基于SPI的近53 a宁夏干旱时空演变特征研究

王 允， 刘普幸， 曹立国， 高 原， 雍国正

(1.西北师范大学 地理与环境科学学院， 甘肃 兰州 730070；2.南京大学 海岸与海岛开发教育部重点实验室， 江苏 南京 210046)

近年来，中纬度地区气候暖干化是全球气候变化最显著的特征，它带来的主要问题之一是全球范围的干旱问题日趋严重[1]。干旱对社会生活和经济发展的影响之大、范围之广、持续之久、危害之深，超出了其他任何自然灾害[2]。中国每年因旱灾造成粮食减产和经济损失约占因气象灾害造成经济总损失的50%，这决定了干旱问题研究的复杂性、艰巨性和必要性[3-4]。气候干旱问题早在1930年就受到关注[5]。然而，对气候干旱问题的系统研究却始于1980年中期以后，并取得了较好的成果。干旱评估指标是研究干旱气候的基础，也是衡量干旱程度的关键环节，因此，确定一个客观、合理的干旱指标就显得更为重要。为了对干旱程度进行量化表达，国内外许多学者采用不同干旱指标进行了研究。Palmer[6]将前期降水、水分供给和水分需求结合在水文计算系统中，提出了基于水平衡的干旱指数(PD-SI)。Kite等[7]假设某段时间内的降水量服从Person Ⅲ分布，通过对降水量正态化后转化为以Z为变量的标准正态分布，再划分旱涝等级，即为Z指数。McKee[8]提出了基于降水量的标准化降水指标，该指标能较好地反映不同时间尺度和区域的干旱程度。徐尔灏[9]在假定年降水量服从正态分布的基础上，提出用降水量的标准差来划分旱涝等级。刘昌明等[10]采用降水距平指标识别和分析了海河流域的水旱灾害情况。袁文平等[11]认为SPI在计算过程中没有涉及到降水空间参数，降低了指数计算时的时空差异，因此SPI比Z指数更优越，更稳定。

宁夏回族自治区远离海洋，深居内陆，80%以上的面积属于干旱和半干旱地区，降水的空间分布很不均匀，干旱灾害发生的频次占总灾害频次的1/2以上，为各项灾害之首[12]。针对宁夏回族自治区干旱监测及干旱指标已有大量研究，由于标准化降水指数具有计算简单，时间尺度灵活消除了降水的时空差异，在反应干旱时空变化方面优于其他指标，已被广泛应用于区域干旱分析与监测。 因此，本文拟基于SPI在干旱分析中的优势，根据宁夏近53 a降水观测资料，采用SPI分析宁夏回族自治区干旱的时空分布特征，以期为干旱灾害的监测、评估提供支持，进而为减轻该区域干旱灾害损失、合理利用水资源提供科学依据。

1 研究区概况

宁夏回族自治区位于黄河上游地区，地理坐标为35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，东邻陕西省，西部、北部接内蒙古自治区，南部与甘肃省相连，80%以上的面积属于干旱和半干旱地区。宁夏回族自治区深居大陆腹地，位于中国季风区的西缘，冬季受蒙古高压控制，正当冷空气南下要冲，夏季处于东南季风西行的末梢，形成较典型的大陆性气候。年均温4～9 ℃，年降水量183.4～677 mm，由南向北递减，降水量多集中在6—9月，无霜期150～195 d，蒸发强烈，风大沙多。植被类型以荒漠草原、疏林草原、温性针叶林和阔叶林为主。土壤类型主要包括黑垆土、灰钙土及灰漠土、灰褐土、人为土—灌淤土等。

2 资料与方法

2.1 资料来源

选取宁夏回族自治区9个气象站1959年1月1日到2012年2月29日的日平均降水资料，资料来源于国家气象信息中心。

2.2 研究方法

在降水分析中，采用Gamma函数拟合降雨时间序列，然后再经标准化求得SPI，具体原理及计算方法如下。

当0

(1)

(2)

当0.5

(3)

(4)

