基于多尺度SPI指数的哈巴河地区近53 a的干旱分析

陈永志，李 傲，周 祥

(重庆水利电力职业技术学院，重庆 永川 402160)

基于多尺度SPI指数的哈巴河地区近53 a的干旱分析

陈永志，李 傲，周 祥

(重庆水利电力职业技术学院，重庆 永川 402160)

为了对新疆哈巴河地区开展最新的旱情研究，以期全面了解该地区干旱特征及演变规律,基于不同时间尺度下的标准化降水指数(SPI)方法，分析了哈巴河地区1962—2014年间的干旱演变特征。结果表明：①近53 a来，SPI指数方法在哈巴河地区有较高的适用性，不同时间尺度SPI皆可监测旱情变化，且与记载的流域实际旱情相符。②从SPI1，SPI3，SPI6指数过程线可以看出，哈巴河地区发生不同干旱等级事件的概率为20%左右；SPI3指数较SPI1，SPI6指数评价的旱情程度要重；SPI12呈现显著的上升趋势，长时间尺度说明地区气候在逐步变湿，有助于减轻地区干旱。③不同季节SPI的年际过程差异显著，其中年SPI最小值为1963年的-1.97，53 a间发生轻旱、中旱、重旱等不同等级干旱事件的年份分别为9，4，0 a。④四季SPI发生轻旱级别以上干旱的年份约占26%～28%，平均约11 a。⑤冬季SPI呈增加趋势，其余季节及年SPI变化趋势不明显，且夏季SPI与年SPI过程较为相似。研究结果可为区域旱情监测与预警、风险管理提供科学依据。

多时间尺度；SPI指数；新疆哈巴河地区；干旱演变分析；水资源评估

1 研究背景

干旱是一定时间尺度上水分收支不平衡所形成的水分短缺现象[1]。干旱灾害具有发生频次高、持续时间久、影响范围大等特点，已经成为中国最主要的自然灾害之一。而干旱指数是开展地区旱情监测、科学评估干旱风险的重要依据[2]。目前国内外干旱评价指标已有不少，但由于干旱的复杂性和影响的广泛性，不同地区、不同用户采用不同尺度的干旱评价指标，降低了干旱指标之间的可比性与地区旱情监测的连续性[3]。其中基于影响地区旱涝的主要因素——降水的标准化降水指数(Standardized Precipitation Index，简称SPI)可以计算各时间尺度的指标值[4]，为不同用户和需求提供统一的干旱指标，目前已被证明具有较强的干旱评价能力，被广泛应用于各国的农业旱涝监测[5]。

作为我国气候变化极为敏感的西北地区，尤其是新疆哈巴河地区，干旱对农牧业生产有很大影响，但迄今为止对其气候变化下干旱演变特征的相关研究较少且不深入[6]。近半个世纪以来，国内西北地区运用SPI方法进行的干旱研究多集中在年尺度上，对更小时间尺度上的干旱变化特征研究甚少，且研究大多截止于2006年，缺少最新的西北干旱地区干旱演变情况分析。因此，在全球气候变暖的大背景下，有必要对新疆哈巴河地区开展最新的旱情研究，以期全面了解该地区干旱特征及演变规律。

基于以上考虑，笔者以新疆哈巴河地区为典型研究区，基于1962—2014年共53 a的逐月降水观测资料，采用SPI指数分析该地区不同时间尺度、不同干旱等级的演变特征与年季节干旱变化特征，以期对中国西北部干旱的变化规律和发展趋势有更进一步的认识，同时为区域旱情监测与预警、风险管理提供科学依据。

2 研究区概况

哈巴河地区位于我国新疆省阿尔泰山南麓，额尔齐斯河流域中部，西北面与哈萨克斯坦、俄罗斯两国接壤，东南面与布尔津、吉木乃为邻，地区总面积为8 166.6 km2。哈巴河地区平均高程532.6 m，多年平均气温3.95 ℃，多年平均降水量为189.8 mm，且地区降水多集中于夏秋两季。哈巴河境内为典型的寒温带大陆性干旱气候特征，是我国干旱频发的地区之一[7]。哈巴河地区畜牧业发达，且以草原放牧为主，但由于降水空间分布不均衡，水资源开发利用程度有限，一旦出现干旱，势必严重威胁草场和作物的生长，甚至影响到人畜饮水[8]。因此研究该地区干旱演变特征，对地区旱情监测、抗旱减灾具有重要意义。

