基于SPEI的衡水地区干旱趋势变化及周期研究

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(河北省衡水水文水资源勘测局，河北 衡水 053000)

在全球气候变暖的大背景下，气候系统的稳定性逐渐降低，气候变化的极端性、不确定性加剧，尤其以干旱事件最为明显，严重威胁着城市经济发展和农业生产。随着全球变暖的日益加剧，干旱对经济发展和农业生产的影响也日益增大。衡水地处半干旱半湿润地区，降水分布不均匀，且夏季常伴有高温，素有“十年九旱”之说。近年来，气温的升高，降水的减少，加剧了旱灾的发生；同时水资源供需矛盾加剧，为满足上游地区取用水，上游水库蓄水，导致处于下游的衡水地区河道季节性缺水，河道失去蓄水灌溉功能，取用地下水灌溉农田，导致地下水水位下降，由于地下水超采严重，生成了以衡水市区为中心的，全国最大的地下水漏斗之一—冀枣衡地下漏斗，干旱已成为影响衡水经济发展、农业生产最大的自然灾害之一。

近年来，专家学者在对量化干旱，干旱的变化趋势等方面上，做了大量的研究，并提出了多种干旱指数。其中具有代表性且应用较广泛的干旱指数有：降水距平指标、Z指数、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸发指数(SPEI)和Palmer干旱指数(PDSI)等。2010年Vicente-Serrano提出标准化降水蒸散指数(SPEI)，该指数以降水和蒸散发为基础数据，既保留了PDSI指数里蒸散对温度敏感的特点，也具备了SPI指数多尺度、多空间的优点[1]。因此，本文基于SPEI指数定量分析衡水地区干旱变化特征。

SPEI指数在旱涝灾害评估领域已有大量的应用：李伟光等[2]基于SPEI指数对我国干旱趋势进行研究，指出干旱化现象在我国已经普遍存在，西部、华北和东北地区干旱化最为显著；吴志杰等[3]通过和历史资料对比，验证了SPEI指数在云南中部的适用性和对降水变化的敏感趋势；陈斐[4]等应用SPEI指数，并结合气候统计分析和小波分析方法，探讨了西北地区春旱的时空分布特征，发现春旱强度和总频次八十年代降至最低，两千年增至最高，春旱发生频次具有3 a、9 a以及25 a以上尺度的周期波动特征；鲁佩等[5]利用SPEI指数，结合M-K趋势分析和小波分析方法对华北平原进行干旱时空特征分析，指出近55年华北平原表现出干旱化趋势，干湿变化存在3年、5年以及10年的振荡周期，且未来几年干旱趋势为偏旱。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

衡水市处于河北省东南部平原，地理位置为：115°10′-116°34′E， 37°03′-38°23′N，属于温带大陆性季风气候，四季分明，冬季干燥寒冷，夏季炎热多雨。衡水作为严重缺水城市(供水率75%的保证率下，缺水率为67%，2003)[6]，随着我市工农业迅速发展，水资源供需矛盾日益突出。

1.2 资料来源

本文所用降水数据来源于衡水县级雨量站，剔除资料缺失不连续的站点后，进行质量检查，最终从11个县市区个共选取十一个雨量站，序列连续完整，区域代表性较好，气温数据来源于国家气象数据信息中心。利用算数平均法得到1964-2015年衡水市逐月降水量和逐月平均气温，采用自相关系数法对其进行一致性分析，经计算，月降水自相关系数r1=-0.176，月气温自相关系数r2=-0.045，期统计量t服从自由度为N-1-2的 t分布，取置信度α=0.01，N=52，查t分布数值表得t0.01=2.682， | t0.01|> r1=-1.3 ，|t0.01|>r2=-0.3，说明数据自相关性较好，资料系列具有一致性。

1.3 研究方法

标准化降水蒸散指数(SPEI)是通过计算水分亏缺量即降水量和蒸散量的差值，来反映季节干湿的变化。SPEI是以月降水和月平均气温为基础，利用概率分布函数对其分布拟合，再进行标准化正态处理，最终得到标准化累计概率，参照干旱等级表，得到干旱等级。具体计算步骤如下[7]：

1)计算潜在蒸散量(PET)，利用Thornthwaite法计算：

PETi=16.0×(10Ti/H)A

(1)

式中：A为常数；H为年热量指数；Ti为月平均气温。A和H的计算公式分别如下：

A= 6.75 × 10-7H3-7.71 × 10-5H2+ 1.792 × 10-2H + 0.49

(2)

