米红波，谭桂容，彭　洁，卿湘涛，单　丹

(1.南京信息工程大学，江苏　南京　210044; 2.湖南省湘西自治州气象局，湖南　吉首　416000；3.湖南省岳阳市气象局，湖南　岳阳　414000)



基于CI指数的湘西自治州干旱变化特征

米红波1,2，谭桂容1，彭洁3，卿湘涛2，单丹2

(1.南京信息工程大学，江苏南京210044; 2.湖南省湘西自治州气象局，湖南吉首416000；3.湖南省岳阳市气象局，湖南岳阳414000)

摘要：利用湖南省湘西自治州8个气象台站1960～2013年逐日气温和降水资料，计算逐日CI干旱指数，按照干旱过程方法统计年、季的干旱天数及强度指数，运用趋势分析、M-K检验、小波分析等方法，统计分析湘西自治州的干旱时空变化特征。结果表明：由于地理位置及地形的差异，湘西自治州年干旱强度、干旱天数、出现频率因季节不同而存在一定的差异，其中夏秋季干旱对年干旱的影响最大；干旱存在多个显著的活动周期，但不同季节也有所差异；年干旱变化有加强趋势，而春、夏季干旱也表现出加强趋势，仅冬季干旱略有减弱。M-K突变检验显示，年干旱有加强趋势，但未出现显著性突变；春、夏季干旱变化不存在突变；秋季，干旱强度经历了由明显偏弱到波动较大再转为偏强的突变过程，突变年份为1989年，而干旱天数经历了偏少到偏多的突变过程，突变年份为1970年；冬季干旱强度存在明显减弱的突变现象，突变年份为1989年。

关键词：湘西自治州；CI指数；趋势分析；小波分析；M-K检验

引言

随着全球气候的变暖，干旱在全球和区域尺度上发生的频率和强度日趋严重，造成的经济损失占国民经济比重越来越大[1-2]。国内气象工作者对气象干旱及其指标进行了大量研究，比较常见的气象干旱指标有降水距平百分率、Z 指数、标准化降水指数(SPI)、Palmer 干旱指数(PDSI)和综合气象干旱指数(CI)等，这些指数均在干旱监测业务和研究中发挥了作用[3-16]。然而，降水距平百分率、Z指数、SPI指数是仅以降水量变化描述干旱程度的单因素指数，无法全面反映干旱变化状况；Palmer干旱指数计算复杂，且在旱情等级界定上主观因素等局限性，不适于大范围推广[3]；而CI指数同时考虑降水和蒸发能力因子，较单纯利用降水量的干旱指数具有较大的优越性[4]，成为目前中国气象局干旱业务预报中采纳的干旱监测指标之一。

湘西自治州位于湖南省西北部、云贵高原东侧的武陵山区，面积约1.5万km2，属典型的喀斯特地形，褶皱断裂多，岩溶发育强烈，形成“八山一水一分田” 的特殊地形地貌，造成保水蓄水能力差。因此，干旱是湘西自治州主要气象灾害之一，据统计，1950年代以来，该自治州发生了6次特大干旱(1959、1960、1972、1981、1992和2013年)，干旱不仅造成粮食大幅度减产，亦给其它行业造成严重的影响[2]。如2013年6月中旬至8月中旬湘西州发生的特大干旱，有6项气象要素刷新历史记录极值，全州168.87万人受灾，受旱总面积达19.94万hm2，直接经济损失28.43亿元[17]。本文基于综合气象干旱指数CI，利用湘西自治州8个气象台站1960～2013年逐日气温和降水资料，分析研究其干旱发生的气候特征及变化趋势，为干旱预测及宏观决策、抗旱避灾提供科学依据。

1方法

1.1干旱指数和干旱强度

干旱指数采用《气象干旱等级》(GB/T20481-2006)推荐的综合气象干旱指数(CI)[18]，它是利用近30 d(相当月尺度)和近90 d(相当季尺度)降水量标准化指数，以及近30 d相对湿润度指数综合计算得出。其计算公式为：