式中：H(x)——与Γ函数相关的降水分布概率；t——时间。其余参数取值：c0=2.515 517,c1=0.802 853,c2=0.010 328,d1=1.432 788,d2=0.189 269,d3=0.001 308。

本文利用研究区内9个气象站点的日降雨量数据计算出月降水数据，作为输入参数，分别进行3个月，12个月尺度的SPI值的运算(结果分别记为季节SPI，年SPI)，然后根据干旱等级标准进行统一划分，即-0.5

2.3 干旱评估指标

为了更好地反映较大范围内的区域干旱发生程度，在这里引入干旱发生站次比和干旱强度。同时，本文将轻旱(含轻旱以上)发生的年份均记为轻旱，中旱(含中旱以上)发生的年份均记为中旱，以此类推，方便了分析比较。

2.3.1 干旱发生站次比(Pj)Pj是用某一区域内干旱发生站数多少占全部站数的比例来评价干旱影响范围的大小，可用式(5)表示：

Pj=m/M×100%

(5)

式中：M——某区域内气象台站数；m——发生干旱的台站数。

2.3.2 干旱强度(Sij)Sij用来评价干旱严重程度，单站的某时段内的干旱强度一般可由SPI值反映，SPI绝对值越大，表示干旱越严重。某区域内多年的干旱程度可用式(6)表示：

(6)

式中：m——该区域内发生干旱站数； SPIi——发生干旱时的SPI的绝对值。

2.3.3 变化趋势率(xi) 变化趋势率，即气候倾向率，一般以历年气候要素变化过程的拟合直线的斜率的10倍作为气候倾向率，表征多年气象数据序列变化倾向度。在统计上，用xi表示样本量为n的某一气候变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程：

(7)

式中：a——回归常数；b——回归系数。a和b可以用最小二乘法进行估计。以b的10倍作为气候要素倾向率。

3 结果与分析

3.1 SPI的年和季节变化特征

近53 a来，宁夏回族自治区年SPI表现出在波动中呈持续降低的趋势，其变化倾向率为-0.131/10 a，表明气候朝着更加干旱的方向发展，其中重旱发生在1980和2005年，特旱发生在1982年(图1)。从年代际变化来看，除1970s和1980s干旱程度有所缓解外，其他年代均有所加重，尤以2001—2011年加重幅度最大，变化倾向率为-0.73/10 a(表1)。

图1 宁夏回族自治区SPI值的年际和年代际变化特征

表1宁夏回族自治区季节和年代SPI趋势系数

SPI春季夏季秋季冬季1959—1970年1970s1980s1990s2001—2011年趋势系数-0.10-0.09-0.110.13-0.510.841.31-0.69-0.73

宁夏回族自治区季节SPI变化倾向率分别为春季-0.1/10 a，夏季-0.08/10 a，秋季-0.11/10 a和冬季0.12/10 a，表明除冬季干旱情况有所缓解外，春、夏、秋季干旱存在不同程度的加重，且以春秋季的变化对该区干旱的贡献最大，与宁夏回族自治区季节降水在春、夏、秋季减少，冬季增加的降水变化规律一致[13]。尤其春季正是冬小麦返青、拔节、抽穗和玉米等大秋作物播种、出苗及牧草生长的关键时期，一旦出现干旱，将严重影响农业生产。

3.2 干旱等级变化特征

依据干旱等级划分标准可以看出，近53 a来研究区发生干旱的平均SPI值为-1.1，表明宁夏回族自治区处在中等干旱水平(表2)。从年代际来看，1959—1970年和1990s该区干旱等级为轻旱，其SPI值分别为-0.9和-0.8；1970s和2001—2011年为中旱，其SPI值分别为-1.2和-1.1；1980s的SPI值为-1.5，达到重旱水平，这与20世纪80年代全球气候突然变暖的结论相一致[14]。

