刘璨然,陈 浩,2*,宁 忱,丁永建

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院,陕西 宝鸡 721013;2.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室,陕西 宝鸡 721013;3.中国科学院 西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730000)

世界气象组织的统计数据显示,气象灾害中有50%以上为干旱灾害[1]。陕西省降水量的年际变化大,空间分布不均匀,干旱灾害频发。在全球气候变化的背景下,近年来陕西省降水量的年际波动和空间差异性还在逐渐增强[2]。因此,研究陕西地区气象干旱的时空变化特征,对评估干旱灾害的发展趋势,科学开展抗旱救灾工作具有重要意义。

已有许多研究通过各种干旱指标对陕西地区气象干旱的状况进行了评估,常用的干旱指标有:帕尔默干旱指数(PDSI)、降水距平指数、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)、地表湿润指数和Z指数等[3]。相关研究表明： PDSI对西北地区的干旱变化不敏感；地表湿润指数受夏季降水和气温的影响比较大[4]；降水距平指数对干旱的响应慢,在西北地区的应用具有局限性[5]； SPI计算简单,参数量较少,具有良好的计算稳定性,优于Z指数等指标[6-7]；在西北地区12个月尺度以下干旱与SPEI波动变化一致[8], SPEI是气象部门广泛采用的指标,常被用于气象干旱的预测和评估[9-10]。已有大量研究采用SPI分析了重庆、甘肃和陕西等西部省份在过去几十年内的干旱状况[11-13]。

目前对陕西省气象干旱的空间分析主要集中在单个干旱指标的空间分布和空间倾向率上,例如：周丹等[14]采用SPEI分析了1961～2010年陕西省的干旱范围和干旱强度,结果表明陕西省频发全局性干旱和区域性干旱；刘宇峰等[15]采用地表湿润指数分析了陕西省1959～2014年的地表干湿特征,指出多年平均地表湿润指数具有南高北低、西南高东北低的空间分布特点；蔡新玲等[16]分析了陕西区域性气象干旱事件及其变化特征,指出关中地区是陕西干旱事件发生的高频、高强中心区域。但目前还没有学者对陕西省干旱频率、干旱强度和干旱范围等干旱指标的相互关系进行综合分析。陕西省气象干旱发生的空间差异大,需要评估各地区发生干旱的频率和强度；另外,近年来陕西省的年降水量出现增长趋势[17]，需要进一步评估陕西省气象干旱的时空变化特征。

本文以SPI为干旱指标,整理了1961～2016年56年间陕西省35个标准气象站的逐日降水数据,从年、季两个尺度对陕西省1961～2016年气象干旱的变化特征进行了分析，并评估了陕西省各地区基于干旱范围等级的干旱频率和干旱强度的空间分布特征,以期为陕西省的防旱抗灾工作提供科学依据。

1　研究区概况

陕西省位于东经105°29′～111°15′,北纬31°42′～39°35′之间。年平均降水量576.9 mm,夏季降水量约占全年的50%～70%,冬季降水稀少。各地区降水的多少,主要取决于冬、夏季风来去的时间及强弱。可根据地理环境特征将陕西省划分为4个区域:陕北风沙区、陕北黄土高原区、关中区和陕南区(图1)。陕北风沙区年降水量在300～450 mm,降水量东部多于西部;陕北黄土高原区年降水量在450～700 mm,大致由西南部向东北部递减;关中区多年平均降水量为500～900 mm,降水量一般是山地多于平原,西部多于东部;陕南区年平均降水量在600～900 mm,部分地区可达1400 mm以上[18]。

2　数据与方法

2.1　数据资料及处理方法

整理1961～2016年陕西省35个地面标准站的逐日降水量实测数据(数据来源于中国气象数据网, http://data.cma.cn/)。其中,5个站点位于陕北风沙区,5个站点位于陕北黄土高原区,11个站点位于关中地区,14个站点位于陕南地区。这些站点均匀分布于陕西省各地区,研究区范围及气象站点分布如图1所示。将各气象站点每年降水量之和除以站点总数得到当年陕西省的年均降水量。

