基于ＳＰＥＩ 的豫北地區(qū)干旱演變特征分析

晉超杰 姜寧 孟凡香 田肖冉 施巧

摘 要：為給豫北地區(qū)的抗旱減災(zāi)與加強(qiáng)水資源規(guī)劃提供參考，分析該地區(qū)氣象干旱時(shí)空演變特征?；冢保梗梗薄玻埃玻?年豫北地區(qū)２３ 個(gè)氣象站點(diǎn)逐月氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（ＳＰＥＩ），結(jié)合線性回歸、Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 突變檢驗(yàn)、反距離權(quán)重插值（ＩＤＷ）、Ｍｏｒｌｅｔ 小波分析等方法進(jìn)行豫北地區(qū)干旱時(shí)空演變特征分析。結(jié)果表明：１９９１—２０２１ 年豫北地區(qū)不同時(shí)間尺度所有干旱事件以輕度和中度干旱為主，重度與極端干旱次之。在不同時(shí)間尺度干旱指數(shù)的變化程度差異性顯著，干旱與濕潤交替出現(xiàn)，有逐漸濕潤趨勢；時(shí)空上，不同尺度各站點(diǎn)干旱頻率為２２．５８％～４１．９３％。豫北地區(qū)以９ ａ 為一個(gè)干濕變化周期，春、秋季節(jié)干旱集中在豫北地區(qū)中部，而夏、冬季節(jié)在豫北地區(qū)東部與西部。豫北地區(qū)干旱情況有減弱趨勢，主要以輕度與中度干旱為主，季節(jié)干旱頻率分布差異顯著。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（ＳＰＥＩ）；突變檢驗(yàn)；反權(quán)重插值（ＩＤＷ）；豫北地區(qū)

中圖分類號(hào)：Ｓ１６６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２０

引用格式：晉超杰，姜寧，孟凡香，等．基于ＳＰＥＩ 的豫北地區(qū)干旱演變特征分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１１１－１１７．

０ 引言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（ＩＰＣＣ）第六次評(píng)估報(bào)告指出在過去的一個(gè)世紀(jì)里，全球氣溫平均上升１．０９ ℃，與第五次報(bào)告的０．７８ ℃相比提高了０．３１℃［１］ 。這意味著氣候變化已成為當(dāng)今及未來全球尤其是干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻問題和重大挑戰(zhàn)。因此，研究干旱的發(fā)生規(guī)律和變化特征，對(duì)于各地區(qū)適應(yīng)氣候變化以及防災(zāi)減災(zāi)決策具有重要意義。

干旱是指水分異常缺少造成長時(shí)間的收支與供求不平衡現(xiàn)象，一般分為氣象、水文、農(nóng)業(yè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱［２］ 。其中，氣象干旱是水文、農(nóng)業(yè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱的源頭，對(duì)氣象干旱的研究顯得尤為重要。干旱指數(shù)是定量分析干旱的基礎(chǔ)。不同地區(qū)的氣候、水文、地下水條件的不同，及干旱原因的復(fù)雜性，使我們很難用一個(gè)干旱指數(shù)來描述不同地區(qū)和不同特點(diǎn)的干旱狀況［３－４］ 。目前，常用的干旱指標(biāo)有ＰＤＳＩ 帕默爾干旱指數(shù)［５］ 、ＳＰＩ 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)［６］ 、ＳＰＥＩ 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)［７］ 、ＣＩ 綜合指數(shù)［８］ 等。Ｖｉｃｅｎｔｅ －Ｓｅｒｒａｎｏ 等［９］ 在２０１０ 年提出的ＳＰＥＩ 干旱指數(shù)考慮了降水與蒸發(fā)的影響，該指數(shù)多時(shí)間尺度計(jì)算簡單且有空間橫向或縱向比較等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的適用性。曹永強(qiáng)等［１０］ 運(yùn)用ＳＰＥＩ 對(duì)遼寧省氣象干旱進(jìn)行了分析，結(jié)果表明干旱事件交替出現(xiàn)，總體向濕潤化方向發(fā)展，以及空間上ＳＰＥＩ 分布區(qū)域性明顯。梁守真等［１１］ 研究表明黃河流域氣溫與ＳＰＥＩ 相關(guān)性較弱，ＳＰＥＩ 與降水有更好相關(guān)性。陳淑紅等［１２］ 研究表明雖近幾十年來涇河流域總體較干旱，但年際及春夏干旱趨勢有所減輕。任建成等［１３］ 運(yùn)用ＳＰＥＩ 研究表明山東省的氣溫上升趨勢顯著，降水變化趨勢不顯著，干濕狀態(tài)變化交替出現(xiàn)且具有明顯的周期性。王芝蘭等［１４－１５］ 研究表明，ＳＰＥＩ 在西北地區(qū)具有良好的適用性，且高溫對(duì)干旱的影響不可輕視。近年來，ＳＰＥＩ 被大多學(xué)者應(yīng)用于干旱相關(guān)研究，同時(shí)針對(duì)計(jì)算ＳＰＥＩ 中的蒸散模型Ｔｈｏｒｎｔｈｗａｉｔｅ 與Ｐｅｎｍａｎ 方法被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)干旱研究且二者計(jì)算結(jié)果相近，根據(jù)黃婷婷等［１６］ 在黃河流域、路金強(qiáng)等［１７］在河南省的研究中基于Ｔｈｏｒｎｔｈｗａｉｔｅ 方法計(jì)算ＳＰＥＩ 驗(yàn)證其在豫北地區(qū)（暖溫帶）同樣有良好的適用性。