(1)

式中：a为近30 d标准化降水系数，平均取0.4；b为近90 d标准化降水系数，平均取0.4；c为近30 d相对湿润度系数，平均取0.8；Z30、Z90分别为近30 d、90 d标准化降水指数SPI；M30为近30 d相对湿润度指数。

根据(1)式，利用前期平均气温、降水量数据滚动计算出每天的CI值，并按值的大小划分干旱等级，一般以CI值≤-0.6为轻旱。当CI指数连续10 d达轻旱时，则确定为发生1次干旱过程，其开始日为第1天CI指数达轻旱以上等级的日期。在干旱发生期内，当CI指数连续10 d为无旱等级时，干旱解除，干旱过程结束，结束日期为最后1天CI指数达无旱等级的日期。干旱过程开始到结束期间的时间为干旱持续时间。

干旱强度是干旱过程内CI指数为轻旱及以上的CI值之和，其值越小干旱强度越强；干旱天数为干旱过程内所有轻旱及以上的干旱天数。

利用湘西自治州8个气象台站1960～2013年逐日气温和降水资料，计算逐日CI干旱指数。

1.2统计方法

采用线性分析、Morlet小波分析和M-K突变检验等方法分析干旱的变化趋势、干旱强度及干旱天数的周期变化及其突变特征[19-23]。

季节划分标准为：3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月至次年2月为冬季；按年进行统计的时段为1～12月。对于跨季节的干旱过程，如果某一头(开始或结尾)不到10 d，则计入干旱天数较长的那个季节；如果两头(开始和结尾)超过10 d，即按所在季节实际天数分别计入所在季节。对于跨年的干旱过程的干旱强度与干旱天数的统计方法与跨季节的干旱过程类似。

2结果分析

2.1湘西干旱空间分布特征

2.1.1年干旱分布

表1是1960～2013年间湘西自治州干旱过程的统计结果。可以看出，近54 a湘西年平均干旱过程发生次数为1.7～2.1次，最多一年曾出现5次干旱过程，出现在湘西东、北边缘的泸溪、永顺、龙山3个地区；年平均干旱天数为56～73 d，最多达180 d以上，而干旱过程平均天数为34.3～39.3 d，最多达179 d，干旱天数大致上是东北部、东南部多，中西部少(图1a)；年平均干旱强度为-71.6～-94.0，每次过程平均强度为-43.4～-52.2，基本上是东部强(古丈例外)、西部弱，与干旱天数的空间分布相似(图1b)。综上所述，干旱第1极值为泸溪，其次为永顺。年干旱出现频率为85%～94%，其空间分布表现为南北多、中部少的特征(图1c)。

表1　湘西自治州年干旱过程统计

图1　1960～2013年湘西自治州年平均干旱天数(a，单位:d)、强度(b)、频率(c，单位:%)的空间分布

2.2.2季节干旱分布

图2和表2分别给出湘西自治州各季节平均干旱天数、强度和频率的空间分布及干旱极值。可以看出，春季是湘西自治州出现干旱最少的季节，平均干旱次数只有0.2～0.4次，最多一年曾出现过2次干旱过程，干旱几率为24%～39%，呈现自南北向中间递减的空间分布(图2a)；春季干旱平均天数为5.8～11.6 d，大致表现出南北两边多、中间少的分布特征(图2b)，过程平均天数为20.5～30.9 d；春季干旱强度指数平均为-14.8～-6.8，过程平均强度指数可达-40.0～-25.7，呈现出与干旱天数相似的分布特征(图2c)。春季，由于北方冷空气频繁南下，加之西太平洋副热带高压开始加强北抬[24]，湘西自治州的中部易受冷暖空气共同影响而出现降水，干旱出现频率较低。