图1　陕西省地形和气象站点分布

2.2　研究方法

2.2.1SPI和干旱强度等级SPI通过量化不同时间尺度下降水的盈亏变化情况来衡量某地区的降水异常程度[19-20]。SPI假设某时段内降水量的概率密度服从某种分布函数,如gamma分布、Pearson III分布和正态分布等；经过正态标准化处理,计算得出降水累积频率；对其进行近似求解得到SPI值,基于SPI值可以划分旱涝等级[21]。本文采用气象部门常用的gamma分布,计算SPI的公式[22-23]如下:

(1)

式(1)中:c0=2.515517;c1=0.802853;c2=0.010328;d1=1.432788;d2=0.189269;d3=0.001308。

(2)

式(2)中F(x)是与gamma分布函数相关的概率密度函数,其表达式如下：

(3)

式(3)中：x为降水量样本；α为gamma分布函数的形状参数；β为尺度参数；当F>0.5时,F=1.0-F,S=1；当F≤0.5时,S=-1。

本文计算了3个月(SPI3)和12个月(SPI12)尺度的SPI值,分别表示季度和年际的干旱变化情况。根据SPI值确定的干旱强度等级[21]如表1所示。

表1　基于SPI的干旱程度等级

2.2.2干旱频率干旱频率是指干旱发生的频繁程度。统计各站点历年来干旱等级属于轻微干旱及轻旱以上(即SPI<-0.5)的干旱事件,利用公式(4)计算干旱发生频率P[21]。

Pj=n/N×100%

(4)

式(4)中:n为某等级干旱事件发生的次数;N为资料时间序列数;j为第j个站点。

2.2.3干旱站次比干旱站次比是指有干旱事件发生的站点数占总站点数的百分比。统计各年所有站点干旱等级属于轻微干旱及以上(即SPI<-0.5)的干旱事件,利用公式(5)计算每年不同干旱等级的站次比，以此来衡量区域内发生干旱的范围大小,并确定相应的干旱范围等级[21](表2)。

Pi=m/M×100%

(5)

式(5)中：m为研究区内有干旱事件发生的站点数;M为研究区内的总站数;i表示第i年份。

3　结果与分析

3.1　基于SPI的气象干旱的时间分布特征

图2A显示,在1961～2016年间,陕西地区SPI12值的年际波动较大,总体呈下降趋势。多项式拟合曲线显示：在1959～2000年间,SPI12值处于下降区间,其中在1997年出现极端干旱,SPI12值达-4.32；而从2000年至今,SPI12值呈上升趋势,尤其在2006年之后上升趋势明显。

表2　基于干旱站次比的干旱范围等级

图2B、C、D、E分别显示了春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12～2月)的SPI3变化情况。从趋势线可以看出春季、秋季的SPI3值呈显著下降趋势,而夏、冬两季的SPI3值总体趋势不明显,说明陕西地区的春旱、秋旱情况总体趋向加重。从多项式拟合曲线可看出春、秋两季的SPI3的变化趋势有明显的变化区间,1959～2000年呈下降趋势,2000年以后呈上升趋势。

根据公式(5)计算出1961～2016年间陕西省各年的干旱站次比,并绘制出年际干旱站次比折线图(图3)。如图3显示,陕西省56年间干旱站次比在0～91.4%之间浮动,平均值为28.9%。趋势线显示,干旱站次比历年来呈缓慢上升趋势,与SPI12的变化趋势相同,说明56年来,陕西地区的干旱范围在扩大,干旱状况在加剧。从多项式拟合曲线可以看出,干旱范围在1993～1999年形成较高峰值,2000年左右开始逐渐下降,2005年以后干旱站次比均未超过50%,说明近年来干旱范围有一定程度的缩小。

提取56年间不同干旱范围的发生情况，如表3所示,全年基本无旱的情况有16年,占总年份的29.6%；全局干旱有4年,其中1997年的干旱站次比达91.4%,为历年最大；局部性干旱和部分区域性干旱为陕西地区气象干旱的主要形式,两者年份之和为27年,占总年份的50%。

表3　基于干旱范围等级的陕西省各时间尺度干旱事件的年份数

根据公式(5)计算出年度及各季节的干旱站次比,与相应的SPI值做皮尔逊相关分析。结果(表4)表明：陕西省年度和各季的SPI值与干旱站次比均呈高度负相关,干旱强度越高,则干旱范围越大。

