基于SPI指数的黑河地区5—9月干旱趋势分析

赵山山 王志国 孙波

摘要 利用黑河地区1968—2015年5—9月的降水资料对时间尺度为12个月的SPI指数进行了计算，探讨了黑河地区干旱发展特征及变化趋势。结果表明，近48年内SPI最大值出现在2013年，最小值出现在2008年；2007年以后总趋势在向干旱发展，2015年前后达到顶点，未来几年黑河地区有向干旱发展的趋势。从旱涝趋势的变化周期来看，16年的时间尺度为旱涝变化的第1主要周期。2015年黑河地区处于丰水期，预计未来将逐渐向枯水期转换。干旱指数变化的突变点发生在1980年，20世纪80年代以后转入多水年，2000年以后，趋势向少水发展，到2010年前后，再次出现突变点，气候转向湿润。从黑河地区干旱发生频次来看，20世纪80年代开始，中旱和重旱频次一直在增加，到2000—2010年，旱情达到最重，中旱和重旱频次显著高于其他年代。

关键词 SPI指数；干旱趋势；变化周期；发生频次；黑河地区

中图分类号 S423 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）25-0183-02

Abstract We calculated the standardized precipitation index（SPI） of time scales for 12 months by using the precipitation data in Heihe area from May to September during 1968-2015，and discussed the development characteristics and trends of drought in Heihe area.The results showed that in the past 48 years，the maximum value of SPI appeared in 2013，and the minimum value appeared in 2008. Since 2007，the general trend was to the development of the drought，and the peak was around 2015，in the next few years in Heihe area had to be the trend of the drought.From the perspective of the change cycle of drought and flood trend，16 years of time scales was for the first major cycle.In 2015，Heihe area was in the wet cycle，and the future was expected gradually to the dry season conversion.The changepoint of drought index took place in 1980，after 1980s，the trend toward the development of wet cycle，after 2000s ，the trend to developed less water，by 2010 before and after，there would be a sudden change point，the weather turned to wet.From the frequency of the drought in Heihe area，since 1980s，the frequency of the moderate drought and the heavy drought had been increasing，until to 2000-2010，the drought reached the most drought，the frequency of moderate drought and the heavy drought was significantly higher than other years.

Key words Standardized precipitation index（SPI）；Drought trend； Change period； Occurrence frequency； Heihe area

近年來，气候变化已经成为热门话题，而由气候变化引起的水分条件在区域内的干湿变化影响力却更为广泛。一旦水分条件发生极端变化而导致旱涝成灾，则对农业生产威胁极大。定量化表征干旱开始时间、强度变化的干旱指数，一直是干旱监测、预测和研究中的重要工具。基于降水资料的SPI指数计算简单、稳定性好，具有多时间尺度和时空适用性等优势[1]，而且不涉及具体的干旱机理，在国内外的干旱监测中广受应用。笔者根据黑河地区1968—2015年逐月降水观测数据，采用SPI指数分析黑河地区干旱特征， 摸索其发展趋势，尝试将SPI指数应用到当地干旱监测评估工作中，旨在为当地防灾减灾工作提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况和资料选取

黑河市位于黑龙江省北部边陲（47°42′～51°03′N、124°45′～129°18′E），地处大兴安岭东端、小兴安岭北部，地势西北高、东南低，总体地貌为中、低山丘陵类型，境内有近100个农场。全市呈寒温带大陆性季风气候特征，冬长夏短、四季分明。在此选取黑河地区1968—2015年逐月降水观测资料。

1.2 研究方法

1.2.1 标准化降水指数（SPI）。

采用《气象干旱等级》（GB/T 20481—2006）中SPI的计算方法，可以计算不同时间尺度下（1、3、6、12个月）的标准化降水指数，记为SPI。在此计算的是1968—2015年逐月SPI12，并以某年5—9月SPI12的平均值作为该年的SPI值。根据（GB/T20481—2006）国家气象干旱等级划分评价标准，认为当-1.0

1.2.2 气候周期变化统计方法。

利用Matlab（8.5版本）软件，采用Morlet小波分析[2-3]和Mann-Kendall（M-K）非参数检验方法[4-5]分析

1968—2015年黑河地区干旱的周期变化和突变趋势。

1.2.3 干旱频率（Pi）计算。

按公式Pi=n/N×100%计算，其中，n表示作物生长季发生干旱的月份总数，N表示总月数（文中N=240），i表示不同年份。为了便于比较，在此将轻旱（含轻旱）以上的干旱都记为干旱。

2 结果与分析

2.1 指数SPI12变化趋势

在对干旱或洪涝做评价时，影响程度和时间都是对水分变化的影响因子。SPI12可以代表长时间内各地区平均的水分盈亏情况，同时也可以反映地下水位等状况[1，6]。翟禄新等[7]认为，较大时间尺度的SPI指数对短时间内降水量较少或接近于0值的地区影响不大，因此笔者利用指数SPI12对旱涝的判断不会对短时间内降水为0时产生数据限制。