夏季，干旱平均发生次数为0.6～0.7次，最多一年出现过3次，干旱频率为46%～63%，表现为自东南向西北递减的空间特征(图2d)；平均干旱天数多于春季，为18.4～23.7 d，而空间分布与春季截然相反，具有西北部、西南部少，中东部多的特征(图2e)，干旱过程平均天数为30.8～35.4 d；干旱强度指数强于春季，平均为-29.11～-23.15，过程平均强度指数为-44.57～-37.11，干旱强度指数的空间分布与干旱频率相似，基本上是北部弱、南部强，且自东南向西北减弱(图2f)。

秋季，是湘西自治州发生干旱最频繁、强度最强的季节。其干旱发生次数平均为0.6～0.8次，最多一年出现3次干旱过程，干旱频率为56%～69%，表现出类似夏季的分布特征，即中北部少和南部多(图2g)；平均干旱天数最多，为18.8～26.9 d，过程平均天数为29.7～36.5 d，呈现由西北向东南递增分布特征(图2h)；干旱强度指数为-34.86～-24.36，是干旱强度最强的季节，过程平均强度指数为-47.85～-38.86，其空间分布北部、西部弱，东部、南部强(图2i)。

以上分析可见，湘西自治州夏秋季节的干旱是东南部强于西北部。从天气影响系统来看，随着西太平洋副热带高压的第二次北跳[25]，华南雨季结束，进入高温干旱期。若副热带高压主体偏西，本地处于副高控制之下，大部分地区易达到干旱标准。罗伯良等[26]分析2013年夏季湖南严重高温干旱及其大气环流异常特征，指出西太平洋副热带高压强度偏强、西脊点偏西，湖南处在副高控制下，盛行下沉气流是发生持续高温干旱的直接原因。若副高主体偏东，湘西自治州的西北部位于副高西部的几率多于东南部，副高西部的午后阵雨过程造成干旱结束。

冬季，湘西自治州各地的干旱过程较春季略多，发生次数为0.4～0.6次，最多一年出现了2次，干旱频率为33%～52%，其空间分布表现为由东北向西南减少的特征(图2j)；平均干旱天数略多于春季，为10.0～14.1 d，过程平均天数为23.1～26.7 d，基本上是东北、东南部多于中、西南部(图2k)；干旱强度略强于春季，平均为-19.54～-13.47，过程平均强度指数为-37.29～-29.67，基本上是西南部弱、东北部强(图2l)。受孟加拉湾低槽影响，加之滇黔准静止锋活跃[27]，由于南北地理位置的差异，湘西自治州冬季干旱北部出现的频率明显高于南部，说明冬季其西南部受云贵静止锋的影响要强于东北部。

图2　湘西自治州春、夏、秋、冬季(从上至下)平均干旱频率(单位：%)、天数(单位：d)、强度(自左至右)空间分布

平均过程次数/次春季夏季秋季冬季最多过程次数/次春季夏季秋季冬季最多天数/d春季夏季秋季冬季龙山0.40.60.60.6222264766753花垣0.20.60.70.4132246757961保靖0.30.70.70.5122255639164永顺0.40.60.80.6222271779158古丈0.30.60.70.5223260927755吉首0.40.70.70.4222266748759泸溪0.30.70.80.5222244869177凤凰0.40.60.80.4123272727152最大0.40.70.80.6233272929177最小0.20.60.70.4122244636752

2.2干旱趋势变化特征

2.2.1年变化趋势

图3给出湘西自治州年平均干旱强度指数和干旱天数的年变化曲线。干旱强度和干旱天数具有明显的年际变化特征，气候倾向率分别为-2.251/10 a(图3a)、2.391 d/10 a(图3b)，均呈现不显著的增加趋势(均未通过α=0.05信度检验)。其中1967～1975年、1995～2001年是2个干旱逐年增强的时段，1960～1966年、1975～1996年、2008～2013年波动较大，连续干旱较重的时段为1972～1975年，近期处于干旱年际变化波动较大的时段。综合干旱天数及干旱强度的变化趋势，湘西自治州的干旱呈加强趋势，该结果与全球气候变暖的趋势一致[28-31]。