3.2　基于干旱范围等级的气象干旱的空间分布特征

陕西省发生干旱事件的空间分异性较大,因此基于各个干旱范围等级,对全省不同地区气象干旱的发生频率和平均干旱强度进行了分析。首先根据表3统计出的陕西省发生局部干旱、部分区域性干旱、区域性干旱和全局干旱的次数,再统计各个站点在以上4个干旱范围等级内发生气象干旱的频率,利用克里金插值法绘制干旱频率的空间分布图。根据表1,计算各个站点在各个干旱范围等级内的多年平均SPI值,作为该站点在该干旱范围等级内的干旱强度。

图2　1961～2016年陕西省SPI12和SPI3的年际变化表4　SPI和干旱站次比的皮尔逊相关分析结果

项目年际春季夏季秋季冬季Pearson相关性-0.894**-0.918**-0.906**-0.912**-0.907**显著性(双侧)0.000.000.000.000.00

注：“**”表示在0.01水平上相关显著(双侧)。

图3　1961～2016年陕西省年际干旱站次比的变化

如图4A所示,当陕西省发生局部干旱(4

如图4B、图4C显示,当陕西省发生部分区域性干旱和区域性干旱(11

如图4D显示,当陕西省发生全局性干旱(26

图4　不同干旱范围等级的干旱频率、干旱强度的空间分布

从上述结果可以看出，陕北风沙区和关中地区的干旱特征相反，即在全省发生局部干旱时, 关中地区的干旱频率和强度为省内最低，而陕北风沙区的为省内最高；当全省发生全局干旱时,关中地区的干旱频率和强度为省内最高，而陕北风沙区的为省内最低。但陕北风沙区和关中地区干旱特征的变化趋势不同,当全省年际干旱强度加大、干旱范围从局部干旱扩张为全局干旱时,关中地区呈现明显的干旱强度上升、干旱频率加大的趋势，而陕北风沙区则呈现干旱强度和干旱频率先升后降的趋势,在发生区域干旱时,陕北风沙区的干旱频率和干旱强度最高,当发生全局干旱时,却出现了干旱频率和干旱强度下降的趋势。

4　讨论和结论

4.1　干旱事件的时间分布特征

陕西省在1961～2016年期间,整体上呈干旱化的趋势,干旱范围逐渐扩大,其中春、秋季的干旱化趋势明显。但自2000年以来,干旱化状况好转,干旱范围呈缩小趋势。

陕西地区干旱事件的年际和季节性波动较大,多项式曲线拟合显示,1990～2000年为较为严重的干旱期,2000年之后虽然呈现湿润化趋势,但是季节性干旱仍时有发生,短期的湿润化趋势难以改变陕西地区旱灾频繁的格局,全省抗旱工作依然繁重。

4.2　干旱事件的空间分布特征

许多学者采用经验正交函数分析(EOF)法研究了陕西省的降水空间分布类型,如杜佳等[24]指出陕西全省降水主要呈4种雨型,依次为“整体一致”、“中部相反”、“南北一致”、“东西相反”型；影响陕西地区的气候系统主要包括东南季风、西南季风和西风环流等,这些气候系统的环流因子的周期性年内和年际变化是产生这些雨型的主要因素,也是陕西地区干旱事件频发的重要原因。

表3和图4显示,在区域性干旱的年份均有夏季干旱发生。关中和陕南属典型季风性气候区,受季风环流年际变化的影响,常同时发生夏季的伏旱。当关中、陕南出现伏旱时,雨带北移,陕北风沙区降水量增多[13],这可能是区域性干旱呈现干旱频率北低南高的原因。

本研究显示,陕西地区干旱事件的空间分布特征与该地区的主要雨型具有一定的相似性,局部干旱时的干旱频率呈中部低、南北高的特征，全局干旱时干旱频率呈现中部高、南北低的特征,属于“中部相反”型;区域性干旱时干旱频率呈北低南高,属于“南北相反”型;部分区域干旱时干旱频率在空间上大致相同,属“整体一致”型;区域干旱和全局干旱时,汉中地区和安康地区的干旱频率和干旱强度均相反,属于“东西相反”型。有关环流因子与干旱事件空间分布特征的相关关系有待进一步分析。

4.3　干旱事件的区域分布特征

关中地区是陕西省的工农业中心,易受干旱灾害的影响；而陕北地区位于季风区的边缘,具有亚洲内陆干旱区的气候特点,生态环境脆弱,易发严重旱灾；这两个地区是陕西省防灾减灾的重点区域。本研究表明,关中地区在陕西地区发生局部干旱时,干旱频率和强度均为省内最小,但是在发生区域和全局干旱时,其干旱频率和强度均为省内最高。而陕北风沙区的干旱特征与关中地区正好相反。因此有关部门应有针对性地开展抗旱工作的部署。

参考文献:

[1] 张强,姚玉璧,李耀辉,等.中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望[J].地球科学进展,2015,30(2):196-213.

