基于标准化降水指数的鲁西地区干旱时空特征分析

李楠+李慧+李强+杨志勇+韩学蕾

摘要：利用鲁西地区1962—2015年8个国家气象观测站逐月的降水资料，采用标准化降水指数（SPI）、主成分分析和ArcGIS空间插值方法，分析了该地区的年度和季节干旱演变特征。结果表明：（1）鲁西地区的干旱发生较为频繁且持续时间较长，年度和季节干旱发生频率均为30%左右，主要以轻旱和中旱为主，重旱和特旱发生频率较低；年度和季节的干旱站次比中，春旱和冬旱呈减少趋势，夏旱和秋旱呈增加趋势。（2）主成分分析中前两个特征向量的空间分布与干旱频率站次比的区域分布较为一致。

关键词：鲁西地区；干旱；标准化降水指数；时空特征

中图分类号：S161.6 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2017）07-0131-08

Abstract The annual and seasonal drought evolution characteristics in Western Shandong were analyzed based on the monthly precipitation data of 8 national meteorological stations from 1962 to 2015 by the standardized precipitation index （SPI）， principal component analysis and spatial interpolation method of ArcGIS. The results showed that in Western Shandong， the drought had rather high occurrence frequency and lasted a long time. The annual and seasonal drought frequency fluctuated around 30%.The drought degree usually was light drought and moderate drought， and the heavy drought and excessive drought had lower occurrence frequency. In the station number ratio of annual and seasonal drought， the drought in spring and winter showed a decline trend， and the drought in summer and autumn showed an increase trend. The spatial distribution of the first two feature vectors in principal component analysis was in accordance with the regional distribution of station number ratio of drought frequency.

Keywords Western Shandong； Drought； Standardized precipitation index； Temporal and spatial characteristics

人类活动对旱涝灾害的影响十分显著[1]。全球气候变暖，大气中能量分布发生变化，导致降雨时空分布不均匀，干旱灾害频繁发生，极端事件偏多[2]，严重威胁着人民的生命财产安全[3]。而城市化的加剧进一步加重了干旱灾害的发生和程度[4]。聊城地处中原腹地、山东省西部，地形单一，以平原为主，故有鲁西平原之称[5]。该地区自然灾害时有发生，其中旱灾危害面积最大且频繁。目前，常用的干旱评价指标有降水距平、Z指数、标准化降水指数、帕默尔干旱指数等[6-8]，以标准化降水指数（SPI）方法评价鲁西地区干旱情况的研究尚未见报道。SPI是采用Γ函数的标准化降水累积分布来描述降水量的变化，该指数是中国气象局推荐的气象干旱分析指标，以月为评价尺度。本文应用该指数从气象干旱的角度分析了鲁西地区年及季节性干旱发生频率和强度的时空演变规律，明确了鲁西地区干旱发生的时空变化规律，以期为应对气候变化和抗旱减灾提供理论依据[9]。

1 研究区域概况

聊城市地处山东省西部（鲁西），北纬35°47′～37°03′，东经115°16′～116°30′。 共8个县（市、区）。处于暖温带季风气候区，屬半干旱大陆性气候，光热资源充足，但降水缺乏，且时空分布不均。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取1962—2015年聊城市8个气象观测站点（见图1）经质控后的逐月降水资料。

3 结果与分析

3.1 不同时间尺度的SPI值比较

利用聊城市8个气象观测站1962—2015年逐月降水数据，计算得出54年来各站SPI1、SPI3、SPI12值。结果（图2）表明，短时间尺度的SPI值（SPI1）受较短时间降水影响大，没有考虑前期降水的影响，随机性较强，时间持续很弱，旱涝转换很突然，SPI1值频繁地在0线上下波动，各月间变化比较大。SPI3考虑了短时间内水分盈亏情况，反映了季节干旱状况。随着时间尺度的进一步延长，一次降水对SPI12的影响变小，只有在持续多次降水的情况下才能使SPI12值发生波动。

3.2 鲁西地区干旱发生的年度特征分析

3.2.1 干旱发生频率 基于12个月时间尺度的SPI序列表明，1962—2015年间干旱较为频繁，8个站点平均出现17.25次干旱事件，平均每三年一次，以轻旱和中旱为主。基于SPI12序列计算年尺度各等级干旱频率，各站点干旱总频率平均为31%左右，轻旱的发生频率平均为10.38%，中旱发生频率为14.56%，重旱发生频率为6.01%。