图3　1960～2013年湘西自治州年平均干旱强度(a)与天数(b)年变化

2.2.2季节干旱变化趋势

春季，近54 a间湘西自治州的干旱强度和干旱天数总体上表现出微弱的上升趋势，气候倾向率分别为-1.0 /10 a和0.86 d/10 a，趋势系数分别为-0.099和0.119，均未通过α=0.05显著性检验；春季干旱出现几率较低且波动较大，波动较大的时段有1963～1966年、1978～2000年、2008～2013年，近期处于年际波动较大的时段(图4a和图4b)。

夏季，近54 a间干旱强度与干旱天数整体增加幅度较春季明显，年变化系数分别为-2.2/10 a和2.0 d/10 a，趋势系数分别为-0.138 、0.164，均未通过α=0.05显著性检验(图4c和图4d)。可见，夏季干旱强度与干旱天数都有加强趋势。

秋季，近54 a间干旱强度变化趋势不明显，基本维持平均状态，气候倾向率为-0.032/10 a；干旱天数呈微弱增加趋势，气候倾向率为0.925 d/10 a(未通过α=0.1显著性检验)。干旱强度与天数年际波动较大，干旱较强时段为1990～2006年，近期处于干旱偏弱时段(图4e、图4f)。

冬季，近54 a间干旱强度和干旱天数的变化趋势与年、其他季节变化趋势相反，呈微弱减弱趋势，气候倾向率分别为1.6/10 a、-0.6 d/10 a，趋势系数分别为0.126、-0.069，均未通过α=0.05的显著性检验。干旱较强的时段有1968～1975年、2004～2009年，近期处于干旱较弱时段(图4g、图4h)。

综上所述，湘西自治州各季节的干旱变化趋势不尽相同，春季与夏季呈加强趋势，与干旱的年变化趋势相同，秋季干旱变化趋势不明显，而冬季干旱的变化趋势与年变化相反，呈减弱之势。可见，湘西自治州的季节干旱变化趋势有同全国干旱趋势变化一致的特点[32-34]，也有自己独有的变化特征，其原因值得深入研究。

图4　1960～2013年湘西自治州四季(从上至下依次为春、夏、秋、冬季)

2.3周期分析

2.3.1年周期特征

图5给出湘西自治州年干旱强度指数及干旱天数的Morlet小波功率谱。可以看出，年干旱强度指数(图5a)与干旱天数(图5b)的Morlet小波功率谱极其相似，1960年代中后期至1970年代，存在显著的准7 a变化周期，1980～1990年代初期的变化周期则以3～4 a更为显著，而2010年以后，开始呈现较为明显的2 a左右的变化周期。总的来说，过去的54 a中，湘西自治州干旱变化呈现出逐渐加强的趋势，周期由年代际变化逐渐向年际变化转变。

图5　1960～2013年湘西自治州年干旱强度指数(a)与干旱天数(b)Morlet小波功率谱

2.3.2季节周期特征

图6是湘西自治州各季节干旱强度指数及天数的Morlet小波功率谱。可以看出，春季，干旱强度指数(图6a)及干旱天数(图6b)变化周期略有不同，1980年代中期至2000年代，均存在较明显的准10 a变化周期，1980年代中后期及最近10 a均存在较明显的准3 a、准2 a变化周期；干旱强度指数在1980年代中期左右还存在较明显的4 a变化周期，而干旱天数在1990年代中后期还存在较明显的3～4 a活动周期。夏季，干旱强度指数(图6c)及干旱天数(图6d)的变化周期差异较大，2000年代和2010年以后二者分别存在准4 a、准2 a的活动周期，其他时段干旱天数通过显著性检验的年份略多些。秋季，干旱强度指数(图6e)及干旱天数(图6f)的变化周期相似，其中1973～1995年存有明显的准6 a周期，1976～1982年、1990～1995年存有2～3 a的活动周期，另外，干旱天数还在2010年左右存在2 a的变化周期。冬季，干旱强度指数(图6g)及干旱天数(图6h)主要存在3个较明显的变化周期，分别是准8 a、准5 a、准3 a。其中，准8 a的活动周期通过显著性检验的时段为1965～1977年、2000～2013年，但二者通过显著性检验的时段略有差别；准6 a活动周期通过显著性检验的时段为1975～1994年；准3 a 活动周期通过显著性检验的时段为1996～2012年。