[2] 蔡新玲,贺皓,王繁强,等.陕西省近47a来降水变化分析[J].中国沙漠,2010,30(2):445-451.

[3] 李柏贞,周广胜.干旱指标研究进展[J].生态学报,2014,34(5):1043-1052.

[4] 卫捷,马柱国. Palmer干旱指数、地表湿润指数与降水距平的比较[J].地理学报,2003,58(9):117-124.

[5] 韩海涛,胡文超,陈学君,等.三种气象干旱指标的应用比较研究[J].干旱地区农业研究,2009,27(1):237-241.

[6] 袁文平,周广胜.标准化降水指标与Z指数在我国应用的对比分析[J].植物生态学报,2004,28(4):523-529.

[7] Guttman N B. Comparing the Palmer drought index and the standardized precipitation index [J]. Journal of the American Water Resources Association, 1998, 34(1): 113-121.

[8] 王芝兰,李耀辉,王素萍,等.1901～2012年中国西北地区东部多时间尺度干旱特征[J].中国沙漠,2015,35(6):1666-1673.

[9] Belayneh A, Adamowski J, Khalil B, et al. Long-term SPI drought forecasting in the Awash River Basin in Ethiopia using wavelet neural network and wavelet support vector regression models [J]. Journal of Hydrology, 2014, 508(2): 418-429.

[10] Moreira E E, Mexia J T, Pereira L S. Are droughts occurrence and severity aggravating? A study on SPI drought class transitions using loglinear models and ANOVA-like inference [J]. Hydrology & Earth System Sciences, 2012, 16(6): 1-18.

[11] 赵伟,张宇,张智红.1981～2010年重庆地区季节性干旱时空变化特征分析[J].水土保持研究,2016,23(3):192-198.

[12] 王莺,李耀辉,胡田田.基于SPI指数的甘肃省河东地区干旱时空特征分析[J].中国沙漠,2014,34(1):244-253.

[13] 谭学志,粟晓玲,邵东国,等.基于SPI的陕西关中地区气象干旱时空特征分析[J].干旱地区农业研究,2011,29(2):224-229.

[14] 周丹,张勃,任培贵,等.基于标准化降水蒸散指数的陕西省近50a干旱特征分析[J].自然资源学报,2014(4):677-688.

[15] 刘宇峰,原志华,封建民,等.基于地表湿润指数的1959～2014年陕西省地表干湿时空变化特征[J].干旱区地理,2016,39(6):1186-1196.

[16] 蔡新玲,李茜,方建刚.陕西区域性气象干旱事件及变化特征[J].干旱区地理,2016,39(2):294-300.

[17] 刘闻,曹明明,宋进喜,等.陕西降水量变化特征及周期分析[J].干旱区地理，2013,36(5):865-874.

[18] 宋德明,张卫东.陕西省志：地理志[M].西安:陕西人民出版社,2000:6.

[19] McKee T B, Doeskin N J, Kieist J. The relationship of drought frequency and duration to time scales [C]//Proceedings of the 8th conference on applied climatology. Boston: American Meteorological Society, 1993: 179-184.

[20] Guttman N B. Accepting the standardized precipitation index: a calculation algorithm [J]. Journal of the American Water Resources Association, 1999, 35(2): 311-322.

[21] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 20481─2006气象干旱等级[M].北京:中国标准出版社,2006.

[22] Edwards D C, McKee T B. Characteristics of 20th century drought in the United States at multiple time scales [D]. USA: Department of Atmospheric Science, Colorado State University, 1997: 18-21.

[23] 吴绍飞,张翔,王俊钗,等.基于站点降雨量最优拟合函数的SPI指数计算[J].干旱区地理,2016,39(3):555-564.

[24] 杜佳,宋令勇,何兴军.陕西省降水时空分布与变化特征分析[J].地下水,2012(6):128-131.