基于SPEI的渭河流域干旱特征分析

李　洁,莫淑红,2,沈　冰,司海松,王义民

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西 西安 710048；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)



基于SPEI的渭河流域干旱特征分析

李洁1,莫淑红1,2,沈冰1,司海松1,王义民1

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西 西安 710048；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)

本研究采用渭河流域20个气象站点1961—2013年的气象数据，计算该流域多重时间尺度的SPEI值，分析SPEI在该流域的应用情况，同时基于SPEI分析渭河流域干旱时空分布特征。研究结果表明：渭河流域SPEI值呈显著下降趋势，干旱日趋严重。其中，春秋干旱有明显加重的趋势，夏旱及冬旱无明显变化。就总体分布而言，干旱主要发生在西北部，其中轻旱、中旱、重旱大部分主要分布在西北部地区。相反，受1995年及1997年历史特大旱灾事件影响，特旱主体分布在东南部地区。

干旱；标准化降水蒸发指数；渭河流域

近年来，由于全球气候变化，导致干旱造成的影响越来越大。干旱是我国最主要的自然灾害之一，每年造成的经济损失不计其数。我国干旱区面积占全国面积的31%，半干旱区占22%。有研究表明，2040 s整个北方地区极端干旱频率增加、强度增强、影响范围明显扩大[1]。渭河流域属于我国半干旱半湿润地区，地处西北地区东部生态环境脆弱带，是气候变化的敏感区，频繁发生自然灾害。尤其以旱灾发生最为严重，是影响国民经济尤其是农业经济持续发展最重要的因素。半个世纪以来，渭河流域水资源量和入黄河径流量持续减少[2]。有研究表明，渭河流域年均气温在时间上呈现出明显上升的趋势，未来渭河流域年平均气温仍将持续升高[3]，干旱情势有可能进一步加剧。因此探究渭河流域干旱时空分布特征具有重要意义。

干旱指标是用来描述干旱特征的指标，不同干旱指标适用的地区与时间尺度也有所不同。干旱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[4]。目前国内外应用较为广泛的干旱指标主要有标准化降水指数(SPI)[5-7]、帕尔默干旱指数(PDSI)[8]、Z指数[9]、综合气象干旱指数(CI)[10]等。其中，1993年McKee等人提出的SPI计算简单方便，应用广泛，其特点是只需要较长时间(一般应超过30年)的降水量资料[11]。但在全球气候变暖的情况下，仅仅分析降水量的变化难以解释干旱，气温的升高已成为干旱加剧的重要原因之一[12]。因此，Vicente-Serrano等[13]基于SPI提出了一个新的干旱指标：标准化降水蒸发指数(SPEI)。SPEI是在SPI的基础上进一步考虑了蒸散发量来反映干旱的程度。庄少伟等[14]研究了SPEI在中国区域的应用，王林等[15]研究了SPEI对中国干旱的适用性，结果表明SPEI在中国的适用性很好，能够准确的表征干旱状况。有研究表明，渭河流域降雨序列有弱变异性[16]。为充分认识渭河流域的干旱状况，本文分析SPEI在该流域的适应性，并且基于SPEI对该流域干旱时空分布特征进行研究，以期揭示该地区的气候变化规律，并为采取应对措施减轻旱涝灾害及其不利影响提供参考依据。

1　研究资料及方法

1.1研究区域概况

渭河发源于今甘肃省定西市渭源县鸟鼠山，主要流经甘肃天水、陕西关中平原的宝鸡、咸阳、西安、渭南等地，至渭南市潼关县汇入黄河。渭河流域面积为13.48万km2，西部为黄土丘陵沟壑区，东部为关中平原区。流域处于干旱地区和湿润地区的过渡地带，多年平均降水量572 mm，降水量空间分布为南多北少。

1.2资料来源

本次研究资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.gov.cn/)，数据取自国家基本、基准地面气象观测站及自动站。选取渭河流域范围内宝鸡、佛坪、固原、华家岭、华山、环县、崆峒、临洮、洛川、岷县、商县、天水、铜川、吴旗、武功、西安、西峰镇、西吉、延安、长武20个气象站的月降水量以及月平均气温资料计算SPEI值，分析渭河流域干旱情况。对个别有缺测数据的站点，利用相邻站点相关性对资料进行了插补延长，使20个站点的时间序列均为1961—2013年。渭河流域气象站点分布如图1所示。

图1　渭河流域20个气象站点分布Fig.1　20 meteorological stations distribution in Weihe River Basin

1.3标准化降水蒸散发指数(SPEI)及其计算方法

标准化降水蒸散发指数(SPEI)在计算中以月水分亏缺量(月降水量与月潜在蒸发量之差)代替了SPI计算中的月降水量。月潜在蒸发量用Thornthwaite方法计算。与SPI基于Gamma分布不同，SPEI是基于log-logistic分布的频率值。具体计算步骤分为4步。

