基于SPI的辽宁省庄河市近35年干旱演变特性研究

姚顺秋 闫晓惠

(1.大连市庄河水利建筑勘测设计院，辽宁 大连 116400；2.大连理工大学水利工程学院，辽宁 大连 116024)

1 概 述

干旱是指因降水不足，土壤、气候干燥的现象。严重的干旱会对社会、经济与生态造成严重的影响，是我国历史上出现最为频繁、影响最为严重的自然灾害之一[1]。随着人口的不断增长、社会经济活动的增强、全球气候变化的加剧，干旱的出现频率、持续时间与灾害强度在许多地区出现了非常明显的变化，不但使各地的水资源压力不断增加，同时也造成了水资源长期规划与管理上的难题[2-3]。因此，对各地的干旱演变特性进行研究十分必要。

干旱的演变特性可以通过旱涝指标来进行研究。目前，常用的旱涝指标包括SRI干旱指标[4]、Palmer干旱指数[5]、Z指数[6]、标准化降水指数(SPI：The Standardized Precipitation Index)等。其中，SPI主要是采用一个特定的分布概率(一般为Gamma函数)来描述某一个区域的降水量变化情况，它的重要优势是计算简单、能灵敏地识别干旱的变化情况，且可以用于不同气候区之间旱涝情况的比较。近来年，SPI指数得到了国内外水利相关工作者的广泛认可，许多学者已经基于SPI对不同国家与区域的干旱分布与演变特征进行了研究，为各地的水资源开发与利用、防旱减灾工作提供了重要的参考[7-9]。

庄河市是辽南地区的重要水源地，近几年的淡水总量呈现下降趋势，且各类用水量随着人口的增加、社会与经济的发展不断攀升，水资源压力不断加大。此外，受全球气候变化影响，近年来庄河地区的旱涝灾害等极端天气事件频发，因此，对庄河市的干旱演变特性进行研究是十分必要的。本文采用庄河市1984年1月1日至2018年12月31日的逐日降水数据计算了1个月、3个月、6个月、12个月共4个不同时间尺度下的SPI，并基于SPI对该地区近35年的年际与季节干旱演变特征进行了分析，为该地区的抗旱减灾、水资源管理、产业布局优化、人口承载力评估工作提供依据。

2 研究方法

2.1 研究区域与数据

庄河市位于辽宁省东南部，黄海北岸，地处北温带，为暖温带大陆性季风气候区。气候温和，四季分明，历年平均日照时数为2415.6h，历年平均降水量为757.4mm，其中7月和8月降水量占全年降水量的56%。庄河地区是辽南地区重要的水源地，人均用水量约为424m3，万元GDP用水量约为44m3，农田灌溉亩均用水量约为337m3。该地区年均淡水总量约为13.49亿m3，但近几年呈现下降趋势，水资源压力不断上升。受全球气候变化影响，近年来庄河地区的旱涝灾害等极端天气事件频发，逐渐成为该地区社会与经济发展的制约因素，因此有必要对该地区的干旱演变特征进行研究。

SPI计算的数据为庄河站1984年1月1日至2018年12月31日的逐日降水数据(见图1)，数据来源于中国气象科学数据共享服务网。该日值数据集是由各省上报的文件根据《全国地面气候资料(1961—1990)统计方法》及《地面气象观测规范》有关规定，进行整编统计而得的。在该数据集的整编统计过程中已经对原始数据文件经过较严格的质量控制和检查，因此数据的空间代表性与精确度满足基本的科学分析要求。数据总量为12753组，其中降水天数(降水量大于0mm)为2766天。降水量不为0的数据序列中的平均值、最大值和最小值分别为9.3mm、196.0mm和0.1mm；中间值为2.8mm;标准差、方差和变异系数分别为17.5mm、307.7mm2和1.9；峰态系数和偏态系数分别为25.3和4.1。

图1 庄河市近35年的逐日降水数据

2.2 SPI计算方法

SPI计算采用Gamma函数拟合历史降水数据，其公式为[8]