3.2.2 干旱发生范围 基于SPI12序列计算年尺度干旱站次比，结果（图3）表明，54年来鲁西地区干旱站次比在0～100%之间波动变化，共24年无明显干旱，占总年数的44.4%。

由图3和表1可知，54年中共有12年发生全域性干旱，主要集中在20世纪80年代和90年代，其中1986、1988、1995、1997、1999、2002、2006年干旱站次比达到100%；1986—1989连续四年发生全域性或区域性干旱。20世纪60—70年代干旱发生的区域较少，1962—1970年间未发生全域性干旱，但有两次区域性干旱。1971—1980年间，只有1972年发生一次全域性干旱。2000年以后全域性干旱有所減少，干旱有减轻趋势。

3.2.3 干旱发生强度 54年来鲁西地区的干旱强度在0～1.73之间波动，平均1.13，共有10年干旱强度在1.0以上，其中1986年干旱强度值最高，达1.73，为重度干旱；其中，鲁西地区发生的干旱等级主要是轻旱和中旱（图3）。由表2可知，轻旱和中旱发生次数较多，各年代均未有特旱的发生；20世纪80年代旱情较重，发生重旱14次，中旱10次，轻旱11次。轻旱多集中在20世纪60年代和80年代，中旱集中在20世纪80年代和90年代。总体来看，20世纪80年代和90年代是干旱的高发期，并且干旱的量级也相对较重。

3.3 鲁西地区干旱发生的季节特征分析

基于SPI3的各气象站点干旱事件发生次数平均为64.62次。季节干旱总频率平均为30%左右，轻旱发生频率14.35%，中旱发生频率8.55%，重旱发生频率4.44%，特旱发生频率2.65%。以下从各季节干旱发生特征详细分析。

（1）春旱：鲁西地区1962—2015年共发生春旱15次，分别出现在1962、1965—1967、1972—1974、1976—1978、1981、1995—1996、2000—2001、2010年，呈阶段连续性分布，平均3～4 a出现一次。其中，1981和2001年为重旱，SPI值分别为-1.79和-1.81，1962、1967、1973、1976、1978、2000年为中旱，其余年份为轻旱。

图4（A）表明，春季干旱站次比在0～100%之间变化，共21年全域未出现春旱，占总年数的38.8%。20世纪60年代和70年代春旱较为频繁而且发生区域较大，其中出现全域性干旱5次，区域性干旱4次。20世纪80—90年代干旱的发生较为缓和，只发生全域性干旱1次，区域性干旱3次。2000年以后发生全域性干旱2次，区域性干旱2次。春季干旱站次比的线性倾向率为-5.67/10a，表明鲁西地区春季干旱站次比呈现减少的趋势。

（2）夏旱：1962—2015年间夏旱亦较频繁，共发生夏旱14次，分别出现在1965、1968、1972、1983、1985、1989、1992、1997、1999、2001、2002、2006、2014、2015年，其中1983、2002年为重旱，1997年为特旱，SPI值为-2.11。

图4（B）表明，夏季干旱的站次比也在0～100%之间变化，共22年全域未出现夏旱，占总年数的40.7%。20世纪60年代初期到80年代初期近二十年的时间里，夏旱发生区域较少，全域性夏旱只有1次，部分地区夏旱1次，其余均为局部地区干旱。20世纪80年代初到90年代末，夏旱的发生区域相对较广，全域性干旱5次，区域性干旱2次。2000年以后夏旱发生区域相对上个时期有所减少，其中全域性干旱3次，部分地区干旱3次。夏旱站次比的线性倾向率为3.77/10a，呈增加趋势。

（3）秋旱：1962—2015年间秋季干旱发生16次，分布在1963、1966、1970、1978、1979、1981、1986、1988、1989、1996、1998、2001、2002、2006、2012、2013年。其中，重旱年份为1966、1981年，特旱年份1988和1998年，其SPI值分别为-2.31和-2.07。

图4（C）表明，秋季发生的干旱站次比也在0～100%之间变化。共27年未有全域性秋旱的发生，占总年数的50%。20世纪60和70年代发生全域性干旱4次，区域性干旱2次，局部地区秋旱1次。20世纪80年代和90年代共发生6次全域性干旱，1次部分地区干旱，4次局部地区干旱。21世纪初的16年间，出现全域性干旱3次，区域性干旱2次，局部地区干旱4次。秋旱站次比的线性倾向率为1.01/10a，表明鲁西地区发生秋旱的站次比呈现增加趋势。