1)计算月潜在蒸发量PE。

(1)

式中，PE为月潜在蒸发量(mm)，K为修正系数，T为月平均气温(℃)，I为年热量指数，m为常数。

2)计算月水分亏缺量Di。

(2)

式中，Pi为月降水量(mm)，Di为月水分亏缺量(mm)，i为月数。

3)基于log-logistic概率分布函数计算水分亏缺量的概率分布。

(3)

式中，f(x)为概率密度函数，x为自变量；α、β和γ分别是尺度参数、形状参数和位置参数。计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，ws是概率权重距(s取0，1，2)，Xl为累积水分亏缺量(l取1，2，…，n)。

log-logistic概率分布函数为：

(8)

4)对F(x)进行标准化处理。

(9)

(10)

式中，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI干旱等级分类如表1所示。

表1　SPEI干旱分级[17]

2　结果与分析

2.1渭河流域干旱时间分布特征分析

2.1.1流域年SPEI值年际变化特性

为研究渭河流域干旱变化趋势，绘制流域年SPEI值线性趋势线及其10 a滑动平均线如图2所示。

图2　渭河流域年SPEI值年际变化Fig.2　Inter-annual variation of SPEI index of Weihe River Basin

由图2可以看出，渭河流域1961—2013年期间的SPEI值呈下降趋势，平均每10 a下降0.21。根据10a滑动平均曲线进一步可知，20世纪90年代之前变幅较小，90年代之后降幅增加。且1995年以及1997年SPEI值达到最低，通过查阅历史资料可知，渭河流域1995年及1997年发生严重干旱事件，这与SPEI分析得出的结论一致。

采用Mann-Kendall法检验流域年SPEI值年际变化趋势的显著性，同时对其进行突变分析，结果如图3所示。

图3　M-K突变检验曲线Fig.3　Mann-Kendall test curve

由图3分析可知，渭河流域年SPEI值在1989年附近发生突变，该年份以后SPEI值下降趋势显著。渭河流域干旱趋于严重，这与和宛林等[18]的分析结果一致。

2.1.2流域不同季节SPEI值年际变化特性

为了更好的揭示渭河流域干旱的季节性变化特性，计算了流域不同季节的SPEI指数。图4分别为春、夏、秋、冬四个季节的SPEI指数变化过程线。图5为相应的Mann-Kendall突变点分析结果。

图4　各季节SPEI指数变化过程线Fig.4　Variation curves of hydrograph of SPEI at seasonal scales

图5　各季节SPEI值的M-K突变检验曲线Fig.5　M-K test curves of SPEI at seasonal scales

由图4(a)可知，渭河流域春季SPEI值以每10 a年0.24的变幅递减。20世纪80年代之前春季SPEI值变幅较小，80年代之后降幅增加。分析图5(a)得出，春季SPEI值下降显著，在2003年达到0.05显著性水平临界线，并且在1993年发生突变。

由图4(b)可知，夏季SPEI值在20世纪60年代以后缓慢下降，但在70年代到80年代又急剧上升，90年代之后又缓慢下降。分析图5(b)得出，夏季SPEI值整体下降趋势不显著，无明显突变。

由图4(c)可知，秋季SPEI值大体呈下降趋势，并以每10 a年0.21的变幅递减。但在2000年之后有所上升。分析图5(c)得出，秋季SPEI值下降趋势显著，在1988年达到0.05显著性水平，并且在1970年发生突变。

由图4(d)可知，冬季SPEI值有所波动，但无明显变化趋势。分析图5(d)得出，冬季SPEI值整体无显著变化趋势，无明显突变。

综合分析，渭河流域夏季以及冬季干旱无明显变化趋势。春季及秋季干旱趋于严重，其中春季干旱在20世纪90年代以后有加重的趋势，秋季干旱在70年代之后加重。

2.2渭河流域干旱空间分布特征分析

计算渭河流域20个气象站点的干旱发生频率，流域平均值取站点算术平均值，结果如表2和图6所示。由表2及图6可知，渭河流域轻旱频率在5.7%～22.6%之间，中旱频率在3.8%～18.9%之间，重旱频率在1.9%～9.4%之间，特旱频率在0～3.8%之间。总干旱频率在26.4%～39.6%之间，平均频率为32.5%，整体以轻中旱为主。其中干旱发生频率较低的站点为宝鸡、铜川、延安，干旱发生频率最高的站点为环县。

表2　渭河流域各站点干旱发生频率

图6　渭河流域各站点不同程度干旱频率Fig.6　Varying degrees of drought frequency in Weihe River stations