表2 宁夏回族自治区年及年代的SPI值和干旱等级

3.3 干旱发生范围与强度的变化特征

干旱站次比(Pj)是指用某一区域内干旱发生站数多少占全部站数的比例来评价干旱影响范围大小的指标。当Pj≥50%时，即研究区域内有1/2以上的站发生干旱，为全区域性干旱；当站次比在33%～50%时为区域性干旱；当站次比在25%～33%时为部分区域性干旱；当站次比在10%～25%时为局地干旱；当站次比小于10%时可认为无明显干旱发生。通过年和季节SPI值进一步计算出站次比，得出研究区轻、中、重旱发生的特征。结果表明，近53 a来，宁夏回族自治区轻旱、中旱发生的范围在波动中呈减小趋势，其变化倾向率分别为-3.375/10 a,-1.026/10 a，而重旱却呈增加趋势，变化率为1.828/10 a(图2)。在1959—2011年，该区共发生36 a干旱，轻、中、重旱的干旱站次比历史极大值均出现在1982年，其值分别为100%,88.9%,55.6%，这与1980s全球变暖的变化是一致的。

图2 1959-2011年宁夏回族自治区干旱发生站次比历年变化特征

近53 a来，宁夏回族自治区发生轻旱、中旱、重旱平均站次比分别为44.4%,30.3%和23.1%(表3)。轻旱以1970s最大，中、重旱以1980s最大，站次比分别为57.4%,50%,37%。

轻旱站次比的年代际变化表明，1970s以前为正距平，距平值分别为4.5%和13%，此后均为负距平，距平值分别为-1.5%,-1.5%,6.1%。

中、重旱站次比的年代际变化表明，1959—1970年距平值为-10.3%和-12%；1970s和1980s均为正距平，中旱距平值为9.7%和19.7%，重旱为2.8%和13.9%；1990s以来均为负距平，中旱值为-10.3%和-3.3%，重旱值为-12%和-0.9%。

表3 宁夏回族自治区各年代干旱站次比和干旱强度及其距平值

干旱强度(Sij)是评价干旱严重程度的指标，当干旱强度在0.5～1.0时为轻度干旱强度，当干旱强度在1.0～1.5时以中度干旱强度为主，当Sij≥1.5时，干旱强度为重旱强度。近53 a来，宁夏回族自治区发生干旱的强度略呈减弱趋势，其变化倾向率为-0.045/10 a(图3)。该区共发生36 a干旱，重旱强度为4 a，中旱强度为12 a，其他年份为轻旱，这表明研究区发生干旱时，干旱的强度多以中旱偏轻为主。1981和2005年是干旱强度最强年，干旱强度为1.7；1980和1982年是干旱强度次强年，强度分别为1.6,1.5；1970,1984, 1988,1994, 1996,2001,2010年是干旱强度最轻的年份，干旱强度均为0.6。近53 a来，宁夏回族自治区平均干旱强度为1.0。从年代际变化看，干旱强度以1970s和1980s干旱强度最强，值均为1.1。1959—1970年的平均干旱强度距平值为-0.1；1970s和1980s为正距平，距平值均为0.1；1990s为负距平，距平值为-0.1；进入21世纪后，干旱强度维持在1.0。

综上所述，干旱强度年变化与干旱站次比变化有较好的一致性。1982和2005年是宁夏回族自治区旱情程度最重的年份，此时正逢干旱强度的最强或次强年，干旱站次比也达到了最大或次大值，这是由于在全球气候变暖的背景下，贝加尔湖阻高以及500 hPa正高度距平持续维持和西太平洋副高与常年相比较弱等因素所造成的[15]。

图3 1959-2011年宁夏回族自治区干旱强度历年变化特征

3.4 季节性干旱站次比和干旱强度变化特征

为了更好地反应季节干旱变化的全貌，将干旱时间序列划分为春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)四季，进一步计算四季干旱站次比和干旱强度的倾向率、距平值。结果表明，近53 a来宁夏回族自治区四季干旱存在明显的季节性差异。就干旱站次比而言，除春季站次比增大外，夏、秋、冬季节均呈减小趋势，且夏季大于冬季和秋季，其变化率分别为10.05/10 a,-5.50/10 a,-4.86/10 a,-1.96/10 a(表4)。从年际变化来看，站次比≥50%的季节干旱分别为春季13次，夏、秋、冬季14次，其中春旱站次比最大值出现在1979，1995和2000年，夏季在1982年，秋季在1972年，冬季在1965，1966年。

