基于SPEI的锡林河流域气象干旱风险分析

张 璐, 朱仲元, 王慧敏, 王 飞, 张 鹏

(内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018)

干旱是一个发展较慢但持续时间较长的极端气候事件[1]。干旱从古至今都是人类面临的主要自然灾害，随着人类的社会经济发展，水资源短缺日益严重，干旱已经成为全球关注的热点问题。在内蒙古的典型草原区，干旱是主要的自然灾害，也是导致草原退化的重要因素。干旱风险分析有助于揭示干旱变化趋势，对干旱进行准确定量。世界气象组织承认的干旱类型是气象干旱、水文干旱和农业干旱等，其中气象干旱被认为是导致其他各类干旱发生的主要原因，因此探明气象干旱的发生规律，对合理有效地监测和预警各类干旱有极大的帮助[2]。近年来，研究学者们普遍使用干旱指数定量评价干旱程度，常用的干旱指数有：标准化降水指数(SPI)[3]、气象综合指数(PDSI)[4]、SPEI[5]等，其中SPEI在考虑降雨条件影响的同时，也考虑了温度波动对干旱的影响，这样比单纯考虑降水的标准化降水指数、降水距平指数等对干旱的反映具有更强的实际意义[6]。张煦庭等[7]以SPEI作为气象干旱表征指数，对内蒙古自治区1960—2015年干旱时空分布特征进行了研究；杨思遥等[8]基于SPEI分析了华北地区植被对干旱的多尺度响应。我国是一个干旱频发的国家，特定的季风气候和自然地理条件决定了我国干旱和旱灾发生的严重性，SPEI的出现和使用对研究干旱事件具有科学意义。

1 研究区概况

锡林河，蒙语称锡林郭勒，属锡林郭勒草原上一条内陆河，河水起源于赤峰市克什克腾旗境内，绕锡林浩特市而过。本文研究区为锡林河流域，经纬度范围为115°18′—117°08′E，43°02′—44°57′N，控制流域面积达14 788 km2，地势南高北低，平均海拔为988.6 m，属中温带半干旱大陆性气候。由于锡林河流域具有独特的地理环境，该地区水资源的主要来源为大气降水和冰雪融化。锡林河流域昼夜温差大，蒸发量大，流域年降水量在121.1～511.7 mm，无霜期110 d，动物资源多样，草原类型齐全。

2 数据与方法

2.1 数据来源

选用1982—2018年锡林浩特、东乌珠穆沁旗等11个气象站气温、降水等数据资料均来源于中国气象数据共享服网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。本文通过计算锡林浩特、东乌珠穆沁旗等11个气象站点不同时间尺度的SPEI，以年、季、月作为研究尺度，利用反距离权重插值法分析锡林河流域37 a来的干旱变化特征以及干旱发生频率和干旱强度的时空分布特征。根据锡林河流域当地气候特征，将季节定义为：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，当年的1—2月和上一年的12月为冬季。

2.2 研究方法

2.2.1 标准化降水蒸散指数 SPEI计算方法原理是用降水量与蒸散量的差值偏离平均状态的程度来表征某地区的干旱[9]。本文采用Thornthwaite方法计算各站各月潜在蒸散量，进而计算气候水分平衡(BAL)，即逐月降水与蒸散的差值。

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Di为降水量与蒸散量的差(mm)；Pi为降水量(mm)；PETi为潜在蒸散量(mm)。

对Di数据序列进行正态化。由于原始数据序列Di中可能存在负值，所以SPEI指数采用了3个参数的log-logistic概率分布。Log-logistic概率分布的累积函数为：

(2)

式中：参数α,β,γ分别采用线性矩的方法拟合获得。

(3)

(4)

γ=ω0-α·Γ(1+1/β)Γ(1-1/β)

(5)

式中：Γ为阶乘函数；ω0,ω1,ω2为原始数据序列Di的概率加权矩。计算方法如下:

(6)

(7)

式中：N为参与计算的月份数。

然后对累积概率密度进行标准化:

P=1-F(x)

(8)

当累积概率P≤0.5时：

(9)

(10)

式中：c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。

当P>0.5时，以1-P表示P。

(11)

SPEI具有多时间尺度的特征。其中，1个月时间尺度的干旱指数可以比较清楚地反映旱涝的细微性变化，3个月时间尺度可以清晰地反映季节的干旱状况[10-11]。故本文计算1，3，6，12个月4个尺度的SPEI值，用SPEI1，SPEI3，SPEI6，SPEI12表示。

2.2.2 干旱强度 《气象干旱等级》中关于气象干旱发生强度的诠释为：所有天或月的综合气象干旱指数值在干旱过程内为轻度以上的干旱等级之和[12]。

(12)