图7　渭河流域不同程度干旱频率空间分布Fig.7　Varying degrees of drought frequency distribution in Weihe River Basin

渭河流域不同程度干旱发生频率空间分布如图7所示。由图7(a)可知，该流域干旱主要发生在西北部地区，平均发生频率为37.4%，东南部干旱程度相对较轻，平均发生频率为29.5%。

由图7(b)、(c)、(d)、(e)分析可知，渭河流域轻旱主要发生在渭河流域中部地区，其中最严重的站点是甘肃环县，达到了22.6%；西部地区也较为严重，平均频率为16.5%。中旱主要发生在西北地区，平均频率为13.2%，比东南地区高4%左右，其中较为严重的站点是固原、华家岭以及吴旗。重旱主要分布在中部偏西南部地区，最严重的站点是西安站以及位于北部的吴旗地区，均为9.4%。渭河流域特旱主要发生在东部地区，最为严重的是铜川、洛川及西峰镇地区，频率为3.8%。

综上分析，渭河流域轻旱、中旱、重旱均在西北部地区更为严重，东南部地区相对较轻；而特旱却在东南部地区发生较多，这主要是受1995年以及1997年的特大干旱事件影响所致，1995年及1997年的特旱主要发生在渭河东南部地区，由东南地区向西北地区递减。图8(a)、(b)分别为1995年、1997年渭河流域干旱分布情况。

图8　渭河流域1995年及1997年干旱分布Fig.8　Drought distribution in Weihe River Basin in 1995 and 1997

3　结　论

1)利用SPEI指数分析渭河流域干旱状况可知，SPEI在渭河流域适用性较好，渭河流域年SPEI值呈显著下降趋势，整体干旱趋于严重。流域夏季及冬季SPEI值无显著下降趋势，无明显突变，干旱状态无明显变化。春季以及秋季SPEI值均显著下降，其中春季在1993年发生突变，秋季在1970年发生突变，春秋干旱明显加重。

2)渭河流域主要以轻中旱为主，干旱主要发生在西北部地区，平均干旱频率为37.4%。其中，轻旱主要发生在渭河流域中部地区及西部地区，最严重的站点是甘肃环县；中旱主要发生在西北地区，较严重的站点是固原、华家岭以及吴旗；重旱主要分布在中部偏西南地区，最严重的站点是西安以及吴旗；与其它类干旱相反，特旱主要发生在东南部地区，最为严重的是铜川、洛川及西峰镇地区，这主要是受1995年以及1997年的特大干旱事件影响所致。

[1]胡实,莫兴国,林忠辉.未来气候情景下我国北方地区干旱时空变化趋势[J].干旱区地理,2015,38(2):239-248.

HU Shi,MO Xingguo,LIN Zhonghui.Projections of spatial-temporal variation of drought in north China[J].Arid Land Geography,2015,38(2):239-248.

[2]和宛林，徐宗学.渭河流域干旱特征及干旱指数计算方法初探[J].气象，2006，32(1):24-29.

HE Wanlin,XU Zongxue.Analysis of drought and application of drought index in the Weihe River Basin [J].Meteorological Monthly,2006，32(1):24-29.

[3]占车生,乔晨,徐宗学,等.渭河流域近50年来气候变化趋势及突变分析[J].北京师范大学学报(自然科学版),2012,48(4):399-405.

ZHAN Chesheng,QIAO Chen,XU Zongxue,et al.Climate change and mutation analysis in Weihe River Basin in the last 50 years [J].Journal of Beijing Normal University (Natural Science),2012,48(4):399-405.

[4]王劲松,郭江勇,周跃武,等.干旱指标研究的进展与展望[J].干旱区地理,2007,30(1):60-65.

WANG Jinsong,GUO Jiangyong,ZHOU Yuewu,et al.Progress and prospect on drought indices research[J].Arid Land Geography,2007,30(1):60-65.

[5]American Meteorological Society.The relationship of drought frequency and duration to time scales[R].Anaheim:American Meteorological Society,1993.

[6]HAYE M J,SVODOBA M D,WILHITE D A,et a1.Monitoring the 1996 drought using the standardized precipitation index [J].Bulletin of the American Meteorological Society,1999,80(3):429-438.

[7]周扬,李宁,吉中会,等.基于SPI指数的1981-2010年内蒙古地区干旱时空分布特征[J].自然资源学报,2013,28(10):1694-1706.

ZHOU Yang,LI Ning,JI Zhonghui,et al.Temporal and spatial patterns of droughts based on standard precipitation index (SPI)in inner Mongolia during 1981-2010[J].Journal of Natural Resource,2013,28(10):1694-1706.

[8]PALMER W C.Meteorological research paper No.45[R].Washington DC:U.S.Weather Bureau,1965.