由图1可见，5—9月黑河地区SPI具有明显的波动形式。在2000年以前，出现过2次接近±1的极值，即1977年的中旱（-1.09）和1988年的中涝（1.09），而20世纪70年代以前及90年代旱涝波动的振幅较缓和。近48年内SPI最大值为2013年重涝的1.76，最小值为2008年出现中旱的-1.16。2次最大极值出现的时间仅间隔了5年，这种极端干旱或洪涝在2000年以后出现的频率在增加，且持续时间明显较长，甚至影响到次年。长时间段的SPI指数对旱涝的长期影响指示作用较好，且前期降水变化的累积影响对后期干旱或雨涝的起始和结束时间都具有相应的响应。纵观近10年的滑动平均曲线，2007年以后总趋势是上升的，即向干旱发展，2015年前后达到顶点后，可能转为下降趋势，可以认为未来几年黑河地区向干旱发展的可能性较大。

2.2 旱澇趋势的周期变化 由图2可知，1968—2015年黑河地区SPI12指数存在3个较为明显的峰值，它们从高到低依次为16、8和24年的时间尺度。小波方差最大的峰值对应着16年的时间尺度，即16年左右的周期振荡最强，为旱涝变化的第1主要周期；8年时间尺度对应第2峰值，为旱涝变化的第2主周期；第3峰值对应着24年的时间尺度。

根据小波方差检验的结果，绘制了黑河地区旱涝演变的第1主周期16年周期特征的小波系数图（图3）。在16年特征的时间尺度下，旱涝演变存在的平均周期为12年左右，大约经历了4个周期的涝—旱循环转换，而且直到2015年黑河仍然处于多水期（涝期），预计未来一段时间内将逐渐向枯水期（旱）转换。

2.3 突变趋势检验

从M-K检验结果（图4）来看，近48年黑河地区SPI12（年际变化）指数的UF与UB 2条曲线在1980、2000、2002、2003、2009、2011年都出现交叉点；其中UF曲线的变化总体表现为1980年以前有跷跷板状波动，但基本在负值区变化，曲线在1980年交叉点后向正方向发展，并达到1.96以上，说明1980年以后增加趋势是显著的，因此认为1980年为突变年。UF曲线在2000年以后向负方向变化，在2009和2011年交点前后接近于0线，后又转为上升走势，并且曲线一直在±1.96之间，说明2010年前后突变趋势不显著。

M-K检验曲线显示的突变点主要在1980年，1980年以后曲线上的正面积明显偏多，说明20世纪80年代以后进入多水年，以湿润为主，且趋势显著；2000年以后，趋势向少水发展，以干旱为主，到2010年前后，再次出现突变点，气候转向湿润，从UF曲线特点看近几年的变化趋势不显著。

2.4 干旱发生频率的变化

由表1可知，黑河地区1981—2015年发生干旱的总频率为23%，其中轻旱频率为15%，中旱和重旱分别为6%和2%。1980年以前发生干旱的总频率为41%，其中轻旱频率为32%，中旱为9%，无重旱发生，但轻旱和中旱发生频次均高于1980年以后时段的频次。

从不同干旱程度的年代变化情况来看，2001—2010年发生干旱的总频次最高，为44%，其次是1968—1980年，为41%，但前者发生的干旱程度明显高于后一时段，前者发生中旱频率为14%，重旱为8%，显著高于其他年代时段。

从同一年代内不同干旱程度来看，20世纪80年代开始，中旱和重旱频次一直在增加，到2001—2010年，旱情达到最重，中旱和重旱频次显著高于其他年代。2011年至今，干旱频次较前期开始出现减弱趋势，这可能与黑河地区目前处于多水期有关。

3 结论

利用黑河地区1968—2015年5—9月6个基本气象站的逐月降水资料对时间尺度为12个月的SPI指数进行了研究，并对干旱特征及发展趋势进行了探讨，得出以下主要结论：

（1）近48年内SPI最大值为2013年重涝的1.76，最小值为2008年出现中旱的-1.16。2007年以后总趋势在向干旱发展，2015年前后达到顶点后，可能转为下降趋势，未来几年黑河地区向干旱发展的可能性较大。

（2）从旱涝趋势的变化周期来看，16年的时间尺度为旱涝变化的第1主要周期。在16年特征的时间尺度下，旱涝演变存在的平均周期为12年左右， 2015年黑河处于多水期，预计未来将逐渐向枯水期转换。

（3）M-K检验显示，近48年黑河地区SPI指数的突变点主要在1980年，20世纪80年代以后进入多水年，以湿润为主，且趋势显著；2000年以后，趋势向少水发展，以干旱为主，到2010年前后，再次出现突变点，气候转向湿润，从UF曲线特点看近几年的变化趋势不显著。

（4）从干旱发生频次来看， 黑河地区20世纪80年代开始，中旱和重旱频次一直在增加，到2001—2010年，旱情达到最重，中旱和重旱频次显著高于其他年代。2011年至今，干旱频次较前期开始出现减弱趋势，这可能与黑河地区目前处于多水周期内有关。

参考文献

[1]王莺，李耀辉，胡田田.基于SPI指数的甘肃省河东地区干旱时空特征分析[J].中国沙漠，2014，34（1）：244-253.

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[7] 翟禄新，冯起.基于SPI的西北地区气候干湿变化[J].自然资源学报，2011，26（5）：847-857.