（4）冬旱：1962—2015年间出现冬季干旱17次，分别分布在1963、1966、1968、1970、1974、1977、1983、1984、1986、1988、1991、1994、1996、1999、2006、2007、2012年。其中重旱年份有1984、1996年；特旱年份为1977年和1988年，其SPI值分别为-2.05和-2.00。

图4（D）表明，冬季干旱的站次比在0～100%之间变化。共33年全域未有明显冬旱发生，占总年数的61.1%。全域性干旱17次，占总年数的31.48%。20世纪60年代和70年代全域性干旱6次，局部干旱2次。20世纪80年代和90年代干旱发生站次较高且量级相对较重，共出现全域性干旱8次。21世纪以后发生全域性干旱3次，局部干旱1次。冬旱站次比的线性倾向率为-3.51/10a，表明聊城地区冬旱的站次比呈现下降趋势。

综上可见，聊城地区发生的干旱以轻旱和中旱较为频繁，且伴随有季节性连旱；春旱和夏旱发生的频率高于秋旱及冬旱，但秋旱和冬旱的干旱程度要重于夏旱及春旱，其中秋季干旱程度最为严重。

3.4 鲁西地区干旱发生的空间特征分析

基于SPI12值进行主成分分析，方差贡献率见表 3，由于前两个特征量值的累积贡献率等于0.866，大于0.7，所以取前两个代表性的主成分，使用ArcGIS中的反距离加权插值法对前两个主成分特征向量系数做空间分布，如图5所示。

第一主成分各特征向量的系数均为正值且相差较小，说明各站降水对干旱的贡献较为均衡，较大值出现在临清和莘县，低值中心位于阳谷和冠县，表明临清、莘县的降水量对于鲁西地区干旱发生的影响程度相对较大。第一主成分所代表的降水空间变化特征可以视为鲁西地区干旱空间分布的主要形态。第二主成分各特征向量的系数值由中东部县向西部县市逐渐减小，最低值位于冠县（-0.469），说明从东部县市到西部县市干旱发生呈现增加趋势。

为了更好地了解鲁西地区干旱的分布情况，利用8个气象站点54年来SPI12指数所得的各站点干旱頻率进行反距离加权插值，得到研究区干旱频率分布图（图6）。可见，高唐、茌平、东阿的总干旱发生频率较高，轻旱发生频率的各县分布与总干旱发生频率的分布较为一致。茌平、冠县、阳谷的中旱发生频率均为18.5%。中西部县重旱的发生频率高于东部的高唐、茌平、东阿。

基于SPI12的干旱分析结果总体显示，鲁西地区以轻旱和中旱为主，重旱以上发生概率相对较低；第一主成分各特征向量的空间分布中，冠县和阳谷位于低值中心，其次为莘县，说明其对降水的贡献相对较小。不同级别干旱发生频率的空间分布结果也显示，冠县、阳谷、莘县的中旱及重旱发生频率较高，与主成分分析的冠县、阳谷、莘县处于低值中心的结果有较好的一致性。

4 讨论与结论

分析近54年来鲁西地区年度和季节干旱发生的频率、范围、强度和空间分布等特征得出以下结论。

（1）鲁西地区月、季、年的SPI值在波动中均呈现降低趋势，表明该地区有朝干旱发展的趋势；年度和季节干旱较为频繁且持续时间较长，年度及季节总干旱频率均在30%左右，主要以轻旱和中旱为主。

（2）基于12个月尺度的SPI序列干旱中，发生全域性干旱12年，主要集中在20世纪80年代和90年代，其中1986—1989年连续四年发生区域性及全域性干旱。年尺度干旱强度平均值为1.73。

（3）春季和冬季干旱站次比线性倾向率均为负值，表现为干旱站次比下降趋势；夏季和秋季的干旱站次线性倾向率为正值，呈增加趋势。

（4）主成分分析的特征向量空间分布与各站不同级别干旱发生频率分布情况存在较好的相关性。

干旱的发生是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈共同作用的结果[13]，本文仅从降水因素分析干旱的发生和分布特征，没有考虑水文及灌溉等因素的影响[14]，以后将结合其他干旱指标[15]进一步深入研究鲁西地区干旱发生的时空演变特征。

参 考 文 献：

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