河南省位于南北氣候過渡帶，降水區(qū)域分布不均，受季風(fēng)影響，降水年際、年內(nèi)變化較大，一年中干旱時(shí)間很長［１８］ 。豫北地區(qū)是受干旱影響的重要地區(qū)，也是河南省重要的農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)之一。隨著時(shí)代的發(fā)展，干旱已成為制約豫北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大瓶頸。為應(yīng)對(duì)干旱并促進(jìn)抗旱資源的高效利用，本文對(duì)１９９１—２０２１ 年豫北地區(qū)氣象干旱變化特征進(jìn)行分析，以期為管理層提供決策依據(jù)，也為制定防旱抗災(zāi)工作的必要性和現(xiàn)實(shí)性措施提供一定的數(shù)據(jù)參考。

１ 材料與方法

１．１ 研究區(qū)概況

豫北包括河南省北部的安陽、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、鶴壁和濟(jì)源６ 個(gè)市。西臨太行山，與山西省長治市、晉城市接壤；北臨漳河，與河北省接壤；南、東臨黃河，與洛陽、鄭州、開封三市接壤。豫北地區(qū)是重要的工業(yè)基地且經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，總面積為２８ ０００ ｋｍ２；人口數(shù)為２ １００萬人；屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫１５ ℃左右；年均降水量為１ １６８．４～２４１．８ｍｍ，夏、秋兩季降水較多（占全年降水量的７５％）。

１．２ 數(shù)據(jù)來源與處理

選?。玻?個(gè)均勻分布在豫北地區(qū)的氣象站點(diǎn)作為數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)，具體包括：安陽市（安陽市區(qū)、滑縣、內(nèi)黃縣、林州市）４ 個(gè)站點(diǎn)，鶴壁市（鶴壁市區(qū)、?？h、淇縣）３ 個(gè)站點(diǎn)，新鄉(xiāng)市（新鄉(xiāng)市區(qū)、原陽縣、延津縣、封丘縣、衛(wèi)輝市、輝縣市、長垣市）７ 個(gè)站點(diǎn)，焦作市（焦作市區(qū)、武陟縣、溫縣、沁陽市）４ 個(gè)站點(diǎn)，濮陽市（濮陽市區(qū)、清豐縣、南樂縣、范縣）４ 個(gè)站點(diǎn)與濟(jì)源市１ 個(gè)站點(diǎn)（見圖１）。１９９１—２０２１ 年各氣象站點(diǎn)逐月氣象數(shù)據(jù)（月降水量、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫）來源于“國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心”及國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心；ＤＥＭ 數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云，該數(shù)據(jù)為ＳＲＴＭＤＥ?ＭＵＴＭ ９０ ｍ 分辨率數(shù)字高程產(chǎn)品。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 不同時(shí)間尺度ＳＰＥＩ 變化趨勢

ＳＰＥＩ 值大小可以反映干旱等級(jí)及干旱事件的嚴(yán)重性，ＳＰＥＩ 變化趨勢反映干旱演變趨勢。圖２ 為豫北地區(qū)１９９１—２０２１ 年不同時(shí)間尺度下ＳＰＥＩ 時(shí)間序列的波動(dòng)情況。

從月尺度的ＳＰＥＩ［見圖２（ａ）］可以看出，短時(shí)間的強(qiáng)降水對(duì)土地的水分收支影響劇烈，ＳＰＥＩ 的波動(dòng)頻率較大。在月尺度ＳＰＥＩ 變化趨勢平緩，傾向率為１．１５×１０－３，干旱趨勢不明顯。輕度、中度、重度、極端干旱在１９９１—２０２１ 年豫北地區(qū)的所有干旱事件中占比分別為４９．６％、３９．２％、８．０％、３．２％，從而看出１９９１—２０２１ 年以輕度、中度干旱為主。