2.4突变分析

应用M-K方法对湘西自治州年、季干旱强度及干旱天数的时间序列进行突变检测，其中UF为时间序列顺序统计曲线，UB为时间序列逆序统计曲线，设定显著性水平α=0.05(其临界线Uα=±1.96)。如果UF趋势变化通过Uα置信度检验，可知其趋势变化特征通过了显著性检验，同时UF和UB曲线的交叉点位于临界线之间可确定该点为突变开始点。

2.4.1年干旱突变特征

年干旱强度与干旱天数的M-K检验表明(图略)，在1972年以前干旱天数的UF值为负，从1972年开始转为正值，UF曲线均未超出±1.96临界线，说明1972年以前干旱偏弱，从1972年开始干旱偏强，但未出现显著突变；干旱强度在1972年前UF为正值(偏弱)，从1972年开始UF为负值(偏强)，未出现明显的偏强趋势。可见，湘西自治州年干旱强度和干旱天数均未发生显著突变。

图6　1960～2013年湘西自治州春季(a，b)、夏季(c，d)、秋季(e，f)和冬季(g，h)

2.4.2季节干旱突变特征

图7给出1960～2013年湘西自治州各季节的干旱强度与干旱天数时间序列的M-K检验结果。可以看出，春季，干旱强度(图7a)与干旱天数(图7b)时间序列的UF和UB曲线均有超出临界线，但2条曲线均未相交，故而均无突变现象。夏季，干旱强度(图7c)时间序列的UF和UB曲线仅在2013年出现了交点，故在分析时段内未发生突变；而干旱天数(图7d)时间序列的UF和UB曲线有若干个交点，但UF或UB曲线处于波动状态，无明显变化趋势，故而也未发生突变。秋季，干旱强度(图7e)1976年以前经历了由明显偏强(1967年，UF线超过1.96临界线)到偏弱的过程，随后围绕0线波动；干旱天数(图7f)经历了由偏少到偏多的过程，突变年份为1970年。冬季，干旱强度(图7g)在1969年前波动较大，1970年开始逐步加强到明显偏强(1973～1975年，UF线低于-1.96)，从1975年开始逐步减弱，突变时间出现在1984年；干旱天数(图7h)的M-K检验结果与干旱强度类似，以1973～1975年干旱最强(UF线超过1.96)，此后逐步减弱，UF与UB曲线仅在2013年出现交点，故在分析时期内未发生突变。

图7　1960～2013年湘西自治州各季节的干旱强度与干旱天数时间序列的M-K突变检验

3结论与讨论

(1)湘西自治州干旱存在较明显的地域差别。年干旱天数与干旱强度指数呈东强西弱的分布特征，但各季节的干旱空间分布与年分布并不一致，其中夏、秋季都为东南强、西北弱；冬季为东北强、西南弱；春季为南、北强，中部弱。从干旱过程年出现频率来看，其空间分布与年干旱强度、干旱天数并不一致，年过程出现频率为南、北部高，中部低的特征。各季节干旱出现频率差异较大，但与干旱强度与天数的空间分布基本一致。湘西自治州干旱的空间分布特征可能与影响本地夏季(西太平洋副热带高压)及冬季(滇黔准静止锋)的主要天气系统有关。

(2)湘西自治州干旱年变化特征呈现略有增强的趋势，不同季节干旱变化趋势有一定差别，其中春、夏季变化趋势与年变化趋势同步，以夏季增强最为明显，秋季干旱变化趋势不明显，而冬季干旱略有减弱趋势。

