基于SPEI指数的甘肃河东地区近56年干旱时空变化分析

张建华 王志豪 王玉贵

[摘要]干旱在中国发生较为频繁，对农业以及社会经济的发展影响较大。以甘肃省河东地区作为研究区，基于1960～2015年20个气象站点的气温与降水数据，利用标准化降水蒸散指数（SPEI），分析河东地区四季和年际的干旱时空分布变化特征，以及极端干旱和中度干旱的发生频次。结果表明，①随着时间尺度的不断增加，标准化降水蒸散指数的持续性在加强。②20世纪90年代以前，河东地区的SPEI数值处于波动状态，但总体偏向于湿润，从90年代后期，开始呈干旱化态势，虽出现干湿适中的年份，但为数不多。③20世纪60～80年代，春季和冬季SPEI指数波动比较频繁，变化趋势不显著。春季80年代中期至90年代初、秋季60年初代至70年代末、冬季80年代末至90年代中期是河东地区的相对湿润期，从春、夏季80年代中期，秋季70年代末期、冬季90年代末期至20世纪整体呈现干旱化特征。④空间年际变化南部和北部干旱趋势显著，西北部较弱；季节变化春季和夏季的干旱化趋势显著，秋季和冬季干旱趋势较弱。

[关键词]时空分析；标准化降水蒸散指数；甘肃省；河东地区

[中图分类号]P467 [文献标识码]A

近年来我国自然灾害频繁发生，对工农业生产乃至整个社会经济发展都产生了重要的影响。据统计，我国70%的自然灾害为气象灾害，而干旱灾害就占据了其中的二分之一。旱灾对农业的影响最为显著，我国每年因旱灾造成的粮食损失量高达300亿kg，占所有自然灾害损失总量的五分之三。我国在 20 世纪 50 年代的旱灾面积为每年1000多万hm2，成灾面积为 330 多万hm2，最近几十年增加到旱灾面积为每年 3000多万hm2，成灾面积为每年1200多万hm2。旱灾不但会造成各种农产品的大幅度减产，影响粮食安全，而且也会严重威胁到生物的生存环境以及社会经济的发展，造成巨大的生态经济损失，其已经成为当前气象界探讨的热点。

本研究利用标准化降水蒸散指数（SPEI）来研究河东地区干旱的时空变化规律，从而能更加有效的服务于本区域农业发展和生态环境建设，对河东地区干旱预警、粮食安全、生态环境建设以及社会经济的发展具有重要的现实意义。

1 研究区概况

河东地区行政上包括白银、兰州、定西、天水、临夏、平凉、庆阳、陇南、甘南9个州市，面积为。地处青藏高原的东北边缘与黄土高原的最西端，西起拉脊山、西倾山，东临屈吴山、六盘山、子午岭、秦岭，北靠乌鞘岭，南依迭山、岷山，涵盖陇南山区、甘南高原、陇中高原和陇东高原。该地区自北向南分别位于干旱、半干旱和半湿润区，年降水量240～750mm，西部和北部水资源匮乏。人们习惯将河东地区称为旱作区或雨养农业区，它是一个依靠自然降水来维持农业生产的区域，降水的时空分布对农作物的生长起着决定性的作用。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文运用来源于中国气象数据共享网（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do）以及甘肃省气象局提供的甘肃省河东地区1960～201520个气象站点的降水、气温以及各站点的经纬度作为计算标准化降水蒸散指数的基础资料。

2.2 研究方法

Standardized Precipitation Evaporatranspiration（SPEI）是在标准化降水指数SPI的基础上发展来的。标准化降水指数是McKee等在评估美国科罗拉多州干旱状况时提出的。对于某一地区而言，确定时间段内的降水量一般呈规律性的波动变化。基于这个事实，认为某一地区确定时间段内的降水量若比该时间段内多年平均降水量（可以认为是正常降水量）偏少到一定程度，就认为该地区该时段发生了干旱；反之，发生洪涝。2010年，Vicente-Serrano提出了标准化降水蒸散指数，该指数基于降水和蒸散，既保留了PDSI考虑蒸散对温度敏感的特点，又具有SPI计算简单、适合多尺度、多空间比较的优点（表1）。

由图2可见，1960～2015年，整个河东地区干旱最严重的3个年份为1996、2008以及2014年，最湿润的三个年份为1963、1966以及1977年。从SPEI数值上可以看出，最湿润的年份偏离正常年份的程度要大于最干旱的年份。20世纪60年代至90年代中期，河东地区的SPEI数值处于波动状态，但總体趋势偏向于湿润，从90年代后期开始，开始呈干旱化态势，虽出现干湿适中的年份，但为数不多。由趋势线可以得知，预计其未来干旱趋势会进一步增强。