表4 宁夏回族自治区季尺度及各年代干旱站次比和干旱强度比较

近53 a来，宁夏回族自治区发生春、夏、秋、冬旱平均站次比分别为45.7%,42.1%,45.7%, 47.1%(表4)。春、秋旱以1980s最大，站次比分别为63.9%,55.6%；夏旱以1970s最大，站次比为57.1%；冬旱以1960s最大，为53.5%。从春旱年代际变化看，1970s以前为负距平，距平值分别为-10.5%和-13.5%，此后均为负距平，值分别为18.2%,5.7%,11.4%。夏旱年代际变化与春季相反，1970s以前为正距平，距平值分别为3.7%,15%，此后为负距平，值分别为-1.4%,-10.6%,-5.7%。秋旱1970s以前为负距平，距平值分别为-6.8%和-1.3%，此后为正距平，1980s为9.9%，1990s为3.2%，2000年之后转为负距平，值为-8.7%。冬旱1970s以前为正距平，距平值分别为6.4%,4%，1980s为负距平，距平值为11.5%，1990s为正距平，值为0.5%，2001—2011年为负距平，值为6.4%。

就干旱强度而言，春、冬季干旱强度呈增重趋势，而夏、秋季干旱强度表现出略有减轻的趋势，春、夏、秋、冬四季其变化率分别为0.05/10 a,-0.02/10 a,-0.11/10 a,0.07/10 a。从年际变化来看，春、夏、秋、冬发生中度以上干旱分别为20,20,19,15次，其中春旱最强年在1995年，强度为2.0，夏旱最强年在1966年，强度为1.7，秋季在1986年，强度为1.6，冬季在1998年，强度为1.9。近53 a，春、夏、秋、冬旱平均强度均为1.0，以中旱强度为主。春旱以1990s最大，强度为1.2，夏旱变化不明显，秋旱以1959—1970年和1980s最大，强度为1.1，冬旱以1990s最大，强度为1.1。1959—1970年为正距平，距平值0.1；1970—1980s为负距平，距平值为-0.1；1990s和2001—2011年为正距平，距平值分别为0.2和0.1，表明自1990s以来春旱强度有明显增强的趋势。夏旱强度在1990s期间略有降低，距平值为-0.1，其他年代无明显变化。 从秋季来看，1959—1970年和1980s为正距平，距平值均为0.1；2000—2011年为负距平，值为-0.2；1970s和1980s干旱强度无明显变化。冬季在1959—1970年为负距平，距平值为-0.1，1990s为正距平，值为0.1，1970s，1980s和2001—2011年冬旱强度无变化。

总之，春旱发生干旱站次比有所增多，夏旱、秋季和冬旱站次比有所减少；干旱强度除夏旱、秋旱略减轻外，其他季节干旱强度呈增重，特别是春旱强度加大。春季是农作物的返青季节，此时干旱范围扩大，强度加重，对该区农业生产活动产生重大影响，尤其是在发生在1995年和2000年的特大春旱，主要是由于春季处于相对少雨时期所造成的[16]，与重旱灾年几乎都出现在宁夏回族自治区发生全域性春旱年份的结论相一致[17]，也与宁夏回族自治区农业的实际旱情和旱灾[18]相符合，进一步表明我们采用的干旱指标是科学合理的。