２） 從季尺度的ＳＰＥＩ ［見圖２ （ｂ）］ 可以看出，１９９１—２０２１ 年干旱整體呈上升趨勢，ＳＰＥＩ 傾向率為１．９２×１０－３。１９９１—１９９８ 年波動(dòng)幅度逐漸增大，相應(yīng)干旱嚴(yán)重程度加劇，最嚴(yán)重的一次在１９９８ 年；在１９９８—２０２１ 年波動(dòng)呈現(xiàn)出平緩，其他極端干旱事件發(fā)生于１９９７ 年、１９９９ 年、２００１ 年，其中輕度、中度、重度、極端干旱占所有干旱事件百分比分別為４８．５７％、３４．２９％、５．７０％、１１．４４％。

３）從年尺度的ＳＰＥＩ［見圖２（ｃ）］可以看出，豫北干旱整體趨勢明顯呈上升趨勢，傾向率為１．０４５×１０－１。ＳＰＥＩ 曲線的趨勢在１９９１—２００２ 年呈現(xiàn)出下降趨勢，２００３—２０２１ 年呈現(xiàn)出上升趨勢，輕度、中度、重度干旱占所有干旱事件百分比為５５．５６％、２２．２２％、２２．２２％。豫北地區(qū)１９９１—２００２ 年干旱事件以中度、重度干旱為主，２００３—２０２１ 年出現(xiàn)的干旱事件以輕度干旱為主，沒有極端干旱事件發(fā)生。

通過上述分析可知，豫北地區(qū)１９９１—２０２１ 年干旱呈增加趨勢，且波動(dòng)周期與干旱歷時(shí)隨時(shí)間尺度延長而增加，傾向率從高至低，依次為年尺度、季尺度、月尺度。

２．２ 季節(jié)性與年際間ＳＰＥＩ 的突變性檢驗(yàn)

利用Ｍ－Ｋ 突變性檢驗(yàn)對(duì)豫北地區(qū)年尺度的ＳＰＥＩ的突變情況進(jìn)行分析。從圖３（ｅ）可以看出，年尺度以０．１０４ ５／１０ ａ 的速率呈上升趨勢。１９９１—２０００ 年ＵＦ與ＵＢ 出現(xiàn)３ 個(gè)交點(diǎn)，并且ＳＰＥＩ 值正負(fù)交替出現(xiàn)，說明這段時(shí)間干旱狀態(tài)不穩(wěn)定。２００１—２０２１ 年ＵＦ 與ＵＢ 出現(xiàn)５ 個(gè)交點(diǎn)，并且ＳＰＥＩ 值正負(fù)的反復(fù)出現(xiàn)表示了干旱與濕潤交替出現(xiàn)的規(guī)律。

為了進(jìn)一步分析豫北地區(qū)四季ＳＰＥＩ 變化趨勢，繪制了季尺度ＳＰＥＩ 突變檢驗(yàn)曲線。春季［見圖３（ａ）］ＳＰＥＩ 以－０．２７９ ７／１０ ａ 的速率呈下降趨勢，夏季［見圖３（ｂ）］、秋季［見圖３（ｃ）］和冬季［見圖３（ｄ）］分別以０．１２４／１０ ａ、０．１４３ ６／１０ ａ 和０．３０９／１０ ａ 的速率呈上升趨勢。春季在１９９１—１９９９ 年僅有１ ａ 的ＳＰＥＩ 為負(fù)值，其中１９９８ 年達(dá)到顯著濕潤，說明這段時(shí)間春季偏濕潤狀態(tài)；２０００—２０２１ 年ＵＦ 與ＵＢ 共出現(xiàn)６ 個(gè)交點(diǎn)，并且ＵＦ 曲線在０ 以下，說明春季干旱情況多變且呈干旱化。夏季ＳＰＥＩ 正負(fù)交替出現(xiàn)，ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現(xiàn)２ 個(gè)交點(diǎn)分布在１９９１—１９９９ 年，１９９２ 年、１９９８ 年為突變年說明夏季從濕潤到干旱的變化；兩條曲線共出現(xiàn)５ 個(gè)交點(diǎn)分布在２０００—２０１０ 年，表明這段時(shí)間夏季干濕狀態(tài)不穩(wěn)定；在２０１０—２０２１ 年出現(xiàn)２ 個(gè)交點(diǎn)，２０１６ 年和２０１９ 年突變表明豫北地區(qū)夏季干—濕反復(fù)的變化過程。秋季ＵＦ 和ＵＢ 曲線出現(xiàn)８ 個(gè)交點(diǎn)，１９９１—２０００ 年ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現(xiàn)２ 個(gè)交點(diǎn)，在１９９３年交點(diǎn)處豫北從濕潤轉(zhuǎn)為干旱，１９９８ 年達(dá)到極端干旱狀態(tài)，１９９８ 年后干旱狀態(tài)減弱；２００１—２０１０ 年出現(xiàn)２個(gè)交點(diǎn)；秋季８ 個(gè)交點(diǎn)中有４ 個(gè)分布在２０１１—２０２１年，說明這段時(shí)間秋季干旱與濕潤狀態(tài)不穩(wěn)定。冬季１９９１—２０００ 年ＳＰＥＩ 負(fù)值居多，這段時(shí)間豫北呈偏干旱狀態(tài)，其中１９９９ 年達(dá)到極端干旱狀態(tài)；在２００１—２０２１ 年ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現(xiàn)１３ 個(gè)交點(diǎn)，說明豫北冬季干濕狀態(tài)不穩(wěn)定，但總體來說在２００１ 年后有偏濕潤化趨勢。