哈巴河地区1962—2014年间因降水偏少出现多次干旱，给农牧业生产带来很大影响[9]。基于《中国气象灾害大典(新疆卷)》[10]和《新中国农业60年统计资料》[11]，选取资料中记载的哈巴河地区的干旱史料，其详细旱灾资料见表1。

表1 哈巴河地区旱灾历史资料

3 资料与方法

3.1 数据来源

选取哈巴河气象站(48.05°N，86.4°E)1962—2014年共53 a的逐月降水资料进行分析。根据中国气象数据共享网提供的哈巴河站气候资料月值数据集中的降水数据，进一步统计分析逐月、季节、年降水资料。本文采用SPI指数作为旱涝指标划分旱涝等级，分别计算了年、季节以及不同时间尺度下(SPI1，SPI3，SPI6，SPI12)的SPI值，并分析其干旱变化特征。按照额尔齐斯河流域特点，哈巴河地区每年的3—5月份为春季，6—8月份为夏季，9—11月份为秋季，12月份—次年2月份为冬季。

3.2 研究方法

SPI指数方法由McKee等[12]于1993年评估美国科罗拉多地区旱情时提出。其认为地区降水量分布是偏态分布，可以利用概率密度函数求解累积概率，再进行正态标准化，最终通过标准化降水累积概率分布来划分地区干旱等级。SPI指数具有多时间尺度特征[13]，如1，3，6，12个月等，可分别表示为SPI1，SPI3，SPI6，SPI12等。

从数学角度来讲，SPI是基于单个雨量站的一次降雨事件的累计频率，SPI方法中利用了伽玛函数来表示降雨序列的随机分布。应用SPSS软件，采用Q-Q图检验哈巴河站月降水时间序列服从的分布，发现哈巴河站月降水序列均近似地服从伽玛函数分布，因此，可运用SPI指数进行该地区干旱评价分析。鉴于SPI方法在中国应用较为广泛，其基本原理与计算方法可参见国家标准《气象干旱等级》(GB/T 20481—2006)[14]和相关参考文献[15]。最终SPI计算公式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

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；H(x)为雨量站一次降雨事件的累积概率。由此可以计算出地区各单站的SPI指数。干旱划分等级参照McKee等提出的旱涝等级标准，详见表2。

表2 SPI指数的旱涝等级划分

4 结果分析

4.1 不同时间尺度的SPI变化

由图1(哈巴河地区不同时间尺度SPI值的变化过程)可知，不同时间尺度下的SPI值对地区降水量的敏感性存在差异。其中小时间尺度的SPI1对月降水变化过程响应显著(图1(a))，能够很好地反映每次降水过程所引起的旱涝快速变化，其SPI序列正负波动明显，旱涝频率变化快。其中1963，1974，1981，1991，1996年间由于降水量较少所引起的旱情能够被识别出，但2000年实测干旱事件未被标识，分析2000年1—12月份的降水量可知，6—7月份的干旱是由前期降水较少引起，故小时间尺度的SPI1并未识别出此次旱情。从图1(a)可以看出，1962—2014年间无旱、轻旱、中旱、重旱等干旱等级事件发生的频次分别为435，50，24，19次，在不同干旱等级事件中对应的百分比分别为81%，10%，5%，4%。可见SPI1指标对旱情的判断随着干旱等级的不断加重，相应干旱事件所对应的百分比基本呈现逐渐减少的趋势，总体而言，未发生干旱事件所占比例远远高于轻旱、中旱及重旱事件所占比例之和。同时，SPI1指标可以监测地区逐月水分变化，准确地反映草场土壤水分状况，这对于提前做好灌溉抗旱工作是极为必要的。

图1(b)是哈巴河地区SPI3指数的长时序分布，可以看出，SPI3指标可较好反映短期(年内季节尺度)农业干旱特征变化。SPI3时序分布过程与SPI1类似，但波动频率较之要小。其中1981，1991年SPI3评价为中旱，较实际情况要严重一些。2000年以后，SPI3整体呈现小幅度抬升趋势，说明哈巴河地区旱情有所减轻，这与哈巴河地区旱灾实际情况是基本一致的。53 a年间，无旱、轻旱、中旱、重旱等4类干旱等级事件发生的频次分别为429，44，29，23次，相应的百分比分别为81%，8%，6%，5%。与SPI1相比，SPI3中旱、重旱事件比例发生上升，轻旱事件比例发生下降，可见，SPI3所评价的干旱等级要比SPI1重。