(1)

式中：x为某个时段的降水量；α与β分别为形状和尺度参数;Γ(α)为Gamma函数；g(x)为概率密度函数；e为自然指数。

分别采用不同的时间步长来对α与β进行估算，其公式分别为

(2)

(3)

其中，

(4)

式中：n为降雨数据量数据数；A为形状参数中间变量。

根据以上公式，可用累计分布函数表示降水分布，其公式为

(5)

由于Gamma函数不包含x=0的情况，但降水分布可能包含0值，因此，适用于拟合降水数据的累计分布函数可以表示为

H(x)=q+(1-q)G(x)

(6)

式中：q为值为0的概率。

最后，将累计分布函数H(x)转换为标准正态分布从而得到SPI值。可以根据SPI指数值将干旱事件划分为5个等级：无旱(SPI≥-0.5)、轻旱(-1.0≤SPI<-0.5)、中旱(-1.5≤SPI<-1.0)、重旱(-2.0≤SPI<-1.5)、特旱(SPI<-2.0)。

3 研究结果

3.1 不同时间尺度的SPI计算值

SPI可以采用不同的时间步长来进行计算，而不同的时间步长可以反映不同时间尺度上的干旱演变特征。短时间步长的结果可以自动识别短期的旱涝情况，但在计算长时间尺度的SPI时未对这个无旱时期的数据进行扣除，主要基于以下两点考虑：ⓐ受全球气候变化影响，旱情的时间分布可能发生变化，如果直接不考虑这个时段，可能偏向于不安全；ⓑ我国的许多地区均积极采用水库、塘坝、蓄水池等拦蓄水工程对水量进行调节，因此，汛期的旱涝情况对其他时段的旱涝程度也有所影响。分别采用1个月、3个月、6个月、12个月共4个不同时间步长进行计算，计算结果见图2。当时间尺度较小时(如1个月)，SPI数据序列的波动较为频繁，说明该时间尺度可以敏感地识别短期的旱涝状况。当时间尺度增大时，数据序列的变化逐渐变得平缓，说明在较大的时间尺度下，计算结果受短期降水变化的影响较小，大时间尺度下的SPI无法识别短期的洪涝变化，但可以更为清晰地显示长期的演变规律。

3.2 基于SPI的干旱年际演变特征

12个月尺度下的SPI序列可以较好地反映干旱的年际变化情况，因此，选用该尺度下的SPI分析该研究区域的干旱年际演变特征。为更为清晰地呈现其年际变化规律，将图2(d)中的数据进行平均计算，得到逐年的平均SPI，结果见图3实线。由图3可知，在2000年之前，SPI的正负值大约每两到三年即进行一次转换，且绝对值均较小，说明此前该地区的降水较为均匀，未出现强度大、时间久的旱灾或涝灾。但是，自2000年以来，SPI的绝对值明显增大，如2000年的SPI为-1.6，而2013年则高达1.8，这说明该地区的旱情与涝情正变得日益严重。此外，在2000前后，该地区SPI的正负分布也变得更不均匀，例如在1997—2004年共8年时间里均为负值，说明旱情持续时间有所增长。

图2 不同时间尺度下的SPI演变特征

图3 年均SPI值与演变趋势分析

为进一步分析更长尺度下的干旱演变特征，作线性趋势线与5年滑动平均线，见图3中的点虚线与虚线。根据5年滑动平均结果可以非常明显地看出，该地区的SPI在2000年之前分布较为均匀，且绝对值较小。而在2000年前后，滑动平均线的波峰与波谷以及正值与负值的时间区间都明显增大，再次说明该地区自2000年前后旱涝灾害的强度与持续时间均呈现增长趋势。线性趋势线随着时间的增长而逐渐下降，说明庄河地区的旱涝状况在整体上呈现出偏旱的趋势，水资源压力不断攀升。其线性趋势拟合方程的线性趋势是-0.0096，因此，从长期趋势看，庄河地区的SPI的年均下降值约为0.0096。