２．３ 干旱空間分布特征

根據(jù)計(jì)算得出的月尺度ＳＰＥＩ 值以及年尺度ＳＰＥＩ值計(jì)算季節(jié)發(fā)生干旱的頻率和年尺度發(fā)生干旱頻率，運(yùn)用反權(quán)重插值法制作干旱頻率時(shí)空分布圖。１９９１—２０２１ 年豫北地區(qū)不同干旱事件的發(fā)生頻率空間分布如圖４ 所示。由圖４（ｅ）可見豫北年尺度干旱頻率為２９．００％ ～３８．７１％，平均為３３．８６％。干旱頻發(fā)集中在豫北東部（臺(tái)前縣、范縣、清豐縣、南樂縣及濮陽市區(qū)等干旱頻率達(dá)到３５．４８％）和偏西部（焦作市區(qū)和溫縣干旱頻率達(dá)３８．７１％），豫北南部與濟(jì)源市干旱發(fā)生頻率較低（為２９．００％）。由圖４（ａ）可知春季干旱發(fā)生頻率為２５．８０％～３２．５０％，其中整個(gè)豫北地區(qū)重度與極端干旱發(fā)生頻率為６．４５％。豫北地區(qū)的中間部位安陽市區(qū)干旱頻率達(dá)到３２．５０％，湯陰縣、鶴壁市區(qū)、淇縣、衛(wèi)輝市、長垣市發(fā)生干旱頻率較高（為３２．５０％），林州市干旱發(fā)生頻率最低（為２５．８０％）。由圖４（ｂ）可知夏季干旱發(fā)生頻率為２２．５８％～４１．９３％，沁陽市、溫縣、長垣市干旱發(fā)生頻率最高（為４１．９３％），而武陟縣、淇縣、鶴壁市區(qū)、內(nèi)黃縣干旱發(fā)生頻率最低（為２２．５８％）；整個(gè)豫北地區(qū)夏季的極端干旱頻率為３．２２％。由圖４（ｃ）可知秋季發(fā)生干旱頻率為２５．８０％～４１．９３％，鶴壁市區(qū)、衛(wèi)輝市、輝縣市發(fā)生干旱頻率最高（為４１．９３％），其以輕度與中度干旱為主，極端干旱的發(fā)生頻率在３．２３％左右；范縣和臺(tái)前縣的干旱發(fā)生頻率較低（ 為２５． ８０％）， 同時(shí)秋季極端干旱頻率為３．２３％。由圖４ （ ｄ） 可知冬季發(fā)生干旱的頻率為２５．８０％～３５．４８％，其中濟(jì)源、沁陽、焦作、范縣等地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高（為３５．４８％左右），安陽市區(qū)干旱發(fā)生頻率為２５．８０％；整個(gè)豫北冬季重度與極端干旱發(fā)生概率為３．２２％左右。

綜合來看，豫北地區(qū)１９９１—２０２１ 年干旱發(fā)生頻率季節(jié)之間存在顯著差異，整體干旱發(fā)生頻率為秋季＞夏季＞ 冬季＞ 春季。不同尺度各站點(diǎn)干旱頻率為２２．５８％～４１．９３％，春秋季節(jié)干旱發(fā)生頻率集中在豫北地區(qū)中部的安陽市與鶴壁市等地區(qū)，并且秋季干旱面積較大；而夏季、冬季干旱發(fā)生頻率在豫北地區(qū)東部與西部濟(jì)源市、焦作市與濮陽市等地較高。