SPI6的时间分布显示(图1(c))，无旱、轻旱、中旱、重旱等各类干旱事件发生的频次分别为421，58，32，14次，在不同干旱等级事件中对应的百分比分别为80%，11%，6%，3%。可见SPI6与SPI1，SPI3一样，对旱情的判断随着旱情等级的不断加重，相应干旱事件所占比例基本逐渐减少，但SPI6重旱事件的比例发生减少。SPI6对旱情爆发与持续事件具有显著的标识功能，可以看出，1962—1978年间，SPI6重旱偏多，1979—1989年间，以中旱为主，1990年代以后，除个别年份发生轻旱外，大部分年份处于正常年份。整体而言，SPI6呈现出干旱逐步减轻的趋势。

图1(d)是哈巴河地区SPI12指数长序列过程线， SPI12可以很好地反映降水量对于土壤墒情和地下水量变化的影响，对揭示哈巴河地区干旱的长期影响具有重要意义。在SPI12时序过程线中能显著的标识长期旱情影响和持续时段，此外，SPI12过程线呈现明显的上升趋势，可见从长时间尺度角度考虑，哈巴河地区的干旱正在逐步减轻，这与前人研究中提出的额尔齐斯河流域正在逐步变得湿润的结论一致。

图1 1962—2014年哈巴河地区SPI多时间尺度分析Fig.1 Analysis of multi-timescale SPI index inHabahe region from 1962 to 2014

因此，分析多时间尺度SPI变化过程可以看出，SPI指标在哈巴河地区有较高的适用性。各时间尺度SPI发生干旱事件的频次在不同干旱等级事件中对应的百分比占20%左右，SPI1，SPI3，SPI6皆能较好标识1963，1974，1981，1991，1996，2000年份发生的历史干旱事件，与记载的流域实际旱情相符；而长时间尺度SPI12则反映出1962—2014年间哈巴河地区由于降水变化正逐步变得湿润，旱情有所减轻，有益于当地的农业和牧业的发展。

4.2 年及季节SPI变化

图2(a)为哈巴河地区年SPI时序过程， 可以看出， 年SPI的变化过程存在较大的波动， 年SPI最小值为1963年的-1.97， 在4类干旱等级事件中属于中旱的级别。 其中发生轻旱、 中旱、 重旱等不同干旱等级事件的年份数分别为9 ，4， 0 a。 而年代变化上， 哈巴河地区20世纪60年代前期偏旱， 1964年以后旱情有所减轻； 70年代年SPI波动与60年代相反， 但后期偏旱程度逐步加大， 出现哈巴河地区1981—1982年间的旱情； 80年代、 90年代SPI总体趋势较为平稳， 但未识别出1991年的旱情； 2000年以来则总体偏旱程度减轻， 除2007年发生中旱外， 其他年份都较为湿润； 这与哈巴河地区降水年际变化密不可分， 20世纪60年代以来， 哈巴河地区降水量呈现增加趋势， 降水变化倾向率为17.37 mm/(10 a)。

图2(b)—图2(e)分别为春季、夏季、秋季、冬季的SPI变化过程。分析53 a各季节SPI变化趋势可以发现，春季SPI无旱、轻旱、中旱、重旱等不同干旱等级事件发生的频次分别为32，7，4，0次，在不同干旱等级事件中所占百分比分别为74%，16%，10%，0%；夏季SPI无旱、轻旱、中旱、重旱事件发生的频次分别为32，7，4，0次，在各干旱等级事件中对应的百分比分别为74%，16%，10%，0%；秋季SPI无旱、轻旱、中旱、重旱事件发生的频次分别为32，6，5，0次，在各干旱等级事件中所占比例分别为74%，14%，12%，0%；冬季SPI无旱、轻旱、中旱、重旱事件发生的频次分别为29，7，4，0次，在各干旱等级事件中所占比例分别为72%，18%，10%，0%。不同季节发生轻旱级别以上干旱的年份占26%～28%，平均约11 a，同时秋季更易发生中旱及以上旱情事件。