(3)湘西自治州的年干旱变化主要存在3个变化周期，分别是6～8 a、3～4 a、2 a，干旱周期有从年代向年际转换的趋势。不同季节的干旱变化显著周期有一定差别，其中春季存在较明显的准10 a、准3 a变化周期，夏季主要为准4 a变化周期，同时春、夏季在近10 a还存在较明显的准2 a变化周期；秋季干旱变化的显著周期为准7 a、3 a、2 a，但近年的干旱周期不明显；冬季存在显著的准8 a、5 a、2 a变化周期，近年处于准8 a变化周期中。张剑明等[14]分析湖南气象干旱天数的时空变化特征，发现湘西自治州南部的干旱天数存在2～3 a、4 a和6 a的准周期，而其北部有3～5 a 、准9 a的变化周期，其中南部的变化周期与本文的结果一致，而北部的准9 a变化周期与本文春季准10 a、冬季准5 a变化周期类似。吴贤云等[35]研究1960～2001年长江中游地区旱涝特点，发现长江中游地区(包括湘西州)干旱具有准2 a、4 a、5 a周期变化，这一结论与本文的一致；同时认为从1980年代开始2 a周期变化不再明显，但在2010年前后2 a周期又开始明显，说明2 a周期是湘西自治州干旱的一个重要特征。

本文对湘西自治州干旱过程仅进行了年、季的差异分析，而未进行跨季节的干旱分析，这在实际服务过程及日常预报中也是很重要的。另外，对年、季节干旱变化趋势及变化周期的产生原因还需进一步研究。

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Analysis on Drought Characteristics in Xiangxi Autonomous Prefecture of Hu’nan Based on the CI Index

MI Hongbo1,2，TAN Guirong1，PENG Jie3，QING Xiangtao2，SHAN Dan2

(1.NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2.XiangxiAutonomousPrefectureMeteorologicalStationofHu’nanProvince,Jishou416000,China;3.YueyangMeteorologicalBureauofHu’nanProvince,Yueyang414000,China)

Abstract:Based on the daily precipitation and temperature data at 8 weather stations in Xiangxi autonomous prefecture of Hu’nan during 1960-2013, the composite index (CI) of meteorological drought was calculated, firstly. And the drought days and intensity index of annual and seasonal drought were statistically done according to drought process method. The spatial and temporal distribution characteristics of drought intensity and drought days in Xiangxi autonomous prefecture were analyzed by using the trend analysis, Mann-Kendall test and wavelet analysis. The results are as follows: (1) Due to the differences in geographical location and terrain of Xiangxi of autonomous prefecture Hu’nan, there were some differences in drought intensity, drought days and frequency in different seasons, and the drought in summer and autumn had great impacts on the annual drought. (2) The drought in Xiangxi autonomous prefecture during 1960-2013 existed several significant activity period, but there had been some fluidity in different seasons. (3) The drought strengthened in Xiangxi autonomous prefecture in spring and summer during 1960-2013, while that slightly weakened in winter. (4) Although the anuual drought in Xiangxi autonomous prefecture increased in the past 54 years, the mutation wasn’t happened. And the drought in spring and summer was no mutation too, however that in autumn mutated in 1989 for drought intensity and in 1970 for drought days, and mutated with weakening trend in 1989 in winter.

Key words:Xiangxi autonomous prefecture; composite index (CI); trend analysis; wavelet analysis; Mann-Kendall test

中图分类号：P426.616

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-02-0223-11

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0223

作者简介：米红波 (1970- )，男，高级工程师，研究方向为短期气候预测与气象服务. E-mail：mhb8225266@163.com通信作者：谭桂容 (1970- )，女，博士，研究员，研究方向为短期气候异常及其预测. E-mail：tanguirong@nuist.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金重点项目(41475088)和社会公益性行业(气象)专项(GYHY20120616)共同资助

收稿日期：2015-08-24；改回日期：2015-09-26

米红波，谭桂容，彭洁，等.基于CI指数的湘西自治州干旱变化特征[J].干旱气象，2016，34(2)：223-233, [MI Hongbo, TAN Guirong, PENG Jie, et al. Analysis on Drought Characteristics in Xiangxi Autonomous Prefecture of Hu’nan Based on the CI Index[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):223-233], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0223