3.2 河东地区干旱的空间分布特征

依据甘肃河东地区近56年的气温、降水以及各气象站点的经度和维度，计算出每个站点近56年来SPEI值对应的斜率，运用ARCGIS软件进行空间插值（反距离加权重法）分析，进而得出河东地区近56年来各个站点年际和四季干旱的空间变化趋势。由河东地区各季节的SPEI值斜率空进行空间插值可以看出，从1960-2015年，甘肃河东地区四季呈现不同程度的干旱化趋势。总体而言，春季和夏季的干旱化趋势显著，各地区干旱趋势也比较均匀，秋季和冬季干旱趋势不太明显，不过各地区干旱趋势分布不均匀，有极端干旱区以及相对湿润区。

3.2.1 春季河东地区西北部分的郎木寺、皋兰、武都以及松山SPEI斜率大于零，说明其有湿润化的趋势，其余部分SPEI斜率均小于零，说明其呈现干旱化趋势。其中玛曲、靖远以及西峰区相比其他地区而言干旱化趋势显著（图3a）。

3.2.2 夏季同样除西北部分的蓝色显示区皋兰、武都以及松山有微弱的湿润化趋势外，其他部分都呈现干旱化态势。其中以玛曲、郎木寺、合作、临洮、岷县以华家岭以及天水一线干旱化趋势最为明显，兰州、榆中、靖远、会宁、平凉以及西峰区次之，临夏干旱化趋势最不明显（图3b）。

3.2.3 河东地区秋季以兰州、皋兰、会宁、靖远以及郎木寺这一线干旱化趋势最为严重，岷县、武都、天水平凉以及西峰区次之，玛曲、合作、临夏、榆中以及华家岭这一带最变化最不明显（图3c）。

3.2.4 河东地区冬季的松山、景泰、临洮、会宁以及合作呈现湿润化趋势，皋兰干旱化趋势最为显著，临夏、靖远、岷县、武都以及天水次之，华家岭、平凉以及西峰区干旱趋势比较平缓（图3d）。

4 结果

基于1960～2015年甘肃河东地区20个站点的实测气象数据，利用SPEI指数分析了河东地区不同时间和空间尺度干旱发生的规律，以此来揭示河东地区干旱发生的时空变化特征。主要结论如下：

近56年来河东地区干旱化趋势在时间上的分布非常明显。从年际总体变化趋势来看，1960年至2015年，河东地区整体呈干旱化态势。细化来看，20世纪60年代至90年代中期，河东地区的SPEI数值处于波动状态，但总体趋势偏向于湿润，从90年代后期开始，开始呈干旱化态势，虽出现干湿适中的年份，但为数不多。

近56年来河东地区各站点持续干旱月份增加，持续干旱累计时间增长。在年际以及春、夏、秋、冬四季季节尺度上的干旱发生强度不尽相同，但总体都是趋向于干旱的。其中夏季和冬季較为严重，秋季次之，春季较弱。在年际变化方面，全区以20世纪90年代中后期以及21世纪初干旱发生最为频繁。

从空间变化来看，1960～2015年，河东地区年际变化方面中部以及东部干旱趋势明显，其他部分趋势较弱，季节变化方面春季和夏季干旱化趋势显著，秋季和冬季较弱。

[参考文献]

[1] 姚玉璧，张存杰，邓振镛，等.气象、农业干旱指标综述[J].干旱地区农业研究，2007，25（1）：185-189.

[2] 赵璐.青海省东部农业区农业气象干旱时空变化研究[D].西安：西北农林科技大学，2010.

[3] 孙秉强，张强，董安祥，等.甘肃黄土高原土壤水分气候特征[J].地球科学进展，2005，20（9）：1041-1046.

[4] 高蓉，陈少勇，董安祥，等.西北地区东部耕作层土壤湿度近22年变化分析[J].干旱地区农业研究，2008，26（6）：186-190.

[5] Edwards DC.Characteristics of 20th Century Drought in the United States at Multiple Time Scales[R].For Colling：Department of Atmospheric Science Colorado State University，1997.

[6] Seiler RA，Hayes M，Bressan L.Using the standardized precipitation index for flood risk monitoring[J].International Journal of Climatology，2002，22（11）：1365-1376.