式中：j为年份；i为不同站号；m为发生干旱的站数；|SPEIi|为j年i站发生干旱时SPEI的绝对值。其值越小，干旱程度越强[13]。当连续3个月的SPEI月尺度数值为轻度干旱以上时，则确定为发生一次连续干旱过程[14]。

2.2.3 干旱频率 用于评价某站在某时段干旱发生的频繁程度[15]。

Fi=(n/N)×100%

(13)

式中：n为该站实际发生干旱的年数。

根据中国气象局制定的气象干旱等级划分标准[16]，将SPEI划分为5个等级，分别为无旱、轻微干旱、中等干旱、严重干旱和极端干旱(表1)。

表1 SPEI干旱等级划分

3 结果与分析

3.1 降水和气温的时间变化趋势分析

锡林河流域多年降水量变化年际差异较大，整体呈现较大的增长趋势，趋势线斜率为0.438(图1A)。多年平均降水量为270 mm，2012年降水量为37 a中最大值，为511.7 mm，多年降水量年际变化较有规律性，呈现多年平稳增长趋势。2005年的降水量为37 a中最小值，仅为121.1 mm，直到2009年降水量出现增长的趋势。37 a间锡林河流域气温整体呈现较小的增长趋势，趋势线斜率为0.039，多年平均气温为3.16℃，1986年年平均气温低至1.21℃，2014年年平均气温高至4.66℃(图1B)。

图1 1982-2018年降水量和气温变化趋势

3.2 不同时间尺度SPEI对比分析

利用1982—2018年的降水、平均气温、平均风速等数据计算得到不同时间尺度SPEI(图2)。不同时间尺度的SPEI值随时间变化存在明显不同，时间尺度越小，SPEI沿着0值上下剧烈波动，反映了单月降水对干旱程度的影响。如SPEI1波动频率较快，反映了各月部分气象要素对干旱的影响；SPEI3和SPEI6波动周期较长，体现了锡林河流域季节性的干旱变化；SPEI12各年值相对集中，较为清晰地反映了锡林河流域多年干旱变化趋势，尤其在1989年、2006年附近的年份明显产生了较为严重的干旱。整体上来看，不同时间尺度的SPEI值呈现出明显增大的趋势。

3.3 短、中期SPEI变化分析

本文将1982—2018年整个时期分为4个时段，对应的时间段为1982—1988年、1989—1998年、1999—2008年和2009—2018年(图3)。对不同时段的SPEI值按月份进行处理，各月SPEI值为时段内该月多年平均值，由于SPEI12季节性变化不明显，故本文只分析SPEI1，SPEI3，SPEI6。SPEI1从1982—1988年时段到1989—1998年时段年均SPEI1有增大趋势，如1982—1988年12月平均SPEI1为-0.67，而1989—1998年12月平均SPEI1减小到-0.01；1989年—1998年—1999年—2008年，SPEI1出现了减小趋势，5月、7月平均SPEI1分别为-0.07，-0.18，而1999—2008年5月、7月平均SPEI1减小到-0.52，-0.46。减小趋势最大出现在晚春和初夏。此外，SPEI1从2009—2018年整体呈现增大趋势，表明近几年旱情较以往有所缓解。尤其从SPEI3，SPEI6来看1982—2018年SPEI有明显的波动，1982—1988年干旱出现在冬季和早春；1989—1998年旱情逐渐得到缓解；1999—2018干旱集中发生于晚春、夏季和早冬，2009—2018年SPEI整体大幅增长。这种现象的出现与近几年来气温、降水等气象要素有明显相关性。

3.4 不同时间尺度干旱发生频率分析

本文统计了1982—2018年4个时间段不同程度干旱发生的频率(表2)。在频率统计过程中发现：SPEI1和SPEI3未出现特旱值，但SPEI6值在1988年出现4次(3月、4月、5月、7月)特旱值；1999年出现2次(10月、11月)特旱值；2005年出现2次(8月、9月)特旱值。SPEI12在1988年出现4次(7月、9月、10月、11月)特旱值，且都在中旱及以上；2005年出现3次(9月、10月、12月)特旱值；2006年出现3次(1月、2月、3月)特旱值。据统计数据来看，特、重旱的发生频率在逐年减小，轻、中旱有波动起伏的不确定性，在干旱预防中，应该注意长时间连续的轻、中旱的发生。不同程度干旱发生频率年际差异较大，近10 a来，不同程度干旱发生频率有显著的减小趋势，主要因为受到气象因素的影响。从整体上来看，不同程度干旱发生频率呈现下降趋势，表明该地区生态环境有调节和缓解干旱的可能。

