反”型。有關(guān)環(huán)流因子與干旱事件空間分布特征的相關(guān)關(guān)系有待進一步分析。

4.3　干旱事件的區(qū)域分布特征

關(guān)中地區(qū)是陜西省的工農(nóng)業(yè)中心,易受干旱災(zāi)害的影響；而陜北地區(qū)位于季風(fēng)區(qū)的邊緣,具有亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)的氣候特點,生態(tài)環(huán)境脆弱,易發(fā)嚴(yán)重旱災(zāi)；這兩個地區(qū)是陜西省防災(zāi)減災(zāi)的重點區(qū)域。本研究表明,關(guān)中地區(qū)在陜西地區(qū)發(fā)生局部干旱時,干旱頻率和強度均為省內(nèi)最小,但是在發(fā)生區(qū)域和全局干旱時,其干旱頻率和強度均為省內(nèi)最高。而陜北風(fēng)沙區(qū)的干旱特征與關(guān)中地區(qū)正好相反。因此有關(guān)部門應(yīng)有針對性地開展抗旱工作的部署。

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