3.3 基于SPI指数的干旱季节演变特征

3个月尺度下的SPI序列可以较好地反映干旱的季节变化情况，因此，选用该尺度下的SPI分析研究区域的干旱季节演变特征。为更清楚地研究各个季节的干旱变化特征，将干旱按季节划分为春旱、夏旱、秋旱和冬旱，它们对应的月份分别为3—5月、6—8月、9—11月、12—次年2月。将图2(b)中的数据按照月份进行汇总，得到各个年份的季节平均SPI，结果见图4。计算春、夏、秋、冬4个季节的平均SPI，结果分别为-0.0026、-0.0011、0.0004、-0.0083，可见，除秋季外，庄河地区的各个季节均呈现偏旱状态，不过，平均SPI的绝对值均较小，说明该地区的多年平均旱情并不严重。

分别作各个季节SPI的5年滑动平均线，结果见图4中的虚线。各季节的SPI演变特征均与整体的年际演变特征保持基本的一致性，即在2000年以前SPI的时间变化曲线较为平缓，但在2000年以后，波动幅度有所增强。分别作各个季节SPI的线性趋势线，结果见图4中点虚线。可见，从长期演变规律来看，庄河地区春季与冬季的SPI呈上升趋势，而夏季与秋季的SPI呈下降趋势。为进一步量化其变化趋势，分别计算各个线性趋势线的斜率，春、夏、秋、冬各季节的倾向率分别为0.020、-0.018、-0.006和0.013，可见，在近35年中庄河地区的夏旱状况呈现恶化趋势，其年均SPI降低量为0.018，应为该地区抗旱工作的重点关注问题。

图4 各季节SPI的演变特征

干旱的季节与等级分布特征见图5。由图5可知，庄河地区在近35年中出现秋旱的频率最高，占比31%，而夏旱的频率较低，占比23%。在春旱方面，庄河市在近35年中发生轻度干旱和中度干旱的季度分别占比14%和12%，未发生季节性的重旱；在夏旱方面，发生轻度干旱和中度干旱的季度分别占比6%和14%，有3%的季度出现重度干旱；在秋旱方面，发生轻度干旱和中度干旱的季度分别占比17%和11%，有3%的季度出现重度干旱；在冬旱方面，发生轻度干旱和中度干旱的季度分别占比17%和6%，有3%的季度出现重度干旱。各季度均未出现季节性的特级干旱。

图5 干旱的季节与等级分布特征

根据以上结果可知，庄河地区的旱情整体呈现不利趋势，而每个季节的变化规律不尽相同，总体是春旱与冬旱倾向于改善，但夏旱与秋旱倾向于恶化。目前，庄河地区已经建立了比较完善的水资源调度系统，未来可以根据新的变化趋势对其进行进一步的优化，从而提高该地区的水资源管理能力，助力其社会、经济与生态的协调发展。当然，虽然SPI法目在国内外得到了广泛的认可，但任何一个旱涝指标都不可避免地有其局限性。SPI法只是从降水的单一角度来分析干旱演变情况，而实际的干旱状况同时还受作物蒸发腾发量、地表径流等因素的影响。因此，SPI主要应用于干旱的快速识别与演变趋势分析，对于更为精细的旱情分析，还需要应用考虑了全水文气象过程的、更为精细复杂的方法来进行分析。

4 结 语

本文采用庄河市近35年的逐日降水数据计算了1个月、3个月、6个月、12个月共4个不同时间尺度下的SPI，并基于SPI计算结果对该地区干旱的年际与季节演变特征进行了分析研究。根据研究结果可知，庄河地区的整体水资源压力呈现增大趋势且各季节的变化趋势不同。因此，应该继续推进灌渠、调水与蓄水等基本水利建设，从而增强该地区的水资源管理能力。同时，应该根据水资源变化趋势合理地调配产业布局、推广节水灌溉技术、优化旱情预警与灌溉排水技术，从而节省水资源并提高其有效利用率。