渝东北地区1979-2015年干旱时空分布特征

牛文娟

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司，重庆 400020)

0 引 言

干旱现象常常伴随着区域水分的减少而出现，长期的干旱易造成旱灾[1]。西南地区近60年由于干旱现象的逐年加剧，造成旱灾发生频率逐年提高，平均损失率明显高于全国平均水平[2]。渝东北地区位于三峡库区内，河流众多，河川径流资源极为丰富，是我国的重点生态功能区和农产品主产区。但极端季节性干旱的发生对当地发展产生巨大的影响，因此研究渝东北地区干旱的时空分布特征，对当地防旱政策制定和水资源保护具有重要意义。

随着研究的发展，常以干旱指数表征干旱现象的基本特征。HUANG[3]等基于NMSDI计算得到全国干旱总体特征。张[4]等分析了惠州市的干旱特征，并得出相关防旱建议。王[5]等基于多种气象干旱指数构建了自贡地区干旱气象指标优化模型。龙[6]等利用水文干旱指数计算阿克苏流域干旱指数，并分析了干旱分布规律；陈[7]等利用Copula函数对辽宁省农业气象干旱特征进行了分析；金[8]等利用UNEP指数计算了西藏地区干旱指数。其中，标准化降水指数(SPI)可综合考虑降水与干旱的关系，在干旱表征研究中的应用较广泛。

标准化降水指数(Standardized Precipitation Index，简称SPI)能够较好地反映干旱强度、持续时间以及干旱事件的时空效应。SPI于1993年被McKee[9]等提出，因只需要降水数据，并且可以计算不同时间尺度的干旱过程，被广泛应用于干旱表征中。在国外，SPI被用于计算全球范围的干旱变化过程(Mueller和Seneviratne[10])，广泛用于美国(Guttman[11]、Hayes[12]等)、加拿大(Quiring和Papakryiakou[13])、印度(Bhuiyan[14]等)、欧洲(Lloyd-Hughes和Saunders[15])、西非(Ntale和Gan[16])等地区的干旱研究。在国内，SPI被用于计算全国范围的干旱变化过程(Xu[17]等)。在我国的南方地区(黄晚华[18]等)、东北地区(邹文秀[19]等)、华北地区(He[20]等)、新疆(Zhang[21]等)等地区也有广泛应用。

XU[22]等利用SPI计算我国西南地区的干旱变化情况，认为SPI适用于渝东北区干旱状况的计算。可见，SPI适用于不同的地区，方法也相对成熟，可以用于渝东北区干旱的时空分析计算。

Yevjevich[23]等采用阈值截断方法，从一维干旱指标序列中提取干旱历时、烈度、强度等特征变量。Lloyd-Hughes[24]等把干旱看作一个由经度、纬度、时间组成三维结构体，从三维的角度对1901-2006年间欧洲的干旱事件进行识别，提取出干旱历时、烈度、干旱中心等特征变量。为了综合分析渝东北区干旱的时空发展规律，本文将在计算干旱指标的基础上，对渝东北区进行三维干旱事件识别，并计算干旱历时、影响面积、烈度、强度和干旱中心这5个特征变量。

1 研究区概况及数据来源

渝东北地区分布于长江干流沿岸，涉及11个区县，幅员面积33 904 km2，占重庆市幅员面积的41.1%。渝东北片区靠近大巴山暴雨区，夏秋季受暖湿气流影响，暴雨极端气候频发，年内降水时空分布不均，季节性干旱严重。

降水数据为空间分辨率为0.1°的地面降水网格数据(http://westdc.westgis.ac.cn)，时间分辨率为3 h，数据质量控制良好，可满足本研究所需数据的基本要求。

2 研究方法

本文涉及的计算方法主要有干旱指数的计算、三维干旱事件的识别以及干旱事件中5个特征变量的计算。

2.1 SPI计算

SPI是表征某时段降水量出现概率多少的指标之一，采用Gamma分布概率来描述降雨量的变化。SPI>-0.5时，无旱；-1≤SPI<-0.5时，轻旱；-1.5≤SPI<-1时，中旱；-2≤SPI<-1.5时，重旱；SPI≤-2时，特旱。

2.2 三维干旱事件的识别

通过对研究区SPI的计算，得到研究区每个网格每个月的SPI。为了研究横断山研究区干旱时间空间发展规律，需要对干旱事件进行识别。

干旱事件的识别最早是在2005年由Andreadis[25]等提出的，然后在2012年由Lloyd-Hughes[24]改进，目的是将干旱定义成一个连续的时空过程。干旱事件的识别步骤如下：

第一步：定义干旱单元。干旱指数阈值取-1，即SPI<-1时定义为干旱状态。本文选取每个月SPI小于-1的网格看做一个干旱单元。每一个干旱单元可以表示为一个包含经度、纬度、时间和干旱指数的数组。本文利用1979-2015年的月累计降雨数据，空间分辨率为0.1度。所以最后求出的干旱指数是一个30×27×444×1的四维数组。

第二步：定义一个面积阈值。在对干旱单元聚类分析得到干旱事件的过程中，需要对面积阈值进行定义。Sheffield[26]等发现过小的面积阈值会导致定义的干旱事件连通性不够、干旱持续时间过长；过大的面积阈值会使原本是大尺度的干旱事件分裂成很多小的事件。WANG[27]等和XU[22]等推荐研究区总面积的1.6%作为一个面积阈值，对于渝东北研究区，面积阈值取538 km2。