不同季节SPI间的年际变化幅度与趋势差别显著。春季1989—1991年间发生持续性干旱事件，其中最小值为1990年的-1.92，其余年代较均匀；夏季SPI过程线与年SPI过程线较为相似，说明，夏季降水对年降水的贡献最大；秋季显示了较大的波动变化，旱涝变幅明显，秋季集中在1963，2000年附近年份发生持续性干旱；冬季以1978年最低，其中以1982年为界，1982年以前旱情较为集中且严重，1982年以后，冬季旱情大大减轻。哈巴河地区年和四季的干旱频次呈现减少趋势，说明地区旱情逐步缓解，但考虑到春夏秋季是一年农作物和牧场的主要生长成熟期和麦田的收墒期，今后仍需重点关注春、夏、秋三季的旱情。

图2 年SPI及四季SPI变化Fig.2 Annual and seasonal changes of SPI value

5 结 论

笔者基于哈巴河地区1962—2014年的月气象资料和历史记载资料，计算了年、季节、不同时间尺度的SPI，并分析了哈巴河地区1962—2014年间的干旱演变过程与趋势特征，得出以下结论：

(1) 研究结果显示多时间尺度SPI皆可较好地监测旱情变化，并很好地揭示了哈巴河地区1963，1974，1981，1991，1996等年份内的干旱，与记载的流域实际干旱相符。各时间尺度SPI发生干旱事件的频次在不同干旱等级事件中对应的百分比占20%左右，而长时间尺度SPI12则反映出1962—2014年间哈巴河地区由于降水变化正逐步变得湿润，旱情有所减轻，有益于当地农业和牧业的发展。

(2) 不同季节SPI间的年代变化趋势与幅度差异显著，其中年SPI最小值为1963年的-1.97，发生轻旱、中旱、重旱等不同干旱等级事件的年份数分别为9，4，0 a。不同季节SPI间的年际变化趋势与幅度差别显著，四季SPI发生轻旱级别以上干旱的年份占26%～28%，平均约11 a。考虑到春夏秋季是一年农作物和牧场的主要生长成熟期和麦田的收墒期，虽然地区旱情逐步缓解，但今后仍需重点关注春、夏、秋三季的旱情。

(3) 采用不同时间尺度的SPI指数可以区分干旱是由于目前降水减少，还是长期降水缺乏所引起的，可以提高干旱预测精度与及时性，同时SPI指数计算简单便捷，结合气象降水预报，可为哈巴河地区水资源量评估和农业旱情监测服务。本文所采用的相关研究方法与思路也可为气候相似区干旱研究、水资源评估提供科学参考。

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(编辑：姜小兰)

Drought Analysis Based on Multi-timescale Standardized PrecipitationIndex in Habahe Region from 1962 to 2014

CHEN Yong-zhi，LI Ao，ZHOU Xiang

(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Yongchuan 402160, China)

The drought evolution characteristics of Habahe in Xinjiang Autonomous Region from 1962 to 2014 were analyzed based on multi-timescale standardized precipitation index (SPI). Results show that 1) the SPI index method is highly applicable to Habahe region in the past 53 years, and the SPI values of different time scales can

be used for drought monitoring, which is in line with actual drought conditions. 2) According to the process lines of SPI1(time scale of one month), SPI3(time scale of three months) and SPI6(time scale of six months), the probability of different levels of drought events was around 20%. The drought condition reflected by SPI3was more severe than those by SPI1and SPI6. The value of SPI12presented a significant rising trend, indicating that the regional climate is becoming wet gradually, conducive to alleviating regional drought. 3) The inter-annual process of SPI value in different seasons varied significantly, among which the minimum SPI value was -1.97 in 1963. During the 53 years, slight drought event appeared for 9 years, medium drought event 4 years, and severe drought event 0 year; medium and severe droughts in four seasons took up 11 years in average, accounting for 26%-28%; in winter, the SPI value displayed rising trend, whereas in other seasons the changes were not obvious. The process of SPI value in summer was similar with that of annual SPI value.

multi-timescale; SPI; Habahe region; drought evolution analysis; water resources assessment

2016-03-25；

2016-04-12

陈永志(1982-)，男，重庆酉阳人，讲师，硕士，研究方向为水文学及水资源，(电话)13983928052(电子信箱)372742905@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160268

2017,34(6):12-16,23

P467

A

1001-5485(2017)06-0012-05