图2 1982-2018年不同时间尺度SPEI变化

表2 不同时间尺度SPEI的不同程度干旱发生频率 %

3.5 干旱事件的空间变化特征

3.5.1 干旱发生频率分布特征 本文根据锡林浩特、东乌珠穆沁旗等11个气象站逐月SPEI值及不同级别的SPEI干旱指数，统计了1982—2018年各站年、季、月尺度的轻度以上干旱发生频率，采用反距离权重插值法进行插值分析，得到锡林河流域不同时段干旱发生频率的空间分布。研究发现：锡林河上游轻度以上的干旱出现次数总体呈现西多东少的特点(图4A)，这与当地降水和气温的变化规律有很大的关系，西部的干旱发生频率为51.28%～53.21%，东部的干旱发生频率为49.35%～51.28%，年干旱发生频率具有区域的趋势性。春季的旱情主要出现在锡林河流域的中部地区(图4B)，干旱发生频率差异较大，干旱发生面积较大，中部干旱发生频率为11.30%～13.51%，周边干旱发生频率为9.08%～11.30%。锡林河流域地处寒旱区，具有独特地理气候环境，该地区水资源的主要来源是夏季降雨和春季融雪[17]，春旱与春季融雪径流有很大的关系。夏旱主要有可能发生在锡林河流域南部以及西部边缘地区(图4C)，干旱发生频率为12.34%～12.95%，东北部干旱发生频率较小，为11.72%～12.34%，干旱发生频率具有分界性，这与当地夏季降水有极大关系。秋季干旱频率由夏季的东北少西南多逐渐向锡林河流域中部移动(图4D)，秋旱主要发生在锡林河流域北部和西部的部分地区，为11.86%～12.91%，锡林河流域中部干旱发生频率最少，低至10.81%～11.86%。冬季干旱发生频率普遍较大(图4E)，干旱发生频率为9.36%～10.81%，只有北部部分地区干旱发生频率较小，为7.91%～9.36%。月尺度的干旱发生频率与春季的干旱发生频率出现了明显的反差现象(图4F)，且干旱发生频率差异较大，锡林河流域中部干旱发生频率较低，为18.92%～23.94%，锡林河流域周边干旱发生频率较高，为23.94%～28.95%。

图3 不同时间尺度各时段SPEI均值变化

3.5.2 干旱强度空间分布特征 本文计算了1982—2018年锡林浩特、东乌珠穆沁旗等11个气象站逐月SPEI值及不同级别的SPEI干旱指数，统计了1982—2018年各站年、季、月尺度的轻度以上干旱强度。

年干旱强度由西北到东南呈现高—低—高的趋势(图5A)，表明干旱严重区出现在锡林河流域中部，为15.64～12.95。春季干旱严重区出现在锡林河流域的四周(图5B)，为5.83～4.86。夏季锡林河流域的干旱强度普遍较小(图5C)，该锡林河流域夏季干旱较为严重，仅有锡林河流域北部部分地区干旱严重程度较低，为6.40～5.96。秋季干旱强度分布图与春季干旱强度分布图有明显的反差(图5D)，秋季锡林河流域中部出现严重的干旱现象，干旱强度为4.85～3.90。冬季干旱强度有增加的趋势(图5E)，干旱的分布范围有减小的趋势，仅有东南部地区干旱强度较小，为4.86～3.90。月尺度的干旱强度分布与春季的干旱强度分布较为相似(图5F)，锡林河流域四周干旱严重程度高于锡林河流域中部，可见，月尺度的干旱强度分布主要受到春季干旱强度的影响。

图4 不同时间尺度锡林河流域干旱发生频率的时空分布

图5 锡林河流域不同时间尺度干旱强度分布

4 结 论

(1) 本文计算了锡林浩特、东乌珠穆沁旗等11个气象站点1982—2018年不同时间尺度的SPEI。1989年、2006年附近年份明显产生了较为严重的干旱，不同时间尺度的SPEI整体均有增大的趋势，表明锡林河流域干旱情况有所缓解。SPEI短、中期的干旱分析表明，特、重旱的发生频率在逐年减小，轻、中旱有波动起伏的不确定性，在干旱预警中，应该注意长时间连续的轻、中旱的发生，且存在发生季节性集中干旱的可能。

(2) 年尺度的干旱频率表现为西多东少的特点，干旱强度从西北到东南表现为弱—严重—弱的特点；春季干旱多发地位于锡林河流域中部，而四周却是干旱严重区域；夏季干旱多发生于锡林河流域西南角，而这期间锡林河流域有可能发生大部分严重干旱；秋季干旱在西、南部区域频率最高，而干旱最严重的区域在中部；冬季锡林河流域大部分干旱发生的频率较高，干旱严重区在锡林河流域南部。总体而言，锡林河流域西部与南部是干旱频发且严重地区。