第三步：定义干旱事件。当相邻两个月的干旱单元的重叠面积大于面积阈值，则这两个月的干旱事件是同一个干旱事件。对于渝东北区，本文根据已经得到的干旱指标值，用arcgis10.2在空间上进行重分类，并把任意相邻两个月的干旱面积进行裁剪，当两个干旱单元的重叠面积大于面积阈值时，定义为同一个干旱事件。当一个干旱单元与上一个干旱单元的重叠面积小于面积阈值，而与下一个干旱单元的重叠面积大于面积阈值时，记为此次干旱事件的开始；当一个干旱单元与上一个干旱单元的重叠面积大于面积阈值，而与下一个干旱单元的重叠面积小于面积阈值时，记为此次干旱事件的结束。

2.3 干旱事件的4个特征变量计算

干旱事件的特征由4个指标来表示，定义如下：

1) 干旱历时(D)。干旱历时是指干旱从开始到结束所经历的时间长度，即干旱事件的持续时间，单位为月。对于渝东北区，根据2.2节得到的干旱事件，同一个干旱事件的干旱历时即为干旱从开始到结束的时间差。

2) 干旱影响面积(A)。干旱影响面积是指干旱扫过的面积，即同一个干旱事件，从开始到结束整个过程中所有的干旱单元的最大投影面积，单位为km2。

3) 干旱烈度(S)。干旱烈度是一个综合表示干旱指数、持续时间和影响范围的指标，可以很直观地表示干旱的严重程度。

4) 干旱强度(I)。干旱强度代表干旱事件过程的剧烈程度，等于干旱烈度与干旱历时和干旱面积之间的比值。

3 结果与讨论

本文选用标准降水指数(SPI)，对渝东北区的干旱进行研究。本文利用上文提到的0.1°×0.1°降水网格数据，计算得到1979年1月至2015年12月的SPI的三维矩阵。根据2.2节中的干旱识别方法，对1979-2015年进行干旱识别，得到1979-2015年每个月的干旱面积(图1-图3)。

图1 1979-1989年每月的干旱面积百分率Fig.1 Percentage of drought area per month during 1979-1989

图2 1990-2000年每月的干旱面积百分率Fig.2 Percentage of drought area per monthduring 1990-2000

图3 2001-2015年每月的干旱面积百分率Fig.3 Percentage of drought area per monthduring 2001-2015

从整体上来看，渝东北区的干旱情况在上世纪80年代较轻，90年代最重，到21世纪有频率增加的趋势。根据干旱指标阈值(SPI<-1)以及最小干旱面积阈值(538 km2)，得到受旱区域的平均面积为63.16%，受旱面积大于60%的有19个月，主要集中在20世纪90年代，其中1988年4月、1990年9-10月、1997年10月干旱面积达到整个研究区面积的100%；特旱面积大于10%的有21个月，主要集中在90年代和2000年之后，其中1997年10月特旱面积最大，达到整个研究区面积的79.81%，其次是2006年8月，特旱面积达到整个研究区面积的75.08%。从干旱发展的过程来看，90年代重旱特旱持续时间虽短但来势凶，程度重，干旱级别高；2000年以后重旱特旱虽然比例不大，但连续发生干旱的时间较长。

单独看每个月的干旱情况并不能准确评价一次干旱过程的严重程度，还需要进一步的分类提取。本文对1979年1月至2015年12个月每个月的干旱指数进行了聚类分析，得到1979-2015年期间，持续3个月及以上的干旱共有24场，其中80年代共发生4场，90年代共发生5场，2000年以后发生15场。图4是用烈度表示的渝东北区干旱的时间分布规律，烈度是表示干旱严重程度的综合指标。从图4中可以看出，80年代干旱事件发生较少，烈度较低，多为小于3个月的偶然性干旱，很快得到缓解；90年代干旱多次发生，烈度值普遍较高，每次干旱持续时间相对较短；2000年以后，干旱事件频繁，2000-2006年极端干旱事件频繁，2008年以后干旱强度有所缓解，但发生频率有所增加。

图4 1979-2015年干旱事件烈度分布图Fig.4 Temporal variation of drought severity during 1979-2015

表1为渝东北地区1979-2015年的干旱事件。其中，持续时间最长、影响范围最大、烈度最强的干旱事件发生在1997年5月，到1997年11月干旱才得到缓解，干旱历时达到7个月，影响范围达到整个研究区的100%。强度最大的干旱发生在2008年的5月，到2008年8月干旱缓解。

表1 1979-2015年渝东北地区干旱事件Tab.1 Drought events in Northeast Chongqing during 1979-2015

续表1

此外，发生于2001年4月的干旱事件，到2001年11月才缓解，干旱历时8个月，研究区99.05%的面积受到影响；发生于2006年 5月的干旱事件，到2006年10月缓解，干旱历时6个月，影响范围达到研究区的100%。2008-2015年期间干旱发生的越来越频繁，几乎每年都有连续超过3个月时间的干旱面积超过研究区面积的40%，干旱发生的频率增大。

经过归纳统计发现，干旱主要发生在3-12月份，其中春旱发生的频率为18.4%，夏旱发生的频率为36.8%，秋旱和冬旱发生的频率分别为26.3%和18.4%。渝东北地区夏旱秋旱频发，且重大干旱事件1997年5-11月也主要是由于夏秋连旱，持续时间、发生强度大。

4 结 论

本文利用SPI计算1979-2015年间渝东北区干旱指数提取干旱事件发现，渝东北区的干旱状况在上世纪80年代较轻，90年代最重，到21世纪有频率增加的趋势。从每个月的干旱面积来看，1997年10月最为严重，特旱面积最大，其次是在2006年8月；从干旱的连续性来看，1997年5-11月的干旱事件最为严重，持续时间长，影响范围最广。经过归纳统计，渝东北地区夏旱秋旱频发，夏秋连旱影响最大，为以后渝东北区的抗旱工作提供了依据。