Hi=(Ti/5)1.514

(3)

(4)

2)逐月降水量与蒸散量的差值计算，计算公式如下：

Di = Pi-PETi

(5)

式中：Di为降水量与蒸散量的差值；Pi为月降水量；PETi为月蒸散量。

3)Di数据序列正态化。采用log-logistic概率分布F(x)对Di进行拟合，计算每个Di数值对应的SPEI值。采用下式计算SPEI，P≤0.5时，S=1，P>0.5时,S=-1。

(6)

(7)

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

表1 SPEI指数干旱等级

2 结果与分析

2.1 SPEI指数年际变化特征

从图1可知，SPEI指数的变化大致可分为两个阶段：1)1964-1985年，SPEI指数均值为0.158，高于整体水平，这个阶段SPEI指数呈现震荡上升的趋势，说明该时期衡水地区整体气候处于一个干旱变湿润的时期。2)1986-2015年，SPEI指数均值为-0.132，低于整体水平，这个阶段SPEI指数呈现震荡下降的趋势，在1997-1999年出现极值，导致连续三年的中度以上干旱，后出现缓慢的震荡回升但依然经历了三次中度干旱，说明该时期衡水地区整体处于一个由湿润变干旱的时期。这一结果和吴杨洁[8]基于干旱指数对河北干旱研究结果一致。

图1 衡水地区1964-2015年SPEI指数年际变化

SPEI指数干旱年份统计表(见表2)显示，1964-2015年共有17个干旱年份，占比32.5%，其中中度干旱年份所占比最大，为13.5%，说明衡水地区的干旱主要以中度干旱为主；上世纪八十年代发生轻度干旱的年份较多；严重干旱发生在六十年代(1965、1968)和九十年代(1997、1999)。这与前人研究结果[9]相同，河北省在1965、1997、1999年发重旱，覆盖面积大于50%，均包括位于河北省东南部的衡水地区。从时间历程看，从上世纪六十年代开始，干旱时有发生过，六七十年代干旱发生则为严重干旱或中度干旱，而从八十年代开始，干旱频繁发生，几乎每个两至三年均发生一次干旱，一零年后干旱情况有所好转。

表2 衡水地区1964-2015年干旱年份分布

2.2 SPEI年际变化周期分析

小波分析是一个强有力的统计分析工具，各种气象因子、水文过程、以及生态系统与大气之间的物质交换过程都可以视为随时间变化的周期性信号，因此利用小波分析对衡水地区基于SPEI指数的干旱周期变化进行分析。

由图2小波时频分布图可知，衡水地区1964-2015年SPEI干旱指数时间序列存在多个时间尺度，中心频域尺度主要集中在10～15 a和3～7 a，在10～15 a尺度经历了干—湿—干—湿—干—湿6次干湿周期交替变化，从震荡中心可以看出，干旱主要发生在60年代末期、80年代初期和2000年初期，2014年后正值由湿变干的交替时期，因此，预测未来几年内气候有变干的趋势。

由图2小波方差图可以看出，小波方差随时间尺度的变化过程中，出现两个明显的峰值，对应的时间尺度为5 a和13 a，其中13 a对应的小波方差最大，说明衡水地区SPEI干旱指数的第一主周期为13 a，第二主周期为5 a。

图2 衡水地区1964-2015年SPEI指数小波实部图和方差图

3 结语

本文基于SPEI干旱指数，探讨了衡水地区干旱趋势变化及干旱周期。主要结论如下：

(1)1964-2015年衡水地区气候整体处于正常水平，SPEI指数呈现波动下降的趋势，折线倾向率为-0.06/10a，未通过0.1显著性检验，说明该地区存在不显著的干旱趋势。上世纪六七十年代干旱年份的发生等级为严重干旱或中度干旱，而从八十年代开始，干旱频繁发生，从发生时间点来看，SPEI干旱年与前人研究结论基本一致，严重干旱发生在六十年代(1965、1968)和九十年代(1997、1999)，说明SPEI指数在衡水地区适用性良好。

(2)1964-2015年衡水地区SPEI指数存在两个震荡周期，第一主周期为13a，第二主周期为5a，2014年后正值由湿变干的交替时期，因此，预测未来几年内气候有变干的趋势。

(3)本文基于SPEI指数对衡水地区进行干旱分析，但除降水和气温，干旱亦受风速、地表植被、土壤类型、人类活动等多方面影响，要更真实的反映区域干旱情况仍需深入研究。