２．４ 小波分析

為分析豫北地區(qū)干旱周期的變化特征，對(duì)年尺度ＳＰＥＩ 值進(jìn)行Ｍｏｒｌｅｔ 小波分析，得出小波系數(shù)實(shí)部和小波方差圖（見圖５）。由小波系數(shù)實(shí)部圖［見圖５（ａ）］看出，豫北地區(qū)氣候演變過程在不同時(shí)間尺度上呈現(xiàn)出較為明顯的干濕變化，近３２ ａ 中，豫北在３～１５ ａ 時(shí)間尺度上出現(xiàn)８ 次干濕震蕩，且干濕演變周期性特征比較穩(wěn)定。由小波方差圖［見圖５（ｂ）］看出，豫北地區(qū)年尺度ＳＰＥＩ 在３～１５ ａ 時(shí)間尺度上出現(xiàn)１ 個(gè)明顯峰值與１ 個(gè)小峰值，分別對(duì)應(yīng)９ ａ 時(shí)間尺度與４ ａ 時(shí)間尺度，其中９ ａ 時(shí)間尺度為豫北地區(qū)干旱變化主周期、４ ａ時(shí)間尺度為豫北地區(qū)干旱變化次周期。由小波分析可知，豫北地區(qū)每９ ａ 經(jīng)過一個(gè)明顯干濕變化、４ ａ 經(jīng)過一個(gè)較小干濕變化。

３ 討論

本文在研究中存在一些不足之處：１）氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間序列不夠長，不能充分反映豫北地區(qū)干旱的時(shí)空變化趨勢， 且周期性變化不夠明顯。２ ） 采用Ｔｈｏｒｎｔｈｗａｉｔｅ 方法計(jì)算蒸散量，只考慮了降水量、氣溫與經(jīng)緯度等因素，未深入研究蒸散發(fā)與濕度、風(fēng)速等其他氣象因素的相關(guān)性，今后可采用Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ方法計(jì)算蒸散量。３）影響干旱的因素很多，干旱過程較為復(fù)雜，今后研究還需要考慮植被對(duì)干旱響應(yīng)、干旱持續(xù)時(shí)間、干旱影響范圍與干旱強(qiáng)度等方面對(duì)干旱的影響進(jìn)行全面分析。

４ 結(jié)論

以豫北地區(qū)２３ 個(gè)均勻分布的氣象站點(diǎn)月降水量與氣溫?cái)?shù)據(jù)資料為依據(jù)，計(jì)算干旱指數(shù)ＳＰＥＩ，并通過趨勢分析、Ｍ－Ｋ 檢驗(yàn)、干旱頻率（反權(quán)重法ＩＤＷ）和小波分析等方法分析１９９１—２０２１ 年豫北地區(qū)時(shí)空演變特征。具體結(jié)論如下：

１）時(shí)間上，１９９１—２０２１ 年干旱指數(shù)ＳＰＥＩ 隨時(shí)間變化顯著，月尺度與季尺度的波動(dòng)頻率較大、對(duì)降水量與氣溫等因素的敏感性突出，而年尺度干旱指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，反映了氣象干旱的年際變化特征。同時(shí)，月尺度ＳＰＥＩ 有較小上升趨勢，季、年尺度ＳＰＥＩ 呈顯著上升趨勢，說明豫北地區(qū)干旱有減輕趨勢。另外由Ｍ－Ｋ 突變檢驗(yàn)可知，年、季尺度ＵＦ 與ＵＢ 曲線出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)說明了豫北地區(qū)干旱情況不穩(wěn)定。

２）空間上，豫北地區(qū)的干旱發(fā)生頻率區(qū)域分布存在差異， 各市整體的干旱發(fā)生頻率為２２． ５８％ ～４１．９３％。春、秋季干旱頻率較高發(fā)生在中部地區(qū)安陽市與鶴壁市等，而夏、冬季干旱頻率較高發(fā)生在東部與西部地區(qū)濟(jì)源、焦作與濮陽等；干旱強(qiáng)度多輕度與中度干旱，而重度與極端干旱發(fā)生頻率較低，年尺度干旱頻率空間上與夏、冬季干旱頻率分布相似。３）Ｍｏｒｌｅｔ 小波分析時(shí)間周期性顯示，豫北地區(qū)干旱發(fā)生時(shí)間呈９ ａ 一個(gè)明顯干濕變化周期與４ ａ 一個(gè)較小干濕變化周期。

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【責(zé)任編輯 簡 群】