3.5 跨季节干旱变化特征

从干旱发生的时间来看，可以把宁夏回族自治区干旱分为春、夏、秋、冬及各个季节的连旱等类型。由表5可知，两季连旱事件中，以春—夏和夏—秋连旱事件发生最多，其频数分别为27,26；秋—冬和冬—春连旱事件发生相对较少，其频数分别为21,20。在跨三季以上的连旱事件中，三季连旱事件有9例，四季连旱3例，五季连旱的有4例，六季连旱的有5例，剩下1例是从1978年冬季至1982年冬季的跨年的连旱，这与子轩[18]统计的宁夏回族自治区在1979年发生重大干旱、1980—1981年发生轻旱、1982年发生特大干旱这一结论存在较好的一致性。对该区影响最大的季节连旱应属春夏秋连旱(或连续干旱2～3 a)，受旱严重的地区干旱持续300 d以上。每年的3—10月是宁夏回族自治区农作物生长发育和产量形成的关键时期，而此时春旱、夏旱和秋旱却频频出现，并常造成持续性干旱和季节连旱，波及范围少则一个地市，多则遍布整个研究区[19]。特别是在1980s以后，跨3季以上旱灾更加频繁地出现，中部区在2004—2006年发生了有气象记录以来的特大持续性干旱[20]。

表5 宁夏回族自治区跨季节连旱次数

3.6 干旱的空间变化特征

利用宁夏回族自治区的9个气象站点年SPI变化的倾向率作为参数，基于ArcGIS中的Inverse Distance Weighted插值法，分析了研究区年和季节性干旱的空间变化特征。

宁夏回族自治区年SPI分布格局存在着明显的空间差异，表现为自南向北干旱加重幅度逐渐减弱，南部的西吉加重幅度最大，中部的盐池表现为低值中心，这主要是由于宁夏回族自治区降水呈自南部山区依次向中部干旱带、北部绿洲区逐渐减少的分布规律。

季节SPI也具有明显的空间差异，表现为春旱和秋旱大致呈南重北轻的分布，夏旱呈南北重，中部轻的分布，冬旱呈北重南轻的分布。春旱表现出从北向南逐渐加重的趋势，且以南部的固原和中部的同心变化幅度最为显著，与马国飞等[12]研究结果一致。夏旱由中部区向南部山区、北部绿洲区表现出增重的趋势，其中南部的西吉县和北部的中宁县增幅最大，中部的同心县和盐池县增幅最小，表现为夏旱变化的低值中心。冬季干旱总体上有所缓解，存在从北向南逐渐减轻的趋势，尤以南部的固原市减轻最为明显；北部绿洲区干旱程度却略有加重，以中宁县加重程度最大。总体看来，宁夏回族自治区南部山区、中部区和北部绿洲区对研究区干旱变化的响应不尽相同，以南部山区对干旱变化的响应最为敏感，这与陈晓光等[13]研究得出的宁夏回族自治区降水变化均呈下降趋势，以宁南山区相对明显的结论一致，反映出气候变化的区域性。

4 结 论

(1)近53 a来，宁夏回族自治区年SPI在波动中呈持续降低趋势，表明气候朝着更加干旱的方向发展，这与施雅风等[21]研究得出的宁夏回族自治区处于西北气候变化中由暖干向暖湿转型的未转型区结论相一致，反映了区域气候变化特征。从年代际变化来看，自1990s以来，宁夏回族自治区干旱程度持续加重，尤以21世纪的干旱增重幅度最大。从季节SPI变化可以看出，除冬旱程度有所缓解，其他季节干旱加剧，尤以春季对农业生产影响最大。

(2)从SPI值与干旱等级的划分标准来看，近53 a来，宁夏回族自治区年SPI平均值为-1.1，属于中旱水平。从年代际来看，1980s的SPI值最小，达到重旱水平。

(3)干旱站次比和强度的计算表明，宁夏回族自治区轻旱、中旱发生的范围呈减弱的趋势，重旱范围呈增重的趋势；干旱强度却略有减弱的趋势。春旱发生范围扩大、强度增大；冬旱发生范围减小，而强度却略有增大；夏、秋旱发生范围和强度都有减小的趋势。干旱发生频繁，季节连旱严重，干旱持续时间长，区域性强，对宁夏回族自治区农业生产影响极大。

(4)ArcGIS空间插值表明，宁夏回族自治区干旱空间变化规律明显，表现为自南向北呈增大趋势，增重幅度为：南部山区>中部区>北部绿洲区。南部山区对干旱变化响应最为敏感。

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