[9]曹永强,路璐,张兰霞,等.基于Z指数的辽宁省气象干旱时空特性分析[J].资源科学,2012,34(8):1518-1525.

CAO Yongqiang,LU Lu,ZHANG Lanxia,et al.Spatio-temporal characteristics of meteorological drought in Liaoning province based on Z index[J].Resources Science,2012,34(8):1518-1525.

[10]气象干旱等级.GB/T 20481,中华人民共和国国家标准[S].北京：中国标准出版社，2006.

[11]车少静,李春强.基于标准化降水指数的石家庄干旱时空特征[J].气象科技,2010,38(1):66-70.

CHE Shaojing,LI Chunqiang.Spatial-temporal characteristic of droughts based on standard precipitation index in Shijiazhuang [J].Meteorological Science and Technology,2010,38(1):66-70.

[12]章大全，张璐，杨杰，等.近50年中国降水及温度变化在干旱形成中的影响[J].物理学报,2010,59(1):654-663.

ZHANG Daquan,ZHANG lu,YANG Jie,et al.The impact of temperature and precipitation variation on drought in China in last 50 years [J].Acta Physica Sinica,2010,59(1):654-663.

[13]VICENTE-SERRANO S M,BEGUER

PEZ-MORENO J I.A multi-scalar drought index sensitive to global warming:The standardized precipitation evapotranspiration index [J].Journal of Climate,2010,23(7):1696-1718.

[14]庄少伟，左洪超，任鹏程，等.标准化降水蒸发指数在中国区域的应用[J].气候与环境研究,2013,18(5):617-625.

ZHUANG Shaowei,ZUO Hongchao,REN Pengcheng,et al.Application of standardized precipitation evapotranspiration index in China[J].Climatic and Environmental Research,2013,18(5):617-625.

[15]王林，陈文.标准化降水蒸散指数在中国干旱监测的适用性分析[J].高原气象,2014,33(2):423-431.

WANG Lin,CHEN Wen.Applicability analysis of standardized precipitation evapotranspiration index in drought monitoring in China [J].Plateau Meteorology,2014,33(2):423-431.

[16]朱悦璐,畅建霞,刘宸岩.渭河流域水文变异诊断研究[J].西安理工大学学报,2014,30(2):170-174，186.

ZHU Yuelu,CHANG Jianxia,LIU Chenyan.The research on the hydrological variation diagnosis of the Weihe River Basin [J].Journal of Xi’an University of Technology,2014,30(2):170-174，186.

[17]高瑞,王龙,杨茂灵,等.基于SPEI的南盘江流域近40年冬春干旱时空特征研究[J].灌溉排水学报,2013,32(3):67-70.

GAO Rui,WANG Long,YANG Maoling,et al.Spatio-temporal characteristic of winter and spring drought based on standardized precipitation evapo-transpiration index in Nanpanjiang Basin [J].Journal of Irrigation and Drainage,2013,32(3):67-70.

[18]和宛琳,徐宗学.渭河流域近40年降水量变化规律及干旱预测[J].人民黄河,2007,29(1):36-37，40.

HE Wanlin,XU zongxue.Precipitation variation and drought forecast in the past 40 years in the Weihe River Basin [J].Yellow River,2007,29(1):36-37，40.

(责任编辑周蓓)

Analysis of drought characteristics of the Weihe River Basin based on SPEI

LI Jie1,MO Shuhong1,2,SHEN Bing1,SI Haisong1,WANG Yimin1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China)

The meteorological data of 20 meteorological stations from 1961 to 2013 in Weihe River are used to calculate the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI)at different scales and to analyze the application of SPEI in the basin.At the same time,drought distribution of time and space in Weihe River is analyzed by using SPEI index,and research results show that there is an obviously reducing trend of SPEI index in Weihe River,with drought increasingly tending towards severity.Spring and autumn drought have a significantly worsening trend,but summer and winter drought is of no obvious change.On the overall distribution purposes,droughts occur mainly in the northwest,among which most light droughts,moderate droughts and severe droughts occur mainly in the northwestern region.Conversely,due to the impact of historical severe drought event in 1995 and 1997,extra severe droughts often occurred in the southeastern region.

drought; SPEI; Weihe River

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.013

2015-10-29

南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金(2014491911)；陕西省水利厅科技计划资助项目(2014slkj-01)；国家自然科学基金资助项目(51209169)；陕西高校省级重点实验室科研资助项目(12JS067)

李洁，女，硕士生，研究方向为干旱区水文。E-mail：lijie_793@163.com

莫淑红，女，副教授，博士，研究方向为旱区水文水资源。E-mail：moshuhong@xaut.edu.cn

P426.2

A

1006-4710(2016)01-0070-07